Sistema de Generación de Energía Eléctrica a Partir de Bicicletas Estáticas en un Gimnasio y Viabilidad de Apoyo Fotovoltaico

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales Sistema de Generación de Energía Eléctrica a Partir de Bicicletas Estáticas en un Gimnasio y Viabilidad de Apoyo Fotovoltaico Autor: Pablo Bravo Carrasco Tutores: D. José Antonio Rosendo Macías D. Manuel Burgos Payán Dep. de Ingeniería Eléctrica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2015 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales Sistema de Generación de Energía Eléctrica a Partir de Bicicletas Estáticas y Viabilidad de Apoyo Fotovoltaico Autor: Pablo Bravo Carrasco Tutores: D. José Antonio Rosendo Macías Catedrático de Universidad D. Manuel Buergos Payán Profesor Titular de Universidad Dep. de Ingeniería Eléctrica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2015 Agradecimientos Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico Capítulo 1 AGRADECIMIENTOS En primer lugar agradecer a mis tutores José Antonio Rosendo Macías y Manuel Burgos Payán la posibilidad que me han brindado de poder realizar mi trabajo fin de grado con ellos, por sus explicaciones y facilidades mostradas durante la realización del mismo. Por supuesto agradecer a mi familia, en primer lugar, a mis padres Pablo y Rosalía por apoyarme, creer en mí y en mis sueños, por su apoyo y confianza depositados en mí. Ellos son la base de la persona que soy. Con su dedicación y sus enseñanzas he crecido como una persona muy afortunada. A mi hermano Francisco por sus consejos, orientaciones y ayuda a lo largo de toda la carrera. A mi hermano Adrián por preocuparse por mí y soportar algunos enfados sobre todo este último año. Y a mi abuela Carmen, porque con sus historias me hace desconectar cuando lo necesito. Agradecer también a Jeanette, por su ayuda y ánimo en los momentos difíciles, por sus consejos y por su apoyo incondicional en todo momento, así como por soportarme cuando tengo un mal día o las cosas no salen como las deseaba. Por último agradecer a mis compañeros de clase y amigos, Juan Carlos, Miguel, Elena, Natalia y Javi, por estar siempre cuando he necesitado ayuda. A todos vosotros, MUCHAS GRACIAS Índice Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 1 ÍNDICE Pág. Índice de figuras……………………………………………………………………….. 8 Índice de tablas………………………………………………………………………. 16 Capítulo 1: INTRODUCCIÓN 1.1.- Objetivos.……………………………………………………………………….. 22 1.2.- Energías Renovables.…………………………………………………………... 25 1.2.1.- Desarrollo sostenible y energías renovables..……………..…….……... 27 1.2.2.- Motivación.…………………………………....……………………….. 28 1.3.- Energía solar fotovoltaica……………………………………………………… 30 1.3.1.- Situación de la energía solar fotovoltaica……………………………… 31 1.3.2.- Situación de la energía solar fotovoltaica en España………………….. 35 1.3.3.- Energía fotovoltaica dentro del marco actual de las renovables………. 37 1.3.3.1.- ¿Por qué aprovechar energía solar?......................................... 37 1.3.4.- Ventajas e inconvenientes de la energía solar fotovoltaica……….…… 39 1.3.5.- Futuro de la energía fotovoltaica………………………………….….... 41 Índice Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 2 Pág. 1.4.- La conversión de energía humana…………………………………………….. 42 1.4.1.- Generación de energía basada en el pedaleo de una bicicleta…………. 44 1.4.2.- Cómo trabajan los generadores de energía…………………………….. 46 1.4.2.1.- Tipos de equipos que pueden ser convertidos……………….. 47 1.5.- Responsabilidad Social Empresarial (RSE)…………………………………... 48 Capítulo 2: EL GIMNASIO 2.1.- Elementos eléctricos del gimnasio……………………………………………... 53 2.2.- Estimación de horas de Sol…………………………………………………….. 57 2.3.- Requerimientos energéticos……………………………………………………. 58 2.4.- Consumos energéticos del gimnasio…………………………...………………. 60 2.2.- Coste del consumo de energía……………….…………………………...……. 66 Capítulo 3: SISTEMA DE GENERACIÓN BASADO EN BICICLETAS DE SPINNING 3.1. Mecánica de una bicicleta………………………………………………………. 69 3.2.-Estudio del centro BODYTECH……………………………………………….. 71 Índice Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 3 Pág. 3.2.1.- Características del grupo acople-generador utilizado en este estudio… 72 3.3.- Equipos utilizados…………………………………………………………...…. 75 3.3.1- Alternador………………………………………………………………. 75 3.3.1.1.- Principio de funcionamiento…………………………………. 76 3.3.1.2.- Selección del alternador……………………………………… 84 3.3.1.3.- Fuente de tensión regulable………………………………….. 94 3.3.2.- Bicicleta de spinning…………………………………………………... 97 3.3.2.1.- Modificaciones de la relación de transmisión……………….. 99 3.3.2.2.- Modificaciones del volante de inercia………………...…….104 3.3.2.3.- Cálculo de la correa…………………………………..…….. 106 3.3.2.4.- Cadena…………………………………………..…………. 107 3.3.3.- Inversor de corriente…………………………………..……………… 110 3.4.- Energía generada por las bicicletas……………………………..…………… 113 3.5.- Análisis económico-financiero………………………………..………………. 115 3.5.1.- Componente utilizados………………………………………………. 115 3.5.2.- Inversión inicial…………………………………………..…………... 116 3.5.3.- Ahorro energético…………………………..………………………… 119 3.5.4.- Tiempo de retorno de la inversión……………………………..……... 121 3.5.5.- Tiempo de retorno de la inversión para un aumento del coste de la electricidad……………………………………………….. 124 Índice Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 4 Capítulo 4: GENERACIÓN FOTOVOLTAICA Pág. 4.1.- Terminología…………………………………………………….…………….. 129 4.2.- Elementos de un sistema fotovoltaico………………………………………... 132 4.2.1.-Célula fotoeléctrica……………………………………………………. 132 4.2.2.- Módulos solares………………………………………………………. 133 4.2.3.- Generador fotovoltaico……………………………………………….. 135 4.2.4.- Inversor……………………………………………………………….. 137 4.2.5.- Armario general de protección y medida…………………………….. 139 4.2.6.- Funcionamiento………………………………………………………. 141 4.3.- Tipologías de instalaciones solares……………………………………...…… 143 4.3.1.- Instalaciones solares aisladas……………………...…………………. 143 4.3.2.- Instalaciones solares conectadas a red………..….…………….……... 144 4.4.- Tipos de células solares fotovoltaicas y evolución…………………………... 147 4.4.1.- De las placas tradicionales a integración arquitectónica……………... 150 4.4.- Cálculo del campo solar………………………………………………………. 152 4.4.1- Cálculo del número de módulos………………………………………. 153 4.4.2.- Influencia de la temperatura………………………………………….. 155 4.4.3.- Número máximo de módulos en serie………………………………... 156 4.4.4.- Número mínimo de módulos en serie………………………………… 161 4.4.5.- Número máximo de módulos en paralelo…………………………….. 164 4.5.- Distancia mínima entre seguidores solares………………………………….. 170 4.5.1.- Radiación solar directa y difusa……………………………………… 170 Índice Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 5 Pág. 4.5.2.- Geometría solar………………………………………………………. 172 4.5.3.- Recorrido óptico de la radiación solar……………………………….. 175 4.5.4.- Irradiancia en superficies inclinadas…………………………………. 176 4.4.5.- Horas de sol pico……………………………………………………... 178 4.4.6.- El movimiento solar………………………………………………….. 178 4.5.7.- Cálculo de las sombras…………………………………….…………. 181 4.5.7.1.- Altura solar α……………………………………….………. 186 4.5.7.2.- Separación entre las filas…………………………….……... 189 4.5.8.- Cálculo de pérdidas…………………………………………………... 190 4.5.8.1.- Pérdidas por sombreado…………………………….………. 191 4.5.8.2.- Pérdidas por temperatura…………………………….……... 193 4.5.8.3.- Pérdidas por dispersión del módulo fotovoltaico……….….. 196 4.5.8.4.- Pérdidas en el cableado……………………………….…….. 196 4.6.- Energía generada por los paneles fotovoltaicos……………………………... 199 4.7.- Análisis económico-financiero………………………………………………... 201 4.7.1.- Componentes de la instalación……………………………………….. 201 4.7.2.- Inversión Inicial………………………………………………………. 202 4.7.3.- Ahorro energético…………………………………………………….. 204 4.7.4.- Tiempo de retorno de inversión………………………………………. 205 4.7.5.- Tiempo de retorno de la inversión para un aumento del coste de la electricidad…………………..……………………………….. 207 4.7.5.- Tiempo de retorno de una futura inversión…………………………... 208 Índice Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 6 Capítulo 5: INSTALACIÓN ACS Pág. 5.1.- consideraciones previas……………………………………………………….. 212 5.2.- Breve descripción de la instalación de producción de ACS………………... 213 5.3.- Instalación de producción solar térmica…………………………………….. 214 5.3.1.- Sistema de captación…………………………………………………. 214 5.3.2.- Circuito primario……………………………………………………... 215 5.3.2.1.- Vaso de expansión………………………………………….. 215 5.3.2.2.- Aereotermo…………………………………………………. 216 5.3.2.3.- Sistema de llenado………………………………………….. 217 5.3.2.4.- Elementos de control……………………………………….. 217 5.3.3.- Sistema de intercambio………………………………………………. 218 5.3.4.- Sistema de acumulación…………………………………………….... 219 5.4.- Instalación de producción auxiliar de ACS…………………………………. 220 5.5.- Regulador……………………………………………………………………… 221 Capítulo 6: BALANCE ECONÓMICO-FINANCIERO GLOBAL 6.1.- Representación global de la instalación……………………………………... 225 6.2.- Inversión inicial……………………………………………………………….. 227 6.3.- Ahorro energético……………………………………………………………... 230 6.4.- Tiempo de retorno de la inversión total……………………………………... 231 Índice Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 13 Capítulo 5: INSTALACIÓN ACS Pág. Figura 5.1: Captador solar………………………………………………..…….…… 214 Figura 5.2: Representación de instalación ACS con las modificaciones…..…….…. 222 Capítulo 6: BALANCE ECONÓMICO-FINANCIERO GLOBAL Figura 6.1: Representación de la instalación completa con flujos de agua y electricidad………………………………………………………..... 226 Figura 6.2: Gráfico de presupuestos totales………………………………...………. 229 Figura 6.3: Tiempo de retorno de la inversión total sin averías………………...…... 231 Figura 6.4: Tiempo de retorno de la inversión total teniendo en cuenta reparaciones y averías……………………………………...……………... 232 Figura6.5: Tiempo de retorno de la inversión teniendo en cuenta averías, reparaciones y aumento del coste de la electricidad………………………………… 234 Anexo 3: TIEMPO DE RETORNO EN FUNCIÓN DEL NÚMERO DE BICICLETAS Figura A3.1: Tiempo de retorno para 12 bicicletas sin tener en cuenta averías y reparaciones………………………………………………………….……. 249 Índice Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 14 Pág. Figura A3.2: Tiempo de retorno para 20 bicicletas sin tener en cuenta averías y reparaciones……………………………………………………………….. 249 Figura A3.3: Tiempo de retorno para 24 bicicletas sin tener en cuenta averías y reparaciones………………………………………………………………...250 Figura A3.4: Tiempo de retorno para 30 bicicletas sin tener en cuenta averías y reparaciones……………………………………………………………….. 250 Figura A3.5: Tiempo de retorno para 40 bicicletas sin tener en cuenta averías y reparaciones……………………………………………………………….. 251 Figura A3.6: Tiempo de retorno para 50 bicicletas sin tener en cuenta averías y reparaciones…………………………………………………….………… 251 Figura A3.7: Tiempo de retorno para 12 bicicletas teniendo en cuenta averías y reparaciones…………………………………………………………….…. 252 Figura A3.8: Tiempo de retorno para 20 bicicletas sin tener en cuenta averías y reparaciones…………………………………………………………….…. 252 Figura A3.9: Tiempo de retorno para 24 bicicletas sin tener en cuenta averías y reparaciones……………………………………………………………..… 253 Figura A3.10: Tiempo de retorno para 30 bicicletas sin tener en cuenta averías y reparaciones…………………………………………………….…………. 253 Figura A3.11: Tiempo de retorno para 40 bicicletas sin tener en cuenta averías y reparaciones……………………………………………………………….. 254 Figura A3.12: Tiempo de retorno para 50 bicicletas sin tener en cuenta averías y reparaciones……………………………………………………………….. 254 Figura A3.13: Tiempo de retorno para 12 bicicletas con mantenimiento y encarecimiento de electricidad…………………………………………………...….. 255 Figura A3.14: Tiempo de retorno para 20 bicicletas con mantenimiento y encarecimiento de electricidad………………………………………………….…… 255 Figura A3.15: Tiempo de retorno para 24 bicicletas con mantenimiento y encarecimiento de electricidad………………………………………………………. 256 Figura A3.16: Tiempo de retorno para 30 bicicletas con mantenimiento y encarecimiento de electricidad………………………………………………………. 256 Índice Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 15 Pág. Figura A3.17: Tiempo de retorno para 40 bicicletas con mantenimiento y encarecimiento de electricidad………………………………………….………….... 257 Figura A3.18: Tiempo de retorno para 50 bicicletas con mantenimiento y encarecimiento de electricidad………………………………………………………. 257 Anexo 4: INTEGRACIÓN ARQUITECTÓNICA DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA Figura A4.1: Representación de cubiertas inclinadas…………………………….… 259 Figura A4.2: Representación de cubiertas planas…………………………………... 260 Figura A4.3: Representación de cubiertas colocadas como parasoles…………….... 