de distribución

Facultad de Ingeniería Eléctrica

Departamento de Electroenergética

Trabajo de Diploma Título: La Penetración Fotovoltaica en las redes

De Distribución.

Autor: José Javier García Gattorno.

Tutor: Dr.C.Leonardo Casas Fernández

Santa Clara

2009 Año 50 del Triunfo de la Revolución

La Penetración Fotovoltaica en les Redes de Distribución

2


PENSAMIENTO

Cuán extraordinaria es la situación de los mortales.

Cada uno de nosotros está aquí por una breve temporada,

no sabemos con qué fin, aunque a veces creemos percibirlo.

Es cierto que existimos para nuestros semejantes,

en especial para aquellos de cuya sonrisa y bienestar

depende nuestra felicidad.

A. Einstein

3


4


5

TAREA TÉCNICA

• Revisión bibliográfica del tema.

• Elegir herramientas para el estudio.

• Elaboración del experimento en circuitos reales de la ciudad de Santa

Clara.

• Análisis de los resultados obtenidos.

• Confección del informe.


6


RESUMEN.

En lo últimos años ha comenzado una búsqueda de nuevas fuentes de energía

debido al alto precio de los combustibles fósiles y a su efecto sobre el medio

ambiente. Teniendo en cuenta dicho problema, se ha hecho énfasis en las

fuentes renovales de energía entre las que se encuentran la energía solar, la

eólica y la hidráulica, entre otras. La energía fotovoltaica presenta grandes

perspectivas en la generación de electricidad, por su gran flexibilidad en su

empleo e instalación.

En la actualidad los sistemas fotovoltaicos no son rentables por el alto costo de

la inversión, pero con el desarrollo que se ha venido alcanzando con la

aplicación de nuevos materiales y el incremento de la eficiencia de las celdas

solares se prevé que su utilidad será cada vez mayor.

En este trabajo se evalúa la introducción de generadores fotovoltaicos en un

grupo de circuitos reales de distribución para las condiciones de Cuba,

empleando para ello el sistema RADIAL, donde se pudo comprobar que se

alcanza además de un importante nivel de generación y una reducción de las

pérdidas de energía.

7


TABLA DE CONTENIDOS INTRODUCCION. CAPITULO 1 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS…. 12 1.1 Aspectos Generales de los Sistemas Fotovoltaicos……………………… 12 1.2 Breve desarrollo histórico sobre el uso de la energía solar……………… 13

1.3 Las cuatro generaciones de células fotovoltaicas………………………… 15

1.4 Factores de eficiencia de una célula solar…………………………………. 17

1.5 La energía fotovoltaica y el medio ambiente………………………………. 19

1.6 La energía solar en Cuba……………………………………………………. 22

1.7 Usos de las celdas fotovoltaicas……………………………………………. 23

1.8 Sistemas Fotovoltaicos conectados a la red………………………………. 25

1.8.1 Características del sistema Fotovoltaico conectados a la red………… 26

1.8.2 Componentes de un sistema fotovoltaico conectado a la red………… 28

CAPITULO 2 INFLUENCIA DE LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS EN LA RED….……………………………………………………………………….…….. 32 2.1 Los sistemas fotovoltaicos y las pérdidas en la red………………………. 32

2.2 Influencia de la Generación Distribuida en la calidad de servicio……….. 36

2.3 Costos………………………………………………………………………….. 37

2.4 Tendencias de la energía fotovoltaica…………………………………….. 40

2.5 Armónicos……………………………………………………………………... 42

CAPÍTULO 3 LA PENETRACION DE LAS CELDAS FOTOVOLTAICAS EN LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCION PRIMARIA…………………………… 45 3.1 Simulación de conexión a red de módulos fotovoltaicos………………… 45

3.2 Las celdas fotovoltaicas y los capacitores en las redes de distribución

primaria………………………………………………………………………..…… 49

CONCLUSIONES………………………………………………………………… 52 RECOMENDACIONES………………………………………………………….. 54 BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………... 56

8


9


10

INTRODUCCIÓN Los problemas relacionados con la energía mantienen a la humanidad en

constante expectativa, ya sea por los altos costos de los combustibles fósiles,

el agotamiento de los mismos en un futuro no lejano, los niveles de

contaminación ambiental y sus efectos ya palpables a escala planetaria, así

como las guerras y movimientos sociales relacionados con la posesión de las

fuentes. Estos y otros problemas relacionados han motivado una incesante

búsqueda de alternativas que pudieran paliar la carencia energética en un

momento dado y por ello los programas de ahorro y uso eficiente de los

combustibles tradicionales y la combinación de éstos con otras fuentes,

principalmente las de carácter renovable han estado entre las opciones más

trabajadas en las diferentes partes del mundo.

En los últimos tiempos la generación distribuida ha venido ganando en escala y

en nuestro país se ha extendido ampliamente como una solución a la

estabilidad energética ante fenómenos naturales. Cuando este sistema se

combina con fuentes naturales o renovables sus efectos pueden ser

incrementados. Tal es el caso de la energía solar la cual es un recurso que en

nuestro país por la posición geográfica resulta abundante y debe ser

aprovechado.

En el presente trabajo abordamos la generación distribuida a partir del empleo

de generadores fotovoltaicos, pero evaluando su inserción dentro de la red de

distribución, lugar en que es posible aprovechar sus virtudes de energía limpia

con su relativa facilidad de instalación próxima al consumo.

OBJETIVO DEL TRABAJO: • Cuantificar el efecto técnico de los paneles solares en las redes de

distribución primaria.


11


CAPÍTULO 1: INTROCUCCIÓN A LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS. 1.1 Aspectos Generales de los Sistemas Fotovoltaicos El efecto fotovoltaico (FV) es la base del proceso mediante el cual una célula

fotovoltaica convierte directamente la luz en electricidad.

La luz solar está compuesta por fotones, o partículas energéticas, poseedores

de diferentes energías, correspondientes a las diferentes longitudes de onda

del espectro de la luz solar. Cuando los fotones inciden sobre una célula FV,

pueden ser reflejados, absorbidos o pueden pasar a través de ella; únicamente

los fotones absorbidos generan electricidad. Cuando un fotón es absorbido, su

energía se transfiere a un electrón de un átomo de la célula, siendo éste capaz

de escapar de su posición normal asociada con un átomo dado para formar

parte de una corriente en un circuito eléctrico.

Las partes más importantes de la célula solar son las capas de

semiconductores, por ser donde se crea la corriente de electrones. Estos

semiconductores son especialmente tratados para formar dos capas

diferentemente dopadas (tipo p y tipo n) formando un campo eléctrico, positivo

en una parte y negativo en la otra. Cuando la luz solar incide en la célula se

liberan electrones que pueden ser atrapados por el campo eléctrico, formando

una corriente eléctrica siendo esta la razón por la que las células se fabrican

a partir de este tipo de materiales, es decir, materiales que actúan como

aislantes a bajas temperaturas y como conductores cuando se aumenta la

energía.

Figura 1.1: Esquema del principio de funcionamiento de una celda solar.

12


Desdichadamente no hay un tipo de material ideal para todos los tipos de

células y aplicaciones. Además de los semiconductores, las células solares

están formadas por una malla metálica superior u otro tipo de contracto para

recolectar los electrones del semiconductor y transferirlos a la carga externa y

un contacto posterior para completar el circuito eléctrico. También en la parte

superior de la célula hay un vidrio u otro tipo de material encapsulante

transparente para sellarla y protegerla de los factores ambientales, y una capa

antireflexiva para aumentar el número de fotones absorbidos.

El rendimiento de conversión, esto es, la proporción de luz solar que la célula

convierte en energía eléctrica, es fundamental para la aplicación de los

dispositivos fotovoltaicos, ya que el aumento del rendimiento hace de la

energía solar FV sea más competitiva que otras fuentes (por ejemplo la

energía de origen fósil).

Las células, conectadas unas con otras, encapsuladas y montadas sobre una

estructura soporte o marco, conforman un módulo fotovoltaico. Los módulos

están diseñados para suministrar electricidad a un determinado voltaje

(normalmente 12 ó 24 V). La corriente producida por la celda depende del nivel

de luz solar recibida. Los módulos fotovoltaicos producen corriente continua

(DC) y pueden ser conectados en serie o en paralelo para producir cualquier

combinación de corriente y tensión.

