UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS

Texto completo

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UNIVERSIDAD CENTRAL¨ MARTA ABREU¨ DE

LAS VILLAS

FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

Trabajo de Diploma

Título: Diseño de un parque solar fotovoltaico

conectado a la red en techos del Despacho Provincial

de Villa Clara.

Autor: Alfredo Alejandro González Meneses

Tutora: MSc Gretchen Villar Vázquez

Santa Clara, 2016

Año 58 de la Revolución

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Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería Eléctrica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.

Firma del Autor

Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.

Firma del Tutor Firma del Jefe de

Departamento donde se defiende el trabajo

Firma del Responsable de Información Científico-Técnica

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i

Pensamiento

´´Toda obra grande, en arte como en la ciencia,

es el resultado de una gran pasión puesta

al servicio de una gran idea´´

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Agradecimientos

Quiero agradecer de forma especial a:

Mis padres por el cariño, dedicación y desvelo que han mostrado durante

esta larga travesía.

Mi tutora Gretchen Villar Vázquez por su colaboración y paciencia en la

realización de este proyecto.

A los compañeros Ovel Concepción Díaz, Sergio Salazar Calero y Richard

Osés Rodríguez por su colaboración, sin la cual la realización de este

proyecto no hubiese sido posible.

A mi novia por su compañía y aliento.

A mi hermano por su disposición e incondicionalidad.

A Ovi que, aunque ya no está presente en vida estará en pensamiento.

A mi tía, a mis primos, a mis abuelos.

A toda mi Familia por haber confiado todo este tiempo en mí.

A Tania por sus sabios consejos.

A mis amigos, que son de oro.

En general agradezco a todas las personas que de una forma u otra me han

brindado su apoyo.

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Tarea Técnica

Con el propósito de darle cumplimiento a los objetivos trazados en esta tesis, se tuvieron en cuenta las siguientes tareas técnicas para la confección del informe:

 Identificar los referentes teóricos que sustentan el funcionamiento de sistemas fotovoltaicos instalados en techos y conectados a la red.

 Determinar las necesidades y potencialidades para la realización del proyecto en el área seleccionada.

 Proyectar una aplicación de un parque solar fotovoltaico conectado a la red en techos del Despacho Provincial de Villa Clara.

Confección del informe de investigación

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Resumen

El reto energético del siglo XXI, es sustituir los combustibles fósiles por energías renovables. Una de estas energías renovables es la energía solar fotovoltaica, donde su continuo desarrollo permite una disminución de sus costos y un crecimiento acelerado de su utilización. En el presente trabajo se tiene como objetivo el diseño de un parque solar fotovoltaico conectado a la red en techos del Despacho Provincial de Villa Clara. Se hace referencia a la energía fotovoltaica, una alternativa que ofrece grandes ventajas y tiene un gran desarrollo en los últimos años, principalmente en los países desarrollados. El parque diseñado se ubica en los techos del parqueo de la empresa y es capaz de abastecer parte de la demanda energética del despacho. Para diseñar el mismo se partió de un análisis de las características de la carga y del impacto de la radiación en el lugar para posteriormente y en base a esto realizar el dimensionado del generador fotovoltaico, del inversor, el cableado y las protecciones de la instalación. Por último, se realiza un análisis económico que permite concluir que el proyecto es rentable, y definir cuáles son los ahorros que trae consigo la realización del proyecto. El diseño realizado facilita a los trabajadores de la Empresa Eléctrica una idea de la generación que puede abastecer el área que ellos tienen destinada para la instalación del parque fotovoltaico, y valorar si es factible tomar un área más grande o es suficiente con esta.

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Tabla de contenido

Pensamiento... i

Agradecimientos ... ii

Tarea Técnica ... iii

Resumen ... iv

INTRODUCCIÓN: ... 1

Capítulo 1. Fundamentos teóricos acerca de los paneles fotovoltaicos. ... 6

Introducción ... 6

1.1 Breve desarrollo histórico de la energía solar ... 6

1.2 Radiación Solar ... 9

1.3 Principio de funcionamiento de la célula fotovoltaica ... 11

1.4 Parámetros de la célula solar fotovoltaica ... 13

1.5 Conexión de las células fotovoltaica ... 16

1.6 Ventajas y desventajas de la energía solar fotovoltaica. ... 18

1.7 Experiencias en Cuba ... 19

Conclusiones del capítulo. ... 23

Capítulo 2. Caracterización y análisis de los Edificios Fotovoltaicos Conectados a la Red (EFCR) ... 24

Introducción ... 24

2.1 Diferentes tipos de sistemas fotovoltaicos ... 24

2.1.1 Sistemas aislados de la red eléctrica o autónomos ... 24

2.1.2 Sistemas híbridos o mixtos. ... 25

2.1.3 Sistemas conectados a red ... 25

2.2 Características distintivas de los Sistemas fotovoltaicos conectados a la red (SFCR) sobre suelo y en edificación. ... 26

2.2.1 SFCR sobre suelo ... 27

2.2.2 SFCR en edificación ... 29

2.3 Edificios fotovoltaicos conectados a la red (EFCR) ... 30

2.4 Descripción de los componentes de los Edificios fotovoltaicos conectados a la red (EFCR) ... 31

2.5 Tipos de pérdidas. ... 36

2.6 Rendimiento de una instalación fotovoltaica. ... 40

2.7 Generalidades del dimensionamiento de un sistema fotovoltaico ... 42

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vi Capítulo 3. Diseño de un parque solar fotovoltaico conectado a la red en techos

del Despacho Provincial de Villa Clara. ... 44

3.1 Características del área seleccionada. ... 44

3.2 Cálculo del consumo de energía. ... 45

3.3 Descripción del equipamiento tecnológico. ... 46

3.4 Cálculos empleados en el diseño del parque solar fotovoltaico. ... 48

3.4.1 Dimensionamiento del generador fotovoltaico. ... 48

3.4.2 Cálculo del ángulo de inclinación. ... 49

3.4.3 Tensión y corriente de máxima potencia del generador ... 50

3.4.4 Corrección de la tensión y corriente debidas a la temperatura ... 50

3.5 Selección del Inversor ... 55

3.7 Puesta a tierra de la instalación fotovoltaica conectada a red. ... 60

3.8 Dimensionado de las protecciones ... 61

3.8.1 Corriente continua ... 61

3.8.2 Corriente alterna ... 63

3.9 Análisis económico. ... 65

Conclusiones del capítulo ... 70

Conclusiones Generales ... 71

Recomendaciones ... 72

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INTRODUCCIÓN

El desarrollo histórico alcanzado por la humanidad se encuentra estrechamente vinculado con el uso de la energía eléctrica, la cual desde sus inicios demostró gran versatilidad e infinita capacidad de adaptación para satisfacer las necesidades humanas.

El cambio climático, corresponde al aumento de la temperatura del planeta (calentamiento global), debido al incremento de las concentraciones de los gases cuyo espectro de absorción está en el rango del infrarrojo, conocidos comúnmente como gases invernadero (CO2, CH4, H2O (v), NO, CFC, HFC),

como consecuencia de la combustión masiva de combustibles fósiles.

El consumo de energía por habitante constituye uno de los indicadores más fiables del grado de desarrollo económico de una sociedad, algo que está íntimamente vinculado con el bienestar material. En la sociedad el elevado porcentaje de la energía utilizada en el mundo es absorbida por los países desarrollados, mientras los países más pobres muestran los consumos más bajos de energía. Sin embargo, este escenario está cambiando de forma drástica, lo cual se acentuará en los próximos años, donde serán precisamente los países en vías de desarrollo quienes experimenten con mayor rapidez un aumento en su consumo de energía. Este fenómeno estará motivado por el incremento de sus poblaciones y economías, pues cuando un país se encuentra iniciando el proceso de crecimiento la industria y el transporte se convierten en sectores priorizados que demandan gran cantidad de energía. A ello se le une la creciente mecanización de todas las actividades económicas y el aumento del uso de energía en las economías domésticas, redundando todo ello en fuertes incrementos en el empleo de energía.

