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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS EMPLEO DE PANELES SOLARES EN VIVIENDA SUSTENTABLE PARA LA MEJORA DE LA CALIDAD DEL AIRE EN LA CIUDAD DE MÉXICO. TESIS QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO INDUSTRIAL P R E S E N T A ANA PAULINA GONZÁLEZ ARCEO DIRECTOR DE TESIS DR. MIGUEL TUFIÑO VELÁZQUEZ MÉXICO, D.F. JUNIO, 2014 DEDICATORIAS A DIOS: Por haberme dado la vida y permitirme llegar hasta esta etapa tan importante de mi formación profesional, por haberme dado salud para lograr mis objetivos, por ser mi fortaleza en los momentos de debilidad, por su infinita bondad y amor, pero sobre todo, por regalarme una familia maravillosa. A MI MADRE MARIA DE LOURDES ARCEO TELLO: Por tu gran amor, apoyo y confianza, porque sin escatimar esfuerzo alguno, has sacrificado gran parte de tu vida para formarme y hacerme una persona de bien, porque nunca podré pagar todos tus desvelos, ni aún con las riquezas más grandes del mundo. Por tus valores y consejos, por lo que soy y porque gracias a tus oraciones me has guiado siempre hacia adelante. A MI PADRE JAVIER GONZÁLEZ RANGEL: Papá aunque no tuve el placer de conocerte siempre estás presente en mi corazón, en todo lo que hago tu nombre va escrito y sé que estarías muy orgulloso de tu hija menor. A SALVADOR NICOLAS: Por ser como mi Padre, porque gracias a tu amor incondicional, tu esfuerzo y dedicación me has brindado la mejor herencia que un hijo puede recibir. A MIS HERMANAS (OS): Carlos, Lourdes, Alejandra, Javier, Maribel y Rosalinda gracias por sus consejos, cariño, regaños, comprensión y por haber fomentado en mí el deseo de superación en la vida. A MIS SOBRINAS (OS): Lupita, Alexis, Ariana, Dulce y Javier, siempre desearé lo mejor de la vida para ustedes, quiero que nunca dejen de soñar y que luchen para que sus sueños se hagan realidad. Las cosas buenas y que realmente valen la pena llegan cuando se hace lo correcto, con valores y humildad. Les dedico con mucho cariño esta tesis para impulsarlos a estudiar y forjarse un mejor futuro. Sin ustedes este logro no hubiera sido posible, de corazón… MUCHAS GRACIAS. ¡LOS AMO CON TODA MI ALMA! AGRADECIMIENTOS Primeramente al Instituto Politécnico Nacional que con mucho orgullo ha sido mi escudo y emblema desde hace varios años y hasta el último día de mi vida. A mi Alma Máter la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas que ha sido testigo y parte de innumerables escenarios durante mi estancia en la misma, los cuales serán inolvidables. En sus cimientos, mis fracasos se volvieron el coraje para emprender un nuevo camino hacia el éxito. A la Escuela Superior de Física y Matemáticas por darme la oportunidad de realizar un importante logro en mi carrera profesional. A la Secretaría de Ciencia, Tecnología e Innovación del DF (SECITI-DF) por el apoyo otorgado para la realización de esta tesis, a través del Convenio No. ICYTDF/127/2012. A mi director de tesis, el Dr. Miguel Tufiño Velázquez por su paciencia, apoyo y confianza. Gracias por no perder la fe en mí, y si así ha sido, gracias por recuperarla. Gracias por sus consejos personales y académicos. Gracias por escucharme y por regalarme la oportunidad de conocerlo y ver en usted el magnífico ser humano que es. A mi compañero y amigo el Ing. Armando Yunez Cano que gracias a él pude conocer a personas maravillosas las cuales me ayudaron a desarrollar el presente trabajo; a la Dra. Rosa de Guadalupe González Huerta y el M. en C. Daniel Jiménez Olarte, les agradezco su enorme apoyo, esfuerzo, tiempo y gran disponibilidad. Gracias por sus consejos y ánimos constantes. Un agradecimiento muy especial al Dr. Gerardo Contreras Puente por creer y depositar su confianza en mí, por darme la oportunidad de asistirle y aprenderle día a día un poco de toda su experiencia y sabiduría, por ser una pieza fundamental para que yo pudiera concluir esta tesis, por su paciencia y apoyo incondicional. Al Dr. Francisco De Moure Flores y al M. en C. Enrique Campos González por confiar en mí y regalarme la oportunidad de colaborar con ustedes y pertenecer a su grupo de investigación, por compartirme sus conocimientos, por sus consejos y apoyo. Dr. De Moure gracias por ver en mi algo especial y abrirme puertas, gracias a sus llamadas de atención aprendo a ser mejor persona. No tengo palabras para agradecer todo lo que ha hecho por mí. Al Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN (CINVESTAV) por ser una plataforma importante en mi carrera profesional y por supuesto al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por el apoyo otorgado durante mi estancia en este centro. A mis Profesores que por este andar por la vida, influyeron con sus lecciones, enseñanzas y experiencia en formarme como