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Informe Proyecto de Título de Ingeniero Eléctrico David Barra Campos Sistema Fotovoltaico para Ilustre Municipalidad de Santo Domingo Escuela de Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniería Valparaíso, 21 de noviembre del 2019 David Enrique Barra Campos Informe Final para optar al título de Ingeniero Eléctrico, aprobada por la comisión de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso conformada por Sr. Paulino Vicente Alonso Rivas Profesor Guía Sr. Sergio Patricio Valencia Santelices Segundo Revisor Ariel Leiva López Secretario Académico Valparaíso, 21 de noviembre del 2019 Sistema Fotovoltaico para Ilustre Municipalidad de Santo Domingo Este trabajo va dedicado a mi familia, en especial a mis padres, Erika y Américo. Resumen Este trabajo tiene la finalidad de mostrar en un principio el estudio y análisis de la energía solar que llega a nuestro territorio, y que es capaz de transformarse en energía eléctrica mediante el efecto fotoeléctrico, como también, los distintos elementos que componen los sistemas fotovoltaicos, aplicaciones, y beneficios que tiene utilizar este tipo de generación. Para esto, se analizaron los sistemas más utilizados, aquellos conectados a la red y aislados, además de conceptos importantes relacionados con la orientación e inclinación, los cuales influyen notablemente en la eficiencia del arreglo fotovoltaico. Teniendo en cuenta que el sistema fotovoltaico será utilizado por la Ilustre Municipalidad de Santo Domingo, se llevará a cabo un levantamiento del lugar, el cual consistirá en el estudio de la demanda eléctrica y consumo del edificio, luego se hará un estudio de los metros cuadrados disponibles para utilizar en la instalación. Por otra parte, se analizará el efecto de las sombras que pueden influir en el correcto funcionamiento del sistema fotovoltaico a proponer. Posteriormente, se realizará un estudio de la generación eléctrica posible, a partir de los datos obtenidos anteriormente, para lo cual, se utilizará como herramienta de apoyo la plataforma del gobierno de Chile, el Explorador Solar. De donde se obtienen los datos geográficos y climáticos necesarios para un correcto dimensionamiento del sistema, como aquellos relacionados con la radiación existente en un lugar determinado. Paralelo a esto, se realizará un estudio de las normativas vigentes que regulan de este tipo de instalaciones. Por último, se realizará el dimensionamiento del sistema fotovoltaico propuesto, realizando un análisis económico, en donde se hará énfasis en los ahorros generados, en los excedentes de energía inyectados a la red, y en la cantidad de energía destinada al autoconsumo. Para finalizar se presentarán las conclusiones del proyecto, indicando los resultados más importantes. Palabras claves: Energía Solar, Sistemas fotovoltaicos, dimensionamiento, sistemas eléctricos. Índice general Resumen ....................................................................................................................... 4 Índice general ............................................................................................................... 1 Introducción ................................................................................................................. 1 Objetivos generales ............................................................................................................................. 4 1 Marco teórico ............................................................................................................ 5 1.1 Energía solar .................................................................................................................................. 5 Radiación e irradiancia ...................................................................................................... 6 Tipos de radiación solar en la atmósfera .......................................................................... 8 1.2 Ángulo de elevación del módulo fotovoltaico ............................................................................ 9 1.3 Orientación del módulo fotovoltaico ........................................................................................ 10 1.4 Explorador solar .......................................................................................................................... 11 1.5 Corrección de las mediciones de radiación .............................................................................. 13 Factor de corrección (k) ................................................................................................... 13 1.6 Módulo fotovoltaico ................................................................................................................... 14 Celda fotovoltaica ............................................................................................................. 16 Celdas de Silicio ................................................................................................................ 17 Vida útil de los paneles fotovoltaicos.............................................................................. 20 Conexión de los módulos fotovoltaicos ......................................................................... 21 Diodos bypass y bloqueo en módulos fotovoltaicos ..................................................... 23 1.7 Sistemas fotovoltaicos ................................................................................................................ 25 Offgrid ................................................................................................................................ 25 Ongrid ................................................................................................................................ 27 Normativa que rige a los sistemas fotovoltaicos en Chile ............................................. 28 1.8 Carta Gantt .................................................................................................................................. 28 2 Análisis de diagramas y planos del edificio municipal ....................................... 30 2.1 Análisis del diagrama unilineal del edificio municipal ............................................................ 30 Componentes del diagrama unilineal ............................................................................ 30 2.2 Evaluación de los planos de planta y cubierta del edificio ...................................................... 33 Índice general Análisis de la memoria de arquitectura del edificio de la municipal de Santo Domingo ..................................................................................................................................................... 33 2.3 Análisis de sombras .................................................................................................................... 35 Cálculo de la separación mínima entre paneles fotovoltaicos para evitar sombras .. 36 3 Puntos destacados de las normativas vigentes .................................................... 41 3.1 Normativas asociadas a los proyectos de energía solar ........................................................... 41 3.2 Alcances del proyecto con la normativa RGR N°1/2017 .......................................................... 41 3.3 Alcances del proyecto con la normativa RGR N°02/2017 ........................................................ 42 Disposiciones generales presentadas en la normativa ................................................. 42 Alcances sobre la estructura ............................................................................................ 42 Arreglos y conexión eléctrica ...........................................................................................43 3.4 Alcances de la norma técnica de conexión y operación de equipamiento de generación en baja tensión. ...................................................................................................................................... 44 3.5 Determinación del CIP del proyecto ......................................................................................... 45 4 Dimensionamiento del sistema ............................................................................ 46 4.1 Especificaciones de los módulos a utilizar ............................................................................... 46 4.2 Peso del equipo de generación .................................................................................................. 46 4.3 Dimensionamiento del arreglo fotovoltaico ............................................................................ 47 4.4 Características de los inversores ................................................................................................ 50 Especificaciones para el inversor Fronius symo 17.5[kW]. ........................................... 50 Especificaciones para el inversor Fronius symo 20[kW]. .............................................. 51 5 Estimación de la generación .................................................................................. 53 5.1 Resumen por hora/mensual promedio de la generación del sistema ................................... 57 6 Estimación del consumo del edificio .................................................................... 58 6.1 Consumo del edificio municipal ............................................................................................... 58 Supuestos necesarios para la estimación del consumo ................................................ 58 Resumen de consumos .................................................................................................... 