La búsqueda permanente de nuevos combustibles y fuentes de energías alternativas a las tradicionales, forma parte de las políticas estratégicas asumidas por los gobiernos para promover el desarrollo.

Las energías renovables se caracterizan porque en sus procesos de transformación y aprovechamiento en energía útil no se consumen ni se agotan en una escala humana, además no emiten contaminantes a la atmósfera y no agravan el problema del calentamiento global.

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La generación de energía eléctrica procedente de fuentes de energía renovables y el aumento de la eficiencia energética constituyen un pilar fundamental para la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, así como de otros objetivos comunitarios e internacionales, revistiendo una considerable importancia para el fomento de la seguridad del abastecimiento energético, del desarrollo tecnológico y de la innovación.

La participación de las tecnologías energéticas renovables crece a nivel mundial en 20% anual, si se tienen en cuenta todas sus manifestaciones. La mayoría de los países desarrollados invierten sumas millonarias para poner en explotación las diversas fuentes renovables de energía, por ser limpias y sobre todo sostenibles. [1]

Cuba no está de espaldas a esta realidad. Nuestro país es rico en recursos energéticos renovables y pobre en los no renovables; el sol, el viento, la biomasa (fundamentalmente la procedente de la caña de azúcar) y la hidroenergía son las fuentes a las cuales se les puede apostar con mayor certeza para la diversificación de la matriz energética. [2]

En el Sexto Congreso del Partido entre los lineamientos aprobados se encuentra el 247 encaminado a modificar la matriz de generación eléctrica como vía de solución a uno de los problemas estructurales de la economía, varias veces planteado por Marino Murillo Jorge, jefe de la Comisión de Implementación y Desarrollo de los Lineamientos, relacionado con que generar partiendo de combustible fósil, si bien tiene un costo inferior de inversión posee uno muy alto en la operación, en tanto mediante las Fuentes Renovables de Energía (FRE) es lo contrario; lográndose costos muy inferiores por kWh generados.[2]

Según trascendió en la pasada sesión de la Asamblea Nacional, serían más de 3 500 millones de dólares la suma que en los próximos 15 años se destinará al desarrollo de las FRE, con los objetivos de elevar la independencia energética; garantizar una plataforma en la cual pueda asentarse todo lo proyectado a futuro, sostenibilidad en el tiempo y contribuir a la protección del medio ambiente, entre otros. [2]

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Actualmente en el sector fotovoltaico los sistemas conectados a red constituyen una tecnología estándar para generar energía eléctrica en los países desarrollados y se prevé experimenten una expansión de gran magnitud en próximos años acompañado de innovadores métodos que permitan optimizar su funcionamiento y capacidad de integración al sistema. La generación distribuida consiste en la producción de energía eléctrica en el sitio en que la misma se consume, a diferencia de aquella generación a gran escala producida por grandes centrales o plantas de generación.

La ubicación de los paneles fotovoltaicos de forma distribuida no se realiza de forma arbitraria, para ello han de tenerse en cuenta la incidencia de la radiación solar que depende de la ubicación geográfica, la eficiencia de la infraestructura eléctrica y la disponibilidad del espacio para la instalación de los mismos.

Los Sistemas Fotovoltaicos Conectados a la Red (SFCR) constituyen una alternativa que contribuye con beneficios a la reducción del pico de demanda vespertina, a la disminución de pérdidas por distribución y evita la contaminación por generación de energía eléctrica.

El Despacho Provincial de Villa Clara siendo uno de los pilares de la Unión Eléctrica, se declara a favor del uso de energías renovables e impulsa el proyecto de montaje de un pequeño parque fotovoltaico para suplir parte de su demanda, tecnología que brinda la posibilidad de una generación limpia y económicamente sostenible, acorde con las exigencias de la actualidad.

Esta situación conduce al Problema Científico:

¿Cómo diseñar un parque solar fotovoltaico conectado a la red en techos del Despacho Provincial de Villa Clara?

El problema científico condiciona el Objeto: paneles fotovoltaicos instalados en los techos.

El Campo de Acción: red eléctrica del Despacho Provincial de Villa Clara. En correspondencia con el problema y el objeto de estudio se determinó como Objetivo de la investigación: Diseñar un parque solar fotovoltaico conectado a la red en techos del Despacho Provincial de Villa Clara.

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Para el logro del objetivo de este trabajo se trazaron los siguientes objetivos específicos:

1. Determinar los fundamentos teóricos que sustentan el funcionamiento de los paneles fotovoltaicos.

2. Caracterizar los componentes de un sistema fotovoltaico instalado en techos y conectado a la red eléctrica.

3. Diseñar el parque solar fotovoltaico conectado a la red en techos del Despacho Provincial de Villa Clara.

4. Realizar un análisis económico que permita determinar si la ejecución del proyecto es rentable.

Para dar cumplimiento a estos objetivos específicos las interrogantes científicas son:

Preguntas científicas:

1. ¿Cuáles son los fundamentos teóricos que sustentan el funcionamiento de los paneles fotovoltaicos?

2. ¿Cuáles son los componentes de un sistema fotovoltaico instalado en techos y conectado a la red eléctrica?

3. ¿Cómo diseñar un parque solar fotovoltaico conectado a la red en techos del Despacho Provincial de Villa Clara?

4. ¿Cómo realizar un análisis económico que permita determinar si la ejecución del proyecto es rentable?

Metodología utilizada: Del nivel teórico:

Historio-lógico: Se utilizó en el estudio de los antecedentes teóricos, en la determinación de las regularidades, que permitieron elaborar la propuesta, facilitó las conclusiones y la realización del informe de investigación.

Analítico sintético el que se utilizó durante el desarrollo del estudio realizado y toda la trayectoria de la investigación.

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5 Análisis de documentos: Se aplicó esencialmente en la revisión de los nuevos esquemas en la generación de electricidad y ahorro que desarrolla de la UNE. Consultar a los especialistas fue una práctica utilizada con el objetivo de lograr un diseño acorde a las exigencias, para valorar la propuesta final que será instalada en el parque solar fotovoltaico del despacho de carga en Villa Clara. Del nivel Matemático y Estadístico:

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Capítulo 1. Fundamentos teóricos acerca de los paneles

fotovoltaicos.

