Espanhol (pdf)
Artigo em XML
Referências do artigo
Tradução automática
Enviar este artigo por email
Citado por SciELO 
Similares em
SciELO 
Permalink
INTRODUCCIÓN
En la actualidad, es necesario desarrollar alternativas de generación eléctrica destinadas al aprovechamiento de recursos naturales que disminuyan la dependencia energética procedente de fuentes contaminantes. Los sistemas fotovoltaicos conectados a la red representan una de las principales opciones que reducen las emisiones de gases de efecto invernadero por medio de la energía inagotable del sol.
Para la instalación de los sistemas fotovoltaicos, es indispensable contar con espacios libres, por esta razón, el presente estudio utilizará la superficie disponible en la azotea del bloque B de la Universidad Técnica de Cotopaxi, a fin de cuantificar la energía eléctrica que se puede aprovechar de la radiación solar del área, la cual podría ser inyectada a la red mediante un inversor de forma confiable, segura y sincronizada a la línea. Además, permitirá disminuir la utilización de electricidad proveniente de la red convencional, facturación del servicio eléctrico, como cargabilidad del transformador, pues así facilita la incorporación de nuevas cargas a la institución.
Lo expresado anteriormente, demuestra la importancia de la presente investigación, al beneficiar a la Universidad Técnica de Cotopaxi, por generar electricidad destinada a cierta parte del consumo energético del bloque B, ahorrar capital, reducir el manejo de combustibles fósiles y especialmente hacer uso de una tecnología amigable con el medio ambiente, que motivaría a las demás facultades de la institución a la utilización de la energía renovable proveniente del sol.
Se concluye que, mediante el diseño de un sistema fotovoltaico conectado a la red (SFCR) orientado al autoconsumo, será posible disminuir 30336 kW∙h/año facturados por la empresa eléctrica al bloque B de la Universidad Técnica De Cotopaxi, lo cual brinda un ahorro de 2011,30 USD/año, además reduce 18,42 t∙CO2/año expulsadas a la atmósfera. Resultados obtenidos por medio de una capacidad instalada del SFCR de 26,4 kW dividida en dos grupos: 14,4 kW y 12 kW, con un total de 66 paneles solares. En caso de que la demanda sea inferior a la generación, el SFCR podría inyectar energía a la línea eléctrica.
El presente documento es constituido de la siguiente manera. Primero, se muestra el análisis y discusión de resultados mediante el uso de un piranómetro durante un año, asimismo, de un analizador Fluke 435 series II, con el objetivo de asegurar el autoconsumo de energía durante el funcionamiento habitual del bloque B. Además, la investigación cuenta con el plano eléctrico y esquema unifilar, mismos que incluyen simbología normalizada, para brindar al lector una visualización del funcionamiento de la instalación fotovoltaica y evitar posibles ambigüedades.
Finalmente, el trabajo contiene las conclusiones y recomendaciones.
ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Ubicación geográfica
El presente proyecto de investigación se realiza dentro de la Universidad Técnica de Cotopaxi, localizada en la Avenida Simón Rodríguez, Barrio El Ejido, Sector San Felipe del Cantón Latacunga, Provincia de Cotopaxi; específicamente sobre la azotea del Bloque B (Fig. 1), que con la ayuda del programa Google Earth se obtienen las siguientes coordenadas (Tabla 1):
Determinación del potencial solar
Las mediciones de radiación global solar se las recolectó con el piranómetro Apogee MP-200, desde el mes de mayo del 2018 hasta abril del 2019 de 7:00 am a 8:00 pm en periodos de 30 minutos. Los datos fueron analizados estadísticamente para obtener histogramas de frecuencia y representar gráficamente los valores medios mensuales de la irradiación global diaria (Fig. 2).
El comportamiento aleatorio del clima ocasiona que cada mes la radiación sea distinta, por ello, para tener datos fiables fue indispensable tomar la insolación durante un año.
De acuerdo a la Fig. 2, noviembre tiene la mayor irradiación promedio, cuyo valor es de 5,4 kW∙h/(m2∙día), sin embargo, mayo posee menor radiación con 3,7 kW∙h/(m2∙día). Para el dimensionamiento del sistema fotovoltaico conectado a la red, se considera la insolación más elevada.