La estructura del módulo protege a las células del medioambiente y son muy

duraderas y fiables. Aunque un módulo puede ser suficiente para muchas

aplicaciones, dos o más módulos pueden ser conectados para formar un

generador FV. [3]

1.2 Desarrollo histórico sobre el uso de la energía solar. El aprovechamiento energético del sol se viene realizando desde los

comienzos de la humanidad. La elección de la ubicación de

refugios/edificaciones y su orientación para lograr el máximo aprovechamiento

térmico del sol, fue conocido por las culturas más ancestrales. De igual forma,

los materiales con cualidades para retener el calor obtenido por la radiación

diurna y los materiales aislantes para evitar la pérdida calorífica han sido

también utilizados en todos los pueblos de la tierra ateniéndose a la variedad

13


14

existente de los mismos, en función de las peculiaridades climáticas en donde

se encontraban inmersos. El desarrollo de la arquitectura a lo largo de las

diferentes épocas, ha realizado una utilización amplia de sistemas de ganancia

directa o pasivos. De igual manera, la arquitectura popular ha sabido captar las

especificidades del entorno y ha acomodado a éstas las edificaciones y sus

necesidades térmicas.

El término fotovoltaico proviene del griego φώς:phos, que significa “luz” y

voltaico, que proviene del campo de la electricidad, en honor al físico italiano

TAlejandro Volta T, (que también proporciona el término voltio a la unidad de

medida de la diferencia de potencial en el TSistema InternacionalT de medidas).

El término fotovoltaico se comenzó a utilizar en Inglaterra desde el año 1849. El

efecto fotovoltaico fue reconocido por primera vez en 1839 por el físico francés

TBecquerelT, pero la primera célula solar no se construyó hasta 1883. Su autor

fue TCharles FrittsT, quien recubrió una muestra de Tselenio T con ToroT para formar el

empalme. Este primitivo dispositivo presentaba una eficiencia de sólo un 1%.

TRussell OhlT patentó la célula solar moderna en el año 1946, aunque TSven Ason

Berglund T había patentado, con anterioridad, un método que trataba de

incrementar la capacidad de las células fotosensibles. La era moderna de la

tecnología de potencia solar no llegó hasta el año 1954 cuando los

Laboratorios Bell, descubrieron, de manera accidental, que los

semiconductores de silicio dopado con ciertas impurezas, eran muy sensibles a

la luz.

La antigua Unión Soviética lanzó su primer Tsatélite espacial T en el año 1957, y

los EEUU un año después. Estos avances contribuyeron a la fabricación de la

primera célula solar comercial con una conversión de la energía solar de,

aproximadamente el 6%.

La primera nave espacial que usó paneles solares fue el satélite

norteamericano TVanguard 1 T, lanzado en marzo de 1958. Este hito generó un

gran interés en la producción y lanzamiento de satélites Tgeoestacionarios T para

el desarrollo de las comunicaciones, en los que la energía provendría de un

dispositivo de captación de la luz solar. Fue un desarrollo crucial que estimuló

la investigación por parte de algunos gobiernos y que impulsó la mejora de los

paneles solares.


En 1970 la primera célula solar con heteroestructura de arseniuro de galio

(GaAs) y altamente eficiente se desarrolló en la extinta URSS por Zhore Alferov

y su equipo de investigación.

La producción de equipos de deposición química de metales por vapores

orgánicos o MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition), no se

desarrolló hasta los años 80 del siglo pasado, limitando la capacidad de las

compañías en la manufactura de células solares de arseniuro de galio. La

primera compañía que manufacturó paneles solares en cantidades industriales,

a partir de uniones simples de GaAs, con una eficiencia de AM0 (Air Mass

Zero) del 17% fue la norteamericana ASEC (Applied Solar Energy Corporation).

La conexión dual de la celda se produjo en cantidades industriales por ASEC

en 1989, de manera accidental, como consecuencia de un cambio del GaAs

sobre los sustratos de GaAs a GaAs sobre sustratos de germanio.

El dopaje accidental de germanio (Ge) con GaAs como capa amortiguadora

creó circuitos de voltaje abiertos, demostrando el potencial del uso de los

sustratos de germanio como otras celdas. Una celda de uniones simples de

GaAs llegó al 19% de eficiencia en 1993. ASEC desarrolló la primera celda de

doble unión para las naves espaciales usadas en los EEUU, con una eficiencia

de un 20% aproximadamente.

Estas celdas no usan el germanio como segunda celda, pero usan una celda

basada en GaAs con diferentes tipos de dopaje. De manera excepcional, las

células de doble unión de GaAs pueden llegar a producir eficiencias del orden

del 22%. Las uniones triples comienzan con eficiencias del orden del 24% en el

2000, 26% en el 2002, 28% en el 2005, y han llegado, de manera corriente al

30% en el 2007. En 2007, dos compañías norteamericanas Emcore

Photovoltaics y Spectrolab, producen el 95% de las células solares del 28% de

eficiencia. [3]

1.3 Las cuatro generaciones de células fotovoltaicas.

1. La primera generación de células fotovoltaicas consistía en una gran

superficie de cristal simple. Una simple capa con unión diodo p-n, capaz

de generar energía eléctrica a partir de fuentes de luz con longitudes de

onda similares a las que llegan a la superficie de la Tierra provenientes

15


del Sol. Estas células están fabricadas, generalmente, usando un

proceso de difusión con obleas de silicio. Esta primera generación

(conocida también como células solares basadas en oblea) es

actualmente la tecnología dominante en la producción comercial y

constituyen, aproximadamente, el 86% del mercado de células solares

terrestres.

2. La segunda generación de materiales fotovoltaicos se basa en el uso de

depósitos epitaxiales muy delgados de semiconductores sobre obleas

con concentradores. Hay dos clases de células fotovoltaicas epitaxiales:

las espaciales y las terrestres. Las células espaciales, usualmente,

tienen eficiencias más altas al 28 y 30%, pero tienen un costo más alto.

En las terrestres la película delgada se ha desarrollado usando procesos

de bajo costo, pero tienen una eficiencia del 7 al 9%, más baja, y, por

razones evidentes, se cuestionan para aplicaciones espaciales.

3. La tercera generación de células fotovoltaicas que se están proponiendo

en la actualidad son muy diferentes de los dispositivos semiconductores

de las generaciones anteriores, ya que realmente no presentan la

tradicional unión p-n para separar los portadores de carga

fotogenerados. Para aplicaciones espaciales, se están estudiando

dispositivos de huecos cuánticos (puntos cuánticos, cuerdas cuánticas,

etc.) y dispositivos que incorporan nanotubos de carbono, con un

potencial de más del 45% de eficiencia. Para aplicaciones terrestres, se

encuentran en fase de investigación dispositivos que incluyen células

4. fotoelectroquímicas, células solares de polímeros, células solares de

nanocristales y células solares de tintas sensibilizadas.

5. Una hipotética cuarta generación de células solares consistiría en una

tecnología fotovoltaica compuesta en las que se mezclan,

conjuntamente, nanopartículas con polímeros para fabricar una capa

simple multiespectral. Posteriormente, varias capas delgadas

multiespectrales se podrían apilar para fabricar las células solares

multiespectrales definitivas. Células que son más eficientes, y baratas.

Basadas en esta idea, y la tecnología multiunión, se han usado en las

misiones de Marte que ha llevado a cabo la NASA. La primera capa es

16


17

la que convierte los diferentes tipos de luz, la segunda es para la

conversión de energía y la última es una capa para el Tespectro infrarrojoT.

De esta manera se convierte algo del Tcalor T en TenergíaT aprovechable. El

resultado es una excelente célula solar compuesta. [3]

T1.4 Factores de eficiencia de una célula solar.T

TPunto de máxima potencia T

Una placa o célula solar puede operar en un amplio rango de voltajes e

intensidades de corriente. Esto puede lograrse variando la resistencia de la

carga, en el circuito eléctrico, por una parte, y por la otra variando la irradiación

de la célula desde el valor cero (valor de cortocircuito) a valores muy altos

(circuito abierto) y se puede determinar el punto de potencia máxima teórica, es

decir, el punto que maximiza V y tiempo frente a I, o lo que es lo mismo, la

carga para la cual la célula puede entregar la máxima potencia eléctrica para

un determinado nivel de radiación.

El punto de potencia máxima de un dispositivo fotovoltaico varía con la

iluminación incidente. Para sistemas bastante grandes se puede justificar un

incremento en el precio con la inclusión de dispositivos que midan la potencia

instantánea por medida continua del voltaje y la intensidad de corriente (y de

ahí la potencia transferida), y usar esta información para ajustar, de manera

dinámica, y en tiempo real, la carga para que se transfiera, siempre, la máxima

potencia posible, a pesar de las variaciones de luz, que se produzcan durante

el día.

TEficiencia en la conversión de energíaT.

