IMPACTO AMBIENTAL DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO EN ZONAS DE ALTA
IRRADIACIÓN SOLAR
Orlando Calderas Bojórquez, Omar Alejandro Marmolejo Varela, Eliezer Suarez Flores, Manuel Humberto Jiménez León, Reyes Apolonio Castro Corral,
[email protected],[email protected], [email protected] , [email protected] , [email protected]
Instituto Tecnológico de Mexicali Av. Tecnológico s/n Col. Elías Calles, Mexicali, Baja california, México C.P. 21376
RESUMEN
Se realizó un diseño de un algoritmo en donde se tomó en consideración el consumo promedio anual en kWh de una vivienda de la ciudad de Mexicali, Baja California. En este estudio se demostró la manera en que una instalación fotovoltaica puede mitigar el impacto ambiental generado por el uso del carbón, un combustible fósil. El medio para realizar dicho estudio fue la elaboración de un instrumento virtual (VI), creado en la plataforma de instrumentación LabVIEW, en donde dicho instrumento demuestra mediante datos reales, elementos como la cantidad de paneles solares requeridos para abastecer un porcentaje deseado de carga eléctrica en una casa habitación. Además la generación eléctrica anual y diaria que se tiene con el sistema implementado. Estos resultados se compararon con el software SAM (System Advisor Model) del laboratorio nacional de energía renovable de estados unidos (NREL), para poder señalar que los resultados obtenidos fueron adecuados. Además se incluye una comparación del total de emisiones de CO2 que se producen cuando se utiliza el carbón y la tecnología fotovoltaica. Esto para poder demostrar la huella de carbono que tienen ambos sistemas de generación de energía. PALABRAS CLAVE: energía, fotovoltaica, emisiones CO2, labVIEW, ecológico, silicio.
1. INTRODUCCIÓN
Los tipos de generación eléctrica que se han desarrollado en la actualidad están divididos en dos, los renovables y no renovables. Dentro de los combustibles no renovables se encuentran los restos fósiles que son el petróleo, gas natural y carbón. Las fuentes de energía renovables incluyen al sol, viento y el agua, y las disciplinas de estas fuentes están divididas en la hidráulica, eólica, biomasa, solar, geotérmica y mareomotriz.
Dentro de la energía solar se cuentan con dos clases de producción eléctrica, la fotovoltaica y la térmica. La energía fotovoltaica produce energía eléctrica por medio de paneles solares que están compuestos por materiales semiconductores, por mencionar a algunos tenemos al silicio, selenio, y el indio. Los tipos de paneles solares que se encuentran en el mercado incluyen a los monocristalinos y policristalinos hechos de silicio, además de los de película delgada amorfa y microcristalina. En la actualidad el mercado se ha inclinado a utilizar al silicio como principal componente para ensamblado de paneles solares, todo esto debido a los conocimientos a través de los años de la industria electrónica. [1]
Actualmente los países con mayor capacidad solar fotovoltaica instalada son Alemania, Italia, China, Estados Unidos y Japón. [2]
2. ALCANCE
El propósito de este artículo es mostrar mediante la investigación realizada, el lado ecológico que involucra realizar una instalación fotovoltaica a una casa habitación, enfocándolo en la carga eléctrica que consumirá el hogar a través de los meses del año. Todo esto utilizando un instrumento virtual creado mediante el lenguaje de instrumentación y simulación LabVIEW. Esto con el fin de realizar una comparación de emisiones de CO2 provocadas por el uso de tecnología fotovoltaica y el carbón. De esta manera se tendrá un punto de comparación para poder apreciar la enorme diferencia de emisiones que existen entre ambas tecnologías.
3. METODOLOGÍA
El aprovechamiento de un sistema fotovoltaico (SFV) tiene dos objetivos principales, el primero es generar energía eléctrica al lugar en donde se instaló dicho sistema, ya sea para autoconsumo o para venderse a terceros. El segundo propósito es el de evitar la contaminación generada por fuentes no renovables de energía.
Para el estudio y análisis del aprovechamiento de energía de un SFV, existen en la actualidad distintos programas, páginas y simuladores, que pueden ser herramientas de gran ayuda, en las que se muestran datos tales como el beneficio costo de una instalación fotovoltaica, la generación de kWh anual de un sistema instalado, o tener el poder de elegir un cierto tipo de panel solar o inversor, solo por mencionar a algunas. Nuestro instrumento virtual creado en labVIEW, tuvo el propósito de proyectar tanto factores de aprovechamiento energético, como ecológicos.