Demanda eléctrica del Bloque B de la Universidad Técnica de Cotopaxi
Las mediciones de potencia del bloque B de la Universidad Técnica de Cotopaxi se las efectuó cada 10 minutos con el Analizador de redes Fluke 435 series II, desde el 19/04/2019 hasta el 07/05/2019, de acuerdo al procedimiento descrito en la Regulación No. ARCONEL 005/18 [2].
La Fig. 3 muestra el comportamiento de la demanda del bloque, en la cual se puede apreciar que el día miércoles tiene la mayor actividad académica, con una potencia máxima de 35,11 kW a las 18:00 h.
En el horario de 8:00 am a 5:00 pm donde va a funcionar el sistema fotovoltaico conectado a la red, el factor de potencia casi llega a 1 debido a que la componente reactiva es baja.
Área disponible en la azotea del Bloque B
La instalación del panel fotovoltaico depende de la disponibilidad de área, por esta razón, el presente estudio propone utilizar el espacio aprovechable en la terraza del bloque B de la Universidad Técnica de Cotopaxi. La Fig. 4 muestra las superficies útiles para situar el SFCR, con un total de 958,94 m2. De acuerdo a las normas NTE INEN 2243 e ISO 3864-1:2013 la imagen contiene vías de circulación peatonal obligatoria de 1 metro de ancho [3, 4].
Configuración de los módulos fotovoltaicos
Para el dimensionamiento del sistema fotovoltaico conectado a la red se emplea paneles solares de 400 W SunPower e inversores Fronius Symo de 15 kW. La Tabla 2 y 3 indican las principales características de cada uno de estos dispositivos.
De acuerdo al apartado 2.2, la radiación más favorable está en el mes de noviembre, por lo tanto, se procede a dimensionar el sistema fotovoltaico conectado a la red con la mayor irradiancia media, cuyo valor registrado fue de 931 W/m2 a la 1:00 pm. Además, la demanda promedio mínima a esa hora es de 25,47 kW.
Debido a que, el objetivo de estudio es generar energía para el autoconsumo del bloque B durante su funcionamiento habitual, resulta importante iniciar los cálculos tomando como referencia un porcentaje inferior (6,16%) de la potencia media mínima.
Con este resultado se procede a seguir la metodología de Moro, Tobajas, Castejón y Santamaría [8, 9, 10], obteniéndose dos inversores y 66 paneles necesarios para cubrir la potencia nominal del sistema, con una capacidad de 26,4 kW. Además, los arreglos fotovoltaicos quedan de la siguiente manera:
El primer inversor contiene 6 paneles en serie y 6 en paralelo.
El segundo inversor tiene 6 módulos en serie y 5 en paralelo.
Disposición de los paneles fotovoltaicos
El generador fotovoltaico debe ubicarse de manera que se evite las zonas de sombra, con una orientación e inclinación óptima y a una distancia adecuada entre las filas de paneles, para así asegurar su adecuado funcionamiento.
Ángulo de inclinación
Para obtener la inclinación óptima se utiliza la ecuación (2), ya que garantiza la mayor captación de radiación solar [10, 11, 12].
Como puede observarse el ángulo óptimo es de 4,33°, no obstante, la inclinación del panel fotovoltaico aumenta a 15°, para que la suciedad acumulada sobre su superficie sea retirada por la lluvia [11, 13, 14]. A continuación, se calcula la pérdida al subir el nivel, expresada en (3).
(3)
pérds = 6,96%
Según Cantos, García, Casa y Barrio [12, 15, 16], las pérdidas resultantes son menores al límite del 10%.
Orientación de los módulos fotovoltaicos
Según Tobajas, Viloria y EREN [9, 14, 17], resulta importante elegir una correcta orientación, por lo cual, se determinó el sur geográfico mediante la ayuda de una varilla en el suelo y esperarse a que el sol se encuentre en el zenit, lo cual sucede a las 12 horas solar. Así, surge como resultado un ángulo azimut (α) de 22° (Fig. 5), el cual maximiza el aprovechamiento de la radiación. La Fig. 6 visualiza la dirección del panel fotovoltaico.
Distancia mínima entre módulos
Se hace uso de la expresión (4) para encontrar la altura proyectada sobre la horizontal de una fila (h), con los 15° de inclinación y el ancho del panel fotovoltaico (A = 1,046 m) [5, 8, 10, 12].
Al resultado, se le añade la altura de las juntas estructurales existentes en la azotea del Bloque B, a fin de evitar dichos obstáculos [8, 10, 12]. Por tanto, la altura total (hT) es la siguiente:
Después, con la altura de 0,39 metros y la latitud, se calcula la distancia (d) [8, 10, 12].
