Análisis de la interconexión de los parques solares fotovoltaicos incluidos en el programa 100 MW inversión extranjera

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(1)UNIVERSIDAD CENTRAL ¨ MARTA ABREU¨ DE LAS VILLAS. FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA. Trabajo de Diploma “Análisis de la interconexión de los parques solares fotovoltaicos incluidos en el programa 100 MW Inversión Extranjera”.. AUTOR: Eduardo Sánchez Cidrón TUTORES: MSc. Gretchen Villar Vázquez. SANTA CLARA, 2017 ¨AÑO 59 DE LA REVOLUCIÓN¨.

(2) 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.

(3) Pensamiento. "El futuro tiene muchos nombres. Para los débiles es lo inalcanzable. Para los temerosos, lo desconocido. Para los valientes es la oportunidad" Víctor Hugo. i.

(4) Agradecimientos. Quisiera dedicar esta tesis de forma especial a mi mamá, mi hermana y mi papá. Además, quisiera agradecer a mi tutora Gretchen Villar Vázquez por toda la ayuda que me brindó. A mis tíos, mi abuela, mis primos, a toda mi familia en general por todo el apoyo que me brindaron a lo largo de esta difícil trayectoria. A los compañeros Humberto y Alejandro del Despacho de la Empresa Eléctrica que siempre me ayudaron cada vez que los necesité. También quisiera agradecer a todas mis amistades que de una forma u otra me ayudaron, en especial los que me ayudaron a enumerar las páginas y hacer el índice de la tesis que parecía una tarea imposible. En general les agradezco a todos los que me brindaron su apoyo incondicional a lo largo de todos estos años.. ii.

(5) Tarea Técnica. Con el propósito de darle cumplimiento a los objetivos trazados en esta tesis, se tuvo en cuenta una serie de tareas técnicas para la confección del informe, ellas fueron:. . Identificar los referentes teóricos que sustentan el análisis de la interconexión de los paneles fotovoltaicos.. . Definir las variables que influyen en la interconexión de los paneles fotovoltaicos.. . Recolectar los datos que me permitan simular en el programa RADIAL la interconexión de los paneles fotovoltaicos en Villa Clara.. . Realizar el análisis de los resultados que nos brindan las simulaciones.. Firma del Autor. Firma del Tutor. iii.

(6) Resumen: En la actualidad, una de las principales metas de la mayoría de los países del mundo es cambiar su matriz energética a través del uso de las fuentes de energía renovable, reduciendo así el consumo de los combustibles fósiles, los cuales provocan un daño irreparable al medio ambiente. Nuestro país no se queda atrás, cuenta con numerosos proyectos que apuntan a un incremento de la generación de energía eléctrica a partir de fuentes renovables. En este trabajo se tiene como objetivo el análisis de la interconexión de los parques fotovoltaicos incluidos en el programa 100 MW Inversión Extranjera en la provincia de Villa Clara. Dichos parques se encuentran ubicados en diferentes localidades de la provincia por lo que es necesario realizar un análisis de los diferentes circuitos donde se implementarán los parques, para poder así valorar la fiabilidad de estos en cuanto a parámetros importantes como el ahorro de combustible que le provocarán al país, además de la reducción de emisión de gases contaminantes, y las pérdidas de potencia y energía, así como la variación de las transferencias de potencia por las líneas. Para realizar este análisis se utilizó el software RADIAL, el cual permite de manera eficaz y sencilla la simulación de los circuitos.. iv.

(7) Índice. Pensamiento .................................................................................................................. i Agradecimientos ........................................................................................................... ii Tarea Técnica. ..............................................................................................................iii Resumen: .................................................................................................................... iv Índice ............................................................................................................................ v Introducción .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1: Fundamentos teóricos que sustentan la generación de energía renovable en los parques solares fotovoltaicos. ............................................................................ 7 Introducción............................................................................................................... 8 1.1 Energías renovables ........................................................................................... 8 1.2 Surgimiento y desarrollo de los paneles fotovoltaicos........................................ 10 1.2.1 Descubrimiento del efecto fotoeléctrico. ...................................................... 10 1.2.2 Progreso de la utilización de la energía solar. ............................................. 11 1.2.3 Generaciones de las celdas fotovoltaicas ................................................... 12 1.3 Principio de funcionamiento............................................................................... 13 1.4 Tipos de paneles ............................................................................................... 14 1.4.1 Paneles monocristalinos ............................................................................. 14 1.4.2 Paneles policristalinos ................................................................................ 16 1.4.3 Paneles de capa fina .................................................................................. 17 1.5 Eficiencia ........................................................................................................... 19 1.6 Beneficios.......................................................................................................... 21 1.7 Factores que afectan la generación de energía eléctrica de los paneles solares. ................................................................................................................................ 22 1.7.1 Irradiancia ................................................................................................... 22 1.7.2 Temperatura del módulo ............................................................................. 23 1.7.3 Nubosidad................................................................................................... 24 1.7.4 Puntos calientes.......................................................................................... 24 1.8 Explotación de los paneles ................................................................................ 27 1.8.1 Explotación mundial .................................................................................... 27 1.8.2 Explotación local ......................................................................................... 28 Conclusiones parciales. .......................................................................................... 30 v.

(8) Capítulo 2: Descripción de los Parques Solares Fotovoltaicos (PSFV) incluidos en el programa 100 MW INVERSIÓN EXTRANJERA perteneciente a la provincia de Villa Clara. .......................................................................................................................... 31 Introducción............................................................................................................. 32 2.1 Descripción de la generación en la provincia de Villa Clara. .............................. 32 2.2 Descripción de la carga en la provincia de Villa Clara. ...................................... 32 2.3 PSFV Pastoreo Macún en el municipio de Sagua la Grande. ............................ 33 2.3.1 Ubicación geográfica. ................................................................................. 33 2.3.2 Subestaciones favorecidas. ........................................................................ 34 2.3.3 Subestación Sagua 110 kV ......................................................................... 34 2.3.4 Propuesta de conexión. .............................................................................. 34 2.4 PSFV La Criolla en el municipio de Santo Domingo. ......................................... 35 2.4.1 Ubicación geográfica. ................................................................................. 35 2.4.2 Subestaciones favorecidas ......................................................................... 35 2.4.3 Subestación Santo Domingo 110 kV ........................................................... 35 2.4.4 Propuesta de conexión. .............................................................................. 36 2.5 PSFV Marrero en el municipio de Santa Clara. ................................................. 36 2.5.1 Ubicación geográfica. ................................................................................. 36 2.5.2 Subestaciones favorecidas ......................................................................... 37 2.5.3 Propuesta de conexión. .............................................................................. 37 2.6 PSFV Caguaguas en el municipio de Quemado de Güines ............................... 38 2.6.1 Ubicación Geográfica. ............................................................................... 38 2.6.2 Subestaciones favorecidas ......................................................................... 39 2.7 Caracterización del software Radial .................................................................. 40 Conclusiones parciales. .......................................................................................... 43 Capítulo 3: Análisis de los resultados. ........................................................................ 44 Introducción............................................................................................................. 45 3.1 Descripción de los diagramas monolineales simulados de la red de 33 kV de Villa Clara en el programa RADIAL. ................................................................................ 45 3.1.1 Diagrama monolineal del PSFV de Pastoreo Macún perteneciente a Sagua la Grande. ............................................................................................................... 45 3.1.2 Diagrama monolineal del PSFV de Marrero perteneciente a Santa Clara. .. 46 3.1.3 Diagrama monolineal del PSFV de La Criolla perteneciente a Santo Domingo. ............................................................................................................................ 46 3.1.4 Diagrama monolineal del PSFV de Caguagua perteneciente Quemado de Güines. ................................................................................................................ 47 vi.