60 6.2 Tarifa eléctrica Chilquinta en Santo Domingo ......................................................................... 60 Resumen de precios tarifa AT4.3 ..................................................................................... 61 6.3 Costo de energía del edificio municipal de Santo Domingo ................................................... 61 7 Protecciones del sistema ....................................................................................... 63 7.1 Protecciones en corriente continua. ......................................................................................... 63 7.2 Protecciones en Corriente Alterna. ........................................................................................... 64 Dimensionamiento protección de sobrecarga Zona 1 .................................................. 64 Dimensionamiento protección de sobrecarga Zonas 2, 3, y 4 ..................................... 65 Dimensionamiento protección de sobrecarga general:................................................ 65 7.3 Diagrama unilineal del tramo AC .............................................................................................. 66 8 Evaluación Económica ........................................................................................... 67 Índice general 8.1 Análisis Económico ..................................................................................................................... 67 Cálculo de Van .................................................................................................................. 68 Calculo de TIR ................................................................................................................... 68 Tiempo de retorno de inversión ...................................................................................... 68 8.2 Programa techos solares públicos ............................................................................................. 68 Etapas del programa ........................................................................................................ 69 Compromisos con las instituciones ................................................................................ 69 Características del inmueble y techo .............................. ¡Error! Marcador no definido. Orientación e inclinación de los techos ......................................................................... 70 Área mínima útil homogénea y libre de sombras .......... ¡Error! Marcador no definido. Instalación eléctrica interior y punto de conexión ........................................................ 71 Información y acceso del inmueble ................................................................................ 71 9 Discusión y conclusiones ....................................................................................... 72 10 Bibliografía ............................................................................................................ 74 1 Introducción La energía solar ha incrementado su impacto en la matriz energética del país de manera exponencial en el último tiempo. Por esto, es importante contextualizar el proceso de cambio tecnológico que se ha llevado en el país en los últimos años. Chile y en especial la región de Atacama, cuentan con los sectores con más alta radiación del planeta. Esto ha significado que, dentro de la agenda de energía presentada en mayo del 2014 por la Presidenta de la República Sra. Michelle Bachelet, se estructura el proyecto denominado Energía 2050, un proceso participativo de la construcción de la política energética con el objetivo de formular una política de largo plazo que cuente con validación social, política y técnica, para sustentar la generación eléctrica del país por medio del uso de energías renovables. Haciendo un análisis dentro de las energías renovables, a finales del 2017 un 7% de la electricidad generada en el país proviene de plantas fotovoltaicas representando un 44% de la producción de energías renovables aproximadamente. Con el transcurso de los años estas cifras irán aumentando de forma exponencial ya que cada vez es más grande la cantidad de proyectos de energías renovables aprobados para su construcción. De forma complementaria a la construcción de grandes plantas generadoras, la Ley 20.571 y el Net-billing [1], han permitido que cada persona pueda renovar su sistema eléctrico mediante la puesta en marcha de proyectos fotovoltaicos residenciales. Por medio de estos proyectos es posible disminuir en un gran porcentaje los gastos de consumo eléctrico o bien lograr un aislamiento completo de la red de distribución eléctrica, proveniente de las compañías locales. Si bien el cambio cultural y tecnológico ya se está dando a una escala importante en el mundo y en Chile, este hecho comprende que el uso de la energía fotovoltaica es una de las mejores opciones energéticas en el futuro. Dado que el costo de los elementos que componen los sistemas fotovoltaicos están bajando paulatinamente, lo que influye en que el retorno de la inversión sea mucho más pronto. En primer lugar, analizando el continuo avance tecnológico en las últimas 2 décadas, es claro ver que producto de la investigación y la innovación a nivel mundial la tecnología en el área eléctrica y electrónica acelera de forma exponencial, por lo que es seguro creer que los costos en los aparatos y equipos fotovoltaicos bajaran de precio de manera sostenida. Asimismo, como cada vez son más los productores de tecnología en el mundo, la competencia ayuda a abaratar los precios en el mercado lo que asegura una mayor disponibilidad de productos para la oferta. Esta Introducción 2 aceleración demostró en el año 2018, que el índice de precios fotovoltaicos en Chile para instalar sistemas solares fotovoltaicos, con modelo llave en mano (desde el diseño a la entrega), descendieron entre un 6% y un 18% según los kWp instalados, al compararcon la oferta existente en el mismo periodo del año pasado. Estas cifras son el resultado del estudio: “Índice de Precios de Sistemas Fotovoltaicos (FV) conectado a la red de distribución comercializados en Chile” que realiza 2015 el Programa de energías renovables y eficiencia energética y el Ministerio de Energía en el marco del proyecto “NAMA Support Project de Energías Renovables para Autoconsumo en Chile”, financiado por la NAMA Facility. [2] Algunas instituciones internacionales como, GIZ Chile, han propuesto que el estudio “busca establecer un indicador de precios de sistemas fotovoltaicos actualmente comercializados en el mercado chileno, considerando costos de diseño, equipamiento e instalación (llave en mano), así como servir de guía para quienes opten por acceder a esta forma de autoconsumo”. Es así como se identificó que los precios de las instalaciones fotovoltaicas de 1 a 5 kWp disminuyeron 9%, mientras que de 5 a 10 kWp bajaron 6%. En tanto, entre 10 a 30 kWp, bajaron 12%, y entre los 30 y 100 kWp cayeron 10%. El estudio indicó que los rangos mayores, de entre 100- 500 kWp, “cayeron en 18% y entre 500-1.500 kWp descendieron en un 9%”. Para realizar e incentivar aún más la proliferación de este tipo de proyectos el Ministerio de Energía ha puesto a disposición del público, de forma gratuita, diferentes herramientas en línea y de tipo geográficas denominadas “Exploradores [3]”, los cuales han sido diseñados como herramientas en línea destinadas al análisis de los recursos renovables que permiten, de manera gráfica, realizar una evaluación preliminar del potencial energético sobre cualquier sitio definido por el usuario, aunque no sustituye mediciones en terreno. Estas herramientas son el resultado de una estrecha y prolongada colaboración entre el Ministerio de Energía, la Sociedad Alemana para la Cooperación Internacional (GIZ) y el Departamento de Geofísica de la Universidad de Chile, así como también de la Corporación Nacional Forestal y la Universidad Austral de Chile, la Dirección General de Aguas (DGA) y el Servicio Hidrográfico y Oceanográfico de la Armada (SHOA). En particular, el Explorador Solar [3] presenta la información pública más detallada que existe actualmente sobre el recurso solar en Chile. Los datos que encontrará en este sitio han sido generados a partir de modelos atmosféricos y datos satelitales, para el período comprendido entre los años 2004 y 2016, con una resolución espacial de 90 metros. Además de poder conocer el recurso solar en el país, el usuario encontrará herramientas para el cálculo de generación fotovoltaica y sistemas solares térmicos. La herramienta para el cálculo de sistemas solares térmicos tiene como objetivo orientar al usuario sobre el cumplimiento de la contribución solar mínima de los Sistemas Solares Térmicos acogidos a la franquicia tributaria de la Ley N° 20.365. El Ministerio de Energía mantiene además una red de estaciones de medición de recursos meteorológicos, con fines energéticos, específicamente recurso eólico y solar. Introducción 3 La identificación y caracterización de los recursos renovables con potencial energético ha sido una línea de trabajo de especial preocupación y los esfuerzos se han concentrado en las Energías Renovables No Convencionales (ERNC), tales como energía eólica y solar, que tienen buenas posibilidades de ser competitivas en el país. Una de las tareas fundamentales de esta línea de trabajo es la generación de información pública y gratuita que permita orientar el diseño de políticas y a los potenciales inversionistas. Así, se han instalado y operado en distintas épocas campañas con fines específicos y de diferentes tipos, y actualmente se mantiene varias estaciones de