Seguidamente, con la expresión (7) puede obtenerse la distancia mínima (Dmín) [8, 10, 12].
Para una mejor comprensión, los resultados se visualizan en la Fig. 7.
Además, es necesario considerar una distancia de 1 metro para mantenimiento de los paneles fotovoltaicos y circulación peatonal [3].
Ubicación del sistema fotovoltaico en la azotea del Bloque B
Con los resultados obtenidos y dimensiones del panel solar (Tabla 2), se procede a ubicar el generador en la azotea del Bloque B, de manera que las sombras de los distintos objetos del lugar sean evitadas.
La Fig. 9 muestra la localización de los módulos fotovoltaicos en el área 1 de 573,47 m2, donde, el primer inversor contiene el arreglo 6-11, mientras que el segundo tiene del 1-5. Con la expresión (8) se comprueba que el generador no exceda ésta superficie.
Figura 9: Ubicación de los paneles fotovoltaicos en la azotea del Bloque B de la Universidad Técnica de Cotopaxi
donde Ar1 es el área 1 donde se encuentra el SFCR, ATGV el área total del generador fotovoltaico, L el largo del panel, dcm la distancia entre columnas de los módulos y nTp número total de paneles.
Cableado en c.c. y c.a.
Los cables comerciales que se proyectan utilizar en el sistema fotovoltaico se muestra en la Tabla 4, mismos que cumplen la caída de voltaje máxima del 1,5% según Castejón y Santamaría [10]. La Fig. 10 visualiza los diferentes tramos existentes en el SFCR.
Según Toledano y Sanz [18], el cable de tierra que debe proteger a la instalación fotovoltaica, es el No. 2/0 AWG 19 hilos THHN, el cual se elige a partir de la mitad del calibre del conductor de fase (THHN AWG No. 4/0).
Esquema eléctrico del sistema fotovoltaico conectado a la red
La Fig. 11 visualiza la conexión de los distintos dispositivos dimensionados. Además, muestra los arreglos fotovoltaicos, donde el primer inversor contiene 6 paneles en serie y 6 en paralelo, para el caso del segundo inversor la diferencia radica en tener 5 en paralelo.
Diagrama unifilar del sistema fotovoltaico conectado a la red
En la Fig. 12 se representa el diagrama unifilar simplificado del sistema fotovoltaico con 26,4 kW de potencia instalada, en la cual se detalla sus diferentes protecciones, donde el tablero principal del bloque B contiene un interruptor termomagnético de 300ª, el tablero de interconexión secundario tiene un interruptor termomagnético y un diferencial de 100ª, el gabinete de protecciones c.c. - c.a. 1 y 2 contiene un interruptor termomagnético de 50ª, así como un interruptor termomagnético de corriente continua de 10ª y un limitador de voltaje de c.c. por cada rama en paralelo.
Energía suministrada anualmente
La energía diaria, mensual y anual generada por el sistema fotovoltaico (Tabla 5) considera la radiación de la sección 2.2, el valor medio mensual de la irradiación diaria sobre el plano del generador [Gdm (α, β)] y el rendimiento energético de la instalación (PR).
El sistema fotovoltaico conectado a la red de 26,4 kW, producirá anualmente 30336 kW∙h.
Acorde con el pliego tarifario, se determina el ahorro monetario por concepto de energía facturada (10). La universidad al ser una entidad de beneficio público, está en la categoría general [19]. Además, el sistema fotovoltaico conectado a la red funcionará de 8 am a 5 pm, de modo que el costo del kW∙h es 0,065 USD/kW∙h.
Debido a que el consumo de la institución es medido en bajo voltaje, debe considerarse un recargo del 2% a la energía [19].
donde MA es el monto anual [USD], Ea102% el recargo del 2% a la energía [kW∙h] y CE el cargo por energía [USD/kW∙h] [19].
Reducción de emisiones de CO 2 expulsadas a la atmosfera
Una de las ventajas de las energías renovables es reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Los sistemas fotovoltaicos brindan electricidad de manera limpia e ilimitada, por ello, se procede a calcular las toneladas de CO2 al año (11) que dejarán de ser emitidas al ecosistema [20, 21].
donde RCO2 es la reducción de emisiones de CO2, EFgrid,CM el factor de emisión de CO2 Ex ante (0,6071 para proyectos solares) (t∙CO2/MW∙h) [20].