(9) 3.2 Análisis de los resultados obtenidos en el programa RADIAL del PSFV de Pastoreo Macún. ..................................................................................................... 48 3.3 Análisis de los resultados en el programa RADIAL del Parque Fotovoltaico de Marrero. .................................................................................................................. 51 3.4 Análisis de los resultados en el programa RADIAL del Parque Fotovoltaico de La Criolla. ..................................................................................................................... 56 3.5 Análisis de los resultados en el programa RADIAL del Parque Fotovoltaico de Caguagua. .............................................................................................................. 58 3.6 Efecto de los PSFV sobre las pérdidas en el SEN ............................................. 64 3.7 Determinación del ahorro de combustible con la instalación de los PSFV. ...... 64 3.7.1 Ahorro de combustible que provoca el PSFV de Pastorero. ........................ 65 3.7.2 Ahorro de combustible que provoca el PSFV de Marrero. ........................... 65 3.7.3 Ahorro de combustible que provoca el PSFV de La Criolla. ........................ 66 3.7.4 Ahorro de combustible que provoca el PSFV de Caguagua. ....................... 66 3.8 Cálculos de emisión de gases contaminantes a la atmosfera. ........................... 67 Conclusiones parciales ........................................................................................... 68 Conclusiones generales.............................................................................................. 69 Recomendaciones. ..................................................................................................... 70 Bibliografía .................................................................................................................. 71. vii.

(10) Introducción En. octubre. de. 1973,. la. Organización. de. Países. Exportadores. de. Petróleo(OPEP), por motivos políticos más que por razones de estructura de costos, decidió incrementar el precio de este desde 1.6 dólares el barril a casi 10 dólares, lo que originó una gran crisis económica a nivel mundial que produjo inflación y recesión en todos los países, principalmente en los importadores de petróleo. Tal crisis obligó a los países desarrollados a reflexionar sobre la posibilidad de sustituir al petróleo con otras fuentes de energía [1]. En la actualidad todavía se trabaja para cambiar la matriz de generación y que tengan un papel protagónico las fuentes renovables de energía, pero muchos países dependen en gran medida del uso de fuentes de energía no renovables, es decir: petróleo, gas natural, carbón, dichos combustibles fósiles en su conjunto, representan el 87 % de la energía primaria que se consume en un país [2]. Estos recursos que se agotan cada día más, provocan un daño irreparable a la atmósfera debido a su alto grado de contaminación. A causa de su agotamiento acelerado el mundo está sumergido en una llamada ‘‘crisis energética’’. Dada esta circunstancia muchos países se han dedicado a aprovechar mejor las fuentes de energías renovables a través del diseño de diferentes dispositivos que permiten utilizar estas fuentes de una forma eficaz y limpia. Cada año se realizan avances en vista del mejoramiento del uso de estas fuentes de energías renovables. El 2015 fue un año récord para las instalaciones de energía renovable, la capacidad de generación de este tipo de energía experimentó el máximo crecimiento de todos los tiempos, el cual se estima en 147 gigawatts (GW) añadidos. Del mismo modo, la capacidad moderna de generación de calor mediante fuentes renovables continúa en alza, extendiendo su uso al sector del transporte. La energía renovable distribuida avanza rápidamente para así reducir la disparidad entre los que tienen y los que no tienen acceso en materia energética [3].. 1.

(11) El porcentaje de electricidad que están generando las 20 principales economías del mundo a partir del sol y el viento ha aumentado más de 70% en cinco años, según las últimas cifras dadas a conocer. Es una señal del alejamiento de los combustibles fósiles que está empezando a surgir en algunas regiones. Los países del G-20 produjeron colectivamente el 8% de su electricidad desde parques solares, eólicos y otras centrales de energía ecológica en 2015, comparado con el 4,6% en 2010 [4].. Sin embargo, los combustibles fósiles siguen dominando el suministro de electricidad en muchos países, incluyendo Estados Unidos y China, dos de los defensores más poderosos del acuerdo sobre cambio climático de la ONU que se firmó en París en diciembre pasado. Entre 2010 y 2015, el consumo de energías renovables en los principales países se ha más que duplicado; para hacer esta medición, una de las equivalencias que se toman en cuenta es la cantidad de barriles de petróleo que se han ahorrado y la cifras son las siguientes: se ha pasado de 168 millones de toneladas a 316 millones de toneladas de petróleo que se ha evitado quemar, con la consiguiente reducción de emisiones. Los Estados Unidos encabezan la lista con 74 millones de toneladas de petróleo equivalente en unidades térmicas, procedentes de fuentes de energía renovables. Esto representa el 22 % del consumo mundial de este tipo de energías. Mientras tanto, aunque China tiene un indiscutible y destacado lugar como país contaminante, debido a su apetito voraz de petróleo y de carbón, lo cierto es que en cuanto a las renovables, se sitúa por detrás de Estados Unidos. El consumo chino de energía renovable fue el equivalente de alrededor de 58 millones de toneladas de petróleo. La paradoja en los hábitos energéticos de China es que, si bien muchos países están utilizando energía renovable para reducir el consumo de combustibles fósiles, China considera a este tipo de energía como un medio para afianzar la seguridad energética de la nación [5].. 2.

(12) En nuestro país la generación de energía desde hace varios años ha comenzado a cambiar su matriz energética, cambiando la generación a partir de combustibles fósiles por energías renovables. Según los especialistas, Cuba recibe un promedio de radiación solar superior a 1800 kW.h/m2/año, lo cual avala las potencialidades existentes, por eso muchos proyectos futuros pretenden aprovechar más la energía solar [6]. Cuba, consume en la actualidad aproximadamente 147 mil barriles por día de productos del petróleo y produce aproximadamente 50 mil barriles diarios de petróleo crudo, lo que significa un déficit de unos 100 mil barriles por día, estos barriles los suministra Venezuela bajo condiciones preferenciales de pago establecidas en el Convenio Integral de Cooperación firmado en Caracas en octubre del año 2000 [7].. El Sistema Electroenergético Nacional (SEN) aprobó desde el 2014 la política para el desarrollo perspectivo de las fuentes renovables de energía y la eficiencia energética. La energía solar es una de las fuentes renovables que tiene mayor participación en este programa. Desde el 2011 existe una verdadera alfabetización solar, en la que se encuentra inmersa, no solo el SEN, sino el centro de Investigaciones de Energía Solar (CIES) de Santiago de Cuba, el Centro Integrado de Tecnologías del Agua (CITA) de Camagüey, el Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER) de La Habana y el Centro de Estudios Solares de Bartolomé Masó, entre otros; grupos industriales como EcoSol Solar, de COPEXTEL; la Sociedad Cubana para la Promoción de las Fuentes Renovables de Energía y el Respeto Ambiental, CUBASOLAR, el Centro. de. Gestión. de. la. Información. y. Desarrollo. de. la. Energía. (CUBAENERGÍA), entre muchas otras [8]. Existen referentes teóricos importantes relacionados con los parques fotovoltaicos, como la tesis de maestría de la autora, ingeniera Gretchen Villar Vázquez [8]; las tesis de grado de Danilo Hernández Pérez de Corcho [9], que trabajó específicamente en el estado de operación del parque fotovoltaico del frigorífico en Villa Clara; y la tesis de Yanet Rivas Arocha [10], que trabajó en el impacto de los parques fotovoltaicos en el sistema aislado de Cayo Santa María; 3.

