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PROYECTO FIN DE CARRERA Bianca Martínez Cerro Enero 2011
Índice general 1. Energía Fotovoltaica
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1.1. Introducción a la energía solar fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.1.1. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.2. Energía Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.2.1. Aprovechamiento de la energía solar fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.2.2. Razones para elegir energía solar fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.3. Las barreras de entrada para la energía solar fotovoltaica en España . . . . . . . . . . . .
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1.3.1. Barreras Económicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.3.2. Barreras tecnológicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.3.3. Barreras Normativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.3.4. Barreras Sociales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.4. Conceptos básicos de la energía solar fotovoltaica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2. Sistemas fotovoltaicos
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2.1. Sistemas fotovoltaicos de conexión aislada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2.1.1. Características técnicas de los sistemas aislados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2.1.2. Los consumos conectados a un sistema fotovoltaico de conexión aislada
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2.1.3. Las protecciones y la puesta en marcha de una instalación de conexión aislada . .
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2.1.4. Con…guraciones típicas para instalaciones Aisladas . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2.1.5. Componentes que conforman un sistema fotovoltaico aislado . . . . . . . . . . . . .
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2.2. Sistemas fotovoltaicos conectados a red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2.2.1. Principales aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica convencional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2.2.2. Condiciones generales de la conexión a red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2.2.3. El papel del Inversor en sistemas de conexión a red . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2.2.4. Componentes que conforman un sistema fotovoltaico de conexión a red . . . . . . .
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3. Componentes de los sistemas fotovoltaicos 3.1. Módulos fotovoltaicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
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3.1.1. Naturaleza de una célula solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.1.2. Proceso de fabricación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.1.3. Características eléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.2. Generador fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.2.1. Tipos de estructura soporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.2.2. Normativa y requisitos de las estructuras de soporte . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.3. El Regulador de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.3.1. Regulación de la intensidad de carga de las baterías . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.3.2. Tipos de reguladores de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.3.3. Principales diferencias entre el regulador de carga en serie y en paralelo . . . . . .
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3.3.4. Algunas características de los reguladores de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.3.5. El regulador de carga en una instalación aislada . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.4. Las Baterías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.4.1. Algunos tipos de baterías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.4.2. Las baterías en una Instalación de conexión aislada . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.5. El inversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.5.1. Tipos de inversores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.5.2. Requisitos de un inversor en el sistema fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.5.3. Seguridad y normativa de un inversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.5.4. El inversor en una instalación de conexión aislada . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.5.5. El Inversor en una instalación de conexión a red . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.6. Los cables de conexionado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.6.1. El cableado en una instalación fotovoltaica de conexión aislada . . . . . . . . . . .
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3.6.2. El cableado en una instalación fotovoltaica de conexión a red . . . . . . . . . . . .
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3.7. Sistema de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.7.1. Centros de transformación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.8. Elementos de protección del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.8.1. Protecciones
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3.8.2. Puesta a tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.9. Sistema de monitorización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.9.1. Instalación fotovoltaica de conexión a red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.9.2. Instalación de fotovoltaica de conexión a aislada . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.10. Mantenimiento de la instalación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4. Marco social del proyecto
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4.1. Cambio climático, problemática actual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4.1.1. Extrapolación de la situación actual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4.2. El Amazonas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4.2.1. Datos meteorológicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4.3. Resguardo indígena EL PROGRESO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4.3.1. Cultura y Mitos de la creación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4.3.2. Economía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4.3.3. Transporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4.3.4. Artesanía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4.3.5. Gastronomía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4.4. Descripción del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4.4.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4.4.2. Objetivo del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4.4.3. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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5. Conceptos a tener en cuenta en el dimensionado de una instalación
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5.1. De…nición de algunos conceptos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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5.1.1. Datos técnicos de la instalación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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5.1.2. Radiación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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5.1.3. Paneles fotovoltaicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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5.1.4. Baterías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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5.1.5. Sistema de regulación y control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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5.1.6. Inversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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5.2. Dimensionado del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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5.2.1. Dimensionado de un sistema aislado para bombeo de Agua . . . . . . . . . . . . .
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6. Dimensionado y características de los elementos de la instalación
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6.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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6.2. Dimensionado del Sistema Aislado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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6.2.1. Dimensionado de la instalación, sin grupo electrógeno de apoyo . . . . . . . . . . .
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6.2.2. Abastecimiento de energía para las viviendas de la comunidad . . . . . . . . . . . .
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6.2.3. Abastecimiento de energía para la casa comunal de la comunidad . . . . . . . . . .
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6.2.4. Instalación de abastecimiento para el consumo del puesto de salud del poblado . .
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6.2.5. Instalación de abastecimiento para el consumo de la escuela de la comunidad . . .
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6.2.6. Instalación de abastecimiento para el consumo de la bomba de extracción de agua para la comunidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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6.2.7. Instalación de abastecimiento para el consumo del alumbrado público del poblado
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6.2.8. Variación en el dimensionado de la Instalación, con un grupo electrógeno de apoyo
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6.2.9. Dimensionado de la instalación de consumo básico . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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6.3. Resumen del contenido y conexionado de los elementos de la instalación . . . . . . . . . .
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7. Financiación y mantenimiento de la instalación 7.0.1. Presupuesto de la Instalación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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8. Proyección Futura
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9. Conclusion
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10.Bibliografía y referencias
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11.Anexos
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5 Agradecimientos A los Alarcón Gallo por ser mi familia del alma, y enseñarme los sencillos secretos de la vida, a través de su sabia manera de vivir. A Jose Matás, mi tutor, porque siempre me ha dado un amplio espacio para que desarrolle la parte más sensible de mi espíritu. A los Indígenas y a lo salvaje de la selva amazónica, porque han sido los impulsores de este proyecto y gracias a ellos se mantiene viva la llama de la esperanza en mi corazón.
Capítulo 1
Energía Fotovoltaica 1.1.
Introducción a la energía solar fotovoltaica
La disponibilidad de energía en el mundo se ha convertido en un problema crucial, dado que las sociedades, sin importar el nivel de desarrollo en el que se encuentren, se ven afectadas por las crecientes demandas requeridas para satisfacer sus metas. La oferta de energía está sufriendo una transición, empezando desde su inicial dependencia de los hidrocarburos hacia aplicaciones energéticas más diversi…cadas, lo cual implica un mayor aprovechamiento de las diferentes fuentes de energía renovables de las que disponemos. Dentro de las variadas fuentes naturales de energía existentes, el sol es una fuente inagotable de recursos para el hombre. Provee energía limpia, abundante y disponible en la mayor parte de la super…cie terrestre, puede por lo tanto suministrarnos la energía necesaria evitando problemas ambientales derivados de procesos convencionales del tratamiento de los recursos, como el petróleo, centrales nucleares y otras alternativas energéticas. Pero muy a pesar de los avances tecnológicos en esta materia a lo largo de las últimas décadas, el aprovechamiento que ha tenido ha sido muy insigni…cante, en comparación con el consumo global de energía en el mundo. Los principales problemas técnicos que se plantea para el aprovechamiento de la energía solar son los siguientes: i. Gran dispersión de la energía solar sobre la super…cie terrestre. ii. Carácter incontrolable y variable en el tiempo de la intensidad de la radiación solar. La radiación solar que recibe una super…cie horizontal es del orden de 1kW/m2 al mediodía, variando según la latitud del lugar, nubosidad, humedad y otros factores como la intermitencia de radiación. En el caso de los países en donde se suceden las estaciones, en el invierno que es cuando más se necesita la energía solar, esta es menor, de modo que no siempre la disponibilidad de dicha energía es un factor proporcional a 6
7 la demanda. Por ello se requieren sistemas de almacenamiento para un tiempo de autonomía determinado y en caso de superarse el mismo, es necesario el apoyo de un sistema de respaldo suplementario.
1.1.1.
Antecedentes
Los recursos energéticos son utilizados por el hombre con el objeto de satisfacer algunas de sus necesidades, en la mayoría de los casos en forma de calor y trabajo. Calor y trabajo, en el sentido aquí expuesto son necesidades básicas en cualquier grupo humano, independientemente de su nivel social, económico o tecnológico. Para su producción, el hombre ha utilizado a lo largo de la historia, una gran variedad de recursos energéticos. Al principio de nuestra era, el calor era producido por medio de combustión de leña, mientras que el trabajo en pequeña escala, era producido por la fuerza humana, a mediana escala se obtenía del trabajo de animales domesticables, y a gran escala se podía extraer del viento, utilizado para mover los grandes veleros mercantes y de guerra. Hacia …nales del siglo XVII aparecieron las primeras máquinas térmicas, en la segunda mitad del siglo XVIII el escocés James Watt perfeccionó la máquina de vapor, facilitando la producción industrial de grandes cantidades de trabajo a partir de la combustión de leña y después de carbón mineral. A principios del siglo XIX, ya existían en Inglaterra y Estados Unidos algunos barcos de vapor. A mediados del mismo siglo se inventaron los primeros motores de combustión interna, los cuales requerirán un combustible muy especí…co para su funcionamiento. Con el tiempo y por razones técnicas, los motores de combustión interna, principalmente los de gasolina y diesel, se hicieron cada vez más seguros, económicos. Aparecieron también otras máquinas térmicas como la turbina y los motores a reacción, con la necesidad de combustible también especí…co. Así es como nuestra sociedad se fue haciendo dependiente de los combustibles fósiles. Los combustibles fósiles, comprenden principalmente el petróleo y sus derivados, el gas natural y el carbón mineral. Al principio de la explotación de combustibles fósiles, estos recursos se consideraban ilimitados y su impacto ambiental era despreciable. Sin embargo el crecimiento de la población mundial y el aumento del consumo de recursos, a provocado una disminución considerable de las reservas naturales de petróleo, alteraciones de la atmosfera a nivel mundial, y el aumento considerable de las emisiones de dióxido de carbono, el producto es el calentamiento atmosférico conocido como efecto invernadero, que está produciendo ya un incremento de la temperatura promedio, un aumento en las radiaciones solares, y otros fenómenos naturales de alteraciones a nivel geográ…co, biológico, y agrícola. Tanto por razones económicas (escasez de hidrocarburos) y más importante aún, por razones ecológicas (alteraciones de la atmosfera y el suelo), es imperativo el desarrollo de nuevas alternativas energéticas, menos agresivas con el ambiente. Ya que el consumo global no puede mantenerse inde…nidamente sin amenazar su propia existencia.
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1.2.
Energía Solar
La energía solar está constituida por la porción de luz que emite el sol y que es interceptada por la tierra. Una de las aplicaciones de la energía solar es directamente como fuente de iluminación, por ejemplo para la iluminación de recintos. En este sentido cualquier ventana es un colector solar. Otra aplicación cotidiana, es el secado de la ropa y algunos productos en procesos de producción con tecnología simple. Hay otras formas de aprovechar la energía proveniente del sol, en conjunción con otras técnicas, como por ejemplo la energía solar térmica. Cuyo aprovechamiento se logra por medio del calentamiento de algún medio, y es utilizado en aplicaciones térmicas de climatización de viviendas, refrigeración, secado, etc. Otra forma es la denominada energía solar fotovoltaica, en la cual se centrará este proyecto, y consiste en el aprovechamiento de la radiación solar incidente sobre celdas fotoeléctricas, capaces de convertir la luz solar recibida en un potencial eléctrico.
1.2.1.
Aprovechamiento de la energía solar fotovoltaica
Sabemos que la energía media anual incidente sobre la super…cie terrestre en nuestra latitud es de 5kWh por metro cuadrado. El valor medio por día de la energía incidente es de unos 0.2kWh/m2 . El problema con el que nos encontramos es que la tierra describe una trayectoria alrededor del sol que hace que la inclinación con la que inciden los rayos solares sobre la super…cie terráquea varíe a lo largo del día, del año y de las estaciones. En una latitud como la de España, la inclinación solar sobre la super…cie variará entre 0o y 20o en invierno , y entre los 0o y los 60o en verano. Lógicamente las células solares están preparadas para trabajar con el máximo potencial cuando reciben la radiación perpendicularmente. Es por ello necesario optimizar las instalaciones, de manera que se considere en su diseño que el ángulo de los paneles solares adopte una inclinación variable entre los 0o y 60o dependiendo de la estación, y además, garantizar que la orientación este-oeste sea la adecuada, de manera que al amanecer los paneles intercepten la salida del sol, siguiendo su recorrido para acabar la jornada orientados al este, en el ocaso. Para facilitar la explotación de las instalaciones solares, se ha llegado a una solución de compromiso, en la que se toma un ángulo de referencia de unos 30o y siempre orientando los paneles hacia el sur. De todas formas, actualmente el mercado ofrece mecanismos de soportes para generadores fotovoltaicos que incluyen el seguimiento del punto de máxima potencia estacional o diario en uno o dos ejes, los cuales traen consigo un considerable aumento en el rendimiento de una instalación y que termina compensando la inversión inicialmente realizada.
1.2.2.
Razones para elegir energía solar fotovoltaica
Simplicidad. Generación de electricidad directamente a partir de la luz del sol.
9 Modularidad. Un sistema fotovoltaico siempre va a poder ampliarse con nuevos elemento. Duración. Los módulos fotovoltaicos están pensados para resistir todo tipo de fenómenos ambientales adversos. Los fabricantes garantizan los paneles por periodos de 20 a 40 años, incluyendo la producción y el rendimiento del módulo. Seguridad. En un sistema fotovoltaico, no hay riesgos que puedan afectar a personas o el entorno. No existen elementos nocivos o in‡amables, no atraen rayos. Los inversores que conectan el sistema con la red eléctrica poseen dispositivos de seguridad que los hacen …ables.
1.3.
Las barreras de entrada para la energía solar fotovoltaica en España
Las barreras se agrupan en función de cuatro criterios clasi…catorios: Económicas Tecnológicas Normativas Sociales
1.3.1.
Barreras Económicas
1. La rentabilidad insu…ciente, hace necesario una prima elevada. Afortunadamente se han encontrado soluciones a esta primera barrera. i. Ayudas por parte de comunidades autónomas y fondos del estado. ii. Bajada progresiva de los precios de las instalaciones, lo cual permitirá una mejora en la rentabilidad, siempre y cuando se mantenga la prima en condiciones próximas a las de…nidas en el RD 661/2007. 2. La falta de incentivos …scales desequilibra los pesos en la balanza, mientras que cualquier empresa que invierta en una instalación energía solar sin importar la con…guración de dicha instalación, tiene la posibilidad de deducción de un 10 % de la inversión, los particulares que realicen instalaciones aisladas no cuentan con deducciones de IRPF.
1.3.2.
Barreras tecnológicas
1. La falta de iniciativas e incentivos de parte de las líneas de apoyo, la situación del mercado no permiten la promoción para la creación de instalaciones novedosas desde el punto de vista técnico.
10 2. El crecimiento en dos sectores distintos como la industria de la electrónica y la fotovoltaica está creando tensión en el mercado de abastecimiento de las materias primas de las que se nutren ambos sectores.
1.3.3.
Barreras Normativas
1. Las limitaciones de primas, tarifas y el límite en MW que el RD 661/2007 estableció desde septiembre del 2008, supone una clarísima limitación en el desarrollo del sector fotovoltaico. 2. El sector de la construcción parece reacio a la incorporación de energía solar fotovoltaica dentro de su mercado. No obstante esta la puerta abierta a su uso en nuevas edi…caciones, siempre que las condiciones de diseño y entorno lo hagan posible. 3. La energía solar se caracteriza por su elevado grado de dispersión. Para que los numerosos potenciales usuarios se interesen en llevar a cabo las numerosas pequeñas instalaciones, existe la necesidad de establecer trámites burocráticos acordes con las dimensiones de las instalaciones. Hasta el momento dichos trámites son competencia de la administración autonómica y aunque en algunas se ha avanzado notablemente, aún resultan muy complejos o desconocidos por los técnicos en algunas CCAA o provincias. Por otro lado la necesidad de tramitar el impuesto eléctrico se suma a las actuales barreras existentes. 4. La normativa vigente presenta importantes lagunas técnicas respecto a preinscripciones para la ejecución de instalaciones, ya que no se encuentran recogidas en el reglamento electrotécnico de Baja Tensión. Esto acarrea graves inconvenientes y entre otros problemas la seguridad y delimitación de responsabilidades. 5. La reglamentación especí…ca sobre conexión de energía fotovoltaica RD 1663/2000, de baja tensión. Sin embargo numerosos usuarios potenciales no tienen la posibilidad de acceso a líneas de baja tensión, Por ejemplo en el caso de edi…cios o complejos de edi…cios no urbanos, y si tiene dicho acceso, deben contratar una nueva línea. 6. A día de hoy aún existen dudas respecto a las normativas RD 1663/2000, relativas a aspectos técnicos de los inversores y de las protecciones necesarias en las instalaciones.