medición, con apoyo de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile. Por otra parte, los inversores encargados de hacer las transformaciones de energía DC en AC, serán confiadas a la marca Fronius con su modelo Symo los cuales, con sus rangos de potencia de entre 3,0 y 20,0 kw el Fronius Symo sin transformador es el inversor trifásico ideal para cualquier tamaño de instalación. gracias a su diseño superflex, el fronius symo es perfecto para tejados con distintas inclinaciones o diferentes orientaciones. la conexión a internet a través de wlan o ethernet integrada de serie y la sencilla integración de componentes de otros fabricantes hacen que el Fronius Symo sea uno de los inversores más comunicativos del mercado. la interface de contador permite además una gestión de alimentación dinámica y una visualización del consumo muy clara. Respecto al nuevo edificio municipal, el diseño arquitectónico satisface los requerimientos del municipio, y se observa que por un lado se encuentran todos aquellas necesidades vinculadas a mejorar los aspectos funcionales de la municipalidad, y que tienen que ver con la operación administrativa de la situación actual de las edificaciones, la estrechez de los espacios de trabajo, el hacinamiento y la atomización de las unidades, la falta de unidad de los distintos departamentos, la poca claridad de los recorridos públicos y privados, y en general , todos aquellos aspectos de carácter funcional que pueden deteriorar la imagen institucional y no permiten una adecuada relación con el público y los habitantes de la comuna. Por otro lado, la ubicación escogida para insertar el nuevo Edificio Consistorial, se encuentra en una zona intermedia entre la ciudad tradicional y el sector nuevo de Santo Domingo. Adicionalmente, el terreno posee un parque cuyo potencial se convierte en su mayor atractivo para la instalación de actividades institucionales. El planteamiento general propone vincular la idea de ciudad-parque y ciudad-jardín con los grandes hitos paisajísticos de Santo Domingo, para ser utilizados como punto de partida para la generación de un a Municipalidad-Parque, sustentable mediante el uso de energías renovables con enfoque de autoconsumo. La cubierta plana propuesta para el edificio facilita una superficie necesaria para poder llevar a cabo un proyecto fotovoltaico, de una magnitud capaz de influir positivamente en los costos de energía del mismo, dándole una visión sustentable al edificio. Introducción 4 Objetivos generales Dimensionar y diseñar un sistema eléctrico en base a energía solar fotovoltaica, para generar ahorros en los costos de energía en el edificio de la Ilustre Municipalidad de Santo Domingo. Objetivos específicos Conocer los elementos y las condiciones de trabajo de un sistema PV. Analizar los conceptos de irradiación, radiación y condiciones geográficas del lugar. Estudiar el consumo eléctrico de la instalación, como también las normativas relacionadas y el ahorro propuesto con el sistema. Dimensionar el sistema PV de acuerdo a los requerimientos del edificio. Evaluar económicamente el proyecto. 5 1 Marco teórico 1.1 Energía solar En primer lugar, es necesario entender como interactúa el planeta con el Sol, el cual es la fuente principal de la energía lumínica que es aprovechada por los sistemas fotovoltaicos, los cuales la transforman a energía eléctrica. En términos teóricos, debemos considerar 3 elementos importantes. El eje de rotación terrestre con una inclinación de 23,45°. El movimiento de rotación terrestre (24 horas). El movimiento de traslación terrestre (365 días). Figura 1-1: Rotación Terrestre Por medio del análisis de estos 3 elementos, es que se ha logrado realizar cálculos exactos para obtener la mayor eficiencia en la captación de la radiación solar para un determinado lugar geográfico del planeta. Asimismo, existen fechas en el calendario que nos indican eventos importantes referentes a la localización del planeta respecto al sol, las cuales ya son conocidas (verano e invierno) [3]. Solsticios 21 de Junio: Comienza elinvierno. 1 Marco teórico 6 o Corresponde al día más corto en el hemisferio sur. o Se consigue la altura mínima del Sol en el hemisferio sur. o Debido a la inclinación de la Tierra, el sol está en el ángulo máximo de distancia del cenit (línea perpendicular al suelo) por lo que el sol respecto al suelo minimiza su distancia, ver figura 1-2. Por lo tanto existe una radiación solar en el lugar. 21 de Diciembre: Comienza el verano. o Corresponde al día más largo en el hemisferio sur. o Se consigue la altura máxima del Sol. Debido a la inclinación de la Tierra, el sol está en el ángulo mínimo de distancia del cenit (línea perpendicular al suelo) por lo que el Sol respecto al suelo maximiza su distancia, ver figura 1-2. Por lo tanto existe una mayor radiación en el lugar. Equinoccios 21 de Marzo: Comienza el otoño. 21 de Septiembre: Comienza la primavera. Figura 1-2: Solsticios y Equinoccios Radiación e irradiancia Con el fín de determinar una generación en un lugar determinado, es preciso definir 2 conceptos básicos: Irradiancia solar Es una magnitud física que mide la potencia de la radiación solar que incide sobre una superficie. Su unidad de medida estándar es el [W/m2]. Esta irradiancia solar varía dependiendo de la hora del día y de la época del año en que nos encontremos [4]. 1 Marco teórico 7 Radiación o irradiación solar Es una magnitud física que mide la potencia de la radiación solar que incide sobre una superficie en un determinado intervalo de tiempo. En términos simples es la cuantificación de la irradiancia solar en un periodo de tiempo. Su unidad de medida es el [kWh/m2]. La irradiancia que se recibe del sol, antes de ingresar a la atmosfera, es de 1366 [W/m2] en promedio. Esta energía es en parte absorbida, reflejada y dispersada por las nubes. De esta manera la atmósfera influencia la cantidad de radiación solar que llega a la superficie del planeta en cada punto y en cada momento. Los principales procesos involucrados en la atenuación de la radiación son la absorción por vapor de agua y aerosoles, y la dispersión de la radiación por efecto de las nubes. Es importante entonces notar, que mientras mayor sea el camino recorrido por el rayo, mayor será su interacción con la atmósfera y por lo tanto mayor será su atenuación. Es por esto, que cuando el sol está directamente sobre un sitio (cerca de medio día), la radiación alcanza su máximo, y disminuye mientras más cerca del horizonte se encuentre el sol, el mismo efecto ocurre durante el año, alcanzándose el máximo de radiación en verano y el mínimo en invierno. En la figura 1-3, se puede observar como varía la radiación solar a lo largo del año para la ciudad de Santo Domingo. Es fácil observar que en los periodos de primavera y verano existe una mayor cantidad de radiación solar que en los periodos de otoño e invierno. Esto se debe a que las condiciones climáticas y atmosféricas tienen un impacto en la radiación solar. Por lo mismo más adelante este análisis tendrá una gran relevancia en el dimensionamiento de los sistemas fotovoltaicos. Figura 1-3: Gráfico de Radiación Global Horizontal entregada por Explorador Solar para ciudad de Santo Domingo (Fuente: http://ernc.dgf.uchile.cl:48080/exploracion) 1 Marco teórico 8 Se puede observar de la figura 1-3, que la radiación difusa representa una pequeña parte de la radiación global. La radiación reflejada posee un valor muy bajo por lo que es casi despreciable [3]. Tipos de radiación solar en la atmósfera Debido a que las capas atmosféricas filtran los rayos del sol, la radiación solar sufre alteraciones en su trayectoria hacia el suelo terrestre y estos cambios repercuten en la captación solar de los módulos fotovoltaicos. Por lo mismo, es preciso aclarar que la radiación solar tiene una dependencia mayor respecto de los factores atmosféricos que a la localización geográfica. Para este caso de estudio se considerará 4 tipos de radiaciones distintas: 1. Radiación solar directa Corresponde a los rayos solares que provienen directamente del sol. Es la que proyecta sombra. 2. Radiación difusa Corresponde a parte de la radiación solar que pierde su dirección original, a consecuencia de los procesos de absorción, reflexión y refracción en la atmósfera. Su magnitud es mucho menor que la directa. 3. Radiación reflejada Es aquella radiación reflejada por la superficie terrestre, también conocida como albedo. Esta reflexión se puede generar producto del ambiente como cerro o montañas (desierto) o por elementos artificiales como edificios o el pavimento entre otros. 4. Radiación global Representa a la suma de la 3 radiaciones anteriores (Global = Directa + Difusa + Reflejada). En la figura 1-4, se puede apreciar como los módulos fotovoltaicos aprovechan estos 3 distintos tipos de radiaciones, por lo que es necesario dimensionar en detalle los periodos en el año en que se requerirá mayor generación energética, la localización geográfica del sistema fotovoltaico y también elementos como el clima del sector. 1 Marco teórico 9 Figura 1-4: Captación de las distintas radiaciones por parte del módulo fotovoltaico. 