260 Figura A4.4: Representación de cubiertas como muros cortina…………………..… 261 Figura A4.5: Representación de cubiertas como paños ciegos…………………...… 261 Figura A4.6: Representación de cubiertas como fachadas………………….………..262 Figura A4.7: Representación de cubiertas como pérgolas……………………….…. 262 Figura A4.8: Representación de cubiertas como techos de aparcamientos…………. 263 Figura A4.9: Representación de cubiertas como mobiliario urbano………………... 263 Figura A4.10: Representación de cubiertas con otras integraciones arquitectónicas.………………………………………………………………...……. 264 Figura A4.11: Representación de cubiertas como parte del techo de una casa……... 265 Figura A4.12: Módulo solar compuesto de células solares transparentes…………... 266 Índice Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 16 Pág. Figura A4.13: Panel solar cilíndrico utilizado para la generación de energía solar fotovoltaica…………………………………………………………. 267 Figura A4.14: Fotografía de una persiana solar con un diseño vanguardista………. 268 Figura A4.15: Fotografía de un edificio alemán con ventanas solares……………... 270 Figura A4.16: Objetos fabricados mediante células solares de forma esférica……... 271 Figura A4.17: Fotografía de un pequeño módulo fotovoltaico orgánico………....… 273 Figura A4.18: Edificio con ventanales formados por paneles solares…………....… 275 ÍNDICE DE TABLAS Capítulo 1: INTRODUCCIÓN Tabla 1.1: Reservas actuales de combustibles fósiles………………………………… 29 Tabla 1.2: Energía generada al montar en bicicleta……………………….…………... 45 Capítulo 2: EL GIMNASIO Tabla 2.1: Horas de salida y puesta de sol……………………….…….…..…………. 57 Tabla 2.2: Consumo de energía en la zona 1…………………….…………...………. 60 Tabla 2.3: Consumo de energía en la zona 2…………………….………….…..……. 61 Índice Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 17 Pág. Tabla 2.4: Consumo de energía en la zona 3…………………….…………….…..…. 61 Tabla 2.5: Consumo de energía en la zona 4…………………….…..……….………. 62 Tabla 2.6: Consumo de energía en la zona 5…………………….……..……….……. 62 Tabla 2.7: Consumo de energía en la zona 6…………………….…….……..………. 63 Tabla 2.8: Consumo de energía en la zona 7…………………….……………...……. 63 Tabla 2.9: Consumo de energía en la zona 8…………………….………….……..…. 63 Tabla 2.10: Consumo de energía en la zona 9 y 10..………….…………….………... 64 Tabla 2.11: Consumo de energía en la zona 11……..……….……………….………. 64 Tabla 2.12: Consumo de energía en la zona 12………..…….…………….…………. 64 Tabla 2.13: Consumo total de energía…………………...………………….………... 65 Capítulo 3: SISTEMA DE GENERACIÓN BASADO EN BICICLETAS DE SPINNING Tabla 3.1: Datos muestrales de la prueba realizada………………………………….. 72 Tabla 3.2: Rango de aplicaciones de los alternadores Indiel 12-14 V……………….. 88 Tabla 3.3: Rango de aplicaciones de los alternadores Indiel 24 V………….………... 89 Tabla 3.4: Características de la bicicleta de spinning………………………………… 98 Tabla 3.5: Resumen características de los piñones……………………….…….…... 102 Tabla 3.6: Datos del inversor…………………………………………..……….…… 110 Tabla 3.7: Inversión para 24 bicicletas………………………………..……….……. 117 Índice Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 18 Capítulo 4: GENERACIÓN FOTOVOLTAICA Pág. Tabla 4.1: Valores característicos del módulo fotovoltaico……………….………... 154 Tabla 4.2: Valores característicos del inversor………………………………….…... 154 Tabla 4.3: Valores característicos del módulo en función de la temperatura……..… 155 Tabla 4.4: Características del inversor solar……………………….………………... 168 Tabla 4.5: Características del generador solar………………………………….…… 169 Tabla 4.6: Datos solares……………………………………...……………….…….. 187 Tabla 4.7: Radiación global diaria sobre superficie inclinada……………………… 188 Tabla 4.8: Influencia de la temperatura en los módulos fotovoltaicos…………….... 193 Tabla 4.9: Datos de irradiación han sido obtenidos del EUMETSAT-CMSAF……. 195 Tabla 4.10: Perdidas del cableado cc……………………………………………….. 197 Tabla 4.11: Inversión fotovoltaica inicial……………………………………….…... 202 Tabla 4.12: Inversión transcurridos 20 años……………………………….………... 208 Capítulo 6: BALANCE ECONÓMICO-FINANCIERO GLOBAL Tabla 6.1: Presupuesto total de la inversión………………………………………… 228 Índice Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 19 Anexo 1: ENERGÍA PRODUCIDA EN FUNCION DEL NUMERO DE BICICLETAS Y HORAS DE FUNCIONAMIENTO Pág. Tabla A1.1: Producción de energía para 12 bicicletas en función de horas de funcionamiento diario………………………………………………………………... 241 Tabla A1.2: Producción de energía para 20 bicicletas en función de horas de funcionamiento diario……………………………….………………...… 241 Tabla A1.3: Producción de energía para 24 bicicletas en función de horas de funcionamiento diario………………………….………………………... 242 Tabla A1.4: Producción de energía para 30 bicicletas en función de horas de funcionamiento diario……………………………………………...…… 242 Tabla A1.5: Producción de energía para 40 bicicletas en función de horas de funcionamiento diario………………………………………….……...… 243 Tabla A1.6: Producción de energía para 50 bicicletas en función de horas de funcionamiento diario…………………………………………………... 243 Anexo 2: INVERSIÓN EN FUNCIÓN DEL NÚMERO DE BICICLETAS Tabla A2.1: Inversión inicial para 12 bicicletas de spinning…………………….…. 245 Tabla A2.2: Inversión inicial para 20 bicicletas de spinning…………………..….... 245 Tabla A2.3: Inversión inicial para 24 bicicletas de spinning……………………….. 246 Tabla A2.4: Inversión inicial para 30 bicicletas de spinning……………………….. 246 Tabla A2.5: Inversión inicial para 40 bicicletas de spinning……………………….. 247 Tabla A2.6: Inversión inicial para 50 bicicletas de spinning……………………….. 247 Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico Pablo Bravo Carrasco Capítulo 1 CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN Capítulo 1 – Introducción Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 21 En este primer capítulo vamos a explicar los objetivos del proyecto, donde también se explica brevemente el porqué de las soluciones adoptadas, como se desarrollara el proyecto y se explicara en que consiste la responsabilidad social empresarial. Posteriormente haremos una introducción sobre la situación actual de las energías renovables en el mundo y España, así como de las reservas de combustibles fósiles de las que disponemos actualmente. Se mencionara con más hincapié la situación de la energía solar fotovoltaica, su evolución, futuro y ventajas e inconvenientes de su aprovechamiento. Por último hablaremos de la conversión de energía humana y el aprovechamiento para generar electricidad a partir de bicicletas de spinning. Capítulo 1 – Introducción Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 22 1.1.- OBJETIVOS El presente trabajo tiene como objetivo general determinar si es factible técnicamente el aprovechamiento de la energía cinética generada durante una actividad física de las personas como es el spinning, para transformarla en energía eléctrica con los elementos disponibles actualmente en el mercado (alternadores), a un precio que resulte accesible para el inversor, también contaremos con paneles solares que producirán energía fotovoltaica para cubrir una mayor parte de la demanda que tendrá nuestro gimnasio. De esta manera, se genera energía “limpia”, se logra reducir la dependencia de la red eléctrica, y se disminuyen los costes operativos. De más está decir que la mayor parte de la inversión inicial necesaria deberá ser acorde a las posibilidades económico-financieras de la empresa. El proyecto aquí desarrollado no apunta a obtener un gran beneficio económico ya que para ello necesitaríamos un gran número de usuarios usando nuestro gimnasio durante toda la jornada, algo que es prácticamente inviable, sino que pretende obtener el mayor ahorro posible en la factura de la electricidad y también poder ofrecerse como herramienta de Responsabilidad Social Empresarial para la empresa que decida aplicarlo. El beneficio principal es el ahorro en la factura de electricidad ya que en una instalación de este tipo se requiere una gran cantidad de energía que se puede ver reducida con un buen planteamiento energético. En el presente capítulo se describe la necesidad que motivó este trabajo, el objetivo del mismo, se explica brevemente cómo está compuesto el establecimiento elegido como ejemplo práctico, qué parte del mismo se va a abarcar, y finalmente se contextualiza en cuanto al panorama nacional actual respecto de la energía eléctrica y su generación. Capítulo 1 – Introducción Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 29 Estas serían las reservas estimadas a día de hoy: combustible Energía contenida(W/año) Reservas estimadas carbón 937/tonelada 7.6 trillones de toneladas petróleo 168/barril 2 trillones de barriles gas 0.036/ft3= 0.0109728 m3 1016ft3= 3.048·1016m3 Tabla 1.1: Reservas actuales de combustibles fósiles El consumo global de energía en constante aumento hace que el número de problemas ambientales aumente con el paso del tiempo. Además, es bastante evidente que Europa no es capaz de cumplir plenamente el protocolo de Kyoto. Por esta razón, la sociedad y la presión política para desarrollar productos con menor el consumo de energía está en pleno desarrollo. Las cuestiones que tienen una alta prioridad legislativa y/o emocional parecen dominar en la elección de los temas de investigación, algo que no siempre se justifica desde un punto de vista científico. La investigación sobre el consumo de energía de los productos recibe poca atención, cuando es un factor dominante sobre el impacto ambiental en el ciclo de vida de productos. Además, la reciente volatilidad de los precios del petróleo, ha puesto de manifiesto una vez más la dependencia de nuestra vulnerable economía ante este "oro negro". Esta situación es poco probable que cambie en el largo plazo, ya que los precios del petróleo inevitablemente aumentarán cuando nos acercamos a su agotamiento. Capítulo 1 – Introducción Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 30 1.3.- ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA La energía solar fotovoltaica consiste en la conversión directa de la luz solar en electricidad, mediante un dispositivo electrónico denominado “célula solar”. La conversión de la energía de la luz solar en energía eléctrica es un fenómeno físico conocido como “efecto fotovoltaico”. Presenta características peculiares entre las que se destacan:  Elevada calidad energética  Pequeño o nulo impacto ecológico  Inagotable a escala humana La energía solar fotovoltaica permite un gran número de aplicaciones, ya que puede suministrar energía en emplazamientos aislados de la red (viviendas aisladas, faros, postes SOS, bombeos, repetidores de telecomunicaciones, etc.), o mediante instalaciones conectadas a la red eléctrica, que pueden ser de pequeño tamaño (instalación en vivienda individual) o centrales de gran tamaño (en España existen proyectos de hasta 48 MW de potencia). Figura 1.2: Aplicaciones de la energía solar fotovoltaica. Capítulo 1 – Introducción Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 31 Un punto importante que debemos destacar es que cada kWh generado con energía solar fotovoltaica evita la emisión a la atmosfera de aproximadamente 1kg de CO2, en el caso de comparar con generación eléctrica con carbón, o aproximadamente 0,4kg de CO2 en el caso de comparar con generación eléctrica con gas natural. Esto es de gran ayuda para la reducción de emisiones que se propone en el Protocolo de Kioto citado anteriormente. Se dice que la energía solar fotovoltaica es la energía del futuro. Su despegue se produjo en el contexto de programas espaciales, en los cuales se ha permitido hacer funcionar satélites artificiales por energía solar, aprovechando directamente la radiación del sol. Como características positivas podemos mencionar que la energía solar se transforma en energía eléctrica sin partes móviles, sin ciclos termodinámicos y sin reacciones químicas. Esta generación eléctrica es de duración prácticamente ilimitada, no requiere mantenimiento, no produce contaminación ni hace ruido. 1.3.1.- SITUACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA España es el primer mercado fotovoltaico del mundo porque es el país donde la energía solar destinada al consumo ha crecido más, y es segundo del mundo en cuanto a potencia instalada, únicamente superada por Alemania. Según la Comisión Nacional de Capítulo 1 – Introducción Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 32 la Energía (CNE), la potencia fotovoltaica instalada y conectada a la red en el pasado mes de enero del presente año ascendía a 3.207 megavatios (MW), un 381,1% más que en 2008, pero si se comparan las cifras acumuladas con los datos registrados hace solamente dos ejercicios, el incremento asciende a un 1.843%. En situaciones de crisis económica como la actual, la energía solar es un valor refugio, seguro y al alza. En nuestro país la distribución de la potencia fotovoltaica conectada a la red no está repartida de manera equitativa. De este modo, las comunidades autónomas que lideran el ranking solar son Castilla-La Mancha, Andalucía y Extremadura. En el otro lado, se sitúan Cantabria, Asturias, Ceuta y Melilla. Alemania es en la actualidad el segundo fabricante mundial de paneles solares fotovoltaicos tras Japón, con cerca de 5 millones de metros cuadrados de paneles solares, aunque sólo representan el 0,03% de su producción energética total. La venta de paneles fotovoltaicos ha crecido en el mundo al ritmo anual del 20% en la década de los noventa. En la UE el crecimiento medio anual es del 30%. El crecimiento actual de las instalaciones solares fotovoltaicas está limitado por la falta de materia prima en el mercado (silicio de calidad solar) al estar copadas las fuentes actuales, aunque a partir de la segunda mitad de 2008 el precio del silicio de grado solar ha comenzado a disminuir al aumentar su oferta debido a la entrada en escena de nuevos productores. Prueba de ello son los diversos planes se han establecido para nuevas factorías de este material en todo el mundo, incluyendo dos proyectos en España con la colaboración de los principales actores del mercado. Capítulo 1 – Introducción Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 33 La inyección en red de la energía solar fotovoltaica, estaba regulada por el Gobierno Español mediante el RD 661/2007 con el 575 % del valor del kWh normal, lo que se correspondía con unos 0,44 euros por cada kwh que se inyectaba en red. A partir del 30 de septiembre de 2008 esta actividad está regulada mediante el RD 1578/2008 de retribución fotovoltaica que establece unas primas variables en función de la ubicación de la instalación (suelo: 0,32 €/kWh o tejado: 0,34 €/kWh), estando sujetas además a un cupo máximo de potencia anual instalada a partir de 2009 que se adaptará año a año en función del comportamiento del mercado. Actualmente, el acceso a la red eléctrica en España requiere una serie de permisos de la administración y la autorización de la compañía eléctrica distribuidora de la zona. Esta tiene la obligación de dar punto de enganche o conexión a la red eléctrica, pero en la práctica el papeleo y la reticencia de las eléctricas están frenando el impulso de las energías renovables. Las eléctricas buscan motivos técnicos como la saturación de la red para controlar sus intereses en otras fuentes energéticas y con la intención de bloquear la iniciativa de los pequeños productores de energía solar fotovoltaica. Esta situación provoca una grave contradicción entre los objetivos de la Unión Europea para impulsar las energías limpias y la realidad de una escasa liberalización en España del sector energético que impide el despegue y la libre competitividad de las energías renovables. Los expertos aquí consultados (IDEA y el EVE) creen que hay varias razones, además de las citadas que explican el escaso desarrollo de la energía solar: Capítulo 1 – Introducción Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 34  Condicionantes económico-financieros: se necesita hacer una inversión inicial elevada que no todo el mundo puede asumir  El período de amortización de la inversión es largo, unos diez años.  Falta de concienciación ecológica y medioambiental.  La sociedad española tiene poca información sobre el tema y no conoce todos los beneficios y usos de la energía solar.  Ausencia de normativa necesaria para fomentar su uso.  No se cuida lo suficiente la integración de la instalación solar en los edificios.  En algunos casos la falta de espacio puede ser un inconveniente a la hora de la instalación.  La normativa exigida en algunos casos puede retraer a algunos consumidores interesados: en las instalaciones fotovoltaicas conectadas a red el propietario debe hacer declaración de IVA cada tres meses y darse de alta en el impuesto de actividades económicas, porque se vende energía a la compañía eléctrica. Capítulo 1 – Introducción Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 35 1.3.2.- SITUACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA EN ESPAÑA El recurso solar es abundante en España, que dispone de condiciones muy adecuadas para la energía solar fotovoltaica, con áreas de alta irradiancia. La situación respecto a otros países europeos como Alemania es comparativamente muy favorable. La principal característica de este recurso es estar disponible en toda la superficie al mismo tiempo, estando no obstante condicionado por las sombras de elementos naturales y artificiales y por las particulares condiciones climáticas de cada área geográfica. Figura1.3: Mapa de irradiación media en España Capítulo 1 – Introducción Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 36 Con motivo de alcanzar los objetivos dictados por el Protocolo de Kyoto y reforzar la política de energías limpias en España, se elaboró el Plan de Fomento de las Energías Renovables en España 2000-2010, el cual mostraba que aproximadamente el 12,1% de la energía primaria consumida en 2010 sería proporcionada por las energías renovables, debido a esta frontera ambiciosa hubo de revisarse dicho plan en 2004 y se creó el actual Plan de Fomento de las Energías Renovables 2005-2010. Centrándonos en el sector solar fotovoltaico, el Plan de Fomento de las energías Renovables en España 2005-2010 establecía una cifra de 400MW de potencia instalada en este tipo de energía. En 2004, la potencia total instalada de energía solar fotovoltaica en España, según los datos disponibles, supero los 37MWp, presentado un incremento cercano al 55% respecto a la potencia instalada en el año 2003. Figura 1.4: Potencia solar instalada en España en 2013 La rápida evolución ha comportado numerosas inversiones industriales relacionadas con la tecnología solar fotovoltaica, desde la fabricación de silicio policristalino, obleas y módulos hasta los seguidores o los inversores, de manera que actualmente en España se pueden producir todos los elementos de la cadena que interviene en una instalación solar fotovoltaica. Capítulo 1 – Introducción Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 37 1.3.3.- ENERGÍA FOTOVOLTAICA DENTRO DEL MARCO ACTUAL DE LAS RENOVABLES La producción de energía eléctrica aplicando técnicas fotovoltaicas presenta grandes ventajas energéticas, medioambientales, industriales, sin embargo, en España ese sistema de generación de energía se ha producido de manera lenta, fundamentalmente por barreras de carácter económico. Pese a todo, existen numerosos factores que hacen de esta tecnología un sistema de producción de energía muy atractivo para nuestro país: existencia de recursos solares abundantes, tecnología y capacidad de fabricación punteras a nivel internacional, perspectivas favorables de evolución a nivel tecnológico y económico, y un marco regulatorio establecido en R.D 436/2004 muy favorable, que establece un atractivo sistema de primas para la producción de energía eléctrica en régimen especial. 1.3.3.1.- ¿POR QUÉ AROVECHAR LA ENERGÍA SOLAR? Durante los últimos años del siglo XX, surge entre una gran parte de los países desarrollados de nuestro planeta, una creciente preocupación por el estado del ambiente que nos rodea. Los principales Organismos Públicos Mundiales elaboran informes denunciando nuevas problemáticas como el cambio climático y el calentamiento global del planeta que perjudican el estado de nuestro planeta. Capítulo 1 – Introducción Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 38 A raíz de estos escritos, se convocan cumbres mundiales donde se reúnen los gobernantes de la mayor parte de los países del mundo y debaten acerca de estos y otros problemas que acechan el medioambiente en busca de posibles soluciones. La cumbre de La Tierra de Río de Janeiro (1992) se convierte en el primer gran evento de estas características. Allí se establecen las bases y los cimientos de nuevas políticas energéticas que pocos años después se concretan con la redacción del Protocolo de Kyoto en 1998. Según este documento los países firmantes se comprometen a reducir sus emisiones contaminantes de CO2 al nivel de 1990. Unos años después, en el año 2002, la Unión Europea ratifica este tratado, comprometiéndose a reducir en el año 2010 el nivel de emisiones un 8% del nivel de 1990. En el caso de nuestro país, el nivel de emisiones pactado deber ser como máximo un 15% superior al nivel de 1990. Por último, y en relación a la reducción de emisiones contaminantes y al ahorro de energía, durante la cumbre del Desarrollo Sostenible de Johannesburgo, la Unión Europea se compromete a producir el 12% de la energía necesaria mediante el aprovechamiento de las fuentes de energía renovables. Nuestro país publica el texto de ratificación el 8 de febrero de 2005. A partir de ese momento, resulta imprescindible la introducción de nuevas medidas y nuevos instrumentos que permitan el desarrollo sostenible de nuestra política energética manteniendo los principios de competitividad, seguridad de suministro y protección del medioambiente. En este texto se busca el empleo de una energía limpia (no contaminante); mejorar la eficiencia energética de las instalaciones; reducir el consumo energético en los edificios; reducir la dependencia energética exterior; y aprovechar los recursos inagotables de nuestro país Capítulo 1 – Introducción Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 45 pozos y perforaciones, que son muy profundos y se puede utilizar para el riego y con fines de agua potable, así, el consumo de agua también se puede reducir. El potencial significativo del poder humano como fuente de energía se puede realizar por el hecho de que el ser humano promedio diario el consumo calórico es de aproximadamente 2500 kcal. 1 cal = 4.184 J  2.500 kcal = 10,5 MJ ≈ 3kWhr De las discusiones hasta ahora, podemos concluir que los sistemas basados en la conversión de potencia humana desarrollados están principalmente basados en el aprovechamiento de la energía humana individual, por lo tanto, se limitan principalmente a la alimentación de dispositivos de baja potencia de electrónica, y los sistemas existentes se basan en el esfuerzo de esfuerzo deliberado por individuos. Los datos de la siguiente tabla son una orientación del uso de algunos aparatos. ENERGIA APROVECHABLE AL MONTAR EN BICICLETA Tiempo Utilidad de productos 30segundos Una hora de música en un discman de música 4 minutos Un reloj para toda la vida 12 minutos Carga completa de un teléfono móvil 7 horas Más de un día de una bombilla 60 W 7horas 4 horas de uso de un ordenador Tabla 1.2: Energía generada al montar en bicicleta [3]. Capítulo 1 – Introducción Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 46 1.4.2.- CÓMO TRABAJAN LOS GENERADORES DE ENERGÍA Muchas máquinas de ejercicio ya tienen un pequeño generador que alimenta la consola de supervisión y también sirven para aumentar la cantidad de resistencia que el usuario pone en el ejercicio. En lugar de perder la energía del equipo de gimnasio lo ideal sería eliminar la resistencia interna que la tiene máquina y colocarla a una carga externa, que es otro equipo para convertir la corriente continua de las máquinas a AC, conectando las máquinas a una unidad central que contiene un inversor que luego proporciona energía para el edificio. Los equipos de reequipamiento son un método ideal para la creación de un gimnasio de generación de energía, ya que cuesta menos y convierte el equipo que ya funciona en máquinas generadoras de energía. Las nuevas máquinas pueden ser más eficiente y diseñadas específicamente para la generación de energía, pero para los gimnasios que ya cuentan con un conjunto completo de equipo, tiene más sentido en términos de conservación de los recursos para convertir el equipo y espere hasta que se averíe o ya no funciona antes de comprar un nuevo equipo de generación de energía [4]. Capítulo 1 – Introducción Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 47 1.4.2.1.- TIPOS DE EQUIPOS QUE PUEDEN SER CONVERTIDOS Las máquinas de los equipos de gimnasios aeróbicos, incluyendo elípticas, steppers y bicicletas fijas se pueden convertir de manera que cuando los usuarios ejercen sobre ellos, la electricidad se genera. Algunas compañías están creando su propio equipo de gimnasio especialmente diseñado para optimizar la generación de energía, y algunas de estas máquinas se pueden conectar juntas para que la energía total este saliendo de una fuente colectiva. Un ejemplo incluye no sólo una pieza típica bicicleta estacionaria, pero también combina esto con una parte de entrenamiento del brazo para aumentar la cantidad de energía y de entrenamiento [4]. Capítulo 1 – Introducción Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 48 1.5.