1.3.4.
Barreras Sociales
1. Aunque se ha avanzado bastante en los últimos años, existe todavía un gran desconocimiento entre los potenciales usuarios, que en el caso de la energía solar fotovoltaica es el público en general. 2. Los ayuntamientos pueden y deberían ser los principales precursores de la energía solar fotovoltaica en el ámbito de sus competencias sobre medio ambiente. Si bien ha existido un desarrollo normativo, en la práctica la administración local no ha aplicado las diversas boni…caciones para las cuales se les ha habilitado. El desarrollo normativo ha sido el siguiente:
11 i. Ley 51/2002, a través de la cual existe la posibilidad de que los ayuntamientos apliquen una boni…cación de hasta el 50 % del IAE y hasta el 95 % del impuesto de construcción, instalaciones y obras, para el aprovechamiento de energía solar para auto consumo. ii. Real decreto Ley 2/2003, a través de la cual existe la posibilidad de que los ayuntamientos apliquen una boni…cación de hasta el 50 % del IAE para el aprovechamiento de energía solar para auto consumo. iii. Ley 62/2003, a través de la cual los ayuntamientos pueden aplicar las boni…caciones en todos los casos. Una de las razones de la falta de aplicación, además de su repercusión económica, ha sido la falta de desconocimiento de parte de la administración local.
1.4.
Conceptos básicos de la energía solar fotovoltaica.
La energía solar es aquella que se obtiene mediante la transformación directa del espectro electromagnético de la energía del sol en energía eléctrica, por medio de módulos o paneles solares. En términos generales, la energía solar fotovoltaica se puede utilizar para hacer funcionar electrodomésticos de bajo consumo energético, sobre todo es útil en aquellos lugares en donde no existe acceso a la red eléctrica convencional. No obstante en instalaciones de gran tamaño, se puede plantear el uso de energía solar fotovoltaica para producción de energía eléctrica, como es el caso de las redes de distribución y transporte eléctrico. Para ello es necesario disponer de un sistema formado por dispositivos especializados en la transformación de la energía solar en energía eléctrica. Dicho sistema recibe el nombre de sistema fotovoltaico. Los componentes que conforman el sistema fotovoltaico, vendrán determinados por el tipo de instalación y el uso de la misma. i. Alimentación en corriente continúa o alterna por medio de una instalación aislada. ii. Generación de electricidad para venta a red.
Capítulo 2
Sistemas fotovoltaicos En términos generales, se de…ne como sistema fotovoltaico, el conjunto de componentes mecánicos, eléctricos y electrónicos utilizados en el aprovechamiento de la energía solar disponible para transformarla en energía eléctrica. Estos sistemas, dependiendo de su con…guración y de la potencia producida, se dividen en dos categorías: Sistemas Aislados. Sistemas de conexión a red.
2.1.
Sistemas fotovoltaicos de conexión aislada
Componentes de una Instalación aislada 12
(2.1)
13 Utilizados para proveer electricidad a sitios lejanos, que por su ubicación geográ…ca y di…cultad de acceso no compensa pagar el coste de la conexión a la red convencional. Los sistemas aislados al no estar conectados a la red eléctrica, normalmente están equipados con baterías de acumulación para la energía producida. La acumulación es necesaria, porque el sistema fotovoltaico depende de la insolación captada durante el día, y a menudo la demanda de energía por parte del usuario se concentra en las horas de la tarde y nocturnas. Es necesario dimensionar la instalación de manera que durante el periodo de insolación permita la carga de la batería y a su vez sea capaz de alimentar las cargas conectadas al sistema. En estos sistemas la energía producida por lo módulos solares es almacenada en las baterías de acumulación a través de un sistemas reguladores de carga, los cuales están preparados para alimentar pequeños consumos en corriente directa. El inversor va conectado a las baterías y es el encargado de transformar la energía almacenada en los acumuladores en corriente alterna para alimentación de consumos. Para conseguir un suministro de corriente absolutamente …able, puede incorporarse al sistema un grupo electrógeno de apoyo, garantizándose que en el caso de que los acumuladores se queden sin energía, el sistema pueda seguir suministrando electricidad. La aplicación de los sistemas fotovoltaicos de conexión aislada se orientan al suministro de energía para. Electri…cación de viviendas y edi…cios Alumbrado público Aplicaciones agropecuarias Bombeo y tratamiento de agua Señalización de carreteras u obras Sistemas de medición o telecontrol aislados Aplicaciones mixtas con otras renovables
2.1.1.
Características técnicas de los sistemas aislados
Todas las instalaciones deberán seguir las normas de protección de personas, dispuestas en el reglamento electrónico de baja tensión o legislaciones posteriores vigentes. Como principio general se debe garantizar un grado mínimo de aislamiento eléctrico para equipos y materiales, se recomienda la utilización de equipos y materiales de aislamiento eléctrico tipo clase II , se deberán incluir elementos necesarios que garanticen la seguridad de las personas frente a contactos eléctricos, especialmente en aquel tipo de instalaciones de operación superior a 50VRM S o 120VDC . Se deberá incluir todas las protecciones necesarias para la instalación, contra cortocircuitos, sobrecargas, y sobretensiones. Los materiales ubicados a la intemperie deberán tener un grado de protección IP65, deberán estar protegidos contra factores ambientales, en particular los efectos de la radiación solar y la humedad. Los
14 materiales ubicados en el interior tendrán un grado de protección IP32. Los equipos electrónicos de la instalación cumplirán con las directivas de seguridad eléctrica y compatibilidad electromagnética que serán garantizadas por el fabricante.
2.1.2.
Los consumos conectados a un sistema fotovoltaico de conexión aislada
En lo que se re…ere a las cargas o consumos, se recomienda utilizar electrodomésticos de alta e…ciencia, como lámparas ‡uorescentes de corriente alterna que cumplan con la normativa al respecto. No se permitirá el uso de lámparas incandescentes. 1. En ausencia de un procedimiento de homologación de lámparas ‡uorescentes de continua, estos dispositivos al menos deberían veri…car lo siguiente: La lámpara debe asegurar un encendido seguro en el margen de tensiones de operación, y en todo el margen de temperaturas ambientes previstas. La lámpara debe estar protegida cuando: i. Se invierte la polaridad de la tensión de entrada. ii. La salida es cortocircuitada. iii. Funciona sin tubo. iv. La potencia de entrada de la lámpara debe estar en el margen de
10 % de la potencia
nominal. v. El rendimiento luminoso de la lámpara debe ser superior a 40 lúmenes/W. vi. La lámpara debe tener una resistencia mínima de 5000 ciclos cuando se aplica el siguiente ciclado: 60 segundos encendido / 150 segundos apagado. viii. Las lámparas no deben producir interferencias electromagnéticas. 2. No se recomienda que se conecten cargas para climatización. 3. Los sistemas con potencia nominal a 500W tendrán como mínimo un contador para medir el consumo de energía (excepto sistemas de bombeo). En sistemas mixtos, consumo en DC y AC, bastará con un contador para medir el consumo en continua de las cargas y del inversor. 4. En sistemas con consumo solamente en AC, se colocará el contador a la salida del inversor. 5. Los enchufes y tomas de corriente continua, deben estar protegidos contra inversión de polaridad. 6. Para el caso particular de sistemas de bombeo de agua: Los sistemas con potencia nominal superior a 500W tendrán un contador volumétrico para medir el volumen del agua bombeada.
15 Las bombas estarán protegidas frente a una posible falta de agua, ya sea con un sistema de detención de la velocidad de giro de la bomba, un detector de nivel o cualquier otro dispositivo especí…co. Las pérdidas de fricción en la tubería y en otros accesorios del sistema hidráulico serán inferiores al 10 % de la energía hidráulica útil proporcionada por la motobomba. Deberá asegurarse la compatibilidad entre la bomba y el pozo, en particular el caudal bombeado no excederá del caudal máximo extraíble del pozo.
2.1.3.
Las protecciones y la puesta en marcha de una instalación de conexión aislada
Todas las instalaciones con tensiones nominales superiores a 48V dispondrán una toma de tierra a la que se conectará la estructura soporte del grupo generador FV y los marcos metálicos de los módulos. Las masas de todas las cargas de alterna, estarán conectadas a tierra. El sistema contará con protecciones que brindaran seguridad a las personas frente a contactos directos e indirectos. La puesta a tierra de las masas y el uso de interruptores diferenciales está particularmente recomendado. La instalación deberá estar protegida frente a cortocircuitos y sobrecargas y sobre tensiones. Se prestará especial atención a la protección de la batería frente a cortocircuitos, mediante un fusible disyuntor magnetotérmico o con cualquier otro dispositivo que cumpla una función similar.
2.1.4.
Con…guraciones típicas para instalaciones Aisladas
Paneles conectados directamente a la carga
(2.2)
16
Instalaciones con paneles solares y un convertidor DC/DC
Instalaciones compuestas por paneles solares y un convertidor DC/AC
Instalación con paneles solares,acumuladores, regulación
(2.3)
(2.4)
(2.5)
de energía. Conectados aconsumos DC
Instalaciones con paneles solares, acumuladores, regulación de energía,convertidor DC/AC y consumos AC y DC
(2.6)
17
Instalaciones con paneles solares, sistemas de regulación acumuladores
(2.7)
convertidor DC/DC, DC/AC y consumos DC y AC
Instalaciones con paneles solares, sistemas de regulación, acumuladores
(2.8)
convertidor DC/DC y consumos DC
Instalaciones con paneles solares, sistema de regulación acumuladores convertidor DC/AC y consumo AC
2.1.5.
Componentes que conforman un sistema fotovoltaico aislado
Módulos fotovoltaicos Regulador de carga Sistema de acumulación Inversor Consumos Sistema de monitorización Cableado, elementos de protección del sistema
(2.9)
18
2.2.
Sistemas fotovoltaicos conectados a red
Componentes de una instalación de conexión a red
(2.10)
A diferencia de los sistemas aislados, este tipo de sistemas no tienen baterías de acumulación para la energía producida por el sistema, ya que la energía producida durante las horas de insolación es canalizada hasta la red eléctrica y la carga es alimentada directamente por la red. Una instalación de este tipo resulta más …able desde el punto de vista de continuidad energética, que una instalación no conectada a al red, que en caso de avería y de no disponer de un grupo eléctrico de apoyo, no tendría posibilidad de alimentación. En los sistemas de conexión a red, es necesario cumplir los requisitos técnicos demandados por la compañía eléctrica a la cual está conectado nuestro sistema. De igual manera se incluirá dentro de nuestro sistema fotovoltaico, un conjunto de medición, para contabilizar la energía producida por el sistema fotovoltaico durante su periodo de funcionamiento. Como principio general se ha de segurar un aislamiento eléctrico mínimo de clase I en lo referente a módulos, inversores, como a el resto de los materiales de la instalación (cajas, armarios, conexiones, cableado, exceptuando el de DC que será de doble aislamiento). La instalación de conexión a red incorporará todos los elementos necesarios para garantizar en todo momento la calidad del suministro eléctrico. El funcionamiento de la instalación no deberá provocar en la red a la cual se conecte, averías, disminuciones de las condiciones de seguridad, ni alteraciones superiores a las permitidas por la normativa vigente. El funcionamiento de la instalación no podrá originar condiciones peligrosas de trabajo para el personal de mantenimiento, ni explotación de la red de distribución.
19 Los materiales situados a la intemperie se protegerán contra agentes ambientales, en particular contra los efectos de la radiación solar y la humedad. La instalación deberá incluir todos los elementos de seguridad, proteccion de personas y de toda la instalación fotovoltaica, para asegura la protección frente a contactos directos e indirectos, cortocircuitos , sobrecargas, así como todos los elementos de protección que establezca la legislación vigente. Las instalaciones de energía solar fotovoltaica de conexión a red, son una interesante solución que supone ventajas de cara a la conservación del medio ambiente, tales como: Ausencia de los costes derivados del uso de combustible, con escaso mantenimiento y pocas posibilidades de averías técnicas. Bene…cios medio ambientales, derivados de los usos de una fuente natural de energía no contaminante e inagotable. Evitando la emisión de contaminante atmosféricos como SO2 , CO2 , Pb, etc, trayendo consigo la eliminación del efecto invernadero, ya que la energía que se introduce a la red eléctrica es una energía limpia generada de la radiación solar. Ventajas económicas y ayudas públicas en forma de créditos y subvenciones a fondo perdido según la comunidad autónoma donde se instale la planta solar. La existencia de una legislación especí…ca, que de…ne los derechos de conexión y venta a red de la energía generada, estableciendo incentivos ilimitados, en forma de primas sobre energías convencionales. La vida media de los paneles solares y por ende se considera también la vida útil de una instalación de conexión a red, está garantizada por un periodo de 25 a 30 años, siendo operativos después de pasado este periodo, pero con la posibilidad de obtener un rendimiento inferior.
2.2.1.
Principales aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica convencional
Sistemas en tejado y edi…cios Sistemas modulares de fácil instalación, pensados para la captación y aprovechamiento de la radiación solar en las super…cies libres de los tejados de casas y edi…cios. Plantas de producción Instalaciones de conexión a red de aplicación industrial, que pueden ser instaladas en zonas rurales o sobrepuestas en grandes cubiertas de áreas urbanas (aparcamientos, centros comerciales, áreas deportivas) no aprovechadas para otros usos. Integración de edi…cios La principal característica de este tipo de instalación es que está integrado en la estructura principal de la edi…cación, de modo que los paneles solares encajan estética y estructuralmente en la cubierta del edi…cio.
20
2.2.2.
Condiciones generales de la conexión a red
Con independencia de lo estipulado en el real decreto 1663/2000, del 29 de septiembre, sobre instalaciones fotovoltaicas de conexión a red de baja tensión, pueden existir condiciones particulares en la normativa de la compañía eléctrica propietaria de la red de distribución en la que pretenda conectar la instalación fotovoltaica. A continuación se detallan algunas condiciones generales que podría ser necesario cumplir de cara a la conexión a red de instalaciones solares. El funcionamiento de la instalación fotovoltaica no deberá provocar en la red averías, disminuciones de las condiciones de seguridad ni alteraciones superiores a las admitidas por la normativa aplicable. Las condiciones de conexión a red se …jaran en función de la potencia de la instalación fotovoltaica, con objeto de evitar efectos perjudiciales a los usuarios con cargas sensibles. Para establecer el punto de conexión a la red de distribución, se tendrá en cuenta la capacidad de transporte de la línea, la potencia instalada en los centros de transformación y las distribuciones en diferentes fases de generadores en régimen especial provistos de inversores monofásicos. No podrá intercalarse ningún elemento de generación ni de acumulación o de consumo, entre el circuito de generación y el equipo de medida. En caso de que la línea de distribución se desconecte de la red, las instalaciones fotovoltaicas no deberán mantener tensión en la línea de distribución. Aplicar la normativa vigente sobre calidad del servicio, en caso de que una instalación fotovoltaica se vea afectada por perturbaciones de la red a la cual se conecta.
2.2.3.
El papel del Inversor en sistemas de conexión a red
A diferencia de los sistemas aislados, que bien podrían funcionar sin inversor dentro de su conjunto, en los sistemas de conexión a red el inversor es el componente más importante de la instalación, ya que maximiza la producción y optimiza las características técnicas de corriente la inyectada a la red. Los inversores de conexión a red, están equipados con un dispositivo electrónico (SPMP) que permiten extraer la máxima potencia del generador fotovoltaico, adaptando las características de producción del campo fotovoltaico a las exigencias de la carga.
2.2.4.
Componentes que conforman un sistema fotovoltaico de conexión a red
Módulos fotovoltaicos Regulador de carga Inversor Sistema de medición de generación de energía Sistema de monitorización Cableado, elementos de protección del sistema
Capítulo 3
Componentes de los sistemas fotovoltaicos 3.1.
Módulos fotovoltaicos
Actualmente las células solares utilizadas en instalaciones fotovoltaicas para generación de energía eléctrica, se basan en las propiedades de los materiales semiconductores como el silicio. No obstante investigaciones en el tema, apunta al desarrollo de tecnologías más e…cientes en base al uso de nano componentes. En la célula fotovoltaica comienza la generación de corriente continua, tan pronto como la luz del sol incide sobre su super…cie. En dicha generación eléctrica no intervienen ningún componente mecánico, ningún proceso químico o térmico. Al incidir la luz solar sobre la super…cie de la célula fotovoltaica, los fotones de la luz solar transmitan su energía a los electrones del semiconductor para que así puedan circular dentro del sólido, parte de estos electrones salen al exterior del material semiconductor generándose así una corriente eléctrica capaz de circular por un circuito externo. Las células solares se unen eléctricamente unas con otras y tras un encapsulado sobre el conjunto de células unidas, con el objetivo de proporcionar resistencia a la intemperie, obteniéndose los conocidos paneles o módulos fotovoltaicos. El número de células en un panel, y por lo tanto su voltaje de salida, depende de la estructura cristalina del semiconductor usado Los módulos se pueden conectar a su vez entre si, formando un número conveniente de ramas o cadenas. Los paneles pueden tener diferentes tamaños, los más utilizados están compuestos por un grupo entre 40 - 80 células conectadas en serie, con una super…cie alrededor de 0,8m2 a 2m2 . El rendimiento de un panel solar fotovoltaico, depende de algunas variables externas, como la radiación solar, la temperatura de funcionamiento, la orientación del panel frente al sol, suciedad, el envejecimiento, etc. 21
22
3.1.1.
