MAESTRIA EN GEOCIENCIAS Y ADMINISTRACION … mis sobrinos Dante, Jonathan y Erick, aunque el camino sea largo en la búsqueda del conocimiento y a veces parezca difícil, nunca se

i

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA

UNIDAD TICOMAN

MAESTRIA EN GEOCIENCIAS Y ADMINISTRACION

DE RECURSOS NATURALES

REINGENIERIA DE LOS EQUIPOS PARA LA PRODUCCION

DE ENERGIA SUSTENTABLE

TESIS

Que para obtener el grado académico

MAESTRO EN CIENCIAS

Presenta

Mario Alberto González Torres

Director de tesis

Dr. Cayetano Miguel García Reyes

Codirector de tesis

Dr. Luis Enrique Ortiz Hernández

2011

I

Agradecimientos

Al Instituto Politécnico Nacional,

Escuela Superior de Ingeniería y

Arquitectura, Unidad ticomán. Por

ser mi segundo hogar y formar

parte del crecimiento de nuestro

país.

A mi director de tesis el Dr. Miguel

García Reyes, por compartir sus

conocimientos y consejos no solo

en este proyecto de tesis sino en

toda mi estancia en el posgrado

A mi director de tesis el Dr. Luis

Enrique Ortiz Hernández, por

compartir su conocimiento en la

elaboración de este proyecto

Al jefe del SEPI de la ESIA ticomán,

el M. en C. Rodrigo Mondragón

Guzmán, por siempre respaldar a

todos los estudiantes de este

posgrado

A mis sinodales, por sus

aportaciones a este proyecto

A mis profesores, por compartir sus

conocimientos día a día durante

estos años, los cuales se ven

reflejados en este proyecto de tesis

A Mary, Paty y Felipe, por el apoyo

brindado dentro del posgrado

Agradecimientos

A mi hija Azul, porque tu presencia

ha sido y será siempre el motivo

más grande que me ha impulsado

para lograr mis metas.

A Ibeth, por siempre ser mi mayor

respaldo, porque sin ti nada de esto

seria posible

A mis padres, que siempre apoyan

cualquier decisión que tomo y me

respaldan a cada momento

A mis hermanos, Marisol, Maribel y

Cesar, que a cada paso de esta vida

han estado ahí para brindarme su

apoyo

A mis sobrinos Dante, Jonathan y

Erick, aunque el camino sea largo

en la búsqueda del conocimiento y

a veces parezca difícil, nunca se

rindan

A mis amigos que siempre han

estado compartiendo cada

momento de mi vida.

Al área de ingeniería petrolera de la

ESIA ticomán, por el respaldo

brindado para realizar esta

investigación

“La Tierra no es una herencia de nuestros

padres, sino un préstamo de nuestros

hijos”.

“Sólo cuando el último árbol haya sido

cortado, sólo cuando el último río haya

sido secado, sólo cuando el último animal

haya sido cazado, sólo cuando el último

monte haya sido destrozado, nos daremos

cuenta de que el dinero no se puede

comer”.

Proverbio Indio

ii

Índice General

Índice

Resumen

I

X

Abstract XI

Introducción XII

Objetivo General XII

Objetivos Específicos XII

Capitulo I

Las Nuevas Fuentes De Energía Renovables Y Su Panorama Mundial

1.1.- Antecedentes (transiciones energéticas) 2

1.2.- Las energías renovables, crecimiento mundial 3

1.3.- Principales energías renovables 6

1.3.1- Energía eólica 7

1.3.1.1- Tipos de aerogeneradores 8

1.3.1.2- Ventajas y desventajas de la energía eólica 10

1.3.2- Energía hidráulica 12

1.3.2.1- Central hidroeléctrica 13

1.3.2.2- Rentabilidad 14

1.3.2.3- Escaso impacto ambiental y seguridad 14

1.3.2.4- Ventajas y desventajas de la energía eólica 15

1.3.3- Bioenergía 16

1.3.3.1- Tipos de biomasa (materia prima de la bioenergía) 17

1.3.3.2- Ventajas y desventajas de la bioelectricidad 17

1.3.4- Geotermia 18

1.3.4.1- Ventajas y desventajas de la geotermia 19

1.3.5- Energía solar 20

iii

1.3.5.1- Sistema de aprovechamiento de la energía solar 20

1.3.5.2- Celdas solares o fotovoltaicas 21

1.3.5.3- Ventajas y desventajas de la energía solar 24

1.4- Conclusiones del capitulo 25

Capitulo II

Políticas Energéticas Adoptadas A Nivel Internacional Para Una Mayor Aplicación De Las

Nuevas Fuentes Renovables De Energía

2.1.- La Unión Europea (UE) 26

2.1.1- España 27

2.1.2- Alemania 28

2.1.3- Dinamarca 30

2.1.4- Finlandia 31

2.2- Brasil 32

2.3- India 33

2.4- China 36

2.5- Indonesia 37

2.6- México 37

2.6.1- Energía solar en México 39

2.6.2- Energía eólica en México 40

2.6.3- Minihidráulica en México 40

2.6.4- La biomasa en México 41

2.7- Conclusiones del capitulo 42

Capitulo IlI

Modelado Y Simulación De Los Componentes Para Un Sistema Fotovoltaico

3.1- batería 44

3.1.1- Modelo teórico de la batería 44

iv

3.1.2- Programación del modelo 55

3.1.3.- Resultados experimentales 57

3.2.- Panel solar 60

3.2.1 Modelo teórico 61

3.2.2.- Programación del modelo 65

3.2.3.- Resultados 66

3.3.- Modelo de carga 70

3.3.1.-Introducción 70

3.3.2.-Modelo teórico 70

3.3.3.-Programación del modelo 72

3.3.4.-Resultados experimentales 72

3.4.- El regulador de batería 75

3.4.1.- Introducción 75

3.4.2.- Modelo teórico 75



3.5.-Inversor 81





3.6.- Convertidor DC/DC 90



3.7.- Punto de conexión a red 92


v


3.8.- Pérdidas del sistema 97



3.9.- Conclusiones del capitulo 98

Capitulo IV

Procedencia De Parámetros

4.1.- Introducción 100

4.2.- Método teórico 101

4.3.- Programación del método 105

4.4.- Resultados experimentales 107


Capitulo V

Aplicación Del Sistema (Caso De Estudio: ESIA Ticomán, Instituto Politécnico Nacional)

5.1.- Introducción 112

5.2.- Ubicación y datos actuales 113

5.2.1.- Consumo eléctrico actual 114

5.3.- Parámetros de instalación del sistema 115

5.3.1.- Zona de ubicación de los paneles solares 115

5.3.2.- Nivel de radiación e insolación en la zona de trabajo 117

5.3.3.- El Panel solar 119

5.3.3.1.- Determinando la cantidad de paneles solares a utilizar 121

5.3.3.2.- Estructura de soporte de las placas 122

5.3.3.3.- diodos en una instalación fotovoltaica 122

5.3.3.4.- Conexión del panel solar 123

5.3.3.5.- Orientación del colector solar 124

vi

5.3.4.- Batería 127

5.3.4.1.- Conexión de los bancos de batería 128

5.3.4.2.-Regulador de batería 128

5.3.5-. El inversor y conexión a la red 129

5.4.- Otros cálculos 130

5.4.1.- Esfuerzos sobre el panel 130

5.4.2.- Cálculos eléctricos 132

5.5.- Mantenimiento 136

5.6.- Impacto ambiental 137

5.7.- Costos 137


Conclusiones 139

Bibliografía 140

Anexos 141

vii

Índice de figuras

Figura Página

Figura No.1.-Consumo de energía primaria 1850-2000 3 Figura No.2.- Consumo de energía a nivel mundial en el año 2000 4 Figura No.3.- Consumo de energías renovables a nivel mundial en el año 2000 4 Figura No.4.- Pico petrolero (1930–2050) 5 Figura No.5.- Emisiones de CO2 5 Figura No.6.- Distribución global del potencial de conversión de la energía del viento tanto en la superficie marina como en la terrestre

8

Figura No.7.- Molino de viento 8 Figura No.8.- Tipos de rotores para aerogeneradores, aerobombas y molinos 9

Figura No.9.- Diagrama del mecanismo interior de un aerogenerador de 0.1 MW 9 Figura No.10.- Aerogeneradores de eje horizontal vs aerogeneradores de eje vertical 10

Figura No.11.- Esquema básico de la energía hidráulica 12 Figura No.12.- Conjunto hidroeléctrico 13

Figura No.13.- Ruedas o paletas hidroeléctricas 14

Figura No.14.- Planta geotérmica 19

Figura No.15.- Potencial mundial de colectores solares 21 Figura No.16.- Proceso de impresión rotativo 22 Figura No.17.- Composición del átomo de silicio 24 Figura No.18.- Modelado eléctrico básico 44 Figura No.19.- Zonas de trabajo de la batería 48 Figura No.20.- Variación del SOC a la tensión de gaseo debido a la corriente de carga y la temperatura

50

Figura No.21.- Asociación serie-paralelo de baterías 54 Figura No.22.- Diagrama de bloques de los modelos de baterías programadas 56 Figura No.23.- (a) Corriente que circula por la batería. (b) Temperatura de trabajo de la batería

57

Figura No.24.- tensión en la batería, en azul medidas empíricas y en verde resultado de la simulación. (b) nivel de energía de la simulación

58

Figura No.25.- Efectos de la temperatura en el estado de carga (a) y la tensión (b 59 Figura No.26.- Influencia en la tensión de batería del número de vasos (a) el en serie (b) en Paralelo

59

Figura No.27.- Influencia en el LOE de batería del número de vasos (a) el en serie (b) en paralelo

60

Figura No 28.- Modelo eléctrico básico de una celda solar 61 Figura No.-29 Asociación en serie y paralelo de celdas fotovoltaicas para formar un panel solar

63

Figura No.30.- Diodos de paso para protección contra puntos calientes 64 Figura No.31.- Diodos de bloqueo para protección de los paneles solares 65 Figura No.32.- Diagrama de bloques de los paneles solares programados en Matlab/Simulink

66

Figura No.33.- (a) Medidas de radiación solar. (b) Medidas de temperatura 66 Figura No.34.-(a) Medidas de tensión en bornes del panel solar. (b) Comparativa entre corriente de panel medida, en azul, y corriente simulada, en rojo.

67

Figura No.35.- (a) Característica I-V en función de la radiación. (b) Características I-V en función de la temperatura

67

Figura No.36.- (a) Característica I-V en función de la resistencia serie. (b) Característica I-V

68

viii

Figura No.37.-(a) Característica I-V en función de factor de idealidad del diodo. (b) Área de seguridad de un panel solar

69

Figura No.38.-(a) Característica I-V en función del número de celdas en serie. (b) Característica IV en función del número de celdas en paralelo

69

Figura No. 39.- Esquema eléctrico básico 71 Figura No. 40.- Diagrama de bloques de las cargas programadas en Matlab/Simulink 72

Figura No. 41.- Circuito equivalente de las cargas simuladas 73 Figura No. 42.- (a) Tensión de alimentación. (b)Corriente consumida por las cargas, en azul se muestran las medidas empíricas y en rojo el resultado de la simulación posterior

73

Figura No. 43.- (a) Perfil de impedancia, Z(t), de las cargas. (b) Potencia consumida por las cargas, en azul se muestran los datos empíricos y en rojo el resultado de las simulaciones

74

Figura No. 44.- Modelo eléctrico básico de un regulador de carga de batería 76 Figura No.45.- Diagrama de bloques del regulador de carga programado mediante Simulink

78

Figura No. 46.- Tensión (a) y corriente (b) de batería, en azul se muestran los datos empíricos y en rojo el resultado de las simulaciones

79

Figura No. 47.- Tensión (a) y corriente (b) de las cargas, en azul se muestran los datos empíricos y en rojo el resultado de las simulaciones

80

Figura No.48.- Esquema eléctrico básico de un inversor 82 Figura No. 49.- (a) Relación entre potencia de entrada y salida del inversor Taurus 1024 de Atersa. (b) Factor de eficiencia en función de la potencia de entrada

83

Figura No. 50.- Diagrama de bloques del inversor programado mediante Simulink 85 Figura 51.- Relación entre potencia de entrada y salida (a) y factor de eficiencia en función de la potencia de entrada del inversor, en azul medidas

86

Figura No. 52.- Tensión (a) y corriente (b) de entrada del inversor 87 Figura No. 53.- Tensión (a) y corriente (b) a la salida del inversor 87 Figura No. 54.- Corriente de entrada (a) y tensión de salida (b) del inversor 88 Figura No. 55- Tensión (a) y corriente (b) a la salida del inversor 89 Figura No.56- Evolución forzada de la tensión, (a), y respuesta de la corriente, (b), a la entrada del inversor

89

Figura No. 57.- Evolución de la tensión, (a), y corriente, (b), a la salida del inversor 90 Figura No. 58.- Esquema eléctrico del convertidor DC/DC 91 Figura No. 59.- En azul, curva corriente-tensión (x10) típica de un panel solar. En rojo, potencia generada por el panel solar. En verde, zona de trabajo del convertidor

92

Figura No. 60.- Esquema eléctrico de la conexión a red 93 Figura No. 61.- Esquema eléctrico de las pérdidas en un sistema fotovoltaico 97 Figura No. 62.-Diagrama de bloques de función 105 Figura No. 63.-Medidas de irradiación en los cuatro ensayos 109 Figura No. 64.-Corriente que circula en la batería 109 Figura No. 65.- Comportamiento entre datos empíricos y simulados 110 Figura No. 66.-Ubicación 113 Figura No. 67.-Edificación 114 Figura No. 68.-Zona dispuesta 116 Figura No. 69.-Columna de pruebas 116 Figura No. 70.-Dimensionamiento del colector solar 120 Figura No. 71.-Conexión de los diodos de bloqueo 123 Figura No. 72.- Conexión de los paneles 124 Figura No. 73.-Angulo de incidencia 124 Figura No. 74.-Modulo de baterías 127 Figura No. 75.-Conexión de la batería 128

ix

Figura No. 76.-Regulador 129 Figura No. 77.-Inversor y conector a red 129 Figura No. 78.-Placa de interconexión 130

x

Índice de Tablas

Tabla Página

Tabla No.1. Centrales en operación en México 41 Tabla No.2. Ecuaciones de las zonas de trabajo de la batería 48 Tabla No.3. Parámetros del modelo de batería 51 Tabla No.4. Valores de ηwz en función de la zona de trabajo 53 Tabla No.5. Parámetros característicos 62 Tabla No.6. Errores de precisión en simulaciones de dispositivos aislados e interconectados dentro de un sistema

74

Tabla No.7. Valores típicos de los umbrales de tensión de un regulador de carga 77 Tabla No.8. Error en los resultados obtenidos en la simulación del regulador de batería 80 Tabla No.9. Valores utilizados en el modelado del inversor 85 Tabla No.10. Configuraciones de un sistema fotovoltaico 96 Tabla No.11. Valores de impedancias de pérdida 98 Tabla No.12. Descripción del banco de ensayos realizados 107 Tabla No.13. Detalle de la descripción del banco de ensayos realizados 108 Tabla No.14. Error medio entre medidas empíricas y simuladas 110 Tabla No.15. Consumo actual de energía eléctrica 114 Tabla No.16. Sombras 117 Tabla No.17.Valores de los parámetros a y b de la expresión de la radiación 119 Tabla No.18. Radiación 119 Tabla No.19. Insolación 119 Tabla No.20. Características del panel solar 120 Tabla No.21. Rendimiento según inclinación 126 Tabla No.22. Parámetros eléctricos de los cables 134 Tabla No.23. Cálculos eléctricos 135 Tabla No.24. Calculo por tramo 136 Tabla No.25. Costos generados 137

xi

Índice de ecuaciones

Ecuación Página

Ecuación No. 1 Ecuación de la batería 44 Ecuación No. 2 Comportamiento del SOC 46 Ecuación No. 3 Nivel de energía LOE 47 Ecuación No. 4 Evolución de la tensión de la batería 49 Ecuación No. 5 Evolución de la tensión de la batería 49 Ecuación No. 6 Asimilación de carga 50 Ecuación No. 7 tensión 51 Ecuación No. 8 Efecto de la temperatura en la zona de trabajo 52 Ecuación No. 9 Coeficiente de salud de la batería 52 Ecuación No. 10 capacidad de disminución de una batería 53 Ecuación No. 11 Efecto de disminución 53 Ecuación No. 12 Sistema de asociación de baterías 54 Ecuación No. 13 Efecto de auto descarga 55 Ecuación No. 14 Error medio 58 Ecuación No. 15 Comportamiento de la celdas 61 Ecuación No. 16 Comportamiento de la celda 62 Ecuación No. 17 tención (a) y corriente (b) 63 Ecuación No. 18 Potencia disipada (a)zona de seguridad(b) 64 Ecuación No. 19 Corriente máxima 65 Ecuación No.20 Ley de ohm aplicada a la carga 71 Ecuación No.21 Limites de tensión 76 Ecuación No.22 Limites de tensión de ciclo 77 Ecuación No.23 Leyes de control 82 Ecuación No.24 Relación de la potencia 83 Ecuación No.25 Condiciones de funcionamiento 84 Ecuación No.26 (a) comportamiento (b) condiciones del sistema 91 Ecuación No.27 Leyes de control 94 Ecuación No.28 Sistema de desconexión 94 Ecuación No.29 Umbral de control 95 Ecuación No.30 Limites de control 96 Ecuación No.31 Estimador 101 Ecuación No.32 Gradiente 102 Ecuación No.33 Estabilidad 102 Ecuación No.34 Aproximación 102 Ecuación No.35 Coeficientes 102 Ecuación No.36 Combinando parámetros 102 Ecuación No.37 Radiación promedio 119 Ecuación No.38 Energía pico 121 Ecuación No.39 Numero de paneles solares 121 Ecuación No.40 Calculo del ángulo 125 Ecuación No.41 Radiación solar sobre el plano 125 Ecuación No.42 Media de cálculo 126 Ecuación No.43 Cálculo de R 126 Ecuación No.44 Cálculo de H 126 Ecuación No.45 Pérdidas de I 133 Ecuación No.46 Sistemas monofásicos 133 Ecuación No.47 Intensidades 134 Ecuación No.48 Caída de tensión 134

xii

Resumen

En la actualidad, el consumo de energía eléctrica producida por fuentes limpias en el

mundo va en aumento. Esta situación se explica porque se esta experimentando un

cambio de paradigma energético, es decir el petróleo y sus derivados tienden a

utilizarse cada vez menos para producir energía eléctrica. Desafortunadamente la

producción de energía eléctrica mediante fuentes renovables en nuestro país aun no

esta regulada y por lo tanto la producción de la misma es aun insuficiente para cubrir

las necesidades del país.

Si las tendencias al alza en el consumo de energía eléctrica siguen al ritmo actual de

crecimiento, las fuentes convencionales de conversión eléctrica causaran un gran

impacto en el ámbito ambiental. Es necesario realizar nuevos proyectos para evitar el

aumento de las emanaciones de CO2. Esta tarea no solo es para las industrias

maquiladoras del país sino también los centros educativos tienen que hacer su parte,

instalando en sus campus centros de transformación de energía renovable.

La realización de nuevos proyectos con tecnologías de transformación eléctrica que

aun están en crecimiento son muy importantes y a su vez complejos, ya que es

necesario fundamentar su eficiencia de funcionamiento, ya que en la actualidad la

inversión a realizar para llevarlos acabo es costosa. Por ello surge la necesidad de

realizar el modelado de cada una de las partes que integran estos proyectos, es

necesario formular un algoritmo matemático aceptable para comparar los datos que

nos ofrecen los fabricantes y la eficiencia que en realidad aportan a una instalación.

La retribución de estos proyectos se ve reflejada en la obtención de bonos verdes o

también llamados bonos de carbono, los cuales se otorgan por reducir emanaciones de

CO2 a la atmosfera, por lo cual las instituciones educativas se verían beneficiadas ya

que estos bonos son canjeables por nuevas tecnologías, que se pueden utilizar para la

investigación en dichos centros educativos.

xiii

Abstract

At present, the consumption of electricity produced by cleaner sources in the world is increasing. This is explained because it is experiencing a paradigm shift in energy, namely oil and its derivatives tend to be used increasingly to produce electricity. Unfortunately the production of electricity through renewable sources in our country still is not regulated and therefore the production of it is still insufficient to meet the needs of the country. If the upward trends in energy consumption continue at current rates of growth, conventional sources of power conversion will cause a great impact on the environmental arena. New projects are needed to prevent the increase in CO2 emissions. This task is not just for the maquiladora industry in the country but schools must do their part by installing facilities on its campus transformation of renewable energy. The realization of new projects with electrical conversion technologies are still growing are both important and complex as is necessary to base their operating efficiency, as currently the investment to be made to bring out is expensive. Thus arises the need for modeling each of the parts of these projects is necessary to formulate an acceptable mathematical algorithm to compare the data offered by manufacturers and efficiency that actually contribute to a facility. The remuneration of these projects is reflected in the production of green bonds or so-called carbon credits, which are given to reduce CO2 emissions to the atmosphere, so that educational institutions would benefit because these bonds are redeemable for new technologies that can be used for research in these schools.

xiv

Introducción. La energía solar emblema de las energías renovables ha protagonizado en los últimos años una progresión debido a las mejoras de la tecnología, asociada a la reducción de costos y principalmente gracias al interés mostrado por las diferentes administraciones en distintos países, en forma de ayudas y subvenciones. El modelo de desarrollo económico actual, basado en el uso intensivo de recursos energéticos de origen fósil, provoca impactos medioambientales negativos y desequilibrios socioeconómicos que obligan a definir un nuevo modelo de desarrollo sostenible. El concepto de desarrollo sostenible fue acunado por el Informe Brundtland, en 1987, como “el desarrollo que satisface las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las futuras generaciones para satisfacer sus propias necesidades”. En definitiva, el desarrollo sostenible es aquel que trata de garantizar tres objetivos principales de manera simultánea: el crecimiento económico, el progreso social y el uso racional de los recursos. Parece impensable un mundo futuro en el cual aparezcan carencias del tipo energético como por ejemplo falta de suministro eléctrico, sobre todo si nos fijamos en lo presente que esta la energía eléctrica en la actualidad. Nuestra visión para el futuro es que todos los países que están aun por desarrollar lleguen a un estatus similar a la de los países ya desarrollados con la utilización de los recursos disponibles en su entorno y además que los países que llamamos desarrollados controlen de alguna manera la forma de gestionar dichos recursos para que otros puedan utilizarlos en el futuro. Resulta evidente que el nivel de consumo actual de los países desarrollados no permite asegurar el abastecimiento futuro de energía ni facilita el acceso a la energía de los países en desarrollo. Objetivo General. El objetivo de este proyecto es el diseño de una instalación solar fotovoltaica conectada a red y con un sistema de almacenamiento basado en baterías, para energizar el 50% de la energía que consume el edificio de gobierno de la ESIA ticomán del IPN. Para su diseño se plantea generar un modelo para la simulación de todos los componentes que integran el sistema. Objetivos Específicos.

Diseñar un modelo basado en MATLAB/SIMULINK

Diseñar un sistema fotovoltaico con conexión a la red y almacenamiento de

energía

Realizar el estudio de consumo eléctrico en el edificio de gobierno de la ESIA

ticomán.

Capitulo I Panorama mundial de las nuevas fuentes de energía renovables

1

Capitulo I

Las Nuevas Fuentes De Energía Renovable Y Su

Panorama Mundial

En este capitulo se abordara la problemática energética a nivel mundial, la

disponibilidad a futuro de las fuentes de energía que se usan en la actualidad y sus

efectos en el ámbito ambiental. A su vez se enmarcara la situación actual de las

energías renovables, de forma general la generación de empleos que conlleva este

proceso productivo a nivel mundial.

Se hará énfasis sobre las principales fuentes de energía renovable que se utilizan a

nivel mundial, así como sus ventajas a nivel ambiental.


2

1.1.- Antecedentes (transiciones energéticas).

El primer indicio de la energía se da con el descubrimiento del fuego. El fuego para la

humanidad ha sido muy importante ya que a partir de su descubrimiento el ser

humano a podido controlar y manipular algunos procesos que dependen de la

naturaleza.

Desde ese momento la energía se convirtió en una necesidad primordial para

satisfacer las necesidades humanas para toda forma de grupo social, partiendo de usos

y equipos elementales, como la cocción de alimentos en un fogón de 3 rocas hasta

llegar a los equipos electrónicos mas sofisticados donde van desde aparatos para el

ocio hasta aquellos que satisfacen necesidades básicas de la sociedad.

Desde la visión humana, la energía se ve como omnipresente y permanente.

omnipresente porque el hombre es un ser biológico y social, depende de la energía

para sobrevivir, desde el aspecto biológico es necesaria la energía solar para la

agricultura hasta la fuerza de movimiento del viento (fuerza motriz) para mover los

antiguos molinos de viento y los navíos de vela, donde estos navíos eran

indispensables para el intercambio de mercancías. La visión permanente se da porque

los seres humanos dependemos de ella para casi todo tipo de proceso (biológico o

artificial) para generar el progreso tecnológico y económico de cada país [1].

Durante el inicio de la historia humana, los procesos energéticos dependieron de la

fuerza de los animales y de la fuerza del humano, así como de los flujos que proveía la

naturaleza para proveer a los grupos sociales de calor, luz y trabajo. Una de las

primeras formas de transformación de energía era la energía química la cual se

transformaba en energía luminosa y calorífica, esta se hace mediante la quema de leña

y de algunas ceras (referido a la parafina).

En los inicios de la revolución industrial, hacia 1750, la población del planeta rondaba

entre los 800 millones. Entre el año 2010 y 2011 la población mundial rondara entre

los 6.800 millones y 9.600 millones de habitantes a nivel mundial [2]. En este tiempo

(coincidiendo con dicho comienzo de la Revolución Industrial) se da un aumento

masivo en el consumo de energía gracias a la explosión demográfica global.

A partir de la revolución industrial y la alta demanda de energía, fue desarrollada una

innovación radical para esos días que se conoce como la maquina de vapor, la cual se

accionaba por medio del carbón. Con esta maquina se realizo la primera

transformación de energía fósil a trabajo.

________________________________ [1] Nakicenovic, Grübler y Mc Donald, 1998. [2] ONU, tendencia mundial 2010-2011


3

El carbón podía ser transportado y almacenado en donde se le requiriera, dotando de

recursos energéticos a casi cualquier región, lo que antes sólo era posible si existían

abundantes recursos hidráulicos en el sitio [1].

Una segunda gran transición se da cuando la energía ya tenía distintas aplicaciones, así

como su proceso de transformación. La transición mas importante se da cuando se

empieza a generar electricidad, la cual podría ser fácilmente convertida en utilitaria

(luz, calor, etc.).

Otra innovación se da con la introducción del motor de combustión interna al

mercado, el cual desarrollo nuevos métodos de transportación. Pero en consecuencia

empezó la gran demanda del petróleo como una fuente de energía primaria para la

humanidad. Las transiciones energéticas sucesivas a este evento, en la estructura

energética mundial, han creado un panorama muy diferente en el uso de las fuentes

de energía primaria dentro del periodo de 1850 hasta el año 2000, en donde quizás el

uso del petróleo ha ido en aumento sustituyendo al uso del carbón [1].

Figura No.1.- Consumo de energía primaria 1850-2000

1.2.- Crecimiento mundial de las nuevas fuentes de energía.

Durante el cambio energético dado en el siglo XX, el termino “energía renovables“,

empieza a tomar un gran auge entre los mandatarios primermundistas, aunque ya se

conocían y se dominaban a un nivel aceptable algunas de estas fuentes de energía, no

eran un grupo representativo de consumo a nivel mundial, siendo hasta el año 2000

cuando se logra una alza en el consumo de estas energías y se sitúa con un 14% del

consumo mundial [3].

_____________________________ [1] Nakicenovic, Grübler y Mc Donald, 1998. [3] Sociedad internacional de energía solar


4

Figura No.2.- Consumo de energía a nivel mundial en el año 2000

En ese año las energías renovables que englobaban el 14% se distribuyeron como se

muestran en la siguiente figura.

Figura No.3.- Consumo de energías renovables a nivel mundial en el año 2000

El aumento en el uso de las energías renovables no se dio por una casualidad, se dio

por el incremento en la población mundial y debido a esto los procesos productivos de

energía tuvieron que sufrir variaciones ya que la obtención de combustibles fósiles se

ha ido complicando y se prevé una baja en sus reservas. De esa forma se fue dando uso

a las energías renovables para abastecer algunos sectores de la población o procesos

industriales.

Cabe mencionar que en esta tesis no tomaremos la leña como un recurso renovable,

ya que en la actualidad la leña no se considera como un recurso sustentable. Aunque

el consumo actual de la leña es mayor que la taza de regeneración por naturaleza,

esto se atribuye en su mayoría al consumo industrial no al de las comunidades rurales

[4].

Otros motivos del incremento a nivel mundial de las energías renovables, es la

tendencia al alto consumo mundial de petróleo, siendo que este llego a su pico de

producción [5].


5

Figura No.4.- Pico petrolero (1930–2050)

A pesar de que todavía queda un poco más de la mitad del petróleo convencional que

la naturaleza creó en eras geológicas anteriores, éste va a ser cada vez más difícil y

caro de extraer porque el petróleo fácil y barato de producir ya se consumió.

Aunque se invierta más en exploración, cada vez se van a descubrir yacimientos más

pequeños porque todos los grandes fueron descubiertos hace medio siglo.

Desgraciadamente, sólo millones de años de condiciones ecológicas y geológicas muy

particulares pueden crear más petróleo o cualquier otro recurso fósil. Actualmente se

descubre sólo un barril de petróleo por cada cinco que se consumen a nivel mundial

como lo muestra la grafica anterior. En realidad la búsqueda del uso de energías

renovables se da por esta baja producción de crudo, conjugada con su alta demanda

pero otro gran riesgo se esta corriendo en el ámbito ecológico.

La gravedad de esta situación queda manifiesta si se analizan las emisiones de dióxido

de carbono (CO2), el principal gas generador del efecto invernadero, ocasionadas por

la producción y el uso de energía fósil, las cuales se tratan de disminuir en base a

acuerdos internacionales que regulan dichas emisiones.