una persona íntegra y preparada para los retos que pone la vida, a todos y cada uno de ellos muchas gracias. A mis Sinodales por ser parte de este momento tan importante, por sus valiosos comentarios y sugerencias. Por todo su tiempo invertido en la revisión de esta tesis. ¡TODO MI RESPETO Y ADMIRACIÓN SON PARA USTEDES! Ana Paulina González Arceo ÍNDICE ÍNDICE DE CUADROS, GRÁFICAS Y FIGURAS GLOSARIO OBJETIVOS ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------I JUSTIFICACIÓN ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------II RESUMEN -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------III CAPÍTULO I. ANTECEDENTES ------------------------------------------------------------------------------------------------------------1 1.1 Combustibles Fósiles --------------------------------------------------------------------------------------------------------------1 1.1.1 Carbón -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1 1.1.2 Petróleo -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2 1.1.3 Gas natural ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------3 1.2 Energía Eléctrica --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------5 1.2.1 Principio básico de la electricidad ---------------------------------------------------------------------------5 1.2.2 Generadores y receptores de energía -------------------------------------------------------------------6 1.3 Generación de Energía Eléctrica -------------------------------------------------------------------------------------------7 1.3.1 Centrales hidroeléctricas -----------------------------------------------------------------------------------------9 1.3.2 Centrales térmicas -------------------------------------------------------------------------------------------------10 1.3.3 Centrales geotérmicas -------------------------------------------------------------------------------------------11 1.3.4 Centrales nucleares ------------------------------------------------------------------------------------------------12 1.3.5 Centrales eólicas ----------------------------------------------------------------------------------------------------14 1.3.6Centrales solares ----------------------------------------------------------------------------------------------------15 1.3.6.1 Centrales fototérmicas -----------------------------------------------------------------------15 1.3.6.2 Centrales fotovoltaicas ----------------------------------------------------------------------15 1.3.7 Central de biomasa ------------------------------------------------------------------------------------------------15 1.3.8 Capacidad eléctrica instalada en México -------------------------------------------------------------16 1.4 Energías Renovables -----------------------------------------------------------------------------------------------------------18 1.4.1 Energía marina -------------------------------------------------------------------------------------------------------18 1.4.2 Biogás ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------19 1.4.3 Otras alternativas energéticas ------------------------------------------------------------------------------20 1.4.3.1 Celdas solares ultradelgadas -------------------------------------------------------------20 1.4.3.2 Energía procedente del tratamiento de aguas --------------------------------20 1.4.3.3 Combustible biológico -----------------------------------------------------------------------20 1.4.3.4 Combustible sintético diésel -------------------------------------------------------------20 1.4.3.5 Hidrógeno -------------------------------------------------------------------------------------------21 1.5 Paneles Solares (Principio de funcionamiento) -----------------------------------------------------------------21 1.5.1 Energía fotovoltaica -----------------------------------------------------------------------------------------------21 1.5.2 Unión “p-n” -------------------------------------------------------------------------------------------------------------21 1.5.2.1 Conductores ----------------------------------------------------------------------------------------22 1.5.2.2 Aislantes ---------------------------------------------------------------------------------------------22 1.5.2.3 Semiconductores -------------------------------------------------------------------------------23 1.5.3 Sistema fotovoltaico ---------------------------------------------------------------------------------------------26 1.5.3.1 Celdas fotovoltaicas --------------------------------------------------------------------------26 1.5.3.2 Paneles fotovoltaicos ------------------------------------------------------------------------26 1.5.4 Principio y funcionamiento de una celda