1.2 Ángulo de elevación del módulo fotovoltaico Es necesario comprender que la captación de radiación solar por medio de los paneles fotovoltaicos depende del grado de inclinación de estos respecto al suelo. Para lograr la máxima captación de energía lumínica, la superficie receptora de paneles fotovoltaicos debe recibir la radiación solar de forma perpendicular a la superficie del panel, ver figura 1-5. Esta radiación se conoce como radiación normal incidente. Dependiendo de la localización geográfica y el lugar de instalación de los módulos, se deberá considerar un ángulo de inclinación específico ( ) respecto al horizonte para lograr la máxima captación de energía posible. Este valor de inclinación puede ir desde el 0 ° hasta los 90°. Una regla básica que se ocupa al momento de dimensionar los sistemas fotovoltaicos es otorgar a los paneles solares una inclinación cercana a la latitud geográfica en la que se instalarán. Para el caso de la ciudad de Santo Domingo, se tiene una latitud de -33,6358° se recomienda una inclinación de 30° en el caso de que se busque la maximización de generación anual con un montaje fijo [5]. Figura 1-5: Influencia de la inclinación en la captación de la energía solar Es posible calcular el ángulo de inclinación siguiendo estos pasos: Se debe apoyar un transportador (regla para medir ángulos) en la superficie donde irá apoyado el panel. Con el cero del transportador hacia abajo. 1 Marco teórico 10 Se orienta un nivel de burbuja, apoyándolo en el centro del transportador, de modo que la burbuja esté centrada. El ángulo que marca la base del nivel en el transportador es la inclinación. Si el transportador tiene el cero arriba, la inclinación será 180° menos el ángulo indicado por la base del nivel. Utilizar alguna aplicación de celular con esta capacidad. 1.3 Orientación del módulo fotovoltaico Otro factor importante a considerar es la orientación cardinal del panel solar. En este sentido, el ángulo de desviación respecto al norte geográfico también condiciona la recepción de radiación solar, por lo que es necesario tomarlo en cuenta para lograr la máxima eficiencia en la generación. A este grado de inclinación respecto al norte geográfico se le denomina Azimut y se simboliza con la letra ( ). Dependiendo de la ubicación en el planeta donde se requiera el sistema, existirá un ángulo de correción específico que se debe tener en cuenta para colocar los paneles fotovoltaicos. Figura 1-6: Diagrama que involucra orientación e inclinación Análogamente al caso de la inclinación del panel respecto al horizonte, existe una regla a seguir para dimensionar el ángulo de azimut. Para el caso delhemisferio norte, se recomienda que los módulos fotovoltaicos estén orientados al sur. Caso contrario para el hemisferio sur, en donde se recomienda que los módulos, estén orientados hacia el norte, con una variación maxima de +-15° al Este u Oeste. Este cálculo se realiza bajo el supuesto de que el arreglo fotovoltaico será instalado fijo durante todo el año. En un caso teórico, en que a medida que transcurre el año los paneles pueden rotar cambiando su orientación cardinal de este a oeste (Panel tracker), estos podrían alterar su orientación inicial variando hacia el noreste u noroeste, con el fin de que por cada época del año (verano, otoño, invierno, primavera) sea posible una maximización en la captación de la energía. 1 Marco teórico 11 Usualmente, es más sencillo recolectar energía solar mediante un montaje fijo de los paneles, por lo que se intenta encontrar un ángulo de inclinación y orientación cardinal para el módulo fotovoltaico maximice la cantidad de radiación recibida en el año. Para el caso de Chile que se encuentra en el hemisferio sur, gran parte de las plantas fotovoltaicas que se han construido en los ultimos 5 años han sido hechas con orientación norte, lo que maximiza su producción [3]. En el caso particular, para la ciudad de Santo Domingo se tiene un Azimut óptimo de -10°. Al igual que para el ángulo de inclinación de un panel fotovoltaico, existe un procedimiento para calcular el valor del azimut siguiendo los siguientes pasos: Se debe dibujar una línea que sea perpendicular a lado inferior de panel (o la superficie donde se instalará el panel). Se pone una brújula sobre la línea dibujada, de modo que el centro de la brújula quede sobre la línea. Se orienta la brújula hacia el norte (la brújula debe estar horizontal y la flecha marcando el norte). La línea dibujada señalará en la brújula cuantos grados está desviada la superficie respecto al norte magnético. Al ángulo que se obtiene en el paso anterior se le deben sumar 4° para corregir la diferencia entre el norte real y el magnético. El resultado es el azimut del panel. Figura 1-7: Gráfica que indica el valor del ángulo Azimut 1.4 Explorador solar Es una plataforma web impulsada por el ministerio de energía de Chile [3] y desarrollada por la Universidad de Chile. El Explorador Solar entrega información sobre la radiación solar incidente en cualquier punto del país, con resolución espacial de 90 metros. Para cada punto se pueden obtener las series de radiación global y directa cada 30 minutos, en todo el período comprendido entre los años 2004 y 2015. Esto permite conocer la variabilidad del recurso en el tiempo y reducir la incertidumbre en la generación de energía a largo plazo. El Explorador Solar le permite conocer la cantidad de radiación que se recibe en cualquier punto del país entre -17.5 y -55 grados de latitud. 1 Marco teórico 12 Los datos de radiación recopilados por la plataforma consideran el efecto de la masa de la columna atmosférica y la interacción de la radiación con el vapor de agua, ozono, dióxido de carbono y aerosoles. También considera el efecto de la nubosidad que relaciona la atenuación de la radiación con la reflectividad de la nubosidad. Por último, considera el efecto de las sombras que proyecta la topografía sobre el terreno en la radiación directa y global. En la figura 1-8, podemos ver la variación anual de la radiación para la ciudad de Santo domingo, siendo la radiación directa en plano inclinado la más importante. Figura 1-8: Variación Anual de la radiación para la ciudad de Santo Domingo Figura 1-9: Ubicación geográfica de la ciudad de Santo Domingo 1 Marco teórico 13 1.5 Corrección de las mediciones de radiación Es preciso tener en cuenta que la mayoría de las plataformas y documentos que informan sobre radiación solar entregan sus valores para un tipo de radiación particular, denominada radiación global horizontal (GHI). Esta corresponde a la radiación que llega a una superficie paralela a la Tierra, es decir, a un módulo fotovoltaico con inclinación 0°. Sin embargo, se necesita que la radiación llegue de forma perpendicular a la superficie del panel fotovoltaico para lograr la máxima captación de energía lumínica. Para realizar un correcto dimensionamiento de los sistemas fotovoltaicos, es necesario corregir estas mediciones ajustándolas a una latitud y longitud terrestre determinada y con un grado de inclinación específico del panel. Elementos principales a considerar en el dimensionamiento del sistema fotovoltaico: Elección de un ángulo de inclinación ( ) y de orientación para el arreglo fotovoltaico ( ) que maximice la captación de energía. Con las características anteriores determinadas, determinar la existencia de sombras. Resolver para que aparatos se utilizará el apoyo de la energía solar, en que época del año se privilegiará el uso de la energía, considerar el clima (precipitaciones, cielo nublado) y el sector geográfico del emplazamiento del sistema fotovoltaico entre otros. Factor de corrección (k) Este factor permite obtener la radiación solar que llega de forma perpendicular a la superficie del módulo para un grado de inclinación específico. Los valores para el factor de corrección K se encuentran tabulados en la tabla 1-2, según la latitud (distancia respecto a la línea del ecuador) y el grado de inclinación del panel. Estos valores se encuentran en la Norma Técnica de la ley de Franquicia Tributaria para Sistemas Solares Térmicos. Figure 1-9 Factor de corrección K en función del ángulo de incidencia del sol sobre el panel. 1 Marco teórico 14 Se puede apreciar a partir de la figura 1-9, que a medida que aumenta el grado de inclinación, la curva se vuelve menos pronunciada en el centro y se asemeja a una recta, disminuyendo las diferencias de captación de energía solar entre los meses de verano e invierno. Para sistemas fotovoltaicos con montaje fijo que se dimensionen en la generación de energía eléctrica para el año completo, el grado de inclinación recomendado según lo estudiado anteriormente es cercano a la latitud del emplazamiento del sistema fotovoltaico. Para el caso de Santo Domingo (latitud 33°) se recomienda una inclinación de 30° para los paneles Para una latitud 33° se obtienen los siguientes datos de radiación horizontal utilizando la plataforma explorador solar que nos entrega los valores de radiación solar en Chile. Radiación global horizontal (GHI) diaria [ ] según Explorador Solar. Tabla 1-1: Radiación Global Horizontal diaria para ciudad de Santo Domingo Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Exp. Sol. 7,01 6,22 5,17 3,86 2,62 2,35 2,55 3,32 4,62 5,93 6,85 7,35 Radiación global diaria corregida para latitud 33° (Santo Domingo) y con un ángulo de inclinación de 30° [ (ángulo que maximiza la captación anual). Tabla 1-2: Radiación Global Diaria con factor de corrección de Inclinación K Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Exp. Sol. 6,42 6,10 5,58 4,59 3,48 3,17 3,44 4,12 5,08 5,99 6,37 6,54 Para efectos del dimensionamiento se utilizarán los datos de radiación entregados por el Explorador Solar. 1.6 Módulo fotovoltaico Los módulos o paneles fotovoltaicos son el componente principal del sistema, ya que, están compuestos por celdas que transforman la energía proveniente del Sol que captan durante el día, en energía eléctrica [4], gracias al efecto fotoeléctrico, ver figura 1-10. 