La eficiencia de una célula solar ( TηT), es el porcentaje de potencia convertida en

energía eléctrica de la luz solar total absorbida por un panel, cuando una célula

solar está conectada a un circuito eléctrico. Este término se calcula usando la

relación del punto de potencia máxima, (PBm B) dividido entre la luz que llega a la

celda Tirradiancia T (E, en W/m²), bajo condiciones estándar y el área superficial

de la célula solar (ABcB en m²).


18

TFactor de potencia. T

Otro término para definir la eficacia de una célula solar es el factor de potencia

(fp), que se define como la relación entre el máximo punto de potencia dividido

entre el voltaje en circuito abierto (VBocB) y la corriente en cortocircuito IBsc B:

IscVocEAc

IscVocPmFp

×××

=×

=η

TPotencia y costos. T

En un día soleado, el Sol irradia alrededor de 1 TkW/mP

2TP a la superficie de la

Tierra. Considerando que los paneles fotovoltaicos actuales tienen una

eficiencia típica entre el 12%-25%, esto supondría una producción aproximada

de entre 120-250 W/m² en función de la eficiencia del panel fotovoltaico y las

horas de irradiación solar.

Por otra parte, están produciéndose grandes avances en la tecnología

fotovoltaica y ya existen paneles experimentales con rendimientos superiores al

40%.

A latitudes medias y septentrionales, teniendo en cuenta el ciclo diurno y las

condiciones atmosféricas, llegan a la superficie terrestre 100 W/m² de media en

invierno y 250 W/m² en verano. Con una eficiencia de conversión de,

aproximadamente, 12%, se puede esperar obtener 12 y 30 vatios por metro

cuadrado de celda fotovoltaica en invierno y verano, respectivamente.

Con los costos actuales de energía eléctrica, 0.08 $/kWh (USD), un metro

cuadrado generará hasta 0.06 $/día, y un km² generará hasta 30 MW, o 50,000

$/(km².día). Para comparar, el TSaharaT despoblado se extiende por 9 millones de

km², con menos nubes y un mejor ángulo solar, pudiendo generar hasta 50

MW/km², o 450 TW (teravatio) en total. El consumo de energía actual de la

población terrestre está cercano a 12-13 TW en cualquier momento dado

(incluyendo derivados del petróleo, carbón, energía nuclear e hidroeléctrica).

El verdadero problema con los paneles fotovoltaicos es el costo de la inversión,

requiriendo hasta más de 10 años (de una vida útil de 40 años o más) para

recuperar el costo inicial y generar ganancias. El precio actual de los módulos


fotovoltaicos, oscila entre los 3.5 y los 5.0 $/W (USD), de capacidad de

producción, en función de la cantidad que se compre y la procedencia. El precio

de 8 $/W, aunque algo barato, es el precio completo de una instalación fija:

módulos, estructuras de soporte, onduladores, protecciones, sistemas de

medición, costos del proyecto, instalación y permisos administrativos. Un precio

normal está entre 8.6 y 9.0 $/W. Si la instalación es con seguidores de sol de

dos ejes, el costo puede rondar los 10.60 $/W, aunque la producción eléctrica

obtenida es del orden de un 30% superior que en una fija. [3]

1.5 La energía fotovoltaica y el medio ambiente. De todas las formas de actividad humana quizá la más contaminante y

degradante del medio ambiente es la relativa al manejo de los recursos

energéticos fósiles, es decir, su extracción, producción, transporte y consumo.

La mayor parte de la generación eléctrica en el mundo de hoy se realiza

mediante combustibles fósiles, constituyendo una de las fuentes primarias de

contaminación global, imperativo más que suficiente para la búsqueda e

implantación de otras fuentes sostenibles que permitan a la humanidad su

curso normal de desarrollo.

Antes de revisar el empleo de los combustibles fósiles como fuentes de energía

dominantes durante los dos siglos anteriores, parece conveniente repasar

algunos conceptos relacionados con el llamado ciclo de la energía, o lo que es

lo mismo, los distintos pasos mediante los cuales el hombre aprovecha los

portadores energéticos que le ofrece la naturaleza (primarios) carbón mineral,

petróleo crudo y biomasa son algunos de ellos y otros que él mismo ha

producido (transformados) gasolina y electricidad, por ejemplo, a fin de obtener

los servicios energéticos requeridos para elevar y mejorar sus condiciones de

vida o librarse de tareas engorrosas, peligrosas, monótonas, que demandan

mucho tiempo, etc.; en una palabra, para su desarrollo socioeconómico. En

primer lugar la palabra ciclo da idea de círculo o circunferencia, y de eso

precisamente se trata, porque el ciclo de la energía comienza en el medio

ambiente y termina igualmente en el entorno. Los portadores energéticos

primarios son extraídos del entorno y los desechos resultantes de su utilización

también van a parar al medio ambiente, lo que da lugar a las afectaciones que

hoy son tan conocidas como la lluvia ácida, el calentamiento global, el cambio

19


20

climático, etc., aunque hace varias décadas pasaban totalmente inadvertidas.

Esas circunstancias ambientales que configuran los riesgos actuales derivados

del cambio climático que ya ha comenzado a manifestarse de distintas formas,

obligan a pensar en la sustitución acelerada de los combustibles fósiles para

complementar el incremento constante en la eficiencia de su utilización, que

viene produciéndose desde hace varias décadas, aunque no resulta suficiente

para evitar los desastrosos efectos en marcha desencadenados por los inéditos

niveles de concentración ya alcanzados, cuya reversión demoraría decenios tal

vez siglos para hacerse patente aún en el caso ideal de que pudieran dejarse

de emitir de inmediato los gases de invernadero. Por eso resulta necesario

iniciar un proceso de sustitución acelerada de los combustibles fósiles por

fuentes renovables de energía, en paralelo con los aumentos de eficiencia que

pueden lograrse ahora mediante las tecnologías más modernas; pero ello

requiere vencer barreras de todo tipo (financieras, económicas, tecnológicas,

conductuales, conceptuales, sicológicas, políticas, etc.) que ahora se oponen a

dicha sustitución. El Sol es la única fuente externa de energía que llega al

planeta y, aunque a escala cósmica el Sol es finito y no renovable, a escala

terrestre es inagotable porque se espera que continúe enviándonos energía

durante muchos miles de millones de años más.

Del Sol se derivan todas las fuentes renovables de energía: hidráulica,

biomasa, eólica, fotovoltaica, térmica solar, gradiente térmico oceánico (GTO),

olas, corrientes marinas, etc. El flujo solar se emite y llega a la Tierra con

independencia de que se le emplee o no, así que las futuras generaciones no

estarán más limitadas al usarlo porque lo aprovechemos ahora más o menos.

Éstas son las fuentes de energía más “sanas” que existen desde el punto de

vista ambiental, a pesar de que para el aprovechamiento de algunas de ellas el

entorno puede ser perturbado en forma más o menos sensible, como es el

caso de los vasos de las presas o el ruido de los aerogeneradores, etc,

perturbaciones naturales y sociales.

Después que los países desarrollados efectuaron dos transiciones energéticas

que los llevaron a depender mayoritariamente, primero del carbón mineral y

después del petróleo con sus derivados más las tecnologías asociadas, la

evidencia científica acumulada sobre el aumento en la concentración de los


21

gases de invernadero en la atmósfera, el calentamiento global y el cambio

climático logró crear preocupaciones importantes en la mayor parte de la

humanidad durante la segunda mitad del siglo XX, lo que dio lugar a la

Convención Marco de las Naciones Unidas para el Cambio Climático (adoptada

en 1992 y en vigor a partir de 1994), de la que surgieron compromisos como el

Protocolo de Kioto (elaborado en diciembre de 1997) para comenzar a reducir

las emisiones de dichos gases en los países donde más se producen, aunque

lo cierto es que poco se ha avanzado en ese camino. Según la publicación

especializada Statistical Review of World Energy, June 2003, los portadores

primarios comerciales consumidos en todo el mundo durante el año 2002,

sumaron 9 405,0 millones de toneladas equivalentes a petróleo y, de ellos, 87,2

% fueron combustibles fósiles (petróleo, gas natural y carbón mineral).

Además, según la publicación el portador energético de mayor crecimiento

durante el 2002 fue el carbón mineral con 7 %, así el gas natural creció 2,8 %.

Esas cifras confirman el carácter insostenible del Sistema Energético

Contemporáneo, no solo porque depende casi 90 % de portadores de energía

de origen fósil y no renovables (es decir, que algún día desaparecerán de

manera irreversible), sino porque precisamente los combustibles fósiles

constituyen la fuente principal de los gases de invernadero, cuya acumulación

en la atmósfera da lugar al calentamiento global y al cambio climático.