Naturaleza de una célula solar
La célula fotovoltaica es un dispositivo formado por una delgada lámina de un material semiconductor, frecuentemente de silicio. El silicio es el elemento más abundante después del oxígeno con una estructura cúbica de con…guración atómica en la que cada átomo contiene cuatro electrones de valencia. Un cristal de silicio tipo ”p”, puede obtenerse dopando silicio con tres electrones de valencia, como por ejemplo el Boro. Un cristal de silicio de tipo ”n”, puede obtenerse dopando el silicio con átomos de cinco electrones de valencia, como por ejemplo el fósforo.
3.1.2.
Proceso de fabricación
El silicio se emplea como materia prima de fabricación en un 87 %, tanto en tecnología cristalina, como en los receptores de lámina delgada basados en silicio amorfo. Para la fabricación de los paneles solares fotovoltaicos, es el silicio desestimado en la industria electrónica el utilizado para la industria fotovoltaica como materia prima para producir silicio cristalino de grado solar. A pesar de que su proceso de fabricación sea más costoso, con el uso del silicio cristalino se obtiene mayor e…ciencia que el caso del silicio monocristalino y poli-cristalino. No obstante se prevé que las tecnologías vayan evolucionando en un futuro inmediato hacia una reducción de costes basada en tres factores fundamentales: La disminución en la aplicación de materias primas y energía La mejora de la e…ciencia La optimización Para fabricarla el silicio es depurado, fundido y cristalizado; posteriormente el silicio cristalino es rebanado en pulidas obleas. Una vez pulidas las obleas, se introduce por difusión a alta temperatura el material dopante, con lo cual se convierte a la oblea en un material semiconductor tipo ”p”si se le añadió boro o de tipo ”n” si el material dopante ha sido fósforo. La corriente entregada por la célula será proporcional a su tamaño. El espesor requerido para efectos fotovoltaicos es del orden de 3 a 4um. Hasta el momento las células fotovoltaicas existentes en el mercado suelen estar construidas en base al silicio. Los cristales de silicio pueden diferentes con…guraciones. Silicio Mono-cristalino Silicio Poli-cristalino Silicio Am Silicio Mono-cristalino: Estructura cristalina con super…cie de brillo uniforme.
23 Alto rendimiento energético. Elaborado proceso de fabricación donde se requieren enorme cantidades de energía eléctrica, incrementando sustancialmente el coste del material. Silicio Poli-cristalino Estructura poli cristalina con zonas de brillo diferentes. Rendimiento energético medio, ligeramente menor que el caso del silicio mono-cristalino. Obtención mediante el fundido de material semiconductor de menor calidad y costo (que el caso del silicio mono- cristalino) y posteriormente es vertido en moldes. El silicio Amorfo El silicio amorfo no presenta estructura cristalina a diferencia de las células antes mencionadas. Las unidades de silicio se fabrican depositando capas delgadas de silicio evaporado al vació (proceso denominado erosión iónica) sobre un sustrato de vidrio, plástico o metal, obteniendo de esta manera células fotovoltaicas bastante económicas. El rendimiento del silicio amorfo crece con la calidad de las capas, debido a que las capas de silicio permiten el paso de la luz solar, es necesario depositar varias capas una encima de otra para conformar una célula. Tal efecto hace que incremente la cantidad de electricidad producida por célula, en contra parte la cantidad de electricidad producida inicialmente, se vé mermada en un 15 % a las 8 semanas de funcionamiento de la célula; ello se debe a que la película delgada presenta una alta degradación cuando es expuesta a los rayos solares.
3.1.3.
Características eléctricas
Máxima potencia de salida La potencia máxima de salida de un panel fotovoltaico, es una de las características más importante. Normalmente la complementación de un sistema fotovoltaico requiere el uso de paneles con potencias de salida de como mínimo de 30 wattios. Los módulos formados tienen una potencia que varia entre las 50W p y los 220W p, dependiendo de la e…cacia y tipos de células componentes. Para cada condición de trabajo se puede calcular la potencia de salida del panel, multiplicando los valores correspondientes al voltaje y la corriente para determinado punto de la curva I-V. En particular, la potencia de salida es nula para dos puntos de trabajo: circuito abierto y cortocircuito. Entre estos valores nulos la potencia alcanza un valor máximo, denominado “valor optimo” o “valor pico” (W p) del panel, que corresponde a una temperatura de trabajo de ambiente de 25o C y que son suministrados por el fabricante. Para determinar el valor optimo se usan los denominados valores estándar STC, los cuales expresan la potencia eléctrica suministrable por el módulo en condiciones estándar de funcionamiento . Temperatura = 25o C
24 Espectro luminoso = 1,5 masa de aire Radiación Solar = 1000W/m2
Pt = Pp
(P p
T)
(3.1)
Donde: Pt es la potencia de salida del panel, Pp es la potencia pico del panel a 25o C, es el coe…ciente de degradación, suministrado por el fabricante, T es el incremento de temperatura por sobre 25o C, Intensidad La corriente de salida de un panel fotovoltaico es función del voltaje en la carga y la temperatura de trabajo, esto es debido a las características intrínsecas de los materiales semiconductores. La intensidad de corriente que genera un panel aumenta con la radiación, permaneciendo el voltaje aproximadamente constante.
Curva característica de corriente-tensión, de un módulo fotovoltaico
(3.2)
En la …gura puede observarse, como para unas condiciones de temperatura constante, las curvas de I-V varían según la incidencia de la radiación solar, que en este caso afecta en mayor medida a la intensidad. En este sentido tiene mucha importancia la colocación (orientación, inclinación respecto a horizontal) de los paneles, ya que los valores de radiación varían a lo largo del día en función de la inclinación del sol
25 respecto al horizonte. Efecto de la Temperatura Es importante colocar los paneles en un lugar aireado, ya que la potencia del panel disminuye al aumentar la temperatura de trabajo del mismo, esto implica que tanto como la corriente de cortocircuito como el voltaje a circuito abierto se vean afectados por la temperatura de trabajo. El aumento de la temperatura en las células fotovoltaicas supone un incremento de corriente, pero al mismo tiempo una disminución de la tensión. Supongamos un rango de variación de temperatura de 25o C a 50o C y posteriormente de 50o C a 75o C, la corriente en cortocircuito aumenta moderadamente un 1 % entre el rango comprendido entre 25o C a 50o C, y un 3 % en el rango de 50o C a 75o C; mientras que el voltaje en circuito abierto disminuye sensiblemente en 8 % a 50o C y cerca de un 15 % a 75o C. La temperatura de trabajo que alcanza el panel, viene determinada por la expresión.
T t = T a + (k R)
(3.3)
Donde: T a es la máxima temperatura ambiente, T t temperatura de trabajo del panel, R es el valor de la radiación solar en W=m2 , y tiene un rango de variación comprendido entre 800 y 1000 W=m2 , k es un coe…ciente que varia entre 0,02 y 0,04o C.m=W , dependiendo de la velocidad promedio. Cuando la velocidad del viento es baja, k toma valores cercanos al máximo 0,04; si la velocidad del viento produce enfriamiento efectivo del panel, el valor de k será mínimo (0,02o C.m=W ). Con alta insolación diaria, se usa el valor máximo de R, si existen nubes pasajeras se reduce el valor de radiación y R toma su valor mínimo. Factor de degradación En la práctica, debido a la disipación de calor en las células del panel, salvo en climas fríos, la temperatura de trabajo excederá siempre los 25o C. Cuando esto ocurre, el valor de la potencia de salida nunca alcanza el valor óptimo especi…cado por el fabricante. El diseño de un sistema fotovoltaico debe tener en cuenta la degradación del panel en función de la temperatura, a …n de satisfacer el requerimiento de nuestro sistema eléctrico durante los días más calurosos del año. Los fabricantes suelen aportar en las especi…caciones técnicas del panel, un factor de degradación o de perdidas por temperatura, en términos de perdidas porcentual de potencia por incremento en o C.
26
3.2.
Generador fotovoltaico
El conjunto de módulos solares conectados en serie, forman lo que se denomina ramal, los ramales conectados en paralelo constituyen el generador fotovoltaico. La …nalidad de esta con…guración es obtener las características de tensión y potencia deseada de acuerdo a los requerimientos de nuestro sistema. Los paneles fotovoltaicos que conforman el generador, están montados sobre una estructura mecánica, capaz de sujetarlos, y orientada para conseguir la optimización de la radiación solar incidente sobre el generador fotovoltaico; esta estructura puede ser …ja o móvil. La cantidad de energía producida por un generador fotovoltaico, al depender de la luz solar, no es constante; esta energía es función de la insolación, de la latitud del lugar, los ciclos de las estaciones y de la variación de las condiciones meteorológicas del entorno, además del tipo de estructura soporte. En el caso de una estructura móvil esta busca el MPP (maximal power point) a lo largo del día, produciéndose un incremento sensible de potencia. Un factor a tener en cuenta en caso de querer alimentar dispositivos que funcionen con corriente alterna o en caso de querer conectar nuestro generador a la red eléctrica, es que el generador fotovoltaico proporciona corriente eléctrica continua, debido a ello y dependiendo de cada aplicación nuestro sistema fotovoltaico deberá tener en cuenta lo siguiente: Latitud y radiación solar media anual del lugar donde se hará la instalación, Características arquitectónicas del terreno o lugar, Potencia pico del sistema, Carga eléctrica demandada, Características eléctricas especí…cas de la carga, Posibilidad de conexión a la red eléctrica.
3.2.1.
Tipos de estructura soporte
El diseño de la estructura deberá tener en cuenta la orientación y el ángulo de inclinación especi…co para cada generador, teniendo en cuenta la facilidad de montaje y desmontaje para la posible sustitución de cualquier elemento. Por ello en su diseño deberemos garantizar que los módulos estén ubicados de cara a maximizar la producción de energía eléctrica a lo largo de todo el año en lo que se re…ere a orientación, inclinación y en ausencia de sombras. Estructuras Fijas La orientación sur sería la ideal para estructuras …jas, pero debido al cambio de posición del sol durante el año, la inclinación ideal variará en función de la latitud. En España normalmente se utiliza un ángulo de 30o sur en instalaciones fotovoltaicas, pero la inclinación puede variar de acuerdo a la aplicación de los criterios de uso e integración arquitectónica
10o .
27 Estructuras con seguimiento solar Las estructuras móviles se sitúan en la posición óptima para que la irradiación solar recibida por el generador fotovoltaico, sea máxima a lo largo del día.
3.2.2.
Normativa y requisitos de las estructuras de soporte
La estructura soporte deberá cumplir requisitos de montaje de acuerdo con la normativa básica de edi…cación NBE-AE-88. Deberá ser capaz de resistir con los módulos instalados, las sobrecargas del viento y nieve; la estructura deberá estar protegida super…cialmente contra la acción de agentes ambientales. En lo que se re…ere al diseño, la construcción de la estructura y el sistema de …jación de los módulos, deberemos asegurar que el conjunto soporte es capaz de aguantar las dilataciones térmicas necesarias, sin que se transmitan cargas que afecten la integridad de los módulos. Para la sujeción del módulo deberemos tener en cuenta el área de apoyo y posición relativa, de manera que no se produzcan ‡exiones superiores a las permitidas para el diseño especí…co del módulo. La tornillería deberá cumplir la normativa MV-106; en caso de tratarse de una estructura galvanizada, se admitirá el uso de tornillos galvanizados, excepto las sujeciones de los módulos a la estructura, que deberán ser de acero inoxidable. Se dispondrán las estructuras soportes necesarias para montar los módulos sobre super…cies planas, como integrados sobre tejado, para minimizar el efecto del sombreado. En caso de instalaciones integradas en cubierta de edi…cios, el diseño de la estructura y la estanquidad entre los módulos se ajustarán a las exigencias de las normas básicas de la edi…cación y a las técnicas usuales en la construcción de cubiertas. Si está construida con per…les de acero laminado en frió, cumplirá la normativa MV-102 para garantizar todas sus características mecánicas y de composición química. Si es de tipo galvanizada en caliente, cumplirá las normas UNE 37-501 y UNE 37-508, con un espesor mínimo de 80 micras para eliminar las necesidades de mantenimiento y prolongar su vida útil.
3.3.
El Regulador de carga
Los reguladores de carga se encargan de la protección de los acumuladores frente a sobrecargas y descargas profundas, ya que puede ocurrir que la potencia requerida por el usuario no sea proporcional
28 a la energía acumulada en la batería o a la radiación solar incidente sobre los módulos fotovoltaicos sea insu…ciente. Durante la noche el voltaje de salida de los paneles solares fotovoltaicos es nulo, al amanecer, atardecer, o en días nublados, el nivel de insolación es bajo y los paneles no pueden cargar las baterías; en este caso el regulador cumple un rol pasivo, aislando el banco de acumulación del sistema de generación, evitando su descarga. Cuando la insolación aumenta, el voltaje de los paneles supera al del banco de acumulación, iniciándose nuevamente el proceso de carga; es entonces cuando el regulador de carga tiene un rol activo, evitando una gasi…cación excesiva del electrolito por sobrecarga. En términos generales la misión de regulador de carga es la de contrarrestar la estabilidad de la fuente primaria El regulador de carga funciona como un servomecanismo en el que se compara en valor deseado en la carga con uno de referencia, y efectúa los cambios necesarios para compensar las variaciones de la fuente primaria y las debidas al consumo o carga conectada a nuestro sistema fotovoltaico. Su tiempo de respuesta es …nito y su error en la estabilidad es función de la ganancia del bucle de la realimentación. El regulador de carga controla constantemente el estado de carga de las baterías, regulando la intensidad de carga de las mismas para alargar su vida útil; también debe tener la capacidad de generar alarmas en función del estado de carga de la batería. Los reguladores actuales introducen micro controladores para la correcta gestión del sistema fotovoltaico al que está conectado, su control adaptativo capaz de adaptase a las distintas situaciones de forma automática, permite también la modi…cación manual de sus parámetros de funcionamiento para instalaciones especializadas, incluso los hay que memorizan datos que permiten conocer la evolución de la instalación durante un tiempo determinado, mediante el registro y la comparación de los valores de tensión, temperatura, intensidad de carga y descarga, y la capacidad del acumulador.
3.3.1.
Regulación de la intensidad de carga de las baterías
Igualación El regulador de carga permite automáticamente la igualación de cargas de los acumuladores tras un periodo de tiempo en el que el estado de carga ha sido bajo, reduciendo al máximo la gasi…cación del electrolito en caso contrario. Carga profunda Tras la igualación, el regulador de carga permite la entrada de corriente de carga a los acumuladores sin interrupción, hasta que se alcanza el nivel máximo de carga, es entonces cuando interrumpiendo la carga, el sistema de control del regulador pasa a la siguiente fase de ‡otación. Cuando se alcanza el punto máximo de carga, la batería ha alcanzado un nivel de carga próximo al 90 % de su capacidad total, en la siguiente fase de ‡otación se completará el 100 % de la capacidad total de carga de la batería.
29 Carga …nal y Flotación La carga …nal de la batería se hace en una zona denominada banda de ‡otación dinámica(BFD), el BFD es el rango de tensión cuyos valores se …jan entre la capacidad total de carga y la tensión nominal de la batería. Una vez alcanzado el voltaje total de carga de la batería, el regulador de corriente inyecta una corriente mínima al sistema, denominada corriente de ‡otación, tal que permita mantener la batería a plena carga, y en caso de que el sistema consuma energía, se compensa la autodescarga de las baterías.
Fases de la carga de una bateria o acumulador
3.3.2.