Introducción

Cuba como país subdesarrollado, ha empezado a transformar su economía con el objetivo de disminuir los consumos excesivos de petróleo, buscando energías alternativas, que sustituyan la dependencia económica que tiene sobre el petróleo y disminuya a la vez, la carga contaminante que genera la producción de electricidad a partir de esa fuente de energía. La energía solar fotovoltaica cumple con las necesidades del dinámico mundo de hoy, siendo un recurso inagotable, que no genera contaminación ambiental y que se encuentra en constante evolución. La misma cuenta con una gran versatilidad, pues se puede acomodar en dependencia de las características de la carga para ser más eficiente y mejor utilizada. En este capítulo se analizan una serie de referentes teóricos acerca de los paneles fotovoltaicos como son su principio de funcionamiento, sus ventajas y desventajas, y las experiencias en Cuba. 1.1 Breve desarrollo histórico de la energía solar

La energía solar fotovoltaica, tecnología de gran utilidad en la actualidad, tuvo que pasar por varias etapas para convertirse en lo que hoy conocemos y para conocer acerca de su surgimiento hay que remontarse al año 1873, cuando el profesor W. Grylls Adams descubrió las propiedades fotoeléctricas del Selenio. Charles Fritts, en 1883, fabrica la primera célula solar de láminas de selenio revestidas con una capa de oro, utilizándose como sensores de luz de las cámaras fotográficas. [3]

Años más tarde, 1921, Albert Einstein recibe el Premio Nobel de Física al descubrir que los fotones de la radiación de alta frecuencia (UV) podían arrancar electrones que generaban una corriente eléctrica. En 1939 Alexandre Edmon Becquerel descubre el efecto fotovoltaico. Pero no fue hasta el año 1946 cuando el inventor estadounidense Russel Ohl, patenta las primeras células solares de silicio. Gerald Pearson, de laboratorios Bells, crea una célula fotovoltaica de silicio con mayor eficiencia, en torno al 6%. En la década de los 50 hay un rápido desarrollo de las células solares debido a su uso en satélites y programas espaciales, sobre todo en células de silicio cristalino con eficiencias de conversión entre el 6 y 10%. En 1954 Chapin, Fuller y Pearson desarrollaron

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los primeros paneles solares capaces de proporcionar una potencia de 10W en días muy soleados. Durante muchos años, su principal aplicación fue proporcionar energía a vehículos espaciales. [3]

Mientras que en 1956 el costo del kWh de electricidad producido por centrales convencionales era aproximadamente de 50 céntimos de dólar, el producido por los módulos fotovoltaicos ascendía a 300 dólares, lo cual descartó, en ese momento, el uso de esta tecnología como suministrador de grandes cantidades de electricidad. [4]

En la década de los 60 tuvieron lugar numerosos avances. Entre ellos cabe destacar: el desarrollo del pc-Si, el estudio de la tecnología de lámina delgada para mejorar la capacidad de producción, reduciendo tanto el material como la energía empleadas en el proceso de fabricación de células. [3]

En 1963 se instala un sistema fotovoltaico de 242W en un faro en Japón, con este hecho se dice que comienza la era fotovoltaica terrestre. [4]

El concepto de tecnología de lámina delgada emerge en la época de los 70. La crisis energética que azotó esta época favoreció la investigación y el desarrollo de la energía solar fotovoltaica. En 1974, Wagner, Shay, Migliorato y Kasper, desarrollan la primera célula CIS con una eficiencia de conversión del 12%. [6] La iluminación pública se mostró como un mercado capaz de mantener la actividad de muchas industrias durante los 80. Otra de las aplicaciones iniciales fue la electrificación rural en asentamientos remotos para ayudar a un tercio de la población mundial a disponer de una modesta cantidad de iluminación y comunicaciones. La mayoría eran instalaciones pequeñas del orden de 10 a 40 W. Se comprobó que la tasa de fallos fue grande si bien se debió a falta de infraestructura, financiamiento, distancia cultural, diseño de la estructura de pago y otras razones no técnicas. Pero raramente fallaron los módulos. Desgraciadamente, incluso con los subsidios de las grandes agencias internacionales el coste inicial (100-1000 dólares) era excesivo y constituyó la principal barrera para su despliegue. [5]

La investigación desde 1960 hasta 1980 se centró en hacer un producto fotovoltaico más eficiente, que produjese más potencia. El aumento de células y módulos fue impresionante. Además, los costes bajaron drásticamente al pasar de piloto a producción semiautomática. [5]

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En el lado opuesto de la escala de tamaños estuvieron las plantas fotovoltaicas del orden de MW instalados en los países desarrollados por las compañías eléctricas en los 80 para evaluar su potencial en dos aplicaciones: Como suministradores de potencia en los picos de carga (al mediodía) y como generadores distribuidos para reducir las pérdidas de trasmisión y distribución. En Europa y Japón este mercado empezó a crecer rápidamente gracias a la adopción de tarifas especiales de producción. Así, la instalación de medianas y grandes plantas fotovoltaicas conectadas a la red se convierten en tecnologías explosivas en estos países. [5]

Siguen investigándose las tecnologías de la década anterior con el desarrollo de las células de InP, que alcanzan una eficiencia de conversión del 18%. Aparecen los primeros módulos de a-Si en el mercado. La década de los 90 se centra en el desarrollo de la tecnología de concentración (CPV), utilizando lentes, espejos o la combinación de ambos. Se mejoran las células GaAs/Ge a pesar de su alto coste de fabricación, reduciendo tanto la superficie como el peso de la célula y mejorando su eficiencia. Las células multiunión se convierten en la gran promesa, alcanzando eficiencias de hasta el 30%. [6] Mientras las compañías en Europa y América iban mejorando sus procesos de fabricación, la industria japonesa despegó en la producción de módulos convencionales de silicio cristalino, así como en la fabricación de células de Amorfo para aplicaciones a pequeña escala (relojes, calculadoras, juguetes, etc.) que llegaron al nivel de megavatios en el mercado mundial. [5]

Por último, hay que mencionar otro importante campo de aplicación de la energía Solar Fotovoltaica, al final de los 90 como es la integración de los módulos fotovoltaicos en los edificios. Ya sea colocados en ventanas, fachadas, sobre el tejado, con mayor o menor fortuna en la integración, se desarrolló un mercado enorme mediante el establecimiento gubernativo de tarifas especiales a pagar por la electricidad de origen fotovoltaico generada por particulares en conexión a la red. [5]

En Cuba en 1982 se obtiene la primera instalación fotovoltaica, con 1kW. Cuatro años más tarde, el Centro de Investigaciones de Energía Solar (CIES) comienza la etapa de aplicaciones de la energía solar fotovoltaica que lo convertiría en iniciador de esta tecnología. [4]

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En 1987 se instala el primer sistema fotovoltaico en un consultorio del médico de la familia. En el mismo año, el Laboratorio Central de Telecomunicaciones (Lactel) inicia una planta de ensamblaje de módulos fotovoltaicos con celdas de cilicio monocristalino. [4]

En 1994 surge la Sociedad Cubana para la Promoción de las Fuentes Renovables de Energía y Respeto Ambiental (Cubasolar), y Copextel SA crea Ecosol Energía, institución estatal dedicada a la instalación y el mantenimiento de los sistemas fotovoltaicos. El Combinado de Componentes Electrónicos (CCE) Ernesto Che Guevara, en Pinar del Rio, se dedica a la línea de ensamblaje de los mismos, con excelentes resultados alcanzados. [4]

1.2 Radiación Solar

El Sol genera energía mediante reacciones nucleares de fusión que se producen en su núcleo. Esta energía recibe el nombre de radiación solar, se transmite en forma de radiación electromagnética y alcanza la atmósfera terrestre en forma de conjunto de radiaciones o espectro electromagnético con longitudes de onda que van de 0,15 µm a 4 µm aproximadamente. [6]

La radiación solar que recibe la tierra es del orden de los 1,5 W por hora. Esto puede suponer un suministro de energía capaz de soportar el consumo mundial, es decir, se dispone de una fuente de energía con un enorme potencial y con la ventaja de carácter renovable. [6]

A continuación, se muestra la distribución de la radiación solar sobre el planeta Tierra, dado en W/m2, que se va haciendo más intensa desde el color azul hasta el más crítico que es el rojo, presente en la zona ecuatorial.

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10 Figura # 1. Distribución de la radiación solar terrestre.

La misma presenta una serie de inconvenientes como son la captación, almacenaje y el hecho de presentar variaciones debido a las condiciones meteorológicas, ambientales, geográficas y según el momento del día.