fotovoltaica ----------------------------------------28 1.5.5 Componentes de un sistema fotovoltaico -----------------------------------------------------------30 1.5.6 Curva característica del módulo fotovoltaico ------------------------------------------------------32 CAPÍTULO II. ENFOQUE ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------35 2.1 Estudio de vivienda y su consumo eléctrico ----------------------------------------------------------------------35 2.2 Aparatos eléctricos y su consumo -------------------------------------------------------------------------------------37 2.3 Aplicación de paneles solares en viviendas -----------------------------------------------------------------------41 2.4 Insolación en el Distrito Federal ----------------------------------------------------------------------------------------42 2.5 Calidad del aire en la ciudad de México -----------------------------------------------------------------------------45 2.5.1 La atmósfera y sus contaminantes -----------------------------------------------------------------------47 2.5.2 Efectos de la contaminación del aire -------------------------------------------------------------------48 CAPÍTULO III. FUNCIONAMIENTO Y CARACTERIZACIÓN DE PANELES SOLARES EN VIVIENDA 3.1 Propuesta de una casa energizada con paneles solares --------------------------------------------------51 3.1.1 Equipos de uso doméstico integrados en la vivienda sustentable ---------------------57 3.1.2 Paneles fotovoltaicos -------------------------------------------------------------------------------------------58 3.1.3 Banco de baterías --------------------------------------------------------------------------------------------------61 3.1.4 Controlador de carga --------------------------------------------------------------------------------------------63 3.1.5 Inversor -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------65 3.1.6 Sistema integrado -------------------------------------------------------------------------------------------------66 3.2 Mediciones en la vivienda sustentable en un periodo determinado ------------------------------68 3.2.1 Winverter™ Monitor Outback -----------------------------------------------------------------------------68 3.2.2 Datos registrados por Winverter™ Monitor Outback ------------------------------------------71 3.2.2.1 Datos obtenidos del inversor (FX) -----------------------------------------------------73 3.2.2.2 Datos obtenidos del controlador de carga (MX) ------------------------------77 3.2.3 Cálculo de producción y consumo de energía eléctrica ---------------------------------------80 3.2.4 Sensor V3 Mc Solar® -----------------------------------------------------------------------------------------------82 3.3 Reducción de emisión de CO2 usando un sistema fotovoltaico ---------------------------------------88 3.3.1 Cálculo de CO2 que se deja de emitir a la atmósfera -------------------------------------------88 ESTUDIO DE FACTIBILIDAD -----------------------------------------------------------------------------------------------------------89 CONCLUSIONES ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------90 REFERENCIAS ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------91 ANEXOS --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------93 ÍNDICE DE CUADROS, GRÁFICAS Y FIGURAS CAPÍTULO I. Tabla 1.1: Distribución regional de consumo de energía por tipo en porcentajes---------------------------7 Figura 1.2: Mapa de distribución regional de consumo de energía por tipo-----------------------------------8 Tabla 1.3: Producción geotérmica mundial en MW--------------------------------------------------------------------------11 Figura 1.4: Capacidad total instalada (MW) en México por fuentes no renovables----------------------17 Figura 1.5: Capacidad total instalada (MW) en México por fuentes renovables----------------------------17 Figura 1.6: Estructura del átomo y sus componentes, especificando los electrones ligados al núcleo y los de valencia--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------22 Figura 1.7: Película de Silicio dopada con ambas impurezas Fosforo como pentavalente y Boro como trivalente, formando una unión “p-n”----------------------------------------------------------------------------------23 Figura 1.8: Unión “p-n”---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------24Figura 1.9: Estructura de la banda semiconductora------------------------------------------------------------------------25 Figura 1.10: Conductores, Semiconductores y Aislantes de acuerdo a la teoría de las bandas----26 Figura 1.11: Capas interpuestas en un panel fotovoltaico---------------------------------------------------------------27 Tabla 1.12: Paneles FV más