Figura No.5.- Emisiones de CO2

__________________________________ [4] Balance nacional de energía, Díaz 2002 [5] M. King Hubbert


6

Como puede observarse, entre 1970 y el año 2009, las emisiones mundiales de CO2

crecieron en 1.8% anual, mientras que se prevé que entre 2009y 2025 la tasa de

crecimiento será de 1.9% anual.

Básicamente el gran auge del uso de las energías renovables esta basado en dichos

eventos contaminantes y demandantes de energía para la población mundial; el uso de

estas energías alternativas a beneficiado a cierto sector laboral que encontró cabida en

los procesos productivos verdes. A nivel mundial existen aproximadamente 192

millones de empleos denominados verdes, que esto representa el 2.82% de la

población mundial (aunque se cree que esta cifra podría ser mayor), esto es que el

sector de las energías renovables a crecido multiplicándose por 32.1 el número de

empleos en un periodo establecido entre 1998 y 2010, siendo este periodo

representativo ya que en este la demanda de energía ha ido en aumento.

En materia de calidad, el empleo verde en general y el sector de las energías

renovables en concreto salen bien establecidas ya que "una característica destacable

del empleo verde es el marcado predominio del empleo continuo, que representa,

según la estimación realizada, el 66,6% del total" (la media de la economía mundial es

del 59%, pues la mayoría de los demás sectores apuestan más por el empleo

discontinuo y/o a tiempo parcial).

La generación, el transporte y el consumo de las energías convencionales tienen, como

toda actividad antrópica, un impacto sobre el medio, y puede argumentarse que están

en el origen de algunos de los mayores problemas ambientales que sufre el planeta

como el cambio climático y la lluvia ácida. Sin llegar a decir que esos efectos no existen

en las renovables, sí es cierto, en cambio, que son infinitamente menores y siempre

reversibles. El consumo de energía, incluyendo el transporte, es en la actualidad la

principal fuente de emisiones de gases de efecto invernadero y de contaminantes

acidificante, la emisión de estos últimos contaminantes se ha reducido de un modo

significativo gracias a la adopción de combustibles más limpios y al tratamiento de los

gases de combustión. Pero mientras no disminuye el protagonismo de los

combustibles fósiles en la cesta energética, los gases de efecto invernadero que

provocan el cambio climático parecen estar abocados a aumentar. Mayor eficiencia

energética y un incremento del uso de las energías renovables son vistos como parte

de la solución.

1.3.- Principales fuentes de energía renovable.

Para la Física, la energía es la capacidad potencial que tienen los cuerpos para producir

trabajo o calor, y se manifiesta mediante un cambio. Es energía el esfuerzo que hace

una persona cuando pedalea sobre una bicicleta. También lo es el movimiento

continuo del agua de un río o el calor que desprende el carbón cuando se quema.


7

Desde siempre, el hombre ha utilizado las fuentes de energía a su alcance para hacer

un trabajo o para obtener calor. Primero su propia fuerza física o la de los animales

domésticos. Luego la energía del viento y del agua. Más tarde llegaría la explotación de

los combustibles fósiles–carbón, gas natural y petróleo– y de la energía nuclear. En el

futuro es probable que puedan aparecer nuevas fuentes pero, sea como fuere, la

disponibilidad de energía ha sido siempre esencial para la humanidad, tan esencial

como pueda serlo, por ejemplo, el agua potable.

1.3.1.- Energía eólica.

Más de 15.000.000 millones de Kv/h de electricidad se generan anualmente en todo el

mundo. De esto, cerca del 65% es producido quemando combustibles fósiles y el resto

se obtiene de otras fuentes, el 0.3% de esta energía es producida convirtiendo la

energía cinética del viento en energía eléctrica, sin embargo, el uso del viento para la

producción eléctrica se ha estado extendiendo rápidamente en años recientes, debido

en gran parte a las mejoras tecnológicas, la maduración de la industria y una creciente

preocupación por las emisiones asociadas a la quema de combustibles fósiles.

Todavía hay lugar para crecer, pues solamente una porción pequeña del recurso

utilizable del viento está siendo aprovechada. Mediante las regulaciones a la industria

eléctrica, así como con incentivos por parte de los gobiernos, desempeñan un

importante papel determinante en cuan rápidamente se adoptará la energía eólica. Las

políticas eficaces ayudarán a allanar el camino y asegurarán de que la energía eólica

pueda competir con otras fuentes de energía en el mercado de la electricidad.

La radiación solar, absorbida irregularmente por la atmósfera, da lugar a masas de aire

con diferentes temperaturas y, por tanto, diferentes densidades y presiones. El aire, al

desplazarse desde las altas hacia las bajas presiones, da lugar al viento. La energía del

viento que es posible captar con un aerogenerador es directamente proporcional a la

densidad del aire, a la superficie de barrido y al cubo de la velocidad del viento. Existen

perturbaciones como resultado de otras fuerzas y, además, a escala local, la orografía

ejerce un efecto muy importante sobre las características del viento.

Se estima que la energía contenida en el viento es aproximadamente el 2% del total de

la energía solar que alcanza la Tierra, lo que supone casi dos billones de toneladas

equivalentes de petróleo al año, si bien, en la práctica, sólo podría ser utilizada una

parte muy pequeña de esa cifra, por su aleatoriedad y dispersión (del orden del 5%).

La cantidad de energía que ello representa hace de la energía eólica una de las fuentes

de energía renovables con mayor potencial.

Para poder aprovechar la energía mecánica del viento, es necesario que su intensidad

tenga pocas variaciones y sea la adecuada para el generador. Se considera que sólo los

vientos con velocidades entre 18 y 45 kilómetros por hora (KPH) son aprovechables.


8

Figura No.6.- Distribución global del potencial de conversión de la energía del viento tanto en la

superficie marina como en la terrestre

¿Pero como se llega del viento a la electricidad? El antecedente directo de los actuales

aerogeneradores son los viejos molinos de viento. Un molino es una máquina posee

aspas o palas unidas a un eje común, que comienza a girar cuando el viento sopla. Este

eje giratorio esta unido a distintos tipos de maquinaria, por ejemplo maquinaria para

moler grano, bombear agua o producir electricidad.

Figura No.7.- Molino de viento

Para obtener electricidad, el movimiento de las aspas o paletas acciona un generador

eléctrico (un alternador o un dínamo) que convierte la energía mecánica de la rotación

en energía eléctrica. La electricidad puede almacenarse en baterías o ser vertida

directamente a la red. El funcionamiento es bastante simple, y lo que se va

complejizando es la construcción de aerogeneradores que sean cada vez más

eficientes.

1.3.1.1.- Tipos de aerogeneradores.

Existen muchos tipos de aerogeneradores. Si los clasificáramos de acuerdo con la

potencia que producen se dividirían en pequeños, que generan alrededor de 3

kilowatts; medianos, que llegan a producir hasta 1 000 kilowatts (es decir, 1

megawatt), y los grandes, que son de 1 MW en adelante. Para dar una idea de estas

cifras, la potencia de los aerogeneradores grandes es cien veces menor que la de una

http://es.wikipedia.org/wiki/Alternador

http://es.wikipedia.org/wiki/Dinamo


9

planta termoeléctrica común. Por ello, para conseguir una potencia elevada deben

instalarse varios aerogeneradores grandes en un mismo lugar. Si clasificáramos a los

aerogeneradores por sus características geométricas, serían de dos tipos: con el rotor

vertical u horizontal. En los primeros, el eje de giro del aparato es perpendicular al

suelo (los más conocidos son los de Klemin, Savoius y Darrieus, diseñados en 1925,

1929 y 1931, respectivamente). Los aerogeneradores con rotor horizontal tienen las

aspas como las hélices de los aviones, unidas a un rotor paralelo al piso.

Figura No.8.-Tipos de rotores para aerogeneradores, aerobombas y molinos.

El aerogenerador consta de una torre situada en un lugar apropiado. Sobre ella

sobresalen aspas de grandes dimensiones. Éstas giran debido a la fuerza ejercida por el

viento, y con ellas el rotor que, por medio de un sistema de transmisión, está

conectado a un generador capaz de producir energía eléctrica.

Figura No.9.-Diagrama del mecanismo interior de un aerogenerador de 0.1 MW.

La potencia máxima que proporciona un aerogenerador depende fundamentalmente

de dos características: la velocidad del viento y el radio de las aspas. Concretamente, la

potencia es proporcional al cubo de la velocidad del viento. Así que para poseer un

aerogenerador de gran potencia se necesita escoger un lugar en donde los vientos

sean veloces la mayor parte del año (entre l0 y 40 km/h aproximadamente).


10

Figura No.10.-Aerogeneradores de eje horizontal versus aerogeneradores de eje vertical

1.3.1.2- Ventajas y desventajas de la energía eólica.

Ventajas.

La energía eólica no contamina, es inagotable y frena el agotamiento de combustibles

fósiles contribuyendo a evitar el cambio climático. Es una tecnología de

aprovechamiento totalmente madura y puesta a punto.

Es una de las fuentes más baratas, puede competir e rentabilidad con otras fuentes

energéticas tradicionales como las centrales térmicas de carbón (considerado

tradicionalmente como el combustible más barato), las centrales de combustible e

incluso con la energía nuclear, si se consideran los costes de reparar los daños

medioambientales. El generar energía eléctrica sin que exista un proceso de

combustión o una etapa de transformación térmica supone, desde el punto de vista

medioambiental, un procedimiento muy favorable por ser limpio, exento de

problemas de contaminación, etc. Se suprimen radicalmente los impactos originados

por los combustibles durante su extracción, transformación, transporte y combustión,

lo que beneficia la atmósfera, el suelo, el agua, la fauna, la vegetación, etc.

Evita la contaminación que conlleva el transporte de los combustibles; gas, petróleo,

gasoil, carbón. Reduce el intenso tráfico marítimo y terrestre cerca de las centrales.

Suprime los riesgos de accidentes durante estos transportes: desastres con petroleros

(traslados de residuos nucleares, etc.). No hace necesaria la instalación de líneas de

abastecimiento: Canalizaciones a las refinerías o las centrales de gas.

La utilización de la energía eólica para la generación de electricidad presenta nula

incidencia sobre las características fisicoquímicas del suelo o su erosionabilidad, ya que

no se produce ningún contaminante que incida sobre este medio, ni tampoco vertidos

o grandes movimientos de tierras. Al contrario de lo que puede ocurrir con las energías

convencionales, la energía eólica no produce ningún tipo de alteración sobre los

acuíferos ni por consumo, ni por contaminación por residuos o vertidos.


11

La generación de electricidad a partir del viento no produce gases tóxicos, ni

contribuye al efecto invernadero, ni destruye la capa de ozono, tampoco crea lluvia

ácida. No origina productos secundarios peligrosos ni residuos contaminantes.

Cada Kwh. de electricidad generada por energía eólica en lugar de carbón, evita:

0,60 Kg. de CO2, dióxido de carbono.

1,33 gr. de SO2, dióxido de azufre.

1,67 gr. de NOx, óxido de nitrógeno.

La electricidad producida por un aerogenerador evita que se quemen diariamente

miles de litros de petróleo y miles de kilogramos de lignito negro en las centrales

térmicas. Ese mismo generador produce idéntica cantidad de energía que la obtenida

por quemar diariamente 1.000 Kg. de petróleo. Al no quemarse esos Kg. de carbón, se

evita la emisión de 4.109 Kg. de CO2, lográndose un efecto similar al producido por200

árboles. Se impide la emisión de 66 Kg. de dióxido de azufre -SO2- y de 10 Kg. de óxido

de nitrógeno -NOx- principales causantes de la lluvia ácida. La energía eólica es

independiente de cualquier política o relación comercial, se obtiene en forma

mecánica y por tanto es directamente utilizable.

Al finalizar la vida útil de la instalación, el desmantelamiento no deja huellas.

Un Parque de 10 MW:

Evita: 28.480 Tn. Al año de CO2.

Sustituye: 2.447 Tep. toneladas equivalentes de petróleo.

Aporta: Trabajo a 130 personas al año durante el diseño y la

construcción.

Proporciona: Industria y desarrollo de tecnología.

Genera: Energía eléctrica para 11.000 familias

Desventajas.

El aire al ser un fluido de pequeño peso específico, implica fabricar máquinas grandes y

en consecuencia caras. Su altura puede igualar a la de un edificio de diez o más

plantas, en tanto que la envergadura total de sus aspas alcanza la veintena de metros,

lo cual encarece su producción.

Desde el punto de vista estético, la energía eólica produce un impacto visual

inevitable, ya que por sus características precisa unos emplazamientos que

normalmente resultan ser los que más evidencian la presencia de las máquinas (cerros,

colinas, litoral). En este sentido, la implantación de la energía eólica a gran escala,

puede producir una alteración clara sobre el paisaje, que deberá ser evaluada en

función de la situación previa existente en cada localización.


12

Un impacto negativo es el ruido producido por el giro del rotor, pero su efecto no es

mas acusado que el generado por una instalación de tipo industrial de similar entidad,

y siempre que estemos muy próximos a los molinos.

También ha de tenerse especial cuidado a la hora de seleccionar un parque si en las

inmediaciones habitan aves, por el riesgo mortandad al impactar con las palas, aunque

existen soluciones al respecto como pintar en colores llamativos las palas, situar los

molinos adecuadamente dejando "pasillos" a las aves, e incluso en casos extremos

hacer un seguimiento de las aves por radar llegando a parar las turbinas para evitar las

colisiones.

1.3.2.- Energía hidráulica.

El agua, que constituye el recurso hídrico de un país, determina y condiciona no sólo la

subsistencia de las especies sino también la distribución, asentamiento y desarrollo

socioeconómico de los pueblos. La energía hidráulica se la obtenida del agua en

movimiento. También proviene del sol ya que, gracias a él, se produce el ciclo del agua.

La fuerza del agua se transforma en energía mecánica al mover las aspas de una

turbina en una central hidroeléctrica, donde se transforma en energía eléctrica. Las

presas hidráulicas se destinan a la producción de energía eléctrica.

Figura No.11.-Esquema básico de la energía hidráulica

Se puede transformar a muy diferentes escalas, existen desde hace siglos pequeñas

explotaciones en las que la corriente de un río mueve un rotor de palas y genera un

movimiento aplicado, por ejemplo, en molinos rurales. Sin embargo, la utilización más

significativa la constituyen las centrales hidroeléctricas de represas, aunque estas

últimas no son consideradas formas de energía verde por el alto impacto ambiental

que producen.

Cuando el Sol calienta la Tierra, además de generar corrientes de aire, hace que el

agua de los mares, principalmente, se evapore y ascienda por el aire y se mueva hacia


13

las regiones montañosas, para luego caer en forma de lluvia. Esta agua se puede

colectar y retener mediante presas. Parte del agua almacenada se deja salir para que

se mueva los álabes de una turbina engranada con un generador de energía eléctrica.

Esta energía se obtiene de la caída del agua desde cierta altura a un nivel inferior lo

que provoca el movimiento de ruedas hidráulicas o turbinas. La hidroelectricidad es un

recurso natural disponible en las zonas que presentan suficiente cantidad de agua. Su

desarrollo requiere construir pantanos, presas, canales de derivación, y la instalación

de grandes turbinas y equipamiento para generar electricidad. Por lo tanto la energía

hidráulica es el aprovechamiento de la energía del agua en movimiento.

El agua cae desde la presa hasta unas turbinas que se encuentran en su base. Al recibir

la fuerza del agua las turbinas comienzan a girar. Las turbinas están conectadas a unos

generadores, que al girar, producen electricidad. La electricidad viaja desde los

generadores hasta unos transformadores, donde se eleva la tensión para poder

transportar la electricidad hasta los centros de consumo.

Figura No.12.-Conjunto hidroeléctrico

1.3.2.1.- Central hidroeléctrica.

Una central hidroeléctrica es aquella que utiliza energía hidráulica para la generación

de energía eléctrica. Son el resultado actual de la evolución de los antiguos molinos

que aprovechaban la corriente de los ríos para mover una rueda.

En general estas centrales aprovechan la energía potencial que posee la masa de agua

de un cauce natural en virtud de un desnivel, también conocido como salto geodésico.

El agua en su caída entre dos niveles del cauce se hace pasar por una turbina hidráulica

la cual trasmite la energía a un generador donde se transforma en energía eléctrica.

http://es.wikipedia.org/wiki/Generaci%C3%B3n_de_energ%C3%ADa_el%C3%A9ctrica

http://es.wikipedia.org/wiki/Generaci%C3%B3n_de_energ%C3%ADa_el%C3%A9ctrica

http://es.wikipedia.org/wiki/Molino

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_potencial

http://es.wikipedia.org/wiki/R%C3%ADo

http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_hidr%C3%A1ulica

http://es.wikipedia.org/wiki/Generador

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctrica


14

Las dos características principales de una central hidroeléctrica, desde el punto de vista

de su capacidad de generación de electricidad son:

1. La potencia, que está en función del desnivel existente entre el nivel

medio del embalse y el nivel medio de las aguas debajo de la central, y del

caudal máximo turbinable, además de las características de las turbinas y de los

generadores usados en la transformación.

2. La energía garantizada en un lapso de tiempo determinado,

generalmente un año, que está en función del volumen útil del embalse, y de la

potencia instalada.

Figura No.13.-Ruedas o paletas hidroeléctricas

1.3.2.2.-Rentabilidad.

La energía hidráulica posee la mejor relación entre la energía producida y la consumida durante el funcionamiento de la planta. Se estima que una central hidroeléctrica produce unas 200 veces más energía de la que se emplea en las tareas de construcción y mantenimiento (una antigua central eléctrica basada en el consumo del petróleo tan solo generaba 10 veces más). Además, la vida útil de estas instalaciones puede superar los 100 años, como es el caso de varias instalaciones actualmente en funcionamiento.

Por último, los modernos generadores y turbinas son capaces de convertir el 90% de la energía presente en el agua en electricidad, lo que supone una tasa muy superior al resto de formas de generación.

1.3.2.3.- Impacto ambiental y seguridad.

Salvo las grandes centrales hidroeléctricas, que sí disponen de embalses que afectan de manera significativa al entorno, el resto de instalaciones producen un impacto ambiental escaso. Además, la generación de electricidad no conlleva la emisión de gases a la atmósfera, ni la generación de calor. Se estima que, actualmente, la energía hidroeléctrica evita la emisión de 249 toneladas de CO2 a la atmósfera. Las centrales hidroeléctricas no plantean problemas de seguridad relativos a las personas o el entorno, salvo en el caso de que cuenten con embalses deteriorados. Más aún, los embalses pueden ser considerados como un mecanismo de seguridad que ayuda a controlar crecidas imprevistas, regulando el caudal del río.

http://es.wikipedia.org/wiki/Potencia

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa


15

Podemos resumir los puntos fuertes y débiles de la energía hidráulica atendiendo a sus ventajas y desventajas respecto a otras formas de generación de energía:

1.3.2.4.- Ventajas y desventajas de la energía eólica.

Ventajas.

Es inagotable. Siempre y cuando continúe el ciclo del agua la disponibilidad está asegurada, ya que el agua utilizada se devuelve al curso en una cota inferior. De hecho, está considerada como una energía renovable

Es autóctona, porque la fuente energética está en el propio territorio, con lo que se reducen las importaciones de energía eléctrica desde terceros países

No necesita de sistemas de refrigeración o calderas, lo que disminuye los costes

No contamina la atmósfera. Ya que no produce calor ni emisiones de gases contaminantes (como los gases de efecto invernadero)

Permite almacenar agua para regadíos y otros usos de emergencia (extinción de incendios)

Cuando la central lleva aparejada la construcción de una presa, permite regular el caudal de los ríos y facilita la infraestructura necesaria para actividades de recreo (pesca, remo, baño, etc.)

Desventajas.

Su rendimiento depende de las condiciones meteorológicas. Si la región donde se instala una central hidráulica sufre una severa sequía, el ritmo de producción de energía disminuirá

Son necesarias condiciones ambientales muy concretas para la explotación de esta energía, como la existencia de corrientes fluviales suficientemente grandes, y la presencia de una orografía accidentada. Además, la localización de las centrales está, a menudo, alejada de los centros de consumo, por lo que suele ser necesario construir la infraestructura necesaria para conducir la electricidad

La construcción de grandes presas altera los ecosistemas. Así, especies animales que remontan los ríos para desovar ven interrumpido su ciclo. Además, el estancamiento de las aguas hace que los sedimentos se depositen en el fondo, por lo que los nutrientes no llegar a las zonas bajas del río, afectando a todo el ecosistema

La construcción de embalses puede plantear graves problemas sociales y demográficos, tales como el abandono de poblaciones, o la expropiación de grandes cantidades de suelo

Mayor contaminación del agua. El agua embalsada no dispone de las mismas condiciones de salubridad que el agua fluyente, pudiendo ocasionar, en determinadas regiones, focos infecciosos


16

1.3.3.- Bioenergía.

La biomasa es cualquier materia orgánica obtenida a partir de vegetales o de animales.

En ámbito domestico los recursos de la biomasa son los obtenidos de residuos

agrícolas y forestales, los desechos sólidos municipales, residuos industriales,

terrestres y acuáticos y los productos que se cultivan únicamente con fines

energéticos.

La biomasa puede ser convertida a otras formas de energía utilizable y es una atractiva

alternativa de petróleo por varias razones. En primer lugar, es un recurso renovable

que esta uniformemente distribuida sobre la superficie de la Tierra y son fuentes de

energía, y que podrían ser explotados usando tecnologías más favorables al medio

ambiente.

Residuos de la agricultura y la silvicultura, y, en particular, los residuos de fábricas de

papel, son los recursos más comunes utilizados como la biomasa para la generación de

electricidad y de energía, incluidos en los procesos industriales de calor y de vapor, así

como para una variedad de productos de base biológica. El uso de los combustibles

líquidos como el etanol y el biodiesel, que está actualmente en derivados

principalmente de cultivos agrícolas, está aumentando de forma espectacular. La

bioenergía resulta cuando los combustibles de la biomasa de reciente origen biológico

son usados para fines energéticos. Los productos secundarios en estado sólido, líquido

y gaseoso son a menudo utilizados como portadores de energía y más tarde

empleados para proveer biocalor, bioelectricidad o biocombustibles. Los

biocombustibles se refieren específicamente a los combustibles obtenidos de la

biomasa y que se usan en el sector transporte. Las especies anuales y perennes que

son cultivadas específicamente para la producción de materiales energéticos en forma

sólida, líquida o gaseosa son denominadas “plantaciones energéticas”.

Grandes cosechas de pastos vegetativos, cultivos forestales de rotación, y cultivos de

especies desarrolladas a escala comercial, pueden producir más de400 GJ/ha/año bajo

buenas condiciones de crecimiento, conduciendo a un balance de energía positivo

(materia prima/energía entregada) en la totalidad del sistema.

La selección adecuada de especies que se adapten a las condiciones climáticas y de

suelo puede conducir incluso al levantamiento de mayores cosechas[6].El papel que

jugará el desarrollo de los cultivos modificados genéticamente en el futuro no puede

ser ignorado. Desarrollar una variedad de plantas que tengan la capacidad de fijar el

nitrógeno, consumir relativamente poca agua, quesean fáciles de cosechar, que

puedan crecer extensivamente para producir proteínas, carbohidratos y fibras, y que

puedan ser procesados mediante una “biorefinería” en una amplia variedad de

productos industriales, comestibles y energéticos parece ser una realidad cercana.


17

1.3.3.1.- Tipos de biomasa (materia prima de la bioenergía).

Existen diferentes tipos de biomasa que pueden ser utilizados como recurso

energético. Aunque se pueden hacer multitud de clasificaciones, se ha escogido la

clasificación más aceptada, la cual divide la biomasa en cuatro tipos diferentes:

biomasa natural, residual seca y húmeda y los cultivos energéticos.

Biomasa Natural

Es la que se produce en la naturaleza sin ninguna intervención humana. El problema

que presenta este tipo de biomasa es la necesaria gestión de la adquisición y

transporte del recurso al lugar de utilización. Esto puede provocar que la explotación

de esta biomasa sea inviable económicamente.

Biomasa de residuos húmedos y secos

Son los residuos que se generan en las actividades de agricultura y ganadería, en las

forestales, en la industria maderera y agroalimentaria, entre otras y que todavía

pueden ser utilizados y considerados subproductos. Como ejemplo podemos

considerar la cascara de almendra, el orujillo, las podas de frutales, etc.

Se denomina biomasa residual húmeda a los vertidos llamados biodegradables, es

decir, las aguas residuales urbanas e industriales y los residuos ganaderos.

Cultivos energéticos

Estos cultivos se generan con la única finalidad de producir biomasa transformable en

combustible, como lo son los cereales.

1.3.3.2- Ventajas y desventajas de la bioelectricidad.

Ventajas

La utilización de la biomasa con fines energéticos tiene las siguientes ventajas

medioambientales:

1.-Disminución de las emisiones de CO2

Aunque para el aprovechamiento energético de esta fuente renovable tengamos que

proceder a una combustión, y el resultado de la misma sea agua y CO2, la cantidad de

este gas causante del efecto invernadero, se puede considerar que es la misma

cantidad que fue captada por las plantas durante su crecimiento. Es decir, que no

supone un incremento de este gas a la atmósfera.

_______________ [6] Sims et al., 2004


18

2.-No emite contaminantes sulfurados o nitrogenados, ni apenas partículas solidas.

Si se utilizan residuos de otras actividades como biomasa, esto se traduce en un

reciclaje y disminución de residuos. Canaliza, por tanto, los excedentes agrícolas

alimentarios, permitiendo el aprovechamiento de las tierras de retirada.

3.-Los cultivos energéticos sustituirán a cultivos excedentarios en el mercado de

alimentos. Eso puede ofrecer una nueva oportunidad al sector agrícola.

4.-Permite la introducción de cultivos de gran valor rotacional frente a monocultivos

cerealistas.

5.-Puede provocar un aumento económico en el medio rural.

6.-Disminuye la dependencia externa del abastecimiento de combustibles.

7.-En la actualidad la tecnología aplicada a la biomasa esta sufriendo un gran

desarrollo. La investigación se esta centrando en los siguientes puntos:

En el aumento del rendimiento energético de este recurso

En minimizar los efectos negativos ambientales de los residuos

aprovechados y de las propias aplicaciones

En aumentar la competitividad en el mercado de los productos

En posibilitar nuevas aplicaciones de gran interés como los

biocombustibles

Desventajas.

Tiene un mayor coste de producción frente a la energía que proviene de

los combustibles fósiles.

Menor rendimiento energético de los combustibles derivados de la

biomasa en comparación con los combustibles fósiles.

Producción estacional.

La materia prima es de baja densidad energética lo que quiere decir que

ocupa mucho volumen y por lo tanto puede tener problemas de transporte y

almacenamiento.

Necesidad de acondicionamiento o transformación para su utilización

1.3.4.- Geotermia.

El interior de la Tierra está constituido por magma y materia incandescente, a una profundidad de aproximadamente 6,370 km, se tiene un promedio de temperaturas cercano a los 4,500 °C [7]. Dado que la temperatura de la superficie es mucho menor, este calor tiende a salir hacia la superficie en forma natural. Sin embargo, el calor se sigue produciendo al interior de la Tierra por reacciones nucleares [7]. Las erupciones


19

volcánicas, geiser, lagunas calientes, volcanes de lodo o manantiales de aguas termales son pruebas de este flujo de calor. En el interior de grutas o minas se percibe claramente un aumento de temperatura respecto a la temperatura en la superficie. Una vez localizado un reservorio geotérmico, que es un depósito de fluido a temperaturas mayores a 200 °C y a una profundidad no mayor a 3.5 km, es necesario perforar uno o varios pozos para poder extraer el fluido (vapor o mezcla de agua-vapor). Una vez en la superficie, este fluido se separa en vapor y salmuera (agua con minerales), el vapor a alta presión se conduce hacia una turbina haciéndola girar y ésta a su vez hace girar a un generador de electricidad, donde se observa que tanto la salmuera como el vapor condensado, son reinyectados al subsuelo.

Figura No.14.-Planta geotérmica

1.3.4.1- Ventajas y desventajas de la bioelectricidad.

Ventajas.

Su coste es bajo y no implica riesgos.

Es una fuente que evitaría a muchos países la dependencia energética del exterior.

Los residuos que produce son mínimos y ocasionan menor impacto ambiental que los originados por el petróleo, carbón, etc.

Desventajas.

Emisión de ácido sulfhídrico y de CO2.

Posible contaminación de aguas próximas con sustancias (arsénico y amoniaco)

Contaminación térmica.

Deterioro del paisaje.

No se puede transportar

______________________________ [7] Geothermal energy. H.C. Armstead, 1978


20

Solo una pequeña fracción de nuestros recursos geotérmicos está siendo explotada hoy en día, podrían ser aprovechados muchos más, si mejorase la tecnología disponible y si gobiernos e iniciativa privada promoviesen su desarrollo. La energía geotérmica es barata y técnicamente fácil de conseguir. La piedra seca y caliente, el magma y la energía geotérmica presurizada en la Tierra tienen un inmenso potencial que continúa sin explotar.

1.3.5- Energía solar.

Se entiende por energía solar aquella que de forma directa o indirecta procede del Sol.

El Sol es una estrella con un diámetro medio de 1,39·109 m y una masa de 2·1030 kg,

constituida por diversos elementos químicos en estado gaseoso, principalmente

hidrógeno y helio[8]. En su interior se produce de forma espontánea y continua la

fusión de núcleos de hidrógeno para formar núcleos de helio. Debido a esta reacción

de fusión nuclear se genera una enorme cantidad de energía en forma de calor.

Como consecuencia de la elevada temperatura del Sol (de 8 a 40 millones de grados

Kelvin en el interior del mismo y alrededor de 6.000 K en la superficie), éste emite

energía en forma de radiación electromagnética.

A la radiación electromagnética emitida por el Sol se la conoce con el nombre de

radiación solar y está constituida por un conjunto de ondas electromagnéticas de

distintas longitudes de onda, que constituyen el espectro de dicha radiación. Como

cualquier otra radiación del espectro electromagnético, la radiación solar puede ser

analizada atendiendo a su naturaleza ondulatoria o corpuscular.