Si bien la utilización de las fuentes renovables de energía ha crecido

significativamente durante los últimos años, su participación en el consumo

mundial de portadores energéticos apenas rebasa 2,5 % del total, debido al

bajo nivel de partida y su lento ritmo de penetración en el mercado,

consecuencia combinada de varios factores, entre los que se destacan:

• necesidad de tecnologías eficientes para su aprovechamiento, que no existen

o están en diversos estadios de desarrollo

• competencia desleal de los combustibles fósiles, cuyos precios no incluyen el

valor de los daños ambientales ocasionados cuando se consumen, ni tienen en

cuenta su carácter no renovable;

• hábitos establecidos durante más de dos siglos, en que los portadores fósiles

y en particular los combustibles líquidos derivados del petróleo, con grandes


22

ventajas en su manipulación y alta densidad energética se han utilizado de

manera creciente;

• estilos de vida derrochadores, basados en vehículos automotores para pocos

pasajeros, cuyo funcionamiento depende fundamentalmente de los

hidrocarburos;

• tratamiento discriminatorio y peyorativo que tradicionalmente se da a las

fuentes renovables como alternativas, auxiliares, complementarias, otras, unido

a su carácter disperso o istribuido, su menor densidad energética y la poca

comprensión del significado de su renovabilidad a despecho de todas las

barreras.

La energía que se obtiene a partir de las celdas solares ofrece ventajas

adicionales al hecho de transformar directamente la energía solar en

electricidad, a saber: no tiene partes móviles, es extremadamente modular,

genera desde fracciones de watt hasta decenas de megawatt, lo mismo puede

estar en un reloj de pulsera que en un auto, techo, fachada, etc. Se instala

fácilmente, inclusive por partes, y cada una de ellas genera inmediatamente, o

sea es aditiva, no utiliza prácticamente agua, versátil, silenciosa, tiene poco

riesgo tecnológico, ya que la disminución de los costos ha ido dictando el nivel

de aplicación en cada momento, facilitando su carácter modular. [1]

1.6 La energía solar en Cuba Según el Nuevo Atlas de Cuba (1989) en la formación de las características del

clima de Cuba es determinante la cantidad de radiación solar que incide sobre

su superficie. La marcha anual de la radiación solar muestra máximos en abril y

julio con valores del orden de los 20 MJ.m P

-2P y mínima en diciembre y enero con

valores inferiores a los 12 MJ.m P

-2P. El régimen de radiación solar presenta

variaciones espaciales relacionadas fundamentalmente con factores

orográficos, por lo que se encuentran máximos en las zonas costeras con

promedios diarios anuales superiores a los 16.6 MJ.mP

-2 Py mínimos en las zonas

de las alturas y montañas inferiores a los 15.6 MJ.mP

-2P. La insolación alcanza

una suma anual de 2900 horas-luz en las costas, mientras que en las

montañas adquiere valores inferiores a los 2500. [9]


Figura 1.2: Producción de Energía Eléctrica mediante paneles solares en Cuba.

1.7 Usos de las celdas fotovoltaicas.

Las celdas fotovoltaicas deben su aparición a la industria aeroespacial, y se

han convertido en el medio más fiable de suministrar energía eléctrica a un

satélite o a una sonda en las órbitas interiores del Sistema Solar. Esto es

gracias a la mayor irradiación solar sin el impedimento de la atmósfera y a su

bajo peso.

En tierra, son la fuente solar más popular en instalaciones pequeñas o en

edificios, frente al método de campos de espejos helióstatos empleados en las

grandes centrales solares.

Figura 1.3: Sistema Fotovoltaico en la azotea de un edificio.

Junto con una batería auxiliar, se usa habitualmente en ciertas aplicaciones de

poco consumo como boyas o aparatos en territorios remotos, o simplemente

cuando la conexión a una central de energía sea impracticable. Su utilización a

23


24

gran escala se ve restringida por su alto costo, tanto de compra como de

instalación. Hasta ahora, los paneles fotovoltaicos ocupan una pequeña porción

de la producción mundial de energía.

Experimentalmente han sido usados para dar energía a automóviles. Muchos

yates y vehículos terrestres los usan para cargar sus baterías lejos de la red

eléctrica. Programas de incentivo a gran escala, ofreciendo recompensas

financieras como la posibilidad de vender el exceso de electricidad a la red

pública, han acelerado en gran medida el avance de las instalaciones de celdas

fotovoltaicas solares en España, Alemania, Japón, Estados Unidos y otros

países.

La experiencia en producción e instalación, los avances tecnológicos que

aumentan la eficiencia de las celdas solares, las economías de escala en un

mercado que crece un 40% anualmente, unido a las subidas en los precios de

los combustibles fósiles, hacen que las se empiece a contemplar la fotovoltaica

para producción eléctrica de base, en centrales conectadas a red. Actualmente

muchos gobiernos del mundo (Alemania, Japón, EEUU, España, Grecia, Italia,

Francia) están subvencionando las instalaciones con un objetivo estratégico de

diversificación y aumento de las posibilidades tecnológicas preparadas para

crear electricidad de forma masiva. La gran mayoría de las instalaciones

conectadas a red están motivadas por primas muy elevadas a la producción,

pagándose al productor 5 o 6 veces el costo de la energía eléctrica generada

por vías tradicionales, o mediante incentivos fiscales, lo que ha generado

críticas desde grupos favorables a un mercado libre de generación eléctrica.

TLista de aplicaciones. T[14]

• Centrales conectadas a red.

• Estaciones repetidoras de microondas y de TradioT.

• Electrificación de Tpueblos T en áreas remotas (Electrificación rural).

• Instalaciones médicas en áreas rurales.

• Corriente eléctrica para casas de campo.

• Sistemas de comunicaciones de Temergencia T.


25

• Sistemas de vigilancia de datos ambientales y de calidad del agua.

• Faros, boyas y balizas de TnavegaciónT marítima.

• Bombeo para sistemas de riego, Tagua potable T en áreas rurales y

abrevaderos para el ganado.

• TBalizamiento T para protección Taeronáutica T.

• Sistemas de protección catódica.

• Sistemas de desalinización.

• Vehículos de recreo.

• Señalización ferroviaria.

• Sistemas para cargar los acumuladores de Tbarcos T.

• Fuente de energía para naves espaciales.

• Postes TSOST (Teléfonos de emergencia de carretera).

• Parquímetros.

• Recarga de Scooters Eléctricos como los BERECO

1.8 Sistemas Fotovoltaicos conectados a la red.

En países industrializados, gracias a los logros alcanzados en las tecnologías

de dispositivos fotovoltaicos y convertidores estáticos de potencia, así como a

la reducción en sus costos de fabricación, la generación fotovoltaica ligada a la

red se ha venido convirtiendo gradualmente en una alternativa viable en el

esquema de generación distribuida. En él, una combinación de plantas

centrales y un gran número de pequeños generadores dispersos en la red

eléctrica satisfacen la demanda de electricidad; esto es hoy en día una realidad

en algunos países como Dinamarca, Holanda, Alemania y Japón. En términos

generales, los generadores fotovoltaicos distribuidos conectados a la red

pueden aportar importantes beneficios a los sistemas de distribución,

dependiendo de las características y condiciones operativas de la red de

distribución, así como de la localización de éstos dentro de la misma. Los

beneficios potenciales más importantes son:


• Suavización de picos de demanda cuando existe cierto grado de coincidencia

entre el perfil de generación fotovoltaica y el perfil de consumo del inmueble o

alimentador.

• Alivio térmico a equipos de distribución, lo que implica también la posibilidad

de postergar inversiones de capital para incrementar su capacidad o

reemplazo.

• Disminución de pérdidas por transmisión y distribución.

• Soporte de voltaje en alimentadores de distribución.

• Compensación de potencia reactiva en el alimentador. [13]

1.8.1 Características del sistema fotovoltaico conectado a la red.

Un sistema fotovoltaico está constituido por un determinado número de

módulos o unidades fotovoltaicas individuales. El número de unidades depende

de la potencia nominal requerida en el sistema y de la potencia pico de los

módulos seleccionados. El voltaje de salida, que corresponde al voltaje de

operación del inversor se obtiene mediante la conexión serie de un número

determinado de módulos. La potencia se logra a través de la conexión en

paralelo de dichas series. La potencia nominal de los módulos normalmente

está entre 50 y 200 W, aunque hoy en día algunos fabricantes ofrecen módulos

superiores a 200 W.

El acondicionamiento de la potencia eléctrica generada por el sistema

fotovoltaico (c.d.) indispensable para la conexión de éste a la red eléctrica

convencional se realiza mediante un inversor (c.d./c.a.) que convierte la

corriente directa producida por el generador fotovoltaico a corriente alterna, en

fase y a la frecuencia de la red para una conexión segura y confiable del

sistema a ésta. La eficiencia de los inversores es generalmente mayor a 90%

cuando éstos operan sobre el 10% de su potencia nominal.