(13) entre otros que abordan la temática objeto de estudio. Los nuevos paneles solares, no han sido estudiadas, por lo que el autor de la presente investigación trabaja esta temática de manera integradora. Este trabajo se origina por el interés de la Unión Eléctrica de desplegar parques fotovoltaicos conectados a las redes eléctricas del SEN como vía para incrementar la capacidad de generación eléctrica instalada, diversificar las fuentes de generación reduciendo consumos de combustibles fósiles y atenuar la. contaminación. atmosférica. asociada. a. su. quema,. empleando. la. transformación directa en electricidad de la radiación solar, fuente renovable con manifestación estable y predecible en Cuba. El objetivo del presente trabajo es proponer áreas para instalar Parques Solares Fotovoltaicos (PSFV), según el programa de inversión extranjera, con la característica fundamental de estar sincronizada al Sistema Eléctrico Nacional. En el estudio inicial se constata que existen situaciones de conflicto entre el estado ideal y el real, acerca de las propuestas de PSFV, al no existir un análisis de la interconexión, al instalar los parques fotovoltaicos en los puntos de ubicación seleccionados, lo que refleja necesidades de investigación. Ellas conducen al Problema Científico: ¿Cómo hacer un análisis de la interconexión de los parques solares fotovoltaicos incluidos en el programa 100 MW Inversión Extranjera perteneciente a la provincia de Villa Clara? El problema científico condiciona el objeto: generación de energía renovable en los parques solares fotovoltaicos. El campo de acción: parques solares fotovoltaicos incluidos en el programa 100 MW Inversión Extranjera perteneciente a la provincia de Villa Clara. En correspondencia con el problema y el objeto de estudio se determinó como Objetivo de la investigación: Analizar la interconexión de los parques solares fotovoltaicos incluidos en el programa 100 MW Inversión Extranjera perteneciente a la provincia de Villa Clara Para el logro del objetivo de este trabajo se trazaron los siguientes objetivos específicos:. 4.

(14) 1- Determinar los fundamentos teóricos que sustentan la generación de energía renovable en los parques solares fotovoltaicos. 2- Determinar la situación actual de las diferentes zonas de Villa Clara donde se desean instalar los parques solares fotovoltaicos. 3- Determinar el análisis de interconexión de los parques solares fotovoltaicos incluidos en el programa 100 MW Inversión Extranjera perteneciente a la provincia de Villa Clara. Para dar cumplimiento a estos objetivos específicos se tienen las siguientes interrogantes científicas: 1- ¿Cuáles son los fundamentos teóricos que sustentan la generación de energía renovable en los parques solares fotovoltaicos? 2- ¿Cómo determinar la situación actual de las diferentes zonas de Villa Clara donde se desean instalar los parques solares fotovoltaicos? 3- ¿Qué análisis proponer para determinar las pérdidas de energía y el ahorro de combustible en diferentes zonas de Villa Clara con la implementación de parques solares fotovoltaicos?. Metodología utilizada: Del Nivel Teórico: Historio-Lógico: Se utilizó en el estudio de los fundamentos teóricos, en la determinación de las regularidades, que permitieron elaborar el estado de operación de paneles solares fotovoltaicos (PSFV), facilitó las conclusiones y la realización del informe de investigación. Analítico-Sintético: Se utilizó durante el desarrollo del estudio y toda la trayectoria de la investigación. Inductivo-Deductivo: Se empleó durante el estudio de los datos técnicos del parque solar fotovoltaico. Del Nivel Empírico: Análisis de documento: Se aplicó esencialmente en la revisión de los nuevos esquemas en la generación de electricidad y ahorro que desarrolla de. 5.

(15) la UNE, a partir de energías renovables específicamente los parques solares fotovoltaicos. Criterio de especialista: se consultaron especialistas en las prácticas utilizadas, con el objetivo de obtener datos confiables para la valoración y análisis de los parques fotovoltaicos Del Nivel Matemático-Estadístico: Se utilizaron para tabular los datos técnicos obtenidos durante el proceso de investigación utilizando la estadística descriptiva. Estructura de la tesis. Esta tesis está estructurada en introducción, donde se precisa el diseño teóricometodológico y tres capítulos: el primer capítulo precisa los fundamentos teóricos que sustentan la generación de energía renovable en los parques solares fotovoltaicos como objeto de la investigación. El capítulo dos contiene la situación actual en la descripción del programa de 100 MW de Inversión Extranjera perteneciente a la provincia de Villa Clara en el cual se trabajará, además del Radial, software utilizado para la simulación de los circuitos. El capítulo tres, hace referencia al análisis de resultados y la valoración del estudio de los paneles solares fotovoltaicos en Villa Clara. Con los resultados de este estudio y los aspectos abordados en el informe de investigación se arriban a conclusiones, se sugieren recomendaciones, se muestra la bibliografía utilizada.. 6.

(16) CAPÍTULO 1: Fundamentos teóricos que sustentan la generación de energía renovable en los parques solares fotovoltaicos.. 7.

(17) Introducción En el uso de las energías renovables se ha visto un incremento paulatino a lo largo de los años. Entre ellas, la energía solar es la más abundante, esto ha provocado. que. muchos. países. dediquen. muchos. recursos. para. la. implementación de esta. En este capítulo se abordará de forma teórica algunos aspectos de la energía solar fotovoltaica y de los paneles fotovoltaicos.. 1.1 Energías renovables Las energías renovables son aquellas que se obtienen a partir de fuentes naturales inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que contienen, o porque son capaces de regenerarse por medios naturales. Las fuentes de energía renovable como el sol o el viento no se agotan, es decir, siempre estarán disponibles para la creación de energía a gran escala. Estas serían las principales fuentes de energía renovables:. Energía solar: Es aquella energía que es producida a través de los rayos del sol.. Es una energía renovable y limpia. La energía de los rayos del sol se recoge a través de los denominados paneles solares. La energía solar puede servir para crear desde pequeñas instalaciones domésticas hasta servir para dar energía a plantas eléctricas. Desafortunadamente, la energía solar es una de las menos desarrolladas e implantadas en la actualidad. Puede ser utilizada tanto para abastecer pequeñas zonas o para usos muy concretos, como para producir grandes cantidades de energía. También es susceptibles de tener muchas otras aplicaciones, por ejemplo, los satélites del espacio incorporan paneles solares para abastecerse energía. Energía Eólica: Es aquella energía producida a través del viento. La energía. eólica tiene muchos años de historia, desde la creación de los molinos de viento. Actualmente la energía eólica se genera a través de aerogeneradores. Estos aerogeneradores tienen un alto coste de instalación, pero son capaces de producir gran cantidad de energía. Entre las ventajas que se pueden citar de la energía eólica está el gran impacto que causa sobre el paisaje, su interferencia 8.

(18) en las rutas migratorias de las aves, o la necesidad de que los aerogeneradores estén situados en zonas donde haya viento, y el no fluir de éste no se vea entorpecido por edificios, montañas o valles.. Energía Hidráulica: Es aquella energía que se producida a través del agua. Se. consigue energía destinada a producir calor o electricidad a través de la conversión de la energía proporcionada por el agua. Se trata de aprovechar la energía cinética del agua acumulada para hacer mover las turbinas que producen la energía.. Energía Geotérmica: La energía geotérmica es una fuente de energía que se. utiliza desde hace relativamente poco tiempo. Tan solo países como Islandia tienen este tipo de energía como uno de sus principales métodos de abastecimiento energético. Consiste en la extracción de calor del interior de la tierra. Cuanto más adentro de la corteza terrestre se realiza la extracción, más calor se logra extraer del interior de la tierra. Entre las principales desventajas de este tipo de energía es que las infraestructuras son costosas, ya que hay que tener las herramientas para perforar a grandes superficies. Además. es un tipo de energía que no se puede transportar y por tanto está pensada para ser consumida en zonas cercanas a su extracción.. Energía Biomasa: La biomasa son todos aquellos restos orgánicos que pueden. ser utilizados también para producir energía útil. La utilización de este tipo de recursos para producir energía es cada vez más común, e incluso ya existen generadores portátiles a partir de biomasa. Generar biomasa es muy sencillo se puede hacer perfectamente de forma casera. Se pueden utilizar para ello cualquier tipo de residuos orgánicos, deposiciones, larvas a insectos, restos de ramas y hojas, etc.. Energía eólica marina: Ya hemos hablado de la energía eólica, pero también lo. vamos a hacer de la energía eólica marina, que es una variante de ésta. La 9.