1 Marco teórico 15 Figura 1-10: Representación del efecto fotoeléctrico Este efecto se produce cuando las partículas de luz, llamadas fotones, impactan contra la celda de silicio, lo que produce un desprendimiento de electrones que generan una diferencia de potencial. Dentro de las características principales de los módulos fotovoltaicos destacan: No tienen piezas móviles. No se pueden encendero apagar. Solo funcionan de día. Generan corriente continua cuando están expuestos al Sol. No generan emisiones contaminantes o ruidos. Proporcionan resistencia mecánica. Poseen protección contra agentes externos sobre las celdas fotovoltaicas. Poseen aislación eléctrica de las celdas fotovoltaicas. El módulo fotovoltaico está formado generalmente por: Un marco de aluminio. Un vidrio templado antireflectante. Una cubierta posterior de etil vinilo acetato (EVA) como segunda capa antireflectante. Esta cubierta aísla las células fotovoltaicas para evitar que estén en contacto con la humedad y se oxiden. 1 Marco teórico 16 Figura 1-11: Composición de un panel fotovoltaico Este encapsulamiento es esencial para que las celdas: Reciban la máxima radiación posible por medio de la placa de vidrio con alta transparencia y baja reflectividad. Absorban la máxima radiación posible por medio de la capa encapsulante que evita reflexiones internas. Estén hermanadas (unión óptima). Estén protegidas contra los elementos atmosféricos que podrían dañarlas. Estén a la menor temperatura de trabajo posible. En la parte posterior del panel fotovoltaico se utiliza una lámina de polímero llamada Tedlar, compuesto químico de fluoruro de polivinilo, el cual posee una buena resistencia a la intemperie y al fuego. Por último, anexo a la placa de Tedlar se encuentra la caja de conexiones donde se incluyen los diodos de protección, los terminales de salida con los respectivos bornes positivo y negativo ya sea para conectarlos con otros módulos fotovoltaicos o con equipos como el regulador de carga o inversor eléctrico. Celda fotovoltaica La celda fotovoltaica es el principal elemento constitutivo de los paneles o módulos fotovoltaicos. Es un dispositivo eléctrico que permite convertir la energía lumínica en energía eléctrica por medio del efecto fotoeléctrico. Dentro de la estructura de la celda, se encuentran capas del semiconductor, en donde se liberan los electrones para producir la corriente eléctrica. 1 Marco teórico 17 Figura 1-12: Composición de una celda fotovoltaica La eficiencia de las células fotovoltaicas depende de su temperatura. A menor temperatura de la celda mayor es su capacidad de producir energía eléctrica. La celda fotovoltaica está compuesta por 2 capas de semiconductores, tipo P y tipo N para formar un campo eléctrico. Estas capas tienen una polaridad, positivo en una parte y negativo en la otra [6]. La capa superior de tipo N se dopa o se le agrega fósforo, lo que provoca que esta capa quede con un exceso de electrones que tienen carga negativa. La capa inferior de tipo P se dopa o se agrega Boro, lo que provoca que esta capa quede con un déficit de electrones, por lo que asume una carga positiva. El proceso de dopaje hace referencia a agregar impurezas en un semiconductor puro con el fin de cambiar sus propiedades eléctricas. Esta diferencia de carga o potencial entre las capas genera una tensión eléctrica medida en volts, la que generalmente para cada celda fotovoltaica alcanza los 0,5 [V]. Existen diversos tipos de celdas fotovoltaicas fabricadas con diferentes materiales semiconductores. Cada uno de ellos posee atributos específicos, ventajas y desventajas. A continuación, se presentan los distintos tipos de módulos fotovoltaicos [6]. Celdas de Silicio Monocristalino Características Están hechos a partir de una aleación de silicio puro fundido y dopado con boro. Su rendimiento oscila entre un 15 y 20%. Presentan una monocromía azul oscuro metálico. 1 Marco teórico 18 Ventajas Su comportamiento como conductor es uniforme. Presentan una estructura completamente ordenada. Son eficientes en cuanto a espacio en comparación a otros modelos. Tienen una larga vida útil de aproximadamente 30 años. Tienen un buen desempeño en condiciones de poca luz. Desventajas El proceso de fabricación es más complejo que el de otros modelos. Son más caros que los paneles policristalinos. Si están cubiertos por tierra o nieve, el funcionamiento se ve afectado. Figura 1-13: Panel fotovoltaico de celdas monocristalinas Policristalino Características Están hechas de la fundición de lingotes de silicio fundido, cuidadosamente enfriado y solidificado. Su rendimiento oscila entre 13 y 16%. Presenta una estructura en cristales con distintos tonos de azul y gris metálico. Son el tipo de módulos más utilizados en el mundo (55% a nivel mundial). Ventajas Presentan una estructura ordenada por regiones anexas. Su proceso de fabricación es más sencillo. Son más baratos que otros modelos. 1 Marco teórico 19 Vida útil de 25 años aproximadamente. Gran estabilidad para estar a la intemperie. Desventajas Ocupan un mayor espacio, por lo que se necesita cubrir una superficie mayor. Los enlaces irregulares de las fronteras cristalinas disminuyen el rendimiento de la célula. Figura 1-14: Módulo fotovoltaico de celdas policristalinas Amorfo Características Fabricados con silicio no cristalino. Se depositan en forma de lámina delgada sobre plástico o vidrio. Poseen un color café o marrón. Su rendimiento alcanza como un máximo 10%. Ventajas Su proceso de fabricación es más sencillo. Son más baratos que otros modelos. Son eficientes bajo iluminación artificial. 1 Marco teórico 20 Desventajas Presentan un alto grado de desorden estructural. Contienen un gran número de imperfecciones estructurales y de enlace. Sufren una caída significativa de rendimiento de aproximadamente 10 a 30% durante los primeros seis meses de funcionamiento. Figura 1-15: Módulo fotovoltaico amorfo o capa fina También existen otros tipos como los de lámina o película delgada, los cuales para su construcción utilizan materiales como Silicio amorfo (rendimiento del 8% aproximadamente), Teluro de Cadmio (rendimiento del 8%), Arsénico de Galio (rendimiento del 20%), Diseleniuro de Cobre en Indio (rendimiento del 9%). La efectividad de los paneles fotovoltaicos es mayor cuanto mayor sea el grado de cristalización. Por el otro lado, a menor eficiencia mayor es la superficie de utilización. Si bien los primeros 2 modelos (monocristalino y policristalino) son los más utilizados para la construcción de sistemas fotovoltaicos hoy en día, se siguen realizando pruebas y experimentación con otros tipos de células fabricadas con diversos materiales, que funcionan de manera complementaria a los modelos anteriores. Vida útil de los paneles fotovoltaicos Según los estudios realizados a nivel internacional bajo condiciones standard, los paneles fotovoltaicos se degradan alrededor de 0,5% por año en términos de eficiencia. Entre estos tipos de paneles, los de película delgada son los que se degradan más rápido, en comparación a los monocristalinos y policristalinos. Las placas solares suelen degradarse más rápido en los primeros 2 años de funcionamiento. Posterior a ese periodo el grado de degradación baja. 1 Marco teórico 21 La garantía promedio para los paneles monocristalinos y policristalinos, que son los más utilizados, bordean los 25 años. Por lo mismo, la potencia de salida no debe ser inferior al 80% de la potencia nominal después de 25 años. Luego de este periodo no quiere decir que el panel deje de funcionar, sino que su eficiencia irá disminuyendo con el paso del tiempo a una tasa promedio de 0,5% anual. Estos tipos de paneles pueden llegar a funcionar por un tiempo de 40 años. Algunos paneles luego de 40 años pueden llegar a producir cerca del 70% de la generación inicial [6]. Dentro de las consideraciones a tener presente para maximizar la vida útil de los paneles fotovoltaicos están: Evitar que sufran algún daño físico como ralladuras o golpes. Evitar el contacto con el agua al realizar las conexiones, los paneles cuentan con grado de protecciónIP suficiente para intemperie. Realizar una limpieza periódica de la superficie. Conexión de los módulos fotovoltaicos Para el funcionamiento de los sistemas fotovoltaicos, existen distintas configuraciones eléctricas que modifican los valores de corriente, tensión y energía generada. Estas configuraciones hacen referencia al ordenamiento de los paneles fotovoltaicos y su unión en el circuito eléctrico. Conexión en serie Utilizando esta configuración en el ordenamiento de los paneles, se logra sumar las tensiones y las potencias de los módulos fotovoltaicos. Independiente de la cantidad de paneles que compongan el conjunto generador, la corriente que circulará siempre se mantendrá constante. Para el anclaje de los módulos, se debe unir el terminal positivo de un panel con el terminal negativo de otro, de manera sucesiva hasta completar el conjunto de paneles. 1 Marco teórico 22 Figura 1-16: Conexión en serie de módulos fotovoltaicos Conexión en paralelo Utilizando esta configuración en el ordenamiento de los paneles, se logra sumar las corrientes, y, por consiguiente, las potencias de los módulos fotovoltaicos. Independiente de la cantidad de paneles que compongan el conjunto generador, la tensión equivalente se mantendrá constante. En esta configuración se intercambia la suma de las tensiones por los de la corriente respecto a la configuración en serie. Para la conexión entre los módulos, se debe unir el terminal positivo de un panel con el terminal positivo de otro y de igual manera con los terminales negativos, de manera sucesiva hasta completar el nuevo arreglo fotovoltaico [6]. Figura 1-17: Conexión en paralelo de módulos fotovoltaicos Conexión mixta Esta configuración es una mezcla del ordenamiento en serie y paralelo. Se deben tener en cuenta las mismas características que rigen para sistemas en serie y paralelo para luego combinarlas. 