De acuerdo con el primer aspecto, la radiación solar se comporta, en cuanto a su

propagación, como una onda electromagnética en el espacio libre, caracterizada por su

longitud de onda (λ) y su velocidad de propagación en dicho espacio, c =

2,99792458·108 m/s [9]. Esto quiere decir que la radiación solar viaja en línea recta

apartándose del Sol a la velocidad de la luz y que, si bien no hay pérdida de energía

alguna en dicho espacio libre, la intensidad de la radiación decrece inversamente al

cuadrado de la distancia al Sol.

1.3.5.1- Sistema de aprovechamiento de la energía solar.

La energía generada por el viento, las olas o la energía hidráulica son originadas

indirectamente por el Sol. Sin embargo, y a partir de ahora, sólo se considerará la

energía solar directa, a la que se denominará simplemente energía solar. Este tipo de

energía se puede aprovechar de dos formas:

captación térmica.

captación fotónica.

_____________________ [8] Martin y Ramírez, 1997


21

La captación térmica aprovecha que la energía solar al ser interceptada por una

superficie absorbente se degrada, apareciendo un efecto térmico. Si se obtiene el calor

sin mediación de elementos mecánicos, se habla de energía solar pasiva. Si el

aprovechamiento se realiza mediante elementos mecánicos, se trata de energía solar

activa. La captación fotónica, como indica su nombre, está basada en las propiedades

de los fotones asociados a las radiaciones electromagnéticas. La captación fotoquímica

hace referencia a la fotosíntesis, que transforma la energía radiante en energía

química acumulada en los enlaces de compuestos orgánicos.

La captación energética a través de celdas solares o fotovoltaicas permite la

transformación energética de la radiación solar en energía eléctrica aprovechando las

propiedades eléctricas de los materiales semiconductores. El hombre aprovecha

tecnológicamente la energía solar tanto por captación térmica (energía solar térmica)

como por captación fotónica (energía solar fotovoltaica). En el caso de la energía solar

térmica, se pueden usar sistemas solares pasivos o activos, clasificándose estos últimos

según el rango de temperatura que es posible obtener con el elemento mecánico.

Figura No.15.-Potencial mundial de colectores solares

En el caso particular de esta investigación se utilizaran celdas solares como el

sistema de captación mas adecuado para los procesos.

1.3.5.2.- Celdas solares fotovoltaicas.

Las celdas solares son dispositivos que convierten energía solar en electricidad, ya sea directamente vía el efecto fotovoltaico, o indirectamente mediante la previa conversión de energía solar a calor o a energía química. La forma más común de las celdas solares se basa en el efecto fotovoltaico, en el cual la luz que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas produce una diferencia de foto voltaje o del potencial entre las capas. Este voltaje es capaz de conducir una corriente a través de un circuito externo de modo de producir trabajo útil.

Las celdas solares de primera generación se introdujeron comercialmente a principios de los años 80. Construidas a partir de obleas o tabletas finas de silicio semiconductor, aún se usan intensivamente en la actualidad.

[9] Sears et al., 1996


22

El silicio no absorbe la luz con mucha eficiencia, por lo que el grosor de las obleas no se puede reducir más allá de cierto valor; además, son frágiles, lo que complica el proceso productivo desde los mismos inicios hasta la instalación final del panel solar. La segunda generación de celdas solares comenzó a finales de los años 90 con la introducción de la tecnología de láminas delgadas. Proporcionan una eficiencia similar a las de silicio, pero su grosor es unas 100 veces menor. Construidas apilando capas muy finas de diferentes materiales semiconductores, estas celdas presentan varios inconvenientes:

las capas semiconductoras se depositan mediante un proceso a alto vacío que resulta muy caro y complicado, y

se colocan sobre un substrato de vidrio, que requiere de procesos adicionales para establecer los necesarios contactos eléctricos.

La actual tercera generación de celdas solares, también construidas a base de láminas delgadas, obvia las dificultades anteriores de la siguiente forma. Las capas de material semiconductor se depositan directamente sobre metal, eliminando así pasos los adicionales para colocar los contactos. Además, el procedimiento elimina la fragilidad del dispositivo, proporcionando celdas solares con un alto grado de flexibilidad, lo que resulta altamente ventajoso desde el punto de vista de su manipulación mecánica. Pero quizás la ventaja más importante sea que el proceso productivo se simplifica enormemente. En vez de la complicada deposición al vacío, las capas semiconductoras se aplican mediante un chorro de tinta que contiene partículas semiconductoras manométricas, usando un proceso de impresión rotativo similar al del offset convencional, empleado comúnmente para imprimir periódicos y revistas. Este proceso abarata grandemente el costo de producción.

Figura No.16.-Proceso de impresión rotativo

Por otra parte, su capacidad de generar energía es comparable con la de las celdas precedentes, e incluso mejor. La electricidad proveniente de paneles solares convencionales cuesta unos 3 USD por watt. El estimado óptimo de los paneles construidos con la nueva tecnología es de sólo 0.30 USD por watt, lo que haría la energía solar muy competitiva con el carbón y otros combustibles.

Los tipos de células de silicio serán diferentes en la medida del tipo de silicio que se utilice:


23

a) Monocristalino, de aproximadamente 1/3 a 1/2 de milímetro espesor) se cortan de un gran lingote Monocristalino que se ha desarrollado a aproximadamente 1400°C, este es un proceso muy costoso. El silicio debe ser de una pureza muy elevada y tener una estructura cristalina casi perfecta. El rendimiento de las células de silicio monocristalino suele variar entre el 15% y el 18%. Es difícil construirlas, lo cual aumenta su precio. La estructura atómica está muy ordenada y tiene un color azul metálico.

b) Policristalino. Las planchas policristalinas son realizadas por un proceso de moldeo en el cual el silicio fundido es vertido en un molde y se lo deja asentar. Entonces se rebana en planchas. Como las planchas policristalinas son hechas por moldeo son apreciablemente más baratas de producir, pero no tan eficiente como las celdas monocristalinas. El rendimiento más bajo es debido a las imperfecciones en la estructura cristalina resultando del proceso de moldeo. Su rendimiento varía entre el 12% y el 15%. La estructura atómica no es tan ordenada como ocurre con el monocristalino, lo cual le hace perder rendimiento.

En los dos procesos anteriormente mencionados, casi la mitad del silicio se pierde como polvo durante el cortado.

c) Amorfo. Una de las tecnologías de lámina delgada, es creado depositando silicio sobre un substrato de vidrio de un gas reactivo tal como silano (SiH4). El silicio amorfo es una de grupo de tecnologías de lámina delgada. Este tipo de célula solar se puede aplicar como película a substratos del bajo costo tales como cristal o plástico. Su rendimiento es inferior al 10%. La estructura atómica es bastante desordenada. Pero su fabricación es más sencilla que con los monocristalinos y policristalinos, lo cual, lo hace más barato.

Otras tecnologías de lámina delgada incluyen lámina delgada de silicio multicristalino, las celdas de seleniuro de cobre e indio/sulfuro de cadmio, las celdas de teluro de cadmio/sulfuro del cadmio y las celdas del arseniuro de galio. Las celdas de lámina delgada tienen muchas ventajas incluyendo una deposición y un ensamblado más fácil, la capacidad de ser depositadas en substratos o materiales de construcción baratos, la facilidad de la producción en masa, y la gran conveniencia para aplicaciones grandes. En la producción de celdas solares al silicio se le introducen átomos de impurezas (dopado) para crear una región tipo p y una región tipo n de modo de producir una unión p-n. El dopado se puede hacer por difusión a alta temperatura, donde las planchas se colocan en un horno con el dopante introducido en forma de vapor. Hay muchos otros métodos de dopar el silicio. En la fabricación de algunos dispositivos de lámina delgada la introducción de dopantes puede ocurrir durante la deposición de las láminas o de las capas.

Un átomo del silicio tiene 4 electrones de valencia (aquellos más débilmente unidos), que enlazan a los átomos adyacentes. Substituyendo un átomo del silicio por un átomo que tenga 3 o 5 electrones de la valencia producirá un espacio sin un electrón (un


24

agujero) o un electrón extra que pueda moverse más libremente que los otros, ésta es la base del doping. En el doping tipo p, la creación de agujeros, es alcanzada mediante la incorporación en el silicio de átomos con 3 electrones de valencia, generalmente se utiliza boro. En el dopaje de tipo n, la creación de electrones adicionales es alcanzada incorporando un átomo con 5 electrones de valencia, generalmente fósforo.

Figura No.17.-Composición del átomo de silicio

Una vez que se crea una unión p-n, se hacen los contactos eléctricos al frente y en la parte posterior de la célula evaporando o pintando con metal la plancha. La parte posterior de la plancha se puede cubrir totalmente por el metal, pero el frente de la misma tiene que tener solamente un patrón en forma de rejilla o de líneas finas de metal, de otra manera el metal bloquearía al sol del silicio y no habría ninguna respuesta a los fotones de la luz incidente.

1.3.5.3.- Ventajas y desventajas de la energía solar.

Ventajas.

Es energía no contaminante. Proviene de una fuente de energía inagotable. Es un sistema de aprovechamiento de energía idóneo para zonas donde el

tendido eléctrico no llega (campo, islas), o es dificultoso y costoso su traslado (conviene a mas de 5 Km).

Los sistemas de captación solar son de fácil mantenimiento. El costo disminuye a medida que la tecnología va avanzando (el costo de los

combustibles aumenta con el paso del tiempo porque cada vez hay menos).

Desventajas.

El nivel de radiación fluctúa de una zona a otra y de una estación del año a otra. Para recolectar energía solar a gran escala se requieren grandes extensiones de

terreno. Requiere gran inversión inicial. Se debe complementar este método de convertir energía con otros.


25

Los lugares donde hay mayor radiación, son lugares desérticos y alejados, (energía que no se aprovechara para desarrollar actividad agrícola o industrial, etc.).

1.4.- Conclusiones del capitulo.

Las fuentes alternas de energía, han ido evolucionando con el tiempo, la tendencia a la producción de estas energías día a día se hace más indispensable debido a las emanaciones de gases de efecto invernadero.

Es necesario evaluar sus ventajas y desventajas para saber a que nos enfrentamos al producir energía mediante métodos no convencionales y de ahí ver todas las variables para determinar cual es la más adecuada para implementar en nuestro entorno.

Capitulo II Políticas energéticas adoptadas a nivel mundial

Capitulo II

Políticas Energéticas Adoptadas A Nivel Internacional

Este capítulo abordara las diversas políticas que algunos países han adoptado para incrementar la participación de las nuevas fuentes renovables de energía en su sector energético. Al inicio, se presentan los países industrializados, cuyas políticas se encuentran dentro de su legislación. Posteriormente, se exponen experiencias de países en vías de desarrollo, donde se observan metas y objetivos; sin embargo, sus acciones se limitan únicamente a programas dirigidos al uso de nuevas energías renovables, en donde su objetivo es satisfacer las necesidades energéticas básicas, por lo que en su marco jurídico, no cuentan con leyes específicamente del tema. Por ultimo, se analiza la situación actual de las políticas energéticas de nuestro país sobre las nuevas fuentes renovables.


26

2.1.- La Unión Europea (UE).

La política energética en la Unión Europea (UE), forma parte del proceso hacia una

economía baja en carbono, dentro del cual la UE está llamada a desempeñar un papel

de liderazgo. En este proceso ya en marcha, hay dos nuevos factores que deben ser

tenidos en cuenta: el tratado de Lisboa y el proceso post-Kyoto derivado de la cumbre

de Copenhague.

Las principales cuestiones siguen permaneciendo en esencia invariables hasta el

momento, girando sobre los tres pilares de competitividad, sostenibilidad y seguridad

de suministro, pero dos dimensiones adicionales deben ser consideradas:

1. en primer lugar, la crisis económica internacional y el riesgo que supone para la

financiación de este nuevo modelo energético y

2. en segundo lugar, las nuevas competencias en materia de asuntos exteriores

establecidas por el Tratado.

Las acciones en política energética emprendidas en el la UE durante los tres últimos

años fueron fijadas por el consejo europeo de 2007. Se han conseguido éxitos como la

adopción del paquete de energía y clima (el conocido como el “20-20-20”) o continuar

con el desarrollo del mercado interior de energía. Prácticamente todas las medidas

que estaban contenidas en el anterior plan, han sido ya adoptadas a nivel comunitario.

Por tanto, la revisión estratégica de noviembre de 2008 es considerada por los

ministros como la base sobre la que construir el próximo plan de acción. Mientras que

el anterior Plan ponía el peso en la sostenibilidad y el mercado interior, los estados

miembros están de acuerdo en que este nuevo Plan debería centrarse en la seguridad

de suministro y en el desarrollo de las tecnologías energéticas.

Este plan de acción propone ofrecer a las fuentes de energía renovables salidas

equitativas en los mercados sin condicionamientos financieros excesivos. Para ello se

ha elaborado una relación de medidas prioritarias, entre las cual es hay que citar:

El acceso no discriminatorio al mercado de la electricidad y

Medidas fiscales y financieras

En la actualidad no se concede una importancia significativa a las energías renovables

en las políticas, programas y presupuesto comunitarios. En el plan de acción se sugiere

sensibilizar en mayor medida a los responsables de los distintos programas e

intensificar la presencia de las energías renovables en las distintas políticas de la

Unión, como:

Nuevas iniciativas en el campo de la bioenergía para el transporte, la

producción de calor y de electricidad y, sobre todo, medidas específicas para


27

aumentar la cuota de mercado de los biocarburantes, para fomentar el biogás y

desarrollar mercados de biomasa;

El fomento de las fuentes de energía renovables (como la energía solar) en el

sector de la construcción, tanto para diseñar y renovar como para equipar

nuevos edificios.

Cuidado del medio ambiente;

Generación de empleos;

Fomento a la investigación y desarrollo tecnológico;

Fortalecimiento de una política agrícola común y desarrollo rural;

Relaciones exteriores.

A continuación se analizaran los casos más relevantes en la UE.

2.1.1.- España.

España elaboró el Plan de Fomento de las Energías Renovables para dar cumplimiento

a los objetivos de la Ley 54/1997 del Sector Eléctrico, enfocados a garantizar el

suministro y la calidad del mismo al menor costo posible, y a su vez proteger el medio

ambiente.

Dentro de este plan, España pretende lograr el objetivo de que los recursos

renovables cubran como mínimo el 12% del total de la demanda energética en el año

2010,cifra acorde con la línea establecida por la Unión Europea y que en Marzo de

2009 logro cubrir el 16.5% con energías renovables pasando la expectativa marcadas

en un 4.5%.

Para fomentar el uso de las energías renovables en la oferta energética en España, el

Plan señalaba lo siguiente:

1. Promoción de la energía eléctrica con fuentes renovables mediante una adecuada

regulación que dé preferencia a este tipo de instalaciones.

2. Los concesionarios de las redes de distribución deben aceptar la electricidad

proveniente de los autoproductores y el precio a pagar por dicha electricidad.

3. Los productores de energía eléctrica procedente de renovables son considerados en

el mercado eléctrico español como productores en régimen especial, esto es, fuera del

sistema de competencia.

4. Para las instalaciones productoras sujetas al régimen especial, la retribución del Kwh

vertido a la red se establece incrementando el precio del mercado por una prima que

se ha determinado reglamentariamente.


28

5. Se estable un límite general para el precio del Kwh vertido a la red por instalaciones

de energías renovables no hidráulicas, biomasa e hidroeléctricas de potencia inferior a

10 MW.

6. El valor de la prima se ha fijado teniendo en cuenta el nivel de tensión de entrega a

la red, la contribución a la mejora del medio ambiente, el ahorro de energía primaria, y

la eficiencia energética y los costos de inversión en que se haya incurrido, con miras a

garantizar unas tasas de rentabilidad razonables con referencia al costo del dinero en

el mercado de capitales.

En el primer trimestre de 2010 las fuentes renovables de energía (el viento, el sol, el

agua) han generado, por primera vez en la historia energética de España, más de diez

millones de megavolts hora, siendo esto el 40% de la energía total consumida en este

país. Las grandes presas hidroeléctricas y los parques eólicos produjeron el 36,8% de la

electricidad que consumió España en enero. El gas se quedó en el 21,5; la nuclear, en

el 18,6; el carbón, en el 7,0; y la solar, la biomasa, la minihidráulica y la cogeneración

generaron el 15,4% de los kilovolts.

2.1.2.- Alemania.

En el año 2000, el Consejo Federal Alemán aprobó la Ley de Energías Renovables, la

cual tiene como objeto central promover una mayor participación de las energías

renovables en la generación de electricidad, además de fomentarla protección del

clima y del ambiente, el desarrollo sostenible y el aumento del porcentaje de las

energías renovables en el suministro de electricidad con un mínimo del 12.5 % para el

año 2010 y un 20% para el 2020

De manera general, el funcionamiento de esta ley se puede explicar en cuatro fases

consecutivas. Para hacerlo más comprensible, a continuación se presenta el ejemplo

de un agricultor que genera electricidad con una central de biomasa:

1. La ley le otorga al agricultor (generador) el derecho de conectar su central de

biomasa a la red de suministro más cercana e introducir la electricidad generada en su

central. Cada inversionista de una planta semejante tiene derecho a suministrar su

electricidad a la red eléctrica.

2. Dado que en Alemania la generación de electricidad, la administración de la red y el

suministro están separados, el administrador de la red recibe la electricidad para

traspasarla a la distribuidora, que le reembolsa lo que pagó por la electricidad.

3. El distribuidor debe pagarle al agricultor la tarifa establecida en la ley por la

electricidad suministrada.

4. La distribuidora puede mezclar la electricidad proveniente de la central de biomasa

del agricultor con el volumen total de la energía que suministra, o puede


29

comercializarla por separado como electricidad generada por energía renovable, es

decir como electricidad ecológica. En el primer caso, la distribuidora recibe el pago de

todos los consumidores de electricidad, en forma prorrateada a través del precio de la

electricidad. En el segundo caso, el cliente que explícitamente compra electricidad

generada por energías renovables, tendrá que pagar la tarifa establecida en la ley.

La ley rige las tarifas de electricidad proveniente de centrales eólicas, solares,

geotérmicas, microhidroeléctricas, biomasa y biogás. El Parlamento de Alemania

(Bundestag) ha acordado la creación de una nueva normativa que fortalezca las

condiciones de inversión en energías renovables. La normativa es parte del Paquete de

medidas para el clima creado por el Gobierno, cuyo objetivo es conseguir un ahorro de

250 millones de toneladas métricas de CO2 para el año 2020, consiguiendo que las

energías renovables contribuyan con el 30% de la producción eléctrica en ese mismo

año. Estos cambios legales fortalecen al país alemán como localización de inversión

para las energías renovables y las tecnologías con eficacia energética.

Un elemento de la reforma es la modificación del Acta de Fuentes de Energías

Renovables (EEG). Este cambio solicita aumentar las primas en las tarifas, también

denominadas tarifas feed-in, para la energía eólica. Esta tarifa representa el pago

compensatorio que se hace a los propietarios de los sistemas de energías renovables

cuando la energía de sus sistemas se vende a la red pública. La nueva ley aumenta las

tarifas feed-in para la energía eólica hasta situarla entre los 9,2 y los 15 EURcent/Kwh.

El parlamento también ha reformado el EEG para la electricidad procedente de la

energía solar. Los sistemas fotovoltaicos (FV) recibirán una tarifa de utilización de 33-

43 EURcent/Kwh, dependiendo de la cantidad de electricidad vendida a la red pública.

Según la nueva normativa, la tarifa descenderá entre un 8% y un 10% en 2010, y

posteriormente un 9% cada año después del año 2011. Estas dos reformas son

importantes de cara a los inversores. En lo que respecta a la energía eólica, el aumento

de las tarifas proporciona un incentivo superior para las compañías eólicas en relación

a la entrada en el mayor mercado de energía eólica del mundo (según su capacidad

acumulada).

La caída de las tarifas en la energía procedente de sistemas fotovoltaicos es una

prueba para los inversores sobre el importante progreso que Alemania está realizando

para reducir los costes de la generación de electricidad en las fuentes FV, haciendo que

los precios subsidiarios sean menos necesarios en la captación de inversores. Este

progreso se ha conseguido gracias a los trabajadores altamente cualificados dentro del

sector de la energía FV en Alemania, la localización de los principales institutos de

investigación y los principales proveedores. Estas condiciones hacen de Alemania una

localización atractiva para producción e I+D dentro del sector de la energía FV.


30

La reforma legal alemana además promociona la biomasa. Los inversores de este

sector pueden recibir tarifas de utilización de 7,79-11,67 EURCent/Kwh por la

electricidad de la biomasa. También hay incentivos de extras que instan el uso de los

materiales brutos sostenibles, o de la utilización simultánea de la biomasa en las

centrales de ciclo combinado generación de calor y energía, también denominada

cogeneración.

Las reformas legales además ayudan a fortalecer la atracción en Alemania de los

inversores dentro del sector de la biomasa. Un aumento de la demanda nacional de la

tecnología de biomasa y sus productos atrae un mayor número de inversores a

Alemania. El paquete de medidas sobre el clima también solicita la promoción de la

generación de calor procedente de energías renovables. Esta normativa necesita la

construcción de nuevos edificios que dispongan de sistemas de calefacción que

proporcionen calor de las fuentes renovables. Se dispondría de incentivos financieros

para equipar a los edificios antiguos con estas tecnologías. Esta normativa proporciona

un mercado dispuesto, con más de 500 millones de euros de fondos disponibles, para

los inversionistas en tecnologías de calefacción eficaces desde el punto de vista

energético, como las calefacciones térmicas solares. Alemania ya es el principal

mercado de Europa de tecnologías térmicas solares, y ofrece a los inversores

extranjeros muchas posibilidades.

Los inversionistas en las tecnologías de producción de calor cuentan además con

posibilidades de crecimiento en sistemas de cogeneración. Aquí, el gobierno federal ha

dispuesto de 750 millones de euros al año para prestar apoyo a los proyectos de

cogeneración. El gobierno ha establecido el objetivo específico de disponer el 25% de

la energía y calor procedentes de tecnologías con una producción paralela eficaz para

el año 2020.

Todas estas reformas legales, además de otras que sirven para fortalecer las

tecnologías de uso eficaz, por ejemplo los medidores de consumo inteligentes, dejan

claro que Alemania está consolidando su posición como líder mundial en energías

renovables, ofreciendo muchas posibilidades para los inversionistas extranjeros y su

entrada en este mercado cada vez mayor.

2.1.3.- Dinamarca.

Desde 1990, la política energética de Dinamarca estuvo dirigida a alcanzar el desarrollo

sustentable en su sector energético. Esto se puede observar en sus planes de energía

de 1990 y 1996, cuyos objetivos principales eran el desarrollo de las fuentes de energía

renovable, la expansión de la generación de electricidad basada en este tipo de

fuentes y el incremento de la participación de la energía eólica y los biocombustibles

en la producción de electricidad. Particularmente, un objetivo específico de estos


31

planes es que en el 2005 aporten entre el 12% y 14%de la energía primaria, mientras

que para el 2030, se espera que esta participación alcance el 35%

Posteriormente, en junio de 1999, se reformó el sector eléctrico de este país para

permitir un mercado eléctrico, cumpliendo con las directivas de la Unión Europea. Así,

para enero de 2001, los consumidores de electricidad cuyo consumo era mayor de

1GW podían comprar la electricidad en el mercado. Finalmente, la reforma se

consumaría en enero de 2003, extendiéndose a todos los consumidores.

Dinamarca destaca en el mundo industrial por ser uno de los países con mayor

desarrollo en cuanto a energía renovable, tecnología limpia y política ambiental. Más

de tres décadas han pasado para que este país nórdico ocupe dicha posición, cuyo

fundamento se refuerza en su política energética para el periodo 2008-2011: “reducir

la dependencia de combustibles fósiles como el petróleo, carbón y gas”. El reto es

inmenso, ya que aún con el gran cambio que se ha generado en Dinamarca,

actualmente sólo casi 20% de la energía descansa en medios amistosos hacia el

ambiente; sin embargo implica un gran avance en comparación a 1980, cuando las

renovables representaban apenas 3%. Del total, la madera contribuye con 32% del

consumo energético, el desperdicio biodegradable con 23%, el viento con 20%, la paja

con 14%, la geotermia (incluyendo bombas de calefacción y biocombustibles, entre

otros) el 8%, y biogas con 3%. Entre las soluciones “ecoeficientes” que ha desarrollado

Dinamarca se encuentran la redefinición e integración del sistema energético, la

planeación y arquitectura urbana-sostenible, una agricultura “eco amigable”, la

medición de los efectos y alcances de las nuevas tecnologías, el uso de calderas

eficientes para la calefacción de los hogares y edificios, y el desincentivo del uso de

vehículos con motores de combustión interna. La política energética del periodo 2008-

2011 incluye una serie iniciativas que cubren desde el ahorro de energía hasta las

mejoras en la eficiencia, la energía renovable, los impuestos a energéticos, más

tecnologías eficientes y el transporte. Y es a través de este esfuerzo de más de 30 años

que Dinamarca hoy se ha convertido en uno de los exportadores de tecnologías limpias

más importantes del mundo. Ofreciendo soluciones principalmente para las áreas

eólica, celdas de combustible y bioenergéticos. El mercado alcanzó los 7,800 millones

de euros en 2007, representando 9% de las exportaciones del país nórdico y

triplicando lo que llegó a comercializar en 1996. Actualmente está consolidado como el

líder en la producción de turbinas de viento, abarcando prácticamente un tercio del

mercado global a través de 200 compañías que emplean a 22,000.

2.1.4.- Finlandia.

Las principales metas establecidas en la política energética de Finlandia en1979,

estaban dirigidas a incrementar el uso eficiente de la energía y el uso de las energías

renovables.


32

En 1999 se estableció el Plan de Acción, el cual tiene como uno de sus principales

objetivos la promoción de las fuentes renovables de energía. Este Plan pretende que la

electricidad generada a partir de fuentes renovables en el 2010 tenga una

participación del 31% en el consumo de electricidad. Además, este objetivo, también

forma parte de la Estrategia Nacional del Clima, la cual tiene como finalidad la

reducción de las emisiones de bióxido de carbono en respuesta al Protocolo de Kyoto.

Los objetivos del plan de acción son:

1. Participación de las fuentes renovables de 31% en el consumo total de

electricidad.

2. Incremento del uso de biocombustibles.

3. El uso de biocombustibles se encuentra dividido en combustibles industriales a

base de leña, combustibles forestales y combustibles reciclados producidos a

partir de desechos seleccionados.

4. Acceso a las redes eléctricas para distribuir energía renovable, por ejemplo por

medio de certificados verdes.

Las medidas básicas del plan son:

1. Desarrollo tecnológico y adopción de nuevas fuentes de energía renovable.

2. Eliminación de obstáculos administrativos.

3. Financiamiento para el desarrollo y aplicación comercial de la tecnología.

4. Promover subvenciones a través de impuestos de saneamiento dentro del

sistema de impuestos de energía.

La generación de electricidad proveniente de energías renovables en el periodo 2000-

2010 pasó de 16.5TWh a 29TWh, es decir tuvo un incremento del 37.6%.

La capacidad de fuentes renovables instalada en este año fue de 5,139MW,

conformada por hidroelectricidad, eólica y residuos de leña, además de que el 16.5%

del consumo de electricidad en el país es producida por plantas de cogeneración que

utilizan biomasa.

2.2.- Brasil.

Desde las crisis de energía de los años 70, Brasil ha mantenido coherentemente el

apoyo estratégico a su industria de etanol a base de azúcar dándole a esta industria un

subsidio en el producto y que ahora es la más grande en el mundo. Por consiguiente,

Brasil se ha convertido en líder mundial como productor y exportador de

biocarburante, el cual cubre en el interior del país más del 25 % de las necesidades de

energía de los sectores de transporte brasileños.


33

Actualmente ya no hay subsidios para la producción de etanol y su precio de venta

equivale entre el 60-70% del precio de la gasolina en las estaciones deservicio en un

mercado que actualmente no tiene restricciones competitivas, debido a una

importante reducción en los costos de la producción. Estos resultados muestran que la

competitividad económica del etanol es comparable con la de la gasolina.

La aplicación de este programa fue posible gracias a los altos precios de la gasolina y

en especial, por las políticas favorables al uso de etanol. En el periodo1975-1989 en

total se invirtieron en este programa 4.92 miles de millones de dólares, mientras que,

por el otro lado, el ahorro por importaciones de crudo fue mucho mayor, cercano a

43.5 miles de millones de dólares de 1975 a 2000.

Brasil también ha dado un toque a la energía hidroeléctrica (que supone el 80 % de las

fuentes de la electricidad nacional), haciéndolo uno de los únicos países en el mundo,

junto con Francia (donde la energía nuclear representa aproximadamente el 80 % de la

mezcla de electricidad), en haber desplazado el predominio de combustibles fósiles en

la mezcla eléctrica con una fuente de energía baja en carbón. En el 2002, Brasil aprobó

una Ley que crea el Programa de Incentivos para Fuentes Alternas de Energía. Esta Ley

tiene la finalidad de otorgar incentivos a pequeñas hidroeléctricas, eólicas y plantas

termoeléctricas de biomasa, que se conecten a la red nacional de transmisión.

Asimismo, pretende adicionar una capacidad instalada de 3,300 MW de fuentes

renovables antes del 2006, para lo cual se ofrecen contratos de largo plazo con

condiciones especiales a través de la empresa estatal ELECTROBRAS, con bajos costos

de transmisión y bajas tasas de interés.

El objetivo a alcanzar a 20 años, es que las energías renovables participen con el 10%

de la producción de electricidad. También en Brasil se ha establecido un programa de

desarrollo energético de los estados y municipios llamado PRODEEM, decretado el 27

de diciembre de1994, que tiene por objeto atender las localidades aisladas de la red de

energía eléctrica y en la que se pretende generar electricidad a partir de fuentes

renovables locales. De tal manera, se promueve el desarrollo autosustentable social y

económico. Como beneficio adicional, el etanol casi no genera emisiones de gases con

efecto invernadero. En el periodo 1975-2000 el etanol ha eliminado alrededor de110

millones de toneladas de carbón de las emisiones de la gasolina. En el 2000,9.2

millones de toneladas de bióxido de carbono se evitaron debido solamente al

reemplazamiento de la gasolina por etanol

2.3.- India.