(19) diferencia radica en que los aerogeneradores son colocados en el mar u océano en lugar de en Tierra firme. De esta manera se aprovechan mejor las corrientes de aire, se evitan los accidentes geográficos y reduce el impacto medioambiental provocado por los aerogeneradores. Entre sus inconvenientes está el alto coste de transporte de esta energía, ya que se han de construir cableados bajo la corteza marina, lo que obliga a disponer de importantes infraestructuras [11].. 1.2 Surgimiento y desarrollo de los paneles fotovoltaicos. 1.2.1 Descubrimiento del efecto fotoeléctrico.. El efecto fotovoltaico fue descubierto por el francés Alexandre Edmond Bequerel en 1838 cuando tenía sólo 19 años. Bequerel estaba experimentando con una pila electrolítica con electrodos de platino cuando comprobó que la corriente subía en uno de los electrodos cuando este se exponía al sol. El siguiente paso se dio en 1873 cuando el ingeniero eléctrico inglés Willoughby Smith descubre el efecto fotovoltaico en sólidos. En este caso sobre el Selenio. Pocos años más tarde, en 1877, El inglés William Grylls Adams profesor de Filosofía Natural en la King College de Londres, junto con su alumno Richard Evans Day, crearon la primera célula fotovoltaica de selenio. Si bien en todos estos descubrimientos la cantidad de electricidad que se obtenía era muy reducida y quedaba descartada cualquier aplicación práctica, se demostraba la posibilidad de transformar la luz solar en electricidad por medio de elementos sólidos sin partes móviles. La posibilidad de una aplicación práctica del fenómeno no llegó hasta 1953 cuando Gerald Pearson de Bell Laboratories, mientras experimentaba con las aplicaciones en la electrónica del silicio, fabricó casi accidentalmente una célula fotovoltaica basada en este material que resultaba mucho más eficiente que cualquiera hecha de selenio. A partir de este descubrimiento, otros dos científicos también de Bell, Daryl Chaplin y Calvin Fuller perfeccionaron este. 10.

(20) invento y produjeron células solares de silicio capaces de proporcionar suficiente energía eléctrica como para que pudiesen obtener aplicaciones prácticas de ellas. De esta manera empezaba la carrera de las placas fotovoltaicas como proveedoras de energía [12].. 1.2.2 Progreso de la utilización de la energía solar.. i) Desde 1975 hasta 1985. Las sucesivas crisis del petróleo de los años 1973 y. 1979 motivaron que los principales países industrializados comenzaran a buscar fuentes de energía alternativas. Así, en Estados Unidos la administración Carter inició programas de estímulo destinados a incentivar el uso de fuentes de energía no basadas en combustibles fósiles.. ii) Desde 1985 hasta 2000. Durante los primeros años de la década de los 80,. los precios del barril de petróleo se redujeron significativamente y se estabilizaron en valores similares a los momentos pre-crisis, lo que hizo descender el interés y las ayudas estatales a las energías renovables.. iii) Desde 2000 hasta el momento presente. Desde comienzos del siglo XXI,. numerosos países, como Alemania y España en primer lugar y posteriormente Estados Unidos, Italia, China, India y Japón, comenzaron a incentivar el uso de las energías renovables en general y de la solar fotovoltaica en particular, mediante el pago de primas por la electricidad producida. Por lo que respecta a la producción de los paneles solares, en la actualidad los primeros puestos del ranking mundial de fabricantes los ocupan empresas de Norteamérica y las asiáticas (con China a la cabeza). Los fabricantes europeos, que tuvieron un papel muy destacado en el origen y el desarrollo de la tecnología fotovoltaica a comienzos del presente siglo, (Q-Cells, Isofoton), han desaparecido o han sido absorbidos por los grandes fabricantes asiáticos [13].. 11.

(21) 1.2.3 Generaciones de las celdas fotovoltaicas. • Primera Generación: consistían en una gran superficie de cristal simple. Una capa de unión P-N (similar a un diodo), capaces de generar energía eléctrica a partir de energía luminosa proveniente del sol. Se fabrican mediante un proceso de difusión con obleas de silicio, es por esto que también se lo conoce como celdas solares basadas en oblea. Corresponde a la tecnología que predomina en el mercado actual, abarcando aproximadamente el 86% del total de paneles fotovoltaicos. • Segunda Generación: se basan en el uso de depósitos epitaxiales muy delgados de semiconductores sobre obleas con concentradores. Existen dos clases de celdas fotovoltaicas epitaxiales: las espaciales y las terrestres. Las celdas espaciales, generalmente poseen eficiencias AM0 (Air Mass Zero) más altas, cercanas al 28 o 30%, aunque su costo por Watt más alto. En las terrestres en cambio, la película delgada se ha desarrollado usando procesos de bajo costo, pero su eficiencia AM0 es menor que la anterior, alcanzando valores en 7 y 9%.. La tecnología de celdas solares de película delgada considera un ahorro notable en los costos de producción, que, junto a su reducida masa, apropiada para aplicaciones sobre materiales flexibles y livianos, incluso en materiales de origen textil, representan grandes ventajas de la tecnología.. La aparición de paneles de película delgada de Ga y As para aplicaciones espaciales, con eficiencia AM0 sobre el 37%, se encuentran en estado de desarrollo para aplicaciones de elevada potencia. Esta tecnología representa un pequeño segmento del mercado fotovoltaico terrestre, siendo aproximadamente un 90% del mercado espacial. • Tercera Generación: propuesta desde el año 2007, representa una tecnología muy diferente a las dos anteriores, ya no utiliza la unión P-N. Para aplicaciones espaciales se estudian dispositivos de huecos cuánticos y dispositivos que incorporen nanotubos de carbono, los que pueden alcanzar una eficiencia AM0 12.

(22) superior al 45%. En cambio, para aplicaciones terrestres, se están investigando dispositivos que incluyan celdas electroquímicas, polímeros, nanocristales y tintas sensibilizadas, de las cuales ya es posible ver algunos modelos. • Cuarta Generación: si bien es cierto no es una tecnología desarrollada, se estima que esta generación consistiría en una mezcla de nanopartículas con polímeros para formar una capa simple multiespectral. Luego se monta una capa sobre otra para fabricar celdas solares multiespectrales definitivas. Este tipo de celdas serán más eficientes y baratas [14].. 1.3 Principio de funcionamiento Algunos de los fotones, que provienen de la radiación solar, impactan sobre la primera superficie del panel, penetrando en este y siendo absorbidos por materiales semiconductores, tales como el silicio o el arseniuro de galio. Los electrones, subpartículas atómicas que forman parte del exterior de los átomos, y que se alojan en orbitales de energía cuantizada, son golpeados por los fotones (interaccionan) liberándose de los átomos a los que estaban originalmente confinados.. Esto les permite, posteriormente, circular a través del material y producir electricidad. Las cargas positivas complementarias que se crean en los átomos que pierden los electrones, (parecidas a burbujas de carga positiva) se denominan huecos y fluyen en el sentido opuesto al de los electrones, en el panel solar. El conjunto de paneles transforma la energía solar en electricidad continua, también llamada DC y que es un tipo de corriente eléctrica que se define como un movimiento de cargas en una dirección y un solo sentido a través de un circuito. Además, esta corriente se lleva a un circuito conversor que transforma la corriente continua en alterna (AC), la cual entra en el panel eléctrico de la casa y genera una electricidad que se distribuye a los sistemas de iluminación de la casa ya que éstos no consumen demasiada energía [15].. 13.