- RESPONSABILIDAD SOCIAL EMPRESARIAL (RSE) La Responsabilidad Social Empresarial también llamada Responsabilidad Social Corporativa (RSC), se define como la contribución activa y voluntaria al mejoramiento social, económico y ambiental por parte de las empresas, generalmente con el objetivo de mejorar su situación competitiva, valorativa y su valor añadido. Ya sea para bien o para mal, las empresas influyen, y cada vez más, en la calidad de vida de la sociedad. Generan empleo y riqueza, pero también contaminación y ruido entre otras cosas. Por esta razón la Responsabilidad Social Empresarial se convierte en una herramienta útil para contrarrestar diferentes aspectos como el desmejoramiento de la calidad de vida de la población, los cambios en el medio ambiente, la violación a los derechos humanos y los escándalos corporativos por la ausencia de la ética empresarial. Es una visión de negocios que integra armónicamente a la estrategia empresarial, el respeto por los valores éticos, las personas, la comunidad y el medio ambiente. Para la Organización Internacional del Trabajo (OIT) "la Responsabilidad Social Empresarial es el reflejo de la manera en que las empresas toman en consideración las repercusiones que tienen sus actividades sobre la sociedad, y en la que afirman los principios y valores por los que se rigen, tanto en sus propios métodos y procesos internos como en su relación con los demás actores. Es una iniciativa de carácter voluntario y que sólo depende de la empresa, y se refiere a actividades que se considera rebasan el mero cumplimiento de la legislación." Hasta hace relativamente poco tiempo, se asumía que la responsabilidad de las empresas Capítulo 1 – Introducción Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 49 era únicamente generar utilidades. Actualmente, esta concepción no es suficiente ni aceptable. Además de generar utilidades para sus accionistas, la empresa, en tanto integrante del tejido social, debe asumir que sus actividades afectan, positiva o negativamente, la calidad de vida de sus empleados y de las comunidades en las que realiza sus operaciones. Aunque la Responsabilidad Social Empresarial es inherente a la empresa, recientemente se ha convertido en una nueva forma de gestión y de hacer negocios, en la cual la empresa se ocupa de que sus operaciones sean sustentables en lo económico, lo social y lo ambiental, reconociendo los intereses de los distintos grupos con los que se relaciona y buscando la preservación del medio ambiente y la sustentabilidad de las generaciones futuras. Es una visión de negocios que integra el respeto por las personas, los valores éticos, la comunidad y el medioambiente con la gestión misma de la empresa, independientemente de los productos o servicios que ésta ofrece, del sector al que pertenece, de su tamaño o nacionalidad. Es el compromiso consciente y congruente de cumplir integralmente con la finalidad de la empresa, tanto en lo interno como en lo externo, considerando las expectativas económicas, sociales y ambientales de todos sus participantes, demostrando respeto por la gente, los valores éticos, la comunidad y el medio ambiente, contribuyendo así a la construcción del bien común. Estas prácticas permiten reforzar la imagen positiva de la empresa y lograr la fidelización de sus clientes y colaboradores, lo cual contribuye a la rentabilidad de la empresa en el mediano o largo plazo. La RSE no sólo apunta a las multinacionales. Hoy en día son cada vez más las PyMEs que incorporan temas de RSE, logrando entrar al mercado, posicionándose como Capítulo 1 – Introducción Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 50 organizaciones con buena reputación y ganando la confianza de sus clientes. El modelo empresarial que tienen las pequeñas empresas, es un escenario perfecto para adoptar prácticas de RSE que contribuyan tanto a su crecimiento económico como social ya que se pueden adaptar más rápidamente, y con mayor flexibilidad, a las demandas de la sociedad. A pesar de los riesgos que puede enfrentar una PyME al incorporar el concepto de RSE, es importante entender que la misma no es un gasto, sino una inversión a largo plazo que permitirá escuchar, atender, comprender y satisfacer las expectativas legítimas de los diferentes actores que contribuyen a su desarrollo. Puede ser entendido también como un gasto en publicidad tendiente a fidelizar los clientes existentes y atraer nuevos. Es un proceso en el cual una empresa adopta sus decisiones de marketing con un triple objetivo: interés empresarial, satisfacción del consumidor y el bienestar a largo plazo de éste y de la sociedad en su conjunto. Son acciones que desarrolla la empresa para lograr el compromiso de los consumidores con un determinado comportamiento de interés social y que favorece al mismo tiempo la posición o la imagen de la empresa en los mercados Para que una empresa pueda transformar sus prácticas de RSE en una ventaja competitiva, mejorando su imagen y posicionándose como una empresa responsable en el mercado, es necesario dar a conocer a sus clientes, tanto internos como externos, dichas prácticas así como el valor de sus productos o servicios. Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas En un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico Pablo Bravo Carrasco Capítulo 1 CAPÍTULO 2: EL GIMNASIO Capítulo 2 – El gimnasio Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 52 En este capítulo se enumeraran los elementos eléctricos que componen el gimnasio y se representará gráficamente para tener una visión básica de cómo está distribuido. Posteriormente se hará un balance de las horas de sol con la que cuenta nuestro establecimiento, ya que tiene grandes ventanales, para aprovechar la luz del sol. Por último se hará una estimación del consumo de energía diario, calculando los coeficientes de utilización y consumo con el fin de saber cuál es el valor de la factura de electricidad mensual y anual para en posteriores capítulos poder calcular el beneficio de instalar nuestros sistemas. Capítulo 2 – El gimnasio Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 53 2.1.- ELEMENTOS ELÉCTRICOS DEL GIMNASIO Se enumeran a continuación los aparatos eléctricos con los que cuenta nuestro establecimiento separados por zonas. Zona 1: Sala de máquinas cardiovasculares y musculación  32 tubos fluorescentes  6 luces de emergencia  2 máquinas de aire acondicionado  1 televisor  1 equipo de música  5 cintas estáticas de correr Zona 2: Sala de spinning  12 tubos fluorescentes  2 luces de emergencia  1 máquina de aire acondicionado  1 televisor  1 equipo de música Capítulo 2 – El gimnasio Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 54 Zona 3: Oficina  4 tubos fluorescentes  1 luces de emergencia  1 máquina de aire acondicionado  1 ordenador Zona 4: Vestuario masculino  6 tubos fluorescentes  2 luces de emergencia  1 máquina de aire acondicionado  1 secador Zona 5: Vestuario femenino  7 tubos fluorescentes  2 luces de emergencia  1 máquina de aire acondicionado  1 secador Zona 6: Vestuario para minusválidos  1 tubos fluorescentes  1 luces de emergencia Capítulo 2 – El gimnasio Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 61 Tabla 2.3: Consumo de energía en la zona Zona 3: Oficina Descripción Cant. Potencia Unitaria [W] Potencia total [W] Coef. de potencia Coef. de utilización Demanda promedio [W] Demanda diaria [kWh] Tubos fluorescentes 4 16 64 100% 10% 6,4 0,1536 Luces de emergencia 1 7,4 7,4 100% 100% 7,4 0,1776 Aire acondicionado 1 1000 1000 100% 15% 150 3,6 Ordenador 1 300 300 100% 15% 45 1,08 Total 1371,4 208,8 5,0112 Tabla 2.4: Consumo de energía en la zona 3 Zona 2: Sala de spinning Descripción Cant. Potencia Unitaria [W] Potencia total [W] Coef. de potencia Coef. de utilización Demanda promedio [W] Demanda diaria [kWh] Tubos fluorescentes 12 16 192 100% 15% 28,8 0,6912 Luces de emergencia 2 7,4 14,8 100% 100% 14,8 0,3552 Aire acondicionado 1 1000 1000 100% 45% 450 10,8 Televisor 1 120 120 100% 60% 72 1,728 Equipo de música 1 100 100 100% 60% 60 1,44 Total 1426,8 625,6 15,014 Capítulo 2 – El gimnasio Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 62 Zona 4: Vestuario masculino Descripción Cant. Potencia Unitaria [W] Potencia total [W] Coef. de potencia Coef. de utilización Demanda promedio [W] Demanda diaria [kWh] Tubos fluorescentes 6 16 96 100% 15% 14,4 0,3456 Luces de emergencia 2 7,4 14,8 100% 100% 14,8 0,3552 Aire acondicionado 1 1000 1000 100% 45% 450 10,8 Secador de pelo 1 120 120 100% 2% 2,4 0,0576 Total 1230,8 481,6 11,558 Tabla 2.5: Consumo de energía en la zona 4 Zona 5: Vestuario femenino Descripción Cant. Potencia Unitaria [W] Potencia total [W] Coef. de potencia Coef. de utilización Demanda promedio [W] Demanda diaria [kWh] Tubos fluorescentes 7 16 112 100% 15% 16,8 0,4032 Luces de emergencia 2 7,4 14,8 100% 100% 14,6 0,3552 Aire acondicionado 1 1000 1000 100% 45% 450 10,800 Secador de pelo 1 120 120 100% 3% 2,4 0,0576 Total 1246,8 483,8 11,611 Tabla 2.6: Consumo de energía en la zona 5 Capítulo 2 – El gimnasio Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 63 Zona 6: Vestuario para minusválidos Descripción Cant. Potencia Unitaria [W] Potencia total [W] Coef. de potencia Coef. de utilización Demanda promedio [W] Demanda diaria [kWh] Tubos fluorescentes 1 16 16 100% 5% 0,8 0,0192 Luces de emergencia 1 7,4 7,4 100% 100% 7,4 0,1776 Total 23,4 6,2 0,1488 Tabla 2.7: Consumo de energía en la zona 6 Zona 7: Pasillo Descripción Cant. Potencia Unitaria [W] Potencia total [W] Coef. de potencia Coef. de utilización Demanda promedio [W] Demanda diaria [kWh] Tubos fluorescentes 4 16 64 100% 5% 3,2 0,0768 Luces de emergencia 2 7,4 14,8 100% 100% 14,8 0,3552 Total 78,8 18 0,432 Tabla 2.8: consumo de energía en la zona 7 Zona 8: Recepción Descripción Cant. Potencia Unitaria [W] Potencia total [W] Coef. de potencia Coef. de utilización Demanda promedio [W] Demanda diaria [kWh] Tubos fluorescentes 4 16 64 100% 5% 3,2 0,076 Luces de emergencia 1 7,4 7,4 100% 100% 7,4 0,1776 Ordenador 1 300 300 100% 66% 198 4,752 Total 371,4 208,6 5,006 Tabla 2.9: Consumo de energía en la zona 8 Capítulo 2 – El gimnasio Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 64 Zona 9 y 10: Cuarto de instalaciones eléctricas e instalaciones ACS Descripción Cant. Potencia Unitaria [W] Potencia total [W] Coef. de potencia Coef. de utilización Demanda promedio [W] Demanda diaria [kWh] Tubos fluorescentes 4 16 64 100% 3% 1,92 0,046 Luces de emergencia 2 7,4 14,8 100% 100% 14,8 0,3552 Total 78,8 16,72 0,402 Tabla 2.10: Consumo de energía en la zona 9 y 10 Zona 11: Pista de pádel Descripción Cant. Potencia Unitaria [W] Potencia total [W] Coef. de potencia Coef. de utilización Demanda promedio [W] Demanda diaria [kWh] Focos 4 300 1200 100% 8% 96 2,304 Total 1200 96 2,304 Tabla 2.11: Consumo de energía en la zona 11 Zona 12: Jardín Descripción Cant. Potencia Unitaria [W] Potencia total [W] Coef. de potencia Coef. de utilización Demanda promedio [W] Demanda diaria [kWh] Focos 4 100 400 100% 20% 80 1,92 Total 400 80 1,92 Tabla 2.12: Consumo de energía en la zona 12 Capítulo 2 – El gimnasio Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 65 Consumo total Descripcion Potencia total Demanda Promedio Demanda Diaria [kWh] Zona 1 11840,4 2512,8 60,30 Zona 2 1426,8 625,6 15,014 Zona 3 1371,4 208,8 5,0112 Zona 4 1230,8 481,6 11,558 Zona 5 1246,8 483,8 11,611 Zona 6 23,4 6,2 0,1488 Zona 7 78,8 18 0,432 Zona 8 371,4 208,6 5,006 Zona 9 y 10 78,8 16,72 0,402 Zona 11 120 96 2,304 Zona 12 400 80 1,92 TOTAL 18188,6 4738,12 113,714 Tabla 2.13: Consumo total de energía Capítulo 2 – El gimnasio Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 66 2.5.- COSTE DEL CONSUMO DE ENERGÍA Actualmente no están operativas para todas las compañías las tarifas por discriminación horaria por lo que se tomará como base el precio de la energía de una tarifa sin discriminación horaria. Se ha evaluado el precio de la energía de las diferentes compañías que hay en España para potencia contratadas de entre 10 y 15 kW y se ha obtenido un precio medio de 0,14 €kWh. Nuestro gimnasio cuenta con una potencia contratada de 13,8 kW monofásica. Por otro lado sabemos que el gimnasio abre de lunes a sábado por lo que tomaremos los meses con 25 días hábiles. Procedemos a calcular el coste de la energía:  Coste diario [€] = 0,14€/kWh · 113,714 kWh = 15,92 €  Coste mensual[€] = 15,92€ · 25 días = 398 €  Coste anual[€] = 398€ · 12 meses = 4775,99 € Tenemos que el coste anual de la energía en nuestro gimnasio es de 4775,99 €, con nuestras modificaciones en el gimnasio intentaremos reducir este coste el máximo posible. Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas En un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico Pablo Bravo Carrasco CAPÍTULO 3: SISTEMA DE GENERACIÓN BASADO EN BICICLETAS DE SPINNING Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 68 En este capítulo se comienza hablando sobre la fuerza que aplicamos sobre unos pedales y el par que somos capaces de generar sin hacer distinción entre hombres y mujeres. A continuación se muestra un estudio realizado en el Centro de acondicionamiento Físico Bodytech, del cual podemos obtener una información importante sobre la capacidad de pedaleo de las personas y por lo tanto a las revoluciones que girará nuestro alternador para obtener la mayor eficiencia. Se explica brevemente el funcionamiento del alternador y los criterios seguidos para su elección, así como las modificaciones que deberán sufrir las bicicletas ya existentes en el gimnasio para adaptarlas al generador. Posteriormente se realizará un presupuesto de la inversión para 24 bicicletas que serán las que tengamos en el gimnasio pero en algunas secciones se indicará el coste para 12, 20, 24, 30, 40 y 50 bicicletas. Por último se calculará el tiempo de retornos de la inversión de la instalación de generación de electricidad a partir de bicicletas de spinning. Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 69 3.1.- MECÁNICA DE UNA BICICLETA El funcionamiento mecánico de la bicicleta requiere un simple impulso de un par de pedales con las piernas (parte del cuerpo humano que tiene mayor potencia muscular). Este esfuerzo puede ajustarse a partir de un sistema de fricción manual, denominado regulador de resistencia. Poseen una rueda de inercia o volante de varios kilogramos, a fin de facilitar el pedaleo, y que para efectos del sistema a diseñarse, es la parte de contacto a partir de la cual se transmitirá la energía de la bicicleta al generador DC. La potencia generada por una persona promedio en una bicicleta oscila entre 270 W a 400 W. La Figura 3.1 ilustra la dinámica del pedaleo de un tripulante. Figura 3.1. Esquema de fuerza en el pedal. Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 70 El par generado por la fuerza ejercida en el pedaleo está dado por: T = F × d La fuerza máxima promedio que pueden generar los adultos pedaleando, sin distinción de sexo es de 294,3 N pero esta fuerza se podría aplicar durante algunos segundos, por ello basaremos nuestros cálculos en la fuerza media promedio que pueden generar los adultos, dicha fuerza es de 205,8 N, y sabiendo que la longitud promedio de la biela del pedal es de 20 cm tenemos: T= 205.8·0,2=41,16 N·m El par sería de 41,16 N·m. De acuerdo con la siguiente ecuación, si se logra una velocidad angular de 60 rpm ó 6,2832 rad/seg, la potencia alcanzada sería de: Pm = T × ω Pm =41,16·6,2832=258,61W Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 77 Figura 3.6: Campo magnético de un alternador Si con este conductor formamos ahora una espira a la cual hacemos dar un giro de 360 grados (Figura 3.7), obtendremos una onda de corriente alterna (Figura 3.8) Figura 3.7: Espira de alternador girando Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 78 Figura 3.8: Onda de corriente alterna En los casos representados, el campo inductor permanece fijo, pero si ahora hacemos la operación inversa, es decir, movemos el campo inductor, tendremos el mismo efecto también para un giro del mismo de 0 a 360 grados (Figura 3.9). La representación gráfica de la corriente obtenida en el giro completo será la misma que para el caso anterior, es decir, una sinusoide. Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 79 Figura 3.9: Campo magnético de un alternador moviendo el campo inductor Si en lugar de utilizar un imán permanente como campo inductor giratorio, utilizamos un arrollamiento giratorio, por el cual hacemos circular corriente, tendremos también un campo inductor, al cual llamaremos rotor. Mientras que el arrollamiento fijo o estacionario lo denominaremos estator. Por lo tanto, en el alternador, el rotor gira en el interior de los arrollamientos del estator. Cuando el bobinado del rotor es excitado con corriente continua a través del sistema escobillas y colector y comienza a girar, induce en los arrollamientos del estator una diferencia de potencial o tensión inducida. Para un estator de una sola espira, el procedimiento seria el que muestra la figura 3.10. Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 80 Figura 3.10: Campo inductor giratorio con una sola espira En el alternador, el bobinado del estator está compuesto por 3 arrollamientos que se encuentran interconectados entre sí en estrella. Figura 3.11: Arrollamientos del alternador conectados entre sí Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 81 Pero considerando que los requerimientos de los sistemas de carga en los vehículos son de corriente continua, es preciso rectificar dicha onda de corriente utilizando para ello los denominados diodos de silicio. En el caso del modelo AVI-128 de Indiel estos diodos son de tipo Zener de 30 Voltios. Este tipo de diodo tiene la ventaja de, ante una desconexión de batería, los pulsos del alternador están limitados a 30 Voltios, protegiendo de esta forma todos los dispositivos electrónicos que equipan hoy a los automóviles modernos. Figura 3.12: Onda alterna rectificada Los diodos rectificadores presentan baja resistencia en un sentido, por lo que se puede considerar a éstos como un conductor permitiendo el paso de la corriente del medio ciclo positivo (diodos positivos). Cuando la corriente es de signo contrario, la resistencia que presentan es muy elevada, pudiendo considerarse como un circuito abierto. En el caso de diodos negativos el efecto es inverso (permiten el pasaje de corriente del medio ciclo negativo). Básicamente para un estator de una sola espira el proceso de rectificación de corriente sería el que se muestra en la figura 3.13. En este caso, como se trata de un diodo positivo, el circuito entregará una corriente pulsante de media onda. Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 82 Figura 3.13: Sistema rectificador de media onda Si se aumenta el número de diodos y se ubican como muestra la figura 3.14, se obtiene una corriente pulsante de onda completa. Figura 3.14: Sistema rectificador de onda completa Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 83 En los alternadores el proceso de rectificación de corriente se logra a través de los diodos de silicio conectados a las salidas del estator. La onda de corriente alterna trifásica rectificada presentará la forma representada en la figura 3.15. Figura 3.15: Onda trifásica completa rectificada La tensión así rectificada llega al borne positivo del alternador, siendo su valor controlado por medio de un regulador de voltaje, que varía la intensidad de excitación que circula por el arrollamiento de campo, así, con regímenes de velocidades bajos la intensidad de excitación es muy grande para mantener el voltaje fijo, a medida que las revoluciones van aumentando la excitación va disminuyendo hasta llegar a un cierto límite en el que se desconecta por completo, esto sucede cuando el alternador llega a su nivel máximo de revoluciones. La innovación tecnológica llevó a desarrollar máquinas que puedan soportar niveles de exigencia mucho mayor y tengan además mejores prestaciones, más durabilidad y una mayor confiabilidad. Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 84 3.3.1.2.- SELECCIÓN DEL ALTERNADOR Al momento de buscar un alternador, se consultó a vendedores mayoristas y minoristas de estas piezas, con regulador de voltaje para proteger el sistema. Se optó por los de la marca Indiel Prestolite por las siguientes razones:  Su calidad  La disponibilidad de los mismos en el mercado  La disponibilidad de catálogos e información técnica de fácil acceso También se consideraron los alternadores Magnetti Marelli y Bosch, pero la información técnica disponible es escasa. Se presenta la curva típica para cada tipo de alternador Indiel en la figura 3.16. Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 85 Figura 3.16. Curva típica de alternadores estabilizados Indiel Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 86 Los AVI 128 son alternadores de ventiladores internos que poseen las siguientes ventajas como piezas de automóvil frente al resto de los alternadores Indiel:  Diodos principales tipo Zener que protegen los dispositivos electrónicos de los vehículos modernos y además tienen un mayor rango de temperatura de trabajo (hasta 205°C máx.).  Regulador de voltaje RT-8 con tecnología de película gruesa con interconexiones en alambre de Níquel y con bloques de soldadura, con las ventajas de tener menor número de elementos soldados, poseer una estabilidad térmica mayor y además soportar a un rango de temperatura más elevado.  Poseer 2 ventiladores internos de diseño de avanzada que ventilan en forma separada las partes electrónicas (Regulador y Conjunto rectificador) y los bobinados del rotor y estator, además tienen un nivel de ruido inferior a los alternadores de ventilado externo.  Puede trabajar a velocidades superiores, (20.000 RPM)  Temperatura de funcionamiento: –40 °C a +135°C.  Corriente de salida de 80 hasta 110 Amp. según la aplicación.  Mayor corriente de salida a bajas RPM. Entre 54 y 59 Amp. a 2.000 RPM de alternador (Ralentí del vehículo).  Disponible con polea con embrague para aplicaciones diesel. Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 93 Figura 3.20: Rango de funcionamiento sobre la curva típica de alternador Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 94 3.3.1.3.- FUENTE DE TENSIÓN REGULABLE Se conecta a la salida del alternador y permite obtener distintos valores de tensión según la posición del selector, el cual servirá como regulador de esfuerzo para la bicicleta. A continuación se muestra el funcionamiento del LM317, un regulador de tensión ajustable de tres terminales, capaz de suministrar en condiciones normales 1.5 [A], en un rango que va desde 1,2 hasta 37 [V]. Para su utilización requiere de dos resistencias exteriores para conseguir la tensión de salida deseada. Figura 3.21: Diseño de una fuente de tensión regulable La tensión entre la patilla de ajuste y de salida es siempre de 1,25 [V] (tensión establecida internamente por el regulador), y en consecuencia la corriente que circula por el resistor R2 es: 𝐼𝑅2 = = Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 95 Esta misma corriente es la que circula por R1. Entonces la tensión en R1: 𝑉𝑅1 = 𝐼𝑅2 × 𝑅1 𝑉𝑅1 = 1,25[𝑉] × 𝑉𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = 𝑉𝑅1 + 𝑉𝑅2 ⇒ 𝑉𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = 1,25[𝑉] × + 1,25[𝑉] = 1,25[𝑉] × ( + 1) A partir de esta ecuación se evidencia que modificando la resistencia R1 es posible variar la tensión de salida. Se ha despreciado la corriente (Iaj) que circula entre la patilla de ajuste y la unión de R1 y R2. Esta corriente se puede despreciar. Tiene un valor máximo de 100 [μA] y permanece constante con la variación de la carga y/o de la tensión de entrada. Con el propósito de optimizar la regulación, la resistencia R2 se debe colocar lo más cercano posible al regulador, mientras que el terminal que se conecta a tierra de la resistencia R1 debe estar lo más cercano posible a la conexión de tierra de la carga. Con el propósito de optimizar el funcionamiento del regulador se pueden incorporar al diseño algunos elementos adicionales: Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 96  Se dispone un condensador C1 de 220 ó 4.700 [μF] en la patilla de entrada (IN) si el regulador se encuentra alejado del bloque que se encarga de la rectificación. Seguido de éste se coloca un condensador cerámico de 100 [nF] con el propósito de mejorar el rechazo del rizado.  Se pone un condensador C3 de 1 [μF] de tantalio ó 220 [μF] electrolítico en la patilla de salida (OUT) con el propósito de mejorar la respuesta a transitorios.  Para tener control de la tensión que va a entregar el regulador, se pone un potenciómetro de 5 [kΩ] entre masa, y la patilla de ajuste del regulador.  