La radiación solar sobre un receptor se clasifica en tres componentes: directa, difusa y reflejada o de albedo. [6]

1) Radiación directa: la forman los rayos recibidos directamente del Sol.

2) Radiación difusa: procedente de toda la bóveda del cielo, excluyendo el disco solar, la forman los rayos dispersados por la atmósfera en dirección al receptor (en un día completamente nublado toda la radiación recibida es difusa).

3) Radiación reflejada o de albedo: reflejada por la superficie terrestre hacia el receptor. Depende directamente de la naturaleza de las montañas, lagos, edificios, etc. que rodean al receptor.

La suma de todas las radiaciones descritas recibe el nombre de radiación global que es la radiación solar total que recibe la superficie de un receptor y por lo tanto la que nos interesa conocer y cuantificar. [6]

Aunque en un día despejado la radiación directa es mucho mayor que la difusa, esta última será, evidentemente la única forma posible de radiación en los días cubiertos, filtrándose más o menos homogéneamente por toda la bóveda celeste a través de la capa nubosa. La radiación difusa supone aproximadamente un tercio de la radiación total que se recibe a lo largo del año. [6]

Según estudios realizados, teniendo en cuenta la trayectoria descrita por el sol, en el hemisferio norte, los módulos fotovoltaicos deben orientarse hacia el sur para captar la mayor cantidad de radiación y así producir el máximo de energía, mientras que, en caso contrario, cuando nos encontramos en el hemisferio sur los módulos han de orientarse hacia el norte.

La tabla # 1 muestra una relación de la radiación global y difusa según las condiciones meteorológicas que pueden presentarse a lo largo del día.

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11 Tabla # 1. Radiación global y difusa según la nubosidad. [7]

Condiciones meteorológicas Radiación Global Radiación difusa Cielo claro 600-1000W/m

2 10-20%

Cielo parcialmente nublado 200-400 W/m

2 20-80%

Cielo totalmente nublado 50-100 W/m2 80-100%

En cuanto a su disposición energética, hay que tener en cuenta que casi un 40% de la radiación que alcanza la superficie lo hace, no en forma de luz visible sino como radiación infrarroja. [8]

Para cuantificar la radiación solar se utilizan dos magnitudes que corresponden a la potencia y a la energía de la radiación que llegan a una unidad de superficie, se denominan irradiancia e irradiación y sus definiciones y unidades son las siguientes:

• Irradiancia: potencia o radiación incidente por unidad de superficie. Indica la intensidad de la radiación solar. Se mide en vatios por metro cuadrado (W/m2).

[6]

• Irradiación: integración o suma de las irradiancias en un periodo de tiempo determinado. Es la cantidad de energía solar recibida durante un período de tiempo. Se mide en J/m2 por un periodo de tiempo (J/m2 por hora, día, semana,

mes, año, etc., según el caso). En la práctica, dada la relación con la generación de energía eléctrica, se utiliza como unidad el Wh/m2. [6]

Se puede asumir que en buenas condiciones de irradiación el valor es de aproximadamente 1000 W/m2 en la superficie terrestre. [8]

En el caso de Cuba el mapa solar muestra una radiación prácticamente uniforme en todo el país, con un valor de 5 kWh/m2/día, o sea 1825 kWh/m2/año. Teniendo en cuenta las pérdidas, para los cálculos se considera un valor promedio de 1450 kWh/m2/año, según datos de Hidroenergía Nacional.

1.3 Principio de funcionamiento de la célula fotovoltaica

Las células solares son los dispositivos encargados de la conversión directa de la radiación solar en energía eléctrica en forma de corriente continua, y es el principal componente de una instalación fotovoltaica.

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La producción está basada en el fenómeno físico denominado "efecto fotovoltaico", que básicamente consiste en convertir la luz solar en energía eléctrica por medio de unos dispositivos semiconductores denominados células fotovoltaicas.

Una célula solar básica es una unión PN con un contacto en la región P y otro en la región N que permiten el conexionado con un circuito eléctrico. Si se ilumina la célula, a los electrones y huecos generados los separa la barrera de potencial de la unión PN, acumulando huecos en la región P y electrones en la región. La acumulación de cargas produce una diferencia de potencial, que aumenta cuando aumenta la iluminación. [6]

Las más utilizadas están elaboradas a base de silicio puro (uno de los elementos más abundantes, componente principal de la arena) con adición de impurezas de ciertos elementos químicos: la parte superior de la celda es dopada o "contaminada" de manera controlada con fósforo para darle un carácter negativo o denominado tipo N y la parte posterior es dopada con boro para darle un carácter positivo o denominado tipo P.

El fósforo tiene cinco electrones de valencia, uno más que el silicio, de manera que la región dopada con fósforo muestra una afinidad por los electrones menor que el silicio puro. La otra región, denominada p, ha sido dopada con boro. El boro tiene sólo tres electrones de valencia, uno menos que el silicio, y por ello el silicio dopado con boro tiene una afinidad por los electrones superior al silicio puro. De esta manera, la unión p-n así formada presenta una diferencia de potencial Ve que hace que los electrones tengan menos energía en la zona n que en la zona p. [9]

La constitución de una célula de silicio convencional parte de una barra cristalina de silicio dopado con boro, que se corta en discos de un espesor 0,3 mm. Una de sus caras se dopa fuertemente con fósforo, mediante difusión a alta temperatura en una atmósfera gaseosa rica en el mismo, de forma que este elemento penetre en el silicio más concentrado que el boro que éste contenía, hasta una profundidad aproximada de 0.3 micras. Encima de esta capa se deposita una rejilla metálica conductora, y en la parte posterior una capa continua. Ambas sirven para facilitar la toma de contactos eléctricos con las dos regiones. Cuando inciden fotones sobre la capa superior de la célula, algunos enlaces se rompen, generándose entonces pares electrón-hueco. [9]

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Si esta generación se produce a una distancia de la unión menor que lo que se denomina longitud de difusión, antes o después estos portadores serán separados por el fuerte campo eléctrico que existe en la unión, moviéndose el electrón hacia la zona n y el hueco hacia la p y dando lugar, por consiguiente, a una corriente desde la zona n a la zona p. [9]

Teniendo en cuenta lo anterior, para obtener un buen rendimiento en células solares, éstas deben estar constituidas por un material en el que la energía del enlace de sus electrones de valencia no sea ni muy baja, ya que se perdería buena parte de la energía del fotón, ni muy alta, pues entonces sólo los fotones más energéticos del espectro solar podrían romper los enlaces. El silicio, con 1.1 eV, es el material más usado. El arseniuro de galio, con 1.4 eV, tiene teóricamente mejores características, pero es más caro. El sulfuro de cobre, con 1.2 eV, es un material prometedor [9].

1.4 Parámetros de la célula solar fotovoltaica

Dado el comportamiento de la célula solar fotovoltaica se obtiene el grafico de Intensidad de la corriente vs voltaje, donde, en dependencia de estos se define como tercer parámetro la potencia generada por esta.

Figura # 2. Curva de comportamiento de una célula fotovoltaica.

Corriente de cortocircuito, (Isc). Constituye la máxima corriente que puede obtenerse de la célula solar. Su valor varía en función de la superficie y de la radiación luminosa a que la célula es expuesta. Normalmente, y para células de 100 mm de diámetro, su valor está próximo a los 2,5A para una radiación de 1000 W/m2. [10]

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La Isc puede ser medida solamente al hacer un cortocircuito directo a través de los terminales positivo y negativo de un módulo. Todas las medidas deben ser tomadas cuando el módulo no está conectado con otros componentes en el sistema.