(23) 1.4 Tipos de paneles Las placas fotovoltaicas pueden ser cristalinas o amorfas. Las cristalinas, a su vez, pueden ser monocristalinas (se componen de secciones de un único cristal de silicio) o policristalinas (se componen de varias partículas cristalizadas de pequeño tamaño). En cuanto a las amorfas, son así cuando el silicio no se cristaliza. 1.4.1 Paneles monocristalinos Estas celdas están fabricadas en base a láminas de un único cristal de muy alta pureza y estructura cristalina casi perfecta. El espesor aproximado de las láminas es de 1/3 a 1/2 milímetro, las cuales son cortadas de una gran barra o lingote monocristalino creado a una temperatura cercana a 1400º C, siendo este un proceso muy costoso. La eficiencia de estas celdas ha llegado hasta el 24,7% en laboratorio y a un 16% en paneles comerciales. Los paneles construidos con este tipo de tecnología son los más desarrollados del mercado, siendo garantizados por algunos fabricantes por hasta 25 años. Las celdas monocristalinas se fabrican con bloques de silicio o lingotes, que son de forma cilíndrica. Para optimizar el rendimiento y reducir los costes de cada celda solar monocristalina, se recortan los cuatro lados de los bloques cilíndricos para hacer láminas de silicio, y que les da esa apariencia característica. Las celdas solares de silicio monocristalino (mono-Si), son bastante fáciles de reconocer por su coloración y aspecto uniforme, que indica una alta pureza en silicio. Una de las formas más sencillas para saber si tenemos delante un panel solar monocristalino o policristalino, es que en el policristalino las celdas son perfectamente rectangulares y no tienen esquinas redondeadas [16].. 14.

(24) Figura 1.1: Imagen de una celda monocristalina.. Ventajas de los paneles solares monocristalinos:  Los paneles solares monocristalinos tienen las mayores tasas de eficiencia puesto que se fabrican con silicio de alta pureza. La eficiencia en estos paneles está por encima del 15% y en algunas marcas supera el 21%.  La vida útil de los paneles monocristalinos es más larga. De hecho, muchos fabricantes ofrecen garantías de hasta 25 años.  Suelen funcionar mejor que paneles policristalinos de similares características en condiciones de poca luz.  Aunque el rendimiento en todos los paneles se reduce con temperaturas altas, esto ocurre en menor medida en los policristalinos que en los monocristalinos [16].. Desventajas de los paneles monocristalinos:  Son más caros. Valorando el aspecto económico, para uso doméstico resulta más ventajoso usar paneles policristalinos o incluso de capa fina. 15.

(25)  Si el panel se cubre parcialmente por una sombra, suciedad o nieve, el circuito entero puede averiarse. Si decide poner paneles monocristalinos, pero cree que pueden quedar sombreados en algún momento, lo mejor es usar micro inversores solares en vez de inversores en cadena o centrales. Los micro inversores aseguran que no toda la instalación solar se vea afectada por sólo un panel afectado.  El proceso Czochralski es el usado para la fabricación de silicio monocristalino. Como resultado, se obtienen bloques cilíndricos. Posteriormente, se recortan cuatro lados para hacer las láminas de silicio. Se derrocha una gran cantidad de silicio en el proceso [16].. 1.4.2 Paneles policristalinos. Los primeros paneles solares policristalinos de silicio aparecieron en el mercado en 1981. A diferencia de los paneles monocristalinos, en su fabricación no se emplea el método Czochralski. El silicio en bruto se funde y se vierte en un molde cuadrado. A continuación, se enfría y se corta en láminas perfectamente cuadradas [16].. Figura 1.2: Imagen de una celda policristalina. Ventajas de los paneles policristalinos:  El proceso de fabricación de los paneles fotovoltaicos policristalinos es más simple, lo que redunda en menor precio. 16.

(26)  Se pierde mucho menos silicio en el proceso que en el monocristalino.. Inconvenientes de los paneles policristalinos:  Los paneles policristalinos suelen tener menor resistencia al calor que los monocristalinos. Esto significa que en altas temperaturas un panel policristalino funcionará peor que un monocristalino. El calor además puede afectar a su vida útil, acortándola.  La eficiencia de un panel policristalino se sitúa típicamente entre el 13-16%, debido a que no tienen un silicio tan puro como los monocristalinos.  Mayor necesidad de espacio. Se necesita cubrir una superficie mayor con paneles policristalinos que con monocristalinos [16].. 1.4.3 Paneles de capa fina. El fundamento de estos paneles es depositar varias capas de material fotovoltaico en una base. Dependiendo de cuál sea el material empleado podemos encontrar paneles de capa fina de silicio amorfo (a-Si), de teluro de cadmio (CdTe), de cobre, indio, galio y selenio (GIS/CIGS) o células fotovoltaicas orgánicas (OPC).. Dependiendo del tipo, unos módulos de capa fina presentan una eficiencia del 7-13%. Debido a que tienen un gran potencial para uso doméstico, son cada vez más demandados [16].. 17.

(27) Figura 1.3: Imagen de una celda de capa fina.. Ventajas de los paneles fotovoltaicos de capa fina:  Se pueden fabricar de forma muy sencilla y en grandes remesas. Esto hace que sean más baratos que los paneles cristalinos.  Tienen una apariencia muy homogénea.  Pueden ser flexibles, lo que permite que se adapten a múltiples superficies.  El rendimiento no se ve afectado tanto por las sombras y altas temperaturas.  Son una gran alternativa cuando el espacio no es problema [16].. Desventajas de los paneles de capa fina:  Aunque son muy baratos, por su menor eficiencia requieren mucho espacio. Un panel monocristalino puede producir cuatro veces más electricidad que uno de capa fina por cada metro cuadrado utilizado.  Al necesitar más paneles, también hay que invertir más en estructura metálica, cableado, etc.. 18.

(28)  Los paneles de capa fina tienden a degradarse más rápido que los paneles monocristalinos y policristalinos, por ello los fabricantes también ofrecen menor garantía [16].. 1.5 Eficiencia La eficiencia de una celda solar es la proporción de la potencia convertida en energía eléctrica a partir de la luz solar total absorbida por un panel, cuando dicha celda forma un circuito eléctrico. Esta proporción se calcula dividiendo la potencia máxima entre la luz que llega a la celda irradiada bajo condiciones estándar y el área superficial de la celda solar. La condición estándar significa una temperatura de 25 ºC y una irradiancia de 1000 W/m2 con una masa de aire espectral de 1.5, que corresponde a la irradiación y al espectro de luz solar incidente en un día claro sobre una superficie solar inclinada con respecto al Sol con un ángulo de 41. 81º sobre la horizontal. La capacidad energética nominal de los módulos fotovoltaicos se indica en watts-pico (Wp), lo cual indica la capacidad de generar electricidad en condiciones óptimas de operación. Sin embargo, la capacidad real difiere considerablemente de su capacidad nominal debido a que bajo condiciones reales de operación La cantidad de radiación que incide sobre las celdas es menor que bajo condiciones óptimas. Un módulo de 55 Wp es capaz de producir 55 W cuando recibe una radiación solar de 1000 W/m2y sus celdas poseen una temperatura de 25 ºC [17].. η=. Pm E ∗ Ac. Pero los récords de eficiencia de los módulos solares han estado sucediéndose sin parar durante todo el 2016. Sólo en junio, se han establecido tres nuevos registros por células y módulos de variadas tecnologías. El último lo ha registrado SunPower, que ha anunciado que rompió su propio récord mundial 19.