Operación del sistema fotovoltaico
El presente sistema fotovoltaico conectado a la red, está orientado al autoconsumo del bloque B de la Universidad Técnica de Cotopaxi durante su funcionamiento habitual, para así, reducir la energía facturada por la empresa eléctrica. La Fig. 13 muestra la curva de demanda promedio del bloque B vs producción del SFCR, misma que considera el día con menor actividad académica entre semana (lunes) y mes de mayor radiación (noviembre). En la Tabla 6 se indica la potencia del generador a distinta irradiancia en el horario de 8 am a 5 pm.
Como puede observarse en la Fig. 13, la curva de generación fotovoltaica es consumida totalmente por el Bloque B, al considerar el día de menor actividad académica entre semana, por lo tanto, se comprueba que no existirá excedentes.
Figura 13: Curva de demanda promedio del día lunes en el Bloque B de la Universidad Técnica de Cotopaxi vs generación fotovoltaica conectada a la red
En el caso de fines de semana, feriados, interrupciones académicas, etc., el excedente de energía existente será consumida por las cargas adyacentes al Bloque B e inyectada a la red eléctrica, acogiéndose a la normativa 003/18 [22].
Estudio financiero
El estudio financiero permite conocer la rentabilidad del presente proyecto. Para ello, se aplica los métodos de evaluación, denominados, Valor actual neto (VAN), Tasa Interna de Retorno (TIR), Factor de Recuperación de Capital (FRC), Relación Beneficio/Costo (B/C) y el Periodo de Recuperación (PR) [23, 24, 25].
Para todos los escenarios planteados, se usa una tasa pasiva referencial anual del 7,99% (dato referenciado el 04 de julio del 2019) [26] y un plazo de 20 años, debido a que, el tiempo de vida útil en una instalación fotovoltaica es de 25 años.
El primer escenario considera el costo subsidiado del kW∙h facturado a la institución por la empresa eléctrica. Además, los próximos panoramas planteados en el proyecto, son situaciones ideales para que este tipo de sistemas de generación puedan ser rentables.
El segundo escenario considera el cargo por energía más elevado encontrado en el pliego tarifario, mismo que es de 0,6812 USD/kW∙h [19]. Así, existe un ahorro de 21.078,37 USD anuales.
Finalmente, el tercer escenario muestra el costo del kW∙h para que la universidad gane solo la tasa de descuento y recupere los gastos del proyecto.
De esta manera, el mejor escenario es el segundo al recuperar la inversión y obtener ganancias, con un precio de 0,6822 USD/kW∙h, vigente en el pliego tarifario 2019.
La Fig. 14 muestra los ingresos a diferentes costos de energía comparados con el tercer escenario.
Gráficamente los costos de energía por debajo del tercer escenario generan pérdidas, al contrario, con cargos mayores a 0,2985 USD/kW∙h, la universidad recupera su inversión y obtiene ganancias superiores a la tasa de descuento.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
De acuerdo al análisis del potencial solar, la Universidad Técnica de Cotopaxi cuenta con un promedio anual de 4,34 HSP (Hora Solar Pico) en el día, valor óptimo para la incorporación de proyectos fotovoltaicos.
A través de la determinación del sur geográfico, la institución cuenta con un ángulo azimut de 22°, mismo que maximiza el aprovechamiento de la radiación en los paneles fotovoltaicos.
La demanda promedio máxima del edificio B de la Universidad Técnica de Cotopaxi es de 35,11 kW, registrado el día miércoles a las 6:00 pm, con un factor de potencia de 0,939. Además, en el horario de 8:00 am a 5:00 pm donde va a funcionar el sistema fotovoltaico conectado a la red, el factor de potencia casi llega a 1.
El Bloque B cuenta con una superficie libre de 958,94 m2, de los cuales 218,37 m2 fueron utilizados por el sistema fotovoltaico, de manera que queda un área disponible de 740,57 m2; los mismos, podrían ser utilizados para cubrir la demanda de los demás bloques del plantel educativo, mediante el incremento de la capacidad instalada del SFCR.
La instalación fotovoltaica conectada a la red genera anualmente 30336 kWh, que, a su vez evita la emisión de 18,42 toneladas de CO2 al año, con lo cual el SFCR contribuye al cuidado del medio ambiente.
Se recomienda analizar el impacto técnico - económico que tendría un seguidor solar en el sistema fotovoltaico para determinar su factibilidad en su implementación.