(3.4)
Tipos de reguladores de carga
La elección de un regulador de carga, está más condicionada a los parámetros eléctricos de nuestro sistema, los detalles de diseño y las opciones ofrecidas por el fabricante. Existen dos tipos de reguladores: 1. Reguladores Lineales: Operan con corriente continua a la entrada Equivalen a una resistencia con valor de ajuste automático Basan su funcionamiento en la caída de tensión en elementos disipativos Tienen un bajo rendimiento 2. Reguladores conmutados: Incorporan un conmutador que interrumpe a intervalos de duración variables, la corriente proveniente del panel solar. Tienen alto rendimiento Los reguladores lineales se agrupan en dos categorías, control en serie y control en paralelo. Esta clasi…cación está relacionada con el paso que toma la corriente de carga, respecto al banco de baterías. En un control en paralelo, cuando el voltaje de la batería alcanza un valor predeterminado (batería
30 cargada), la corriente de los paneles es desviada a un circuito que está en paralelo con las baterías, dicho circuito consta de una resistencia …ja (dummy load), la cual disipa en forma de calor la energía eléctrica proporcionada por el bloque de generación. Cuando el voltaje de carga de las baterías baja por debajo de un valor mínimo establecido por el fabricante, el proceso de carga se restablece nuevamente. Tanto en el control en paralelo como en el control en serie, el máximo valor de la corriente de carga está determinado por la diferencia entre el voltaje de salida de los paneles y el de las baterías. En el control en paralelo la corriente de carga existe o se anula completamente. En el control en serie, dependiendo del diseño, se tiene un proceso similar o de valor variable. Existen diferentes criterios para el diseño de los controles en serie, dependiendo del control optimo de corriente de carga. Sin embargo en todos ellos existen dos características comunes: Alternan periodos activos de cargas con periodos de inactividad La acción del circuito depende del estado de carga del banco de baterías. Durante el periodo activo, algunos modelos usan un voltaje de carga constante, mientras que en otros, el voltaje está limitado por la diferencia de voltaje existente entre los paneles y las baterías. La con…guración del regulador en serie, suele utilizarse cuando se trata de una carga grande, mientras que la con…guración en paralelo suele ser utilizada cuando la carga es pequeña; en este caso, el circuito está protegido frente cortocircuitos.
3.3.3.
Regulador de carga en serie
(3.5)
Regulador de carga en paralelo
(3.6)
Principales diferencias entre el regulador de carga en serie y en paralelo El regulador en paralelo impide que las variaciones de corriente de carga de la batería aparezcan
en el generador fotovoltaico. La energía disipada en forma de calor en el regulador en serie aumenta en proporción directa con la carga de la batería, mientras que en el regulador en paralelo disminuye al aumentar la carga.
31 El regulador en paralelo incorpora un elemento más, que evita la rotura del generador en caso de que falte la carga, además de disipar calor. Por lo que para una entrada y salida determinada con carga idéntica, la potencia la potencia entregada por el generador fotovoltaico es mayor que el caso del regulador de carga en serie. El regulador en paralelo tiene mayor rendimiento que el regulador en serie. A medida que el voltaje de la batería es cercano al estado de ‡otación del regulador, la corriente de carga disminuye hasta anularse al abrirse el interruptor en serie. Cuando esto ocurre, el voltaje de la batería baja alcanzando el mínimo de su diseño, y el interruptor se cierra, repitiéndose la secuencia de carga- ‡otación- descarga. Cuando la disminución de voltaje es despreciable (batería cargada) el control permanece abierto. El valor del voltaje de ‡otación, dependiendo del modelo del regulador, y de los detalles de la batería, puede ser …jo o ajustarse externamente.
3.3.4.
Algunas características de los reguladores de carga
Desconexión del consumo por baja tensión de la batería La tensión de desconexión del consumo es la tensión de la batería a partir de la cual se desconectan las cargas del consumo. La desconexión del consumo por bajo voltaje indica que la descarga en la batería esta próxima al 70 %, de su capacidad nominal, esto ocurre para evitar una sobrecarga puntual de corta duración. Alarma por baja tensión de la batería La alarma por baja tensión de la batería indica una situación de descarga considerable. Esta alarma está en función del valor de la tensión de desconexión de consumo que por norma general será de 0.05 volt=elem. Si la tensión de la batería disminuye por debajo del valor para el que se dispara la alarma durante más tiempo del determinado, entonces el consumo se desconecta, el regulador entra en fase de igualación y el consumo no se restaurará hasta que la batería alcance media carga. Parámetros de diseño Tensión nominal, corresponde a la tensión del sistema, en general 12, 24, 48V. Intensidad del regulador a de ser mayor que la recibida en el total del campo de paneles FV. Indicadores de estado Indicadores de tensión de la batería. Indicadores de sobrecarga y cortocircuito. Indicadores de fase de carga.
32 Protecciones típicas Contra sobre descarga temporizada en consumo. Contra sobre tensiones en paneles, baterías y consumo. Contra desconexión de batería. Parámetros que determinan el funcionamiento Intensidad máxima de carga, es la máxima intensidad procedente del campo de paneles FV, que el regulador es capaz de administrar. Intensidad máxima de consumo: es la máxima corriente que puede pasar del sistema de regulación directamente a un consumo. Voltaje …nal de carga, es el voltaje de la batería por encima del cual se interrumpe la conexión entre el sistema generador FV y la batería, o se reduce gradualmente la corriente media entregada por el generador FV. Es aproximadamente 14.1V para una batería de Pb-ácido de tensión nominal de 12V.
3.3.5.
El regulador de carga en una instalación aislada
Las características esenciales del regulador de carga serán: El voltaje de desconexión de las cargas de consumos, el cual corresponde al valor de carga de la batería por debajo del cual se interrumpe el suministro de electricidad a los consumos. El voltaje …nal de carga, es el valor de la tensión de la batería por encima del cual se interrumpe la conexión entre el generador FV y la batería o se reduce gradualmente la corriente media entregada por el generador FV. Las propiedades necesarias del regulador de carga en una instalación de conexión aislada son las siguientes: Las baterías deberán estar protegidas frente a sobrecargas y descargas profundas. En general, estas protecciones se dispararán automáticamente en el regulador de carga, aunque estas funciones podrán incorporarse a otros equipos siempre y cuando se asegure una protección equivalente. Los reguladores de carga que utilicen la tensión del acumulador como referencia de control de regulación, deberán veri…car los siguientes requisitos: i. La tensión de desconexión del consumo, deberá elegirse para que la interrupción del suministro de electricidad, se produzca cuando la batería haya alcanzado la profundidad máxima de descarga permitida, sin superar en ningún caso este límite. Esta tensión de desconexión debe permanecer constante dentro de todo el margen de variación posible de la temperatura ambiente. ii. La tensión …nal de carga debe asegurar un factor de recarga de la batería superior al 90 %. iii. La tensión …nal de carga debe corregirse por temperatura a razón de 4 a 5 mV =o C=vaso, y estar en el intervalo de más o menos 1 % del valor especi…cado.
33 iv. Se permitirán sobrecargas controladas del acumulador para evitar la estrati…cación del electrolito o para realizar carga de igualación. Los reguladores de cargas estarán protegidos frente a cortocircuitos del acumulador. La selección del regulador de carga, se hará para que pueda resistir sin daños una sobrecarga simultánea de: i. Corriente en la línea de generador: un 25 % superior a la corriente de cortocircuito del generador FV en CEM. ii. Corriente en línea de consumo: un 25 %superior a la corriente máxima de la carga de consumo. El regulador de carga debe estar protegido contra la posibilidad de operación sin acumulador, con el generador operando y con cualquier carga de alimentación DC. En estas condiciones, el regulador debe asegurar, además de su propia protección, la de las cargas conectadas. Las caídas internas de tensión del regulador entre sus terminales de generador y acumulador, serán inferiores al 4 % de la tensión nominal, en las siguientes condiciones: corriente nula en la línea de consumo y corriente igual a la corriente máxima especi…cada para el regulador en la línea generador FVacumulador. Si las caídas de tensión fueran superiores a este valor, por ejemplo, si el regulador incorporara un diodo de bloqueo, se justi…caría el motivo en la menoría de la solicitud. Las pérdidas de energía diarias causadas por el auto consumo del regulador en condiciones normales de operación deben ser inferiores al 3 % del consumo diario de energía. El regulador de carga deberá estar etiquetado al menos con la siguiente información: i. Tensión nominal, [V] ii. Corriente máxima, [A] iii. Fabricante y número de serie iv. Polaridad de terminales y conexiones
3.4.
Las Baterías
Es un sistema de acumulación formado por un conjunto de acumuladores recargables, dimensionados de forma que garanticen la su…ciente autonomía al sistema. Las características que identi…can una batería solar respecto a las baterías comunes utilizadas en otros sistemas son su mayor profundidad de descarga PD y su alto valor para el ciclaje. A continuación se detallan los requisitos que deben cumplir las baterías para uso fotovoltaico: Larga vida útil. Bajo mantenimiento Bajo valor de autodescarga.
34 Elevados ciclos de carga-descarga A diferencia de una batería de coche, la batería de un sistema solar debe estar preparada para sostener corrientes moderadas de una decena de amperios durante horas, además de poder permanecer activa sin recibir carga alguna (servicio nocturno). Normalmente los periodos de reposo son nulos, ya que durante estos la batería está siendo cargada o descargada. Dependiendo del tipo de instalación se recomienda el uso de un tipo de baterías u otro, actualmente el mercado ofrece un amplio abanico de prestaciones en cuanto a baterías se re…ere, existen por ejemplo baterías de ácido plomo de larga duración con exigencias de mantenimiento casi nulas.
3.4.1.
Algunos tipos de baterías
Batería de Pb-ácido Cuando se usan baterías de Pb-ácido es muy importante mantener la temperatura del electrolito cercana a los 25o C, ya que a esta temperatura se alcanza el balance óptimo entre la e…ciencia y la vida útil de la batería. Las baterías con aleaciones de calcio (baterías de mantenimiento nulo) tardan un año en perder el 50 % de su carga a 25o C. Los electrodos de una batería solar tienen una aleación de antimonio que permite adherir una mayor cantidad de material activo y controlar el envejecimiento de la batería, el cual se produce por la pérdida del antimonio cuando la batería está descargada, ya que las celdas con mayor cantidad de material activo tienen más larga duración y profundidad de descarga. Por contra parte, la presencia del antimonio incrementa las pérdidas por autodescarga. Si una batería solar permanece en almacenamiento, debe ser cargada con frecuencia y el incremento del material activo aumenta el costo y el peso de la batería. Existe una batería de Pb-ácido donde el electrolito no es líquido sino gelatinoso, pero su coste es tres veces mayor que la versión con electrolito líquido, y tiene características muy útiles en aplicaciones especializadas en donde no se requiera ventilación durante el proceso de carga, la caja exterior es hermética, evitando el derrame del electrolito, lo que disminuye el riesgo en su manejo, tiene una válvula que brinda seguridad en caso de cortocircuito o sobrecarga. Convirtiéndola en idónea para instalaciones marina y en instalaciones donde la supervisión es infrecuente o nula como es el caso de sistemas fotovoltaicos de iluminación de carteles de publicidad en carreteras, repetidores de comunicación, o en sistemas fotovoltaicos portátiles. Dentro del mundo de las baterías, los modelos con mayor aceptación son las baterías de 6V nominales con 200Ah y que pesa unos 30kg, normalmente utilizadas como apoyo en sistemas de pequeña capacidad de reserva, en donde éstas pasan a formar parte de un banco de baterías con conexión en serie o serie paralelo al …n de satisfacer los valores de voltaje y corriente del sistema al cual se conecta. Así mismo el mercado ofrece baterías de ciclo profundo con capacidad de reserva mucho más grandes, como es el caso de las baterías de 24V nominales, (para abastecimiento de varias casas) que tienen una capacidad de 1493Ah y un peso de 1200kgs. Para entender mejor a qué hace referencia el concepto de ciclo profundo PD en un batería solar,
35 estudiemos el ciclo de arranque de la batería de un coche, la cual está diseñada para soportar una PD leve. Supongamos que la corriente de arranque de nuestro coche alcanza 350A, y el arranque de dura 3 segundos, con lo cual durante el arranque la batería habrá entregado 0.29Ah
0;29Ah !
350A 3seg 3600seg
(3.7)
Teniendo en cuenta que la capacidad típica de las baterías de coche es de 80Ah, los 0.29Ah representan una PD (profundidad de descarga) del 0.36 % del valor total, concluimos entonces que se necesitarían tres arranque consecutivos para que nuestra PD llegase al 1 %. Por el contrario una batería solar permite una PD máxima de 80 % de su nivel, a niveles moderados de corriente. Es por ello que se les denomina baterías de ciclo profundo BCP. Se considera que una BCP ha completado todos sus ciclos de carga y descarga cuando, al ser cargada nuevamente, la máxima energía que puede almacenar se reduce al 80 % de su valor inicial. El número de ciclos de carga/descarga dependen de la PD. Cuando ésta disminuye, el número de ciclos aumenta. Para una determinada PD, la batería más robusta proporciona el mayor número de ciclos. Batería de Ni-Cd En este tipo de baterías se usan placas de acero inoxidable que poseen depresiones donde se coloca el material activo. El electrolito de estas baterías es una mezcla de agua e hidróxido de potasio con una capa de aceite protector, para evitar la oxidación debido al oxígeno del ambiente. En términos generales, una batería de Ni-Cd tolera más abusos que una batería de Pb-ácido. Dentro de sus características más sobresalientes se encuentran. Soportar cargas y descargas excesivas sin sufrir ningún daño. Mayor profundidad de descarga, casi un 100 % de su capacidad. Mayor e…ciencia ante cambios de temperatura y humedad del ambiente. Ausencia de problemas relacionados con la sulfatación de las placas o el electrolito. Sin embargo hay que remarcar que en una batería de Ni-Cd la autodescarga inicial es elevada, pero disminuye con el tiempo, permitiendo largos periodos de almacenamiento con una retención considerable de la carga inicial. La vida útil de estás baterías es de más de dos veces la de una BCP de Pb-ácido, hay fabricante que las llegan a garantizar por un periodo de 20 años. Dado que ningún componente es perfecto, a continuación enumeraremos características de la batería de Ni-Cd que pueden considerarse como inconvenientes en un sistema fotovoltaico. La resistencia interna de una batería de Ni-Cb es 10 veces mayor que en el caso de una batería de Pb-ácido, el voltaje de salida permanece prácticamente constante hasta el momento en que su capacidad de almacenaje de energía se ve agotada, es entonces cuando el voltaje cae considerablemente sin permitir al usuario prever esta condición, por lo cual se hace indispensable el uso de un voltímetro con su…ciente
36 resolución y precisión para que en su lectura se re‡ejen los decimales signi…cativos, ya que los cambios que sufre la batería durante su descarga son muy pequeños. El voltaje de una celda o vaso es de 2V cuando la batería está cargada, disminuyendo a 1.2V cuando está descargada. Para obtener voltajes cercanos a los 12V, se necesitan más celdas por batería, si hacemos uso de las baterías de Ni-Cd en un sistema fotovoltaico, deberemos elegir un controlador de carga compatible a nuestra con…guración de batería, ya que un medidor de carga diseñado para baterías de Pd-ácido no puede ser utilizado para monitorear este tipo de acumuladores.
3.4.2.
Las baterías en una Instalación de conexión aislada
En el diseño de una instalación aislada, será necesario tener en cuenta respecto a las baterías o acumuladores: La tensión de operación. La autodescarga, es decir la perdida de carga de la batería cuando está en circuito abierto, se expresa como el porcentaje de la capacidad nominal, medida durante un mes a temperatura ambiente de 25o C. La capacidad nominal: C20 (Ah), que es posible extraer de una batería en 20 horas y a temperatura ambiente, hasta que la tensión entre sus terminales llegue a 1.8V =vaso. Para todos los regímenes de carga, se pueden usar las relaciones empíricas siguientes.