26


Figura 1.4: Esquema de conexión de un panel solar a la red en una vivienda.

Para extraer la máxima potencia disponible en el sistema fotovoltaico, al

inversor se le incorpora entre sus funciones un elemento de control que sigue

permanentemente el punto de máxima potencia (MPPT, por sus siglas en

inglés) mediante un ajuste continuo de la impedancia de la carga.

En relación con los aspectos de seguridad y de calidad de la energía

producida, las compañías suministradoras del servicio eléctrico exigen a los

fabricantes y usuarios de estos equipos el cumplimiento de normas y

disposiciones aplicables que garanticen que la instalación y operación del

inversor y del sistema fotovoltaico en su conjunto, sea segura y no afecte

adversamente la calidad de la energía. Tradicionalmente es un sólo inversor

(de la capacidad adecuada) el que maneja la potencia nominal de todo un

sistema fotovoltaico, sin embargo, cada vez es más común el uso de varios

inversores conectados en paralelo y cada uno maneja una parte proporcional

de la potencia del sistema. En algunos casos, el inversor viene directamente

montado en el respaldo del módulo de manera individual (módulos c.a.). El uso

de estas dos últimas configuraciones, inversores en paralelo y ‘módulos c.a.’,

muy probablemente se verá incrementado en el futuro en aplicaciones de

sistemas fotovoltaicos integrados a los edificios, pues esta característica facilita

más la expansión de la capacidad de los sistemas que operan independiente y

emplea una instalación más sencilla.

27


Con el rápido crecimiento de los sistemas distribuidos conectados a la red, hoy

en día existe una amplia variedad de productos desarrollados específicamente

para la instalación de los módulos fotovoltaicos en las edificaciones. Éstos

incluyen estructuras de montaje para fachadas fotovoltaicas, perfiles para

tejados, techos planos, incluso algunas tejas fotovoltaicas que pueden ser

utilizadas para reemplazar tejas convencionales. Cada uno de estos nuevos

productos facilita la integración de los sistemas fotovoltaicos a la fachada o

techo de los edificios, sin detrimento de la apariencia estética del inmueble. [13]

1.8.2 Componentes de un sistema fotovoltaico conectado a la red Los componentes de un SFV pueden incluir un conjunto de módulos o paneles

solares, el inversor y los elementos de montaje. La configuración final del

sistema depende de la carga (tipo, nivel de corriente, uso, etc.). Algunas

cargas se pueden alimentar directamente (bombas, ventiladores, bombas AC

con su respectivo inversor, etc.)

Módulo Fotovoltaico: El módulo fotovoltaico comprende células conectadas

en serie. Estas células son las encargadas de captar los fotones para conseguir

crear una corriente eléctrica continua. Los módulos fotovoltaicos se conectan

en serie formando varias cadenas, que a su vez forman el campo fotovoltaico.

Estructura Soporte: Es la encargada de asegurar un buen anclaje del

generador solar, facilitan la instalación de mantenimiento de los paneles a la

vez que proporcionan no solo la orientación necesaria, sino también el ángulo

de inclinación idóneo para un mejor aprovechamiento de la radiación. Se

emplean perfiles de acero galvanizado o de aluminio para la sujeción y

conexionado de los módulos, asegurando un buen contacto eléctrico entre el

marco de los módulos y los perfiles de soporte, por seguridad frente a posibles

pérdidas de aislamiento en el generador o efectos inducidos por descardas

atmosféricas.

Inversor: El inversor cc/ca tiene la misión de transformar la corriente continua

del grupo fotovoltaico en corriente alterna perfectamente sincronizada con la

red existente, ya sea trifásica, monofásica o bien de alta, media o baja tensión.

La ubicación de los inversores será en un armario estanco y cerrado, lo que

hace que el riesgo eléctrico sea mínimo.

28


Control Principal: Incluye todos los elementos de control general, así como la

propia generación de onda, que se suele basar en un sistema de modulación

por anchura de pulsos (PWM). En el control se incluye también una gran parte

del sistema de protecciones, así como funciones adicionales relacionadas con

la construcción de la forma de onda.

Etapa de Potencia: Esta etapa, según los módulos disponibles, puede ser única

o modular, en cuyo caso se utilizan varias hasta obtener la potencia deseada.

Toda etapa de potencia incorporará su correspondiente filtro de salida, cuya

misión es el filtrado de la onda por un dispositivo LC, así como evitar el rizado

en la tensión recibida de los módulos fotovoltaicos.

Control de Red: Este módulo hará de interfase entre la red y el control principal

para el correcto funcionamiento del conjunto. En este circuito recae la tarea de

sincronizar perfectamente la forma de onda generada hasta este momento por

el inversor (control principal + etapa de potencia) a la de la red eléctrica,

ajustando la tensión, el sincronismo, el control de fase, etc.

Seguidor del punto de máxima potencia: Su misión consiste en acoplar la

entrada del inversor a generadores de potencia instantánea variables (módulos

fotovoltaicos) obteniendo de esta forma la mayor cantidad de energía

disponible en cada momento del campo solar, es decir, se encarga de

mantener constantemente el punto de trabajo de los módulos fotovoltaicos en

los valores de mayor potencia posible, dependiendo de la radiación existente

en cada momento. Los inversores de conexión a red disponen de unas

protecciones adecuadas al trabajo que deben realizar, contando en

consecuencia con un nivel elevado de seguridad. A parte de la normativa

genérica de protección contra daños a las personas y compatibilidad

electromagnética, estos equipos incorporan las siguientes protecciones

mínimas:

Tensión de Red fuera de Márgenes: El inversor procederá a pararse cuando la

tensión de la red salga del rango admitido (nunca más alta del ±10% de la

tensión nominal) y se mantendrá a la espera hasta que esta circunstancia

desaparezca.

Frecuencia de Red Fuera de Márgenes: Evita variaciones de frecuencia entre

el sistema eléctrico de interconexión y la línea de distribución de la red. Esta

29


protección se hace necesaria para el caso de redes pequeñas, como es el

caso, por ejemplo, de las islas o de pequeñas compañías distribuidoras zonales

que no estén conectadas a la red general. Asimismo es una protección contra

el “efecto isla”.

Temperatura de Trabajo Elevada: Protección contra alta temperatura de trabajo

que detiene el funcionamiento del equipo para prevenir situaciones de posterior

avería en la electrónica que lo compone.

Tensión Baja del Generador Fotovoltaico: El campo solar es desconectado

(parada del inversor) cuando la tensión del generador fotovoltaico es

insuficiente o bien durante los periodos nocturnos.

Intensidad del Generador Fotovoltaico Insuficiente: El inversor emitirá orden de

parada cuando detecte un valor de intensidad de generación muy bajo (suele

producirse todas las mañanas puesto que a pesar que los módulos tienen ya la

tensión suficiente aún carecen de la corriente mínima que precisa el inversor

para funcionar, o bien en situaciones de muy baja radiación como son lo

atardeceres o momentos del día excesivamente nublados). [6]

30


31


CAPÍTULO 2: INFLUENCIA DE LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS EN LA RED 2.1 Los sistemas fotovoltaicos y las pérdidas en la red Los sistemas tradicionales de generación eléctrica conformados por grandes

estaciones generadoras, una red de transporte y una red de distribución, están

afectados por un nivel de pérdidas que pueden verse como el costo de

operación necesario para mover la energía desde donde se genera hasta

donde se consume. Cuando estos sistemas operan con combustibles fósiles,

las pérdidas equivalen a un sobreconsumo de material contaminante y

agotable. Es deseable disminuir las pérdidas tanto como sea posible, pero esto

implica inversiones en la red, lo cual debe compensarse con el propio costo de

las pérdidas

La introducción de fuentes generadoras cercanas al consumidor, introduce

alteraciones al valor de las pérdidas en el sistema.

El impacto de la generación distribuida en las pérdidas de la red puede ser

positivo (fortaleza) o negativo (debilidad) dependiendo de los flujos iniciales de

la red, la ubicación de la generación distribuida y de la cantidad inyectada por

ésta.