comunes en el mercado-----------------------------------------------------------------------27 Figura 1.13: Estructuras fotovoltaicas----------------------------------------------------------------------------------------------28 Figura 1.14: Representación esquemática del fenómeno FV----------------------------------------------------------29 Tabla 1.15: Principales tipos de baterías en el mercado-------------------------------------------------------------------31 Figura 1.16: Diagrama de un sistema fotovoltaico convencional----------------------------------------------------32 Figura 1.17: Curva de desempeño corriente-voltaje de una celda solar de alta eficiencia------------33 CAPÍTULO II. Tabla 2.1: Tipos de tarifas domésticas estipuladas por la CFE-------------------------------------------------------35 Tabla 2.2: Consumo por tarifas en el sector doméstico------------------------------------------------------------------37 Tabla 2.3: Consumo de aparatos eléctricos-------------------------------------------------------------------------------------38 Figura 2.4: Consumo de aparatos eléctricos durante 1 hora de uso----------------------------------------------39 Tabla 2.5: Ejemplo de cálculo para determinar cuánto consume un hogar en kW/h al bimestre----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------39 Figura 2.6: Consumo de aparatos eléctricos en relación a un foco de 100 watts-------------------------40 Figura 2.7: Prototipo de una casa energizada por medio de paneles solares-------------------------------42 Figura 2.8: Casas energizadas por medio de paneles solares--------------------------------------------------------42 Figura 2.9: Radiación solar mundial-------------------------------------------------------------------------------------------------43 Figura 2.10: Radiación solar en la República Mexicana------------------------------------------------------------------44 Tabla 2.11: Insolación en el Distrito Federal-------------------------------------------------------------------------------------45 Tabla 2.12: Calidad del aire en las ciudades más grandes del mundo--------------------------------------------46 Tabla 2.13: Composición de gases en la atmósfera-------------------------------------------------------------------------47 Tabla 2.14: Contaminantes primarios y sus efectos------------------------------------------------------------------------48 CAPÍTULO III. Figura 3.1: Sistema fotovoltaico constituido por paneles de Si policristalino de 1 kW, instalado en el techo del remolque que está siendo acondicionado como “vivienda solar sustentable” en el IPN (VSSIPN)---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------51 Figura 3.2: A) televisor LCD y reproductor de DVD, B) sofá, C) aire acondicionado, D) alacena y frigobar, E) computadora, F) litera, G) mesa, H) extintor, I) baño, J) lámparas LEDs------------------52 Tabla 3.3: Cálculo de potencia pico requerida en la VSSIPN-----------------------------------------------------------57 Figura 3.4: Carga de consumo promedio por día de la VSSIPN------------------------------------------------------58 Tabla 3.5: Características técnicas de los Paneles Fotovoltaicos---------------------------------------------------59 Figura 3.6: Diagrama serie-paralelo del SFV que se integrará a la VSSIPN------------------------------------60 Figura 3.7: Vista de los paneles fotovoltaicos instalados en la VSSIPN-----------------------------------------60 Tabla 3.8: Características técnicas de las baterías--------------------------------------------------------------------------62 Figura 3.9: Diagrama del arreglo serie-paralelo donde se obtienen 48 V y 345 A-h.--------------------62 Figura 3.10: Vista de las baterías instaladas en la casa solar-----------------------------------------------------------63 Tabla 3.11: Características técnicas del controlador de carga--------------------------------------------------------64 Figura 3.12: Vista del controlador de carga instalado en la casa solar-------------------------------------------64 Tabla 3.13: Características técnicas del inversor-----------------------------------------------------------------------------65 Figura 3.14: Vista del inversor instalado en la VSSIPN--------------------------------------------------------------------66 Figura 3.15: Sistema integrado en la VSSIPN-----------------------------------------------------------------------------------67 Figura 3.16: SFV y su descripción resumida-------------------------------------------------------------------------------------67 Figura 3.17: Ventana principal de datos del inversor (FX)--------------------------------------------------------------69 Figura 3.18: Ventana principal de datos del controlador de carga (MX)---------------------------------------70 Figura 3.19: Ventana principal del inversor (FX) tomada el día 20/enero/2014------------------------------71 Figura 3.20: Ventana principal del controlador de carga (MX) tomada el día 20/enero/2014------72 Tabla 3.21: Datos de consumo de los aparatos eléctricos dentro de VSSIPN, expresado en potencia (W)-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------73 Gráfica 3.22: Consumo promedio de los aparatos eléctricos instalados en la VSSIPN, expresado en potencia (W)-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------76 Tabla 3.23: Datos de producción de energía eléctrica por medio de los paneles solares, expresado en potencia (W)--------------------------------------------------------------------------------------------------------------77 Gráfica 3.24: Producción de los paneles solares instalados en la VSSIPN, expresada en potencia (W)----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------80 Figura 3.25: Sensor V3 Mc Solar® usado para tomar los datos de temperatura y radiación solar de los paneles solares de la VSSIPN-------------------------------------------------------------------------------------------------83 Gráfica 3.26: Temperatura (°C) captada en los paneles solares-----------------------------------------------------83 Gráfica 3.27: Radiación solar en W/m2 de los paneles solares instalados--------------------------------------84 Gráfica 3.28: Temperatura de días con condiciones climáticas diferentes------------------------------------85 Gráfica 3.29: Radiación solar de días con condiciones climáticas diferentes--------------------------------86 Gráfica 3.30: Potencia producida en los días 16,18 y 24 de enero a condiciones climatológicas diferentes------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------87GLOSARIO AC Corriente alterna: corriente eléctrica en la que la magnitud y el sentido varían cíclicamente. AISLANTE Es un material con escasa capacidad de conducción eléctrica. ALDEHÍDOS Compuestos orgánicos caracterizados por poseer un grupo funcional -CHO. AMCM Área metropolitana de la Ciudad de México. BTU British termal unit. Una BTU representa la cantidad de energía que se requiere para elevar un grado Fahrenheit la temperatura de una libra de agua en condiciones atmosféricas normales. 1 BTU= 252 calorías= 1,055.056 Joules. CELDA SOLAR Dispositivo que produce electricidad mediante el principio fotovoltaico. CFE Comisión Federal de Electricidad. CONDUCTOR Material que opone poca resistencia al paso de la corriente. CONSUMO ELÉCTRICO Energía eléctrica consumida en un lapso de tiempo. CORRIENTE ELÉCTRICA Flujo de carga eléctrica por unidad de tiempo. DC Corriente directa: flujo continuo de carga eléctrica que no cambia de sentido con el tiempo. DIFERENCIA DE POTENCIAL Diferencia de voltaje entre dos puntos, equivalente al trabajo que s e necesita para transferir una unidad de carga desde un punto de referencia a otro determinado. EFECTO FOTOVOLTAICO Emisión de electrones (generación de corriente eléctrica) que se produce cuando la luz incide sobre ciertas superficies. ENERGÍA Capacidad para realizar un trabajo. ENERGÍA ELÉCTRICA Forma de energía que resulta de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer una corriente eléctrica entre ambos. ENERGÍA POTENCIAL Energía almacenada en un sistema. ESFM Escuela Superior de Física y Matemáticas. ESIME Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. ESIQIE Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas. FUENTES ANTROPOGÉNICAS Procesos o materiales que son el resultado de actividades humanas, incluye: industria, agricultura, minería, transporte, construcción, urbanización y deforestación. INSOLACIÓN Cantidad de energía en forma de radiación solar que llega a un lugar de la tierra. INVERSOR Dispositivo que convierte la corriente continua en corriente alterna. kWh Unidad de medida del consumo eléctrico. NO2 Dióxido de nitrógeno. OMS Organización Mundial de la Salud. PM10 y PM2.5 PM10 se refiere a partículas sólidas o liquidas de polvo, ceniza, partículas metálicas o polen dispersas en la atmósfera, y cuyo diámetro es menor que 10 μm, mientras que PM2.5 a partículas sólidas o líquidas de polvo, ceniza, partículas metálicas o polen dispersas en la atmosfera, y cuyo diámetro es menor que 2.5 μm. POTENCIA ELÉCTRICA Cantidad de energía entregada o absorbida por un dispositivo en un tiempo determinado. PST Partículas suspendidas totales. PV Se refiere la energía fotovoltaica (Photovoltaics). RADIACIÓN Propagación de energía en forma de ondas electromagnéticas o partículas subatómicas o de un medio material. REGULADOR Dispositivo capaz de realizar un control o regulación de una magnitud física de un sistema. RENDIMIENTO ENERGÉTICO Relación de la energía producida (WP) y de la energía