Se pone un resistor de aproximadamente 240 [Ω] en paralelo entre la patilla de ajuste y salida del regulador. Ante este tipo de regulación surgen dos problemas: El primero es que este tipo de dispositivos manejan intensidades muy pequeñas. La mayor corriente que soporta son 3 amperios lo que queda muy lejos de las intensidades que saldrán del alternador. Existen fabricantes que realizan reguladores por encargo de hasta 10 amperios. Esto encarecería el sistema pues al ser a especiales aumentarían el precio. Pero aun así seguirían siendo pequeños y necesitaríamos mínimo dos reguladores por bicicleta. El segundo problema y el que más afecta a la eficiencia del sistema es que un regulador de tensión funciona variando su resistencia, de manera que si queremos que variar la tensión variamos la resistencia, con esto tendríamos una disipación de calor por parte de la resistencia que no sería aprovechable. Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 97 3.3.2.- BICICLETA DE SPINNING Una bicicleta de este tipo es similar a una bicicleta de calle con la única diferencia de que una bici de spinning no tiene ruedas, sino un volante de inercia en la parte delantera para un buen funcionamiento. Figura 3.22. Partes de una bicicleta estática Hemos seleccionado una bicicleta estándar similar a la que pude haber en cualquier gimnasio, se trata de la bicicleta de ciclismo indoor Diadora Racer 20 y tiene las siguientes características: Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 98 Tabla 3.4: Características de la bicicleta de spinning Características de la bicicleta de spinning Volante de inercia 20kg Diámetro del volante 450 mm Número de dientes del piñón del volante 14 Función de la consola Velocidad, distancia, calorías y pulsaciones Resistencia Rozamiento por zapata Frenado de emergencia Si Transmisión Por cadena Ajuste de manillar vertical Ajuste de sillín Vertical y horizontal Eje del pedalier Rodamientos Bielas Independientes del eje del pedalier Pedales Plataforma Estructura Cuadro de acero Peso máximo del usuario 120 Kg Peso de la bicicleta 41 Kg dimensiones 121x50x115 cm Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 99 Figura 3.23: Bicicleta de spinning Diadora racer 20 3.3.2.1.- MODIFICACIONES DE LA RELACIÓN DE TRANSMISIÓN Se sabe que no todas las personas tienen la misma fisionomía y por lo tanto no generan la misma potencia. Por esto vamos a incluir unos piñones en el eje del pedal de la bicicleta para poder cambiar la relación de transmisión y así facilitar el ejercicio a personas con menos fuerza, y endurecerlo a persona que sean capaces de generar una potencia mayor. Sabemos que la potencia mecánica se define como: Pm = T × ω, por lo tanto si el par lo mantenemos constante, al tener mayor velocidad angular tendremos mayor potencia. Para tener un mayor rango de relaciones de transmisión colocaremos 4 coronas de piñones con distinto número de dientes en lugar de 3. Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 100 Cuando estemos realizando un ejercicio y notemos que no somos capaces de pedalear bajaremos un piñón para reducir la relación de transmisión y pedalear más fácilmente, lo que generara una potencia menor. Lo mismo ocurre si notamos que tenemos poca resistencia al pedalear y nos cuesta poco esfuerzo, subiremos un piñón para aumentar la relación de transmisión y con ésto, una potencia mayor. Como se mencionó anteriormente, cada persona pedalea a un promedio de 86 rpm y entrega una potencia mecánica promedio entre 270y 400 W. Con estos datos tenemos de la sección 3.3.1.2 que, el rango velocidad del alternador oscila entre 1700 y 2450 rpm por lo tanto tenemos:  Para 1700 RPM 𝑟𝑡1 = 𝑟𝑡 1= 19,7674  Para 2450 [RPM] 𝑟𝑡4 = = 28,489 𝑟𝑡 4= 28,489 Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 101 Conocidos estos datos, los de la bicicleta y sabiendo que el eje del alternador tiene un diámetro de 60mm, debemos elegir los piñones para ajustarnos a la relación de transmisión. 𝑟𝑡 1= x 𝑟𝑡 1= x  𝑟𝑡1= 19,2857 𝑟𝑡 4= x 𝑟𝑡 4= x  𝑟𝑡4= 28,9285 Obtenemos que el número de dientes del piñón mayor es de 54 y del piñón menor es de 36, por lo tanto el número de dientes de los dos piñones restantes estará entre 36 y 54 dientes. Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 102 𝑟𝑡 2= x 𝑟𝑡 2= x  𝑟𝑡2= 22,5 𝑟𝑡 3= x 𝑟𝑡 3= x  𝑟𝑡3= 25,7142 Haremos un resumen de la relación de transmisión, número de dientes y velocidades del volante de inercia y del alternador. 𝑟𝑡 Z RPM volante RPM alternador Corona 1 𝑟𝑡1=19,2857 36 221,14 1658,57 Corona 2 𝑟𝑡2=22,5 42 258 1935 Corona 3 𝑟𝑡3=25,7142 48 294,85 2211,42 Corona 4 𝑟𝑡4=28,9285 54 331,714 2487,85 Tabla 3.5: Resumen características de los piñones Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 109 Figura 3.30: Conjunto bicicleta, alternador, correa. En un primer diseño se pensó en colocar el alternador delante de la bicicleta ya que es más fácil de instalar, pero se replanteó la idea ya que ocupaba más espacio y podía provocar choque de los clientes y caídas, incluso si el choque es fuerte se puede sacar la correa de las poleas quedando el alternador fuera de servicio. Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 110 3.3.3.- INVERSOR DE CORRIENTE La función del inversor de corriente es la de convertir la corriente continua, en este caso de 14 V proveniente de los alternadores, en corriente alterna con una tensión de 220 V en caso monofásico. En cuanto a los inversores trifásicos, es decir de 12 [V] a 380 [V], se consultó pero solo se fabrican para potencias muy elevadas, normalmente a partir de 40 [kVA]. Por ello, se ha decidido excluir los equipos trifásicos del análisis. En este caso, en nuestra instalación no contamos con aparatos trifásicos. Para el sistema de bicicletas usaremos dos inversores de la marca Brand new de 5000w cada uno ya que con uno solo no cubriríamos la potencia generada por los alternadores. A continuación se detallan algunos datos de interés. inversor Rango de voltaje DC 11-15 V Eficiencia Mayor de 92% Voltaje AC 220/230/240 V Potencia continua 5000W Potencia pico 10000W Frecuencia 50 ó 60 Hz Tabla 3.6: Datos del inversor Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 111 Figura 3.31: Inversor para alternadores A continuación se presenta un ejemplo de la disposición teórica de los elementos desarrollados en el presente capítulo. En verde se encuentran representados los conductores eléctricos que interconectan los componentes del sistema y en amarillo los inversores de corriente. Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 112 Figura 3.32: Disposición teórica de los elementos ( ~ ' ~ Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 113 3.4.- ENERGÍA GENERADA POR LAS BICICLETAS Como se mencionó en la sección 3.2.1, cada persona generará en promedio 370 [W]. Considerando un rendimiento global del sistema del 85%, se tomará para este análisis una potencia generada promedio por bici de 315 [W]. Cada persona generará entonces, en promedio, 315 [W] durante 60 minutos, tiempo que dura una clase de spinning. La máxima energía que es posible generar vendrá dada entonces por la cantidad de bicis disponibles y la cantidad de clases que se dicten por día. En el anexo 1 se muestra en tablas la potencia y la energía que es posible generar en función de la cantidad de bicis y la cantidad de clases que se dicten diariamente. Se plantean los casos de tener 12, 20, 24, 30, 40 ó 50 bicis, y de dictar desde 2 hasta 10 clases de spinning diarias para cada caso. Los resultados obtenidos se resumen en la siguiente figura. Para el cálculo de la energía generada por mes, se tuvieron en cuenta 25 días hábiles al mes, ya que los sábados también se abre el gimnasio, es decir que se multiplica la energía generada por día por 25 días. Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 114 Figura 3.33: Energía generada por mes en función de la cantidad de bicis y horas diarias de spinning Se tomará para el presente trabajo la opción de trabajar con 24 bicicletas y 3 clases diarias, ya que sería complicado contar un número tan elevado de usuarios para poder impartir más clases. Con esta elección y sabiendo que una bicicleta genera 315 W, tendremos una potencia de 7560 W, lo que supondría 22,68 kWh al día y lograremos 567 kWh por mes aproximadamente como aparece en el anexo 1. Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 115 3.5.- ANÁLISIS ECONÓMICO-FINACIERO 3.5.1.- COMPONENTES UTILIZADOS  Componentes por cada bicicleta  Cadena  Correa  Piñones  Alternador  Anclaje para el alternador  Kit de cambio de piñon  Inversores decorriente Según lo calculado en la sección 3.4, la producción de potencia con 24 bicicletas y 3 horas de clases diarias sería de 7560 W. Sabemos que el inversor que hemos elegido tiene una potencia nominal de 5000 W soportando picos de 10000W. Por ello se colocaran 2 inversores en paralelo y tendrán capacidad suficiente para la potencia generada. Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 116 Esta elección también ha sido tomada desde el punto de vista de la avería del inversor, si contáramos con uno de 10 kW y se averiase no podríamos producir nada de energía, pero en el caso de contar con dos inversores, al menos uno de ellos sí que estaría en funcionamiento perdiendo solo la mitad de la producción y no toda. 3.5.2.- INVERSIÓN INICIAL El monto de la inversión inicial dependerá de la cantidad de bicicletas que se desee utilizar para generar energía. Cabe destacar que el costo de adquisición de las bicicletas no se incluye en este análisis puesto que ya existirían en el gimnasio y solo sería necesario aplicarle algunas modificaciones. Se presenta a continuación el cálculo para 24 bicicletas, cantidad que hemos elegido que puede ser más coherente. Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 117 Tabla 3.7: Inversión para 24bicicletas Con el objetivo de presentar al inversor las distintas posibilidades, se realiza el cálculo de dicho monto para diferentes cantidades de bicis (12, 20, 24, 30, 40 y 50). Dichos cálculos se encuentran detallados en el anexo 2. Cantidad de bicicletas:24 Descripción Precio unitario cantidad Precio total Cadena 6,50 € 12 78 € Correa 19,53 € 24 468,72 € Piñones cuádruples Btt acero dentado 54/48/42/36 19,95 € 24 478,8 € Alternador Indiel A115 14V – 55 [A] 45,45 € 24 1090,8 € Anclaje alternador 7,20 € 24 172,8 € Maneta Shimano Altus Ml 310 + cambio trasero Shimano TX35 TORNEO 7.6) 6,90€+9,99 € 24 405,36 € Inversor 444,5 € 2 889 € Conductor unipolar 16mm2 1,60 €/m 60 m 96 € Caja de protección 145,95 € 1 145,95 € Canalización de cableado 3.25 €/m 20 m 65 € Mano de obra e instalación 25 € 24 h 600 € TOTAL 4490,43 € Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 118 Figura 3.34: Monto de inversión inicial en función de la cantidad de bicicletas Como podemos observar el alternador, el inversor y la mano de obra suponen la mayor parte del desembolso inicial, y la cadena, la caja de protección y el anclaje del alternador suponen solo una pequeña cantidad del total. Capítulo 3 – Sistema de generación basado en bicicletas de spinning Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 125 Figura 3.38: Tiempo de retorno de la inversión teniendo en cuenta averías, reparaciones y aumento del coste de la electricidad Como se puede observar en el gráfico el tiempo de retorno es prácticamente el mismo pero la diferencia está en el beneficio una vez pasados los 20 años, pasamos de obtener un beneficio de 15.600 € a un beneficio de 16.600 € lo que hace aún más rentable la inversión. Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico Pablo Bravo Carrasco Capítulo 1 CAPÍTULO 4: GENERACIÓN FOTOVOLTAICA Capítulo 4 – Generación fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 128 En este capítulo comenzaremos hablando sobre algunos términos referidos a la energía solar que son importantes a nivel de captación de energía Posteriormente se describirá brevemente como funciona un sistema solar fotovoltaico, cuáles son sus principales componentes y que función realizan estos dentro del sistema global. A continuación se mencionarán los distintos tipos de instalaciones solares. También se hace una breve descripción sobre la diversidad de células fotovoltaicas en función de los materiales con los que están compuestas y de su rendimiento. En el siguiente punto se calculará el campo solar teniendo en cuenta las características del panel fotovoltaico y del inversor. Se valorarán los cambios de temperatura en los paneles, así como las sombras que puedan afectar al sistema bajando su rendimiento. Se calculará el número máximo y mínimo de paneles en serie y paralelo, y la distancia mínima que tiene que haber entre distinta filas de paneles atendiendo a la órbita solar para minimizar las perdidas. Por último se hará un análisis económico-financiero de la inversión teniendo en cuenta diversos factores como es el tiempo de retorno tanto para la primera como para posteriores inversiones. Capítulo 4 – Generación fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 129 4.1.