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Vi viendas. Trabajo de Investigación sobre Paneles Fotovoltaicos y su Aplicación en Edificios de Viviendas
Introducción:
A lo largo de los últimos años, el consumo de energía ha crecido considerablemente. En es tos tiempos tiempos es vital vital la concientización acerca del cuidado del medio ambiente y la incorporación de sistemas sis temas para el aprovechamiento de energías renovables y ecológicas como la del sol. En muchos países el uso de es tos tos sist sis temas es obligatorio por ley. Al hablar de paneles solares en edificios, se refiere a la colocación de los mismos en cubiertas o en otros lugares expuestos al sol, utilizando la energía obtenida para electrificar el lugar. Hay dos formas de aprovechamiento aprovechamiento de la energía solar: una es para el calentamiento calenta miento de agua con dispositivos dispositivos denominados calentadores solares y la otra es para obtener obtener energía eléctrica a través de paneles fotovoltaicos. fotovoltaicos. En Septiembre de 2015 fue sancionada s ancionada la ley 26.190 que establece que en el 2017 el país deberá contar con el 8% de s u generación eléctrica e léctrica de fuentes renovables, con el compromiso de llegar al 20% para el 2020. Actualmente Actualmente la Argentina cuenta con tres parques solares s olares inyectando energía a la red. Cañada Honda I y II – La Chimbrera I en San Juan con 7MW de potencia alimentando 4339 hogares y San Juan I también en San Juan con 1,2 MW de potencia alimentando 661 hogares. hogares.
Este trabajo se concentrará en e n el uso de Paneles P aneles Fotovoltaicos Fotovoltaicos para la obtención de Energía Eléctrica, especialmente especialmente en Edificios de Viviendas.
Breve Descripción de Paneles Fotovoltaicos y su Funcionamiento:
Los paneles fotovoltaicos están formados por un conjunto de células fotovoltaicas que producen electricidad producen electricidad a partir de la luz la luz que incide sobre ellos mediante el el efecto fotoeléctrico. Los paneles fotovoltaicos, en función del tipo de célula que los forman, se dividen en:
Cristalinas de silicio. Monocristalinas: se componen de secciones de un único cristal de silicio. Policristalinas: cuando están formadas por pequeñas partículas cristalizadas. Amorfas: cuando el silicio no se ha cristalizado.
Su efectividad es mayor cuanto mayor son los cristales, cris tales, pero también su peso, grosor y costo. cos to. El rendimiento de las primeras puede alcanzar el 22 % mientras que el de las últimas puede no llegar al 10 %.
Los módulos fotovoltaicos funcionan por e l efecto fotoeléctrico. Cada fotoeléctrico. Cada célula fotovoltaica está compuesta de, al a l menos, dos delgadas de lgadas láminas láminas de silicio. Una dopada con elementos con menos electrones de valencia que el silicio, denominada P y otra con elementos con más electrones que los átomos de silicio, denominada N. 1
Instalaciones 2- Roscardi | Florencia Rodriguez Aquellos fotones procedentes de la fuente luminosa, que presentan ene rgía adecuada, inciden sobre la superficie de la capa P, y al interactuar con el material liberan electrones de los átomos de silicio los cuales, en mo vimiento, atraviesan la capa de semiconductor, pero no pueden volver. La capa N adquiere una diferencia de potencial respecto a la P. Si se conectan unos conductores eléctricos a ambas capas y estos, a su vez, se unen a un dispositivo o elemento eléctrico consumidor de energía que, usualmente y de forma genérica se denomina carga, se iniciará una corriente eléctrica con tinua. Este tipo de paneles producen electricidad en corriente continua y aunque su efectividad depende tanto de su orientación hacia el sol como de su inclinación con respecto a la horizontal, se suelen montar instalaciones de paneles c on orientación e inclinación fija, por a horros en mantenimiento.
El parámetro estandarizado para clasificar su potencia se denomina potencia pico, y se corresponde con la potencia máxima que el módulo puede entregar bajo unas condiciones estandarizadas, que son:
Radiación de 1000 W/m²
Temperatura de célula de 25 °C (no temperatura ambiente).
En un día soleado, el Sol irradia alrededor de 1 kW/m² a la superficie de la Tierra. Considerando que los paneles fotovoltaicos actuales tienen una eficiencia típica entre el 12 %-25 %, es to supondría una producción aproximada de entre 120-250 W/m² en función de la eficiencia del panel fotovoltaico. Por otra parte, están produciéndose grandes avances en la tecnología fotovoltaica y ya existen paneles e xperimentales con rendimientos superiores al 40 %.
Clasificación de Sistemas de Autoconsumo Fotovoltaico:
Los sistemas de autoconsumo se clasifican en aislados o con cone xión a red según estén o no conectados a la red eléctrica.