1 Marco teórico 23 Figura 1-18: Conexión mixta de módulos fotovoltaicos Diodos bypass y bloqueo en módulos fotovoltaicos Un diodo, figura 1-19, es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido. Se encuentran en la caja de conexiones del panel en su parte posterior. Figura 1-19: Simbología de un diodo Los diodos en los paneles fotovoltaicos tienen como propósito prevenir el consumo de energía cuando las células están sombreadas o dañadas como también prevenir que se invierta el flujo de corriente hacia los módulos (polarización inversa) [5]. Diodos de bypass Los diodos de bypass protegen individualmente cada panel fotovoltaico de posibles daños ocasionados por sombras que se generen sobre su superficie, ya sean producto de suciedad, excremento de aves, arboles, etc. Los diodos de bypass se encuentran en la caja de conexiones del 1 Marco teórico 24 panel e impiden que un módulo absorba corriente de otro de los módulos del grupo si en uno o más de estos se produce alguna sombra, cuando se tiene un arreglo de paneles en serie. Asimismo, existen diodos de bypass ubicados en paralelo con cada una de las ramas de células fotovoltaicas en serie en el interior de cada panel solar. En el caso de una sombra, fig. 1-20, parte de esas células se comportarán como cargas, pasando de productoras a consumidoras de energía. A este fenómeno se le denomina punto caliente, en donde el calentamiento de una celda fotovoltaica puede llevar a una quemadura y deterioro del material. Al no haber radiación, el diodo de bypass permite el paso de la corriente, por lo que este grupo de células quedará inutilizado, no rompiendo la serie con otros grupos y permitiendo el funcionamiento, aunque su rendimiento sea menor. Se evitarán así posibles deterioros en otras partes de la serie. Figura 1-20: Efecto de una sombra y diodo de bypass En el caso de que una de las células reciba sombra, la corriente evitará pasar por la celda, pasando por le diodo, por lo que se pierde rendimiento. Luego de pasar por el diodo la corriente sigue circulando normalmente por la serie de células hasta el final para poder cargar las baterías. Generalmente en el arreglo completo de células fotovoltaicas de un panel, se instala un diodo de bypass por cada rama de 20 células en serie. Diodos de bloqueo Los diodos de bloqueo impiden que la batería se descargue a través de los paneles fotovoltaicos en ausencia de luz solar [6]. Evitan también que el flujo de corriente se invierta entre bloques de paneles conectados en paralelo, cuando en uno o más de ellos se produce una sombra. Si las baterías se encuentran cargadas y el Sol se pone por el horizonte cancelando la radiación solar incidente en los paneles, las baterías se descargarían por lo que el proceso anterior se invertiría, circulando la corriente desde el banco de baterías hasta los paneles debido a la diferencia de tensión existente entre las baterías y los módulos fotovoltaicos. 1 Marco teórico 25 Si ocurriese esto, se dañarían los módulos fotovoltaicos. Para evitar este fenómeno es que se cuenta con diodos de bloqueo. El diodo sólo deja pasar la corriente en un sentido, por lo que la tensión inversa proveniente de las baterías no llegará a los paneles, entonces éstas no se descargarán. Habitualmente todos los paneles fotovoltaicos de cierta calidad, llevan incorporados en su caja de conexiones el diodo de bloqueo, aunque podemos afirmar que si el sistema está controlado por un regulador, el diodo no es necesario en lo que concierne a esta función Figura 1-21: Representación del diodo de bloqueo 1.7 Sistemas fotovoltaicos Offgrid El término “offgrid” u “off the grid” significa fuera de la red o sin red, y hace referencia a sistemas eléctricos que no están conectados a la red de distribución eléctrica. Son sistemas autónomos que no tienen inyección de energía eléctrica proveniente de las compañías distribuidoras, por lo que estos sistemas generan su propia energía eléctrica [7]. Circuito eléctrico Un sistema fotovoltaico regular está compuesto por distintos elementos básicos para su funcionamiento. Este sistema corresponde a un circuito eléctrico, por lo que está constituido de materiales y equipos que permiten la captación, generación y distribución de la energía eléctrica. Dentro de sus principales componentes están: 1 Marco teórico 26 Módulos fotovoltaicos También conocidos como paneles solares, son los responsables de la captación de la energía solar por medio de las celdas fotovoltaicas, haciendo la transformación a energía eléctrica gracias al efecto fotoeléctrico. Regulador de carga Equipo responsable de supervisar, gestionar y controlar la energía eléctrica proveniente desde los paneles fotovoltaicos hasta las baterías, con el fin de prevenir sobrecargas o fallas eléctricas. Existen dos tecnologías mayormente asociadas a este tipo de equipos. PWM o modulación por ancho de pulso y MPPT o maximum power point tracker. Siendo esta última la más eficiente, y la más utilizada en este tipo de sistemas, ya que hace trabajar al arreglo fotovoltaico al máximo punto de trabajo de tensión y corriente aumentando la eficiencia en 30%. Baterías Equipos responsables del almacenamiento de la energía generada por los paneles. Luego esta energía almacenada es suministrada hacia los artefactos, a través del inversor. La tecnología más utilizada es de plomo ácido sellada con la modalidad de ciclo profundo, lo que permite una descarga mayor de la capacidad total, sin reducir la vida útil dramáticamente. Este es uno de los elementos más caros de los sistemas fotovoltaicos offgrid [7]. Conductores Cables o Alimentadores por los cuales circula la energía eléctrica desde la fuente generadora al destino (consumos). Todo el sistema fotovoltaico debe estar equipado con cables aislantes que tengan el correcto dimensionamiento(calibre) para soportar las intensidades de corriente que circulen por el circuito eléctrico. Inversor offgrid Corresponde al equipo encargado de entregar la potencia eléctrica y de transformar la corriente continua (CC) generada por los paneles fotovoltaicos y almacenada por las baterías, en corriente alterna (AC) para su posterior distribución y consumo. Los semiconductores mayormente utilizados para este tipo de equipos son de MOSFET para potencias bajas e IGBT para potencias altas. El inversor debe entregar las variables eléctricas a 220[V], 50[H], y gestionar la energía proveniente de las baterías [7]. Protecciones En todo circuito eléctrico es necesario contar con protecciones que resguarden los equipos en caso de fallos o situaciones de sobrecarga. Ante un desperfecto eléctrico 1 Marco teórico 27 las protecciones se activan evitando que se produzcan daños a equipos y posibles riesgos de incendios. Medidor de energía Aparato responsable de medir la energía producida durante el periodo de funcionamiento del sistema fotovoltaico. Es importante tener un control de medición para saber cuánto es lo que se está generando, en que periodos aumenta o disminuye la energía generada y cómo afecta esto al ahorro energético [8]. Carga Conjunto de todos los artefactos o equipos eléctricos a los que se suministrará la energía generada, como electrodomésticos, iluminarias, motores, etc [8]. Figura 1-22: Esquema de un sistema fotovoltaico offgrid Ongrid El sistema solar fotovoltaico ongrid o conectado a la red [9], se compone de los módulos que convierten la energía solar en energía eléctrica, la cual es recibida por el inversor el cual transforma la corriente continua en alterna, de modo que pueda ser utilizada en hogares, escuelas, negocios e industrias, esta energía puede ser utilizada durante las horas de sol. Los excedentes que no son aprovechados en el autoconsumo son inyectados a la red y registrados en el medidor bidireccional, el cual cuenta tanto la energía consumida de la red como aquella inyectada como excedente generando dos cifras. El principal objetivo de este tipo de sistemas es el ahorro en costos de suministro eléctrico eléctrico. Los principales elementos que componen este sistema pueden revisarse en la fig. 1-23. Se destaca que, a diferencia de los sistemas aislados, en el sistema ongrid se permanece conectado a la red. 1 Marco teórico 28 Figura 1-23: Esquema de un sistema Ongrid El inversor ongrid difiere del aislado, ya que interactúa con la red permaneciendo en sincronía con esta. Por normativa, debe estar bajo el perfil de red de Chile (normativa), lo que indica que las variables de tensión y frecuencia de salida deben ser las utilizadas en el país, 220[V] y 50[Hz]. Además, la señal inyectada a la red no debe contener armónicos, por lo tanto, debe ser una señal pura. Por este motivo un inversor Ongrid tiene un costo mucho más elevado que uno aislado. Normativa que rige a los sistemas fotovoltaicos en Chile Ley 20.571 o Net-billing En Chile, esta normativa entrega el derecho a los usuarios a vender los excedentes de energía generados por los sistemas de generación en base a energías renovables directamente a las distribuidoras de energía eléctrica [1], a un precio regulado. Dentro de los requisitos para acogerse a esta ley destaca: Sistemas de generación de hasta 100[kW] diseñados para autoconsumo. Funcionen en base a E.R.N.C. o Cogeneración Eficiente. Clientes regulados (hogares, escuelas, negocios, etc). 1.8 Carta Gantt La planificación propuesta del proyecto, se puede apreciar en la figura: 1 Marco teórico 29 Figura 1-24: Carta Gantt 30 2 Análisis de diagramas y planos del edificio municipal Luego de determinar los parámetros de orientación azimut e inclinación óptimos, con los que será dimensionado el sistema fotovoltaico, -10° y 30° respectivamente. Se procede a evaluar los planos y diagramas, con el objetivo de determinar los futuros requerimientos del edificio, realizando un análisis de los planos eléctricos existentes, para posteriormente, determinar la demanda y la superficie disponible para dimensionar eficazmente la potencia total del sistema fotovoltaico a instalar, como también la correcta ubicación de los módulos. 