La India se enfrenta con el enorme reto de proveer energía a más de600,000

asentamientos humanos dispersos a través de 300,000 kilómetros cuadrados. Tiene

una población de 1,000 millones de habitantes que se incrementa constantemente,

pero se espera que habrá de estabilizarse en alrededor de 1,600 millones en el curso


34

de los próximos 40 a 50 años aproximadamente. Esta tarea de suministro energético

se ve seriamente complicada por los bajos estándares de vida, ya que alrededor de un

75% de los habitantes se ubican por debajo del Umbral Internacional de Pobreza de 2

dólares per cápita por día. Su bajo poder adquisitivo ha resultado en magros niveles de

consumo per cápita de energía y electricidad.

La mezcla energética de la India es una combinación de fuentes comerciales y

tradicionales. El 30% de esta energía es obtenido mediante fuentes renovables

tradicionales tales como biomasa y residuos animales. Más del 65% de la población

que carece de acceso a servicios energéticos modernos depende de biomasa, residuos

animales y kerosene para cocinar y para sus necesidades de iluminación. En 2001-

2002, el consumo de combustibles tradicionales se estimó en un equivalente de 140

millones de toneladas de petróleo. Las proyecciones indican que en el período 2011-

2012, su parte disminuiría en 3 puntos porcentuales a 27%. En el curso de las dos

últimas décadas, los programas de energía renovable de la India han crecido en

volumen, madurez tecnológica y alcance. Inicialmente, el empuje del esfuerzo nacional

estuvo dirigido hacia la formación de capacidad y a la investigación y el desarrollo, en

su mayor parte en laboratorios e instituciones de educación nacionales. No obstante, a

partir de los años 1980 se vio una mayor expansión en las actividades, concentrada en

actividades de demostración y de extensión subsidiadas a gran escala, principalmente

para proveer servicios energéticos a zonas rurales con biogás, cocinas mejoradas y

energía solar. Estos programas crearon conciencia y conocimiento, generaron

experiencia en el terreno y ayudaron a establecer una vasta red de instituciones y

organizaciones no gubernamentales que llegan a gran parte de la población, hasta a las

personas que trabajan por cuenta propia al nivel de las bases. En la actualidad se pone

el énfasis en la comercialización, la participación del sector privado en la generación de

energía eólica, en pequeñas centrales hidroeléctricas, y en la combustión o gasificación

de biomasa, así como en posibles aplicaciones industriales de la energía solar y otras

formas de energía renovable.

La energía eólica, de biomasa y las pequeñas instalaciones hidroeléctricas contribuyen

aproximadamente un 3,5% de la capacidad instalada para energía eléctrica. Contra un

potencial estimado de energía renovable de unos 80.000 megavatios de fuentes

explotables comercialmente, hasta la fecha se están aprovechando más de 4.000

megavatios. Los sistemas de energía de biomasa y energía solar han llegado a 3,5

millones y 1 millón de viviendas, respectivamente. Muchas tecnologías se encuentran

actualmente en el umbral de la viabilidad económica. Se ha establecido una modesta

capacidad de manufactura en el país y se han desarrollado mecanismos institucionales

destinados a prestar apoyo a la utilización de tecnologías de energía renovable. Hasta

ahora, la divulgación de estas diversas tecnologías de energía renovable en la India ha

contado con la ayuda de una mezcla de políticas y medidas de apoyo. Entre los

incentivos disponibles cabe incluir los créditos subvencionados, los derechos de


35

aduana a precio reducido, exención del impuesto interno y del impuesto sobre las

ventas, además de un 80% de beneficio de depreciación acelerada para proyectos

comerciales. Hay subsidios disponibles para algunos programas, especialmente

aquellos desarrollados en zonas rurales, tales como cocinas de leña de diseño

mejorado, plantas de biogás, linternas solares y sistemas de iluminación para

viviendas.

La India se enfrenta con el enorme reto de proveer energía a más de 600.000

asentamientos humanos dispersos a través de 300.000 kilómetros cuadrados. Tiene

una población de 1.000 millones de habitantes que aún está creciendo, y se espera

habrá de estabilizarse en alrededor de 1.600 millones en el curso de los próximos 40 a

50 años aproximadamente. Esta tarea se ve seriamente complicada por bajos

estándares de vida, con alrededor de un 75% de los habitantes por debajo del Umbral

Internacional de Pobreza de 2 dólares per cápita por día a razones de paridad de poder

adquisitivo (PPA). Su bajo poder adquisitivo ha resultado en muy bajos niveles de

consumo per cápita de energía y electricidad.

Dentro de este contexto, las principales metas nacionales son las siguientes:

proveer un suministro energético confiable mediante una mezcla diversa y

sostenible de combustible, con consideración a la seguridad;

rápida explotación comercial del potencial de energía renovable;

erradicación y remoción de la pobreza energética a través de todo el país;

asegurar la disponibilidad asequible del suministro energético, incluso aspectos

de seguridad relacionados con el mismo;

electrificación de todas las viviendas en aldeas remotas para 2012;

electrificación mediante renovables para el año 2007 de alrededor de 18.000

aldeas remotas que no tienen probabilidad de ser conectadas a la red nacional

para 2012;

agregar un 10% de capacidad energética mediante renovables para 2012;

3 millones de plantas de biogás de tipo familiar y 7 millones de sistemas de

iluminación solar para 2012.

La India también anticipa convertirse en un líder mundial en materia de tecnologías

energéticas nuevas y renovables. Sus esfuerzos para promocionar la energía renovable

están en armonía con las preocupaciones e intereses mundiales.

Hoy día, la principal razón de la inclinación mundial hacia la energía renovable es el

cambio climático. Los intereses mundiales pueden expresarse como la necesidad de:

poner un tope a los niveles de las emisiones mundiales de dióxido de carbono

(CO2) en alrededor de 60% para el año 2050 a fin de detener el proceso del

calentamiento de la Tierra;


36

poner tope y hacer retroceder los niveles más altos de consumo de combustible

fósil: de otro modo los hidrocarburos líquidos quedarían fuera del alcance de

muchos;

esforzarse por bajar el precio relativo de tecnologías energéticas nuevas y

renovables mediante un esfuerzo de constante investigación y desarrollo;

mejorar el acceso a servicios y recursos energéticos fiables, asequibles,

económicamente viables, socialmente aceptables y ambientalmente sanos.

Se espera que estas preocupaciones mundiales conduzcan al comienzo de lo que se ha

denominado una economía libre de carbono, basada en una mezcla de combustibles

proporcionados principalmente por las tecnologías energéticas verdes o renovables.

Se acepta que la clave para realizar el pleno potencial de los renovables es el desarrollo

y la utilización de tecnologías tanto nuevas como existentes. Hemos venido explorando

los desarrollos tecnológicos e iniciando la investigación y el desarrollo en varias

fronteras. A nuestro entender, la situación de la futura tecnología energética sería la

siguiente:

1. más diversa que hoy en día, una mezcla de combustible versátil, gracias a

tecnologías nuevas e incipientes, incluso la captura y almacenamiento de CO2;

2. generación local mediante energía de biomasa/eólica/hidroenergía, etc.;

3. microgeneración mediante nuevos paquetes innovadores para uso final de

pilas-combustible, fotovoltaicas, etc.

Sin embargo, al progresar en esta trayectoria, el objetivo subyacente debe ser que las

tecnologías energéticas nuevas y renovables sean accesibles y confiables con un uso

que sea seguro.

2.4.- China.

El gobierno de China ha desarrollado planes a 5 años para acelerar el desarrollo de la

energía renovable a través de un mercado basado en instrumentos políticos. Las

empresas chinas de electricidad serán obligadas a comprar toda la energía producida

por turbinas eólicas y otras fuentes renovables, bajo una nueva ley enfocada en

reducir la dependencia del carbón.

Los legisladores aprobaron la medida el sábado como una enmienda a la ley de energía

renovable china de 2006, Beijing ha establecido objetivos ambiciosos para favorecer la

energía eólica, solar y renovable en un esfuerzo de mejorar su medio ambiente y

reducir su demanda de petróleo y gas. Los líderes comunistas considerada tal

dependencia como una debilidad estratégica.

La medida también podría ayudar a Beijing a cumplir con sus promesas de reducir las

emisiones de dióxido de carbono y otros gases a los que se acusa del cambio climático.

http://www.informador.com.mx/6181/energia-electrica

http://www.informador.com.mx/95/cambio-climatico


37

China es el país que emite las mayores cantidades de gases contaminantes, se enfrenta

al hecho de que sus zonas con más viento se encuentran lejos de las ciudades más

pobladas, lo que requiere que se construyan líneas costosas de transmisión.

La construcción de turbinas eólicas se ha acelerado, pero un 25% de ellas no están

conectadas a las redes eléctricas nacionales.

2.5.- Indonesia.

El gobierno de Indonesia enfatiza el papel de las energías renovables en el

aseguramiento de la sustentabilidad ambiental, además de que introdujo regulaciones

para fomentar la participación del sector privado y el sector social en el desarrollo de

energías renovables, mediante la compra de electricidad a pequeños productores por

medio de una tarifa diseñada para favorecerlos.

El Ministerio de Energía y Recursos Minerales impulsa actualmente el desarrollo de

pequeñas hidroeléctricas en poblaciones rurales, y sistemas solares fotovoltaicos para

la generación eléctrica en zonas urbanas. También se contempla el desarrollo de

energía eólica, biomasa y geotermia. Un ejemplo de estas políticas es el desarrollo de

una planta eléctrica de 100 KW a base de desechos de cáscara de arroz y diesel.

Se construirán más plantas de este tipo en las cercanías de los molinos de arroz para

abastecer de electricidad a las comunidades locales o a la red nacional.

En el 2003, se fijó una meta de 59.5 MW para sistemas comerciales microhidráulicos y

esta capacidad se elevará a 153.4 MW en 2020. En las poblaciones que requieran

menos de 100 KW de electricidad se impulsará la construcción de sistemas

microhidráulicos en donde existan suficientes recursos hidráulicos. Adicionalmente, se

utilizaran sistemas microhidráulicos de 25 KW o más para sustituir a pequeñas plantas

eléctricas de combustión interna. La Comisión Económica y Social de la ONU para Asia

y el Pacífico (ESCAP) eligió a Indonesia como la locación para un proyecto piloto de

sistemas microhidráulicos que se espera sea un modelo para el desarrollo de este tipo

de proyectos en el resto de la región de Asia-Pacífico. Se espera que este proyecto se

apegue al enfoque del Acuerdo de Compra para Pequeños Productores en donde los

pequeños generadores privados ofrezcan la electricidad excedente a la empresa

eléctrica estatal “PerusahaanListrik Negara”. El atractivo de este sistema es que el

costo de compra de energía microhidráulica es mucho menor que la electricidad

generada a base de diesel para cubrir la demanda.

2.6.- México.

En México existe un vacío legal a pesar de que las energías renovables se encuentren

contempladas en programas sectoriales, debido a que no existe una ley que las regule

específicamente.


38

Para analizar y plantear estrategias nacionales sobre energías renovables, la Secretaría

de Energía (SENER) se ha apoyado en la Comisión Nacional para el Ahorro de Energía,

CONAE, que a su vez estableció desde hace más de tres años una alianza con la

Asociación Nacional de Energía Solar (ANES), y juntas han operado el Consejo

Consultivo para el Fomento de las Energías Renovables,(COFER), al cual concurren

reconocidos especialistas de los sectores público y privado y en cuyo contexto se han

organizado media docena de foros públicos sobre asuntos relacionados con la

promoción de las energías renovables.

El documento normativo más importante y más reciente en lo que respecta a las

fuentes renovables de energía es el Programa Nacional de Energía 2001-2006 (SENER,

2002). En él está contenida la visión general del sector energético, la cual enfatiza una

amplia promoción del uso de fuentes alternas de energía.

Para lograr sus propósitos, el programa establece diversos principios rectores de la

política energética, entre los que se destaca el uso de las fuentes renovables de

energía para lograr el propósito de promover el crecimiento económico del país,

proteger al medio ambiente y permitir un desarrollo sustentable en el largo plazo para

todos los mexicanos (SENER, 2002).Dentro de este propósito se establece el promover

el uso sustentable de los recursos naturales. Para esto se requiere de un marco de

concertación y participación de los sectores público, privado y social, que facilite el

aprovechamiento de las vastas oportunidades que ofrecen las energías renovables ya

que las tecnologías que hacen posible este aprovechamiento siguen evolucionando, a

la par que sus costos se reducen.

Bajo esta perspectiva, el programa plantea que se desarrollarán estrategias orientadas

a promover la explotación de todas y cada una de las oportunidades técnicamente

posibles y económicamente rentables, tanto del lado de la oferta como de la demanda.

Sin embargo, para lograr cumplir cabalmente este objetivo sectorial, se considera

necesario contar con un conjunto de elementos y acciones que de manera particular

para las fuentes renovables de energía. En general, dada la dispersión y la baja

densidad energética de las fuentes renovables de energía, se requiere de grandes

extensiones de tierra para lograr un nivel de aprovechamiento similar al de los

sistemas que operan con combustibles fósiles. Igualmente, los sistemas de

aprovechamiento de energías renovables tienen que ubicarse en el lugar donde se

dispone del recurso, lo que muchas veces ocurre lejos de donde está la necesidad.

Estas circunstancias, sin embargo, no han sido un impedimento para su desarrollo,

como lo demuestran los proyectos en operación en el país.

De una manera muy general se puede afirmar que la República Mexicana recibe, en

seis horas de exposición al Sol, la misma cantidad de energía que consumirá durante

todo un año. Esta energía se transforma en calor, viento, agua evaporada y en diversas


39

formas de biomasa y solo una fracción pequeña es aprovechable para el uso que los

humanos le damos a la energía.

En México, existen actividades tendientes al aprovechamiento de la energía solar y sus

diversas manifestaciones desde hace varias décadas, aunque es particularmente

significativo el avance e interés de instituciones e industrias en las últimas tres,

periodo en el que se han desarrollado investigaciones y diversos proyectos, prototipos,

equipos y sistemas para el mejor aprovechamiento de las energías renovables. De

manera general, resalta la investigación y desarrollo en energías renovables que

arranca en la mitad de la década de los setentas y que continúa hasta la fecha. En este

sentido, son importantes las actividades de universidades e institutos, nacionales y

regionales, a lo largo y ancho del país. Igualmente importante ha sido el trabajo de

difusión y promoción de la Asociación Nacional de Energía Solar(ANES), la cual ha

unificado a esta comunidad, particularmente a través de sus semanas y reuniones

nacionales celebradas anualmente desde 1977.

Por otro lado, son importantes los trabajos para la manufactura y comercialización de

equipos y sistemas relacionados con las energías renovables, en donde resalta la gran

cantidad de fabricantes de calentadores solares planos en el territorio nacional.

Finalmente, para analizar y plantear estrategias nacionales sobre energías renovables,

la Secretaría de Energía se ha apoyado en la Comisión Nacional para el Ahorro de

Energía, Conae, quien a su vez, estableció, desde hace más de tres años, una alianza

con la ANES, y juntas han operado el Consejo Consultivo para el Fomento de las

Energías Renovables, Cofer, al cual concurren reconocidos especialistas de los sectores

público y privado y en cuyo contexto se han organizado media docena de foros

públicos sobre asuntos relacionados con la promoción de las energías renovables.

2.6.1.- Energía solar en México.

El conocimiento general que se tiene de la energía solar en nuestro país indica que más

de la mitad del territorio nacional presenta una densidad en promedio energética de 5

Kwh por metro cuadrado al día. Esto significa que para un dispositivo de colección y

transformación de energía solar a energía eléctrica que tuviera una eficiencia de 100%,

bastaría un metro cuadrado para proporcionar energía eléctrica a un hogar mexicano

promedio que consume 150 Kwh por mes. De manera más precisa, considerando

eficiencias de 10% para los dispositivos en el mercado, se puede decir que con 200

millones de m2 de área de colección de radiación solar (un área de 14.2 Km por lado)

podríamos dar electricidad a todos los hogares mexicanos.

Esto no significa, sin embargo, que la energía solar directa sea la más económica para

el universo de usuarios de energía en el país, ya que su costo actual sólo lo justifica


40

para un número limitado de usuarios, particularmente los que viven alejados de la red

eléctrica.

2.6.2.- Energía eólica en México.

Se estima que el potencial eoloeléctrico técnicamente aprovechable de México alcanza

los 5,000 MW, lo que equivale a 14% de la capacidad total de generación eléctrica

instalada actualmente. Este potencial tiene ahora mayores posibilidades de

desarrollarse, por la disminución de sus costos que han llegado a ser casi competitivos

con las energías convencionales y por las modificaciones a la Ley del Servicio Público

de Energía Eléctrica y su Reglamento. En este sentido, resaltan los potenciales

identificados en la región del Istmo de Tehuantepec, Oaxaca, en la parte

correspondiente a la costa del Pacífico. Se han identificado también sitios en los

estados de Baja California, Baja California Sur, Coahuila, Hidalgo, Quintana Roo y

Zacatecas.

En nuestro país existe desarrollo tecnológico importante en relación con la generación

de electricidad a partir del viento. En particular, resalta el trabajo del Instituto de

Investigaciones Eléctricas, IIE, con más de 20 años de experiencia en el tema. En el

sector privado, destaca la capacidad de diseño y manufactura nacionales de este tipo

de equipos desarrollados por una empresa que los exporta ensamblados en el Distrito

Federal. Por su parte, la Comisión Federal de Electricidad, CFE, a partir del

conocimiento y de la experiencia desarrollada en el IIE construyó y opera dos plantas

eólicas piloto, con el objetivo de adentrarse en esta tecnología, reconocer sus ventajas

y limitaciones, y validar su integración al Sistema Eléctrico Nacional.

En agosto de 1994, la CFE puso en operación una central eoloeléctrica de 1.5 MW de

capacidad en La Venta, Oaxaca. En diciembre de 1998, entró en operación la central

eólica Guerrero Negro que se ubica en la península de Baja California Sur y tiene una

capacidad de 600 kW. Asimismo, en algunos estados de la República tales como

Chihuahua y Sonora, se utilizan sistemas eólicos para bombeo de agua denominados

aerobombas, muy útiles en localidades rurales aisladas de la red de suministro, o cuyas

condiciones geográficas impiden la electrificación convencional. Finalmente, y

desarrolladas con capital privado, se tienen 5 permisos de la Comisión Reguladora de

Energía, CRE, para instalar 148 MW a partir de energía eólica.

2.6.3.- Minihidráulica en México.

En 1999, la energía hidráulica aportaba 14.4 % de la generación de electricidad en

nuestro país. El potencial nacional minihidráulico, es decir, de pequeñas centrales

hidroeléctricas de menos de 5 MW es, de acuerdo con estudios realizados por la Conae

y la CFE, de alrededor 3,000 MW. Tan sólo para una importante región montañosa de

México, comprendida entre los estados de Veracruz y Puebla, se han identificando 100


41

sitios de aprovechamiento que alcanzarían una generación de 3,570 GWh anuales,

equivalentes a una capacidad media de 400 MW. Es importante señalar que las

condiciones del en torno a esta tecnología han cambiado, permitiendo que su

aplicación sea una alternativa viable en muchos casos. Los cambios en la Ley del

Servicio Público de Energía Eléctrica y su Reglamento así cómo el incremento en los

costos de los energéticos convencionales y la demanda creciente de energía eléctrica

así lo indican.

En el 2009, en México existen minicentrales en operación en la CFE, Luz y Fuerza del

Centro, LFC, yen los sistemas independientes de particulares.

Tabla No.1.-Centrales en operación en México

Las cifras anteriores nos indican que en México la producción minihidroeléctrica es

mayoritariamente privada y que lo ha sido desde principio de siglo. Este es un factor

en favor de la futura constitución de nuevas empresas particulares que decidan

dedicarse al autoabastecimiento de energía eléctrica por este medio.

De las minicentrales fuera de servicio, sólo se conocen con certeza los datos de la CFE.

Se sabe de 36centrales que han dejado de operar debido, principalmente, a sus altos

costos operativos y la obsolescencia de su equipo principal. Su potencia conjunta

asciende a 36.78 MW, con una generación estimada en 125.65 GWh.

En resumen, hasta 1994, las posibilidades en el país de aumentar la participación de la

energía minihidráulica en la producción de electricidad eran de 158 MW.

2.6.4.- La biomasa en México.

En México, sin que exista una evaluación precisa del universo de posibilidades de este

tipo de recurso, existe un amplio potencial de aprovechamiento de las diversas formas

de biomasa. Las comunidades rurales aisladas del país, satisfacen la mayor parte de sus

necesidades energéticas con biomasa. Se estima que la leña provee cerca del 75% de la

energía de los hogares rurales. En el sector agroindustrial, específicamente la industria

de la caña de azúcar, se ha establecido un potencial de generación de electricidad, a

partir del bagazo de caña, superior a 3,000 GWh al año.

Actualmente, se tienen 12 permisos de la CRE para instalar 135MW en plantas de

generación eléctrica a partir de biomasa.


42

Por ultimo podemos ver que en nuestro país tenemos la riqueza natural necesaria para

poder llevar nuestra política energética más allá de donde esta en la actualidad, al

parecer solo falta eliminar la dependencia economía del petróleo para poder crecer en

este ámbito.


En la actualidad podemos apreciar que los países europeos ya adoptaron leyes, normas

y reglamentos para la producción de energía por métodos no convencionales, o que

están en transición de hacerlo a un plazo no mayor de 12 años.

En México como todos los demás países del continente Americano, se empieza a

hablar de legislar esta producción, y eso es entendible por la dependencia económica

que se tiene hacia los hidrocarburos, este es el momento para que México evite pasar

por el umbral del desastre climático y alcance el horizonte de la economía verde. Pero

el país no es una figura importante en el tema ante la falta de incentivos para la

generación de energías renovables, innovación y de una estrategia gubernamental

efectiva, y esto solo se lograra cuando las políticas energéticas del país contemplen

otras formas de generación de energía.

Capitulo III Modelado y simulación de los componentes para un sistema fotovoltaico

Capitulo III

Modelado Y Simulación De Los Componentes Para Un Sistema Fotovoltaico

En este capítulo se presentan los modelos de los dispositivos contemplados en la

realización de los sistemas fotovoltaicos: baterías, paneles solares, reguladores de

carga, inversores, convertidores, controlador para conexión a red eléctrica externa y

resistencias de pérdidas. Estos modelos son la base del diseño para la implantación del

sistema.

En primer lugar se formula la base teórica sobre la cual se desarrollan los modelos de

cada elemento. Se ha tomado como premisa generar un solo algoritmo de partida

para formular un único modelo para cada dispositivo, planteándolo de la forma más

general posible. El análisis de cada uno de los dispositivos se completa con los detalles

específicos de su programación mediante Matlab/Simulink.


44

3.1.- Batería.

A pesar de ser un elemento ampliamente utilizado en gran número de aplicaciones

comerciales, las baterías continúan siendo uno de los elementos más difíciles de

controlar dentro de los sistemas. El comportamiento de las reacciones

electroquímicas que se dan lugar dentro de la batería esconde una gran complejidad.

El problema en la simulación de las baterías de plomo-ácido mediante circuitos

eléctricos equivalentes principalmente reside en la propia concepción de los modelos,

mediante ensayos de carga y descarga a corriente constante. Dichos ensayos no han

contemplado el comportamiento dinámico que las baterías presentan en condiciones

reales dentro de los sistemas fotovoltaicos.

A continuación se presenta el modelo desarrollado para simular el comportamiento de

las baterías bajo condiciones reales de trabajo en instalaciones fotovoltaicas. El

punto de partida se encuentra en el modelo eléctrico propuesto por J.B. Copetti en

1993. El modelo de Copetti considera el comportamiento de la batería como una

secuencia de estados permanentes, despreciando los efectos transitorios y tomando

corrientes y temperaturas constantes. Por ello, en condiciones de

funcionamiento dinámico aparecen un conjunto de discontinuidades numéricas en las

transiciones entre los estados permanentes. Dicho modelo se amplia resolviendo los

problemas en régimen dinámico introduciendo el nuevo concepto de estado de

energía, LOE o Level Of Energy, así como la asociación de varias baterías en

agrupaciones serie-paralelo.

3.1.1.- Modelo teórico de la batería

En una primera aproximación eléctrica, la batería se puede considerar como una

fuente de tensión real, tal como se muestra en la figura 18 y se rige por la ecuación 1.

Consiste en una fuente de tensión, Vg, y una resistencia, Rg, que incorporan

las principales variables del sistema: el estado de carga de la batería, la corriente que

circula a través de ella, I, y la temperatura de trabajo, T.


45

Vg

-

Figura No.18.- Modelado eléctrico básico

La fuente de tensión, Vg, representa la tensión en circuito abierto entre terminales.

Esta tensión es debida a la energía almacenada en la batería mediante reacciones

químicas internas. Evidentemente, este término es directamente proporcional al

estado de carga, de la batería

Ecuación No.-1 Ecuación de la batería

Por otro lado, Rg, representa la resistencia interna que la batería opone al flujo de

energía. Este término incluye los efectos debidos a la corriente, temperatura y estado

de carga; y al desgaste de la misma. Una batería dañada presenta un elevado valor de

resistencia, independientemente de su punto de trabajo. La resistencia es

inversamente proporcional al estado de carga: así pues, a medida que la batería se va

descargando, la resistencia interna va aumentando. Como puede observarse, todos los

efectos físicos se han trasladado al dominio eléctrico, modelándose en él.

El estado de carga (SOC), es un indicador de la energía eléctrica almacenada en la

batería. El rango de valores aplicable es: 0≤SOC≤1. La ecuación 2, describe el

comportamiento de este indicador. Los términos involucrados son: C(t), la capacidad

de la batería en Amperios-hora, ηc, la eficiencia de carga e I(t), la corriente que circula

a través de ella en Amperios. Además, Cnominal es la capacidad nominal estimada (en

Amperios-hora), Ct_coef, Acap y Bcap son parámetros del modelo, ΔT es la variación

de temperatura respecto a la temperatura de referencia de 25ºC, Inominal es la


46

corriente de descarga correspondiente a la capacidad nominal Cnominal, n es el número

de horas y α, β son los coeficientes dependientes de la temperatura.

Ecuación No.-2 Comportamiento del SOC

Cabe señalar que el estado de la batería debe entenderse como la relación entre la

energía que la batería es capaz de aceptar y la capacidad disponible en todo momento.

En la ecuación 2, el término integral representa la energía aceptada a lo largo del

tiempo en que la batería ha estado trabajando; mientras que el término externo a la

integral modela la capacidad de la batería debida al entorno de trabajo, y debe

evaluarse en cada instante de tiempo. Ambos términos son función del tiempo y van

evolucionando continuamente. Cuando el estado de la batería es igual a ‘1’ significa

que la batería no puede aceptar más energía del sistema, ya que la energía

almacenada llena completamente la capacidad disponible. Cuando el estado de la

batería es igual a ‘0’ significa que la batería ya no tiene energía en su interior para

proporcionar al sistema.

Esta definición de estado de carga a menudo puede llevar a cierto grado de confusión

cuando la batería se satura, es decir, cuando el SOC tiende a 1. Esto es debido a que no

necesariamente tiene por que estar al 100% de energía, respecto su capacidad

nominal, ya que la capacidad de la batería se definió inversamente proporcional a la

corriente de carga en cada instante. Así pues, a medida que se incrementa la corriente,

la capacidad de la batería disminuye y el SOC se incrementa, tanto por el efecto de la

nueva carga almacenada como por la reducción de la capacidad disponible. Para

resolver esta confusión se propone un nuevo indicador para aplicaciones

fotovoltaicas: el nivel de energía o LOE (Level Of Energy). Este indicador proporciona


47

una referencia de la cantidad de energía disponible en la batería respecto las

condiciones normales de trabajo.

Ecuación No.-3 Nivel de energía LOE

La ecuación No.3 muestra como se ha definido el nivel de energía. El LOE se calcula

tomando constante la capacidad máxima de la batería en el rango de temperaturas y

corrientes de trabajo, Cn. El rango de temperaturas de trabajo viene definido por T1 y

T2, se deduce que la capacidad máxima se obtendrá a T2. Si se toma un rango de

temperaturas estándar de [-40ºC, 40ºC], entonces esta temperatura será de 40ºC.

Análogamente, el rango de corrientes puede simplificarse al valor de corriente 0, ya

que a dicha corriente se halla el mínimo en el denominador y se obtiene la capacidad

máxima. Cabe señalar que el LOE depende de las características constitutivas del

dispositivo y de la carga acumulada a lo largo del tiempo. Pero no depende de las

condiciones de trabajo de la batería, ni climáticas ni eléctricas. Además, el LOE

representa directamente la energía almacenada en la batería (Cn es constante).

Obsérvese que el SOC y el LOE son complementarios. Una vez estos parámetros se han

obtenido, la evolución de la batería se determina a partir de la zona de trabajo en que

se encuentra: saturación, sobrecarga, carga, transición carga/descarga, descarga,

sobredescarga y agotamiento. Estas zonas de trabajo son una ampliación del modelo

propuesto por Copetti. La figura 19, ilustra como la tensión de la batería va

evolucionando, debido a la corriente que circula a través de ella, y como se va situando

en las distintas zonas de trabajo


48

Figura No.19.- Zonas de trabajo de la batería

En la figura 19 pueden observarse las posibles zonas de trabajo para un vaso de 2V. A

lo largo de las primeras 16 horas la corriente fluye entrando en la batería,

evolucionando en las zonas de carga, sobrecarga y saturación. Finalmente, desde las

16 hasta las 27 horas la corriente fluye desde la batería hacia el sistema, situándola en

las zonas de descarga, sobredescarga y agotamiento. La tabla No. 2 describe las

premisas utilizadas para determinar cada una de estas zonas de trabajo. Los

parámetros clave a partir de los cuales se han formulado las premisas son: Ibat, la

corriente que circula por la batería, VN, la tensión nominal de batería, Vg, la tensión a

la que se produce el efecto de gaseo del electrolito, Vec, la máxima tensión a que

puede llegar, y ηc, el factor de eficiencia de carga. Todos estos parámetros y las

ecuaciones que rigen su comportamiento se describen en los siguientes párrafos.

Tabla No.2.- Ecuaciones de las zonas de trabajo de la batería


49

Zona de descarga: En esta zona de trabajo la batería proporciona energía al sistema.

Junto con la zona de carga, ambas son las mejores zonas de trabajo para la batería, ya

que presentan el mejor rendimiento energético y se minimizan los daños que puedan

sufrir por su funcionamiento.