Sistemas aislados (off grid) Los Generadores Eléctricos Autónomos están básicamente conformados por uno o más módulos fotovoltaicos, una estructura soporte, un banco de baterías, un regulador de carga, y eventualmente un inversor de corriente continua a corriente alterna. Los módulos fotovoltaicos s on los encargados de transformar la luz solar en energía eléctrica de corriente continua. La es tructura soporte permite mantener a los módulos orientados de tal manera de optimizar la captación de la luz solar. El banco de baterías es el encargado de almacenar la energía generada y no consumida en el momento. La energía acumulada es e ntregada a los consumos durante la noche y los días nublados.
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Instalaciones 2- Roscardi | Florencia Rodriguez El regulador de carga es un dispositivo electrónico que impide que el banco de baterías se sobrecargue a sobre descargue, aum entando su vida útil.
Sistemas con conexión a red (on grid) La corriente eléctrica continua entregada por el generador solar es transformada en corriente eléctrica alterna (por ejemplo 22 0V – 50 Hz) por medio de equipos inversores de onda senoidal pura, de alta eficiencia de conversión (superior al 95 % y de gran confiabilidad). El Inversor inteligente entra automáticamente en sincronismo (tensión y frecuencia) con la red eléctrica a la cual se conecta. El inversor monitorea permanentemente el es tado de suministro eléctrico por parte de la red. En caso de falta del mismo, el inversor desconecta por seguridad los paneles solares, anulando el aporte solar de energía eléctrica.
Sistemas conmutados con la red También se puede hacer un sistema conmutado con la red; bien con un conmutador aparte o integrado en el inversor (ya los ha y disponibles en e l mercado), que conmutan la instalación solar con la de la red en 10 m ilisegundos; con lo que convertimos la instalación solar en una aislada, pues nunca se "toca" con la compañía. Hacen falta unas baterías con un poco de acumulación, lo que lo encare ce demasiado la instalación en comparación con la de conexión, pero puede acogerse a la legislación de aislada.
Componentes: 3
Instalaciones 2- Roscardi | Florencia Rodriguez Un sistema de autoconsumo fotovoltaico de conexión a red está formado por el conjunto de pane les fotovoltaicos y un inversor.
Los paneles fotovoltaicos (A) están formados por un conjunto de celdas (células fotovoltaicas) que producen electricidad a partir de la luz que incide sobre ellos (electricidad solar). Marcas reconocidas: Suntech, Yingli, First Solar, Sharp Corporation y Phoenix Solar.
El inversor (B) es un aparato electrónico que convierte la corriente continua, generada el panel fotovoltaico, en corriente alterna. Este se conecta a los paneles con un cable. Marcas reconocidas: Ingeteam, SMA Solar Technology, Sputnik Engineering, SolarEdge, etc.
Aparte de estos, los sistemas de autoconsumo pueden incorporar otros componentes, como los descritos a continuación.
Una estructura para la sustentación de las placas fotovoltaicas.
Baterías o acumuladores para almacenar la energía.
Inversores de corriente continua de baterías a corriente alterna.
Cargadores de baterías.
Reguladores para controlar y gestionar las baterías. Son dispositivos que controlan constantemente el estado de carga de las baterías con la finalidad de alargar su vida útil y de protegerlas frente a sobrecargas y sobre descargas. Estos reguladores cuentan con microcontroladores que permiten gestionar los sistemas fotovoltaicos.
Accesorios para monitorizar el comportamiento del sistema. Permiten con trolar los parámetros más importantes de las instalaciones fotovoltaicas.
Marcas Argentina: Solartec, Qmax, Fiasa, Hissuma, Good Energy, etc.
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Baterías:
Todo sistema de generación autónomo requiere de baterías para la acumulación de la energía generada durante las horas de insolación. El tamaño de estas baterías puede ser desde un simple acumulador monoblock de 12 Vols nominales, hasta un banco de baterías de gran c apacidad en 48 Volts nominales. Las baterías solares monoblock, las cuales son el modelo más económico y recomendado en instalaciones de baja y media potencia donde se utilicen aparatos eléctricos sencillos y que no usen motor. La vida media de una solar monoblock son 4-5 años, sin embargo, si se utiliza con aparatos con motor se perjudicará su vida útil reduciéndola solamente a 1 año. El modelo de mayor capacidad tiene 250Ah y se conecta con otras baterías para conseguir una mayor capacidad de almacenamiento. Las baterías de Gel y las baterías AGM se fabrican en formato monoblock pero tienen un rendimiento mayor y no necesitan mante nimiento ya que son baterías selladas y compuestas de electrolito gelidificado. Estas baterías son ideales para usar cualquier tipo de aparato eléctrico ya que soportan sin problemas los altos picos de arranque de cualquier electrodoméstico. La vida media de las baterías de Gel y AGM en condiciones normales de uso son de 810 años. Estas baterías son muy utilizadas en instalaciones medias ya que permiten ir añadiendo módulos y ampliar la capacidad de carga poco a poco. El modelo de más capacidad utilizado en acumuladores de Gel y AGM es de 250Ah. El siguiente tipo de baterías ya son los modelos estacionarios, en los cuales forman parte las baterías OPZS, OPZV y TOP ZS. Este tipo de baterías están formadas por vasos independientes de 2V cada uno, con capacidades de carga que pueden llegar hasta los 4500Ah. Si bien los modelos más utilizados abarcan desde los 300Ah hasta los 1500Ah. Los vasos se conectan entre sí mediante conectores y formando sistemas de 12V, 24V o 48V. Según el voltaje de la carga a alimentar y la capacidad deseada, tanto los monoblocks como los vasos tubulares se conec tan en serie- paralelo. Para asegurar una carga homogénea de los bancos y una mayor vida útil no se aconseja instalar más de 4 líneas en paralelo. Los bancos de baterías se disponen sobre es tanterías (racks) y se alojan en contenedores especiales, en locales o en gabinetes que deben tener una adecuada ventilación.
