Los sistemas fotovoltaicos conectados a la red Por Ihosvany Cabrera Martínez* Los sistemas solares fotovoltaicos demuestran su capacidad para energizar objetivos aislados y tributar a los sistemas electroenergéticos nacionales. |  |
Un sistema fotovoltaico conectado a la red consiste básicamente en un generador fotovoltaico acoplado a un inversor que opera en paralelo con la red eléctrica convencional. El concepto de inyección a la red tiene un amplio margen de aplicaciones, desde pequeños sistemas de pocos kilowatt pico (kWp) de potencia instalada hasta centrales de varios megawatt pico (MWp). En la figura 1 se muestra un diagrama de los componentes principales de un sistema de conexión a la red. El generador fotovoltaico capta la radiación solar y la transforma en energía eléctrica, que en lugar de ser almacenada en baterías, como en los sistemas aislados e híbridos, se puede utilizar directamente en el consumo o entregarla a la red eléctrica de distribución. Estas dos funciones las realiza un inversor de corriente directa a corriente alterna, especialmente diseñado para esa aplicación. Fig. 1. Componentes principales de un sistema de conexión a red. El generador fotovoltaico o campo de paneles se puede integrar a techos o fachadas en las viviendas y edificios, o en estructuras especiales. Es conveniente incluir, tras el inversor, un transformador para aislamiento, un interruptor automático de desconexión para cuando la tensión de la red está fuera de márgenes (vigilante de tensión) y el correspondiente contador, en serie con el habitual y en sentido inverso, para medir la energía eléctrica inyectada en la red. El carácter modular de la tecnología fotovoltaica permite, al contrario de la mayoría de las fuentes convencionales, un costo unitario y una eficiencia independiente del tamaño o la escala de la instalación; por ello los pequeños sistemas presentan un gran interés para la producción de energía descentralizada o independencia del usuario o consumidor. Entre las principales ventajas de estos sistemas se pueden mencionar las siguientes: • Al generar en el mismo punto en que se produce el consumo, se eliminan las pérdidas en la transmisión (8-12%) y distribución (16-22%) de la energía eléctrica. • Se instalan fácil y rápidamente sobre cualquier edificio o área de parqueo bien expuesta al sol, sin obstáculos ni edificios próximos que proyecten sombras, sin consumir más espacio del que ya ocupa el edificio en el medio urbano. • No producen contaminación ni efecto nocivo alguno. • Son sistemas modulares: permiten inversiones de forma progresiva. • Los costos de operación y mantenimiento son incomparablemente inferiores a los de las termoeléctricas. Inicialmente, los sistemas fotovoltaicos de conexión a la red se desarrollaron para centrales fotovoltaicas de gran tamaño. Tras comprobarse en la práctica que estas centrales trabajaban correctamente, en la medida en que avanzó el desarrollo de la electrónica se comenzaron a diseñar sistemas de menor envergadura, más pequeños y manejables, con la finalidad de ser instalados a modo de pequeñas centrales domésticas solares, totalmente adaptables a viviendas dotadas de una acometida convencional de suministro eléctrico desde la red. La mayor parte de los paneles fotovoltaicos producidos ya hoy en día son conectados a la red desde techos y fachadas solares, con potencias de unos kWp hasta centrales eléctricas solares con decenas de MWp. Gracias a su flexibilidad, suponen un enorme potencial para la industria energética. En regiones rurales o aisladas los sistemas fotovoltaicos autónomos constituyen ya la solución de fondo y son parte fundamental e imprescindible para la garantía de las comunicaciones. A diferencia de los sistemas conectados a la red, los sistemas autónomos requieren de baterías para almacenar la energía que será consumida en los ciclos diarios. Panorama mundial de la conexión a la red A nivel mundial la potencia de instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red prácticamente se duplica cada año desde 1998; como ejemplo, de 120 MW instalados en el 2000 la potencia creció hasta 200 MW en el 2001. Esta tendencia se mantiene y amplía en los