Tensión de circuito abierto, (Voc). Representa la máxima tensión que puede dar una célula solar. Su valor oscila, según el tipo de construcción interior de la célula. En las células de silicio de tipo medio se sitúa en torno a 0,6 V mientras que en las de arseniuro de galio, en torno a 1V. [10]

Este es voltaje máximo cuando no se está extrayendo corriente del módulo. Como no hay corrinte (I=0), el módulo tendrá un voltaje máximo. [11]

Potencia máxima, (Pmax). Es la potencia máxima que puede suministrar una célula y se define por el punto de la curva I – V donde el producto de la intensidad producida y la tensión es máximo. Depende de la radiación incidente. [10]

La máxima potencia de salida se alcanza con el máximo voltaje (Vmp) y la máxima corriente (Imp) posibles bajo las condiciones de operación y se alcanza con la multiplicación de estos.

Potencia nominal de pico, (Wp). Es la proporcionada al recibir el panel una irradiación de 1000 W/m2 cuando la temperatura de las células es de 25 ºC, y el

espectro de luz corresponde a una masa de aire de 1,5G. El nombre de “pico” hace referencia a que, en las medidas reales, una intensidad de 1000 W/m2

constituye un pico máximo. Como es de esperar, la mayor parte del tiempo la intensidad radiante recibida por el panel es inferior a los 1000 W/m2. Por lo

tanto, la potencia real producida será también inferior a la potencia nominal pico. [10]

Resistencia serie, (Rs). Esta resistencia viene dada por las regiones neutras y por los contactos a la salida del semiconductor. Tiene un valor mínimo ya que la producción de las células reduce al mínimo estas pérdidas producidas. Está situada en serie con el resto del circuito del panel y uno de sus bornes actúa como terminal positivo de salida. [11] Esta resistencia viene determinada por la ecuación siguiente:

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(1.1)

Resistencia paralelo, (Rp). Esta resistencia se crea debido a las pérdidas que existan en el material, es de varios kΩ. Es muy alta con respecto a Rs y al estar en paralelo con la fuente, apenas afecta en la pérdida de intensidad. [11]

Factor de forma, (FF). Se define mediante la siguiente expresión:

(1.2) El Factor de Forma resulta ser un parámetro de gran utilidad práctica, ya que nos da una idea de la calidad de la célula. En la práctica el FF siempre tiene un valor más pequeño que la unidad, y la célula solar será tanto mejor cuanto más se aproxime el valor del FF a dicha cifra, ya que más se aproximará la potencia máxima a la potencia ideal. Normalmente en las células comerciales el factor de forma está comprendido entre el 0,7 y el 0,8, teniendo las de silicio monocristalino, por regla general, mejor valor que las fabricadas con silicio policristalino. [10]

Rendimiento, (η). El rendimiento es el porcentaje de potencia de luz solar total absorbida por un panel que se convierte en energía eléctrica, cuando es conectada a un circuito eléctrico. Este término se calcula usando la relación del punto de máxima, Pm divido entre la luz que llega a la celda irradiada (G, en W/m2), bajo condiciones estándar y el área superficial de la célula solar (Ac en

m2). [11]

(1.3)

Las medidas bajo condiciones estándar corresponden a una radiación de G=1kWm2 y una temperatura de célula de Tc = 250C para un espectro solar o

radiación electromagnética que proviene del sol AM = 1,5G (CEM, en condiciones estándares de medida). [11]

La tabla # 2 muestra el rendimiento de los diferentes tipos de células fotovoltaicas de forma individual y formando parte de los módulos fotovoltaicos.

(24)

16 Tabla # 2. Rendimiento de los diferentes tipos de células fotovoltaicos comerciales.

Tipo de célula Rendimiento de célula en laboratorio. (%) Rendimiento de célula en fábrica. (%) Rendimiento de módulo en fábrica. (%) Superficie para 1 kWp(m2) Silicio monocristalino 25 18 14 3.0-4 Silicio policristalino 20 15 13 2.9-3.95 Silicio amorfo 13 10 7.5 2.5-4 Teluro de cadmio (CdTe) 16.3 10 9 2.5-4 Diselenio de indio-cobre(CIS) 18.5 13.9 9.9 2.1-3.9

A continuación, se representa la célula fotovoltaica en un circuito eléctrico, dónde:[10]

Icc es la corriente debida a la generación de portadores que produce la luz al incidir sobre los fotones.

D1 es un diodo, que representa la corriente que se produce debido a la recombinación de portadores en la oscuridad.

Rs y Rp son las antes mencionadas resistencias serie y paralelo.

Figura # 3. Representación de célula fotovoltaica en un circuito eléctrico. 1.5 Conexión de las células fotovoltaica

La conexión de células fotovoltaicas implica un aumento en la tensión o en la corriente de salida total por eso es importante saber cómo conectar entre si las células solares dependiendo del caso. Existen dos tipos de conexiones para las mismas para obtener mayor tensión la conexión en serie y para obtener mayor corriente la conexión en paralelo. [11]

(25)

17

Conexión serie:

Al conectar en serie un número indefinido de células (ns), el valor del voltaje de

circuito abierto se multiplica por el número de células asociadas. VOC = V1OC x ns (1.4)

En la figura # 4 se observa gráficamente como actúa la conexión serie de las células:

Figura # 4. Relación voltaje vs corriente al conectar las células en serie.

La gráfica muestra como al conectar en serie un número n de células la curva de tensión aumenta n veces mientras que la corriente de cortocircuito total no se ve afectada en relación con la corriente de corto circuito de una sola célula. Conexión paralelo:

Al conectar en paralelo un número indefinido de células (np) se obtiene que la

intensidad se multiplica por el número de células asociadas. ISC = I1

SC x nP (1.5)

A continuación, se muestra cómo responden eléctricamente la conexión en paralelo las células fotovoltaicas

(26)

18

Podemos observar que en este caso al conectar en paralelo un número m de células la variación de la tensión de circuito abierto con respecto a la tensión de circuito abierto de una sola célula resulta despreciable ya que se ve levemente afectado mientras que la corriente se ve multiplicada por n. [11]

1.6 Ventajas y desventajas de la energía solar fotovoltaica.

Es necesario aclarar que no existe la fuente de energía perfecta, todas presentan sus ventajas e inconvenientes, por tanto, a la hora de explotarlas hay que realizar antes un análisis en cuanto a costos, localización, extracción, transformación y otros aspectos para justificar su uso. La energía fotovoltaica no está a espaldas de la realidad, a continuación, se muestran un conjunto de ventajas y desventajas de la misma.

Ventajas:

1) No consume combustible, pues obtiene su energía del Sol, lo cual

significa que, económicamente, en un largo plazo estos sistemas son más viables y estables.

2) Los sistemas que hoy llegan a cortos tiempos de amortización (3-6 años) son los sistemas térmicos de bajas temperaturas.

3) Impacto ambiental prácticamente nulo.

4) Es un recurso inagotable.

5) Los sistemas fotovoltaicos no producen ningún sonido molesto, por lo que no ocasionan ningún tipo de contaminación sonora.

6) Los sistemas tienen una vida útil larga (más de 20 años).

7) El mantenimiento de los sistemas fotovoltaicos es sencillo y tiene costos muy bajos.

8) La instalación de los sistemas fotovoltaicos individuales es simple, rápida y sólo requiere de herramientas y equipos de medición básicos.

9) El funcionamiento de los equipos de la instalación no vierte ningún tipo de deshecho al exterior.

(27)

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11) Se puede aumentar la capacidad instalada y la autonomía de la instalación.

12) Resistente a condiciones climáticas extremas: granizo, viento, etc.

13) No hay dependencia de las compañías suministradoras.