C100 C20 C40 C20
=
1;25
=
1;14
(3.8)
La capacidad útil de…nida como la capacidad disponible o utilizable de la batería. Se de…ne como el producto de la capacidad nominal y la profundidad máxima de descarga permitida, PDmax. El estado de carga, de…nido como el cociente entre la capacidad de una batería parcialmente cargada y su capacidad nominal. La profundidad de descarga PD , se de…ne como el cociente entre la carga extraída de una batería y su capacidad nominal. Se expresa habitualmente como porcentaje ( %). El régimen de carga o descarga, es el parámetro que relaciona la capacidad nominal de la batería y el valor de la corriente a la cual se carga o descarga la batería. Normalmente lo expresamos en horas, y se utiliza un subíndice en el símbolo de la capacidad y de la corriente. Por ejemplo, si una batería de 100Ah se descarga a 20 horas a una corriente de 5A, se dice que el régimen de descarga es 20 horas ! C20 = 100Ah, y la corriente se expresa como I20 = 5A. Las baterías serán de Pb-ácido. No se permitirá el uso de baterías de arranque. Para asegurar una adecuada recarga de las baterías, la capacidad nominal del acumulador no excederá 25 veces la corriente de cortocircuito en CEM del generador fotovoltaico. En el caso de que la
37 capacidad del acumulador elegido sea superior a dicho valor, por ejemplo para ampliar la autonomía del sistema, se justi…cará en la memoria de la solicitud. La máxima capacidad de descarga respecto a la capacidad nominal del acumulador, no excederá el 80 % en instalaciones donde se prevea que descargas tan profundas no serán frecuentes. En las instalaciones donde la sobredescarga sea habitual, como alumbrado público, la máxima profundidad de descarga no superará el 60 % de su capacidad nominal. Las baterías se protegerán especialmente frente a sobredescargas, mediante el uso de un electrolito geli…cado de acuerdo a las especi…caciones del fabricante. La capacidad inicial del acumulador será superior al 90 % de la capacidad nominal. En cualquier caso deberemos seguir las recomendaciones del fabricante para aquellas baterías que requieran cierta carga inicial. La autodescarga del acumulador a 25o C, no excederá el 6 % de su capacidad nominal por mes. La vida del acumulador, antes de que su capacidad residual caiga por debajo del 80 % de su capacidad nominal, debe ser superior a 1000 ciclos, cuando se descarga el acumulador hasta una profundidad del 50 %. El acumulador se instalará siguiendo las instrucciones del fabricante. En cualquier caso ha de tenerse en cuenta lo siguiente: i. El acumulador se situará en un lugar ventilado y con acceso restringido. ii. Se adoptaran las medidas de protección necesarias para evitar los cortos circuitos accidentales de los terminales del acumulador. Cada batería o vaso, deberá estar etiquetado, al menos con la siguiente información: i. Tensión nominal [V] ii. Polaridad de los terminales iii. Capacidad nominal [Ah] iv. Fabricante y número de serie
3.5.
El inversor
El inversor es un dispositivo de potencia encargado de la transformación de la energía continua producida por los módulos solares en energía alterna para consumo, éste debe poseer ciertas características técnicas que evitaran inconvenientes de funcionamiento e incompatibilidad con el sistema, debe estar dimensionado y ser capaz de alimentar directamente los consumos que pretendan conectarse al sistema. Un inversor simple consta de transistor controlado por oscilación, el cual es utilizado para interrumpir la corriente entrante y generar una onda cuadrada, esta onda cuadrada alimenta a un transformador
38 que suaviza su forma, haciéndola un poco más una onda sinusoidal y produciendo el voltaje de salida necesario. La forma de onda de salida de un inversor ideal debería ser sinusoidal. Un oscilador es un circuito que es capaz de convertir la corriente continua en una corriente que varía de forma periódica en el tiempo (corriente periódica); estas oscilaciones pueden ser sinusoidales, cuadradas, triangulares, etc, dependiendo de la forma de onda producida. Un oscilador de onda cuadrada suele denominarse multivibrador y por lo tanto, se les llama osciladores sólo a los que funcionan en base al principio de oscilación natural que constituyen una bobina L y un condensador C, mientras que a los demás se les asignan nombres especiales. Un oscilador electrónico es fundamentalmente un ampli…cador cuya señal de entrada se toma de su propia salida a través de un circuito de realimentación. Lo que se pretende es obtener un sistema de oscilación que sea estable y periódico, manteniendo una frecuencia y forma de onda constante; esta señal se va amortiguando en el tiempo, hasta que acaba extinguiéndose transcurrido un periodo de tiempo bastante corto. El circuito electrónico será capaz de volver a cargar eléctricamente uno de los componentes y permitirá hacer un proceso de oscilación constante En un sistema fotovoltaico de conexión a red eléctrica, la potencia en corriente continua DC generada por el conjunto de paneles solares, debe convertirse en corriente alterna AC para poder ser inyectada a la red eléctrica. Este requisito hace imprescindible la utilización de un inversor que se encargue de dicha conversión, con la …nalidad de conseguir la conversión del ‡ujo energético, de corriente DC a AC, como muestra la …gura a continuación.
Flujo de energía en un inversor
(3.9)
Los inversores conectados directamente al módulo fotovoltaico, deberán disponer de un seguidor del punto de máxima potencia SPMP, que continuamente vaya ajustando la impedancia de carga con el …n de que el inversor pueda extraer la máxima potencia del sistema que el generador puede proporcionar a lo largo del día.
3.5.1.
Tipos de inversores
Actualmente existen dos grandes grupos de inversores, el conmutado de línea y el autoconmutado.
39 Inversores conmutados de línea Son inversores que usan interruptores tiristores, capaces de controlar el tiempo de activación de la conducción, pero no el tiempo de parada. Para detener la conducción, precisan de una fuente o circuito adicional que reduzca hasta cero la corriente que lo atraviesa. Inversores autoconmutados Son los más utilizado en instalaciones con aplicaciones de energía distribuida a red, ya que cumplen las especi…caciones técnicas establecidas por las compañías eléctricas. Están basados en el uso de transistores IGBT y MOSFET, con el uso de dispositivos de conmutación que controlan libremente los estados de conducción y no conducción de los transistores. Estos inversores usan la modulación de ancho de pulso PWM, e incluyen transformación de línea o de alta frecuencia, pudiendo controlar libremente la forma de onda de la tensión y la corriente en la parte de alterna, ajustan el factor de potencia y reducen la corriente armónica, siendo resistentes a las distorsiones procedentes de la red. Los inversores auto conmutados se subdividen en inversores en fuente de corriente CSI y en inversores en fuente de tensión VSI. Los inversores CSI disponen de una fuente de corriente prácticamente constante a la entrada de continua, mientras que en los inversores VSI, la fuente constante de entrada es de tensión. Convertidores multinivel La tecnología multinivel está basada en la síntesis de la tensión alterna de salida a partir de la obtención de varios niveles de tensión del bus de continua; cuanto mayor es el número de niveles de tensión de entrada de continua, más escalonada es la forma de la onda de la tensión de salida, de modo que la onda tienda más a una señal senoidal pura, minimizándose la distorsión. Gracias al continuo aumento de niveles de potencia en los equipos fotovoltaicos, cada vez se tiende más hacia la conexión en serie de paneles solares con niveles medios de tensión. Las tecnologías de tres niveles son especialmente interesante en este tipo de sistemas, ya que permiten incrementar el nivel de potencia a partir del uso de dispositivos de baja tensión. Las principales ventajas presentes en un inversor de tres niveles respecto a uno de dos niveles se detallan a continuación: Permite trabajar con niveles mayores de potencia, ya que los dispositivos están sometidos a menor estrés. Permite trabajar con niveles medios de tensión mediante el uso de dispositivos de baja tensión, ya que dichos dispositivos están sometidos a la mitad de la tensión que reciben por la entrada de corriente continua. Reducen la distorsión armónica de la forma de la onda de alterna, con lo cual los …ltros de salida son menores y la respuesta dinámica es más rápida.
40 No obstante la práctica muestra la existencia de ciertas di…cultades técnicas que complican el funcionamiento de los inversores, las principales limitaciones se presentan cuando al aumentar el número de niveles se incrementa la complejidad del control y se introducen problemas de desequilibrio en las tensiones de los condensadores del bus de continua.
3.5.2.
Requisitos de un inversor en el sistema fotovoltaico Su principio de funcionamiento será auto conmutado con fuente de corriente tipo VSI. Disposición de un sistema adecuado de seguimiento automático del punto de máxima potencia
del generador fotovoltaico. No funcionamiento en isla o en modo aislado.
3.5.3.
Seguridad y normativa de un inversor
Un inversor deberá cumplir con las directivas comunitarias de seguridad eléctrica y compatibilidad electromagnética (certi…cadas por el fabricante) incorporando protecciones frente a: Cortocircuito en alterna Tensión y frecuencia de red fuera de rango Protección contra sobre tensiones mediante el uso de varistores o similares dispositivos. Protecciones contra perturbaciones en la red como microcortes, pulsos, defectos de ciclo, ausencia y retorno de la red, etc. Cada inversor dispondrá de la correcta señalización para su uso y operación, incorporando los controles automáticos que garanticen su adecuada supervisión y manejo, incorporando como mínimo los siguientes controles manuales: Encendido y apagado general del inversor. Conexión y desconexión a la interfaz AC. De acuerdo con el pliego de condiciones técnicas de seguridad para sistemas solares fotovoltaicos el I.D.A.E establece las siguientes características de rendimiento: El inversor seguirá entregando potencia a la red de forma continuada en condiciones de irradiación solar de un 10 % superior a las CEM. Además de soportar picos de un 30 % superior a las CEM durante periodos de hasta 10 segundos. Los valores de e…ciencia del 25 al 100 % de la potencia de salida nominal deberán ser superiores al 85 % y 88 %, respectivamente (valores medidos incluyendo el transformador de salida si lo hubiere) para inversores de potencia inferior a 5kW y del 90 % al 92 % para inversores de potencia de salida mayor a 5kW . El autoconsumo de los equipos, perdidas de vacío en stand by o en modo nocturno, deberán ser inferior a un 2 % de su potencia de salida nominal. El factor de potencia de la potencia generada deberá ser superior a 0.95 entre el 25 y el 100 % de la potencia nominal.
41 El inversor deberá inyectar en red, potencias superiores al 10 % de su potencia nominal. Los inversores tendrán un grado de protección mínima IP 22 para inversores de interior de edi…cios y lugares inaccesibles, IP 32 para lugares accesibles y de IP 65 para inversores instalados a la intemperie. Los inversores deben estar garantizados para su operación en condiciones ambientales entre 0 y o
40 C de temperatura y de 0 a 85 % de humedad relativa.
3.5.4.
El inversor en una instalación de conexión aislada
Las características que de…nen el inversor en una instalación aislada son las siguientes: VRM S es el valor e…caz de la tensión alterna de salida. La potencia Nominal, es la potencia máxima especi…cada por el fabricante, que el inversor es capaz de entregar de manera continúa. La capacidad de sobrecarga, es la habilidad del inversor para entregar mayor potencia que su potencia nominal, durante ciertos intervalos de tiempo. El rendimiento del inversor: Relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada del inversor. Depende de la potencia de operación. Factor de potencia, es el cociente entre la potencia activa [W ], y la potencia aparente [V ], a la salida del inversor. Distorsión armónica total THD ( %): Parámetro utilizado para indicar el contenido armónico de la onda de tensión de salida y se de…ne como:
T HD( %) = 100
p
Vn V1
(3.10)
Donde V1 , corresponde al armónico fundamental y Vn al armónico n-esimo. Los requisitos técnicos que debe cumplir un inversor en una instalación aislada, entendiéndose por inversores para aplicación monofásica y trifásica que funcionan como fuente de tensión …jas. Se recomienda el uso de onda senoidal, aunque se permitirá en algunos casos el uso de inversores de onda no senoidal, si su potencia nominal es inferior a 1kV A, ya que no producen daño a las cargas y aseguran una correcta operación de éstas. Como norma general, los inversores se conectaran a la salida de consumo del regulador de carga. Si por incompatibilidad de operación no es posible se permitirá la conexión directa del inversor al acumulador y se asegurará la protección del mismo frente a sobre cargas. El inversor debe asegurar su correcto funcionamiento dentro de los márgenes de tensión de entrada permitida para el sistema al cual está conectado. La regulación interna del inversor debe asegurar que la tensión y la frecuencia de salida estén dentro de los siguientes márgenes de funcionamiento. a. (VN OM + 15 %)= 10 %; siendo VN OM : 220VRM S o 230VRM S
42 b. 50HZ
2%
El inversor será capaz de entregar la potencia nominal de forma continuada en el margen de temperatura ambiente especi…cado por el fabricante. El inversor debe arrancar y operar cualquier carga, especialmente aquellas que requieren elevada corriente de arranque (Televisores, motores, etc), sin interferir en su correcta operación ni en el resto de cargas. Los inversores deben estar protegidos contra: i. Tensión de entrada fuera del margen de operación. ii. Operación sin batería. iii. Cortocircuito en la salida de corriente alterna. iv. Sobrecargas que excedan la duración y límites establecidos. El auto consumo del inversor, en condiciones normales de operación, será menor o igual al 2 % de la potencia nominal de salida. Las pérdidas de energía ocasionadas por el auto consumo del inversor serán inferiores al 5 % del consumo diario de energía. Se recomienda que el inversor tenga un sistema de “Stand by´´ para reducir perdidas cuando el inversor trabaje en vacío. El rendimiento del inversor con cargas resistivas será superior a los límites especi…cados en la siguiente tabla.
Rendimiento al 20 %
Tipo de inversor Onda senoidal
l
Rendimiento
de la potencia nomina
a potencia nominal
500 VA
> 80 %
> 70 %
PNOM > 500 VA
> 85 %
> 80 %
> 85 %
> 80 %
PNOM
Onda no senoidal Re n dim iento de un Inversor
Los inversores deberán estar etiquetados con al menos la siguiente información: i. Potencia nominal [V A] ii Tensión nominal de entrada [V ] iii. Tensión y frecuencia nominales de salida. iv. Fabricante y número de serie. v. Polaridad y terminales.
(3.11)
43
3.5.5.
El Inversor en una instalación de conexión a red
Las características exigidas a un inversor de conexión a red serán las siguientes: Deberá tener una potencia de entrada variable siendo capaz de extraer en todo momento la máxima potencia que el generador fotovoltaico pueda proporcionar durante el periodo de captación de radiación solar. Principio de funcionamiento en fuente de corriente. Deberá ser auto conmutado Deberá poseer un seguidor automático del punto de máxima potencia del generador fotovoltaico. No deberá funcionar en modo aislado o en isla. Deberán cumplir con las directivas comunitarias de Seguridad Eléctrica y compatibilidad electromagnética certi…cada por el fabricante, incorporando protecciones frente a cortocircuito. i. Tensión y frecuencia de red fuera de rango. ii. Sobre tensiones mediante varistores o similares. iii. Perturbaciones presentes en la red, como microcortes, pulsos, defectos de ciclo, ausencia y retorno de la red. iv. Cada inversor dispondrá de las señalizaciones necesarias para su correcta operación e incorporará los controles automáticos imprescindibles para asegurar su adecuada supervisión. El inversor incorporará como mínimo controles de encendido y apagado general, y conexión de desconexión del inversor de la interfaz de AC. El inversor seguirá entregando potencia de forma continuada a la red, en condiciones de irradiancia solar y temperatura que den lugar a una potencia en los paneles un 10 % superior a la potencia en CEM (power capacity in standar conditions). Además de ser capaces de soportar picos de de potencia de 30 % superior a la potencia en CEM durante periodos de hasta 10 seg. Los valores de e…ciencia al 25 y al 100 % de la potencia de salida nominal deberán ser superiores al 85 y 88 %, respectivamente para inversores de potencia inferior s 5kW y del 0 % al 92 % para inversores con potencia superior a 5kW . El auto consumo de los equipos en stand by o modo nocturno, deberá ser inferior al 2 % de su potencia nominal de salida. El factor de potencia de la potencia generada, deberá ser superior a 0.5 entre 25 y el 100 %. El inversor deberá inyectar en red, para potencias superiores del 10 % de su potencia nominal. Los inversores tendrán un grado de protección IP22 cuando sean instalados en edi…cios o lugares inaccesibles, IP32 cuando estén instalados en lugares accesibles, y con IP 65 cuando estén instalados a la intemperie. Debe garantizarse la operación de los inversores a 0 o C y 40 o C de temperatura y a 0 % y 85 % de humedad relativa.
44
3.6.
Los cables de conexionado
Es el componente indispensable para el transporte de energía eléctrica entre los diferentes bloques del sistema fotovoltaico. Es inevitable que ocurra la perdida de energía en forma de calor, debido a que la resistencia eléctrica del conductor nunca es nula. La elección de un cable conductor representa un compromiso entre un valor bajo de resistencia y el coste del mismo. Dentro de la gama de materiales existentes, el cobre presenta una buena solución, al ser un material ligero, lo que favorece su empleo en líneas de transmisión de energía eléctrica. La resistencia de un material conductor viene dada por la expresión
r=
(
L) A
(3.12)
Donde: r representa el valor de la resistencia lineal en W m, y depende del material conductor y de la temperatura de trabajo que alcanza el conductor, L la longitud del conductor en m, A es el área de la sección del conductor en m2 , resistencia del material, La expresión anterior indica que para una longitud determinada, un aumento del diámetro signi…ca una menor caída de voltaje en el cable (menor pérdida de energía). Esto implica que en el diseño del cableado se deberán tener en cuenta las caídas de tensión producidas en los conductores debido a la resistencia de los mismos. Para ello las secciones de los cables utilizados en nuestra instalación, deben calcularse en función de la máxima potencia de pérdidas admisibles para la instalación. Concretamente, en el caso de instalaciones fotovoltaicas, los conductores de la parte de corriente continua, deberán tener sección su…ciente para que la caída de tensión sea inferior de 1,5 % y los conductores de corriente alterna para que la caída de tensión sea inferior del 0,5 %. En términos generales debe respetarse lo establecido por el REBT 2002 (reglamento electrónico de baja tensión), que en líneas generales establece tres criterios para determinar la sección de los conductores en una instalación eléctrica. Criterio térmico El conductor debe ser capaz de disipar el calor generado por la intensidad circundante durante régimen permanente. Criterio de caída de tensión La caída de tensión debe ser menor que las especi…cadas por las condiciones de diseño.