últimos años (Fig. 2). Fig. 2. Crecimiento mundial de los sistemas conectados a la red. En esta aplicación de los sistemas fotovoltaicos se encuentran a la vanguardia Japón y Alemania, con 90 MW de sistemas instalados a la red en el 2001. Se confirma un crecimiento muy fuerte en los últimos años. En comparación con Japón, los sistemas conectados a la red en Cuba deberán competir con ventajas. En el caso de Europa, y en particular de Alemania, debido a la mayor insolación y radiación en nuestras latitudes, la generación de un sistema en Cuba producirá más energía. Mientras que en Alemania y el resto de Europa los sistemas conectados a la red sustituyen energía generada con grandes hidroeléctricas y plantas nucleares en sistemas nacionales interconectados a través de todo el continente, en Cuba sustituiría básicamente energía de termoeléctricas de baja y mediana potencia y eficiencia, que queman combustibles fósiles para un sistema relativamente pequeño y débil, largo y estrecho, lo que resultaría en una mayor ventaja económica. En un informe del Instituto del Medio Ambiente de la Comisión Europea, al pronosticar la evolución del crecimiento fotovoltaico mundial, se exponen las cifras siguientes, basadas en las llamadas hojas de ruta elaboradas para Japón, los Estados Unidos y la Comunidad Europa (Tabla 1). Estimación de la generación de un sistema conectado a la red en Cuba A diferencia de un sistema fotovoltaico autónomo, los sistemas de conexión a la red no necesitan ser dimensionados específicamente; como ya es conocido, estos no satisfacen una carga en particular, porque para realizar una instalación de un sistema de este tipo, siguiendo una estrategia que optimice las ventajas y objetivos, solamente se necesita saber el presupuesto disponible para ejecutar la inversión y el lugar donde se realizará la instalación de los módulos fotovoltaicos. Una vez trazada la estrategia y conocidos el presupuesto y el lugar, es posible determinar la potencia fotovoltaica que se instalará (Wp) en el sistema. A partir de esta potencia se puede determinar a priori, de manera teórica, la energía que inyectará el sistema a la red durante un período determinado (comúnmente se elige un año), independientemente de que dicha energía sea medida por el metro contador una vez entregada. La energía que puede aportar un sistema fotovoltaico conectado a la red (SFCR) depende principalmente de la potencia conectada (Wp) y de la radiación que recibe la superficie de los módulos, o sea, dos sistemas con la misma potencia instalada, pero ubicados en latitudes diferentes (por ejemplo, Cuba y Alemania), generan diferentes cantidades de energía. Para estimar la energía entregada a la red por un sistema fotovoltaico en Cuba y poder compararlo con otros sistemas ubicados en zonas diferentes, supondremos lo siguiente: 1. Considerar un sistema fotovoltaico de 1 kWp de potencia. 2. Calcular la energía que produce este sistema durante un año. 3. Considerar 95% de eficiencia del inversor y 10% de pérdida debida a suciedad en la superficie de los módulos. De esta forma se calculará la productividad del sistema, o sea, cuánta energía es capaz de inyectar a la red en el transcurso de un año, por cada kWp instalado [(kWh/año)/kWp]. Esta relación es la que utilizaremos para comparar dos sistemas conectados a la red en diferentes lugares del mundo. Con el objetivo de estimar el valor de energía que puede aportar un sistema fotovoltaico conectado a la red en Cuba, se considerará la productividad en tres lugares del territorio cubano (Tabla 2): el valor máximo de radiación (Golfo de Guacanayabo, Lat. 20.50, Long. –77.00), el valor mínimo (Sierra del Purial, Lat. 20.50, Long. –74.80) y el valor en Ciudad de La Habana (Lat. 23.17, Long. –82.35). Los valores están medidos en la superficie horizontal, y expresados en kWh/m2día. Asimismo, para el cálculo asumiremos que el ángulo de inclinación óptimo (â) de los módulos en un sistema de conexión a la red es aproximadamente igual a la latitud del lugar (è). En las figuras 3 y 4 se puede apreciar el comportamiento de la potencia del sistema de 1 kWp simulado, durante el transcurso del día. Estas curvas fueron realizadas