(29) para un panel fotovoltaico que utiliza células de silicio al lograr una eficiencia del 24,1%. El nuevo récord, que se ha conseguido utilizando células de laboratorio a partir de módulos de la serie X de SunPower, ha sido validado por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE). SunPower ha roto su propio récord de eficiencia del 22,8% que estableció en febrero. “El panel de la serie X de SunPower fue probado por nuestro laboratorio bajo condiciones de prueba o estándar de información”, dijo el científico del NREL, Keith Emery. “El módulo de 11.310,1 cm cuadrados (área de abertura) tenía una potencia de 272,5 watts. Registramos la eficiencia del 24,1%, que es un nuevo récord de eficiencia de los módulos de silicio”. La compañía, entre una serie de mejoras, también ha estado trabajando en la estética de sus paneles, para tratar de hacerlos más atractivos para sus clientes. Los paneles solares convencionales generalmente tienen una eficiencia de entre el 15% y el 18%, por lo que estos nuevos módulos de alta eficiencia, mezclados con el nuevo diseño, podrían causar un gran impacto en el mercado. “Con una mayor eficiencia, nosotros podemos ajustar más vatios en la cubierta con la excelente fiabilidad de los paneles solares SunPower X-Series”, comentó Peter Cousins, vicepresidente senior del área de Investigación y Desarrollo de SunPower. “El récord de eficiencia de los paneles de SunPower proporciona a los clientes el mejor valor para la energía y una estética superior debido a nuestra arquitectura única.” Los récords de eficiencia de la energía solar han ido en aumento y se han sucedido con rapidez en 2016. Con este de SunPower, son tres los establecidos en junio. A principios de mes ZSW estableció un nuevo récord mundial de película para una célula CIGS fotovoltaica del 22,6%; a continuación, sólo unos días después, las células Hanwha Q establecieron un récord de eficiencia del 19,5% para los módulos policristalinos estándar. Así, no es de extrañar el ritmo trepidante de crecimiento de la energía fotovoltaica a lo largo y ancho de los cinco continentes [18].. 20.

(30) 1.6 Beneficios 1. La energía solar es renovable. El sol es una fuente de energía constante lo que significa que siempre va a estar ahí todos los días. Nunca se queda sin luz. 2. La energía solar es amigable con el medio ambiente. En comparación con los combustibles fósiles que emiten gases de efecto invernadero, sustancias cancerígenas y dióxido de carbono, las células solares no sueltan nada en el aire. 3. Los paneles solares son muy fiables. No hay partes móviles por lo que no tienes que preocuparte sobre la sustitución de cualquier cosa. De hecho, la mayoría de las personas generan electricidad para miles de horas con poco o ningún mantenimiento. 4. Las células solares no hacen ruido durante la percepción de la energía. No existe ninguna otra fuente de energía renovable que sea completamente silenciosa. 5. A largo plazo, la electricidad solar es más barata que comprarla de la compañía eléctrica. Hay un costo de arranque, pero luego empieza a pagarse por sí misma. Una vez que se llega al punto de equilibrio, después todo es ganancia. Compara esto con el pago de una factura mensual y no obtienes ningún retorno sobre la inversión. 6. Hay una gran variedad de sistemas de paneles solares disponibles. Algunos pueden costar decenas de miles de pesos, y algunos sólo un par de cientos. Esto significa que cualquiera puede tener energía solar según sus posibilidades e ir aumentando su uso poco a poco. 7. No estás obligado a conectarte a la red eléctrica. Puedes ser completamente autosuficiente y vivir fuera de la red. Imagina que no se pague otra factura mensual de luz.. 21.

(31) 8. Obtener crédito por la electricidad en exceso. Si se construye un gran sistema de paneles solares suficiente, se puede hacer girar tu medidor de electricidad al revés. La mayoría de las compañías de energía con mucho gusto compran o dan crédito por este exceso de electricidad. Ponte en contacto con las compañías eléctricas locales para obtener más detalles. 9. Créditos fiscales del Gobierno. La mayoría de los gobiernos proporcionan algún tipo de deducción o incentivo para que la gente compra sistemas de energía solar. En promedio, los descuentos suelen cubrir el 20-30% del coste del sistema. 10. La tecnología solar está mejorando constantemente. Las instalaciones solares están aumentando en un increíble 50% cada año, la mayoría de los cuales son pequeños sistemas caseros. Aprenda a hacer sus propios paneles solares y sobre el uso de los beneficios de la energía solar [19].. 1.7 Factores que afectan la generación de energía eléctrica de los paneles solares. Los principales factores que afectan directamente la generación de energía eléctrica de los paneles solares son: la irradiancia, temperatura del módulo, nubosidad, puntos calientes. 1.7.1 Irradiancia Es la magnitud utilizada para describir la potencia incidente por unidad de superficie de todo tipo de radiación electromagnética. En unidades del sistema internacional se mide en W/m². Cuando la irradiancia desciende, la corriente fotovoltaica generada disminuye proporcionalmente, mientras que la variación de la tensión sin carga es mínima. En realidad, la eficiencia de conversión no se ve afectada por la variación de la irradiancia dentro del intervalo de operación estándar de las células, lo que significa que la eficiencia de conversión es la misma en un día claro que nublado. Esto se debe a que, la reducción en la energía generada con un cielo nublado se debe no a una caída de la eficiencia sino a una generación reducida de la intensidad a causa de la menor irradiancia solar [20]. 22.

(32) Figura 1.4: Curvas de tensión y corriente respecto diferentes irradiancias 1.7.2 Temperatura del módulo Este es un factor del cual depende el rendimiento del módulo fotovoltaico, el mismo disminuye en mayor o menor medida, debido al aumento de la temperatura de operación. Por ejemplo, los módulos de silicio presentan una pérdida de potencia del 4% por cada 10 oC de aumento de temperatura, respecto a las condiciones estándar de ensayo (25 oC) (figura 1.5). Esto implica que, a igualdad de irradiación solar incidente en un mismo sistema fotovoltaico, este producirá menos energía en un lugar cálido que en uno frio. Para evitar el sobrecalentamiento del módulo es beneficioso diseñar sistemas que permitan la ventilación del generador fotovoltaico con el fin de reducir al máximo el incremento de la temperatura [21].. 23.

(33) Figura 1.5: Curvas de tensión y corriente respecto a variaciones de temperatura del módulo. 1.7.3 Nubosidad La nubosidad es la fracción de cielo cubierto con nubes, en un lugar en particular. A su paso por la atmosfera, la radiación solar es sometida a una combinación de procesos de reflexión, atenuación y difusión que altera sus características. La reflexión en las nubes disminuye la radiación incidente en la superficie terrestre. Este es un factor muy aleatorio y dependiente de las condiciones climáticas de la zona, y a su vez determinante en cuanto a la cantidad de energía que recibe el generador fotovoltaico al día [22].. Figura 1.6: Muestra la variabilidad de irradiación recibida que existe entre un día despejado y un día cubierto En la figura 1.6 se muestra la estrecha relación que existe entre la irradiación y la nubosidad. A medida que aumenta la nubosidad disminuye la irradiación, aunque esta nunca llega a ser cero mientras sea de día, es por ello que los PSFV nunca llegan a tener una generación nula.. 1.7.4 Puntos calientes En condiciones normales de funcionamiento cada célula fotovoltaica, al recibir la radiación del Sol, genera una tensión que al sumarse con el resto de las células en serie proporciona la tensión de salida.. 24.

(34) Sin embargo, es comprobado por experiencia que cuando una célula está averiada, sombreada parcialmente, totalmente o simplemente no coincide eléctricamente con el resto de las células a las que está conectada, se puede polarizar de forma inversa pasando a comportarse como una carga en vez de un generador, lo cual puede implicar una alta disipación de calor. En lugar de producir energía, la consume, y comienza a disipar la energía generada por las demás. En esta condición de operación la célula puede presentar zonas donde eleva su temperatura con respecto a los puntos que la rodean. Esto provoca el punto focal de calentamiento con temperaturas mayores de 150ºC, lo que está por encima de la temperatura crítica del encapsulante de la célula de módulos comerciales. La disipación de calor puede causar un sobrecalentamiento y en casos severos, el derretimiento de la soldadura o el deterioro de la encapsulación. Si esta temperatura es notablemente alta, este problema puede llegar a dañar de forma irreversible el encapsulante. Estas zonas con temperatura notablemente superior a la del resto del módulo son denominadas puntos calientes [23].. Figura 1.7: Curva característica I contra V de una célula solar en todo su rango de voltaje En la figura 1.7 se muestra cómo la célula solar se puede polarizar de forma inversa pasando a comportarse como una carga en vez de un generador. Demuestra. que una célula. tiene un voltaje. en. circuito abierto de 25.