2.1 Análisis del diagrama unilineal del edificio municipal Del diagrama unilineal del edificio, se desprende toda la información eléctrica relacionada con la potencia, operación, conexión, y protecciones eléctricas del proyecto. Se destaca que llega un alimentador trifásico en media tensión (12kV), desde la empresa distribuidora a la sala eléctrica, donde se conectará al transformador del edificio, del cual saldrá un alimentador trifásico que llega al tablero general. A este tablero está conectado un banco de condensadores, con la función de corregir el factor de potencia. Componentes del diagrama unilineal Tablero general El tablero general, recibe la alimentación proveniente desde el transformador, se conecta el banco de condensadores, y posee las protecciones, barras de distribución, y controla todos los circuitos del edificio, se descompone en un tablero normal y un tablero de emergencia. Del tablero normal, se destaca el control de 5 circuitos correspondientes a: 1) Subterráneo. 2) Primer Piso. 3) Segundo Piso. 4) Sector 3. 5) Banco de condensadores. Análisis de diagramas y planos del edificio municipal 31 En la tabla 2-1, se adjunta el cuadro de cargas del tablero normal, donde se muestra las potencias en kW de cada circuito. Tabla 2-1 Cuadro de carga de Tablero Normal. Por lo tanto, la demanda total de los 5 circuitos es de 144,4[kW]. Aplicando el factor de demanda, esta potencia sería más baja que la anterior con una magnitud de 83.9[kW]. Sin embargo, de este tablero además sale un alimentador trifásico hasta el T.T.A o tablero de transferencia automática, el cual sirve para automatizar el funcionamiento del generador, en cuanto exista un corte de suministro eléctrico. Al T.T.A. se conecta un generador de 350[kVA], y sale un alimentador hasta el tablero de emergencia. Tablero de emergencia El tablero de emergencia contiene las protecciones y controla el funcionamiento de 9 circuitos, a este tablero llega la alimentación desde el T.T.A. el cual entrega la energía suministrada desde el tablero normal o desde el generador, en caso de una caída de la red de distribución. Los circuitos que contiene el tablero de emergencia pueden revisarse a continuación: 1) Subterráneo. 2) Primer Piso 3) Segundo Piso. 4) Sector 3. 5) Clima Cubierta. 6) Arranque Bombas. 7) Arranque Ascensor Lado A. 8) Arranque Ascensor Lado C. 9) Arranque tablero Auditorio. En la tabla 2-2, se adjunta el cuadro de cargas del tablero, donde se muestra las potencias en [kW] de cada circuito. Análisis de diagramas y planos del edificio municipal 32 Tabla 2-2, Descripción de los circuitos presentes en el tablero de emergencia. Se destaca que la potencia total del tablero de emergencia es de 349,2 [kW], mientras que, aplicando el factor de demanda, la magnitud de la potencia es de 173[kW]. Se desprende que la suma de las potencias sin factor de demanda de los tableros, normal y de emergencia, da como resultado la potencia total instalada en el edificio, siendo la magnitud de esta de 493,58[kW]. Mientras que la suma total de las potencias aplicando este factor da como resultado 256,7 [kW]. Transformador del edificio municipal de Santo Domingo El transformador del edificio, tiene una potencia nominal de 400 [kVA], y tiene el objetivo de reducir la tensión que llega del alimentador de la red de distribución. Reduciéndolo desde los 12[kV] a 380[V] para alimentar el tablero general municipal. En la tabla 2-3, se muestran sus características. Tabla 2-3, Características del Transformador del EdificioMunicipal de Santo Domingo. Grupo electrógeno generador de emergencia El grupo electrógeno proyectado de 350KVA, tiene la finalidad de que ante una caída en el suministro se pueda encender de manera automática para asegurar el funcionamiento de las cargas más importantes del edificio. Las características del generador se presentan en la tabla 2- 4. Análisis de diagramas y planos del edificio municipal 33 Tabla 2-4, Características del Grupo generador del Proyecto. Banco de condensadores El Banco de condensadores proyectado, es programable y tiene una potencia nominal de 60[kVAR]. Es utilizado para compensar el factor de potencia de la Subestación. Además, posee un filtro de armónicas pasivo. 2.2 Evaluación de los planos de planta y cubierta del edificio El nuevo edificio en construcción de la Ilustre Municipalidad de Santo Domingo, estará ubicado en la intersección de las Avenidas Santa Teresa de los Andes y Tte. Luis Cruz Martínez. De la evaluación de los planos se desprende la siguiente información: 1) La altura medida desde el suelo hasta el piso de la cubierta es de 8.75[m]. 2) Actualmente ya no existen los árboles que estarían en frente del futuro edificio, ya que estos fueron talados. 3) El edificio está completamente orientado hacia el norte. 4) La cubierta del edificio donde se instalarán los paneles, tiene una superficie total de 2654.46 [m2]– 83.48[m2] = 2570.98[m2]. Análisis de la memoria de arquitectura del edificio de la municipal de Santo Domingo La propuesta arquitectónica para el edificio de la municipalidad de Santo Domingo tiene como objetivo ser sustentable, permitiendo el uso de energías renovables en su cubierta plana. De esta manera el edificio, puede aprovechar la excelente orientación hacia el norte, que posee, y maximizar la generación eléctrica. En la figura 2-1, puede revisarse la ubicación del nuevo edificio de una manera más exacta en el mapa. Análisis de diagramas y planos del edificio municipal 34 Figura 2-1, Ubicación en el mapa del nuevo edificio Municipal de Santo Domingo. Por otra parte, en la figura 2-2, queda en evidencia la gran cantidad de superficie disponible en la cubierta del edificio para ser aprovechada por un sistema fotovoltaico, aproximadamente 2570,98[m2]. Figura 2-2, Vista de planta, en donde se evidencia la superficie disponible en la cubierta del edificio. Análisis de diagramas y planos del edificio municipal 35 Si bien, en un principio se propuso realizar en la cubierta un sitio con áreas verdes, en conjunto con los árboles que acompañan al edificio, en la práctica esta idea fue desechada y los árboles fueron talados, favoreciendo la generación y el correcto funcionamiento del sistema fotovoltaico a instalar al evitar la gran cantidad de sombras producidas por los árboles. En la figura 2-3, se presenta una vista de frente del edificio, imagen que verifica las mediciones realizadas al plano, en donde se muestra que la altura total desde el suelo hasta la cubierta es de aproximadamente 8.75[m]. Figura 2-3, Vista de frente del edificio de la Municipalidad de Santo Domingo. 2.3 Análisis de sombras El análisis de sombras se realiza principalmente con el objetivo de considerar los siguientes aspectos: Las pérdidas, ya que el sistema produce menos energía, bajo efectos sombra. Aumentos de temperatura indeseados en el módulo afectado. Reducción de vida útil y producción de puntos calientes. Disminución del rendimiento del sistema. El sistema fotovoltaico a instalarse en la cubierta del edificio, requiere de un estudio de sombras, con el objetivo de buscar puntos débiles en el sistema que puedan ser vulnerables al efecto sombra en los módulos, de manera de ser afectados traduciéndose en bajas drásticas en la generación eléctrica. Es por esto que se analizan los siguientes aspectos: Análisis de diagramas y planos del edificio municipal 36 Presencia de objetos o de otros edificios cercanos que tengan la capacidad de producir una sombra al edificio. Estudio de sombras temporales, relacionadas con la estacionalidad del año y la altura solar. Estudio de tuberías, paredes, postes o tubos que puedan producir sombra en los módulos fotovoltaicos de la cubierta. Se concluye que no existen sombras perjudiciales posibles, por parte de edificios o árboles, para el sistema fotovoltaico, ya que estos últimos que presentaban una mayor altura que el edificio, y que tenían el potencial para producir una sombra que fuese capaz de afectar los módulos, fueron talados. Sin embargo, existe una muralla de 75[cm] en la cubierta, orientada al norte la cual podría generar una sombra a 1,5[m] en el peor de los casos. Cálculo de la separación mínima entre paneles fotovoltaicos para evitar sombras Es necesario saber con exactitud cuál debe ser la distancia correcta entre filas de paneles, para que estos mismos no generen sombras en las celdas de las filas de atrás del arreglo fotovoltaico. Para esto, es necesario tener en cuenta algunos elementos estudiados en la unidad de radiación solar. El caso donde la radiación solar genera la mayor sombra hacia atrás del panel se da cuando se presenta la mínima altura del sol respecto al horizonte. Esta fecha corresponde al solsticio de invierno (21 de Junio). Esta será la fecha utilizada para el dimensionamiento. Para el dimensionamiento se utilizará la herramienta de un sitio web diseñado para el analisis del patrón solar, http://andrewmarsh.com/apps/staging/sunpath3d.html. Este sitio permite conocer la trayectoria del sol en cualquier localidad (latitud, longitud), fecha y horario que se desee, ver ilustraciones 2-1 y 2-2. Para este caso se utilizarán los siguientes datos: Valparaíso (latitud = -33,6451°, longitud = -71,6239°) Fecha: 21 de Junio de 2018 (Solsticio de Invierno) Análisis de diagramas y planos del edificio municipal 37 Ilustración 2-1 Utilizando la herramienta