para un día típico de los meses que coinciden con los valores máximo y mínimo, respectivamente, en cuanto a la energía producida durante el año. En la figura 5 se aprecia el comportamiento de la energía producida por el sistema de 1 kWp en cada mes del año, para cada uno de los tres lugares analizados. En la tabla 3 se muestran los valores de la productividad calculados para cada uno de los tres sitios analizados en Cuba, y los valores de este parámetro para otros sitios en el mundo. Se puede concluir que en el territorio cubano por cada kWp instalado se puede generar entre 1 709 y 1 485 kWh/año. Hay que tener en cuenta que estos cálculos se realizaron suponiendo que no existen interrupciones o fallas en el sistema de conexión a la red; por tal razón es de esperar que las cifras reales sean inferiores, teniendo en cuenta que el sistema electroenergético no asegura 100% de disponibilidad anual. A partir del mapa de radiación global horizontal promedio para Cuba, obtenido a través de mediciones de satélite, es posible calcular la productividad para todo el país. De esta forma se puede confeccionar un mapa de productividad para todo el territorio cubano. Es importante destacar que la variabilidad anual de la radiación global en los cinco años analizados es muy pequeña: ±2%. Fig. 3. Potencia del SFCR vs. horario del día, para los meses de máximo valor de energía producida en el año. Fig. 4. Potencia del SFCR vs. horario del día, para los meses de mínimo valor de energía producida en el año. Fig. 5. Energía producida mensualmente por el sistema de 1 kWp en las tres localidades escogidas de Cuba. Experiencia en los sistemas de conexión a la red en Cuba Cuba cuenta con un solo sistema de conexión a la red, instalado inicialmente en el 2001 en el Museo de Historia Natural Tranquilino Sandalio de Noda, de Pinar del Río, pero sufrió una rotura por una descarga eléctrica y nuevamente fue puesto en marcha el 31 de junio de 2002. Este sistema cuenta con ocho módulos de 100 Wp (800 Wp) y desde la última fecha mencionada hasta el 1ro. de junio de 2005 (aproximadamente tres años) ha generado 3 318 kWh, para un valor de tiempo productividad de 1 324. Como se puede ver en la tabla 3, este valor se encuentra por debajo de los valores pronosticados para Cuba (máximo 1 709 y mínimo 1 485). La causa fundamental de la disminución de este valor está asociada con la disponibilidad del servicio eléctrico. En este período han ocurrido fallas en el sistema eléctrico, y el sistema ha dejado de inyectar energía a la red. Otro factor que puede incidir, aunque en menor medida, es que la disminución del valor de productividad esté influída por el ángulo de inclinación de los módulos. Este sistema fue instalado con un ángulo de 30° y realmente el óptimo para la conexión a la red debe estar alrededor de los 20° (para que se produzca el máximo de energía en Pinar del Río). Con esta diferencia se puede perder alrededor de 2% de la producción anual. Aunque este valor pudiera no significar mucho en un sistema de 800 Wp, es importante tenerlo en cuenta en instalaciones de mayor potencia. Publicado en Energía y tú, No. 31, jul.-sep., 2005. * Especialista de EcoSol Solar. e-mail: icabrera@solar.copextel.com.cu
Destilador solar El proceso de destilación consiste en el calentamiento de un líquido hasta que sus componentes más volátiles pasen a la fase de vapor, y el posterior enfriamiento de ese vapor para obtener los componentes separados en forma líquida por medio de la condensación. La estructura de un destilador sencillo, como el de la figura, se construye con dos aros de alambre galvanizado de 2 mm de grosor. El aro mayor debe tener aproximadamente 30 cm de diámetro y unirse con el más pequeño mediante tres alambres de 25 cm de largo, de igual material. |  |
Esta estructura se cubre con un plástico fino transparente que debe quedar holgado para que al colocar un pequeño peso en el centro del aro superior se forme un cono hacia abajo. La instalación se completa con la ubicación de esta estructura en un plato o recipiente de color negro en su interior. Con este destilador se puede obtener un vaso con agua potable en el transcurso de un día soleado.