Para poder hacer el estudio energético, el primer paso que se dio fue recopilar y analizar el consumo anual de una casa habitación en la Cuidad de Mexicali, Baja California. En donde se tuvo un consumo de 6990 kWh, como se muestra en la tabla 1.
valores que se requerían para el análisis energético y ecológico, que fueron el consumo anual, agregando también la capacidad de generación de paneles solares, las horas sol equivalentes y el porcentaje que se deseaba generar por medio de la instalación fotovoltaica. Los resultados fueron los siguientes:
Figura 1: Análisis fotovoltaico en LabVIEW
Dentro de los valores más importantes de la figura uno, destacan el número ideal de módulos necesarios para abastecer el porcentaje de carga alimentado que se ingreso (52%), también tenemos a la potencia a ser alimentada con energía FV al día en kWh con dicho arreglo fotovoltaico, y la potencia FV generada en un año por el sistema fotovoltaico en kWh (dato calculado contemplando las perdidas del módulo y del sistema).
El método que se utilizó para calcular los resultados obtenidos fue tomado de la Universidad de Delft [3], pero cabe recalcar que este método solo es recomendable para instalaciones de baja escala. Para poder empezar a desarrollar dicho método, se necesitó tomar en cuenta las horas del sol equivalentes que se tiene en la zona a estudiar, que se adquieren dividiendo la radiación de la zona por la medida estándar de un sol (1000 W/m2).
En este ejemplo en particular se utilizaron datos de la ciudad de Mexicali, Baja California. El valor de horas sol de irradiación que se encuentra en la población son de 5.8 kWh/m2día, dicha información está sujeta a datos obtenidos de CFE [4]. Como antes se mencionó, el desarrollo para poder obtener las horas sol equivalente se tiene de la siguiente manera:
5800 1000 = 5.8ℎ 𝑑 𝑎 (1)
Dividiendo el valor de horas sol, entre la medida estándar de un sol, se obtiene un valor de 5.8 h/día, Dato que se refiere a las horas de sol equivalentes. Con este valor se calcularon objetos como el valor aproximado mínimo de energía fotovoltaica necesaria para alimentar el lugar, también las emisiones mitigadas por el uso del sistema fotovoltaico, así como el número ideal de módulos necesarios, y la capacidad de energía anual generada, solo por mencionar a las más importantes.
4. DISEÑO DEL ALGORITMO
El programa se basó en un algoritmo que analiza los factores del sitio y la carga a alimentar, así como el porcentaje de la carga que se desea suministrar con equipo fotovoltaico. El siguiente diagrama de flujo ejemplifica las acciones realizadas del programa.
Figura 2: Algoritmo del programa realizado en LabVIEW para el análisis fotovoltaico.
Con la finalidad de comparar los resultados del algoritmo se utilizó el Simulador SAM (System Advisor Model), que ofrece el departamento de energía de Estados Unidos (NREL-National Renewable Energy Laboratory) [5]. Tiene como funciones principales la predicción y costo aproximado de proyectos centralizados (on-grid) de distintos tipos de tecnología; incluyendo a la fotovoltaica, eólica y termosolar. Contando con una base de datos en donde se puede seleccionar cosas como: el tipo de inversor, módulo fotovoltaico, generador eólico o la necesidad que se requiera analizar.
El proceso que se realizó en el Simulador, fue calcular la capacidad de generación de un arreglo fotovoltaico de ocho paneles solares, formado por dos columnas en paralelo, con cuatro paneles solares por cada columna en serie. Arrojando una generación anual de 3,622 kWh. De esta manera se pudo concluir que nuestro instrumento virtual al arrojar el valor de 8 módulos fotovoltaicos, se asemeja a los valores de la simulación propuesta por el programa SAM.
5. RESULTADOS
Después del análisis con el algoritmo y la comparación con el simulador SAM se obtienen los siguientes resultados.