Ecuación No.-4 Evolución de la tensión de la batería

Zona de sobredescarga: la batería entra en esta zona si se ha extraído una cantidad

excesiva de energía de ella. La tensión decrece rápidamente debido a los efectos no

lineales de las reacciones electroquímicas que se dan lugar en su interior.

Zona de agotamiento: esta es la zona más peligrosa y puede dañar seriamente la

batería, debe evitarse que numéricamente el SOC sea igual a cero. Cabe observar

además que puede aparecer una tensión residual remanente en circuito abierto, pero

que no implica que la batería pueda proporcionar más corriente.

Zona de carga: la batería se sitúa en esta zona cuando existe un excedente de energía

en el sistema. Esta energía es absorbida y provoca un aumento de tensión, como lo

demuestra la ecuación No 5.

Ecuación No.-5 Evolución de la tensión de la batería

Zona de sobrecarga: cuando la batería ha almacenado suficiente cantidad de carga

eléctrica, respecto su capacidad real en el punto de trabajo en que se encuentre, la

asimilación de más carga eléctrica se reduce por el efecto de gaseo del electrolito. Esto

se demuestra mediante el sistema de ecuaciones No. 6.


50

Ecuación No.-6 Asimilación de carga

Cabe destacar que cuando la batería se encuentra en sobrecarga no implica que la

batería este completamente cargada, sólo que la capacidad disponible está

completamente llena. Para evitar una discontinuidad entre las zonas de carga y

sobrecarga, debe evitarse la consideración de que la batería llega al 95% de carga y

determinar, en cambio, el comienzo de la zona de sobrecarga mediante la evaluación

del comienzo de la tensión de gaseo Vg. Se entiende el parámetro SOCVg como el

estado de carga correspondiente al comienzo del gaseo. La figura No. 20 muestra la

evolución de este parámetro en función de la temperatura.

Figura No.20.- Variación del SOC a la tensión de gaseo debido a la corriente de carga y la temperatura


51

Saturación: la batería no puede aceptar energía indefinidamente y finalmente ya no

asimila más carga. En este punto la batería presenta su máxima tensión. La batería se

encuentra, además, en una zona peligrosa y puede sufrir daños permanentes. Por ello

el regulador de batería debería desconectarla de los paneles solares y permitir su

descarga a través de las cargas conectadas.

Transiciones entre las zonas de carga y descarga: cuando la corriente que fluye a través

de la batería, en funcionamiento dinámico, fuerza la transición entre las zonas de carga

y descarga las ecuaciones de tensión de ambas zonas, puede introducirse una

singularidad numérica: . En caso de que la corriente sea menor al

umbral definido, I<Is, la tensión vendrá gobernada por la siguiente ecuación.

Ecuación No.-7 tensión

Los parámetros utilizados para la batería se presentan en la siguiente tabla:

Tabla No.3.- Parámetros del modelo de batería

Estado de la batería: debido a efectos electroquímicos, como la corrosión, la

sulfatación o la pérdida de agua, a lo largo de la vida de la batería los elementos

internos que la constituyen pueden sufrir daños, variando los parámetros que la

describen. Por ello es necesario añadir un indicador que muestre el estado de salud de


52

la batería, el SOH (State Of Health)]. Para poder realizar una aproximación realista al

comportamiento de la batería en periodos largos de tiempo es necesario tener en

cuenta dos factores: la temperatura y el punto de trabajo en que se encuentra. El

estado de salud se refleja en el modelo mediante la inclusión de efectos producidos

por estos daños: la reducción de la capacidad de la batería y la presencia de una

corriente de autodescarga. El estado de salud se define como el resultado de

contemplar el efecto de la temperatura y de la zona de trabajo, como muestra la

ecuación No.4. Donde T η (s-1) y wz η (s-1) son el coeficiente de salud de temperatura y

el coeficiente de salud de la zona de trabajo respectivamente. A una batería en

perfectas condiciones de funcionamiento le correspondería un SOH=1. Mientras que a

una batería completamente dañada le correspondería un SOH=0,

Ecuación No.-8 Efecto de la temperatura en la zona de trabajo

La temperatura es un factor muy importante en la vida de la batería. Una

aproximación típica es considerar que por cada 10°C que aumenta la temperatura, la

vida de la batería se reduce a la mitad. Teniendo en cuenta este concepto, se define el

coeficiente de salud de temperatura en la ecuación N0.9.

Ecuación No.-9 Coeficiente de salud de la batería

Como ya se ha descrito anteriormente, es deseable que la batería trabaje siempre en

las zonas de carga y descarga. Pero inevitablemente puede pasar a zonas peligrosas de

sobrecarga o profunda sobredescarga. En estas situaciones la batería puede sufrir

graves daños, en función de la duración y la profundidad de descarga. Es por ello que

se define el coeficiente de salud de la zona de trabajo, nwz, en la tabla No.4. Este

coeficiente esta basado en experimentos empíricos con baterías y en la información

que proporcionan los fabricantes de baterías.


53

Tabla No.4.- Valores de ηwz en función de la zona de trabajo

La anterior tabla pone de manifiesto la repercusión de la zona de trabajo en la salud de

la batería. Mientras que en las zonas de carga y descarga wz η se sitúa en su valor

mínimo, al pasar a sobrecarga o sobredescarga el daño se duplica, incrementándose

hasta en un orden de magnitud en saturación o agotamiento.

Capacidad efectiva de la batería: debido a los efectos de salud se propone una

aproximación lineal para determinar la reducción de la capacidad que sufrirá la

batería. El criterio que se tiene en cuenta consiste en que la capacidad puede disminuir

al 25% de su valor nominal cuando la batería está completamente dañada,

Ecuación No.-10 capacidad de disminución de una batería

Para poder incluir este efecto, determinamos la ecuación No. 11

Ecuación No.-11 Efecto de disminución

Asociación de elementos: si bien el modelo presentado describe la respuesta de una

batería de 2V de tensión nominal, las baterías que se utilizan normalmente trabajan

con valores de tensión superiores, típicamente 12V o 24V. Análogamente, la capacidad

de dichas baterías presenta una gran diversidad de valores. Es por ello que a partir de

un vaso estándar de 2V se recurre a agrupaciones serie-paralelo de varios vasos para

conseguir tanto la tensión como la capacidad adecuadas.


54

La figura No.21 muestra el esquema eléctrico de una agrupación de Nsa vasos en serie

y Npa vasos en paralelo típico. Antes de pasar a analizar el circuito deben tenerse en

cuenta dos factores: en primer lugar, si todos los vasos tienen las mismas

características físicas (los mismos parámetros constitutivos); en segundo lugar, si todos

los vasos tienen idénticos LOE y SOH. Para un análisis eléctrico convencional, es

conveniente fijar que todos los vasos sean idénticos, tanto a nivel constitutivo como de

carga y salud. Para un análisis interno exhaustivo, en cambio, puede ser interesante

considerar cada vaso independientemente del resto y poder estudiar así cómo

evolucionan conjuntamente

Figura No.21.- Asociación serie-paralelo de baterías

El sistema de ecuaciones No. 12, rigen el comportamiento del circuito. Y en la mayoría

de los casos se les aplica la condición de que todos los vasos son idénticos para

simplificar el cálculo.

Ecuación No.-12 Sistema de asociación de baterías

Corriente de auto-descarga: dependiendo de la cantidad de carga acumulada y

el estado de salud de la batería surge el efecto de auto-descarga, esto


55

podemos verlo en la ecuación No. 13, para así determinar que la batería pierde

un 0.1% de su carga diariamente debido a este efecto.

Ecuación No.-13 Efecto de auto-descarga

3.1.2.- Programación del modelo.

A partir del modelo matemático se han programado un conjunto de variantes

mediante Matlab/Simulink. Cada una de ellas responde a un conjunto de necesidades

específicas en un intento de optimizar los cálculos a realizar. Los modelos con Matlab

permiten la interactuación con el método de extracción automática de parámetros, a

costa de un mayor tiempo de cálculo.

Los modelos en Simulink, en cambio, aprovechan la mayor potencia de los métodos de

cálculo numérico disponibles y el entorno gráfico, para optimizar el tiempo de cálculo y

diseño. En ambas plataformas se han programado dos versiones: una que no

contempla el estado de salud de la batería y otra completa. En la plataforma Simulink

se ha añadido una tercera versión que permite el estudio de la estructura de vasos

interna de la batería, teniendo en cuenta los Nsa x Npa vasos independientemente. Los

modelos programados en Matlab/Simulink toman en primer lugar los parámetros

característicos de un fichero especificado por el usuario. Se ha optado por esta

metodología para independizar la programación del modelo de las características de

cada batería a procesar, tal como ilustra la figura No.22.


56

Figura No.22.- Diagrama de bloques de los modelos de baterías programadas

En primer lugar se analizan los datos de entrada del modelo: la corriente de entrada a

la batería, la temperatura, el incremento de tiempo y el nivel de energía inicial. La

corriente es ajustada con un factor 1/Npa para simular los Npa vasos en paralelo.

Nótese que también se puede utilizar este recurso para simular baterías de mayor

capacidad. El incremento de tiempo hace referencia al intervalo en que cada muestra

es vigente. Dicho valor se utiliza para calcular los nuevos valores de LOE, SOC y SOH. En

caso de que se quieran contrastar los resultados con datos experimentales, este

incremento de tiempo debe coincidir con el periodo de muestreo. En último lugar, el

nivel de energía inicial se utiliza solo en la primera muestra. Mientras que en todas las

muestras siguientes se introducirá el LOE resultante de la muestra anterior. A partir de

los parámetros y las entradas se calculan las salidas del sistema: tensión de batería,

eficiencia de carga, estado de salud y el nuevo nivel energético. El valor de la tensión

se reescala, con el factor Nsa, para reflejar el número de vasos en serie que forman la

batería. La razón es que ηc complementa la información que aporta el LOE: mientras

que el LOE proporciona una referencia de la cantidad de carga eléctrica almacenada,

ηc informa de la cantidad de energía adicional que la batería puede asimilar.. A pesar

que estas son las salidas definidas en el modelo, todas las variables internas son

accesibles por el usuario, pudiéndose obtener fácilmente información sobre la zona de

trabajo de la batería, el LOE, etc.


57

3.1.3.- Resultados experimentales.

Consiste en la simulación del funcionamiento de la batería a lo largo de 94 horas. Está

simulación se realiza a partir de los datos empíricos obtenidos del funcionamiento de

una batería. La batería utilizada es una Trojan L16P-AC (formada por 12 elementos de

2V en serie, 3.05 Kwh y con C10=550Ah). La figura No.23 muestra la corriente que

circula por la batería (a), y la temperatura de trabajo, (b). La temperatura se considera

constante ya que la batería se encuentra situada dentro de un laboratorio climatizado,

a temperatura aproximadamente constante. El perfil de corriente aplicado permite

observar como la batería se va descargando durante la mayor parte del tiempo,

cargándose mediante los paneles solares en las horas centrales día. Se han

contemplado importantes variaciones de corriente que permitan observar la respuesta

del modelo en régimen dinámico. A partir de estos datos de entrada y tomando como

incremento de tiempo 2 minutos, se simula la respuesta en tensión y nivel de energía

de la batería.

Figura No.23.- (a) Corriente que circula por la batería. (b) Temperatura de trabajo de la batería

En la gráfica 24(a) se puede observar como ambas curvas se ajustan con una elevada

precisión. En azul aparece la curva resultante de las medidas experimentales. En verde

la respuesta de la batería simulada mediante el modelo descrito. Para poder

cuantificar más precisamente la precisión conseguida se ha tomado como referencia el

error medio, definido en la ecuación No 6. Obteniéndose un error medio del 0.85%

respecto el valor máximo de las medidas.


58

Ecuación No 14.- Error medio

Figura No.24.- tensión en la batería, en azul medidas empíricas y en verde resultado de la simulación. (b)

nivel de energía de la simulación

La gráfica 23(b) proporciona una referencia del nivel de energía de la batería. Se

observa claramente como la batería se va descargando lentamente, recuperando parte

de la energía en las horas de máxima radiación solar.

En la gráfica se muestran las curvas correspondientes a las temperaturas de 10ºC,

20ºC, 30ºC, 40ºC y 50ºC. Igual que en el caso del LOE, el SOC muestra primero como la

batería se carga y posteriormente se descarga. La influencia del coeficiente de

eficiencia de carga también es evidente en la zona de carga, suavizando la entrada en

saturación.

Pero a diferencia del LOE, el SOC llega a su valor máximo, 1. Esto podría sugerir que la

batería se encuentra completamente cargada, pero solo significa que no acepta más

carga. El efecto de la temperatura se contempla a través del término de la capacidad.

A medida que la temperatura aumenta, se incrementa también la capacidad de la

batería con lo que se prolonga el periodo de carga y descarga.


59

Figura No.25.- Efectos de la temperatura en el estado de carga (a) y la tensión (b)

El efecto de la temperatura evidentemente se hace notar en la tensión en límites de la

batería. En la gráfica 25(b) se puede observar la respuesta de la tensión al someter a la

batería a las temperaturas de 10ºC, 20ºC, 30ºC, 40ºC y 50ºC. La influencia de la

temperatura se delata en dos tendencias. La primera se refleja en una disminución de

la tensión, como efecto directo de la temperatura. La segunda se observa como una

prolongación del intervalo de tiempo en que la batería se carga o descarga, como

resultado de la influencia del estado de carga (e indirectamente de la temperatura).

Figura 26.- Influencia en la tensión de batería del número de vasos (a) el en serie (b) en Paralelo

Como ya se describía en el modelado matemático de la batería, a partir de un vaso de

2Volts de tensión nominal se puede modelar cualquier batería estándar, mediante la

asociación en serie y paralelo de estos vasos. Para la mayoría de las aplicaciones

fotovoltaicas se pueden suponer todos los vasos idénticos, y así simplificar cálculos. La

figura No. 6 muestra los efectos en la tensión de batería de agrupar asociaciones de 1,

2, 3, 4 y 5 vasos en serie, gráfica 26(a), y en paralelo, 26(b).


60

Mientras que en la asociación en serie el efecto obtenido es un aumento proporcional

de la tensión; en el caso de la asociación en paralelo es el de un aumento efectivo de

capacidad, manteniéndose los márgenes de tensión de un solo vaso. Para aclarar este

punto puede consultarse la figura No. 27, donde se muestra como afectan estas

asociaciones al nivel de energía. Como en la figura anterior, se han utilizado

asociaciones de 1, 2, 3, 4 y 5 vasos. La gráfica 27(a) pone de manifiesto que la

capacidad de la batería no ha aumentado al asociar vasos en serie. Y la gráfica 27(b)

confirma que el LOE evoluciona mucho más lentamente.

Figura 27.- Influencia en el LOE de batería del número de vasos (a) el en serie (b) en paralelo

En conclusión de los resultados expuestos se ha decidido considerar que el modelo

proporciona una precisión suficiente para aplicaciones fotovoltaicas. Teniendo en

cuenta que la precisión de muchos equipos no supera el 1% o 2% sobre fondo de

escala, es difícil determinar donde se están produciendo los errores.

3.2.- Panel solar.

El panel solar constituye la fuente de energía principal de toda instalación fotovoltaica.

Es el resultado de asociar un conjunto de celdas fotovoltaicas en serie y paralelo, más

protecciones adicionales. Para atacar su análisis, se partirá del estudio de la celda

fotovoltaica, verdadero núcleo de la conversión de luz a corriente eléctrica. Una vez

presentado el circuito eléctrico que describe una celda se detallará la problemática

asociada en su agrupación. Se detallará como se ha programado el modelo con

Matlab/Simulink. Y, finalmente, se presenta la funcionalidad que proporciona el

modelo.


61

3.2.1.- Modelo teórico.

El panel solar es el resultado de asociar un conjunto de celdas fotovoltaicas en serie. A

continuación se formula el modelo de una celda fotovoltaica aislada, a partir de la cual

se modelará el panel solar. La figura 28 representa el circuito eléctrico equivalente

básico de una celda solar, formado por una fuente de corriente dependiente de la

radiación , II, un diodo real, caracterizado por una corriente de saturación Io y un

factor de idealidad η, y dos resistencias de pérdidas, RS y RSH.

Figura N0 28.- Modelo eléctrico básico de una celda solar

El comportamiento eléctrico de la celda se detalla en la ecuación 14. Una simple

inspección de la expresión pone de manifiesto que la corriente, I, se ha definido de

forma implícita respecto la tensión, V, ya que la resistencia serie, RS, impide aislarla a

un lado de la igualdad. Este planteamiento conlleva la necesidad de utilizar métodos

de cálculo numérico para la resolución de la ecuación y aumenta la complejidad de la

programación. Debe hacerse notar, además, que el modelo presenta una resistencia

Shunt, RSH, que modela las fugas de corriente. RSH suele tener un valor muy elevado y

puede tomarse como hipótesis despreciar el tercer término de la ecuación.

Ecuación No.-15 Comportamiento de la celda

La corriente fotogenerada, Ii, se determina en función de las dimensiones de la celda,

Área en cm2, de la densidad de corriente de cortocircuito, Jsc en A/cm2, de la

temperatura de trabajo, T en ºC y un factor de temperatura αJsc en A/ºC·cm2, y la


62

radiación que incide en ella, G en W/cm2. La corriente de saturación, Io, se obtiene a

partir de la ecuación 15 (a), donde Vt es la tensión térmica, en Volts, Eg es la energía

del GAP, en eV, Voc, la tensión en circuito abierto, en Volts, y Tk la temperatura en

Kelvins. Vt se define en la expresión 15 (b), donde K es la constante de Boltzmann y q la

carga del electrón; esta expresión se particulariza, además, para el valor de

temperatura de 0ºC, Vt’. Análogamente, la expresión de la energía del GAP se

desarrolla en la ecuación 15 (c), donde αgap y βgap son coeficientes de temperatura,

Ego la energía del Gap a 0ºC y Eg’ la particularización de la expresión a 0ºC

a)

b)

c)

d)

Ecuación No.-16 Comportamiento de la celda

Parámetros de las ecuaciones. Los parámetros característicos que describen una celda

solar dependen de la tecnología utilizada. La tabla 5 muestra el conjunto de valores

que caracterizan las celdas solares de silicio que forman los paneles fotovoltaicos

disponibles.

Tabla No.5.- Parámetros característicos


63

Asociación de elementos. A partir del modelo de la celda solar desarrollado, la

formulación del panel solar consiste en considerar la asociación en serie y paralelo de

n celdas fotovoltaicas. La figura 29 presenta la estructura de Nsg celdas en serie

agrupadas en Npg ramas. Las ventajas de esta agrupación son evidentes: mientras que

asociar en serie Nsg celdas permite fijar la tensión nominal de trabajo del panel, la

agrupación de Npg ramas permite obtener la corriente de salida suficiente para las

necesidades del sistema.

Figura No.-29 Asociación en serie y paralelo de celdas fotovoltaicas para formar un panel solar.

El modelo ofrece la posibilidad de concentrar un banco de paneles solares en un solo

panel o modelar cada uno de ellos por separado, teniendo que asociarlos en un

circuito de más alto nivel posteriormente. La elección de una opción u otra dependerá

tanto de la capacidad de cálculo disponible como de la cantidad de información que se

precise del sistema. Análogamente al caso de la batería, una simplificación

recomendada para el panel solar consiste en suponer que todas las celdas

fotovoltaicas que lo forman son idénticas. Entonces se pueden aplicar las

simplificaciones descritas en las ecuaciones 16 (a) y 16(b) en el cálculo de la tensión y

corriente.

a)

b)

Ecuación No.-17 tención (a) y corriente (b)


64

Estado de deterioro del panel solar. El uso diario en condiciones reales de trabajo

provoca un envejecimiento y deterioro desigual en las celdas fotovoltaicas que forman

los paneles solares. Esto conduce a que el punto de trabajo de cada celda sea

diferente; llegándose a la situación en que ciertas celdas generan una cantidad de

potencia mayor que otras, menos eficientes, y que estas últimas deben disipar. La

disipación de potencia en las celdas afectadas provoca zonas en la superficie del panel

solar con una temperatura superior a la normal, pudiendo llevar a la propia

destrucción del panel. Para evitar este problema suelen utilizarse diodos de paso que

limitan la potencia disipable por cada celda, tal como se muestra en la figura 30.

Figura 30.- Diodos de paso para protección contra puntos calientes

En ella se observa como los diodos ofrecen un camino alternativo, Id, a la corriente

que circula por cada rama, Ig. El modelo contempla este problema mediante dos vías:

en prime lugar, el parámetro Nsg permite simular la entrada en funcionamiento de

varios diodos, decrementando su valor en función del número de diodos activos. En

segundo lugar, si no se aplica la hipótesis de que todas las celdas son iguales, se

pueden definir tanto las características físicas como de trabajo para cada una de ellas.

Para poder evitar esta situación se puede recurrir a definir una zona de seguridad,

dentro del plano tensión-corriente del panel solar, donde se garantice que una sola

celda fotovoltaica puede disipar la potencia generada por el resto de las celdas. La

ecuación 17 (a) plantea la hipótesis de máxima potencia disipable por una celda solar,

Pmax, y la 17 (b) formula la expresión de la zona de seguridad.

a)

b)

Ecuación No.-18 Potencia disipada (a) zona de seguridad (b)


65

Una situación parecida sucede cuando algunas ramas empiezan a absorber corriente

del resto del sistema. Esto puede ser debido a un envejecimiento desigual de las celdas

que las forman, ya descrito, o bien por una polarización incorrecta de los paneles. Este

segundo caso no es tan inusual, pues en condiciones de baja o nula radiación, por

ejemplo durante la noche, la tensión de polarización puede llevar a que las celdas se

comporten como cargas en vez de cómo generadores. No se debe olvidar que en el

fondo las celdas fotovoltaicas son diodos. Una medida de seguridad habitual consiste

en asociar suficientes celdas en serie para que la tensión en circuito abierto del panel

sea superior a la tensión de trabajo del sistema. Además, siempre se incluyen diodos

de corte que impiden la entrada de corriente en las ramas, tal como se ilustra en la

figura 30. Esta protección se tiene en cuenta en el modelo mediante dos técnicas. La

actuación de los diodos se simula actualizando del parámetro Npg y aplicando la

ecuación 18. El decremento de Npg simula la pérdida de una de las ramas, mientras

que considerar el máximo entre 0 y la propia corriente modela el efecto de permitir el

paso de corriente en un único sentido.

Ecuación No.-19 Corriente máxima

Figura 31.- Diodos de bloqueo para protección de los paneles solares


La figura 32 muestra el diagrama de bloques de los modelos programados. La función

base programada es la de la celda solar. A partir de ella se obtiene el panel solar

definiendo los parámetros de la agrupación en serie, Nsg, y paralelo Npg, de las celdas

que lo forman. El modelo parte con los parámetros característicos del panel, descritos

en el modelo teórico. En ese punto se toman los valores de tensión de polarización, v


66

en Volts, radiación, G en W/cm2, y temperatura, T en grados centígrados, para

calcular la corriente que generará el panel, I en Amperios.

Figura 32.- Diagrama de bloques de los paneles solares programados en Matlab/Simulink

3.2.3.- Resultados.

Para obtener una referencia de la precisión del modelo se comparan los resultados de

una simulación con medidas empíricas. Los paneles solares monitorizados son del

modelo Atersa modelo A-280P (con 36 celdas en serie, Isc=5.2A, Voc 21.2V y 80W). La

figura 33 muestra la evolución de la radiación, gráfica (a), y la temperatura, gráfica (b),

a lo largo de 24 horas. Ambos valores climáticos se introducen en el modelo como

entradas, junto con la tensión de polarización del panel, tal como ilustra la gráfica (a)

de la figura 33. El resultado obtenido sigue perfectamente el comportamiento

observado, véase la grafica (b) de la figura 33, produciéndose un error medio del 1.3%

respecto el valor máximo medido.

Figura 33.- (a) Medidas de radiación solar. (b) Medidas de temperatura


67

Esta precisión se considera suficiente ya que está en el mismo orden de magnitud de

las tolerancias de los sensores utilizados en las medias.

Figura 34.- (a) Medidas de tensión en bornes del panel solar. (b) Comparativa entre corriente de panel

medida, en azul, y corriente simulada, en rojo.

Una vez analizada la bondad del modelo, se ilustra su comportamiento. Para ello, a

partir de los datos de la tabla 2, se ha programado el banco de simulaciones que se

comentan a continuación. La gráfica de la figura 35(a) muestra la dependencia de las

celdas fotovoltaicas en función de la radiación solar incidente. Las curvas

corresponden a radiación s de 200 W/cm2, 400 W/cm2, 600 W/cm2, 800 W/cm2 y 1000

W/cm2 a 25ºC. Se observa claramente como, a medida que aumenta la potencia de luz

incidente, cada celda genera una mayor potencia, tal como era de esperar.

Figura 35.- (a) Característica I-V en función de la radiación. (b) Características I-V en función de la

temperatura

Una prueba similar se realiza en la gráfica 35(b) con la temperatura. La gráfica muestra

las curvas correspondientes a las temperaturas de 0ºC, 25ºC, 50ºC, 75ºC y 100ºC


68

correspondientes a una radiación de 1000 W/cm2. En ella se detecta como la

temperatura juega en contra de la celda fotovoltaica ya que reduce la potencia que

puede generar cuando ésta se encuentra polarizada. Este efecto se observa

habitualmente en las horas centrales del día, cuando a pesar de estar recibiendo

mayor radiación, la potencia generada por el panel solar disminuye ligeramente

debido al aumento de su temperatura de trabajo.

Figura 36.- (a) Característica I-V en función de la resistencia serie. (b) Característica I-V en función de la

resistencia Shunt.

El efecto de las resistencias de pérdidas se ilustra en la figura 36. El efecto de la

resistencia serie, RS, degrada rápidamente la respuesta de la celda, tal como se detalla

en la figura 36(a). La gráfica muestra la respuesta de la celda solar, a una temperatura

de 25ºC y una radiación de 1000 W/cm2, ante un conjunto de valores de resistencia

serie de 0Ω, 20mΩ, 40mΩ, 80mΩ y 110mΩ. La tensión de cortocircuito se mantiene

constante, pero el comportamiento resistivo tiende a enmascarar la respuesta del

diodo. La resistencia Shunt proporciona un camino de fuga a la corriente generada por

la celda fotovoltaica.

La figura 36(b) proporciona la respuesta de la celda fotovoltaica en función del valor de

su resistencia serie asociada, de 1kΩ, 10Ω, 1Ω, 0.5Ω y 0.25Ω en las mismas condiciones

de radiación y temperatura. Si bien en este caso la corriente de cortocircuito no se

altera, la tensión en circuito abierto sí se ve afectada, observándose una reducción

importante de la potencia que puede proporcionar.


69

Figura 37.- (a) Característica I-V en función de factor de idealidad del diodo. (b) Área de seguridad de un

panel solar

Los efectos no ideales concentrados en el parámetro de idealidad del diodo, η, se

reflejan claramente en la curva 37(a), donde se evalúa la característica corriente-

tensión para el banco de valores de η: 1, 1.25, 1.5, 1,75 y 2. A medida que aumenta η

se observa como se reduce la potencia máxima que el panel podría proporcionar,

degradándose su factor de forma.

La figura 37(b) muestra en cambio la zona de seguridad descrita en las ecuaciones 22 y

23 correspondiente a un panel solar formado por 2 ramas en paralelo de 10 celdas

fotovoltaicas cada una de ellas. Las características de las celdas son las reflejadas en la

tabla 3, pudiendo disipar una potencia máxima de 2.5W cada una de ellas. La zona

coloreada en rojo muestra el rango de corrientes y tensiones peligrosas

Figura 38.- (a) Característica I-V en función del número de celdas en serie. (b) Característica IV en

función del número de celdas en paralelo


70

Finalmente, la figura 38 proporciona información sobre las asociaciones serie, (a), y

paralelo, (b), de varias celdas solares. En el caso de agrupar varias celdas en serie, la

gráfica 38(a) muestra como la tensión del panel solar resultante aumenta

proporcionalmente al número de celdas. Las curvas representan el comportamiento de

agrupaciones de 1, 2, 5, 7 y 10 celdas en serie. Tal como era de esperar, la corriente

total de la asociación no se ve afectada. El caso complementario se refleja en la gráfica

38 (b), donde se sitúan las características corriente-tensión de agrupaciones de 1, 2, 5,

7 y 10 celdas en paralelo. Se observa claramente como la corriente total se incrementa

proporcionalmente al número de celdas en paralelo, sin afectar al margen de

tensiones total de la agrupación.

De esta manera podemos concluir que la celda puesta a prueba cumple las

expectativas para cubrir la demanda de energía del edificio a proyectar, con la

condición de que se utilicen módulos de 10 paneles solares conectados a la misma

transmisión.

3.3.- Modelo de carga.

3.3.1.- Introducción.

Una vez descrito el modelado, se comentarán los detalles de su programación y se

expondrán aplicaciones para analizar su funcionamiento. Primero se simulara la

potencia de los perfiles de carga y en segundo lugar el efecto de interconectar varios

modelos en un único circuito.


Para modelar el comportamiento de las cargas se ha seguido la estrategia de obtener

un modelo genérico, el cual se rige según un perfil de comportamiento. La figura 39

presenta el esquema eléctrico de la carga. Muestra el modelo de una impedancia, Z,

que responde a una determinada polarización, V, absorbiendo la corriente necesaria

para el trabajo a realizar, I. Esta impedancia concentra el comportamiento de todos

los sistemas de la instalación, ya se encuentren activos o no, definiéndose como el

circuito equivalente de todas las cargas. La problemática del modelado se ha


71

desplazado, pues, a obtener el perfil de consumo respecto del tiempo de las carga

Figura No 39.- Esquema eléctrico básico

La ecuación 20 simplemente aplica la Ley de Ohm al esquema eléctrico planteado. A su

vez, la impedancia se ha formulado según la ecuación 26 Donde Z0 (t) hace

referencia al perfil de impedancia y ΔT es un coeficiente de temperatura respecto 25ºC.