consumida por el usuario (WC ). SEMICONDUCTOR Material que se comporta como un conductor o como un aislante dependiendo de diversos factores; campo eléctrico, presión, radiación y temperatura del ambiente en el que se encuentre. SEMICONDUCTOR TIPO “n” Semiconductor en el cual la corriente eléctrica está compuesta por electrones. SEMICONDUCTOR TIPO “p” Semiconductor en el cual la corriente eléctrica está compuesta por huecos. SFV Sistema fotovoltaico. SO2 Dióxido de azufre. VOC Voltaje de circuito abierto, por sus siglas en inglés “Open Circuit Voltage”. VSSIPN Vivienda Solar Sustentable del Instituto Politécnico Nacional. I OBJETIVO Implementar la Energía Solar como una alternativa energética en una vivienda para un desarrollo sustentable y una opción a los hidrocarburos derivados del petróleo, así como la reducción de la contaminación del aire en la Ciudad de México. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1.- Describir los principios de funcionamiento de un sistema fotovoltaico, sus componentes y los requerimientos para satisfacer una casa solar. 2.- Generar energía eléctrica en una vivienda sustentable por medio de paneles solares, aportando una solución energética limpia que permita competir con la producción de energía a base de combustibles fósiles. 3.- Analizar a detalle las ventajas y desventajas de sustituir la fuente convencional de generación de energía eléctrica que recibimos en nuestros hogares, por la alternativa de un sistema fotovoltaico integrado en una vivienda. 4.- Mostrar de una forma clara y concisa, el comportamiento de los paneles solares según el clima (cálido, frío y lluvioso), en base a un monitoreo automatizado. II JUSTIFICACIÓN Sin duda alguna el tema de las energías alternativas cada día adquiere mayor auge dentro de la vida de todos nosotros, y es que no se debe escatimar la importancia que estas fuentes limpias representan hacia un futuro sostenible. Actualmente se sigue generando energía eléctrica en base a combustibles fósiles, sin embargo sabemos que representa daños irreversibles en nuestro ecosistema. Otro inconveniente que se tiene al hacer uso de combustibles fósiles es el hecho de que dichos combustibles se agotarán. Es claro que, para evitar una crisis energética debemos transformar la concepción de energía hasta ahora adoptada. Las necesidades actuales demandan pensar en términos de energía sostenible, entendiéndose como tal a aquella que satisface nuestras demandas sin comprometer las de generaciones futuras. El sol es una fuente de energía gratuita y prácticamente inagotable. El sol deposita sobre la superficie terrestre alrededor de 120,000 TW de energía al día. Actualmente el consumo mundial de energía es de 13 TW aproximadamente, si se cubre el 0.16% de la superficie terrestre con sistemas fotovoltaicos con una eficiencia del 10% se producirían 20 TW. Esto revela la importancia de aprovechar al sol como una fuente de energía. La cantidad de radiación solar que se incide sobre territorio mexicano es razón de más para promover el desarrollo de las tecnologías orientadas a un uso eficiente de la energía solar, una forma extraordinaria de aprovechar dicha energía es aplicada a nuestro hogar ya que ahí es donde, en un considerable porcentaje, se agotan los combustibles que se ocupan para generar energía eléctrica, Dentro del consumo eléctrico en México, los usuarios de casa habitación representan el 33% del consumo total, siendo los servicios más utilizados el del refrigerador, la televisión, el reproductor de DVD y la iluminación de interiores. Partiendo de esta premisa se establece un consumo eléctrico mínimo estándar en una casa promedio mexicana de 2.2 kWh/día. El problema de depender de una empresa pare recibir el servicio de energía eléctrica, es que no solo afecta a nuestros bolsillos el pagar bimestralmente a la compañía por recibir dicho servicio, sino que los contaminantes que se producen son inimaginables y en verdad no se considera el daño deplorable que se hace al planeta al propiciar el cambio climático. Cada día la población crece con mayor velocidad y con ello también las necesidades energéticas de cada persona, el precio de los combustibles fósiles cada vez es más alto poniendo en riesgo el desarrollo social del país.III RESUMEN El presente trabajo contempla la implementación de la energía solar como fuente de energía renovable, para energizar una casa por medio de un sistema fotovoltaico y el empleo de paneles solares en vivienda sustentable para la mejora de la calidad del aire en la ciudad de México. El proyecto creado en el Instituto Politécnico Nacional, propone se puedan realizar todas las actividades cotidianas que se hace en los hogares mexicanos, desde ver la televisión, escuchar música, calentarse algún alimento, hasta