Figura 3: Resultado de arreglo fotovoltaico calculado en SAM
Figura 4: Resultado de energía generada en SAM Figura 5: Resultados de energía generada con el VI
Una de las ventajas del análisis realizado en LabVIEW, es que nos permite comparar las emisiones que produce tanto el sistema fotovoltaico como la generación del carbón. El algoritmo de dicho programa toma dos valores, empezando por las huellas de emisiones de CO2 provocadas por el carbón, que toman tanto el CO2 directo emitido por la quema del carbón, como el CO2 indirecto obtenido al extraer el carbón. Se estima que la generación indirecta y directa del mismo es de 1000gCO2eq/kWh , dichos datos están sujetos al Parliamentary office of science and technology del Reino Unido. [6]
Para el análisis de la huella de emisiones producida por la instalación fotovoltaica, se tomó en consideración la huella de carbono indirecta del módulo, es decir el CO2 que se produjo al crear dicho equipo. Se estima que un módulo fotovoltaico genera 35g CO2 equivalentes por cada kWh [6]. Por otro lado el IEA indica valores de 30-37g CO2 equivalentes [7]. Cabe recalcar que esto es momentáneo y depende del valor de EPBT (Energy Pay Back Time) del equipo, éste indica el número de años que el equipo regresa la energía con la que fue creado [7]. La siguiente gráfica muestra un ejemplo del EPBT que tienen distintas tecnologías fotovoltaicas, incluyendo la monocristalina, policristalina y la de telurio de cadmio. En donde se puede visualizar el número de años y los procesos realizados para obtener el panel solar.
Figura 6: EPBT en años, fuente IEA
El instrumento virtual al efectuar el análisis ambiental, proyectó las emisiones de carbono provocadas por la generación emitida del carbón, como también las emisiones del sistema fotovoltaico. La primera barra de deslizamiento vertical muestra las emisiones de CO2 sin el arreglo fotovoltaico en toneladas por año, a base de generación de carbón. La segunda muestra la suma de las emisiones del carbón y de la instalación fotovoltaica, teniendo en cuenta que se alimentó solo el 52% de la carga del hogar con paneles solares como se muestra en la tercera barra, y un 48% restante que sigue produciendo las emisiones con el carbón como lo muestra la cuarta barra. Mediante las dos últimas barras, podemos alcanzar a apreciar la gran diferencia de emisiones que se están dejando de producir con la instalación fotovoltaica, provocando un impacto positivo en el medio ambiente.
Figura 7: Análisis ambiental proyectado del instrumento virtual
6. CONCLUSIÓN: 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Mono-SI 2008 14.0% Multi-SI 2007 13.2% CdTe 2008 10.9%
Equilibro del sistema Marco
Laminado Celda
programa, otorgan resultados satisfactorios. Empezando por el estudio energético, que tuvo una gran similitud con el programa SAM, establecido para realizar este tipo de cálculos. Agregando el lado del análisis ambiental, que se pudo visualizar la gran diferencia que existe al contar con un sistema fotovoltaico y no instalado, en cuestión de la contaminación emitida hacia el medio ambiente. Todo esto resulta útil para poder visualizar el impacto ambiental mitigado por el uso de una instalación fotovoltaica, teniendo en cuenta que cada watt generado por energía fotovoltaica es un watt menos generado por combustibles fósiles.
6. REFERENCIAS
[1] Dr. Sergio Romero-Hernández, Dr. Omar Romero-Hernández, Dr. Duncan Wood, Energías Renovables: Impulso político y tecnológico para un México sustentable Primera edición abril de 2011
[2] Renewable Energy Policy Network for the 21st century. Global Status Report Disponible en: http://www.ren21.net/REN21Activities/GlobalStatusReport.aspx consultado (17/04/2014)
[3] DelftX Solar Energy Course 2013 Disponible en:
http://courses.edx.org/courses/DelftX/ET3034TUx/2013_Fall/info consultado (10/04/2014)
[4] Energías Renovables Interconexión a la red eléctrica Junio 2009. Disponible en: http://www.cre.gob.mx/documento/1528.pdf consultado (28/03/2014)
[5] National Renewable energy laboratory. System Advisor Model Available at: https://sam.nrel.gov/ consultado (10/04/2014)
[6] Parliamentary office of science and technology. Postnote : Carbon footprint of electricity generation .2006 consultado (01/04/2014)