45 Criterio de la intensidad de cortocircuito La temperatura que alcanza el conductor no debe sobrepasar la temperatura máxima admisible de corta duración para el aislante del conductor. En la instalación, los positivos y los negativos de cada grupo de módulos se conducirán separados y protegidos de acuerdo a la normativa vigente, y todo el cableado de continua tendrá el doble de aislamiento y será el adecuado para su uso en intemperie, al aire o enterrado, de acuerdo a la normativa UNE 21123.
3.6.1.
El cableado en una instalación fotovoltaica de conexión aislada
Todo el cableado cumplirá con lo establecido en la legislación vigente. 1. Los conductores tendrán la sección adecuada para reducir las caídas de tensión y los calentamientos. 1. Para cualquier condición de trabajo, los conductores de la parte de DC deberán tener la sección su…ciente para que la caída de tensión sea inferior, incluyendo cualquier terminal intermedio, a los valores especi…cados a continuación. Caída de tensión máximas entre generador y regulador/inversor: 3 %. Caída de tensión máxima entre regulador y batería: 1 %. Caída de tensión máxima entre regulador e inversor: 1 %. Caída de tensión máxima entre inversor y batería: 1 %. Caída de tensión máxima entre inversor/regulador y carga: 3 % 3. Se incluirá toda la longitud de cables necesaria para cada aplicación, evitando esfuerzos sobre los elementos de la instalación. 4. Los positivos y negativos de la parte de DC de la instalación se conducirán separados, protegidos y señalizados de acuerdo a la normativa vigente.
3.6.2.
El cableado en una instalación fotovoltaica de conexión a red
1. En el diseño se tendrá en cuenta que el cableado deberá tener la longitud necesaria para no generar esfuerzos sobre los elementos de la instalación, ni posibilidad de enganche por el tránsito normal de personas. 2. Todo el cableado de continua será de doble aislamiento y adecuado para su uso en intemperie, al aire o enterrado de acuerdo con la normativa UNE 21123. 3. Los conductores de la parte de DC deberán tener su…ciente sección, tal que la caída de tensión sea inferior de 1.5 % y los cables de la parte de AC sección su…ciente para que la caída de tensión sea 0.5 %. 4. Los positivos y negativos de cada grupo de módulos se conducirán por separado, protegiéndolo de acuerdo a al normativa vigente.
46
3.7.
Sistema de medición
Cuando existen consumos eléctricos, estos deberán ubicarse en circuitos independientes de la instalación fotovoltaica y de sus respectivos equipos de medición. La medida de tales consumos se realizará de manera independiente, normalmente se gestiona a través de los contadores de energía que instala la propia compañía eléctrica. El contador de salida tendrá capacidad de medir en ambos sentidos, la energía eléctrica que el titular de la instalación facturará a la empresa distribuidora, será la diferencia entre la energía eléctrica de salida menos la de entrada a la instalación fotovoltaica. Todos los elementos de medidas, serán precintados por la empresa distribuidora, y sólo se podrán abrir los precintos de seguridad con el consentimiento de la empresa distribuidora; no obstante en caso de peligro pueden retirarse los precintos sin el consentimiento expreso de la empresa distribuidora. La colocación de los equipos de medida, se hará de acuerdo a la MIE BT 015 en caso de que la evacuación se produzca en una red de media tensión, siempre y cuando el contador se instale antes de la conexión con el centro de transformación. En todo caso hay que tener en cuenta que la perdida de potencia que se produce en el centro de transformación puede ser importante, con lo cual la medición que aporta el contador es signi…cativamente distinta del valor real de la energía inyectada en la red. Esta perdida de energía se encuentra reglamentada, y es equivalente al 4 % de la energía consumida más 6 KWh por cada kVA de potencia en el punto de conexión. Los puestos de contadores deberán tener una asignación clara para cada titular, indicando siempre si se trata de un contador de entrada de energía procedente de la empresa distribuidora o de un contador de salida de energía de la instalación fotovoltaica. Las características del equipo de medida de salida serán tales que la intensidad correspondiente a la potencia nominal de la instalación fotovoltaica, se encuentre entre el 50 % de la intensidad nominal y la intensidad máxima de precisión del inversor.
3.7.1.
Centros de transformación
En caso de no ser posible conectar en baja tensión, o siempre y cuando la potencia a evacuar sea superior a 100 kVA, será necesario implementar un centro de transformación en nuestra instalación. La carga considerada en los centros de transformación, se calculará a la potencia inyectada a la red. El número de centros de transformación para realizar un suministro en baja tensión, será determinado por la compañía eléctrica, de acuerdo al artículo 13 del reglamento electrónico de baja tensión en función del suministro solicitado y la red existente en la zona. La realización de cada centro de transformación deberá justi…car y cumplir todas las características de diseño y construcción, especialmente en lo que respecta al calentamiento, ventilación, nivel sonoro y tensiones de paso y contacto. El montaje de los centros de transformación de BT constará de los siguientes elementos:
47 Celdas necesarias para la entrada y salidas de cables de alta tensión. Cada cual equipada con interruptores seccionadores y seccionadores de puesta a tierra. Una celda de protección por cada transformador a instalar, equipada con interruptor seccionador, fusible limitador, y seccionador de puesta a tierra. Una celda con iguales características para el esquema de …n de línea, incluyendo un seccionador de puesta a tierra en la entrada de la línea. Uno o dos transformadores para atender la demanda de suministro. Un cuadro de baja tensión por cada transformador. En zonas rurales, es posible la instalación a la intemperie de centros de transformación de sobre apoyo, indicado en los casos en los que el transformador de potencia no supere los 100kV A; también es posible la instalación de tipo intemperie compacta, limitado a una potencia de transformador que no supere los 250kV A.
3.8. 3.8.1.
Elementos de protección del sistema Protecciones
El sistema de protecciones deberá cumplir las exigencias previstas en la reglamentación vigente, y deberá acreditarse mediante la descripción técnica de los dispositivos de protección y elementos de conexión previstos en la instalación, entre los cuales se incluyen: Interruptor general magnetotérmico, con intensidad de cortocircuito superior a la indicada por la empresa distribuidora en el punto de conexión; este interruptor será accesible a la empresa distribuidora en todo momento, con el objeto de poder realizar su desconexión manual. Interruptor automático diferencial, con el …n de proteger a las personas en caso de derivación en la parte continua de la instalación. Interruptor automático de interconexión, para la conexión-desconexión automática de la instalación fotovoltaica, junto a un relé de enclavamiento, en caso de perdidas de tensión o frecuencia en la red. En conexiones de red trifásica, las protecciones para interconexión de máxima y mínima frecuencia, y máxima y mínima tensión, que se instalarán para cada fase. El rearme del sistema de conmutación, para que la conexión a la red sea automática, una vez reestablecidas las condiciones idóneas de la red.
3.8.2.
Puesta a tierra La puesta a tierra de las instalaciones fotovoltaicas, se realizará de manera que no intervenga
la puesta a tierra de de la red de la empresa distribuidora, tal que no se produzca transferencias por los defectos a la red de distribución.
48 La instalación deberá disponer de separación galvánica entre la red de distribución de baja tensión y la instalación fotovoltaica, bien mediante un transformador de aislamiento o cualquier medio que cumpla la misma función. Las masas de la instalación fotovoltaica, estarán conectadas a una tierra independiente de la del neutro de la empresa distribuidora, de acuerdo con el reglamento electrónico para baja tensión, así como de las masas del resto del suministro.
3.9.
Sistema de monitorización
Dependiendo del tipo de instalación, el sistema de monitorización debería controlar las siguientes variables.
3.9.1.
Instalación fotovoltaica de conexión a red Voltaje de DC a la entrada del inversor. Voltaje de fase en la red. Corriente total de salida del inversor. Radiación solar incidente en los módulos. Temperatura ambiente. Potencia reactiva de salida del inverso.
3.9.2.
Instalación de fotovoltaica de conexión a aislada Tensión y corriente DC del generador. Potencia DC consumida, incluyendo el consumo del inversor. Potencia AC consumida. Contador volumétrico de agua para instalaciones de bombeo. Radiación solar incidente en los módulos. Temperatura ambiente.
3.10.
Mantenimiento de la instalación
Se de…nen dos escalones de actuación, para garantizar la vida útil y el correcto funcionamiento de la instalación. Mantenimiento preventivo. Mantenimiento correctivo. El mantenimiento preventivo, implica como mínimo una revisión anual de la instalación, incluyendo el mantenimiento de los elementos de la instalación; este tipo de mantenimiento, se basa en la inspección
49 visual y detallada del funcionamiento de los equipos, pudiendo ser posible, a través de la revisión, detectar el deterioro prematuro de los componentes de la instalación. En el caso de las baterías, la inspección preventiva, también deberá determinar si hay pérdidas del electrolito, las cuales se mani…estan como depósitos en el contacto positivo de la batería, residuos ácidos en las bandejas plásticas o en el deterioro de la base de sostén de la batería. Para ello debería agitarse con suavidad las baterías, como mínimo dos veces al mes, para evitar las estrati…caciones del electrolito. En resumen, el mantenimiento preventivo de la instalación deberá incluir las siguientes actividades: Veri…cación de todos los componentes y equipos de la instalación. Revisión del cableado, conexiones, pletinas, terminales. Comprobación del estado de los módulos, situación respecto al estado original. Limpieza, presencia de daños que afecten a seguridad de los módulos. Inspección de la estructura soporte consiste en revisar los daños, el deterioro por agente externos, el estado de oxidación. Nivel de electrolito de las baterías, limpieza y engrasado de los bornes de conexión de las baterías. Inspección visual del regulador de carga, funcionamiento de indicadores, caídas de tensión entre los terminales. Alarmas e indicadores del inversor. Caídas de tensión en el cableado de DC. Veri…cación de los elementos de seguridad y protección de la instalación, tomas de tierra, interruptores de seguridad, fusibles. Comprobación del estado de los cables y terminales (incluyendo el reapriete de las bornas) Realización de informe técnico de cada visita a la instalación, en que se re‡eje las incidencias encontradas en la instalación. Registro de las operaciones realizadas durante la inspección Asimismo se dispondrá de un plan de mantenimiento correctivo, en caso de que sea necesaria una operación de sustitución de algún componente de la instalación.
Capítulo 4
Marco social del proyecto 4.1.
Cambio climático, problemática actual
El cambio climático no es solamente una de las amenazas al medio ambiente global más relevantes de nuestra época, sino que constituye también un problema de desarrollo, en la medida en que los efectos adversos del mismo se hacen sentir de manera especial en los países más pobres y con economías basadas en el sector primario. Con carácter general los países en vías de desarrollo cuentan con una población más vulnerable y con menor capacidad de adaptación, en consecuencia sufren en mayor medida las consecuencias del cambio climático a pesar de tener una responsabilidad mucho menor en la aparición del problema, que los países más desarrollados. América Latina mantiene estrechos lazos históricos, culturales, políticos, estratégicos y comerciales con España y Portugal, y en virtud de estos lazos se mantienen vínculos que se traducen en la existencia de mecanismos preferentes de cooperación entre ellos, que entre otras cosas persiguen el desarrollo sostenible y la lucha contra el cambio climático, en especial en aquellas zonas de mayor vulnerabilidad de la región Iberoamericana. Es por tanto necesario integrar programas de cooperación bilateral y multilateral con objetivos y medidas destinadas a favorecer las actividades relacionadas con el cambio climático y con el desarrollo sostenible. Iberoamérica es un ámbito geográ…co enormemente diverso en lo ambiental (incluyendo la componente climática), social y económico, en consecuencia, los efectos del cambio climático tienen manifestaciones e impactos muy distintos en cuanto a sus efectos e intensidad. La adaptación al cambio climático es sin duda un asunto de suma importancia para la región iberoamericana, ya que los países en desarrollo y los grupos más desfavorecidos de la población que los habitan son los más vulnerables a los impactos de los fenómenos meteorológicos extremos y a los cambios proyectados por el clima. El cambio climático se está manifestando en todos los países latinoamericanos, sus efectos se distribuyen de forma desigual en la región, en cuanto a la naturaleza, magnitud y sectores afectados, las proyecciones indican que los impactos asociados a los futuros escenarios del cambio climáticomuestran 50
51 un aumento en la vulnerabilidad de los países latinoamericanos. Durante las últimas décadas se han observado cambios importantes de la precipitación e incrementos de la temperatura en la región amazónica, se han registrado aumentos de precipitación en determinadas áreas del sudeste de Brasil, Paraguay, Uruguay, la región Pampeana Argentina y algunas partes de Bolivia, Perú y Ecuador. Por otra parte, se han observado tendencias decrecientes de la precipitación en otras áreas (en el centro-sur de Chile, sudoeste de Argentina, sur de Perú, oeste de Centroamérica, etc.). Con respecto a la temperatura, se han observado aumentos de aproximadamente 1o C en Mesoamérica y Sudamérica. La ocurrencia de desastres relacionados con el clima se viene incrementando desde la década de los noventa. Entre 1970-99 y 2000-05 los eventos extremos aumentaron 2,4 veces, continuando la tendencia observada durante los noventa. Huracanes, ciclones extra tropicales, episodios de lluvias intensas y sequías se han registrado a lo largo de toda la región. El fenómeno El Niño reviste especial importancia, pues con frecuencia sus efectos ocasionan desastres naturales asociados a algunos de estos eventos extremos. Como consecuencia de los cambios en los parámetros climáticos se han producido diversos efectos e impactos en sistemas físicos y ecológicos. Con respecto a los recursos hídricos, su sensibilidad al cambio climático es muy elevada, y tiene implicaciones evidentes para otros sectores tales como la generación de energía, la agricultura, la salud, etc. Se han observado aumentos signi…cativos en los caudales de los ríos Amazonas, en Colombia, Uruguay, Paraná y Paraguay que, en ocasiones, acontecen inundaciones con serios impactos. Otros impactos observados en sistemas físicos y biológicos incluyen los relativos a la aceleración del retroceso de los glaciares, con implicaciones sobre el abastecimiento de aguas y la producción hidroeléctrica, siendo la región andina de Perú, Bolivia, Colombia y Ecuador, y el Sur de Chile y Argentina las regiones más afectadas; el aumento de la sensibilidad a la ocurrencia de incendios en las selvas tropicales de América Latina, particularmente la Amazonía, debido a la mayor frecuencia de sequías; la reducción y en ocasiones extinción, de determinadas poblaciones de an…bios en América Central y América del Sur asociadas a temperaturas elevadas; la alteración del hábitat de manglares debido al aumento de temperatura y la frecuencia e intensidad de los huracanes, etc. El sector agropecuario también ha registrado algunos impactos relativos al rendimiento de las cosechas y la cabaña ganadera, la modi…cación de los ciclos agrícolas, la alteración en la dinámica de plagas y enfermedades, etc. La salud es otro sector altamente vulnerable al cambio climático. En Latinoamérica existen muchas enfermedades relacionadas directamente con parámetros climáticos, tales como la malaria, el dengue y otras enfermedades vectoriales, las olas de calor también provocan importantes efectos en la morbimortalidad en del entorno. Los orígenes naturales y antropógenos del cambio climático y, en particular, la cadena que abarca las emisiones de gases de efecto invernadero de larga permanencia, las concentraciones atmosféricas, las respuestas climáticas y los efectos del clima, contribuyen al calentamiento del sistema climático es evidente
52 el aumento del promedio mundial de temperatura del aire y del océano, la fusión generalizada de nieves y hielos, y el aumento del promedio mundial del nivel del mar. Este aumento de temperatura está distribuido por todo el planeta, y es mayor en latitudes septentrionales altas. En la región ártica, el promedio de las temperaturas ha aumentado a un ritmo que duplica casi el promedio mundial de los últimos cien años. Las regiones terrestres se han calentado más aprisa que los océanos. Las observaciones efectuadas desde 1961 indican que, en promedio, la temperatura del océano mundial ha aumentado hasta en profundidades de 3000 m como mínimo, habiendo absorbido los océanos más del 80 % del calor incorporado al sistema climático. Nuevos análisis de las temperaturas observadas desde globos y satélites en la troposfera inferior y media arrojan unas tasas de calentamiento similares a las observadas en la temperatura super…cial.
Pauta geográ…ca del calentamiento en la super…cie terráquea
4.1.1.