De Oliveira, de Jesús, (2002) plantea que la presencia de la generación

distribuida cambia drásticamente el paradigma de asignación de pérdidas. El

grado de penetración de la fuente de energía puede contribuir de forma global

a evitar pérdidas o más bien a incrementarlas. Por otro lado el mismo autor

propone que cuando existen elevados niveles de penetración de la generación

distribuida se originan importantes niveles de pérdidas en el sistema. [11]

Zeballos, R y col, (2000) al evaluar la dinámica del tamaño medio de las

plantas generadoras en Estados Unidos, concluye que aunque una gran central

moderna conectada en la red de transmisión siempre será más eficiente que

una pequeña central moderna distribuida, los costos de la generación

distribuida han caído y que pueden presentar beneficios adicionales al sistema

eléctrico, entre las que incluye la reducción de las pérdidas en las redes de

distribución, el incremento de la confiabilidad en el suministro de la energía

eléctrica, el control de la energía reactiva y la regulación de la tensión en la red

de distribución y la generación de energía limpia cuando se emplean fuentes

32


renovables. Concluye que la generación distribuida presenta varias ventajas

frente a la generación central convencional, aunque la decisión última deberá

ser el resultado de un estudio detallado para cada caso en particular. [16]

Trevolle, D, (2006) en un estudio sobre la generación distribuida en España

indica que las pérdidas pueden clasificarse en dos categorías: [15]

• Pérdidas fijas (pérdidas en vacío): Estas pérdidas no dependen de la

demanda o flujo de energía en el alimentador. Son debidas a corrientes de

Foucault y ciclos de histéresis producidos por las corrientes de excitación

presentes en transformadores y máquinas eléctricas en general. También se

incluyen en esta categoría las pérdidas por efecto corona.

Si se desprecian las variaciones de tensión, lo cual es bastante aproximado

para la red de transporte y reparto, las pérdidas fijas se pueden asumir

constantes durante todas las horas del año. De ahí su denominación de

pérdidas fijas.

• Pérdidas variables (pérdidas en carga): Este tipo de pérdidas se refiere a las

pérdidas ocasionadas por el efecto Joule y están relacionadas con las

corrientes que circulan por las redes. La magnitud de estas pérdidas es

proporcional al cuadrado de la corriente que circula por la red por lo que varían

en cada instante en función de la demanda. Típicamente las pérdidas de la red

de transporte suelen estar entre un 1-2%, las de la red de reparto entre el 4-6%

y las de media tensión y baja tensión entre un 7-10%.

Según este autor el impacto que la generación distribuida puede ocasionar en

la red de distribución desde el punto de vistas de las pérdidas es muy variado.

En general el impacto de la Generación Distribuida sobre las pérdidas depende

de varios factores:

• La ubicación de la Generación Distribuida en la red de distribución

• La topología y estructura de la red

• El grado de penetración de la Generación Distribuida en la red

• El perfil de demanda de la red

• El tipo de Generación Distribuida pues su perfil de producción depende de su

tecnología

A continuación se describen los factores anteriormente enumerados:

33


a) La ubicación de la Generación Distribuida en la red de distribución y la

topología de la red Estos dos factores se encuentran muy interrelacionados. La

ubicación de la generación es muy importante desde el punto de vista de las

pérdidas pues, cuanto más cercano a los lugares de consumo, mayor

reducción en las pérdidas se tendrá. De nuevo, al igual que en apartados

anteriores el efecto que tiene sobre las pérdidas dependerá de si hablamos de

redes de reparto o redes de media tensión y baja tensión. Puesto que las

primeras en general son redes más malladas dependerá de la distribución de

flujos en la malla para saber cual es el impacto en las pérdidas. En redes de

media tensión y baja tensión parece obvio que el efecto en las pérdidas no es

el mismo si el generador se encuentra conectado cerca del alimentador que en

puntos más cercanos a los consumos finales.

b) Grado de penetración

El grado de penetración es otro aspecto muy importante. Si intentamos

aproximar matemáticamente el grado de penetración con las pérdidas se

obtienen curvas con forma de “U”. Esto significa que en redes sin generación la

conexión de Generación Distribuida implica reducción en pérdidas. Sin

embargo a medida que aumenta la producción se puede llegar a un punto

donde las pérdidas pueden aumentar debido al exceso de generación. Esto

último sucede por ejemplo con la generación eólica donde el flujo se ha

invertido y se llega a inyectar en la red de transporte, aumentando las pérdidas

en la red de distribución.

c) Perfil de la demanda y de la producción de la generación

La penetración de la Generación Distribuida nos muestra curvas de tipo “U” en

las pérdidas. Sin embargo la forma que tiene este tipo de curvas viene

determinada por el tipo de perfil de producción de la Generación Distribuida en

comparación con el perfil de demanda. Las pérdidas menores vendrán

asociadas a perfiles de generación que se adapten mejor a los perfiles de

demanda.

34


Figura 2.1.1: Curvas tipo U. Pérdidas en redes de distribución en función del grado de

penetración de la Generación Distribuida

Las dos características más importantes de las curvas tipo “U” son lo que en la

gráfica anterior se ha denominado “estiramiento” y “hueco”. El estiramiento nos

da un índice del grado de penetración en la red antes de que se vuelva a tener

un incremento de las pérdidas. El hueco da una medida de la reducción de

pérdidas que puede provocar una tecnología en la red que se conecta. Se han

realizado estudios del impacto de tecnologías como la cogeneración,

fotovoltaica, eólica y generación con producción en base.

El efecto se muestra en la siguiente gráfica:

Figura 2.1.2: Curvas tipo U. Pérdidas en redes de distribución en función del grado de

penetración de la Generación Distribuida según tecnología

35


36

Donde se ha denominado penetración a:

100ralimentadoelen contratada Potencia

eGDInstaladad Potencia n(%)Penetració =

En la gráfica anterior se ha diferenciado la cogeneración como tipo 1 y tipo 2.

La tipo 1 es aquella cuyo perfil de producción se asemeja a demandas

convencionales con puntas en la mañana y en la tarde mientras que el tipo 2 es

aquella con un perfil de producción con puntas nocturnas. Si analizamos el

hueco en función del tipo de tecnología se observa que la generación con

mayor reducción en las pérdidas es aquella con producción constante, seguida

de la cogeneración, la eólica y la fotovoltaica. En cuanto al estiramiento, la

tecnología con una mayor posibilidad de crecimiento sin producir incrementos

en las pérdidas para niveles altos de producción es la cogeneración, seguida

de la generación con producción en base, eólica y por último la fotovoltaica. [7]

2.2 Influencia de la Generación Distribuida en la calidad de servicio En líneas generales se puede afirmar que la red de transmisión es la que

mantiene la estabilidad y seguridad del sistema, mientras que la red de

distribución es la encargada de la calidad del servicio que reciben los clientes.

En el mayor de los casos los cortes de servicio que sufren los clientes o

consumidores se deben a la red de distribución, al ser éstas menos malladas

que la red de transmisión y al estar conectadas la mayoría de los clientes a

ellas.

En el ámbito eléctrico la calidad del servicio es el conjunto de características

técnicas y comerciales necesarias en el suministro eléctrico. La calidad de

producto la conforman todas aquellas perturbaciones que afectan a las

características más fundamentales de la onda de tensión:

• Frecuencia

• Amplitud

• Forma de onda

• Simetría del sistema trifásico


Los fenómenos o perturbaciones más características que se enmarcan dentro

de la calidad del servicio son: variaciones de frecuencia, armónicos,

variaciones rápidas y lentas de tensión (los llamados flicker), fluctuaciones de

tensión, los huecos e interrupciones breves, los impulsos y las sobretensiones

transitorias y los desequilibrios y asimetrías. Gráficamente se resumen en el

siguiente esquema: [7]

Figura 2.2.3: Perturbaciones que afectan a la calidad del servicio.

2.3 Costos Aunque a los sistema fotovoltaicos hoy día se le reconocen muchas ventajas, en

cuanto a su explotación en condiciones de limpieza ambiental y al bajo nivel de

mantenimiento, siguen encarando dos problemas fundamentales; la baja eficiencia y el

alto costo de instalación.

En la medida en que se viene incrementando el nivel de fabricación se ha venido

reduciendo el costo de los mismos, aspecto que unido al incremento de la eficiencia

que se viene logrando con la introducción de nuevas tecnologías y materiales, va

siendo cada día más factible económicamente el uso de esta fuente generadora.

El precio de los módulos de PV ha disminuido de aproximadamente $30 por

Watt - máximo en 1976 a $3 en la actualidad.

37


Figura 2.3.4: Precio de los sistemas, niveles de subsidio, y solicitudes en Japón

Actualmente Alemania y España son los líderes mundiales en la construcción

de sistemas de energía fotovoltaica, en tanto que Japón Fig ------, tiene un

elevado ritmo anual de instalaciones de estos paneles, gracias a los subsidios

que reciben por parte del estado.

Figura 2.3.5: Disminución del precio de PV instalados en Japón

38


En los EE.UU., los precios de los módulos al por menor son actualmente del

orden de los $6.00/Wp. En grandes instalaciones se logran precios menores.