bañarse o trabajar en la computadora; todo esto sin estar conectados a una red eléctrica. El primer capítulo titulado “Antecedentes”, habla de las formas convencionales de generación de energía eléctrica, energías renovables y no renovables, sus ventajas y desventajas así como también conceptos básicos sobre electricidad y energía fotovoltaica. En el segundo capítulo encontraremos el enfoque de la tesis, aquí se ven temas como estudio de vivienda y consumo eléctrico, se presenta la aplicación de paneles solares en viviendas, la insolación y la calidad del aire en la Ciudad de México, la atmósfera y sus contaminantes así como también sus efectos y daños a la salud. Por último, el tercer capítulo se basa en el funcionamiento y caracterización de paneles solares en vivienda, aquí se analiza a detalle la propuesta que se menciona al inicio del texto, se describen los componentes que integran la vivienda sustentable así como los equipos con que se cuenta. Se verán las mediciones realizadas a los paneles solares en un periodo determinado con la ayuda de un sistema de monitoreo, aquí se observa el comportamiento de los paneles fotovoltaicos a diferentes condiciones climáticas. En base a esto, se generó un estudio de factibilidad, de esta manera el lector sabrá todo lo que constituye y se requiere para optar por instalar un sistema fotovoltaico así como sus ventajas y desventajas. Finalmente se presentan las conclusiones y las perspectivas del proyecto. CAPÍTULO I. ANTECEDENTES 1 CAPÍTULO I. ANTECEDENTES 1.1 Combustibles Fósiles Debido a la situación energética actual, que es insostenible a largo plazo, es necesario reemplazar las fuentes convencionales de energía y una de las mejores opciones es la energía solar. Actualmente en México se genera energía mediante la quema de combustibles fósiles como el carbón, petróleo y gas natural; sin embargo, cada vez estos recursos se van agotando ya que son resultado de millones de años de descomposición y almacenamiento de vegetales y animales que se transformaron en estos elementos a través de complicados procesos químicos y físicos. A continuación se describe cada uno de los combustibles fósiles empleados para generar energía [1]: 1.1.1 Carbón. El primer combustible fósil que ha utilizado el hombre es el carbón y cuenta con abundantes reservas. Representa cerca del 70% de las reservas energéticas mundiales de combustibles fósiles conocidas actualmente y es la más utilizada en la producción de electricidad a nivel mundial. Es resultado de la transformación de grandes masas vegetales provenientes del llamado período Carbonífero. El carbón mineral o hulla debe su origen al sol, a la vegetación, a las tierras cenagosas y al tiempo. Se formó durante diferentes periodos geológicos; el carbón es una masa compacta formada por los restos de tejidos de plantas que han sido alterados como resultado de haber permanecido bajo la superficie terrestre durante periodos sumamente largos. El carbón mineral fue el primer combustible de origen mineral utilizado industrialmente y es todavía, a pesar del enorme consumo de petróleo, la fuente de energía básica de la que dependen grandes industrias. Los cuatro tipos principales de carbón son turba, lignito, carbón bituminoso y antracita. La turba es la forma inferior de la hulla y genera poco calor. El lignito posee poco carbón y mucha agua. El carbón bituminoso contiene mayor cantidad de carbón y gas, y es de color más oscuro que los anteriores; es el más abundante y de mayor distribución de todos los tipos de hulla. El carbón tiene una gran variedad de usos, tales como: Generación de energía eléctrica, procesos industriales, transportación, base energética para la producción de acero, aceite ligero, gas de carbón, plásticos, fibras sintéticas tales como el nylon, tintes, drogas, detergentes, líquidos para motor, solventes, explosivos, refrigerantes, fertilizantes, insecticidas, gomas, pegamento, cosméticos, entre otros. 2 Ventajas: El carbón tiene un abasto relativamente abundante. La energía almacenada en el carbón es fácilmente liberada. Es fácilmente almacenado, transportado y controlado a grandes volúmenes. Las reservas de carbón son ampliamente distribuidas alrededor del mundo, a diferencia del gas o el petróleo. Desventajas: Una vez que se consume, se pierde para siempre. Contaminación del aire: para generar 1,000 MW en una planta eléctrica que funciona mediante la combustión de carbón, se consumen 3 millones de toneladas de dicho energético al año. La combustión de carbón en estas plantas contamina el aire con los siguientes compuestos: Aldehídos 0.01 kg/ton CO2 1.1 kg/ton Hidrocarburos 0.4 kg/ton NO2 44.1 kg/ton Sulfuro 83.8 kg/ton Polvo 374.8 kg/ton Radioactividad rastros Contaminación de agua: para generar 1,000 MW en una planta de