(4.1)
Extrapolación de la situación actual Hasta mediados del siglo, aumentos de temperatura y las correspondientes disminuciones de la
humedad del suelo originarían una sustitución gradual de los bosques tropicales por sabanas en el este de la Amazonia. La vegetación semiárida iría siendo sustituida por vegetación de tierras áridas. Podrían experimentarse pérdidas de diversidad biológica importantes con la extinción de especies en muchas áreas de la América Latina tropical. La productividad de algunos cultivos importantes disminuiría, y con ella la productividad pecuaria, con consecuencias adversas para la seguridad alimentaría. En las zonas templadas disminuiría el rendimiento de los cultivos de haba de soja. En conjunto, aumentaría el número de personas amenazadas por el hambre (RT; grado de con…anza medio).
53 Los cambios en las pautas de precipitación y la desaparición de los glaciares afectarían notablemente a la disponibilidad de agua para consumo humano, agrícola e hidroeléctrico.
4.2.
El Amazonas
Considerado el pulmón vegetal del mundo, por su majestuosa y abundante vegetación, ofrece una espectacular representación completa del ambiente selvático con los más exóticos bellos, históricos e importantes monumentos naturales del planeta. El amazonas, ofrece una diversidad biológica y de culturas étnicas única en el mundo, repleto de bellezas naturales, las cuales provocan un gran impacto visual y generan una atracción singular por tener características irrepetibles en el mundo. Majestuosas selvas tropicales, grandes y extensas sabanas imponentes montañas y tepuyes (las formaciones geológicas más antiguas del planeta que se remontan a 400 millones de años de edad), extensos y rápidos ríos e impresionantes saltos de agua emergen de esta extraordinaria región. El clima del Amazonas corresponde a los de tipos lluvioso, monzónico y tropical de sabana. Aunque pueden distinguirse dos estaciones, una seca y otra de lluvias, el régimen anual de precipitaciones se hace más lluvioso de norte a sur. La zona sur es muy húmeda (con precipitación entre 3.000 y 3.500 mm anuales), la zona céntrica es húmeda y la del norte ligeramente húmeda. La temperatura media anual es de 25 C pudiendo presentar un aumento diario de hasta 15o C, las precipitaciones promedio superan los 1.200 mm anuales y la variación térmica anual es mínima (entre 0.5 C y 1 C). El relieve del Amazónico es muy complejo, es el resultado de los eventos geológicos y la acción de agentes exógenos que lo han afectado a lo largo del tiempo, posee una densa red hidrográ…ca y sus principales corrientes de agua son los ríos Orinoco, madre de dios, Ventuari, Atabapo, Guainía-Negro y Casiquiare. El Orinoco es el río más importante de la región, es el eje del sistema hidrográ…co que baña las riveras de las poblaciones indígenas de la zona. Tiene su cabecera en la sierra Parima y a 1.047m recorriendo su cauce se ubica la comunidad EL PROGRESO, justo en un brazo ‡uvial denominado río Casiquiare, que cuenta con una cuenca aproximada de 42.300 km2 y es considerado como un fenómeno hidrográ…co único, pues enlaza las cuencas ‡uviales del Orinoco y el Amazonas.
54
Hidrografía existente en el trapecio amazónico
4.2.1.
(4.2)
Datos meteorológicos
La temperaturas en la Amazonía tienen un ciclo anual de variación, con índices más bajos hacia la mitad del año, lo correspondiente al invierno del hemisferio austral. Concretamente para la región sur de Colombia, los datos de temperatura del periodo 2000 al 2007 muestran un incremento promedio de 0,5 C respecto a los promedios históricos calculados entre los años 1976 a1999, en Leticia (río Amazonas), el promedio del periodo 2000-2007 no muestra incrementos signi…cativos, con respecto al histórico, a excepción de los meses …nales del año (usualmente los más cálidos), en donde el incremento fue de casi 1 C respecto a los años anteriores. Los datos meteorológicos se resumen en la siguiente tabla, donde se detallan algunos de los datos climatológicos obtenidos a lo largo del año 2009 por la estación meteorológica SEPA. Es importante tener en cuenta dichos datos, ya que dependiendo de ellos nuestro sistema solar fotovoltaico se puede ver afectado de cara a la producción de energía esperada para nuestro diseño.
55
Irradiación solar media anual W / m2
353
Número horas de Sol anual
4380
Número de días cubiertos anual
50
Número de días despejados
315
Humedad relativa en ( %)
75
o
Temperatura media C
25
Temperatura máxima o C
40
o
Temperatura mínima C
22.4
Precipitación total de lluvia (mm)
3500
Velocidad media del viento (km/h)
3.7
Datos meteorológicos existentes en el trapecio amazónico
(4.3)
El siguiente mapa re‡ejan las diferentes temperaturas que se registran a lo largo de Colombia, dependiendo la latitud a la que se encuentre la región. En el caso del sur de Colombia (norte del amazonas) se registra una temperatura medía mayor de 24o C.
Mapa de radiación solar en Colombia,obtenido por la estación meteorológica SEPA
(4.4)
56
Régimen de precipitaciones y nivel del río en función de las precipitaciones registradas
(4.5)
a lo largo del año en la región sur de Colombia (Norte de la selva amazónica)
4.3.
Resguardo indígena EL PROGRESO
Está ubicado en medio de la selva amazónica, a 4 horas en barco desde Leticia, capital amazónica colombiana, y a 2 km adentrándose en la espesura de la selva, desde la cuenca ‡uvial. Limita por el sur con Brasil y Perú, por el este con Venezuela, por el oeste Ecuador. Está comunidad está conformada por indígenas de etnía ticuna, se encuentran organizados en clanes patrilineales que presentan nombres de aves, de animales terrestres y de vegetales, donde los clanes a su vez se encuentran agrupados en dos mitades, la de los "seres con plumas"que concentra a los clanes con nombre de aves y la de los "seres sin plumas", que congrega a todos los clanes con nombre de animales terrestres y vegetales. La autoridad está representada por el Curaca que es un hombre o mujer en edad adulta elegido por toda la comunidad mediante votación para un período de dos años. El Curaca tiene como función ser el vocero de su comunidad ante las instituciones nacionales, debe saber leer y escribir, poseer el conocimiento básico de su cultura y la capacidad para comunicarse con el hombre blanco.
4.3.1.
Cultura y Mitos de la creación
En el misterioso amazonas colombiano existen un sin número de manifestaciones culturales, que hacen parte de la transmisión oral del conocimiento indígena heredado de ancestros a nuevas generaciones, y expresan la variedad étnica, religiosa, costumbres, tradiciones y formas de vida de su población. Allí donde nace el imponente Orinoco, poseedor de una gran variedad de leyendas, aún existen la magia, los médicos chamanes, los duendes y ninfas del bosque, la pata sola, la llorona, el Moé, El Chuyachaque. La cultura ticuna explica la creación del mundo con el mito de Yuche. Dentro de esta selección de Mitos hay dos en particular, que narran acerca del papel que ocupan las plantas en la cosmología ancestral de la región del Amazonas; el primer mito es ”el árbol de Agua Grande”, que narra la creación del río amazonas a partir de la caída del gran árbol y un segundo mito que atribuye el origen de los vegetales a la muerte de una mujer.
57 La explicación del origen del pueblo de los Ticunas, llamados “Pieles negras” por sus vecinos debido a que así pintaban sus cuerpos en las ceremonias dedicadas a sus dioses o sus protectores de clan, narra que Yuche, quien vivía desde siempre en el mundo, en compañía de las perdices, los paujiles, los monos y los grillos, había visto envejecer la tierra. A través de estos animales, se daba cuenta de que el mundo vivía y que la vida era tiempo y que el tiempo era la muerte. No existía en la tierra sitio más bello que aquel donde Yuche vivía; era una pequeña choza en un claro de la selva, muy cerca de un arroyo enmarcado en playas de arena …na. Todo era tibio allí, ni el calor ni la lluvia entorpecían la belleza de aquel lugar. Dicen que nadie ha visto el sitio pero los Ticunas esperan ir allí algún día. Un día Yuche fue a bañarse al arroyo como de costumbre. Llegó a la orilla y se introdujo en el agua hasta que estuvo enteramente sumergido. Al lavarse la cara se inclinó hacia adelante mirándose en el espejo del agua; por primera vez notó que había envejecido. Al verse viejo se entristeció profundamente. “Estoy ya viejo... sólo!. Oh, si muero la tierra quedará más sola todavía”. Apesadumbrado, despaciosamente emprendió el regreso a su choza. El susurro de la selva y el canto de las aves lo embriagaban de in…nita melancolía. Por el camino sintió un dolor en la rodilla como si le hubiera picado un animal. Sin darse cuenta, pensó que había podido ser una avispa y comenzó a sentir que un pesado sopor lo invadía. Siguió caminando con di…cultad y al llegar a la choza se recostó quedándose dormido. Tuvo un largo sueño; soñó que entre más soñaba más se envejecía y más débil se ponía y que de su cuerpo agónico se proyectaban otros seres. Despertó muy tarde al día siguiente y quiso levantarse pero el dolor se lo impidió. Entonces se miró la rodilla y notó que la tenía hinchada y transparente. Le pareció que algo en su interior se movía; al acercar más los ojos vio con sorpresa, allá en el fondo, dos seres minúsculos que trabajaban y se puso a observarlos. Las …guras eran de un hombre y una mujer, el hombre templaba un arco y la mujer tejía un chinchorro. Yuche les preguntó: “¿Quienes son ustedes? ¿Cómo llegaron ahí?” Los seres levantaron la cabeza, lo miraron pero no dijeron nada, siguieron trabajando. Al no obtener respuesta hizo un máximo esfuerzo para ponerse de pié, pero cayo en tierra. Al golpearse la rodilla contra el suelo, salieron de allí los dos pequeños seres que empezaron a crecer mientras él moría. Los primeros Ticunas se quedaron un tiempo allí, donde tuvieron muchos hijos y más tarde se marcharon porque querían conocer más tierras. Muchos Ticunas han buscado ese lugar pero ninguno lo ha encontrado.
4.3.2.
Economía
La agricultura es escasa debido a la baja calidad de los suelos, dentro de los cultivos agrícola de la región destacan la modalidad de conucos, y rubros como: Ñame, cambur, yuca, plátano, mapuey, cacao, seje, ocumo, batata, arroz, maíz, caña de azúcar y piña.
58 La silvicultura es la actividad más importante, aunque se hace en forma muy rudimentaria, sumado a la falta de asistencia técnica y a la ausencia de una política de aprovechamiento de los recursos forestales que di…cultan el desarrollo de este importante subsector. Entre las maderas extraídas tenemos,el cedro, chiquichique, apamate, cascarillo, carapa, cartán, pardillo, quina, copaiba, caucho, balatá, chicle, sarrapia. Debido a la extensión del territorio amazónico, la ganadería se hace económicamente ine…ciente, no obstante se cría ganado vacuno y porcino. La pesca es la base de la alimentación y la economía diaria, existe una pequeña actividad pesquera en los centros de los poblados indígenas, donde una gran variedad de pescado fresco es vendido o intercambiado entre los habitantes de la región. La riqueza y abundancia de paisajes naturales presentes en el amazona, resultan potencialmente atractivos a nivel turístico, el cual ha experimentado un gran desarrollo en los últimos años, principalmente en lo referido a las actividades contemplativa y de intercambio cultural.
4.3.3.
Transporte
Debido a su geografía el acceso al departamento del amazonas es posible sólo vía aérea, una vez en la capital amazónica, Leticia, es posible encontrar una amplia red de distribución ‡uvial, pero siempre supeditada a las condiciones climáticas del entorno.
4.3.4.
Artesanía
Los diferentes tipos de artesanía indígena se mani…estan como verdaderas obras de arte, entre ellas destacan la cestería de tejidos duros y tejidos blandos, elaborada a base de diferentes tipos de palmas, como el moriche, cumare, seje, cucurito, y chiquichique, etc. Fruto de este trabajo se obtiene prendas de diferentes formas, tamaños y colores (chinchorros, guayuco, hamacas, bolsos, bandas porta bebé, vestido). En el amazonas existe una gran variedad de cerámica de gran antigüedad. Se han encontrado yacimientos arqueológicos de esta manifestación artística que data de épocas prehispánicas. En cuanto a la decoración de las cerámicas, estas están muy ligadas a la simbología de la organización social y mitología de la etnia que las fabricó. Los adornos Corporales son otra manifestación artesanal de los pueblos indígenas, entre estos encontramos las pintaderas, realizadas en un trozo de madera circular o rectangular, talladas con diferentes diseños y de acuerdo a su utilización y función. Estas son impregnadas por el lado tallado del sello con tinturas vegetales, provenientes del onoto y la caraña y luego se luego son aplicadas en el cuerpo a modo de sello.
4.3.5.
Gastronomía
Entre los mejores platos que destacan en el poblado, se encuentran la tortuga preparada en su caparazón, el pescado de las más …nas cualidades como el morocoto, la curbina, la palometa, el pavón y el
59 lau; diferentes tipos aves, como el paují, el pato silvestre, el pavo, la gallina. También se elaboran distintos tipos de pan, entre ellos el mañoco variedad de casabe, este se prepara con la yuca amarga, en cuyo procesamiento se utilizan ciertos implementos autóctonos como el sebucán, el rayo y el budare. La catara es una salsa picante regional fabricada con jugo de yuca (yare), especies y bachaco culón (tipo de hormiga); de la que se a…rma que es un excelente afrodisíaco, además detener un excelente sabor. En el Amazonas crecen frutos autóctonos como el pijiguao, la cocura, el moriche, el copoazu, la curuba, la manaca, las piñas y el ceje, este último dotado de propiedades medicinales.
4.4. 4.4.1.
Descripción del proyecto Introducción
La decisión que impulsó el desarrollo de este proyecto, fue el reconocimiento empírico de las necesidades presentes en la gran mayoría de las comunidades indígenas que habitan en la selva amazónica. En verano del 2009, estuve desarrollando trabajos de cooperación voluntaria con un grupo de biólogos colombianos, que desde el año 2007 viene trabajando en proyectos de conservación de especies ‡uviales, más concretamente trabajan por la preservación de la tortuga charapa, una especie actualmente declarada en vía de extinción. A través de una convivencia de dos meses en pleno corazón de la selva, descubrí a los indígenas de la comunidad EL PROGRESO, quienes tan amablemente me brindaron sus cuidados y guía en un ambiente que al primer contacto me resulto basto y hostil, y que al poco tiempo me acostumbré y llegué a amar. El Amazonas, la armoniosa musicalidad de la selva y cada uno de los rostros inocentes de quienes me acompañaron durante mi experiencia, son los motores impulsores que mantiene viva la lucha y la ilusión de ver hecho realidad un día no muy lejano el proyecto de electri…cación y distribución de aguas en el poblado, y por qué no, conseguir con tiempo y dedicación su…cientes, hacer replicas del mismo adaptándolo a las necesidades indígenas de las comunidades cercanas. Actualmente la comunidad indígena cuenta con el siguiente material, en desuso, donado por una empresa de telecomunicaciones, que en el pasado estuvo haciendo experimentos en la región. Un depósito elevado de 40m3 . Una bomba de extracción de agua de 1200 W de potencia. 6 estructuras de hormigón que servirán de soporte para paneles solares de la instalación. Una caseta envolvente construida de cemento. La idea sería poder aprovechar al máximo los recursos existentes, para la implementación de la instalación aislada, con lo cual a mi regreso a Europa, puse en marcha lo que sería la totalidad del actual proyecto de cooperación en la que actualmente trabajamos un grupo de profesores y estudiantes de la
60 UPC que conforman la fundación ONGit, ONG colaborante del CCD – Centro de Cooperación y Desarrollo de la UPC, quienes serán los encargados, en un futuro no muy lejano, de obtener los datos en bruto del terreno y realizar su respectivo análisis para la posterior implementación de la parte hidráulica del proyecto (abastecimiento y saneamiento de agua) . De momento seguimos trabajamos en la implementación de la instalación eléctrica, aprovechando que se trata de un proyecto con mayor viabilidad, que se dispone del material anteriormente mencionado y de algunos donativos que hacen algunas empresas europeas.
4.4.2.