Para los análisis económicos se suele tomar un costo de $6.00/Wp para

edificios ya construidos y $5.50/Wp para nuevas construcciones. [2] Evidentemente, si se contempla de forma comparativa el costo global de la

energía convencional, imputándole los gastos derivados de su obtención, sin

tener en cuenta las ayudas oficiales y contemplando los costos ambientales

que generan, la energía fotovoltaica es con mucho más rentable, que cualquier

otra fuente de energía de origen renovable.

Los sistemas que se conectan directamente a la red disminuyen los costos que

supone el sistema de almacenamiento, si bien se incrementan los de

conversión y acondicionamiento de la potencia entregada, pero su progresiva

utilización puede tener un futuro esperanzador. [8]

El costo de aeración FV se irá haciendo más tentador en la medida que los

costos de inversión se reduzcan y la eficiencia de las celdas se eleve, como

puede apreciarse en la tabla Tabla 2.3.6: Costos actuales y proyectados de celdas solares.

Tecnología de la Celda 1999 US$/Wp precio

2000 US$/Wp Costo/precio

2010 US$/Wp Costo/precio

Silicio monocristalino 3.9-4.25 1.5/2.5 1.2/2.0

Silicio policristalino 3.9-4.25 1.5/2.5 1.2/2.0

Silicio en cinta 3.9-4.25 1.5/2.5 1.2/2.0

Concentrador

(incluye electrónica)

6.0 1.5/2.5 0.5/1.33

Silicio amorfo

(incluyendo multicapas)

2.5-4.5 1.2/2.0 0.75/1.25

Diselenuro de indio y cobre 1.2/2.0 0.75/1.25

Teluro de cadmio 1.2/2.0 0.75/1.25

Película de silicio

Sobre sustrato barato

1.2/2.0 0.75/1.25

39


En la actualidad los costos de generación de electricidad están entre los $0.05

hasta y los 0.25 USD por kW.h. Se espera que el mercado de los generadores

fotovoltaicos se expanda rápidamente cuando la energía generada por ellos

pueda ser colocada, en la red a costos que sean comparables con los costos

de generación de por medio de combustibles fósiles (entre 0.050 y 0.30 USD

por kW.h). Esto puede alcanzarse con la tecnología del silicio cristalino solo si

los costos de fabricación de los sistemas fotovoltaicos se reducen

significativamente. [5] 2.4 Tendencias de la energía fotovoltaica La producción y consumo anual de energía en la actualidad es del orden de

74 141.85 millones de barriles de petróleo equivalente, de los cuales 8 326.13

millones corresponden a la energía eléctrica (11,23 %) [12].

Las principales fuentes primarias empleadas en la producción de energía eléctrica

se muestran en la Figura.

Figura 2.4.7: Principales fuentes de energía empleadas para la generación de energía

eléctrica

Como puede apreciarse, el 86 % de la energía eléctrica se obtiene a partir de

combustibles fósiles. Si se tiene en cuenta que la producción de 1 MW.h de

energía eléctrica producida por esta vía vierte sobre la atmósfera alrededor de 630

kg de CO2, 4 kg de SO2 y 2,5 kg de NOx es evidente que el impacto sobre el

medio ambiente es altamente preocupante.

40


41

Si bien la sustitución completa de los combustibles fósiles para esta actividad de

por sí no darán la solución definitiva de los problemas, sí han de producir un gran

impacto en el balance energético actual.

El desarrollo de las fuentes primarias renovables se ha iniciado por aquellas que

han encontrado mejores oportunidades de perfeccionamiento, entre las cuales

figura en primer lugar la energía hidráulica. En los últimos años la energía eólica

ha ido ganando terreno en el campo de las aplicaciones exitosas y es hoy una de

las más prometedoras debido al ya competitivo costo de producción, sin estar

exenta de inconvenientes y problemas por resolver. Los autores más realistas

confieren, sin embargo, a la energía fotovoltaica un futuro promisorio a partir de

los próximos años, teniendo en cuenta los fuertes incentivos que para su

evolución y desarrollo existen en la actualidad.

Una de las principales dificultades de cualquier nueva tecnología es la relacionada

con los costos, y la fotovoltaica no es la excepción, sin embargo, en los últimos

años se ha estado produciendo una disminución acelerada de los mismos como

un proceso propio de una tecnología en crecimiento.

Para que los pronósticos se conviertan en realidad se requiere que ocurra la

mayor parte de las siguientes condiciones:

• Que se mantengan y crezcan de forma acelerada los programas de

electrificación solar fotovoltaica con sistemas distribuidos conectados a la red,

subsidiados por los estados, tal como ocurre en Japón, Alemania, Holanda,

España y USA, lo cual estimulará la instalación de sistemas confiables y de

alta calidad en suficientes cantidades como para estimular las inversiones

en plantas de fabricación de grandes volúmenes de módulos solares

fotovoltaicos.

• Que se haga realidad el decrecimiento de los precios (todavía

desventajosos para los fabricantes) y se alcancen ciertamente precios de los

módulos de 1,5 USD/Wp o cercanos, para el año 2010.

Para que un número significativo de usuarios en el ámbito mundial opten por los

sistemas de energía solar fotovoltaica, a pesar de que los costos hoy en día de

estos sistemas están aún por encima de los existentes con la generación eléctrica

basada en combustibles fósiles o nucleares será necesario que: [10]

• La eficiencia de los módulos tienda a incrementarse.


42

• Vida útil de los sistemas debe superar los 40 años

• Se reciban subsidios por parte de los Estados como una forma de paliar

gradualmente el daño ecológico de las fuentes contaminantes

Esta tendencia comienza a manifestarse en algunas regiones, tal es el caso de

Europa donde se aprecia un incremento sostenido de instalaciones fotovoltaicas

como puede apreciarse en la figura 2.4.8

Figura 2.4.8: Comportamiento del “plan europeo” de instalaciones fotovoltaicas.

2.5 Armónicos. Para asegurar el crecimiento potencial de la generación fotovoltaica entre otros

aspectos, la calidad de suministro eléctrico en las redes de distribución de

media y baja tensión, no debe verse afectada. Para lograr este objetivo, varios

proyectos de investigación han sido desarrollados y otros continúan

desarrollándose o planteándose para el futuro. Armónicos en corriente Armónicos en tensión

Figura 2.5.9: Armónicos en corriente y tensión del generador PV del proyecto Univer. -Día soleado de agosto_.


El proyecto Univer, desarrollado en la planta generadora instalada en la

Universidad de Jaén, [7], a partir de una campaña de mediciones realizadas se

deducen las siguientes conclusiones:

• Los generadores fotovoltaicos que tienen inversores con tecnología PWM

inyectan corrientes armónicas a la red mínimas, siendo poco probable que

afecten a la calidad de suministro. Esta conclusión se aplica incluso a

generadores fotovoltaicos con un número importante de inversores.

• Flicker y desequilibrios de tensión son comparables a los existentes en la red

eléctrica (baja tensión) sin generación fotovoltaica.

• La desconexión del generador fotovoltaico ante un hueco de tensión no

siempre es el mejor planteamiento. Si existe una gran integración fotovoltaica

su desconexión puede originar problemas en el balance P-f y Q-V.

• El inversor fotovoltaico juega el papel fundamental en la operación del

generador fotovoltaico en relación con los parámetros de calidad de suministro.

A medida que la calidad de suministro se ha convertido en un aspecto decisivo

para los consumidores, las medidas que valoran la situación actual de este

aspecto de las plantas fotovoltaicas tienen una gran importancia.

43


44


CAPÍTULO 3: LA PENETRACION DE LAS CELDAS FOTOVOLTAICAS EN LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCION PRIMARIA 3.1 Simulación de conexión a red de módulos fotovoltaicos. Con el objetivo de valorar el efecto sobre los diferentes parámetros de la red de

distribución eléctrica se procede a simular la conexión de paneles solares

típicos, en diferentes puntos de circuitos reales tomados al azar en la ciudad de

Santa Clara. Para ello se emplean los monolineales de dichos circuitos sobre el

sofwear RADIAL.

Paneles típicos que empleados en los diferentes circuitos seleccionados,

actualmente comercializados en Cuba presentan las siguientes características:

[4] Tabla 3.1.1: Ficha Técnica de un módulo Panel.

Teniendo en cuenta la alta radiación solar en Cuba y su dinámica durante el día

se proyecta el gráfico correspondiente a cada panel mostrado a continuación,

típico de un día soleado del verano cubano.

45


Figura 3.1.2: Grafico Panel que se utilizó en el Radial.