Ecuación No.-20 Ley de ohm aplicada a la carga

El perfil de impedancia, Z0(t), se puede obtener por dos vías: a partir de

medidas empíricas de tensión y corriente, o bien a partir de una función de

transferencia que modele la respuesta del sistema. La primera opción permite

extrapolar una respuesta temporal del sistema a modelar. Pero presenta la

problemática de tener que monitorizar previamente el sistema y que éste siga un

patrón de comportamiento regular. La segunda opción permite una mayor

independencia y flexibilidad del modelo, frente a la dificultad de tener que disponer

de la función de transferencia. En el caso de modelar la impedancia a partir de un

banco de medidas empíricas, la precisión teórica de la simulación viene limitada a la

propia precisión de los sensores y métodos de cálculo numérico. Esta apreciación es

estrictamente cierta en el caso de simular el comportamiento de la carga

aisladamente. Pero cuando ésta se integra en un sistema aparecen errores, entre

medidas empíricas y simulaciones, debido a la propagación de los errores de precisión

del resto de los modelos.


72


La carga se ha programado siguiendo el mismo patrón que baterías y paneles solares,

tal como presenta la figura 40. En primer lugar se obtiene el coeficiente de

temperatura de un fichero de configuración. Seguidamente se introducen los valores

de impedancia, tensión y temperatura para cada muestra de la simulación. Si el perfil

de impedancia y temperatura se obtienen de un fichero de medidas empíricas

sensadas en las cargas, se debe tener en cuenta la sincronización de las muestras

con las de las otras entradas. Como resultado se obtiene la corriente que absorberá la

carga en cada instante.

Figura No. 40.- Diagrama de bloques de las cargas programadas en Matlab/Simulink

3.3.4.- Resultados experimentales

La simulación de una impedancia no tiene mayor relevancia que la mera demostración

de que la función programada responde correctamente. Por ello, en primer lugar se

presenta un ejemplo que refleja la viabilidad de utilizar los perfiles de trabajo de las

cargas en el modelo programado. Seguidamente se pondrá de manifiesto la influencia

de la precisión de cada dispositivo en el resultado final de una simulación.

A continuación se simula el comportamiento de un conjunto de cargas que se activan

y desactivan secuencialmente. El perfil de carga representa el circuito equivalente de

Z (t) representado en la figura 40. En él se muestra un sistema fotovoltaico típico con

un inversor y un conjunto de cargas. El inversor que se ha monitorizado es el

modelo Taurus 1024 (1KVA) de Atersa. Este inversor alimenta a un conjunto de cargas

resistivas de 100W controladas por un ordenador a través de relés.


73

Figura No. 41.- Circuito equivalente de las cargas simuladas

A partir de las medidas de tensión, V (t), y corriente, I(t), realizadas en laboratorio se

calcula el perfil de carga aplicando directamente la ecuación 19, muestra a muestra.

Teniendo en cuenta que el período de muestreo utilizado es de 2 minutos, la figura 42

presenta los perfiles de tensión, gráfica (a), y corriente, gráfica (b) en azul, medidos a la

entrada del inversor.

Figura No. 42.- (a) Tensión de alimentación. (b) Corriente consumida por las cargas, en azul se muestran las medidas empíricas y en rojo el resultado de la simulación posterior.

El perfil de impedancia resultante se muestra en la gráfica 43(a). En él se observa como

la impedancia equivalente se va adaptando al comportamiento de las cargas más el

inversor; reflejando tanto la regulación, como las pérdidas de conversión o el consumo

en vacío. La gráfica 43(b) complementa la explicación reflejando el consumo de

potencia a la entrada del inversor.

Una vez obtenido el perfil de trabajo de las cargas, éstas se pueden simular ya

fácilmente. Comparando la superposición de las curvas azules, reales, y rojas,

simuladas, de las gráficas de corriente, 43(a), y potencia, 43(b), se pone de manifiesto


74

la precisión que se puede obtener, del orden de 10-16, debido al error de cálculo

numérico. En este ejemplo la extrapolación del perfil de trabajo se ha realizado con

extremo cuidado para demostrar la máxima precisión alcanzable. En las medidas de

corriente aparece entre ambas curvas un error numérico de 1E-17A, mientras que en

las de potencia aumenta a 1E-15W. Ahora bien, en el caso de reducirse el número de

muestras a partir de las cuales extrapolar el perfil se puede llegar al compromiso

óptimo entre precisión y coste.

Figura No. 43.-. (a) Perfil de impedancia, Z(t), de las cargas. (b) Potencia consumida por las

cargas, en azul se muestran los datos empíricos y en rojo el resultado de las simulaciones

Se aprovecha la precisión del ejemplo anterior para evaluar la propagación de los

errores al simular conjuntamente varios dispositivos. Utilizándose la misma batería y

panel solar que en los ejemplos de aplicación anteriores, se han llevado a cabo varias

simulaciones.

Tabla No.6.- Errores de precisión en simulaciones de dispositivos aislados e interconectados dentro de

un sistema

En primer lugar se han simulado los dispositivos independientemente. Y

posteriormente se ha simulado su respuesta estando interconectados entre si,


75

formando el circuito descrito. Las simulaciones han reproducido el comportamiento de

los dispositivos a lo largo de un día, con un periodo de muestreo de 2 minutos. Los

resultados obtenidos se muestran en la tabla 6. La primera fila muestra el error medio

entre medidas y simulaciones para cada dispositivo por separado. Mientras que la

segunda fila muestra el mismo error medio cuando los dispositivos se interconectan

según el esquema anterior. Debido a la propagación de los errores, la precisión en la

corriente generada por el panel solar se reduce a la mitad, en la tensión de batería se

mantiene constante y en la corriente de las cargas se reduce hasta ser inapreciable. A

pesar de ello, en todos los casos los errores medios se encuentran por debajo del 3%,

considerándose suficientemente acotados.

3.4.- El regulador de batería.


El regulador de carga protege la batería frente a situaciones de riesgo como

sobrecargas y sobredescargas. Si bien la formulación teórica del modelo es sencilla,

ésta no revela la dificultad en su programación, debido a las discontinuidades

inherentes al modelo y a la interactuación con el resto de modelos analizados. Como

conclusión, se presenta un ejemplo para contrastar la validez del modelo.

3.4.2.- Modelo teórico

El regulador de batería ofrece un conjunto de protecciones que intentan evitar daños

internos en las baterías del sistema. El esquema eléctrico general se muestra en la

figura 44. Básicamente se trata de dos relés, intpanel e intcarga, que permiten conectar o

desconectar los paneles solares y las cargas de la batería. Estos relés se encuentran

gobernados por dos comparadores con histéresis, cpanel y ccarga, que monitorizan la

tensión de batería, Vbatería. Como ya se ha comentado la batería debe trabajar

preferiblemente en las zonas de carga y descarga. Así pues, en el caso que la batería

entre en sobrecarga, el controlador desconectará los paneles solares, evitando que la


76

batería llegue a saturarse. Igualmente, cuando la batería se encuentre excesivamente

descargada, el controlador desconectará las cargas para evitar descargas profundas.

Figura No. 44.-.Modelo eléctrico básico de un regulador de carga de batería

Cuando los paneles solares se desconectan de la batería evidentemente se cumple que

la tensión en sus bornes, Vpanel, ya no coincide con la tensión de batería, Vbatería. Pero

debe hacerse notar que esto no implica que su tensión en bornes sea cero. Todo lo

contrario, los paneles se sitúan en la tensión de circuito abierto que, por diseño, es

superior a la máxima tensión de batería (para evitar que pudiesen trabajar como cargas

en vez de cómo generadores). Simultáneamente, la tensión de batería se reduce, tanto

por el efecto de la impedancia interna, como por pasar al régimen de descarga. Los

límites de tensión del ciclo de histéresis deben situarse adecuadamente, tal como se

describe en el sistema de ecuaciones 21. La tensión de desconexión, Vhpmax, debe ser

suficientemente elevada para que solo se abra el circuito cuando la batería entre en

sobrecarga. Y la tensión de conexión, Vhpseg, debe ser suficientemente baja como para

que la batería pueda liberarse de parte de su carga y que además al desconectarse los

paneles no se rearme instantáneamente.

Ecuación No.-21 Limites de tensión

En el caso de la desconexión de las cargas, tanto la corriente como la tensión en ellas

son nulas. Paralelamente, la batería tiende a aumentar su tensión tanto por el efecto


77

de la resistencia interna, como por, posiblemente, entrar en régimen de carga. Los

límites de tensión del ciclo de histéresis deben definirse al revés que en los paneles, tal

como se describe en el sistema de ecuaciones No. 22. Cuando la tensión de batería

disminuye por debajo de un umbral de tensión, Vhcmin, el controlador debe

desconectar las cargas. Además, debe permitir que la batería recupere energía antes

de volver a conectarlas, teniendo que superar una determinada tensión de seguridad,

Vhcseg. Ambas tensiones deben elegirse cuidadosamente para no producir un efecto de

desconexiones y conexiones continuas.

Ecuación No.-22 Limites de tensión de ciclo

Si bien conceptualmente el planteamiento matemático es bastante sencillo, se observa

un detalle importante al estudiar la continuidad del modelo: cuando actúan los relés se

producen discontinuidades tanto en las tensiones como en las corrientes. A pesar que

numéricamente puede ocasionar problemas, el modelo ha de reflejar el

comportamiento real del dispositivo, con lo que debe llegarse a un compromiso en el

momento de la programación. Los parámetros característicos del regulador de carga de

batería son los umbrales de conexión y desconexión de los relés. La tabla No. 7

muestra valores típicos.

Tabla No.7.- Valores típicos de los umbrales de tensión de un regulador de carga


78

3.4.3.- Programación del modelo

A diferencia de los modelos anteriores el regulador de carga de batería solo se ha

programado mediante Simulink. El modelo inicialmente toma los parámetros

característicos de un fichero de configuración. Seguidamente, aplica métodos de

cálculo numérico para resolver el punto de trabajo de los relés, pues las entradas del

modelo dependen implícitamente de las salidas. Como entradas se escogen la tensión

de batería, Vb, y las corrientes de paneles solares y cargas, Ip e Ic. Como salidas se

proporcionan la corriente de batería, Ib, y las tensiones de paneles y cargas, Vp y Vc. El

modelo precisa dos entradas auxiliares para poder simular la desconexión de los

paneles solares: la irradiancia, G, y su temperatura de trabajo, Tp. La figura 45 muestra

el diagrama de bloques correspondiente.

Figura No. 45.-.Diagrama de bloques del regulador de carga programado mediante Simulink

La desconexión de los paneles solares se ha simulado polarizándolos a su tensión de

circuito abierto. Por ello es preciso calcular la tensión de circuito abierto en

condiciones reales de funcionamiento mediante un función auxiliar. La desconexión de

las cargas, en cambio, se ha simulado forzando la tensión de alimentación a cero.

Nótese que la dependencia implícita entre entradas y salidas del regulador de batería,

así como la interactuación con los modelos de paneles solares, baterías y cargas

produce un aumento importante en el número de lazos algebraicos en los métodos de

cálculo numérico. Además, la existencia de las discontinuidades inherentes al


79

controlador puede producir errores en los métodos de cálculo en el caso de utilizar

elementos de memoria para romper los lazos algebraicos.


Para contrastar el funcionamiento del modelo se presenta un único ejemplo en el cual

se observa la desconexión de los paneles solares. Los paneles solares son Atersa 280 en

una agrupación de 2 paneles en serie y cuatro en paralelo. La batería utilizada es una

Trojan 7TSE70 (formada por 12 elementos de 2V en serie y con C10=550Ah).

El regulador es del modelo LEO 1 (24V y 50A) de Atersa. El inversor es un Taurus 1024

(1KVA) de Atersa. Este inversor alimenta a un conjunto de cargas resistivas de 100W

controladas por un ordenador a través de relés.

Figura No. 46.-.Tensión (a) y corriente (b) de batería, en azul se muestran los datos empíricos y en rojo el

resultado de las simulaciones

Las figuras 46 y 47 muestran un escenario en el que el controlador actúa en las

primeras horas protegiendo la batería frente sobrecarga. Este período coincide con las

horas centrales del día. Las gráficas (a) de ellas contienen las tensiones del sistema,

mientras que las gráficas (b) contienen las corrientes.


80

Figura No. 47.-.Tensión (a) y corriente (b) de las cargas, en azul se muestran los datos empíricos y en rojo

el resultado de las simulaciones

Se observa claramente como en las horas iniciales del ejemplo, los paneles solares han

sido desconectados del sistema. Como el consumo en las cargas es prácticamente el

consumo del inversor, se observa como la tensión de batería permanece

aproximadamente constante. El panel solar se encuentra en circuito abierto, con lo que

presenta su tensión característica, Voc, y corriente nula.

Tabla No.8.- Error en los resultados obtenidos en la simulación del regulador de batería

La activación de las cargas, aproximadamente a las 6 horas, conlleva una reducción de

la tensión de batería que, a su vez, provoca el rearme del relé que controla los paneles.

En la figura 46 muestra como en ese instante la tensión de los paneles vuelve a seguir a

la del resto del sistema y empiezan a generar corriente. El resultado final se sintetiza en

la tabla 8. La precisión obtenida es uniforme tanto en tensiones como corrientes, y

debe tenerse en cuenta la propagación de los errores de los diferentes modelos

involucrados en la simulación.


81

3.5.-Inversor.


El inversor permite el flujo de corriente de una red de continua a una red de alterna.

Una instalación fotovoltaica que incorpore un inversor puede pertenecer a dos

escenarios diferentes en función de las características de la red alterna. El primer

escenario consiste en un sistema aislado, donde el inversor es el responsable de la red

y alimenta a un conjunto de cargas. El segundo contempla que el inversor está

conectado a una red eléctrica pública, a la cual envía la potencia generada en el

sistema. El modelo desarrollado permite abarcar ambos escenarios. Seguidamente se

plantea este modelo, los detalles de su programación.


El inversor debe generar una tensión estable en alterna a partir de una tensión de

entrada en continua. Para el entorno fotovoltaico es suficiente con considerar un

modelo promediado, incluyendo las protecciones básicas del dispositivo. Para ello se

plantea el modelado partiendo de cinco puntos importantes: la asociación de

generadores, las leyes de control, la conservación de la energía, el cálculo de la

eficiencia del equipo y las protecciones ante situaciones de riesgo. El inversor deberá

interconectar dos redes de tensiones completamente distintas: tradicionalmente una

red de 24 Volts en continua a la entrada y otra de 120 Volts eficaces en alterna a la

salida. Tomando como referencia el primer escenario, donde el inversor alimenta la red

alterna aislada, el inversor interconecta los paneles solares y baterías con las cargas.

Deberá tenerse en cuenta, pues, el circuito equivalente de ambos para poder definir la

estructura interna del inversor. La figura 48 presenta el esquema eléctrico básico

utilizado. Considerando que el inversor estará alimentado total o parcialmente a través

de las baterías, se modela la entrada de éste como una fuente de corriente

dependiente, Ic. A la salida del inversor se sitúan las cargas de la instalación


82

fotovoltaica. En principio se podría modelar tanto mediante una fuente controlada de

tensión como de corriente. Se elige la fuente controlada de tensión, Vc, por mantener

el mismo circuito equivalente a la entrada de las cargas que en el caso de no existir el

inversor; caso en que estarían conectadas directamente a las baterías. Para el caso de

desear conectar el inversor a una red eléctrica externa, el circuito incorpora una

protección ante caídas puntuales de la red eléctrica mediante un comparador con

histéresis, c1, y un interruptor, int1.

Figura No.48.-. Esquema eléctrico básico de un inversor

Las leyes de control utilizadas se plantean en el sistema de ecuaciones 23. La variable

de control es la tensión de salida, V2. El inversor intentará mantener esta tensión

constante a un valor determinado, Vac, mediante la fuente controlada de tensión, Vc.

Como consecuencia, el inversor absorberá una determinada corriente, I1, de la red de

entrada. Esta corriente se modela a partir de la fuente de corriente controlada, Ic. Para

calcular su valor se recurre al principio de conservación de la energía: la potencia de

entrada es igual a la potencia de salida. Debe incorporarse a la formulación, además, la

eficiencia del inversor, η, ya que parte de la potencia de entrada se pierde en el

proceso de conversión energético.

Ecuación No.-23 Leyes de control


83

El valor de la eficiencia del inversor se puede calcular como la relación entre la

potencia de salida y la potencia de entrada. Se trata de una función no lineal y que

depende de la tecnología utilizada por el inversor. La Figura No.49(a) muestra esta

relación de potencias; los valores corresponden al inversor disponible en el laboratorio

de sistemas fotovoltaicos, un Taurus 1024 (1KVA) de Atersa, pero son muy

representativos. A partir de las potencias de entrada y salida, la gráfica 49 (b) presenta

el factor de eficiencia del inversor. Se observa con claridad como entre los 50W y los

900W la eficiencia superan el 80%, siendo esta la zona de trabajo recomendada. En el

modelo actual, la eficiencia se ha formulado como una función polinómica calculada a

partir de las tablas proporcionadas por el fabricante, tal como se indica en la ecuación

24. Se ha determinado que con un polinomio de orden 6 es suficiente para representar

debidamente la evolución de la eficiencia. Nótese que se toma como referencia la

potencia de salida en la formulación del polinomio. Se ha definido así para facilitar la

programación del modelo.

Ecuación No.-24 Relación de la potencia

Figura No. 49.-. (a) Relación entre potencia de entrada y salida del inversor Taurus 1024 de Atersa. (b) Factor de eficiencia en función de la potencia de entrada.


84

El modelo se completa con las protecciones ante situaciones de riesgo: por un lado se

contempla la problemática asociada a la utilización del inversor en un sistema aislado,

y, por otro, las implicaciones que suponen su conexión a una red eléctrica externa. En

el primer escenario, se han contemplado dos casos críticos y una no idealidad del

inversor. El sistema de ecuaciones No. 25, formula dichas situaciones. El inversor

puede proporcionar una potencia de salida máxima finita. En caso que las cargas

empiecen a consumir excesiva corriente el inversor responde reduciendo la tensión de

salida, situándose en un punto de trabajo a potencia constante, Pmax. Esta situación

puede prolongarse hasta el caso en que la reducción de tensión de salida se vuelve

peligrosa, Vcmin. En dicha situación el inversor desconecta las cargas del sistema y

entra en estado de espera hasta su rearme por el usuario. El segundo ejemplo de este

apartado refleja dicha posibilidad.

Ecuación No.-25 Condiciones de funcionamiento

Existe una situación parecida en la red de entrada. En este caso, si la tensión de

alimentación, V1, se reduce, la corriente de entrada, I1, debe aumentar para mantener

la potencia constante. Este aumento de corriente no puede ser indefinido, por lo cual

se introduce la restricción de máxima corriente a la entrada, Icmax. En el caso de

alcanzarse dicha corriente, el inversor se desarmará, desconectando baterías y cargas.

El tercer ejemplo ilustra este comportamiento. En el caso que se desease conectar el

inversor a una red eléctrica externa. El inversor debe sincronizar la tensión, frecuencia

y fase de su salida con la de la red principal. Para ello debe monitorizar la red externa y

aplicar el control necesario. Las tolerancias admitidas se sitúan en fluctuaciones del

10% en tensión y 1% en frecuencia. El problema aparece cuando la red externa cae,

pues se darán lugar grandes sobreintensidades debidas al retardo en que las

protecciones actúan y desconectan el inversor de la red.


85

El conjunto de parámetros característicos del inversor está formado por la tensión de

salida, los coeficientes del polinomio característico de la eficiencia y por los umbrales

de autodesconexión de las protecciones. La tabla No. 9 muestra valores utilizados en

las simulaciones para el inversor Taurus 1024.

Tabla No.9.- Valores utilizados en el modelado del inversor


Igual que en el caso del regulador de carga de batería, el inversor se ha programado

solo en Simulink para aprovechar los métodos de cálculo numérico disponibles. El

primer paso, como es habitual, consiste en obtener los parámetros característicos de

un fichero de configuración. Seguidamente se introducen las variables de entrada: la

tensión de alimentación, V1, y la corriente consumida por las cargas, I2. La función

calcula la tensión de salida, V2, y la corriente de entrada, I1, en función de las leyes de

control y las protecciones descritas en el modelo. Nótese que la corriente consumida

por las cargas, una entrada de la función, depende directamente de la tensión en

alterna, una salida de la función. Esta situación es resuelta por los métodos de cálculo

numérico en cada punto. La figura No. 50 muestra el diagrama de bloques de esta

función.

Figura No. 50.-. Diagrama de bloques del inversor programado mediante Simulink

Obsérvese, también, que se ha modelado la eficiencia del dispositivo en función de la

potencia de salida. El motivo es que la corriente I2 es una de las entradas y la tensión


86

V2 a pesar de ser una salida es predecible. Por lo tanto resulta mucho más práctico

para los métodos de cálculo numérico utilizar su producto, P2, como referencia.

Obviamente, en un paso posterior se realiza la comprobación de que la hipótesis inicial

se cumple y en caso necesario se corrige. Paralelamente, la eficiencia del inversor

también se ha programado en función de la potencia de entrada para contrastar el

comportamiento del sistema.


Se han llevado a cabo un banco de 3 ejemplos para contrastar las características del

modelo programado. En primer lugar se analiza la precisión del modelo, simulando a

continuación la respuesta de las protecciones introducidas.

Primer ejemplo. Para determinar la precisión del modelo de inversor programado se

han realizado un conjunto de medidas con un inversor Atersa, modelo Taurus 1024

(1KVA). La figura No. 51 muestra las características de este inversor. En la gráfica (a) se

observa la precisión obtenida entre las medidas empíricas, en azul, y el resultado de la

simulación del inversor, en rojo. El error medio obtenido es del 0.91% respecto la

potencia máxima alcanzada. La gráfica (b) dibuja la evolución de la eficiencia del

inversor en función de la potencia de entrada. En ella se observa como el inversor

trabaja eficientemente en el margen entre 50W y 950W, aproximadamente.

Figura No. 51.-. Relación entre potencia de entrada y salida (a) y factor de eficiencia en función de la

potencia de entrada del inversor, en azul medidas


87

Segundo ejemplo. El siguiente ejemplo permite evaluar el comportamiento de las

protecciones frente a un consumo excesivo de las cargas. A la entrada del inversor se

simula un generador capaz de proporcionar potencia suficiente en todo momento. A la

salida se sitúa una carga que aumenta su consumo linealmente.

Figura No. 52.-. Tensión (a) y corriente (b) de entrada del inversor

La figura 52 muestra como la tensión de alimentación se mantiene constante mientras

que el consumo va aumentando, de forma no lineal debido al rendimiento del inversor,

hasta que el inversor se desarma a los 70 segundos. El desarme es debido a que se

supera la corriente máxima de entrada, fijada en 50A. La figura 53 presenta la

evolución de la tensión y corriente en las cargas. La gráfica 53(b) ilustra en azul la

respuesta simulada y en rojo la teórica si no hubieran saltado las protecciones.

Figura No. 53.-. Tensión (a) y corriente (b) a la salida del inversor


88

Las potencias a las que se produce la desconexión son de 1193.4W a la entrada y de

772.2W a la salida. Nótese que la potencia a la que el inversor saturaría, y empezaría a

reducir su tensión de salida, se ha definido a 775W. A tensión nominal de 24V esta

situación no se produce. En cambio si se aumenta la tensión de entrada a 30V, por

ejemplo, sí que aparece; siendo además la causa de desconexión, tal como se detalla

en la figura 53.

Figura No. 54.-. Corriente de entrada (a) y tensión de salida (b) del inversor

Nótese que la caída de una red eléctrica externa, a la que se hallase conectado el

inversor, es un caso límite de esta situación. En ella, a la salida del inversor la tensión

caería y la corriente se dispararía, provocando el desarme del equipo. Para poder

simular exactamente esta situación es preciso determinar el retardo en la actuación del

control, la impedancia equivalente de la red eléctrica y escalar adecuadamente la base

de tiempo La figura 54 intenta reflejar este escenario. Para reproducir el

comportamiento de la red se ha simulado un cortocircuito a la salida del inversor,

modelado por una resistencia variable que, en 2ms, evoluciona de 110Ω a 0Ω. El

tiempo de respuesta del control, más actuadores, se ha situado en 10ms. La caída de la

red, figura 54 (a), provoca un pico de corriente de unos 22 Amperes, figura 54 (b), de

una duración aproximada de unos 20ms.


89

Figura No. 55-. Tensión (a) y corriente (b) a la salida del inversor

Tercer ejemplo. Finalmente, en este ejemplo se pretende poner de manifiesto la

respuesta del inversor ante la descarga de la batería. Por ello se ha conectado a la

entrada una fuente de tensión que va reduciendo progresivamente su valor, tal como

ilustra la figura 55. El consumo de las cargas se considera constante para no desvirtuar

las conclusiones, tal como se observa en la figura 56.

Figura No.56.-. Evolución forzada de la tensión, (a), y respuesta de la corriente, (b), a la entrada del

inversor

Se observa claramente como el inversor compensa la reducción de la tensión de

entrada aumentado la corriente. Este aumento finalmente provoca el desarme del

inversor por tener una excesiva corriente de entrada.


90

Figura No. 57.- Evolución de la tensión, (a), y corriente, (b), a la salida del inversor

3.6.- Convertidor DC/DC.


Hasta el momento se ha planteado que los paneles solares están conectados

directamente a las baterías. La utilización de un regulador de batería solo implica la

posible desconexión de los paneles, no un control de su punto de trabajo cuando están

alimentando al sistema. El uso de un convertidor entre paneles y baterías puede

aportar una sensible mejora en el rendimiento del global de la instalación fotovoltaica,

permitiendo aplicar distintas políticas de control a nivel de sistema. En función de la

regulación aplicada, los paneles pueden aportar la máxima energía al sistema o bien la

energía óptima para su funcionamiento, por ejemplo asegurando una carga eficiente

de la batería. A continuación se plantean los puntos clave del convertidor.


El modelo del convertidor se plantea análogamente al inversor, comentado

anteriormente. El convertidor DC/DC conectará los paneles solares a las baterías. Así

pues, la principal consideración a tener en cuenta, respecto lo expuesto en el caso del

inversor radica en la asociación de generadores. La figura 58 muestra este detalle.

Debido a que los paneles solares pueden considerarse como una fuente de corriente y

las baterías como una fuente de tensión, se ha definido el modelo del convertidor


91

como una fuente de tensión controlada, Vc, en la etapa de entrada y una fuente de

corriente, Ic, en la etapa de salida.

Figura No. 58.-. Esquema eléctrico del convertidor DC/DC

El sistema de ecuaciones 25 describe su comportamiento. Nótese que la variable de

control es la corriente de salida, Ic. Esta corriente depende tanto de las condiciones

físicas y meteorológicas de los paneles solares como de la política de control aplicada al

sistema. La tensión a la entrada se produce como consecuencia del control aplicado.

Dentro de los valores posibles de tensión de entrada del convertidor se ha diseñado el

control para cumplir, además, las condiciones expuestas en el sistema de ecuaciones

26 (b) Estas condiciones sitúan el punto de trabajo de los paneles solares en la zona de

tensiones comprendidas entre la tensión correspondiente al punto de máxima

potencia y su tensión de circuito abierto.

Ecuación No.-26 (a) comportamiento (b) condiciones del sistema

La figura 59 muestra esta zona de trabajo. En azul se presenta la corriente generada

por un panel solar, escalada por un factor 10 para la representación, en función de la

tensión de polarización, a 25ºC y 1000W/cm2. Si se realiza el producto de ambas

variables se obtiene la curva de potencia que puede proporcionar el panel, coloreada

en rojo en la figura. Nótese que ambas zonas a derecha e izquierda del punto de


92

máxima potencia podrían considerarse validas para el control, pues permiten cualquier

valor posible de potencia. El control utiliza la zona de altas tensiones ya que permite

reducir el valor de corriente, reduciendo pérdidas en el cableado y reduciendo la fatiga

del dispositivo.

Figura No. 59.-. En azul, curva corriente-tensión (x10) típica de un panel solar. En rojo, potencia

generada por el panel solar. En verde, zona de trabajo del convertidor.

3.7.- Punto de conexión a red.


La conexión a la red eléctrica sigue esencialmente el mismo planteamiento que el

controlador de la batería. Tomando como premisa modelar el dispositivo más genérico

posible, el modelo contempla la posible interconexión de paneles solares, baterías,

cargas y una red eléctrica externa. Este planteamiento permite establecer tres

topologías básicas. La primera de ellas conectaría los paneles solares y las cargas a la

red eléctrica, configuración típica de un sistema fotovoltaico conectado a red. La

segunda topología incorporaría una batería, como sistema de alimentación de

emergencia. La tercera invertiría el punto de vista, siendo la red eléctrica externa un

generador auxiliar, por ejemplo un grupo electrógeno, y el sistema principal estaría

formado por los paneles solares, la batería y las cargas. Nótese que la única diferencia

entre las tres topologías radicará en el control de la conexión a red, pudiendo utilizarse

un modelo genérico para simular las tres topologías. Las simulaciones relativas a la


93

actuación del punto de conexión a red se han incorporado en los análisis de los

sistemas conectados a red ya debe tenerse en cuenta la interactuación con el resto de

dispositivos del sistema, y no tan solo la conexión aislada.


Básicamente, la conexión a red es un conmutador que permite conectar y desconectar

cargas, paneles, baterías y la red eléctrica, independientemente, del sistema. El modelo

contempla la interconexión de los buses de continua y alterna a través de un inversor.

Existen diversas formas de plantear su modelado. Se ha optado por un planteamiento

general que permita una simulación funcional, utilizando el circuito eléctrico

equivalente de la figura 60 como base.

Figura No. 60.- Esquema eléctrico de la conexión a red

Tomando como punto de partida el modelo general de la figura, aparece un detalle

importante a tener en cuenta: determinar las variables de control. El dispositivo debe

gestionar la interconexión de hasta 4 dispositivos externos simultáneamente: paneles

solares, baterías, cargas y red eléctrica. Además, debe controlar el funcionamiento del

inversor e interruptores internos. En el caso de la red eléctrica, el dispositivo deberá

monitorizar las tensión, corriente y frecuencia para evitar situaciones de caídas de la

red, y consumos excesivos. En el caso de las baterías, tiene dos alternativas: o bien

utilizar su tensión en bornes, o bien el nivel de energía, LOE, para mantenerla en una

zona de funcionamiento óptima. En el caso de paneles y cargas la clave se encuentra


94

en la potencia que generan o consumen. Nótese también, que el modelo no contempla

teóricamente el control del punto de trabajo de los paneles solares, ya que se

considera que de ser necesario se introduciría un convertidor entre paneles y el punto

de conexión red. A partir de estas consideraciones iníciales, el funcionamiento del

punto de conexión a red dependerá de la topología en que se integre.