Inversores:
En numerosas aplicaciones se requiere alimentar cargas que funcionan con energía alterna. Por lo general en 220V. y 50 Htz. En los sistemas autónomos el inversor toma la energía del banco de ba terías que puede ser según el caso de un voltaje de 12, 24 o 48 Volts. En viviendas o establecimientos en los cuales el generador fotovoltaico trabaja en forma conjunta con un generador tradicional (un gene rador diesel por ejemplo) se utilizan aparatos que cumplen una doble función: 5
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Cuando el generador tradicional se pone en marcha el equipo convierte la corriente alterna generada en corriente continua para cargar el banco de baterías. Este mismo banco es cargado también por el generador solar en las horas de insolación. Cuando se consume energía en forma de corriente alterna en la vivienda o establecimiento, el equipo inversor- cargador toma esa e nergía del banco de baterías y lo entrega en forma de corriente alterna a la red de distribución eléctrica del edificio. Para los casos de generadores conectados a la red se utilizan otro tipo de inversores especialmente diseñados para ese fin. Pueden monofásicos o trifásicos. Son alimentados a altos voltajes por módulos fotovoltaicos conectados en serie. Tiene la particularidad de tomar información de la red para que la energía alterna producida por el sistema lo haga en sincronismo con la misma.
Estructura Soporte:
Los módulos fotovoltaicos que integran un generador solar se montan sobre estructuras soporte. Estas estructuras son metálicas, y según los casos se fabrican en base a perfiles de hierro galvanizado o de aluminio anodizado. Los módulos se vinculan a las estructures por medio de bulones o remaches. Las estructuras de los generadores autónomos se fijan al suelo o a los techos de los edificios.
Aplicaciones posibles en Edificios de Viviendas:
1) Bombeo de Agua por Paneles
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Paneles
Bajo mantenimiento Requiere poco espacio No es riesgoso Costos accesibles
Grupo Electrógeno
Costoso Ruidoso Requiere de almacenamiento Gases contaminantes Alto costo de instalación
2) Abastecimiento de Luz para espacios comunes
Paneles
Duración entre 18 y 30 horas Batería de mayor duración Menor mantenimiento Ahorro en electricidad
Iluminación de Emergencia
Duración entre 2 y 5 horas Batería de menor duración Mayor mantenimiento
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3) Sistema de Back Up
Paneles
Otras Soluciones
Sistema de banco de baterías
centralizado que otorgan una duración de 4 a 6 años.
Bajo mantenimiento
Automatico
Requiere poco espacio fisico.
No es riesgoso.
Costos accesibles
Mayor duración del suministro: Entre
Gases contaminantes Ruidosos Costoso Dependencia de operadores para su uso Alto costo de mantenimiento Requiere espacio de almacenamiento
18 y 30 horas.
Ilumi nació n d e áreas comu nes de edif icio s
Ejemplo Sistema de Back Up para suministro de energía ininterrumpida:
Aclaración: En función de la cantidad de energía consumida, y en forma muy genérica (pueden hacerse cálculos precisos s iendo este un mero cálculo aproximado), se puede decir que en Argentina el promedio de horas de sol diario esta entre 2,5 y 6 Horas. En la provincia de Buenos Aires se calcula un promedio 4 horas diarias promedio de sol, por lo que la generación diaria de un panel solar será la multiplicación de la potencia nominal del mismo por las horas de sol promedio. Ejemplo: (si tengo un panel de 100W de potencia nominal. Tendré una generación diaria promedio de 400W (en la pro vincia de Buenos Aires)
Componentes del sistema: 1 panel solar de 235W policristalino 1 inversor 350W con cargador de batería y función de autoswitching red-bateria (Solar Primero) 1 batería de 90Ah 12V 50 lámparas de led 3W
Funcionamiento: El sistema genera energía eléctrica a través del panel solar y carga la batería alimentando la red eléctrica a través del inversor en 220V. En cuanto la luz solar no es suficiente para atender el suministro eléctrico de la red el inversor cambiará a la red eléctrica en forma automática. Si llegara a producirse un corte de energía eléc trica de la red y el sol no fuera suficiente para atender la demanda, la batería permitirá continuar con el suministro eléctrico.