14) Aunque con menos rendimiento, funcionan también en días nublados, puesto que captan la luz que se filtra a través de las nubes.

15) Fácil uso en lugares de difícil acceso. 16) No tiene más costos una vez instalados.

Desventajas:

Como toda fuente de energía, la solar tiene sus desventajas también:

1) Limitaciones presupuestarias en cuanto a la capacidad que se puede instalar.

2) El tiempo de instalación de una planta eléctrica de combustible es menor que el de un sistema fotovoltaico.

3) La disponibilidad de energía es variable y depende de las condiciones atmosféricas.

4) La eficiencia de los PFV es relativamente bajo (14%-25%) comparado con otras fuentes de energía renovable.

1.7 Experiencias en Cuba

Los Parques Fotovoltaicos conectados a la Red Nacional es una estrategia de nuestro país en aras de ahorrar la importación de portadores energéticos y de esta forma dar valor de uso a terrenos baldíos que por sus características no son aprovechables en la agricultura, el incremento del fondo habitacional y el desarrollo de la infraestructura industrial.

Hasta octubre de 2015 los paneles fotovoltaicos conectados a la red han generado un total de 23459,7 MWh. Solo durante el año 2015 esta energía ahorró al país un total de 6334 toneladas de combustibles aproximadamente y ha dejado de emitir 18 767 toneladas de CO2 a la atmósfera, según datos del

Instituto de Hidroenergía Nacional, entidad encargada de fomentar dicha práctica en Cuba.

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20 Tabla # 3. Distribución de la generación fotovoltaica en Cuba. [12]

PROVINCIA INSTALACIÓN POTENCIA INSTALADA kWp

La Habana EXPOCUBA 1000 La Habana Naranjito 500 La Habana Guanabo 500 Cienfuegos Cantarrana I 1000 Cienfuegos Cantarrana II 1600 Cienfuegos Cruces 3000

Villa Clara Frigorífico 962

Camagüey Guáimaro 1600

Santiago de Cuba CIES 2500

Guantánamo Santa Teresa I 2500

Guantánamo Santa Teresa II 2000

Pinar del Río Pinar 220 3000

Total conectado al SEN 20162

Conectados al sistema eléctrico de Isla de la Juventud

La Fé 816

Mármol 1000

TOTAL Isla de la Juventud 1816

TOTAL INSTALADO EN EL PAÍS 21978

A continuación, se analizan algunos de estos sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica nacional:

Parque fotovoltaico del Frigorífico, Villa Clara.

Está compuesto por un total de 5200 paneles fotovoltaicos de 185Wp cada uno, conectados en subsistemas de 100 módulos cada uno y conectados a 52 inversores para conexión a red de potencia nominal unitaria de17 kW.

El parque cuenta con una potencia real de 962 kWh, considerando el precio del Fuel Oíl a 611,71cuc/ton y el precio de la electricidad a 0,267CUP/kWh se obtuvieron los siguientes resultados:

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21 Tabla # 4. Resultados obtenidos por el parque fotovoltaico del Frigorífico.

Año Energía (MWh) Combustible(Ton) Ahorro (MCUC) Ventas de electricidad (MCUP) 2013 414,3 123,6 91,8 110,6 2014 505,9 150,9 112,2 135,1 Totales 920,2 274,5 203,9 245,7

Parque fotovoltaico de la Ronera Central, Santo Domingo, Villa Clara. El sistema fotovoltaico se encuentra distribuido por lo techos de cuatro naves con las que cuenta la entidad. La producción estimada del conjunto de todas las instalaciones será de 966 628,29 kWh/año, la potencia total del sistema es de 688 kWp, la distribución es la siguiente:

Tabla # 5. Distribución del parque fotovoltaico de la Ronera Central. Nave Potencia Nominal Potencia FV Cantidad de inversores Cantidad de módulos Nave 3 150 176 6 704 Nave 6 125 152 5 608 Nave 7 150 180 6 720 Nave 8 150 180 6 720 Total 575 688 23 2752

Se estima que en los periodos de producción de la Ronera Central “Agustín González Mena” el 40% de esta energía generada será consumida por la propia Ronera, cediendo el resto a la red. En los periodos en los que la Ronera no tenga producción toda la energía generada en la planta fotovoltaica será cedida a la red.

Con la instalación del sistema fotovoltaico se dejarán de emitir al medio ambiente aproximadamente 676,63 t de CO2 al año.

Teniendo en cuenta:

a) La energía dejada de servir por el SEN (966628,29kWh/año). b) El consumo especifico neto promedio del SEN (279,4g/kWh).

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c) Pérdidas en transmisión (5%).

d) El precio promedio de una tonelada de combustible en el SEN (611,71cuc /toneladas).

El ahorro total que se tiene es aproximadamente de 507,75MCUC.

Para el cumplimiento de la política de incremento de la generación con parques solares fotovoltaicos la cual plantea la instalación de 700 MW de energía solar fotovoltaica, hay un grupo de instalaciones en construcción y otro grupo en preparación para el 2016 y años venideros.

Los parques que se encuentran en construcción son:[12] El Yarey, Granma 2400 kWp.

Cita, Camagüey 1200 kWp.

La Sierpe Vieja, Santi Spíritus 1300 kWp. Palmira, Cienfuegos 3600 kWp.

Troncoso, Pinar del Río 1300kWp.

Universidad, Isla de la Juventud 2400 kWp. Santa Teresa 3, Guantánamo 600 kWp

Desde hace varios años se ha acariciado la idea de disponer de una instalación fotovoltaica (FV) en la Facultad con el propósito de realizar trabajos de Investigación Desarrollo y para usos docentes.

Se ha ofrecido por parte de la UNE la instalación de un parque de 1 MW de potencia, proyecto que aún no se ha consumado por una serie de inconvenientes, pero la intención sigue latente.

Instalaciones en techos conectadas a la red:

- Grupo de la Electrónica en La Habana (4 kW). Se empleó el silicio amorfo. - Reloj Club (Empresa Desarrolladora de Inversiones en Fuentes Renovables de Energía) (4 kW). También de silicio amorfo.

-Maqueta de La Habana, (Playa).

-CUBARON, en la localidad de Santo Domingo, Villa Clara, de 688 kWp y 575 kWn.

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23 Conclusiones del capítulo.

En este capítulo se realizó el estudio de los fundamentos teóricos básicos afines con los paneles solares fotovoltaicos. Las celdas solares son la base de la misma, por lo que hacerlas más eficientes y disminuir los precios en el mercado internacional constituye una prioridad. A pesar de tener un bajo rendimiento con respecto a otras energías renovables presenta grandes ventajas, entre ellas el pequeño tiempo de amortización y su facilidad para aumentar la potencia instalada. En el mundo las grandes potencias económicas invierten sumas millonarias en energía fotovoltaica y Cuba no se queda detrás, pues de acuerdo con su potencial económico estimula el desarrollo de la misma y planea un gran despliegue en el futuro.

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Capítulo 2. Caracterización y análisis de los Edificios

Fotovoltaicos Conectados a la Red (EFCR)

Introducción

Los sistemas fotovoltaicos conectados a la red son una alternativa de moda en la actualidad y si son instalados en techos y azoteas suponen una serie de ventajas que deben ser consideradas a la hora de suministrar cargas específicas. Para diseñar un sistema eficiente deben de conocerse a fondo sus componentes, principales pérdidas que pueden afectar su funcionamiento y el rendimiento de la instalación, en este capítulo serán abordados todos estos aspectos.

2.1 Diferentes tipos de sistemas fotovoltaicos

Generalmente, las instalaciones fotovoltaicas se dividen en tres grandes grupos: autónomas, híbridas/ mixtas y las conectadas a la red eléctrica.