En la primera topología planteada en la introducción, los paneles solares y las cargas se

encuentran conectados a la red eléctrica. El interruptor intbatería se encuentra en

circuito abierto y los interruptores intred, intpanel e intcarga tan solo actúan como

protecciones. El sistema de ecuaciones 27 formula las leyes de control ante posibles

caídas de la red eléctrica.

Ecuación No.-27 Leyes de control

Obsérvese que ante la caída de la red eléctrica el interruptor intred se abrirá, pero las

cargas podrían continuar alimentadas gracias a los paneles solares. En caso que los

paneles no pudieran aportar suficiente potencia, los interruptores intpanel e intcarga

también se abrirían y el sistema quedaría completamente desconectado. El sistema de

ecuaciones 28 describe este comportamiento, monitorizando la tensión y corriente en

las cargas.

Ecuación No.-28 Sistema de desconexión

La segunda topología es una ampliación de la anterior. Incorpora una batería como

sistema de alimentación de emergencia. El interruptor intbatería puede fijarse


95

normalmente en cortocircuito, manteniendo a la batería en flotación, o bien actuar

para mantener el nivel de energía de la batería en un punto óptimo, independizando

además la tensión de batería de la de los paneles. Los posibles umbrales de control

para su conexión se plantean en el sistema de ecuaciones 29.

Ecuación No.-29 Umbral de control

La elección de la tensión en bornes de la batería o su nivel de energía como variable de

control precisa una consideración adicional. En el caso que la instalación contenga

dispositivos con picos de elevado consumo, por ejemplo motor con picos de potencia

importantes en su par de arranque, la tensión sufrirá descensos significativos en esos

instantes. Esto puede llevar a que el sistema desconecte la batería en el arranque de

dichos dispositivos, a pesar que ésta disponga de energía suficiente para soportar el

consumo solicitado. La resolución no es fácil, ya que una reducción en los umbrales de

tensión puede llevar a que la batería sufra una descarga excesiva en regímenes de

descargas lentas. Será, pues, recomendable, utilizar el nivel de energía como

parámetro de control siempre que sea posible.

En la tercera topología, la red eléctrica se considera como un generador auxiliar,

fijando el interruptor de red, intred, normalmente en circuito abierto. En el caso que el

nivel de energía la batería disminuya peligrosamente, las cargas se conectarán al

generador auxiliar para asegurar su funcionamiento y, además, preservar la batería de

daños, cerrando el interruptor de red, intred.

Otra situación posible se da lugar cuando la batería se encuentra saturada. En este

caso, los paneles se desconectaran, abriendo el interruptor intpanel, permitiendo

descargar la batería a través de las cargas. El sistema de ecuaciones 30 plantea los

límites del control.


96

Ecuación No.-30 Limites de control

El punto de conexión a red puede tomarse, además, como referencia para catalogar

múltiples configuraciones de un sistema fotovoltaico. La tabla No. 10 muestra estas

posibles configuraciones. En primer lugar, se observa como existen algunas

combinaciones sin sentido, donde solo interviene una sola entrada o ninguna. Por otro

lado, la combinación de, como mínimo, dos entradas permite identificar 7 topologías

de instalaciones eléctricas, de las cuales 5 incorporan la energía fotovoltaica como

fuente de energía primaria o auxiliar. Nótese que las tres topologías detalladas

anteriormente son las más representativas. Finalmente, aparecen 4 topologías más

propias de dispositivos individuales, como por ejemplo un cargador de baterías, que de

instalaciones complejas. La utilización de modelos promediados en la simulación del

dispositivo conlleva la utilización de valores eficaces en el bus de alterna. Por ello, en

los algoritmos de control se han tenido en cuenta tensiones y corrientes eficaces,

permitiendo tener en cuenta caídas de la red y optimizando el modelo para simular

largos periodos de funcionamiento.

Tabla No.10.-Configuraciones de un sistema fotovoltaico


97

3.8.- Pérdidas del sistema.


En último lugar, se presenta el modelo de pérdidas considerado en el modelado. Este

modelo, combinado con la extracción automática de parámetros, será aplicado para la

diagnosis del sistema.


El modelo de pérdidas considerado pretende reflejar básicamente las pérdidas debido

al cableado de una instalación fotovoltaica, contemplando las caídas de tensiones y

fugas de corriente a masa. La figura No. 61 ilustra el esquema utilizado. En ella se

observan tres impedancias que modelan las pérdidas. La impedancia Zppanel simula la

caída de tensión que aparece entre los bornes de los paneles solares y las baterías. La

impedancia Zpcarga simula la caída de tensión análoga entre baterías y cargas. Y Zpmasa

concentra las fugas de corriente a masa de la instalación.

Figura No. 61.- Esquema eléctrico de las pérdidas en un sistema fotovoltaico

Nótese que en caso de no existir Zppanel y Zpcarga, aparecería la misma tensión en

bornes de los tres dispositivos que forman el sistema. Por otro lado, en el caso de no

considerar Zpmasa, la suma de corrientes que circulan por los paneles, baterías y cargas

sería igual a cero.


98

Para determinar el valor numérico de las tres impedancias puede recurrirse tanto a un

análisis convencional del circuito como a las técnicas de diagnóstico mediante el

algoritmo Levenberg-Marquardt. Valores típicos medidos en el laboratorio se muestran

en la tabla 8. El análisis consta de paneles solares Atersa A-85, una batería Trojan

7TSE70, un regulador LEO-1 (24V y 50A) y un inversor Taurus 1024 (1KVA) de Atersa.

Este último alimenta a un conjunto de cargas resistivas de 100W controladas por un

ordenador a través de relés. Nótese el detalle que las pérdidas en el cableado

procedente de los paneles solares, Zppanel, son mayores que en el caso de las cargas,

Zpcarga.

Tabla No.11.-Valores de impedancias de pérdida


Podemos notar la confiabilidad de los parámetros otorgados de los fabricantes de los

distintos componentes que integraran el sistema, ya que al ser monitorizados la

variación en sus valores no demostró una inestabilidad menor o mayor de +3 o -3

porciento que los datos de placa.

Capitulo IV Parámetros

Capitulo IV

Parámetros

En este capítulo se presentará la extracción de parámetros del modelado del sistema, se

analizaran ejemplos prácticos de para verificar la estabilidad del modelo.


100

4.1.-Introducción. Disponer de un modelo teórico es el paso previo al estudio de cualquier tipo de

sistema. Una vez se lleva a la práctica es necesario disponer de los parámetros

adecuados que describan fielmente el comportamiento de éste. Usualmente se

dispone de los datos nominales que proporcionan los fabricantes, más o menos

precisos en función de la calidad, y precio, del sistema adquirido. Estos parámetros

están sujetos tanto a una limitación en precisión como en vigencia debido al uso del

sistema. La posibilidad de obtener los parámetros característicos de un sistema de

forma automática abre un abanico de opciones desde el diseño, en las etapas de

desarrollo, hasta el mantenimiento, una vez esté ya en explotación. Parece lógico,

pues, invertir esfuerzos en el desarrollo de un método que permita la extracción

automática de los parámetros de un modelo teórico para reflejar la realidad del

dispositivo. Uno de los métodos más utilizados para la extracción de parámetros de

sistemas no lineales fue propuesto por D. Marquardten 1963, basado en las hipótesis

de trabajo de K. Levenberg sobre modelado de datos.

En los sistemas no lineales, la sensibilidad del resultado respecto de cada parámetro

no es constante.

Intuitivamente, el método intenta obtener la evolución de la sensibilidad respecto a

cada parámetro, e ir ajustando proporcionalmente el valor de los parámetros hasta

conseguir una solución suficientemente precisa, tomando como referencia un banco

de datos conocidos. De esta forma, a partir de las medidas experimentales, censadas

en las entradas y salidas de un sistema, se pueden obtener un conjunto de parámetros

que caractericen al sistema. Una de las ventajas es que la precisión de los resultados se

puede ajustara las necesidades del sistema. El método puede aplicarse tanto a

sistemas lineales como no lineales, en regímenes estáticos o dinámicos. Además,

ampliando conceptualmente la definición de “parámetros”, se ha obtenido un método

que calcula desde la capacidad real de la batería, hasta las fugas de corriente en los

cableados.

En contrapartida, no se tiene la certeza de conseguir un resultado válido. El método

puede converger a un mínimo local en la función matemática, necesitar excesivas


101

iteraciones, encontrar una discontinuidad numérica, etc. Tampoco se garantiza que los

resultados obtenidos tengan sentido físico, y a que el sistema solo intentará calcular

matemáticamente la mejor aproximación posible a los parámetros. Por ello es preciso

una buena aproximación inicial y un conocimiento preciso del modelo matemático.

4.2.-Método teórico. El método de extracción automática de parámetros de Levenberg-Marquardt presenta

un buen compromiso entre complejidad y precisión. La estructura del algoritmo se

describe a continuación. Esta se basa en dos premisas previas: la disponibilidad de un

modelo de referencia y de un banco de medidas para el ajuste.

Algoritmo de cálculo: el algoritmo teórico puede descomponerse en los 6 puntos

principales que se detallan seguidamente:

1) Se definen las siguientes estructuras iniciales:

La función a ajustar: y=f(x, a). Donde x es el vector de entrada si a el vector de

parámetros de la función.

Los vectores con datos empíricos de entrada x y de salida y, de N componentes.

La desviación estándar σi de cada valor yi.

El vector de parámetros a de M componentes que contiene la primera aproximación

de los parámetros de la función.

Un factor de paso λ.

El estimador utilizado es:

Ecuación No.- 31 Estimador

Se fija el factor de paso λ=0.001. 2) Se calcula χ2(a).

3) Se calcula el vector de sensibilidad es de los parámetros de la función, δa, con el

siguiente sistema de ecuaciones:

Gradiente de χ2 respecto a:


102

Ecuación No.- 32 Gradiente

Tomando una vez más derivadas parciales se calcula

i) Esto es:

Ecuación No.- 32 Estabilidad

ii) Pero es conveniente utilizar la siguiente aproximación para mejorar la

estabilidad del sistema:

Ecuación No.- 32 Aproximación

Definiéndose así los siguientes coeficientes

Ecuación No.- 35 Coeficientes

Finalmente δa, se obtiene de la combinación de los parámetros anteriores:

Ecuación No.- 36Combinando parámetros


103

4) Se calcula χ2(a+δa).

5) Se evalúan χ2(a) yχ2(a+δa):

Si χ2(a+δa)≥χ2(a)entonces se incrementa λ en un factor 10 y se retorna al punto 4

Si χ2(a+δa) <χ2(a) entonces se decrementa λ en un factor 10, se actualiza el vector de

parámetros con a=a+δa y se retorna al punto 3.

6) Se considera que se ha alcanzado una aproximación en parámetros

suficientemente buena cuando en dos o más iteraciones sucesivas el estimador χ2 se

decrementa un valor ilegible o cuando se encuentra por debajo de un valor absoluto

prefijado (10-4por ejemplo).

Problemática asociada. La aplicación del algoritmo de extracción conlleva un conjunto

de problemas que inicialmente pueden pasar desapercibidos, pero que a menudo no

tienen una resolución trivial. Éstos pueden agruparse en cinco grandes bloques:

idoneidad del modelo, unicidad de soluciones, primera aproximación de los

parámetros, sentido físico y coste computacional.

A pesar que no parece lógico tener en cuenta estar utilizando un modelo erróneo,

cuando se está intentando caracterizar un sistema la cantidad de situaciones no

contempladas, aumenta exponencialmente con su complejidad. Con lo que a menudo

un modelo puede funcionar perfectamente en la mayoría de las situaciones y producir

fallos importantes en otras que o bien no se contemplaban o no se creían posibles. Por

ejemplo, actuaciones del controlador de carga de la batería, o un panel solar mal

acoplado, pueden producir vectores de datos empíricos de entrada con algunas

muestras incoherentes, que pueden llevar al algoritmo a no converger en un resultado

correcto. El algoritmo intentaría ajustar matemáticamente los datos empíricos con las

salidas del modelo para obtener un resultado con un error mínimo. Lo cual no significa

que los resultados obtenidos fueran correctos. Del mismo modo, si los datos empíricos

obtenidos no son significativos en la situación que se desea caracterizar el resultado no

será fiable.


104

Otro factor a tener en cuenta es si existe una única solución en el ajuste de los

parámetros. Si al intentar resolver una ecuación con una variable ya es habitual que

numéricamente exista más de una solución, el problema se agrava a medida que se

intentan ajustar múltiples parámetros simultáneamente. Por ejemplo, en una simple

ecuación como x+y=0 existen infinitos pares x-y que satisfacen la condición.

Este problema puede ser más o menos grave en función de si es necesario un sentido

físico en las soluciones. Es decir, si los resultados obtenidos deben hacer referencia a

una determinada característica del sistema bajo estudio. Sino es preciso que tengan

sentido físico y simplemente se busca que el modelo responda como una caja negra, la

incidencia del problema es mínima. En caso contrario será necesario un estudio

exhaustivo del comportamiento de las ecuaciones del sistema y, seguidamente, aplicar

una metodología como la propuesta a continuación:

1. Identificar las zonas de máxima sensibilidad de cada parámetro respecto a los

vectores de datos empíricos.

2. Determinar el conjunto mínimo de parámetros, en cada zona, que proporciona un

resultado coherente.

3. Calcularlos, fijando el resto de parámetros a valores cercanos a su valor teórico. 4. Iterar una segunda vez, volviendo al paso1, para asegurar un error mínimo. Ya se observa que la primera aproximación a los valores de los parámetros es, sin

duda, uno de los puntos críticos del método de extracción. Cuanto más alejados se

encuentren del valor final, más probable es que el algoritmo se detenga en algún

mínimo local o una solución sin sentido físico. Una buena aproximación consiste en

utilizar como primera aproximación los valores nominales proporcionados por los

fabricantes.

Cabe destacar que debe contemplarse el método como la interacción entre el

algoritmo descrito y el modelo matemático que intenta ajustar. El algoritmo accederá

tantas veces como sea necesario al modelo hasta cumplir alguna condición de

finalización. Esto implica que el valor computacional estará determinado por la

programación del algoritmo, la programación del modelo a ajustar, la idoneidad el

modelo teórico, las medidas empíricas de referencia y la aproximación inicial de los


105

valores. De estos extraemos grandes conclusiones: a priori, no se puede acotar con

precisión la carga de cálculo numérico y esta será elevada.

4.3.-Programación del método. El algoritmo teórico descrito en el punto 4.2 se ha programado mediante Matlab. La

base de la función programada se encuentra en una de las librerías de sistemas no

lineales que Matlab dispone. A partir de esta se han modificado y ampliado sus

características para ajustarse tanto al método Levenberg-Marquardt como a las

especificaciones de la librería desarrollada.

Figura No.- 62 Diagrama de bloques de la función de extracción automática de parámetros programada

en Matlab

La figura anterior resume en un diagrama de bloques la programación de la función de

extracción automática de parámetros. En primer lugar el nombre de la función que el

algoritmo utilizará como modelo teórico, y que contiene los parámetros a ajustar .En

segundo lugar los vectores de los datos censados a la entrada y salida del sistema de

referencia. Evidentemente estos vectores deberán coincidir con las variables de

entrada de la función a evaluar. Finalmente, la aproximación inicial, betao, que se

usará como punto de partida para cada parámetro.

A partir de la introducción de los datos, la función de extracción empieza a iterar. En

cada iteración se llevan a cabo las siguientes acciones: una llamada al modelo

introducido, función, pasándole los datos empíricos de entrada, in, y los valores de los

parámetros correspondientes al a iteración en curso, betan. Obtiene el vector


106

resultante de la simulación, out’, lo contrasta con los datos empíricos, out, y reajusta el

valor de los parámetros, betan+1.

Las condiciones de salida contempladas son dos: o bien se ha obtenido una solución

satisfactoria, o bien se han superado el número máximo de iteraciones permitidas. En

dicho punto la función de extracción proporciona dos tipos de información: la mejor

aproximación de los parámetros a ajustar y el estado de los registros internos del

algoritmo. Los registros internos ofrecen a la vez dos tipos de datos: información de la

evolución de los parámetros (un histórico de los valores en las n iteraciones, más una

confirmación de si se ha llegado a una solución válida) y el valor de las matrices de

cálculo. En caso que el algoritmo no hubiese convergido a una solución, se podría

retomar el algoritmo introduciendo de nuevo las matrices de cálculo y los parámetros

finales como primera aproximación.

Para poder hacer compatibles las entradas y salidas de cada modelo, con el formato de

la función de extracción, ha sido necesario programar una función intermedia, que

actúe como interfaz, para formatear adecuadamente las entradas y salidas. Esta

interfaz es única para cada modelo ya que tanto las variables de entrada como de

salida varían en cada dispositivo o sistema.

Es importante destacar que puede haber tantos vectores de datos empíricos de

entrada como sea preciso, por ejemplo los vectores de irradiancia, temperatura y

tensión en el caso del panel solar. Pero solo puede existir un solo vector de salida. En el

caso que una función devuelva varios vectores de salida, por ejemplo tensión y nivel de

energía en el caso de la batería, la función de extracción solo admite uno de ellos para

contrastar el resultado obtenido con los datos empíricos, con lo que será preciso

estudiar con detenimiento cual de estos vectores de salida aporta una mayor

información. No debe realizarse a la ligera, ya que los parámetros a ajustar presentan

distintas sensibilidades respecto a cada vector de salida.


107

4.4.-Resultados experimentales.

El objetivo consiste en demostrar la utilidad del método de extracción automática de

parámetros en un sistema no lineal ajustando varios valores simultáneamente. Para

ello se contrastaran los resultados obtenidos en un banco de extracciones automáticas

de parámetros de la batería formada por 12 elementos de 2V en serie y con

C10=550A). La instalación se completa con 8 paneles solares de 4 ramas en paralelo de

2 paneles solares, cada uno de ellos constituido por 36 celdas en serie, Isc=4.2A,

Voc=20.1V, un controlador de carga 1 12/24, un inversor 1KVA y un conjunto de cargas

resistivas. El sistema es monitorizado y controlado mediante un equipo de cómputo

que dispone de LabView y una interface conectada a los sensores y relés

correspondientes.

Los pasos realizados:

1. Obtener un banco de medidas empíricas del sistema fotovoltaico.

2. Se asignan valores iniciales al LOE, SOC y el valor nominal al C10.

3. Se asignan los valores nominales a todos los parámetros del modelo.

4. Mediante el algoritmo Levenberg-Marquardt se ajustan LOE, SOC y C10.

5. Mediante el algoritmo Levenberg-Marquardt se ajustan una selección de los

parámetros de la batería.

6. Se calculan estadísticamente los valores finales de todos los parámetros.

El periodo de muestreo fue de 2 minutos en todos los casos.

Número de ensayo 0 1 2 3

Número de días

monitorizados

5 5 5 5

Fecha de inicio 30/3/10 22/5/10 7/5/10 20/6/10

Número de muestras 3614 3583 2965 2885

Tabla No. 12 .- Descripción del banco de ensayos realizados

En el paso 5 se eligen los siguientes 8 parámetros del modelo de batería, para ser

ajustados simultáneamente: Vbodc, Kbodc, P1dc, P2dc, Vboc, Kboc, P1c, P2c. Nótese

que en total se ajustan 11 valores que se pueden clasificar en tres grupos. El primero,

formado por C10, Vbodc, Kbodc, Vboc y Kboc, hace referencia a las características


108

físicas de la batería. El segundo, integrado por P1dc, P2dc, P1c y P2c, intenta describir

las pérdidas resistivas. Y el tercero, formado por SOCo y LOE0, refleja las condiciones

energéticas iniciales de la batería. Los valores tomados para la primera aproximación

son lospresentados ya en la tabla 13

Ensayo 0 1 2 3

C10[Ah] 550.698

3

549.9392 549.9671 550.9557

SOCo 0.9279 0.8741 0.9068 0.9617

LOEo 0.7684 0.7238 0.7711 0.8846

Vbodc[V] 2.147 2.160 2.188 2.129

Kbodc[V] 0.284 0.281 0.329 0.235

P1dc[VAh] 4.083 3.938 9.561 4.475

P2dc -6.634 -6.141 -7.726 -10.656

Vboc[V] 1.980 1.948 2.048 1.952

Kboc[V] 0.149 0.214 0.160 0.167

P1c[VAh] 5.923 9.797 8.304 6.469

P2c 0.024 0.292 0.854 -0.018

Tabla No. 13.- Descripción del banco de ensayos realizados

Resultados obtenidos en la extracción automática de parámetros: Los resultados

obtenidos al finalizar la extracción de parámetros se exponen en la tabla 13. En primer

lugar se demuestra ya la capacidad del método para converger hacia una solución

posible. La coherencia de los resultados merece matizarse antes de utilizar un

estimador estadístico que cuantifique la bondad de cada uno de ellos. El grupo de

parámetros que representan las características físicas suele presentar una alta

coherencia entre los valores obtenidos. Por ejemplo el C10 tiene una desviación

estándar del 0.1% respecto a su valor medio, de 550.39; o el parámetro Vbodc, con

una desviación estándar del1.1% sobre un valor medio de 2.156. El grupo que describe

las pérdidas presenta una menor coherencia, ya que los parámetros que lo forman son

altamente sensibles a las condiciones de trabajo, nivel de electrolito, perfil de carga,

evolución del nivel de energía, etc. Por ejemplo el parámetro P1dc muestra una

desviación estándar del 23% respecto su valor medio, de 7.623. Finalmente, el tercer

grupo, formado por SOC y LOE, no pueden tener ninguna coherencia ya que se trata

simplemente del punto de partida.


109

Figura No.- 63 Medidas de irradiancia en los cuatro ensayos

A partir del banco de medidas empíricas y los parámetros ajustados se llevan a cabo

cuatro simulaciones para contrastar la precisión obtenida. La figura 63 muestra la

irradiancia recibida por los paneles solares en cada ensayo

Figura No. 64.- Corriente que circula por la batería

La corriente eléctrica que circula por la batería es el resultado de la corriente generada

por los paneles menos la consumida por las cargas, y se plasma en la figura 64. En las


110

gráficas de cada experimento se observa como la batería puede almacenar corriente

en las horas centrales del día mientras que se va descargando durante el resto del día.

Tabla No.14.-Error medio entre medidas empíricas y simulaciones

La mejora obtenida con los parámetros ajustados puede observarse visualmente en las

gráficas de la figura 65. En ellas se observa como la curva verde, simulación con

parámetros ajustados, se acerca más a la curva en negro, datos empíricos censados,

que la curva azul, simulación con valores nominales. El valor cuantificado de la mejora

se expone en la tabla 14. Donde se observa como el error medio, se reduce

aproximadamente a la mitad en todos los experimentos.

Figura No. 65.- Comparativa entre datos empíricos (negro), simulación con valores nominales (azul)y

simulación con parámetros ajustados(verde)

Número de experimento 0 1 2 3

%Error medio (valores nominales) 1.92% 1.82% 2.05% 1.86%

%Error medio (valores ajustados) 0.67% 0.66% 1.16% 0.87%


111


En conclusión, se observa como el algoritmo es capaz de ajustar un conjunto de

parámetros de un modelo no lineal, en un entorno de trabajo dinámico. Resta solo

comentar la carga de cálculo numérico que ha sido necesario. El tiempo de cálculo

requerido es del orden de minutos para cada extracción de parámetros y segundos

para simular cada experimento, en ambos casos utilizando un ordenador PC a 1.4MHz

y con 512Mbytes de RAM.

Capitulo V Aplicación del sistema

Capitulo V

Aplicación Del Sistema

(Caso De Estudio: ESIA Ticomán, Instituto Politécnico

Nacional)

Se abordara el caso particular de la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura,

campus ticomán (ciencias de la tierra), del Instituto Politécnico Nacional, como zona de

aplicación de proyecto. En principio se tomara los datos actuales del campus así como

los valores base de cálculo de la zona. Como segundo paso se realizara el diseño del

sistema ya antes modelado en un estado de diagramas para su interpretación y por

ultimo se analizara el estatus del proyecto.


112

5.1.- Introducción.

Al fundarse el Instituto Politécnico Nacional en 1936 estaba formado por un grupo de

planteles entre los que se encontraba la Escuela Superior de Construcción. Este centro

de estudios fue antecedente directo de la actual Escuela Superior de Ingeniería y

Arquitectura. Anterior a la Escuela Superior de Construcción se le conoció como

Escuela Técnica de Maestros Constructores, fundada en 1922, tuvo varios domicilios,

en 1959 fue trasladada a la Unidad Profesional Zacatenco. En 1970 inició oficialmente

el plan semestral, la escuela se dividió en tres áreas:

Arquitectura

Ciencias de la Tierra

Ingeniería Civil

En el año de 1988 el área de ciencias de la tierra es ubicada en: Av. Ticomán No. 600,

Col. San José Ticomán, C.P. 07340, Del. Gustavo A. Madero, donde hasta el día de hoy

sigue siendo su ubicación. En este plantel se imparten cuatro carreras del área de

geociencias y un posgrado:

Ingeniería petrolera

Ingeniería geológica

Ingeniería geofísica

Ingeniería topográfica y fotogrametría

Maestría en geociencias y Administración de los recursos naturales

El 25 de Marzo de 2010, la directora general del Instituto Politécnico Nacional (IPN),

Yoloxóchitl Bustamante Díez, inauguró el edificio de gobierno y la biblioteca. Con una

inversión de 58 millones de pesos, la nueva construcción cuenta en su planta baja con

la biblioteca y un auditorio con capacidad para 104 personas.

En el primer piso hay 4 cubículos para profesores y uno para el profesor decano del

plantel, las áreas de activo fijo, orientación educativa y dos salas de juntas.


113

El segundo es ocupado por las oficinas de la dirección, las subdirecciones y sus

diferentes departamentos. En esta construcción se emplearon técnicas vanguardistas

y sistemas ahorradores de luz y agua, además se cuenta con áreas para captar el agua

de lluvia, a fin de recargar los mantos acuíferos.

En este estudio de caso se realizara el acondicionamiento de dicho edificio para

realizar su electrificación mediante un sistema fotovoltaico, en un máximo de 50% de

su consumo total diario. Una de las principales ventajas que la energía solar presenta

respecto al resto de energías renovables, es la posibilidad que dan al usuario de,

mediante pequeñas instalaciones, autoabastecerse de energía eléctrica gracias a la luz

solar. Esto ha permitido ha muchos usuarios el instalar en diversas fincas, un cantidad

de paneles solares que les permitan disfrutar de energía solar las 24 horas del día

5.2.- Ubicación y datos actuales.

El edificio a electrificar esta ubicado en Av. Ticomán No. 600, Col. San José Ticomán,

C.P. 07340, Del. Gustavo A. Madero, al norte del Distrito Federal, con una ubicación

geográfica en longitud 19.507611 grados y latitud -99.131666 N.

Figura No. 66.-Ubicacion


114

Figura No. 67.-Edificacion

El edificio de gobierno, cuenta con tres plantas, en la primera se ubica el auditorio

principal y la biblioteca escolar, así como sanitarios y habitación de carga eléctrica.

En el primer piso hay 4 cubículos para profesores y uno para el profesor decano del

plantel, las áreas de activo fijo, orientación educativa y dos salas de juntas.

En la planta superior se encuentra la dirección y subdirecciones del plantel, así como

sus diversas aéreas que la conforman.

5.2.1.- Consumo eléctrico actual.

Tabla No.15.-Consumo actual de energía eléctrica

La institución tiene un contrato con la Comisión Federal de Electricidad (CFE), con una

tarifa HM, tarifa eléctrica horaria para servicio general en media tensión, con


115

demanda de 100 Kw ò más que se factura con base en la demanda contratada con las

modalidades de los periodos punta, intermedio y base.

La tabla No. 15 muestra el consumo real que es de 373 Kwh/día lo cual se traduce en

una factura aproximada de $764.65 M.N por día (con un costo por Kw de $2.05 M.N.,

tarifa publicada en la pagina de la CFE vigente a diciembre de 2010).

El consumo mensual seria de $18,351.5 M.N. contando meses de 24 días ya que la

institución no tiene actividades relevantes en el consumo de energía los fines de

semana.

Cabe recalcar que solo se cubrirá el 50% de consumo diario de Kw del sistema final,

debido al área que se dispone para la ubicación de los paneles solares que mas

adelante se describirá.

5.3.- Parámetros de instalación del sistema.

En el capitulo No. II se planteo el modelado mediante un sistema conectado a la red

debido a su confiabilidad en temporadas de baja radiación solar, en este caso se

seguirá planteando este tipo de conexión ya que en la actualidad los apartados legales

indican que no se puede producir el 100% de la energía a consumir, así que por eso se

plantea un limite de 50% del consumo total de Kwh/día que seria de 186.5 Kwh/día y

el consumo restante se tomaría de la red eléctrica de CFE, los excedentes de

producción de los paneles solares en temporada alta de radiación, se regresaran a la

línea de transmisión para su distribución en la red publica de la Comisión Federal de

Electricidad.

5.3.1.- Zona de ubicación de los paneles solares.

La ubicación propuesta para los paneles solares, es el área frontal de la edificación ya

que por motivos de diseño de construcción, no es posible ubicarlas en la parte superior

(techo) del mismo, ya que se cuenta con un sistema de captación y de re-inyección de

aguas fluviales a los mantos acuíferos. La Figura 68 Indica la zona a disponer para el

proyecto así como la zona indicada para los andadores.


116

Figura No. 66.-Zona de trabajo

Figura No. 68.-Zona dispuesta

Originalmente la zona tiene un área total de 1733.62 m2, plano No.1 pero debido al

movimiento solar se determinó la viabilidad de la superficie, ya que por causa de las

estructuras existentes se genera un perfil de sombra que se puede ver en el los planos

No. 2,3 y 4, que describen el rango de sombra dentro de 365 días. Para realizar esta

proyección se diseñaron columnas en forma de H de cemento, con un terminado en

yeso de alta densidad, las cuales se situaron dentro de la zona de estudio durante los

365 días del año 2010 para así determinar el nivel y proyección de sombra de forma

escalar . La finalidad de que estas columnas se diseñen con esta forma es la de matizar

el reflejo solar mintiendo la columna de cristal ya que no realiza una sombra

significativa en ningún punto del día.