Sun Path. Analizando el ciclo de radiación solar diario se sabe que al medio día el sol alcanza su máxima altura. Sin embargo, se tomará en cuenta el caso más desfavorable en donde el sol describe su mínima altura. Se tomó un arco crítico de radiación desde las 09:00 de la mañana hasta las 15:00 de la tarde. Es en este periodo donde la captación de radiacíon solar por parte de los paneles toma valores significativos (para el 21 de Junio de 2018). Tomando en consideración el arco crítico, la mínima altura del sol respecto al suelo se da a la 09:00 y a las 15:00 hrs. Estas dos horas se utilizarán para el cálculo. Ilustración 1-2 Carta solar del 21 de Junio de 2018. Análisis de diagramas y planos del edificio municipal 38 Los módulos fotovoltaicos a utilizar en el sistema, son de la marca CSUN. Los cuales para una potencia de 265[W] tienen una altura de 1,65m y se instaló con un grado de inclinación de 30° y un azimut de -10° desviación Norte, figura 2-4. Figura 2-4 Orientación e inclinación del módulo fotovoltaico. La altura h desde el suelo hasta el extremo superior del panel se obtiene de la siguiente forma: Analizando la carta solar, se puede apreciar que a las 09:00 de la mañana el ángulo de elevación del sol es de 20,77° y el Azimut de 41,11°. Luego se procede a calcular el valor de “d” que representa la proyección de sombra que genera la radiación solar al incidir sobre el panel fotovoltaico. Figura 2-5. Proyección sombreada del módulo por influencia del Sol a las 9 hrs. el 21 de junio de 2018. La proyección d, no intersecta perpendicularmente a la superficie del panel debido a que el Sol a esa hora, fig. 2-6 a), se encuentra hacia el noreste. Por lo mismo, es necesario realizar un cálculo Análisis de diagramas y planos del edificio municipal 39 más para conocer el valor de d’ el cual representa la distancia final que debe existir entre filas de paneles.Realizando el mismo procedimiento para las 15:00 horas, fig. 2-6 b). Se tiene un ángulo de elevación del Sol de 17,43° y un Azimut de -45,51° (21 de Junio de 2018). Según los cálculos, d = 2.628[m]. Figura 2-7. Distancia mínima de separación entre filas. a) 09:00 horas b) 15:00 horas Figura 2-6 a) Proyección sombreada del módulo a las 9 hrs. b) Proyección sombreada del módulo a las 15 hrs. Análisis de diagramas y planos del edificio municipal 40 En la figura 2-7 puede apreciarse la distancia mínima de separación entre filas de paneles solares en el arreglo fotovoltaico es de metros. 41 3 Puntos destacados de las normativas vigentes 3.1 Normativas asociadas a los proyectos de energía solar Las normativas asociadas a los sistemas fotovoltaicos, las cuales rigen la instalación, operación, y conexión de estas a la red de distribución eléctrica, tienen como objetivo asegurar un correcto funcionamiento de las unidades de generación, priorizando la seguridad y la menor influencia posible al sistema eléctrico de potencia y al entorno, en cuanto a los parámetros de operación utilizados en Chile. La entidad que regula el total cumplimiento de estas normativas en nuestro país, es la Superintendencia de Electricidad y Combustibles, SEC. Las normativas más importantes que rigen de manera técnica el sistema propuesto son: 1. RGR N°01/2017 - Procedimiento de comunicación de energización de generadoras residenciales. 2. RGR N°02/2017 - Diseño y ejecución de las instalaciones fotovoltaicas conectadas a redes de distribución. 3. Norma técnica de conexión y operación de equipamiento de generación en baja tensión. 4. RTIC N° 09 – Sistemas de autogeneración y equipos para instalaciones ERNC. 5. Nch 4/2003 – Instalaciones eléctricas. 3.2 Alcances del proyecto con la normativa RGR N°1/2017 Esta normativa destaca que para proyectos iguales o mayores a 30kW y menores o iguales a 100kW de instalaciones fotovoltaicas, se deben entregar los siguientes documentos [10]: a. Memoria Explicativa. b. Memoria de cálculos de estructura, sólo para aquellas instalaciones sobre la techumbre. Las exigencias normativas de esta memoria están contenidas en la instrucción técnica RGR N° 02 o las disposiciones que la reemplacen. c. Planos d. Informe de ensayos y mediciones del generador – Verificación inicial. e. Check-List de autoevaluación realizado por el instalador. Puntos destacados de las normativas vigentes 42 f. Informe de imágenes en formato Word o PDF que muestre la instalación ejecutada. g. Informe de Operación de la Unidad Generadora y Declaración del Propietario. Además de explicarse en la normativa la correcta manera de realizar los documentos requeridos presentados anteriormente, también se instruye y se informa acerca de los formularios necesarios que son utilizados con el objetivo de conectarse a la red de distribución. 3.3 Alcances del proyecto con la normativa RGR N°02/2017 Esta normativa acota los requerimientos que se deben observar para el diseño, ejecución, inspección y mantención de las instalaciones eléctricas fotovoltaicas que se comunican a la Superintendencia de Electricidad y Combustibles para ser conectadas a la red de distribución [11], con el fin de entregar un servicio eficiente y de salvaguardar la seguridad de las personas que las operan o hacen uso de ellas, así como la integridad física y operacional de la red de distribución eléctrica. Disposiciones generales presentadas en la normativa Se hace énfasis al trabajo en conjunto del sistema fotovoltaico con un generador, dado que en el proyecto existe un grupo electrógeno de 350KVA. En el punto 5.11 de la normativa se sostienen las medidas de operación que debe tener el sistema fotovoltaico respecto al generador [11]. Por lo tanto, se indica lo siguiente: Solo se permitirá que el sistema de generación fotovoltaica funcione en paralelo con un grupo electrógeno o que se conecten a una misma barra cuando se cumplan cualquiera de las siguientes condiciones: a) Cuando el grupo electrógeno cuente con una protección de potencia inversa. b) Se demuestre técnicamente que la operación en paralelo de estas unidades de generación es compatible ante cualquier circunstancia y cuando el fabricante del grupo electrógeno lo especifique. c) El sistema fotovoltaico cuente con un sistema de bloqueo que impida que ambas unidades funcionen en paralelo. Alcances sobre la estructura Dentro de los puntos que tienen relación con el proyecto fotovoltaico, con respecto a la estructura destacan [11]: 7.1. La estructura de soporte de la unidad de generación fotovoltaica deberá satisfacer la normativa vigente en Chile, en cuanto a edificación y diseño estructural para los efectos del viento, nieve y sísmicos. 7.2. Las estructuras sobre techo cuya potencia instalada de la unidad de generación fotovoltaica sea igual o superior a 30kW, deberán satisfacer, adicionalmente, los requerimientos establecidos Puntos destacados de las normativas vigentes 43 en las normas NCh 433 o NCh 2369, según corresponda. No obstante, si el peso total de la unidad de generación fotovoltaica, incluido inversor(es) y medidas de seguridad, es mayor o igual al 10% del peso sísmico original de la estructura principal, se deberá presentar una memoria de cálculo de las estructuras, independiente de la capacidad instalada. 7.6. La totalidad de la estructura de la unidad de generación fotovoltaica se conectará a la tierra de protección. Arreglos y conexión eléctrica 9.4. Los arreglos y conexiones de las unidades de generación fotovoltaicos deberán ser diseñados y ejecutados con el objetivo que no se generen corrientes inversas entre los distintos string. En los arreglos que producto de su configuración, pueden generarse corrientes inversas, estas no deberán ser mayores que las corrientes inversas máximas que soportan los módulos o paneles fotovoltaicos, de lo contrario deberán ser limitadas mediante la utilización de diodos de bloqueo y/o protecciones de sobrecorriente (fusibles o interruptores automáticos). 9.5. Cada arreglo o string de la unidad de generación fotovoltaico deberá conectarse al inversor fotovoltaico de la siguiente manera: 9.5.1. Directamente al inversor en forma independiente. Esta configuración será admitida en instalaciones que utilicen los inversores con configuración string, en que cada string se conecta directamente al inversor en positivo y negativo, sin ninguna conexión intermedia. 9.5.2. Mediante una caja de conexiones de string o junction box acorde a lo descrito en el punto 9.9. Se utilizará esta configuración para instalaciones que utilicen los inversores con configuración central o para inversores con configuración string empleados en aquellas instalaciones en las que sea necesario agrupar en paralelo dos o más strings. 9.8. Las protecciones que impiden la circulación de corriente inversa tales como diodos de bloqueo, fusibles o protecciones equivalentes, podrán omitirse sólo cuando se conecte un máximo de dos string por entrada MPPT, conectados de forma directa al inversor, siempre que la suma de las corrientes máximas de los dos string, no exceda la capacidad de corriente del conductor y no exceda la corriente máxima inversa de los módulos. 9.9. Las cajas de conexión, junction box o tablero de CC de las unidades de generación fotovoltaica indicadas en el punto 9.5.2, deberán contar con los siguientes elementos: a) Seccionador bajo carga. b) Descargadores de sobretensión tipo 2. c) Fusibles o interruptores automáticos en CC, polos negativos, por cada string. d) Fusibles o interruptores automáticos en CC, polos positivos, por cada string. e) Bornes de conexión CC para línea colectora hacia el inversor. f) Borne de conexión para conductor de puesta a tierra. g) El tablero CC deberá ser resistente a la radiación UV,
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