2.1.1 Sistemas aislados de la red eléctrica o autónomos

Los sistemas fotovoltaicos autónomos (SFA) están constituidos, en lo fundamental, por los PFV es fotovoltaicos, que constituyen el generador de energía eléctrica, las baterías para almacenar la energía y utilizarla en los momentos de ausencia de la radiación solar y la carga eléctrica que se va a consumir mediante equipos eléctricos domésticos y/o industriales. [13]

Se utilizan para el abastecimiento de electricidad en sitios aislados y que requieren consumos no muy altos. Estos sistemas suelen contar con baterías de acumulación de la electricidad. Farolas de alumbrado público en zonas rurales, balizas de señalización en alta mar y las estaciones meteorológicas son algunos ejemplos de aplicación. [3]

El almacenamiento de la energía eléctrica convierte a los SFA en una fuente fiable de energía, ya sea de día o de noche, independientemente de las condiciones climáticas. [13]

El empleo de baterías tiene dos inconvenientes fundamentales: el aumento de los costos del sistema y el hecho de que solo puede extraerse el 80 % de la energía almacenada. Además de los SFA que funcionan con corriente directa (DC), existen los que trabajan con Alterna (AC), en los que es necesario un

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convertidor de DC/AC, que transforman energía eléctrica directa en alterna. [13]

2.1.2 Sistemas híbridos o mixtos.

Los sistemas híbridos o mixtos se caracterizan porque incluyen, además de los paneles fotovoltaicos, una o varias fuentes auxiliares de potencia. Puede ser un generador auxiliar, gasolina o diésel, o un generador eólico. Normalmente estos sistemas incluyen baterías de menor tamaño que la de los sistemas fotovoltaicos puros. Su fiabilidad, al no depender de una sola fuente energética, suele ser mayor. Como único inconveniente cabe señalar la mayor complejidad en el sistema de regulación y control de los mismos, así como en el mantenimiento. [3]

Un SFA puro implica una inversión elevada, pero supone unos costos de mantenimiento muy bajos. Por el contrario, un grupo electrógeno es una adquisición poco costosa, pero está asociado a costos de mantenimiento no despreciables, principalmente en zonas remotas. La combinación de ambos permite reducir el tamaño del generador FV y el acumulador con la aportación energética del grupo, mientras que el generador fotovoltaico permite reducir las horas de funcionamiento del grupo, y por tanto el gasto en combustible y consiguiente mantenimiento. De aquí se sigue que el dimensionado de estos sistemas es, nuevamente, un ejercicio de optimización. El control de arranques y paradas del grupo vendrá definido por el funcionamiento de los equipos de consumo. Para aquellas cargas que no puedan asumir un corte de suministro el grupo funcionará como equipo de emergencia, activándose para alimentar estas cargas a partir de un nivel de alerta. En otros casos, bastará con que el grupo mantenga el nivel de flotación de la batería. En general, el inversor y el grupo electrógeno no funcionarán simultáneamente y no existirán problemas de sincronismo. En aquellos casos en los que exista la posibilidad de activación conjunta de estos dos equipos, se deberá incluir un mecanismo de sincronización entre ambos. [14]

2.1.3 Sistemas conectados a red

Los sistemas conectados a red son los que más aplicación comercial están teniendo en estos momentos (en el 2004, un 74% de la capacidad mundial instalada correspondía a sistemas conectados a red). Su característica

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principal es que la totalidad de la electricidad producida se vierte a la red eléctrica para un consumo en otro lugar. El productor recibe una compensación financiera por la energía suministrada a la red. Estos sistemas se componen, además de los paneles fotovoltaicos, de inversores que transforman la corriente continua producida por las células en corriente alterna (usada en la red eléctrica). Las grandes instalaciones suelen, además, disponer de sistemas de transformación de baja tensión a media tensión. [3]

En términos generales, los generadores fotovoltaicos distribuidos conectados a la red pueden aportar importantes beneficios a los sistemas de distribución, dependiendo de las características y condiciones operativas de red de distribución, así como de la localización de éstos dentro de la misma. Los beneficios potenciales más importantes son:

• Suavización de picos de demanda cuando existe cierto grado de coincidencia entre el perfil de generación fotovoltaica y el perfil de consumo del inmueble o alimentador.

• Alivio térmico a equipos de distribución, lo que implica también la posibilidad de postergar inversiones de capital para incrementar su capacidad o reemplazo.

• Disminución de pérdidas por transmisión y distribución. • Soporte de voltaje en alimentadores de distribución. • Compensación de potencia reactiva en el alimentador. [3]

2.2 Características distintivas de los Sistemas fotovoltaicos conectados a la red (SFCR) sobre suelo y en edificación.

Tradicionalmente se distingue entre SFCRs instalados sobre suelo y en edificación. Dentro de los instalados sobre suelo existen los sistemas estáticos, con una inclinación y orientación fija, y los sistemas de seguimiento, que varían la posición del generador a lo largo del día y año para maximizar la radiación efectiva incidente.

En los instalados sobre edificación es frecuente diferenciar los sistemas según el grado de integración del sistema con el edificio. Así, el documento HE5 del Código Técnico de la Edificación considera tres casos en lo que a disposición

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de módulos se refiere: general, superposición de módulos e integración arquitectónica. Considera que existe integración arquitectónica cuando los módulos cumplen una doble función energética y arquitectónica y además sustituyen elementos constructivos convencionales o son elementos constituyentes de la composición arquitectónica. Se supone que existe superposición arquitectónica cuando la colocación de los módulos se realiza paralela a la envolvente del edificio.[14]

2.2.1 SFCR sobre suelo

El diseño de un SFCR sobre suelo tiene como objetivo maximizar la producción energética anual del sistema con el menor costo y la menor ocupación de terreno posibles. Como primera clasificación distinguiremos entre los sistemas estáticos, aquellos cuya inclinación y orientación permanece inalterable, y los sistemas de seguimiento.

El fundamento de los sistemas de seguimiento es doble: en primer lugar, la radiación incidente aumenta al seguir al sol; además, las pérdidas por reflexión disminuyen si el apuntamiento al sol mejora. Por tanto, el objetivo de estos sistemas es reducir el ángulo formado entre la línea que une el generador con el sol y la perpendicular al plano del módulo y así apuntar al sol a lo largo de su movimiento celeste. Las diferentes técnicas de seguimiento buscan concretar ese objetivo general sacrificando un apuntamiento perfecto en aras de conseguir sistemas estructurales más económicos y mejores aprovechamientos del terreno.

Así, el mejor método de seguimiento desde la perspectiva de la producción eléctrica es el denominado a doble eje, que consigue apuntar al sol con precisión a lo largo de todo su recorrido. En el siguiente puesto de los que optimizan la producción destaca el seguimiento azimutal, que sacrifica un movimiento (inclinación del generador) para conseguir sistemas más económicos. El método consiste en girar de este a oeste sobre un eje vertical. Su uso está decreciendo en comparación al método de doble eje. Otro planteamiento diferente es el utilizado por el seguimiento polar. El único eje sobre el que se produce el giro está inclinado de forma paralela al eje de rotación de la Tierra, consiguiendo que el generador aparezca al sol como perpendicular a sus rayos durante gran parte del recorrido. No obstante, las

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complicaciones estructurales y de giro, y la dificultad de su implantación en grandes plantas han provocado que su uso sea ocasional. Por último, se debe mencionar el método de seguimiento horizontal con eje Norte-Sur. Sus ventajas son la sencillez y estabilidad estructural (el eje es horizontal y paralelo al terreno, con tantos puntos de apoyo como se consideren necesarios), la facilidad de motorización, así como el mejor aprovechamiento del terreno en relación a un sistema de doble eje.