Figura No. 69.-Columna de prueba


117

En los planos solares, podemos observar que el nivel superior de sombra se da el día

21 de Junio de 2010 a las 16hrs como lo muestra la tabla No. Con una sombra de

5.13m a pie del edificio.

Largo de las sombras para el 21 de

Junio a las + 4 hs. (16 hs.)

para 1.28 cm ________ 6.8827 cm

para 6.68m ________ x = 3.92m

para 11m ________ 4.5m

para 7.68m ________ 4.296m

para 3.54m ________ 2.03m

El ángulo del sol es de 9°

El acimut del sol es de 127°

Tabla No.16.-Sombras

Esto deriva a una perdida de superficie que se le denomina “zona nula” la cual no es

apta para la ubicación de paneles solares, esta se ve reflejada en el plano No. 2, donde

se indica la zona nula. Siendo esta zona la asignada para el flujo peatonal hacia las

instalaciones.

5.3.2.- Nivel de radiación e insolación en la zona de trabajo.

Durante el año 2010 se realizo el monitoreo de la cantidad de radiación global que

existía en esta zona, se monitorearon los 365 días del año, mediante un piranometro,

propiedad del CINVESTAV del IPN. Del total de radiación que procede del Sol una parte

se recibe directamente (directa); y otra, proviene de la difusión y de las múltiples

reflexiones que sufre la radiación a su paso por la atmósfera (difusa). Se llama

radiación global a la suma de estas dos: la radiación directa, Q, y la difusa, q:


118

Radiación global = Q + q

Cuando no se encontraron datos de radiación mediante el piranometro, o los datos

obtenidos no eran muy significativos, que fue el caso más frecuente, se aplico la

fórmula Angstrom–Prescott, expresión que estima la radiación global a partir de los

valores de la radiación solar extraterrestre (RA,), de la insolación máxima posible (N) y

de la insolación medida en los observatorios (n):

Rg = Ra × [a + b × (n/N)] [MJ × m-2× día-1]

Ra : radiación solar extraterrestre [MJ × m-2× día-1]

n/N: insolación [adimensional]

n : número de horas de sol efectivas [h × día-1]

N : insolación máxima [h × día-1]

El cociente n/N es adimensional, por lo tanto los parámetros "n" y "N" deberán estar

siempre en las mismas unidades. También se encuentra en ocasiones el dato de

porcentaje de insolación, es decir, el cociente n/N ya calculado; en este caso se deberá

dividir entre 100 para pasar a tanto por uno y poder aplicar la fórmula. Las unidades de

la radiación solar al nivel del suelo serán las empleadas en la radiación solar

extraterrestre, para hacer las conversiones habrá que tener en cuenta que:

1 mm/día = 2,45 [MJ × m-2× día-1]

1 [cal × cm-2× día -1] = 0,04187 [MJ × m-2× día-1]

1 [cal × cm-2× día-1] = 0,0171 [mm × día-1]

Las constantes a y b de la ecuación pueden tomar un amplio rango de valores,

dependiendo de la localización, y pueden ser estimadas a partir de datos reales o a

partir de correlaciones establecidas en localizaciones próximas. Diversos autores han

obtenido diferentes valores de los parámetros "a" y "b". Valores que recogemos en la

siguiente tabla:


119

Tabla No.17.-Tabla. Valores de los parámetros a y b de la expresión de la radiación: Rg = Ra × (a + b ×

n/N)

La más utilizada en este proyecto es la de Doorenbos y Pruitt, que es también la

expresión empleada en el método de estimación de la evapotranspiración de

referencia de Penman-Montheit. Así determinamos la radiación promedio global para

la zona norte del Distrito Federal la cual esta representada en la tabla No 15, las

unidades utilizadas son Kwh/m2

Tabla No.18.-Radiacion

( ∑Kwh/m2)/12 = 6.72Kwh/m2

Ecuación No.-37 Radiación promedio

Con la finalidad de que mas adelante se determine la cantidad de paneles solares que

se utilizaran en el proyecto, se monitorio el tiempo de insolación durante los 365 días,

y se proyecto el promedio en la siguiente tabla, en horas por día.

Tabla No.19.-Insolacion

5.3.3.- El Panel solar.

En el capitulo II se modelo el colector solar ATERSA modelo A-280P con una potencia

de 280W, la cual se ha decidido implementar en el circuito final, ya que cumplió las


120

expectativas de los datos de placa, variando en un +3 o -3 % en las pruebas de

laboratorio.

Figura No. 70.-Dimencionamiento del colector solar

Tabla No.20.-Características del panel solar


121

5.3.3.1.- Determinando la cantidad de paneles solares a utilizar.

Para poder determinar el numero de paneles solares a utilizar, es necesario referirnos

a la tabla No. 15 que indica los valor de consumo de Potencia e Intensidad de

corriente, y tomando en estado ideal un Voltaje de 120v, por conexión. Para el cálculo

se tomaran los siguientes valores

Total Potencia en W: 34776.97

Total Intensidad de corriente en A: 289.81

Total Amperes por día: 1848.55

Para fines de calculo, la instalación tiene una necesidad de 1850 A. Se le aplicará un

20% de margen de seguridad, por lo tanto tenemos una necesidad de 2220 A por día.

Para seguir con el cálculo es necesario conocer las horas pico solar (HPS) al cabo del

día, las cuales podemos ver en la tabla No. 16 En forma mensual, por lo cual habrá que

determinar el valor promedio anual, el cual es de 7.46.

Una vez conocemos este valor, necesitaremos saber la intensidad máxima que puede

suministrar el colector solar, para lo cual podemos observarlo en la tabla de datos que

arrojo la simulación o en la placa del panel, ya que después del modelado se determino

la veracidad del mismo dato, Ipm= 7.84 A, de esta manera calculamos la energía pico

Ep:

Ep= Ipm x HPS= (7.84)(7.46) = 58.48 Ahd

Ecuación No.-38 Energía pico

Determinando el numero de paneles necesarios para energizar en su totalidad la

instalación (solo para fines de calculo, ya que se energizara al 50%), esto es, paneles=

Corriente necesaria / Energía pico

C=It/Ep= 2220/58.48 = 37.96 => 38 paneles

Ecuación No.-39 Numero de paneles solares


122

Como resultado podemos observar que se necesitan 38 paneles de 280w para cumplir

la demanda total del edificio, pero como la finalidad del proyecto es la de electrificar

solo el 50% de la carga total necesitaremos 19 paneles de 280w (ya mencionadas sus

características anteriormente).

5.3.3.2.- Estructura de soporte de las placas.

El bastidor es el encargado de sujetar el panel solar, y muchas veces será un kit de

montaje para instalarlo adecuadamente. En el caso de que no se suministrara en kit el

instalador lo realizará de acuerdo a la normativa existente, además de tener en cuenta

la fuerza del viento entre otras cosas. La estructura deberá soportar como mínimo una

velocidad del viento de 150 Km./h. Esta estructura es la que fijará la inclinación de los

paneles solares.

Hay varios tipos de estructuras: desde un simple poste que soporta 4 paneles solares,

hasta grandes estructuras de vigas aptas para aguantar varias decenas de ellos. Para

anclar estos paneles utilizaremos hormigón y tornillos de rosca (acero inoxidable),

siendo tanto la estructura como los soportes de acero inoxidable, hierro galvanizado o

aluminio anodinado, de un espesor de chapa 1mm y han de dejar una altura mínima

entre el suelo y el panel de 30cm, y en la montaña o lugares donde llueve mucho, algo

mayor, para evitar que sean alcanzados o enterrados por la nieve o el agua. No

obstante es recomendable consultar el reglamento electrotécnico de baja tensión

M.B.T. 039. Si se instalan mástiles, se tendrá que arriostrar, y si su base es de

hormigón, la reforzaremos con tiras de acero, o introduciendo piezas metálicas en el

hormigón cuando este esté blando, para que quede bien sujeto (éste es el método más

empleado). Pero si se montan las placas en postes, se utilizarán flejes de acero

inoxidable grapados o unidos con una hebilla del mismo material.

5.3.3.3.- diodos en una instalación fotovoltaica.

Los diodos son dispositivos electrónicos que solo permiten el paso de corriente

eléctrica a través de ellos en una sola dirección. Están formados por materiales


123

semiconductores al igual que las células fotovoltaicas. En las instalaciones fotovoltaicas

se emplean de dos maneras:

Diodos de bloqueo: impiden que las baterías se descarguen a través de los

paneles solares, cuando no hay luz suficiente para que se produzca energía

eléctrica. Cuando se instalan para realizar esta función, complementan una de

las funciones del regulador. Este tipo de montajes también sirve para evitar que

se invierta el flujo de corriente cuando en los paneles se produce alguna

sombra parcial.

Diodos de by-pass: protegen individualmente a cada de panel de posibles daños

ocasionados por sombras parciales, las cuales provocarían que ese panel se

comportara como receptor originando un sobre-esfuerzo en los demás

paneles. Deben ser utilizados, en instalaciones en las que los paneles se

dispongan en conexión serie.

Figura No. 71.-Conexión de los diodos de bloqueo

5.3.3.4.- Conexión del panel solar.

Uno de los principios fundamentales de funcionamiento de los paneles solares es la

forma de su conexión, Para eficientarlo, se realizaran conexiones es serie, como lo

muestra la figura No.72.


124

Figura No. 72.- Conexión de los paneles

5.3.3.5.- Orientación del colector solar.

La distancia mínima entre fila y fila está condicionada por la latitud de la ubicación de

la instalación debido a que el ángulo de incidencia solar varía con este parámetro. La

separación entre filas de módulos fotovoltaicos se proyecta de tal manera que al

mediodía solar del día más desfavorable (altura solar mínima) que corresponde al 21

de Junio, la sombra del punto superior de una fila se proyecte, como máximo, sobre el

punto inferior de la fila siguiente, Así mismo utilizamos la ecuación 38, para obtener el

ángulo optimo de orientación.

Figura No. 73.-Angulo de incidencia

Módulos de

paneles

solares


125

Ecuación No.-40 Calculo del ángulo

Donde:

: Ángulo de incidencia formado por la normal a la superficie y el rayo incidencia de

ella.

L: Latitud del punto de la superficie terrestre considerado, el cual es el ángulo que

forma el radio terrestre que pasa por dicho punto con el ecuador. Esta comprendido

entre -90o = L = 90o.

: Ángulo de inclinación

: Ángulo horario

: Declinación

La radiación total sobre una superficie inclinada a partir de la radiación horizontal

considerando períodos relativamente cortos, por ejemplo de una hora, se obtiene de:

Ecuación No.-41 Radiación solar sobre el plano

: Radiación total sobre una superficie inclinada.

: Componente directa de la radiación sobre el plano horizontal.

: Componente difusa de la radiación solar sobre el plano horizontal.

: Relación entre la componente directa de la radiación solar sobre una superficie

inclinada y la radiación directa sobre una superficie horizontal.

Sin embargo, en los cálculos de las aportaciones solares recibidas por la superficie

captadora se hace necesario conocer la relación R entre la radiación media diaria

mensual recibida por la superficie captadora y la radiación media diaria

mensual H recibida por una superficie horizontal. Es decir,


126

Ecuación No.-42 Media de cálculo

El procedimiento para el cálculo de R media es análogo al de R,

Ecuación No.-43 Cálculo de R

Donde:

Ecuación No.-44 Cálculo de H

Siendo RDmdia la relación entre la radiación directa media diaria en el mes considerado,

recibida en la superficie inclinada y la recibida en una superficie horizontal.

La tabla 1 muestra los resultados de los cálculos del valor medio mensual de la

radiación incidente sobre un plano (Ht) para diferentes ángulos ( ) de inclinación en

Kwh/m² en Imías,

Tabla No.21.-Rendimiento según inclinación


127

Podemos observar que tomara una inclinación de 18ª, y al encontrarnos en el

hemisferio norte, los paneles serán orientados hacia el hemisferio sur..

.

5.3.4.- Batería.

Como se realizo en el capitulo III el modelado de la batería, solo es necesario

determinar el numero de módulos necesarios, para ello solo es necesario determinar la

intensidad en Amper/hora, la cual se determino en la tabla No.15 y es con un valor de

2220 A, para la carga total, al alimentar el 50% de la carga por los paneles solares se

tomara el dato de 1110 A.

Cabe mencionar que en el modelado de la batería solo se modelo una batería, pero

para fines de diseño se utilizaran dos módulos de baterías, pero que al final tendrán el

mismo comportamiento solo que se integran en módulos para controlar el espacio de

ubicación. Se integraran dos módulos de baterías de plomo-acido, abiertas de ciclo

profundo, de la marca EnerSystem modelo 6E95-7 con una descarga de 270 Ah y 12v,

así como un modulo modelo 6E120-15 con una descarga de 870 Ah y 12 v.

Figura No. 74.-Modulo de baterías


128

5.3.4.1.- Conexión de los bancos de batería.

Para realizar la conexión de los dos módulos de baterías, es necesario saber que

necesitamos, aumentar el voltaje o aumentar el Amperaje del sistema de

almacenamiento. Para nuestra demanda es necesario aumentar el valor de la carga es

decir el valor de los A y de el Voltaje, en este caso se propone un arreglo de conexión

en serie-paralelo como lo muestra la siguiente figura.

Figura No. 75.-Conexión de la batería

5.3.4.2.-Regulador de batería.

Como ya se vio en el modelado, se utilizara un regulador seguidor de la marca ATERSA,

modelo MPPT-80C. El Atersa MPPT es un cargador de baterías solar con una alta

fiabilidad y cuya característica más importante es maximizar la energía capturada por

el conjunto fotovoltaico en la batería mediante el uso de avanzada tecnología de

seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT).

La unidad incorpora una protección para evitar la carga excesiva o insuficiente de la

batería. La amplia gama de tensiones de entrada del conjunto y tensiones de salida de

la batería están bien aplicadas al sistema solar para permitir que el planificador del

sistema produzca la máxima energía solar. El conjunto fotovoltaico de entrada del

MPPT-80C puede conectarse en el rango de 16~112 V CC nominales. La tensión de


129

salida de la batería se acepta desde 12 hasta 48 V CC nominales. Después de conectar

y poner en funcionamiento la unidad, el sistema inteligente de registro de datos

puede hacer un seguimiento del estado de carga (SOC) de la batería y la energía

capturada producida a lo largo de los días.

Figura No. 76.-Regulador

Para la distribución de nuestro sistema es necesario realizar la conexión de tres

módulos en paralelo como lo muestra el Plano 5, el cual muestra la forma de unión de

los sistemas de carga.

5.3.5-. El inversor y conexión a la red.

Como ya se menciono en el modelado, el inversor a utilizar será de la marca TAURO,

modelo BC 1524, que cumplió las expectativas del modelado siendo este un

convertidor estándar de 24v de CC a 120v de CA.

Figura No. 77.-Inversor y conector a red


130

Es necesario realizar un arreglo en paralelo del inversor, debido la carga de corriente

del circuito según especificaciones del fabricante, la conexión podemos observarla en

el Plano 5-a donde se muestran los 2 paneles conectados en paralelo mediante un

modulo de conexión externa como el que se muestra en la siguiente figura

Figura No. 78.-Placa de interconexión

Este dispositivo tiene entre su configuración, el sistema de conexión a la red, mediante

un sensor de pico de corriente el cual realizara la labor de cambio de direccionamiento

del flujo eléctrico.

5.4.- Otros cálculos.

Como podemos observar el Plano 6 muestra la integridad final del sistema

fotovoltaico, pero es necesario realizar algunos cálculos donde determinaremos los

esfuerzos que tiene que soportar nuestro sistema, ya sea por el medio ambiente u

otros factores externos.

5.4.1.- Esfuerzos sobre el panel.

Los esfuerzos que tendrá que soportar la estructura serán debidos a la acción del

viento que pueda incidir, al peso propio de las placas. Tal como están instaladas las

placas a nivel del piso, es muy difícil que el viento incida sobre las mismas. Es necesario

recodar que las placas están con orientación Sur, y por lo tanto cuando el viento viene


131

del Norte (que es cuando sopla con más intensidad), la incidencia será mínima. El caso

de mayor incidencia será cuando el viento venga del Oeste, situación muy normal en la

situación geográfica de la instalación. El viento ni por arriba, ni por abajo no puede

venir con tanta fuerza como en el primer caso, debido a la inclinación de la cubierta.

Las cargas consideradas en cada caso son:

g = 0,15 KN/m2 (carga propia debido al peso).

c = 0,50 KN/m2 (carga debido al viento).

Se dispondrá de un elemento de unión entre la estructura y la cubierta. Este

elemento de unión se trata de una pieza de acero inoxidable que se adapta a la placa y

se sujeta a ella mediante cuatro tornillos de acero inoxidable.

A partir de los esfuerzos a soportar se calcula la distancia mínima tolerable entre

soportes en relación a las tensiones de tracción máximas, siendo el valor calculado de

1,5 metros.

Pendiente del plano 20º sen = 0,34

Carga presente por 1 metro lineal Altura del módulo 1,00 metro

Carga propia Fvg = 0,166 x 1,00 x 1,00 x 0,5 = 0,083 KN/m.

Módulos Fvgy = 0,083 x 0,931 = 0,077 KN/m.

Fvgx = 0,083 x 0,34 = 0,0282 KN/m.

Carga por viento

Wd = 0,50 x 1 = 0,5 KN/m2.

Wdy = 0,05 x 1,00 x1,00 /2 = 0,25 KN/m2.

Wdv = 0,25 x 0,931 = 0,23 KN/m2.

Whd = 0,25 x 0,34 = 0,08 KN/m2.

Aspiración por viento

WS = 0,50 X – 0,1 = -0,05 KN/m2 (suponiendo una separación de 10cm.).

Wsy = -0,05 x 1,00 x 1,00/2 = - 0,025 KN/m2.


132

Wsv = -0,025 x 0,931 = - 0,023 KN/m2.

Wsh = -0,025 x 0,34 = - 0,0085 KN/m2.

Momento de resistencia del portante: Wx = 2,945 cm3 Wy = 2,960 cm3.

Momento de Inercia del portante: Ix = 5,8907 cm4. Iy = 5,9206 cm4.

Distancia máxima tolerable de luz de los portantes longitudinales en relación a las

tensiones tolerables:

Cargas por caso: Peso propio + Presión por viento (fuerte)

Fvy = 0,077 + 0,23 = 0,307KN/m

L tolerable = 2,12 m.

Cargas por caso: Aspiración por viento

Fvy = 0,077 + -0,023 = -0,054 KN/m.

Fvx = 0,028 = 0,028 KN/m

L tolerable = 15,8 m.

Distancia máxima tolerable de luz de los portantes longitudinales en relación a la flecha

tolerable.

L tolerable = 2,12 m > 1,5 m

Fijación a la cubierta de chapa ondulada: (cuatro tornillos por cada pieza)

Máx. H = 1,50 x 0,47 = 0,705 KN (carga conjunta 4)

Por punto de fijación: = 0,705/4 = 0,176 KN

Máx. V (tracción) = 1,50 x 0,087 = 0,1305 KN(carga conjunta 4)

Resultante R = ,219 KN ( por punto de fijación)

5.4.2.- Cálculos eléctricos.

A nivel de instalación eléctrica se han calculado las secciones de los conductores para

que las intensidades y las caídas de tensión no superiores al 3 %. También para el

cálculo de los conductores se han considerado las potencias resultantes en los


133

diferentes ramales que componen la instalación, con las que podemos calcular la

intensidad. Con la intensidad nominal, y según el tipo de cable, se ha elegido una

sección tal que la intensidad admisible no supere la intensidad nominal. Una vez hecha

una primera estimación de la sección calcularemos la caída de tensión resultante.

Aunque el valor máximo de la caída de tensión admitida por el Reglamento es del 5%,

el valor máximo fijado en este proyecto es del 3,5 %, a fin de reducir al máximo las

perdidas de la instalación.

Utilizaremos las siguientes expresiones:

Ecuación No.-45 Pérdidas de I

Sistema monofásico

Ecuación No.-46 Sistemas monofásicos

Donde:

Pc = Potencia de Cálculo en V.

L= Longitud de Cálculo en metros.

e = Caída de Tensión en V.

K = Conductividad. Cobre 56. Aluminio 35.

I = Intensidad en Amperios.

U = Tensión de servicio en V

S = Sección del conductor en mm2.

Cos θ = Coseno del Factor de potencia.

R = Rendimiento.

N = Nº de conductores por fase.


134

Xu = Reactancia por unidad de longitud.

Se han tomado como base las siguientes expresiones:

Ecuación No.-47 Intensidades

Ecuación No.-48 Caída de tensión

Siendo:

P : Potencia activa [ W ]

U : tensión [ V ]

I : Intensidad [ A ]

Cos θ : Factor de potencia ( valor 1 )

A U : Caída de Tensión

I : Longitud de la Línea

S : Sección del conductor [mm2]

λ : conductividad del conductor ( en este caso cobre = 56 )

Los cables utilizados tendrán las siguientes características:

Modelo TITANEX 11 HO7RM

Tensión 0,6/1 KV UNE 21123

Material Cobre ( C u )

Conductividad 56 m/Ω· mm2

Resistividad 0,017 Ω· mm2/m

Aislamiento XLPE, PVC/A y PVC T 1.1

Tabla No.22.-Parámetros eléctricos de los cables


135

Para realizar los cálculos eléctricos se ha considerado la situación más crítica. En estas

condiciones la tensión entre los terminales de las placas es de 29,8 V y la intensidad

que circula es de 7,2 A. Como se explica en este capitulo los paneles están distribuidas

en 4 series de 5 paneles. Se unen mediante dos cajas de conexión para acabar

conectando con el inversor para la conversión de corriente continua en corriente

alterna. Para hacer los cálculos, la instalación se ha dividido en diversos tramos y se ha

estudiado la intensidad tensión y caída de tensión asociada.

El tramo 1 es el que une los paneles en serie. El tramo 2 es el que une esa serie con la

caja de conexión. El tramo 3 el que une la primera caja con la segunda. El tramo 4 es el

que une la segunda caja con el inversor. El tramo 5 une el inversor con los centros de

Transformación. Las intensidades máximas de los cables se consideran en condiciones

de 40º C enterrados.

Tabla No.23.-Cálculos eléctricos

La caída de tensión total calculada corresponde por tanto al caso más desfavorable, a

partir de los cálculos obtenidos se puede comprobar que las caídas de tensión y las

intensidades de los conductores no superen los límites establecidos en el Reglamento

Electrotécnico de Baja T. Las perdidas por el efecto Joule en la instalación se calculan

con la expresión. P = I 2 · R


136

Tabla No.24.-Calculo por tramo

5.5.- Mantenimiento.

El mantenimiento de una instalación solar fotovoltaica es escaso. Este se reduce

prácticamente a la limpieza de los módulos, revisión de las conexiones y de los

elementos de seguridad. En algunas situaciones puede necesitarse la desconexión de la

red por lo que pueden producirse pequeñas perdidas. Para garantizar una alta

productividad de la instalación, es esencia reducir los periodos de paro del sistema

causado por una avería o un mal funcionamiento. Por esta razón es necesaria una

buena supervisión del sistema por parte del usuario con una buena asistencia del

servicio técnico.

Las operaciones de mantenimiento del generador fotovoltaico son:

Limpieza periódica de los módulos una vez al año

Vigilancia del inversor (Leds, indicadores de estado y alarmas) en diferentes

condiciones de irradiación solar

Control de las conexiones eléctricas y del cableado de los módulos.

Inspección visual de los módulos para comprobar roturas de vidrio, penetración

de humedad en el interior del módulo, fallos de conexionado en el caso de que

se produzcan averías.


137

Otras de las cuestiones de fondo será la comprobación de los elementos de

protección eléctrica para la seguridad personal y el funcionamiento de la

instalación. En general, se revisarán todos los equipos, cableado, conexiones y

estructuras soporte.

El objetivo del mantenimiento es prolongar la vida útil del sistema, asegurando además

el funcionamiento y productividad de la instalación, en el caso de Instalaciones

conectadas a la red mejora la retribución económica de la producción.

5.6.- Impacto ambiental.

Las instalaciones de conexión a red tienen un impacto medioambiental que podemos

considerar prácticamente nulo. Si analizamos diferentes factores, como son el ruido,

emisiones gaseosas a la atmósfera, destrucción de flora y fauna, residuos tóxicos y

peligrosos vertidos al sistema de saneamiento, veremos que su impacto, solo se

limitará a la fabricación pero no al funcionamiento.

5.7.- Costos.

Tabla No.25.- Costos generados


138

Como podemos percatarnos, la inversión inicial en la actualidad es grande pero a su

vez rentable, si consideramos que el ahorro mensual será del 50% del pago total

($18,351.50 M.N.) esto se reflejaría en un ahorro de $9175.75.00 M.N., que

anualmente se reflejaría en un ahorro de $110,109.00 M.N de $220,228 M.N. anuales.

Tomando en cuenta que la vida útil del proyecto es de 30 años podemos determinar el

costo anual del proyecto lo cual es:

Costo Proyecto Por Año= $405733.2 / 30 años = $13,524.44 M.N.

Esto es que el proyecto costaría por año de vida $13,524.44 M.N.

Aunque en realidad no existe una ley como vimos en el capitulo I, que nos permita

vender energía eléctrica a CFE, se podría convertir la energía que regresamos a la línea

de transmisión, y la carga eléctrica que consumimos de los módulos solares en bonos

verdes, o también conocidos en bonos de carbono.

Dichos bonos se pueden determinar con los siguientes parámetros:

4.895.902gr de CO2 emitidos a la atmósfera por generación de 1KW de

electricidad

1 Ton de CO2 no emitida tiene un valor de 4.5 dólares

Si nuestra generación de KW es de 4474.47 Kw al mes se dejarían de emitir 21,906.56

Ton de CO2 al mes, lo cual se convierte en bonos de carbono con un valor de

98,579.52 dólares mensuales.

5.8.- Conclusiones del capitulo

Podemos destacar la viabilidad del proyecto, aunque los costos de instalación son

elevados, la retribución al medio ambiente y la económica a largo plazo son factores

que favorecen su instalación.

CONCLUSIONES

139

CONCLUSIONES En la presente memoria, se ha descrito el modelado y diseño de un sistema de energía eléctrica mediante la aplicación de la Energía solar fotovoltaica por la conexión a la red de baja tensión y con un sistema de almacenamiento por baterías, con el objeto de auto satisfacer las necesidades energéticas así como vender la electricidad generada por el sistema la cual puede ser pagada mediante bonos de carbono. Esta instalación cumplirá las normas de las instalaciones de Baja Tensión, así como las medidas de seguridad que le sean de aplicación. Las posibilidades de integración de este sistema de tecnología en el edificio del estudio caso o de cualquier edificación son muy variadas, hoy en día existen múltiples opciones arquitectónicas posibles, así como gran variedad de soluciones. En este proyecto se ha analizado la opción mas viable que era la de integrar el sistema fotovoltaico fuera de la edificación para aprovechar al máximo el espacio y no afectar los captadores fluviales. En el propio desarrollo del proyecto no se ha buscado exclusivamente la producción energética, si no que además se ha tenido en cuenta la armonía con el medio ambiente, utilizando componentes de gran durabilidad y que se puedan reciclar cuando terminen su nivel de vida optimo. Como conclusión final debemos incidir que el camino de las energías renovables está en marcha y como que está aceptado por todo el mundo, que el cambio climático viene a consecuencia de la emisión de los gases de efecto invernadero, gran parte de ellos provenientes de la generación de energía. Es lógico suponer que el sector fotovoltaico experimentará un gran impulso en los próximos años, con el consiguiente beneficio ecológico y al mismo tiempo abrirá un gran abanico de posibilidades a la industria fotovoltaica y a los inversores públicos o privados que apuesten por está tecnología.

BIBLIOGRAFIA

140

BIBLIOGRAFIA Referencias bibliográficas consultadas:

ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA. M.Castro PROGENSA (Promotora General de Estudios)

INSTALACIONES SOLARES FOTOVOLTAICAS. E.Alcor, Cuarta Edición (PROGENSA).

SISTEMAS FOTOVOLTAICOS. Introducción al diseño y dimensionado S.A.P.T. Publicaciones

Instalaciones Eléctricas en Media y Baja Tensión, José García Trasancos, ed. Paraninfo.

Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones Conectadas a Red, IDAE 2002.

Energía Solar en España 2007. Estado Actual y Perspectivas. IDAE 2007.

Proyecto de fin de carrera “Estudio de Viabilidad Técnica y Económica de una Instalación Fotovoltaica de 1,1MW Conectada a Red”. Jorge Breva Domínguez, Enero 2009.

Programas informáticos utilizados:

Software SIMULINK.

Software MATLAB.

Software AUTOCAD.

Software GOOGLE EARTH. Páginas Web :

www.atersa.com (Material fotovoltaico; módulos solares, inversores...)

www.kyocera.com (Material fotovoltaico; módulos solares, inversores...)

www.bp.com (Material fotovoltaico; módulos solares, inversores...)

www.famatel.com (Armarios y cajas estancas)

www.unex.com (Canaletas y bandejas para instalaciones eléctricas)

www.gave.com (Material eléctrico)

www.proat.net (Material eléctrico)

www.abb.com (Material eléctrico)

ANEXOS

Ing. Mario González Planta de piso

Diseño Proyecto

No. De Diagrama Fecha De Elaboración

16/03/11

Instituto Politécnico Nacional ESIA, Ciencias de la Tierra 1-a

Ing. Mario González Dimensión del área

Diseño Proyecto


16/03/11

Instituto Politécnico Nacional ESIA, Ciencias de la Tierra 1

Ing. Mario González Sistema de conexión a baterias

Diseño Proyecto


16/03/11

Instituto Politécnico Nacional ESIA, Ciencias de la Tierra 5-a

Ing. Mario González Sistema de conexión de carga

Diseño Proyecto


16/03/11

Instituto Politécnico Nacional ESIA, Ciencias de la Tierra 5

Ing. Mario González Sistema fotovoltaico

Diseño Proyecto


16/03/11

Instituto Politécnico Nacional ESIA, Ciencias de la Tierra

6

MAESTRIA EN GEOCIENCIAS Y ADMINISTRACION … mis sobrinos Dante, Jonathan y Erick, aunque el camino sea largo en la búsqueda del conocimiento y a veces parezca difícil, nunca se

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