(35) aproximadamente 0.6 V y, por el contrario, en polarización inversa, o lo que es lo mismo el rango de voltaje es mucho más amplio como se observa en el segundo cuadrante que es la zona en la cual la célula trabaja en estas últimas condiciones. También se puede apreciar en esta ilustración que la tensión en inversa está limitada por una tensión de ruptura. Son muchos los factores que determinan la aparición de puntos calientes en un módulo por lo que este fenómeno es un problema que afecta la mayor parte de las instalaciones fotovoltaicas actuales. La aparición de puntos calientes en una instalación fotovoltaica es un problema de gran importancia, ya que afecta no sólo la producción sino también la vida útil de dicha instalación (produce un envejecimiento prematuro), lo cual resulta preocupante si se tiene en cuenta que las instalaciones están, normalmente, pensadas para funcionar correctamente durante más de 20 años. Actualmente existen varios ensayos para determinar la resistencia que presenta un módulo a la aparición de puntos calientes y se han desarrollado distintos métodos para evitar que este tipo de fenómenos puedan reducir la vida útil de los paneles, como por ejemplo diodos de paso (figura 1.8). Sin embargo, son muchos los factores que determinan la aparición de puntos calientes en un módulo, como el grado de uniformidad de la radiación que llega a los mismos, el tipo de conexión entre ellos, el seguimiento del punto de máxima potencia que se lleve a cabo y otros, por lo que estos ensayos no aseguran la integridad a largo plazo de los módulos fotovoltaicos. Resulta necesario, por tanto, llevar a cabo estudios que permitan determinar y entender mejor las diferentes causas de aparición de puntos calientes y también desarrollar procedimientos y ensayos que sirvan para detectar de forma prematura la posible aparición de este tipo de problema.. 26.

(36) Figura 1.8: Diodos de paso. 1.8 Explotación de los paneles 1.8.1 Explotación mundial Las fuentes de energía renovables están llamadas a mover el mundo. El pasado año en la Cumbre del Clima de París, 195 países dieron un mensaje claro a los más de 7.000 millones de habitantes en todo el globo: no podemos seguir alimentando el mundo con petróleo por mucho más tiempo. Eso conduce de forma directa hacia un transporte más sostenible, una mayor eficiencia en el uso de la energía en los hogares y a una producción eléctrica cada vez más renovable. Pero en realidad la transformación ya estaba en marcha. En pasados años, como el 2015, se ha marcado un hito en la historia de las energías limpias. La instalación de placas solares, aerogeneradores y centrales hidroeléctricas, ha sufrido el mayor aumento a nivel mundial que se haya visto 27.

(37) nunca y ese incremento se ha materializado tanto en términos de potencia renovable instalada como en inversión. Los casi 148 nuevos gigawatts de fuentes limpias que empezaron a funcionar el pasado año equivalen a la potencia de todas las centrales eléctricas de cualquier tipo del continente africano entero. En términos económicos la cifra de inversión roza los 286.000 millones de dólares (algo más de 250.000 millones de euros), con Estados Unidos y China como principales impulsores del mercado renovable mundial, según el reciente informe global Renovables 2016 publicado por REN21. De hecho, Estados Unidos acapara más de una tercera parte de la inversión mundial con más de 100.000 millones de dólares gastados, mientras China el segundo mayor inversor invirtió más de 44.000 millones. La fuente que mayor aumento ha sufrido ha sido la solar que abarca el 56% de la energía instalada, seguida por la eólica con un 38%. Resulta llamativo que este récord de potencia e inversión se haya producido precisamente en un año en el que el precio del petróleo ha estado especialmente bajo, lo que algunos analistas vaticinaron como un freno para las renovables. Además, la directora de REN 21, Christine Lins, apuntó durante la presentación del informe la desventaja en la que se encuentran todavía las fuentes limpias respecto a los combustibles fósiles en lo que a subvenciones públicas se refiere. «Por cada dólar gastado en potenciar las renovables, se inyectan cerca de cuatro para mantener nuestra dependencia del petróleo, el gas y el carbón», aseguró [24].. 1.8.2 Explotación local En Cuba existe un alto consumo de petróleo que se debe a que, en el país, el 96 % de la energía que se genera, es a partir de combustibles fósiles. Esta cifra se pretende reducir para el año 2030, debido a que se están llevando a cabo diferentes proyectos en los cuales se quiere lograr un incremento en la energía generada a partir de fuentes renovables, de un 4 a un 24 % [25].. 28.

(38) En la actualidad ya están activos más de 15 parques solares fotovoltaicos, en los cuales cada MW instalado, en promedio, puede producir 1,5 GWh al año; ahorrándole al país 430 toneladas anuales de combustible [26]. La primera central fotovoltaica a gran escala tiene instalados más de 14.100 módulos de fabricación nacional. La planta está ubicada en la provincia de Cienfuegos. El parque, que se comenzó a construir en 2012, conecta al sistema eléctrico nacional y tiene una capacidad de 2,6 MW. También se han instalado centrales fotovoltaicas conectadas a la red eléctrica en las provincias de Guantánamo, Santiago de Cuba y Santa Clara. Ésta última puede producir energía eléctrica como para abastecer diariamente a unas 750 viviendas y en pleno rendimiento puede aportar al sistema eléctrico nacional unos 962 kW. El parque solar fotovoltaico de Pinar del Río ha conectado su primer MW, de los 3 previstos, al sistema eléctrico nacional. Esta instalación, ubicada en la zona de Cayo Cana, aportará energía a algunos pozos que abastecen de agua a la cabecera provincial y a unas 8.000 personas [26]. Además, cincuenta y nueve parques solares fotovoltaicos se incorporarán a la generación de electricidad. De las 59 obras previstas, 33 serán terminadas durante 2017, confirmó el Secretario Ejecutivo del Frente de Proyectos, Jesús Lacera, citado por el diario Granma. Las 33 instalaciones que entregarán los constructores en 2017, serán sincronizadas al sistema electroenergético nacional con una potencia de 59 MW, equivalente a la mitad de una planta eléctrica de generación convencional, reseñó la publicación [27].. 29.

(39) Conclusiones parciales. En este capítulo se analizaron algunos de los fundamentos teóricos básicos de la generación fotovoltaica, así como de los paneles fotovoltaicos. Luego de haber estudiado, se puede decir, que tiene grandes expectativas con respecto a la utilización de la energía solar, debido a todas las ventajas que ofrece el uso de esta, ya que, gracias a los avances tecnológicos y los nuevos materiales que se están empleando para la construcción de los paneles solares se ha conseguido una reducción importante en el precio de estos. Además, están las ventajas ambientales que ofrecen los paneles, estas ventajas residen fundamentalmente en que no contaminan el medio ambiente, ni producen ruido. Todo esto ha provocado que muchos de los países se enfoquen en el uso de esta energía, lo cual garantiza un aprovechamiento mayor de las fuentes de energía renovable, disminuyendo así la explotación de las fuentes no renovables.. 30.

(40) Capítulo 2: Descripción de los Parques Solares Fotovoltaicos (PSFV) incluidos en el programa 100 MW INVERSIÓN EXTRANJERA perteneciente a la provincia de Villa Clara.. 31.