- TERMINOLOGÍA Básicamente, recogiendo de forma adecuada la radiación solar, podemos obtener calor y electricidad. El calor se logra mediante los colectores térmicos, y la electricidad, a través de los llamados módulos fotovoltaicos. Ambos procesos nada tienen que ver entre sí, ni en cuanto a su tecnología ni en su aplicación. Hoy en día empieza a cobrar importancia la denominada energía solar termoeléctrica, de la que obtenemos electricidad a través del calor producido por la radiación solar y por un ciclo termodinámico. La radiación solar se valora en varias unidades físicas concretas:  Irradiancia: Es la potencia de la radiación solar por unidad de superficie, su unidad es [W/m2].  Irradiación: Energía que incide por unidad de superficie en un tiempo. Irradiación = Irradiancia · tiempo; por lo tanto sus unidades serán [J/m2] ó [kW·h] donde 1kW·h equivale a 3.6 MJ.  Irradiancia espectral: Es la potencia radiante por unidad de área y de longitud de onda [W/(m2·μm]  Irradiancia directa: Es la radiación que llega a un determinado lugar procedente del disco solar, su unidad de medida es [W/m2].  Irradiancia difusa: Es la radiación procedente de toda bóveda celeste excepto la procedente del disco solar y cuya unidad de media es [W/m2].  Irradiancia reflejada: Es la radiación reflejada por el suelo (albedo), se mide en [W/m2]. Capítulo 4 – Generación fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 130  Irradiancia global: Se puede entender que es la suma de la irradiancia directa, difusa y reflejada. Es el total de la radiación que llega a un lugar en [W/m2].  Irradiancia circumsolar: Es la parte de la radiación difusa procedente de las proximidades del disco solar en [W/m2].  Radiación extraterrestre: Es la radiación que llega al exterior de la atmósfera terrestre [W/m2]. Sólo varía con la distancia entre la tierra y el Sol.  TONC: Temperatura de operación normal de la célula. Figura 4.1: Ilustración de diferentes radiaciones procedentes del Sol Si se suma toda la radiación global que incide sobre un lugar determinado en un periodo de tiempo definido se obtiene la energía en kW·h/m este valor será diferente según la región en donde nos encontremos. Capítulo 4 – Generación fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 131 Figura4.2: Radiación solar promedio mundial A continuación se muestra las diferentes zonas españolas en cuanto a su valor de irradiancia global media anual. Figura 4.3: Radiación solar promedio en España Capítulo 4 – Generación fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 132 4.2.- ELEMENTOS DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO Un sistema fotovoltaico es un dispositivo que, a partir de la radiación solar, produce energía eléctrica en condiciones de ser aprovechada por el hombre. 4.2.1.- CÉLULA FOTOELÉCTRICA Una célula fotoeléctrica, también llamada celda fotovoltaica, es un dispositivo electrónico que permite transformar la energía luminosa en energía eléctrica mediante el efecto fotovoltaico. Las celdas fotovoltaicas están compuestas de un material que presenta efecto fotoeléctrico, absorben fotones de luz y emiten electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad. La eficiencia de conversión media obtenida por las células disponibles comercialmente está alrededor del 11-12%, pero según la tecnología utilizada varía desde el 6% de las células de silicio amorfo hasta el 14-19% de las células de silicio monocristalino. También existen células multicapa, normalmente de Arseniuro de Galio, que alcanzan eficiencias del 30%. En laboratorio se ha superado el 42% con nuevos paneles. Capítulo 4 – Generación fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 133 La vida útil media a máximo rendimiento se sitúa en torno a los 25 años, período a partir del cual la potencia entregada disminuye. Al grupo de células fotoeléctricas para energía solar se le conoce como panel fotovoltaico. El tipo de corriente eléctrica que proporcionan es corriente continua, por lo que si necesitamos corriente alterna o aumentar su tensión, tendremos que añadir un inversor y/o un convertidor de potencia. Figura 4.4: Célula fotoeléctrica 4.2.2.- MÓDULOS SOLARES Los módulos fotovoltaicos o colectores solares fotovoltaicos están formados por un conjunto de células fotovoltaicas que producen electricidad a partir de la luz que incide sobre ellos. El parámetro estandarizado para clasificar su potencia se denomina potencia pico, y se corresponde con la potencia máxima que el módulo puede entregar bajo unas condiciones estandarizadas, que son: Capítulo 4 – Generación fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 134  Radiación de 1000 W/m2  Temperatura de célula de 25ºC (no temperatura ambiente). La asociación de las células solares puede ser en serie o en paralelo. Al conectar en serie las células se suman las tensiones de cada célula y se mantiene la corriente, mientras que al conectar en paralelo las células, se suman las corrientes de cada una de ellas y se mantiene la tensión. Por tanto el comportamiento del módulo dependerá del comportamiento de las células y su disposición. Con frecuencia las instalaciones solares disponen de baterías, las cuales tienen una tensión múltiplo de 12 V, es por eso que lo módulos puedan alcanzar fácilmente esa tensión para cargar las baterías. La mayoría de los módulos estándar de silicio cristalino está constituido por la asociación de uno, dos o tres ramales de 36 células asociadas en serie. A su vez estos ramales se podrán conectar en serie o en paralelo. Un módulo típico estándar se compone de 36 a 108 células y tiene una potencia de 50 a 165 Wp. Una vez las células están conectadas en serie o en paralelo se encapsulas para protegerlas de las condiciones climáticas como lluvia, polvo, nieve, granizo… En la parte frontal se emplea normalmente vidrios específicos con la mayor transparencia posible para que la radiación solar incida correctamente. Por la parte posterior normalmente se utiliza un polímero opaco. Capítulo 4 – Generación fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 135 Figura 4.5: Panel solar fotovoltaico convencional 4.2.3.- GENERADOR FOTOVOLTAICO Los generadores fotovoltaicos es la asociación tanto en serie como en paralelo de diferentes módulos solares fotovoltaicos. Su función es captar la energía luminosa procedente del sol y transformarla en corriente continua a baja tensión. Cuando variamos el número de paneles solares en serie lo que estamos haciendo es variar la tensión del generador manteniendo constante la corriente que circula por el mismo, mientras que si variamos el número de paneles en paralelo, la tensión se mantendrá constante mientras que la tensión es la que varía. Es de vital importancia utilizar módulos iguales, es decir de la misma marca, modelo y por supuesto de la misma potencia, teniendo todos ellos las mismas curvas características con el fin de reducir pérdidas causadas por la dispersión de los parámetros eléctricos. Capítulo 4 – Generación fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 142 a la otra creando una corriente proporcional a la radiación incidente. La capa antirreflejo aumenta la eficacia de la célula. Capítulo 4 – Generación fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 143 4.3.- TIPOLOGÍAS DE INSTALACIONES SOLARES FOTOVOLTAICAS Cuando se plantea la instalación de generadores de energía solar fotovoltaica, fundamentalmente se atiende a dos razones principales:  La necesidad de proporcionar energía eléctrica a una zona aislada o de difícil acceso para la red de distribución.  La posibilidad de inyectar energía eléctrica a la red de distribución. En función de estos criterios, existen dos tipologías básicas de instalaciones fotovoltaicas: instalaciones aisladas e instalaciones conectadas a la red. Desde un punto de vista económico las instalaciones conectadas a la red son más adecuadas que las instalaciones aisladas cuando el objetico principal de la instalación es realizar una inversión de capital para obtener un rendimiento económico, obteniendo beneficio de la venta de energía. 4.3.1.- INSTALACIONES SOLARES AISLADAS Hacen posible la electrificación de manera autónoma, aprovechando la energía del sol, en aquellos lugares donde no llega la red eléctrica o en los que conectarse a la red de Capítulo 4 – Generación fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 144 distribución no es viable técnica o económicamente. Sus aplicaciones fundamentales son aplicaciones domésticas, instalaciones agrícolas y ganaderas, bombeo de caudales, iluminación, etc. Para el diseño de este tipo de instalaciones es necesario estimar el consumo medio de energía diario del emplazamiento, determinar el rendimiento energético de la instalación, calcular el generador mínimo requerido y adecuar el tamaño del generador y del acumulador en función de las necesidades de autonomía del sistema y de la probabilidad de pérdida de carga requerida, respetando los límites establecidos en el pliego de condiciones técnicas del IDAE para poder optar a las ayudas y subvenciones ofrecidas por este organismo. 4.3.2.- INSTALACIONES SOLARES CONECTADAS A RED Los sistemas de conexión a la red eléctrica son los que han experimentado mayor desarrollo en los últimos años, gracias a los incentivos establecidos por la legislación vigente, que permite vender la totalidad de la producción de la instalación solar a la empresa distribuidora de electricidad, a un precio por kWh fijado, superior al kWh consumido. De este modo la instalación se convierte en una pequeña central productora acogida al régimen especial, vendiendo la energía entregada a un precio subvencionado, acortando sensiblemente los plazos de amortización y de obtención de beneficios. Estos sistemas se caracterizan por su simplicidad constructiva, la generación de energía Capítulo 4 – Generación fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 145 eléctrica silenciosa y no contaminante, una gran fiabilidad, larga duración y poco mantenimiento. El funcionamiento de este tipo de instalaciones es muy simple. El generador fotovoltaico transforma la energía solar incidente en los módulos de corriente continua, que es convertida por el inversor en corriente alterna de la misma tensión y frecuencia que la red eléctrica. Para contabilizar la energía eléctrica inyectada a la red de la empresa de distribución se utiliza un contador de energía intercalado entre la red de baja tensión y el inversor. También es necesario instalar un contador de entrada de energía para contabilizar el posible consumo de la instalación, o bien se puede utilizar un único contador bidireccional para realizar ambas funciones. El mantenimiento de estas instalaciones es mínimo, y consiste básicamente en la limpieza periódica de los módulos y en la comprobación de las conexiones eléctricas y el buen funcionamiento del inversor, estimándose su vida útil en más de 30 años. Capítulo 4 – Generación fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 146 Figura 4.9: Diferentes aplicaciones de la energía solar fotovoltaica Además, existen otros sistemas para instalar paneles fotovoltaicos:  Mediante un sistema de soporte a la red: donde el sistema no comienza a volcar energía a la red general hasta que sus baterías están cargas, quedando entonces como sistema de emergencia.  Siguiendo un sistema híbrido (es decir, acompañando a otro sistema de generación de energía, que a su vez puede estar o no conectado a la red general). Capítulo 4 – Generación fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 147 4.4.- TIPOS DE CÉLULAS SOLARES FOTOVOLTAICAS Y EVOLUCIÓN  Célula solar convencional: Lleva una capa de silicio positiva y otra negativa que forman un campo eléctrico. La energía de la luz incidente activa los portadores de carga positiva y también los de carga negativa. La corriente fluye al unir los dos polos desde el exterior y se descarga a través de unos dedos metálicos.  Célula electroquímica: En ella, la luz estimula los portadores de carga en una película de colorante. El dióxido de titanio facilita que la carga negativa fluya a la capa conductora de una capa de vidrio. El colorante compensa la falta de carga con una solución de yodo y así se crea la corriente.  