El mejor aprovechamiento de terreno depende directamente del porcentaje de radiación que quedará sombreada por los seguidores cercanos, lo que se conoce como sombras mutuas. En general, cuanto más exacto es el método de seguimiento, menos eficiente es su aprovechamiento de terreno: para un mismo valor de radiación sombreada, la separación entre seguidores aumenta en sistemas que apuntan mejor. De ahí que los sistemas estáticos sean la opción preferida cuando el terreno disponible sea limitado y se desee alcanzar una potencia instalada determinada (por ejemplo, para aprovechar toda la capacidad que ofrece el punto de conexión concedido) o limitar la inversión económica a costa de reducir la productividad del sistema.

Recordando que en un SFCR sobre suelo el objetivo es obtener el menor costo de la energía producida durante su vida útil con la menor ocupación de terreno posible, el diseñador debe configurar el generador (principalmente su tamaño y tipo de seguimiento) teniendo en cuenta al menos tres factores:

 La inversión económica que es posible realizar, relacionada principalmente con la potencia del generador y con el tipo de seguimiento empleado.

 El rendimiento económico deseado, relacionado con la energía producida por el sistema y, por tanto, con el modo de seguimiento empleado y con la radiación disponible.

 La ocupación de terreno, relacionado con el modo de seguimiento empleado.

Es ciertamente difícil establecer recomendaciones de aplicación universal. Los sistemas instalados sobre suelo frecuentemente superan la potencia de100kW, y en varios casos superan los 50MW, y por tanto, suelen contar con una

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instalación de evacuación en Media Tensión. En este tipo de SFCR una proporción importante del trabajo de ingeniería se dedica al diseño del sistema de interconexión de los módulos para formar el generador, el sistema eléctrico que conecta el generador con los equipos inversores, el sistema de evacuación a red de la energía producida y la red de tierras. [14]

2.2.2 SFCR en edificación

El diseño de un SFCR en edificaciones frecuentemente más complejo que el de un SFCR sobre suelo. La integración del sistema fotovoltaico con el edificio exige tener en cuenta muchos factores que condicionan la ubicación y la configuración del generador. Así, la orientación e inclinación del generador ya no puede ser elegida para optimizar la producción energética, sino que las características propias del edificio y de los elementos que alberga obligan muy frecuentemente a optar por ángulos que difieren del óptimo. En este tipo de sistemas, el diseñador debe tomar las decisiones oportunas para aprovechar las sinergias entre edificio y sistema fotovoltaico, reduciendo las posibles interferencias entre uno y otro. Por ejemplo, un generador fotovoltaico puede ser instalado como toldo fijo sobre ventanas reduciendo la insolación que entra en el edificio y, por tanto, disminuyendo la carga térmica en el mismo. La ubicación del generador vendrá determinada por la orientación de la fachada que se pretende sombrear, su inclinación será un compromiso entre la producción energética del SFCR y la cantidad de sombra deseada, y el tamaño del generador dependerá del área acristalada a sombrear.

Los sistemas instalados en edificación no suelen superar la potencia de100kW. Su interconexión con la red eléctrica se realiza frecuentemente en Baja Tensión, aunque esta opción no siempre es posible. En este tipo de SFCR el diseño de los sistemas eléctricos debe tener en cuenta las canalizaciones previstas o existentes en el edificio. Por facilidad de instalación y mantenimiento, y por seguridad de los sistemas, es recomendable el uso de canalizaciones separadas del resto de sistemas del edificio. Sin embargo, los criterios de seguridad eléctrica aconsejan utilizar una red de tierras común para el edificio y el sistema fotovoltaico. Una proporción importante del trabajo de ingeniería se dedica a ubicar correctamente el generador para maximizar la

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producción y minimizar el efecto del sombreado, y a diseñar y elegir los elementos de anclaje de los módulos al edificio.

Los SFCR en edificación poseen grandes ventajas como son una mayor cercanía entre el lugar de consumo y el de generación y su sencillo montaje, aprovechando al máximo la estructura del edificio, sin la necesidad de una obra ingenieril que requiera movimientos de tierra ni cimentación para el montaje de la estructura. [14]

2.3 Edificios fotovoltaicos conectados a la red (EFCR)

El origen de los edificios fotovoltaicos conectados a la red se remonta a mediados de la década de los 70 en los Estados Unidos, con la elaboración, por parte de la Administración federal, de las primeras recomendaciones relativas al aprovechamiento de la energía solar fotovoltaica en edificios. [15] Pronto surgieron los primeros proyectos demostrativos en edificios residenciales y comerciales —el primero del que tenemos noticia, en Arlington, Universidad de Tejas, en 1978. El éxito inicial de estos proyectos, unido a un apoyo decidido por parte de la Administración, dio lugar a un notable crecimiento de los EFCR. [15]

Los primeros EFCR instalados en Europa surgieron al final de los años 80 en Alemania, Austria y Suiza. En España, por ejemplo, el primer edificio institucional que funcionó fue el Instituto Solar de la Universidad Politécnica de Madrid, en 1994. Hoy, los edificios fotovoltaicos significan un 42% del total de la energía consumida en Europa. La mayoría de los sistemas fotovoltaicos en edificios (viviendas, centros comerciales, naves industriales…) se montan sobre tejados y cubiertas, pero se espera el aumento de instalaciones integradas en tejas y otros materiales de construcción. Estos sistemas fotovoltaicos son de pequeño a mediano tamaño, lo que supone una potencia de 5 kW a 200 kW, aunque a veces se supere este valor y se llegue al orden de los MW. Otros sistemas pueden reemplazar a los componentes de las fachadas. Las fachadas fotovoltaicas son elementos muy fiables y aportan un diseño moderno e innovador al edificio mientras producen electricidad. [16]

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31 2.4 Descripción de los componentes de los Edificios fotovoltaicos conectados a la red (EFCR)

La energía solar fotovoltaica integrada en edificios consiste en módulos fotovoltaicos que literalmente forman parte de la estructura de un edificio, acoplados arquitectónicamente a los techos y azoteas de los mismos. Los EFCR vierten energía a la red cuando la generación supera al consumo en un determinado instante y extrae energía de ella en caso contrario, de este modo combina las características de generador y consumidor de energía propiciado por el intercambio energético entre el edificio y la red eléctrica.

En un EFCR, se pueden distinguir cinco bloques funcionales bien diferenciados:

1. El generador fotovoltaico.

Un grupo de celdas interconectadas es llamado módulo fotovoltaico y la interconexión de dos o más módulos es llamada panel fotovoltaico.

El generador fotovoltaico está formado por el conjunto de los módulos fotovoltaicos, adecuadamente conectados en serie y en paralelo, con la combinación adecuada para obtener la corriente y el voltaje necesarios para una determinada aplicación. El elemento base es el módulo fotovoltaico.

Varios módulos ensamblados mecánicamente entre ellos forman el panel, mientras que módulos o paneles conectados eléctricamente en serie, para obtener la tensión nominal de generación, forman la rama. Finalmente, la conexión eléctrica en paralelo de muchas ramas constituye el campo.

Los módulos fotovoltaicos que forman el generador, están montados sobre una estructura mecánica capaz de sujetarlos y que está orientada para optimizar la radiación solar.

La cantidad de energía producida por un generador fotovoltaico varía durante el año en función de la insolación de la localidad y de la latitud de la misma.

Para cada aplicación, el generador tendrá que ser dimensionado teniendo en cuenta los siguientes aspectos:

 carga eléctrica.  potencia de pico.

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