Instalación: 8
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La instalación es muy sencilla. Se posiciona el panel solar en un lugar donde pueda recibir la ma yor cantidad de sol diario (preferentemente orientado hacia el Norte). Se conectan los cables del panel solar al inverter, del inverter a la red y del inverter a la batería. El inversor y la batería deben estar a resguardo del agua.
Características técnicas del equipo: Generación eléctrica diaria promedio: 800 a 1400 Watts diarios dependiendo de la zona donde se instale. Capacidad de Acumulación: 1080 watts diarios Potencia Máxima de suministro: Picos de 500W y estable a 350W. Uso en iluminación común y de emergencia. Autonomía. Utilizando lámparas de 3W de led que equivalen a 36W incandescentes: 50 Lámparas durante 6 horas-
Simulación: Edificio de 6 pisos- 1100 m2 construidos Áreas comunes (escaleras de emergencia), pasillos y entrada: 200 m2 Cantidad de lámparas de led de 6 W: 50 unidades Consumo de energía 10 Lámparas en hall de entrada encendidas desde las 8PM a las 7AM: 11 hs. 660W 40 Lámparas en escaleras y pasillos internos: Encendidas durante 2 horas promedio diario con simultaneidad 0,50: 240W Consumo total del predio: 900W/día Generación del sistema en Buenos Aires: 940W/día Autonomía en el caso de falta de suministro eléctrico y solar: 1 día. El sistema producirá toda la energía consumida durante el día y servirá como sis tema de resguardo en el caso de corte de suministro de la red eléctrica.
Costo Sistema Básico para un Edificio de Viviendas:
Marca Hissuma Utilización: Iluminación de áreas comunes
Incluye: 3 paneles solares policristalinos HISSUMA SOLAR de 235W 1 inversor de onda senoidal pura con regulador PWM incluido HISSUMA SOLAR 350W modo s olar primero 2 baterías de 88Ah de ciclo profundo para sistemas solares DEKA
Precio: $35795,56
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Ventajas del Uso de la Energía Fotovoltaica:
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Mantenimiento prácticamente nulo
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Independencia de la red eléctrica reduciendo el costo de la factura de luz
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Evitamos los cortes de energía de las compañías eléctricas
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Evitamos la emanación de CO2 al medio ambiente
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Generación silenciosa y renovable
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Recuperación de la inversión en un lapso de pocos años
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No genera desechos
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Evitamos el transporte de minerales y combustibles a las plantas de generación con la huella ecológica que todo ese proceso conlleva
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Evitamos tendidos eléctricos kilométricos, con los costos y riesgos que esto trae
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Estabilidad eléctrica que evita picos de tensión que puedan dañar equipos conectados al sistema
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Instalaciones modulares de fácil ampliación
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Vida útil aproximadamente de 30 años.
Otras Aplicaciones:
a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k)
Suministro de energía eléctrica en lugares alejados de la red. Suministros de energía eléctrica en lugares móviles, como ser embarcaciones, casas rodantes, etc. Suministro de energía eléctrica para iluminación interior y exterior de viviendas Suministro de energía eléctrica en áreas comunes de edificios y espacios públicos. Sistemas de back up, donde se necesite energía eléctrica en forma ininterrumpida (reemplazo de grupos electrógenos) Sistemas de riego. Climatización de Piletas Calentamiento de Agua para Uso Sanitario Bombeo/ Extracción de Agua Soluciones para el campo Optimización de Sistemas Diesel.
Innovación:
En la actualidad se han desarrollado gran cantidad de materiales de construcción capaces de captar la energía solar. 10
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Fuente: http://www.onyxsolar.com/ Onyx Solar ha lanzado el primer vidrio fotovoltaico de colores adaptado a los estándares de la construcción. La energía fotovoltaica puede ser desde ahora integrada en las edificaciones como un material de construcción más, o en combinación con otros materiales. Existen 4 posibles tamaños estándar para elegir que, junto a las casi infinitas posibilidades de configuración en color y transparencia, hacen posible la total integración del vidrio fotovoltaico de Onyx Solar en cualquier tipo de construcción. A su adaptación para fachadas, muros cortina o lucernarios se ha unido la posibilidad de crear un suelo fotovoltaico transitable y antideslizante, solución desarrollada por Onyx Solar y ya disponible en el mercado.
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