Alfombra solar enrollable: Permite cubrir con ella casas enteras. La luz activa ciertas moléculas que se encuentran sobre la superficie plástica, y la corriente se produce  Células monocristalinas de silicio: Son las primeras que salieron al mercado y las más utilizadas en todo tipo de aplicaciones. El silicio que compone las células es un único cristal. La red cristalina es la misma en todo el material y tiene muy pocas imperfecciones. El proceso de cristalización es complicado y costoso. Ofrecen unos niveles de rendimiento elevados entre el 15 y el 18%y potencias por unidad de superficies altas. Están protegidas por un cristal que con buenas propiedades térmicas, pero por el contrario son frágiles. Capítulo 4 – Generación fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 148 Figura 4.10: Célula monocristalina de silicio  Células policristalinas: Se construyen básicamente con silicio, mezclado con arsenio y galio, son un agregado de materiales. Son más sencillas de conseguir y consiguen unos rendimientos nada despreciables (15%). No duran tanto tiempo pero son perfectas para lugares en los que por las condiciones ambientales, aunque las células sean muy duraderas se rompan igualmente, como la alta montaña, los desiertos etc. Figura 4.11: Célula policristalina de silicio Capítulo 4 – Generación fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 149  Células amorfas: Las más baratas, menos duraderas y con rendimientos muy bajos de alrededor de un 6% que tienden a cero con el envejecimiento. Son las utilizadas en calculadoras y aparatos por el estilo ya que la energía que proporcionan es muy baja. Se construyen a base de evaporar encima de un cristal en una cámara de efluvios el material semiconductor o fotoreactivo y colocar un par de electrodos en cada una de las unidades correspondientes. Figura 4.12: Célula amorfa Capítulo 4 – Generación fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 150 4.4.1.- DE LAS PLACAS TRADICIONALES A LA INTEGRACIÓN ARQUITECTÓNICA Las instalaciones tradicionales de componentes solares en edificios suelen usar los módulos estándar, normalmente sobre estructuras independientes y en el mejor de los casos sobrepuestas a alguna parte del edificio como tejados o fachadas. Recientemente se están comercializando algunos componentes solares especialmente diseñados para edificios. Los módulos fotovoltaicos están fabricados para la intemperie, por tanto pueden formar parte de la piel de un edificio. Sin embargo, las diferentes tecnologías de encapsulado dan como resultado una gama de elementos constructivos con diferentes características:  Cristal-plástico posterior: El adhesivo transparente es normalmente EVA (Etil- Vinil-Acetato) y el plástico posterior Tedlar TM en diferentes colores, translúcido o transparente.  Cristal-cristal: El plástico posterior se sustituye por otro cristal. El adhesivo transparente son resinas o siliconas. Los módulos estándar tienen un marco de aluminio. Los que no llevan marco, llamado laminados, se usan preferentemente para integración arquitectónica. Varios fabricantes de módulos ofrecen productos a medida del cliente en cuanto a tamaño, forma, tipo de células y disposición de estas, permitiendo una gran creatividad y adaptabilidad a los requerimientos arquitectónicos de la edificación existente. Capítulo 4 – Generación fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 151 En el anexo 4 aparecen imágenes de los distintos tipos de integración arquitectónica que existen actualmente. Para nuestro gimnasio escogeremos las cubiertas planas ya que la azotea del edificio es plana y no cuenta con pendiente alguna. Figura 4.13: Cubiertas planas Anexo 3 – Tiempo de retorno en función del número de bicicletas Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 254 Figura A3.11: Tiempo de retorno para 40 bicicletas sin tener en cuenta averías y reparaciones Figura A3.12: Tiempo de retorno para 50 bicicletas sin tener en cuenta averías y reparaciones Anexo 3 – Tiempo de retorno en función del número de bicicletas Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 255  TIEMPO DE RETORNO DE LA INVERSIÓN TENIENDO EN CUENTA AVERÍAS, MANTENIMIENTO Y ENCARECIMIENTO DE LA ELECTRICIDAD Figura A3.13: Tiempo de retorno para 12 bicicletas con mantenimiento y encarecimiento de electricidad Figura A3.14: Tiempo de retorno para 20 bicicletas con mantenimiento y encarecimiento de electricidad Anexo 3 – Tiempo de retorno en función del número de bicicletas Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 256 Figura A3.15: Tiempo de retorno para 24 bicicletas con mantenimiento y encarecimiento de electricidad Figura A3.16: Tiempo de retorno para 30 bicicletas con mantenimiento y encarecimiento de electricidad Anexo 3 – Tiempo de retorno en función del número de bicicletas Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 257 Figura A3.17: Tiempo de retorno para 40 bicicletas con mantenimiento y encarecimiento de electricidad Figura A3.18: Tiempo de retorno para 50 bicicletas con mantenimiento y encarecimiento de electricidad Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico Pablo Bravo Carrasco Capítulo 1 ANEXO 4: INTEGRACIÓN ARQUITECTÓNICA DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA Anexo 4 – Integración arquitectónica de la energía solar fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 259 Integración en cubiertas de edificios Figura A4.1: Representación de cubiertas inclinadas Anexo 4 – Integración arquitectónica de la energía solar fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 260 Figura A4.2: Representación de cubiertas planas Figura A4.3: Representación de cubiertas colocadas como parasoles Anexo 4 – Integración arquitectónica de la energía solar fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 261 Figura A4.4: Representación de cubiertas como muros cortina Figura A4.5: Representación de cubiertas como paños ciegos Anexo 4 – Integración arquitectónica de la energía solar fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 262 Figura A4.6: Representación de cubiertas como fachadas Figura A4.7: Representación de cubiertas como pérgolas Anexo 4 – Integración arquitectónica de la energía solar fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 263 Figura A4.8: Representación de cubiertas como techos de aparcamientos Figura A4.9: Representación de cubiertas como mobiliario urbano Anexo 4 – Integración arquitectónica de la energía solar fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 270 Figura A4.15: Fotografía de un edificio alemán con ventanas solares El cristal inventado se compone de 3 capas: una que funciona como limpiador, otra que genera electricidad y una última que es el aislante. Esta última capa es mucho más eficaz que los cristales aislantes comunes. Anexo 4 – Integración arquitectónica de la energía solar fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 271 Nuevas células solares con forma esférica Nuevas células solares con forma esférica y tamaño diminuto (entre 1 y 1.5 mm de diámetro) podrían suponer una importante revolución en la expansión y campo de aplicación de la energía solar fotovoltaica. Figura A4.16: Objetos fabricados mediante células solares de forma esférica En Japón líder en tecnología fotovoltaica se ha desarrollado unas nuevas celdas solares con forma esférica y minúsculo tamaño entre 1 y 1,5 mm de diámetro, a diferencia de las celdas planas tradicionales de 72 mm. El avance podría suponer una revolución en la energía solar fotovoltaica. Anexo 4 – Integración arquitectónica de la energía solar fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 272 Consiste en una matriz de pequeñas células solares esféricas capaces de absorber la radiación solar con cualquier ángulo, pudiendo aprovechar tanto la radiación reflejada como la difusa, con esta tecnología no es necesario el uso de seguidores y su eficiencia llega a superar el 20%. La disposición de las células en un medio flexible y transparente, amplía el campo de aplicaciones para la energía solar fotovoltaica, como la posibilidad de incorporarlas en pequeños aparatos electrónicos o convertir grandes superficies acristaladas como generadores de electricidad. Su aplicación en España permitiría reducir el impacto visual, especialmente en grandes ciudades y zonas de interés turístico. Según la empresa, los costes de producción se reducen a la mitad, comparándolo con la fabricación de las células de silicio convencionales, ya que el silicio empleado se aprovecha eficientemente tanto en la fabricación de las células como en la producción posterior de energía. Anexo 4 – Integración arquitectónica de la energía solar fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 273 Paneles fotovoltaicos orgánicos y CIGS Figura A4.17: Fotografía de un pequeño módulo fotovoltaico orgánico El gran auge del uso de Paneles fotovoltaicos para la generación eléctrica en los últimos años ha permitido que la industria de Paneles desarrolle nuevas tecnologías para producir paneles cada vez de menor coste. Actualmente existen diversas soluciones técnicamente viables para la generación de electricidad a partir de luz solar, basadas fundamentalmente, en células fotovoltaicas de silicio relativamente caras. Las tecnologías actuales de película delgada basadas en el silicio podrían estar llegando al límite en cuanto a la relación eficacia-coste. Además el nuevo precio de la energía para las instalaciones de tecnología solar fotovoltaica en España exige una importante reducción en la inversión para su viabilidad económica. El principal coste esta en los paneles fotovoltaicos. Los fotovoltaicos orgánicos (OPV) cuentan con la ventaja de que se pueden pintar sobre Anexo 4 – Integración arquitectónica de la energía solar fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 274 una superficie, con las paredes exteriores de un edificio o el tejado. Además se pueden elaborar por medio de procesos de impresión y de recubrimiento de alta velocidad y escalables, como las pinturas en aerosol y la impresión de inyección de tinta para cubrir áreas más extensas. Los módulos de película delgada (thin-film) no están hechos a base de células de silicio convencionales, sino que se basan en CIGS (Cobre Indio Galio Selenio) incrustadas en un soporte flexible y ligero y aptas para colocarlas no sólo sobre los tejados, sino también sobre la fachada de los edificios, ventanas, teléfonos móviles, ordenadores portátiles y coches. Estas nuevas tecnologías que se revelan como más rentables y eco eficientes, constituyen una alternativa de bajo coste que permite la inversión acorde a las condiciones económicas del precio de la energía en España y el mundo. Anexo 4 – Integración arquitectónica de la energía solar fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 275 Fachadas solares Figura A4.18: Edificio con ventanales formados por paneles solares Anexo 4 – Integración arquitectónica de la energía solar fotovoltaica Pablo Bravo Carrasco Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico 276 Vamos a tener que acostumbrarnos a ver cada vez más las fachadas solares, sobre todo para edificios de oficinas. Al igual que hace unos años se puso de moda construir edificios de oficinas inteligentes con ventanas no practicables súper aislados del exterior (y en ocasiones con problemáticas asociadas), ahora nos vamos a tener que acostumbrar a ver fachadas de cristal captador de energía solar. El progreso que es imparable. Todo sea por el ahorro de combustible fósiles. Sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas en un gimnasio y viabilidad de apoyo fotovoltaico Pablo Bravo Carrasco Capítulo 1 ANEXO 5: PLANOS S=348 .., , S ISTE~L~ DE GE::'\"ERACIO::\"" DE El\"ERGa ELECTRICA A PARTIR DE BICICLETA S ES TÁTICAS E:\"" lJ..'"" GniXAS IO Y VIABILIDAD DE APOYO FOTOVOLTAICO Dibujo comprobado Id . S. normas Escala S/N Fecha Septiembre 2015 Autor Pab lo Bra vo carrasco UNE - EN - DIN 1 ""' Plano a co t ado del gimnasio Escuela Superior de Ingenieros Grado en íng. de las te c no logías industriales Universi dad de Sevi ll a N° de pl ano:l ~ ~ m ~ ~ 1 ~ 11 1 = ~ ~ u u u u u / ~ ~ M : : L. :: • a~ 1 ~ M) 014 014 O . M ;J -.. ~~ , ~ ~ ~ -{ r 014 014 \0 1 t:::=:S .--- 1 1- ~ , l~ol oo o ll l = n 0\ g - · ,o ~ N ~ 1 Sala de máquinas cardiovascularesy musculación 2 Sala de spinning 3 Oficina 4 Vestuario masculino 5 Vestuariofemenino 6 Vestuario para minusválidos 7 Pasillo 8 Recepción 9 Cuarto de instalaciones eléctricas 10 Cuarto de instalacionesACS U Pista de pádel 12 Jardín SISTE 'I'IA DE GE~"ERACIOX DE E~ "ERGIA ELECTRICA A PARTIR DE BICICLETAS ESTATICAS EX UX GDIXASIO Y VL.uliLIDAD DE APOYO FOTOVOLTAICO Fe ch a Dibujo 1 Septiem br e co mp r oba do 2015 Autor Pablo Bra vo carrasco I d_ S_ no rma s UN E-EN- DI N 1 """"' Escala S/N Distribución del gimnasio Escuela Superior de Ingenieros Grado en ing_ de las tecnologías industriales Universid ad de Sevilla N° de plano:2