La instalación de los generadores solares se simula en los circuitos No. 4, 9,

12, 27, 19 y 144 de la ciudad de Santa Clara, los mismos se colocan en

correspondencia con las normas que rigen para emplear fuentes distribuidas,

esto es la cercanía de la generación a los consumidores, la existencia de cierto

grado de coincidencia entre el perfil de generación fotovoltaica y el perfil de

carga de los consumidores, y las condiciones constructivas donde se van a

instalar (azoteas seguras, proximidad a las líneas primarias, etc.)

A continuación se muestra algunas figuras de las corridas de los circuitos

seleccionados antes de la conexión de los paneles solares mediante el

RADIAL.

Figura 3.1.3: Resultado del circuito No. 4 sin generación fotovoltaica.

46


Figura 3.1.4: Resultado del circuito No. 9 sin generación fotovoltaica.

El efecto que se obtiene de la colocación de dichos paneles fotovoltaicos se

muestra en las figuras siguientes para los diferentes circuitos.

Figura 3.1.5: Resultado del circuito No. 4 con generación fotovoltaica.

47


48

Figura 3.1.6: Resultado del circuito No. 9 con generación fotovoltaica.

Los resultados obtenidos en la totalidad de los circuitos seleccionados se

muestran en la tabla 3.6 donde se resumen los valores iniciales y finales diarios

en la simulación de cada circuito.

Tabla 3.1.7: Resultados obtenidos en el RADIAL en todos los circuitos estudiados.

Circuito No. Paneles

∆Eo

(kW.h)

∆E

(kW.h)

Ahorro

(kW.h) ∆Po

(kW)

∆Po

(kW)

Ahorro

(kW)

4 6 1421 1374 47 190 182 8

9 6 514 484 30 31 27 4

12 7 664 638 26 27 23 4

27 3 98 95 3 2 2

19 7 2298 2261 37 315 308 7

144 4 702 682 20 75 72 3

Total 33 163 26


Como se puede apreciar la colocación de celdas fotovoltaicas en los diferentes

circuitos trae consigo un ahorro considerable de energía y una disminución de

las pérdidas de potencia en las líneas.

3.2 Las celdas fotovoltaicas y los capacitores en las redes de distribución primaria. La reducción de pérdidas también es posible alcanzarla con la colocación de

capacitores en los circuitos de distribución, pero con relación a los paneles

solares, ellos presentan las siguientes diferencias:

Aspectos: 1. Ambos generan en el punto de ubicación de la red.

2. Los Capacitores generan Potencia Reactiva y los Paneles Fotovoltaicos

generan Potencia Activa.

3. Los Capacitores generan las 24 horas (los fijos), los Paneles

Fotovoltaicos sólo cuando hay sol.

4. El efecto de los capacitores es sobre el ahorro en pérdidas; el de los

Paneles Fotovoltaicos es sobre el ahorro y la generación de energía.

5. Ambos se pueden instalar en cualquier “punto” de la red, aunque los

Paneles Fotovoltaicos requieren de condiciones constructivas más

exigentes.

6. Los costos: Capacitores, alrededor de 15 a 20 CUC por Ckvar para los

fijos y prácticamente el doble para los controlados. Las celdas alrededor

de 6 000 CUC por kWp.

A continuación se muestra la tabla 3.7 donde se reflejan los resultados

obtenidos en las corridas de los diferentes circuitos estudiados con la

instalación de capacitores de la misma potencia de los paneles analizados

anteriormente con el objetivo de analizar respuestas en la red con ambos

elementos.

49


50

Tabla 3.2.8: Resultados obtenidos en el RADIAL en todos los circuitos estudiados con la instalación de capacitores sin Paneles Fotovoltaicos. Circuito No.

Capacitores ∆Eo

(kW.h)

∆E

(kW.h)

Ahorro

(kW.h) ∆Po

(kW)

∆Po

(kW)

Ahorro

(kW)

4 6 1421 1406 15 190 190 -

9 6 514 488 26 31 31 -

12 7 664 636 28 27 27 -

27 3 98 96 2 2 2 -

19 7 2298 2263 35 315 315 -

144 4 702 685 17 75 75 -

Total 33 123 0

Como se puede apreciar la reducción de pérdidas de Energía en las líneas es

menor que la que se obtiene con la conexión de paneles fotovoltaicos. Las

pérdidas de Potencia Activa no varían con la instalación de los capacitores ya que

estos solo generan Reactivo mientras que con generación solar las pérdidas de

Potencia Activa disminuyen. Sin embargo la instalación de capacitores resulta de

un menor costo que los paneles solares, elementos que en su conjunto deben ser

valorados en cada caso particular.


51


CONCLUSIONES

Una vez analizados los resultados obtenidos con la penetración de los

generadores fotovoltaicos en los circuitos seleccionados arribamos a las

siguientes conclusiones:

1. La generación de energía eléctrica por medio de sistemas fotovoltaicos

representa una contribución significativa en los sistemas eléctricos de

potencia cuando éstos son insertados en la red de distribución, tomando

en cuenta además la magnitud del aporte energético y la reducción de

la contaminación ambiental.

2. Cuando los paneles solares son insertados en la red de distribución se

produce una reducción de las pérdidas de energía en el sistema.

3. Al comparar los resultados obtenidos con la penetración de los paneles

solares en los circuitos de distribución con el empleo de los capacitores

de la misma potencia, fue posible determinar que los paneles solares

además de generar electricidad, producen una mayor reducción de las

pérdidas de energía, mientras que los capacitores tienen a su favor su

menor costo de instalación.

4. A pesar de la no competitividad actual de las celdas fotovoltaicas en

relación con la generación tradicional, existe una tendencia a la

reducción de los costos de las mismas por el empleo de nuevos

materiales y la elevación de la eficiencia a partir de la introducción de

nuevas tecnologías, lo que hará que en breve tiempo esta forma de

generar electricidad se hará económicamente viable y bajo las

condiciones de abundante radiación solar de nuestro país podrá ser

ampliamente aprovechada.

52


53


RECOMENDACIONES

Tendiendo en cuenta los resultados alcanzados en el presente trabajo

recomendamos:

1. En la medida que se disponga de los recursos necesarios se proceda a

la instalación de un grupo de paneles solares en un circuito de

distribución a modo de estación de prueba y que la misma sirva para el

monitoreo de los diferentes parámetros con el objetivo de contar con la

experiencia necesaria para cuando sea posible una introducción masiva

de la tecnología.

54


55


BIBLIOGRAFÍA: 1. Altshuler, J y colaboradores, (2004). Tabloide para Curso Universidad

Para Todos Sobre Energía. Editorial Academia

2. Brand A R., A D. Mills, Cliff S. Chen, L E. Greene, y M D. Pickett,

(2004). The costs and Benefits of the Solar homes Peak Energy

Procurement Program, A financial and social analysis, University of

California.

3. Cubasolar. Panel Fotovoltaico. www.cubasolar.cu. 14/02/2009

4. Cubasolar, (2007). Curso de Solar Habana. Ficha técnica. Edición 04.

5. González E. Jiménez.: “conversión de la radiación solar en potencia

eléctrica en México” Centro de investigación en energía UNAM, México.

6. González G Raúl, H R Jiménez G. y J. Lagunas M. (2002). Sistemas

Fotovoltaicos Conectados a la red.

7. J.C. Hernández, A. Medina. (2006). Conexión De Sistemas Fotovoltaicos

A La Red Eléctrica: Calidad de Suministro.

8. La energía solar. (1991). Ente Vasco de la Energía.

9. Nuevo Atlas Nacional de Cuba, (1989). Instituto de Geografía de la ACC.

Instituto Cubano de Geodesia y Cartografía.

10. Olano L. J, (2005).” Tecnología Fotovoltaica- Presente y Futuro”: Curso

de Energías Renovables, Universidad de Cantabria.

56


11. Oliveira De J, (2002). Análisis Comparativo de los Métodos de

Asignación de Pérdidas Eléctricas en Redes de Distribución.

Departamento de Ingeniería Eléctrica y Computadores. Universidad de

Oporto

12. Perezagua E, (2006). Presente y futuro de la Energía Fotovoltaica”

13. Sol de Hogar. Estudio de Instalación solar fotovoltaica para conexión a

red. www.soldehogar.com. 18/4/2009

14. Soto P. E. Isidro. (2005). “Celdas Fotovoltaicas en la Generación”:

Pontificia Universidad Católica de Santiago de Chile.

15. Trebolle David. La Generación Distribuida en España. Instituto de

Postgrado y Formación Continua. España 01/01/06.

16. Zeballos, Raúl y Vignolo, Mario, (2000). La Generación Distribuida en el

Mercado Eléctrico Uruguayo.

57

de distribución

Documents