(41) Introducción En este capítulo se hará una descripción de los parques fotovoltaicos incluidos en el programa de 100 MW Inversión Extranjera, se aborda su ubicación, las subestaciones que se favorecen, entre otros aspectos importante. Además, se hace una descripción del software Radial, utilizado para simular los circuitos y se describe cómo se comporta la generación y la carga en la provincia de Villa Clara.. 2.1 Descripción de la generación en la provincia de Villa Clara. En la provincia de Villa Clara, según los datos ofrecidos por los especialistas del Despacho Provincial de Carga, se consumió aproximadamente 1 340 634,8 MW por mes en el año 2016 y solo se generaron 470 785,9 MW al mes, lo que significa que solo se genera en la provincia el 35 % de lo que se consume. La generación de la provincia está compuesta por una generación hidráulica que se desglosa en una hidroeléctrica que aporta 22 256 MW y varias minieléctricas que aportan en total 622,7 MW. En conjunto esta generación hidráulica representa el 1.71 % de la generación total. Está además la generación que se realiza a base de motores Fuel, con esta se generan aproximadamente 340 205,4 MW mensualmente, representando así el 25.38 % de la generación de la provincia. También se tiene la generación basada en motores Diesel, los cuales generan 87 268,8 MW, que significan un 6.51 % de la generación total. Otro de los elementos que componen la generación de la provincia es el parque fotovoltaico ubicado en el Frigorífico. Dicho parque tiene una capacidad de generación de 0,962 MW de potencia eléctrica y cuenta con 5200 módulos, cada uno de 185 W. Como promedio este parque aporta 1429,6 MW que representa un 0.11 %. La provincia cuenta además con la generación de los centrales azucareros que aportan como promedio 18 972,6 MW, que representa un 1.42 % de la generación total.. 2.2 Descripción de la carga en la provincia de Villa Clara. En la provincia de Villa Clara el 59.5 % de la carga está representado por el sector residencial, mientras que, el 40.5 % lo representa el sector estatal. 32.

(42) Figura 2.1: Gráfico de carga de un día promedio. P(MW) contra t(h).. 2.3 PSFV Pastoreo Macún en el municipio de Sagua la Grande. 2.3.1 Ubicación geográfica. El Parque Fotovoltaico se encuentra situado al Norte de la cabecera provincial en el municipio Sagua la Grande, a una distancia aproximada de 1 km de la salida del pueblo en la carretera Sagua- Quemado, se conectaría al circuito VU1205 de la Subestación Sagua 110 kV, mediante una línea de 34.5 kV, para esto se requiere construir una nueva línea de aproximadamente 50 m hasta el punto de conexión con el circuito. 33.

(43) Figura 2.2: Ubicación geográfica del PSFV pastoreo Macún. 2.3.2 Subestaciones favorecidas. Este PSFV se encuentra asociado Subestación(SE) Sagua 110 kV, de gran importancia para nuestro territorio por alimentar algunos objetivos de alta prioridad nacional, como Cloro Sosa la única planta de su tipo en el país. 2.3.3 Subestación Sagua 110 kV Está compuesta por dos transformadores de 25 MVA por lo que tiene la capacidad suficiente para alimentar la carga conectada a ella, el voltaje en la barra por la parte secundaria es de 34.6 kV, ubicando el tap de los transformadores en (+4), operando en condiciones normales con el enlace de barra abierto. 2.3.4 Propuesta de conexión. Dicho parque se encuentra a una distancia de 1.5 km de la sub Sagua 110 kV, en la carretera Sagua – Quemado, por lo que se propone las siguientes variantes de interconexión: 1- Extender un expreso a la barra de 33 kV de la sub Sagua 110 kV 2- Interconectar a línea de 34.5 KV 1205. Figura 2.3: Posible conexión del PSFV pastoreo Macún.. 34.

(44) 2.4 PSFV La Criolla en el municipio de Santo Domingo. 2.4.1 Ubicación geográfica. El Parque Fotovoltaico (PSFV) situado al Noreste que ocupa la zona de La Criolla en el municipio Santo Domingo puede conectarse al alimentador VU1710 mediante un simple circuito a 34.5 kV, esta línea sale de la sub Santo Domingo 110 kV y va por el lado de la carretera Santo Domingo –Santa Clara, en su recorrido alimenta varias subestaciones hasta llegar a un abierto que tiene en Esperanza, las trazas no tienen ninguna dificultad pues el parque se encuentra paralelo a la línea a conectar, cuando se defina la ubicación de los distintos componentes se precisa la distancia exacta, no debe sobrepasar los 30m a 50 m. Figura 2.4: Ubicación geográfica del PSFV La Criolla. 2.4.2 Subestaciones favorecidas Este parque se encuentra asociado a la SE Santo Domingo 110 kV. Esta subestación se encuentra situada al norte de la ciudad de Santo Domingo, en la carretera a Bermejal. Brinda servicio a Combinados Agro-Industriales del MINAZ a empresas agrícolas y pecuarias, a la cervecería Manacas y a consumidores residenciales entre otros. 2.4.3 Subestación Santo Domingo 110 kV Está compuesta por 1 transformador de 25 MVA, el cual en los próximos años será insuficiente para llevar la carga que alimenta, al lado de la subestación se 35.

(45) encuentra un emplazamiento Diesel con capacidad instalada de 2.8 MW, estos permiten en ciertos momentos del día aliviar la carga de la subestación. Esta subestación se alimenta mediante una línea radial de 110 kV. 2.4.4 Propuesta de conexión.. El PSFV La Criolla en Santo Domingo se alimentará de la SE Sub Santo Domingo 110 kV y cercana al alimentador 1710 de aproximadamente 23 km. El área seleccionada se encuentra entre las subestaciones 26 de julio 13 y 4 kV y Jicotea 13 y 4 kV, a una distancia de 8 km de la sub 110/33 kV Santo Domingo. Por las condiciones que presenta el área para la ubicación del PSFV se proponen las posibles conexiones, pues se desecha la variante de expreso hasta la SE Santo Domingo 110 kV pues son 8 km: 1- Conectarlo a la línea VU1710 como se muestra en la figura a continuación.. Figura 2.5: Posible conexión del PSFV La Criolla. 2.5 PSFV Marrero en el municipio de Santa Clara. 2.5.1 Ubicación geográfica. Dicha área se encuentra en la carretera Santa Clara-Sagua antes de llegar al poblado de Hatillo, justo con el corredor del aeropuerto Abel Santamaría. 36.

(46) Figura 2.6: Ubicación Geográfica de PSFV en Marrero. 2.5.2 Subestaciones favorecidas Este parque se encuentra asociado a la SE Santa Clara 110 kV, la cual se encuentra bastante lejana del mismo. Las subestaciones más cercanas son Yabu 33/13 kV y Maleza 33/13 kV, la primera es la más cercana pero la carga no llega a 1 MW, aunque tiene instalado un transformador de 4 MVA y se esperan aumentos de la demanda. La segunda (Maleza) se encuentra a 8 km de la ubicación del parque, tiene una demanda máxima de 7 MVA en horario pico e instalado un transformador de 6.3 MVA. 2.5.3 Propuesta de conexión. Se propone las siguientes variantes de interconexión: 1- Mediante un expreso a la barra de la sub Yabú para conectar a la línea 861 de 33 kV, aproximadamente 7 km. 2- Mediante expreso a la barra de la sub Maleza 33 kV para conectar a línea 119 de 33 kV, aproximadamente 9 km.. 37.

(47) Figura 2.7: Posible conexión del PSFV Marrero. 2.6 PSFV Caguaguas en el municipio de Quemado de Güines 2.6.1 Ubicación Geográfica. El Parque Fotovoltaico (PSFV) se encuentra ubicado en el municipio de Quemado de Güines, a una distancia aproximada de 10 km de la Sub Sagua 110 kV en la carretera Sagua-Quemado.. 38.