Objetivo del proyecto
En términos generales, el objetivo de este proyecto consiste en dimensionar una instalación eléctrica de conexión aislada, haciendo uso de la energía solar fotovoltaica, dicho proyecto servirá para suministro de energía eléctrica a las 38 familias del resguardo indígena EL PROGRESO, en el trapecio amazónico colombiano. La comunidad indígena El PROGRESO está ubicada a 4 horas de viaje ‡uvial a través de las caudalosas aguas de río amazonas, de Leticia, la población más civilizada del Amazonía colombiano y a 2 km del la cuenca amazónica adentrándose en el corazon de la selva. Debido a lo vasto de su extensión, las características del ambiente y a los escasos recursos con los que cuenta la comunidad, se hace difícil el desplazamiento y la adquisición de combustible tanto como para sufragar los gastos propios del desplazamiento en embarcación, para alimentar al único grupo electrógeno de apoyo con el que cuenta la comunidad en la actualidad. Es sumamente importante que la instalación tenga una autonomía total y una alta e…ciencia energética, ya que la ubicación del poblado indígena al que se dirige este proyecto, y las características naturales del entorno imposibilitan el acceso de algún punto de conexión a red, por lo cual, optamos por la instalación de una planta solar fotovoltaica autónoma aprovechando los recursos naturales idóneos de la zona. La electri…cación del poblado también aportará otros bene…cios de carácter social de suma importancia, como: El abastecimiento de agua al poblado mediante la extracción de agua potable desde un acuífero mineral ubicado a 1 km del poblado, y del que actualmente sus habitantes abastecen sus necesidades de consumo. El poblado cuenta con una bomba de extracción y un depósito elevado, todo ese material está actualmente en desuso, debido a la falta de medios económicos y herramientas para poder aprovecharlos. Posibilitará el uso de material informático (uso de ordenadores) en la escuelita primaría del poblado. En la actualidad la escuelita cuenta con la existencia de 10 ordenadores, que no están siendo utilizados, debido a que el único grupo electrógeno capaz de suministrara electricidad, funciona con gasolina y como se comentaba con anterioridad, la comunidad indígena no dispone de los medios monetarios para pagar el combustible requerido, además de lo difícil y costoso que resulta el desplazamiento. La electri…cación del poblado posibilitará la implementación de un puesto de salud elemental, del cual se bene…ciará la población a la que se dirige el presente proyecto y las poblaciones aledañas
61 al poblado. Actualmente la población mínimamente civilizada más cercana al resguardo indígena, se encuentra a 4 horas de viaje ‡uvial y debido a la distancia y la di…cultad de desplazamiento, en muchas ocasiones han muerto indígenas,por mordidas de serpientes venenosas, al no conseguir llegar a tiempo para ser debidamente atendidos. La electricidad en el puesto de salud, permitirá conservar reservas de antídotos contra picaduras de especies, a temperaturas adecuadas.
4.4.3.
Antecedentes
El resguardo indígena está formado por 38 viviendas, en donde habitan un promedio de 5 a 6 personas. Las viviendas tienen una super…cie de 40 m2 cada una con la con…guración estándar de las típicas chozas indígenas de barro y palmas. Debido a la distancia, la altitud de la selva y el sin número de accidentes geográ…cos, no se dispone de ningún punto de conexión a red. Los Indígenas que habitan en un entorno selvático, no tienen hábitos de consumo eléctrico, su estilo de vida más cercano a la naturaleza que el nuestro, incluye un respeto por el equilibrio natural, lo cual deriva en un consumo mínimo de recursos. En la actualidad el poblado dispone de un grupo electrógeno que no utiliza por falta de medios económicos y por la di…cultad que implica el abastecimiento del combustible necesario para su funcionamiento. El proyecto consiste en el diseño de una planta solar fotovoltaica aislada, en la que se utilizará un conjunto de generación fotovoltaica, baterías o acumuladores de energía, reguladores de carga para la protección y aislamiento de las baterías respecto al resto del sistema, e inversores corriente DC-AC. La generación fotovoltaica la realizan los paneles solares, estos estarán colocados sobre soportes rígidos en con una inclinación de 45o , y orientados al sur para maximizar a captación de energía solar, y sobre una explanada completamente expuesta al sol y libre de sombras que impidan la captación de energía solar. La energía solar captada por los módulos fotovoltaicos y transformada corriente directa, se almacenará en baterías, dimensionadas para abastecer las necesidades de suministro energético en caso de insu…ciencia de energía solar durante seis días. La carga de las baterías será gestionada mediante reguladores de carga, dichos dispositivos también serán útiles para la protección de las baterías frente a las posibles sobre cargas y descargas del sistema, adecuando siempre la tensión de trabajo dentro de los márgenes de tensión permitidos para los niveles de carga de la batería; al igual que se encargan de aislar las baterías del resto del sistema en caso de ser necesario. La energía almacenada estará destinada al suministro de energía de las viviendas cuando no exista captación de energía solar. Para la transformación de corriente eléctrica a corriente alterna se utilizarán inversores de onda sinusoidal pura, estos dispositivos se encargan de la gestión y conversión de la corriente continua, procedente del banco de baterías, en corriente alterna, con una calidad apta para ser utilizada por cualquier equipo de consumo eléctrico conectado a los inversores. Excepto el grupo fotovoltaico el resto de elementos que conforman el sistema: Reguladores, baterías,
62 inversores, se instalaran en una caseta ubicada en una zona fresca y sombreada del entorno, con el …n de protegerlos de la intemperie, de las condiciones ambientales y posibles incursiones de especies animales nocturnas. Toda la instalación estará provista de sistemas de protección y aislamiento, para evitar posibles accidentes con personas y especies animales de la zona, aparte de estar destinados a sobre proteger los componentes de la instalación solar fotovoltaica.
Capítulo 5
Conceptos a tener en cuenta en el dimensionado de una instalación 5.1. 5.1.1.
De…nición de algunos conceptos Datos técnicos de la instalación
- Ángulo de inclinación , ángulo que forma la super…cie de los módulos respecto al plano horizontal. Su valor es 0o para el plano horizontal y 90o para el plano vertical. - Ángulo acimut
, es el ángulo entre la proyección sobre el plano horizontal de la normal a la
super…cie del módulo y el meridiano del lugar. Los valores típicos son 0o para orientación sur, -90o para orientación este y + 90o para orientación oeste. - Gcem , condiciones de irradiación y temperatura de la célula solar, utilizadas como referencia para caracterizar la célula, módulos y generadores fotovoltaicos, generalmente en el diseño de una instalación aislada utilizamos como valor estándar 1Kw/m2 , el cual presentará variaciones dependiendo de la latitud. - Gdm , Valor medio mensual o anual de la irradiación diaria sobre una super…cie horizontal en kwh. / (m2 día). - Gdm (
optimo,
optimo), valor medio mensual o anual de irradiación diaria en Kwh./(m2 día),
incidente sobre el generador fotovoltaico, orientado de forma óptima. Se considera la orientación óptima aquella que hace que la energía recogida sea máxima en un determinado periodo. - Factor de irradiación F I, representa el porcentaje de radiación incidente para un generador con orientación optima. - Factor de sombreado F S, representa el porcentaje de radiación incidente sobre el generador en ausencia de sombras.
63
64 - P R, rendimiento energético del sistema o “perfomance ratio”, de…nido como la e…ciencia de la instalación en condiciones reales de trabajo para el periodo de diseño.
PR =
Ed Gcem Ppm Gdm ( )
(5.1)
Donde: Gcem :1 kW/m2 Ppm :Potencia pico del generador (kWp) Ed :Consumo, expresado en kWh/día
PR
Invierno
Verano
Z. Norte
1.5
5
Z. Centro
2
6
Z. Sur
2.5
7
Perfomance ratio, rendimiento energético de un sistema
(5.2)
- Tensión de Trabajo de la Instalación, se denomina así a la mayor diferencia de potencial que pueda existir en la instalación. Si no existen inversores, la tensión de trabajo de la instalación coincide con la diferencia de potencial generada por el campo de paneles en circuito abierto a una radiación de 1.000 W/m2 , siendo la temperatura de célula de 25 o C. - Tensión nominal del campo solar, se denomina así a la tensión a la que el campo solar funciona normalmente conectado a la carga. - Intensidad Máxima de la Instalación, intensidad generada por el campo de paneles con una radiación de 1.000 W/m2 y una temperatura de célula de 25o C. - Potencia Nominal Pico de la Instalación,es la máxima potencia proporcionada por un campo de paneles conectado a una carga adaptada cuando recibe una radiación global de 1000 W/m2 , siendo la temperatura de célula de 25 o C. - Carga de Consumo, son los amperios hora requeridos para el funcionamiento de un receptor eléctrico conectado a la instalación. - Días de Autonomía de la Instalación, es el número de días consecutivos que en ausencia del sol, el sistema de acumulación es capaz de atender a las cargas de consumo sin sobrepasar la profundidad máxima de descarga de la batería.
5.1.2.
Radiación
- Radiación Solar, es la energía procedente del sol en forma de ondas electromagnéticas.
65 - Radiación Solar Directa, es la radiación solar por unidad de tiempo y unidad de área, que sin haber sufrido modi…cación en su trayectoria, incide sobre una super…cie. - Radiación Difusa Celeste, es la radiación por unidad de tiempo y unidad de área que, procedente de la dispersión solar directa a través de las moléculas de aire, partículas sólidas, vapor de agua suspendidas en la atmósfera, etc, incidente sobre una super…cie. - Radiación Solar Re‡ejada, es la radiación por unidad de tiempo y área procedente de la re‡exión de solar en el suelo y otros objetos, incide sobre una super…cie. - Radiación Difusa, es la suma de la radiación difusa celeste y la radiación solar re‡ejada. - Radiación Solar Global, es la suma de la radiación directa y difusa. - Radiación Solar Media, es la integral de la radiación solar global incidente sobre una super…cie en un período de tiempo. - Horas Sol Pico, es el número de horas de sol con una radiación global de 1000 W/m2 recibida en un período de tiempo.
5.1.3.
Paneles fotovoltaicos
- Efecto fotovoltaico, transformación directa de energía luminosa en energía eléctrica. - Célula Solar, dispositivo unitario correspondiente al elemento semiconductor que presenta el efecto fotovoltaico. - Módulo Solar, conjunto de células solares interconectadas y montadas sobre un mismo soporte protector. - Tensión de Circuito Abierto, es la diferencia de potencial medido en bornes de una célula o módulo en ausencia de carga o cuando el circuito esté abierto en unas ciertas condiciones de medida. - Corriente de Cortocircuito, es el valor de la corriente que proporciona la célula o módulo en condiciones estándares, cuando sus bornes están cortocircuitados. - Potencia máxima, es la máxima potencia que en determinadas condiciones de medida puede proporcionar una célula o módulo solar. - Campo de Paneles, conjunto de paneles fotovoltaicos conectados entre sí y de…nido por el número de paneles asociados en serie y el número de series asociados en paralelo.
66
5.1.4.
Baterías
- Elemento electroquímico del sistema capaz de acumular bajo forma química la energía eléctrica proveniente del generador fotovoltaico, la cual pueda ser restituida a través de la transformación inversa. - Carga de una Batería o elemento, proceso durante el cual una batería o elemento transforman y almacena en forma de energía química, la energía eléctrica recibida de un circuito exterior. - Descarga de una Batería o elemento, proceso durante el cual una batería o elemento suministra corriente a un circuito exterior, mediante la transformación de la energía química almacenada en energía eléctrica. - Electrolito, fase líquida que contiene iones móviles mediante los cuales se realiza la conducción iónica en la fase. - Bornes, pieza destinada a conectar un elemento o una batería a conductores exteriores. - Conexión entre elementos conductores eléctricos destinados a transportar la corriente entre elementos. - Capacidad Nominal, carga eléctrica que una batería en estado de plena carga puede suministrar bajo determinadas condiciones, expresada en amperios hora. - Régimen de descarga, intensidad de corriente a la cual una batería es descargada, expresada en amperios hora. - Régimen de Carga, intensidad de corriente a la cual una batería es cargada, expresada en amperios hora. - Tensión Final, tensión convencional a la cual una descarga se considera …nalizada. - Densidad Especí…ca del Electrolito, peso del electrolito por unidad de volumen, generalmente expresada en g/cm3 : - Autodescarga, pérdida de carga eléctrica expresada en tanto por ciento de la capacidad de la batería en un mes, a 25o - 0o C y en circuito abierto, estando la batería en un estado inicial de plena carga. - Ciclo, secuencia de una carga seguida de una descarga bajo determinadas condiciones. - Profundidad de Descarga, carga eléctrica que puede ceder la batería en determinadas condiciones. Se expresará en % de la capacidad.
67
5.1.5.
Sistema de regulación y control
- Regulador, dispositivo de optimización y control de carga de la batería. - Tensión Máxima de Carga, tensión en bornes de la batería a partir de la cual, la corriente eléctrica proveniente del campo de paneles es limitada por el regulador. - Tensión de Reconexión, tensión en bornes de la batería a partir de la cual el regulador conecta eléctricamente el campo de paneles con la batería. - Potencia Consumida, potencia consumida por el regulador. - Intensidad Máxima de Carga, máxima intensidad de corriente procedente del campo de paneles que el regulador es capaz de admitir. - Sistema de Alarma por Baja Tensión, sistema que activa una señal acústica o luminosa que indica un estado de bajo voltaje de la batería. - Desconexión de Consumo por Baja Tensión, sistema que desconecta la batería del consumo cuando ésta alcanza un nivel de baja carga. - Intensidad máxima de consumo, máxima corriente que puede pasar del sistema de regulación y control al consumo. - Contador de Amperios Hora, sistema que contabiliza los amperios hora suministrados por el campo de paneles y los Amperios hora consumidos en la instalación.
5.1.6.
Inversor
- Inversor de DC/AC, sistema que transforma la corriente eléctrica continua en corriente alterna. - Inversor de DC/DC, sistema que eleva o reduce el valor de la tensión de una corriente continúa. - Tensión de Entrada, es la tensión eléctrica en los bornes de entrada del inversor. - Tensión de Operación, es la tensión eléctrica de entrada en los bornes de entrada del inversor que puede ser convertida. - Tensión de salida, es la tensión eléctrica en los bornes de salida del inversor. - Tensión Nominal de Salida, valor de la tensión de salida utilizado para identi…car el inversor. - Potencia de Entrada, valor de la potencia a la entrada del inversor. - Potencia de Salida, valor de la potencia de la corriente eléctrica a la salida del inversor. - Potencia Nominal, potencia de salida que sirve para identi…car al inversor.
68 - Rendimiento, razón expresada en tanto por ciento entre la potencia de salida y la potencia de entrada para una determinada tensión de entrada. - Sobrecarga, valor de la potencia de salida superior a la nominal que el inversor puede admitir durante un intervalo de tiempo, manteniendo sus características de funcionamiento. - Resistencia al Cortocircuito, tiempo máximo de funcionamiento del inversor a una determinada potencia de salida correspondiente al cortocircuito. - Frecuencia Nominal, valor de la frecuencia de salida utilizado para identi…car el inversor de DC/AC. - Distorsión de Armónicos, valor de la potencia de salida expresado en tanto por ciento de la potencia nominal correspondiente a frecuencias diferentes a la frecuencia nominal. - Pérdidas en vacío, potencia disipada por el inversor en ausencia de carga. - Pérdidas en espera, potencia disipada por el inversor a través del circuito automático de detección de carga.
5.2.
Dimensionado del sistema
La estimación correcta de la energía consumida por un sistema fotovoltaico, es sencilla para aplicaciones en las que se conocen las características exactas de la carga, como es el caso de sistemas de telecomunicaciones. Sin embargo para otras aplicaciones como el caso de electri…cación de poblados y viviendas, independiente del método usado para dimensionar nuestra instalación, es necesario a…nar más en los detalles del consumo, evaluando la situación de la instalación, para realizar un correcto cálculo del dimensionado de la instalación, deberemos entonces: - Dar a conocer la composición de las familias hábitos de los usuarios, capacidad de administración de la energía. - Dentro de los cálculos para dimensionado es necesario conocer la energía media consumida por día ED (Wh/día), es decir la potencia mínima diaria requerida para que trabajen los consumos conectados a nuestra instalación. Para ello se recomienda hacer una tabla descriptiva en donde se relacione la totalidad de los elementos conectados al sistema, las horas de funcionamiento diario y la potencia consumida por cada elemento conectado al sistema. - Cálculo de las pérdidas diarias de energía, causadas por el auto consumo del regulador, Inversor, y todos los dispositivos conectados a nuestra instalación que requieran energía para su funcionamiento. El auto consumo variará en función del tipo de dispositivos elegidos, como norma general el fabricante especi…ca en las hoja características técnicas dichos valores. - Las distintas aplicaciones y los tipos de consumos que se conectaran al sistema (iluminación, bombeo de agua, TV, etc).
- Para el dimensionado del acumulador, se calculará el consumo medio diario ED
69 de nuestro sistema
en A h /día, dependiendo de dicho valor escogeremos el valor nominal de tensión adecuado para los cálculos de la batería de nuestro sistema.
C100 =
ED Nautonom{a (V PD )
(5.3)
Nota 1 Es muy importante elegir una tensión nominal adecuada para la con…guración de las baterías en nuestro sistema, de cara a las pérdidas de energía presentes en la desconexión del conjunto de baterías …nalmente elegido. En la tabla a continuación se muestran algunos de los valores por defecto para la tensión nominal de nuestro conjunto de baterías, en función de ED .
Voltaje del Sistema (V) 12
Consumo (W) 12
Ed