energía al año se contamina de 7,000 a 41,000 toneladas de agua. 1.1.2 Petróleo. El petróleo y la gasolina denominada también bencina, es una mezcla de hidrocarburos obtenidos en la destilación fraccionada, constituyen junto con el carbón la mayor parte de energía obtenida hasta hoy por la humanidad. El petróleo es un combustible natural líquido, su poder calorífico oscila entre las 9,000 y 11,000 kcal/kg. Procede de la transformación, por acción de determinadas bacterias, de enormes masas de plancton sepultadas por sedimentos y en determinadas condiciones de presión y temperatura. Es por lo tanto, un combustible fósil más ligero que el agua. Estos depósitos se almacenan en lugares con roca porosa y hay rocas impermeables (arcilla) a su alrededor que evita que se salga. Actualmente el petróleo es la principal fuente de energía en el mundo, es usado como combustible para calentamiento de espacios, para motores de combustión interna y generación de energía eléctrica. Como material crudo, se utiliza en la fabricación de infinidad de productos como fertilizantes plásticos, ceras, medicinas, lubricantes, asfaltos y muchos otros. CAPÍTULO I. ANTECEDENTES 3 Ventajas: Su energía almacenada es fácil de liberarse. Es fácilmente extraído (excepto los que no pueden ser explotados, como el que se encuentra en aguas profundas), en algunos pozos pueden fluir hasta 10 mil barriles diarios a un costo muy bajo. Es fácilmente transportado, almacenado y controlado. Desventajas: Una vez que se combustiona se pierde para siempre existe una reserva limitada que llegará a extinguirse. El potencial de abasto no es seguro, su inestabilidad se debe a factores políticos. No se encuentra en muchos lugares del planeta. Contaminación del aire: una planta de energía eléctrica que produzca anualmente 1,000 MW, contaminara el aire con 11, 000 ton/año de: Aldehídos 0.2 kg/ton CO2 0.1 kg/ton Hidrocarburos 1.2 kg/ton Sulfuro 61.7 kg/ton Polvo 4.4 kg/ton NO2 38.6 kg/ton Contaminación del agua: una planta de energía de 100 MW contamina con 4,500 ton/año, además de los derrames en el océano, lagos y ríos, que son aproximadamente de 6 x 106 toneladas métricas de petróleo quefinalmente son arrastradas al mar. 1.1.3 Gas natural. Es una mezcla de hidrocarburos gaseosos principalmente por metano en cantidades que comúnmente puede superar el 90 o 95% y suele contener otros gases como N2, CO2, H2S, He y tioles, que son compuestos fuertemente olorosos de carbono, hidrógeno y azufre. Se encuentra en la naturaleza asociado con el petróleo o solo, este gas se encuentra también en las vetas de carbón, en el sustrato profundo del océano y disuelto en cuerpos de agua subterráneas. Para liberar la energía química almacenada del gas se lleva a cabo el proceso de combustión, este se usa para calentar agua y acondicionar espacios, también para enfriar y además es el principal suministro en la fabricación de fertilizantes químicos. El mayor problema del gas natural es su transportación por medio de tuberías o en camiones tanque, así como su ineficiencia, ya que el 25% de la energía primaria se pierde durante su procesamiento. Además de que existe un alto riesgo de explosión debido a su manejo. http://es.wikipedia.org/wiki/Metano http://es.wikipedia.org/wiki/Di%C3%B3xido_de_carbono http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81cido_sulfh%C3%ADdrico 4 Una de sus grandes ventajas es que el gas natural licuado tiene 600 veces menos volumen que la misma cantidad en estado gaseoso, esto hace practico el embarcar grandes cantidades de gas y de esta forma hacerlo llegar a sitios muy lejanos mediante tanques. Otro modo de transportarlo es convirtiéndolo en metano líquido, ya que se simplifica enormemente su transportación y se reducen los riesgos, utilizándolo como sustituto de gasolina. Ventajas: Su combustión libre de sulfuro hace que sea el más limpio de los combustibles fósiles. Es fácilmente almacenable, transportable y controlable en grandes volúmenes. Desventajas: Una vez que se combustiona, no se puede reutilizar. Su abasto es poco, los depósitos conocidos y disponibles son reducidos. Contaminación del aire: cerca de 24,000 ton/año de una planta de energía de 1,000 MW son depositadas en la atmósfera, en las siguientes proporciones: Aldehídos 0.06 kg/ton NO2 20.9 kg/ton Sulfuro 0.2 kg/ton Partículas 0.9 kg/ton Por otro lado, el consumo de estos combustibles fósiles para llevar energía eléctrica hasta nuestros hogares, produce enormes cantidades de CO2. El CO2 es uno de los gases de efecto invernadero que contribuye a que la Tierra tenga una temperatura habitable, siempre y cuando se mantenga en un cierto equilibrio. Sin dióxido de carbono, la Tierra sería un bloque de hielo. Por otro lado un exceso de CO2 impide la salida de calor de la atmósfera y provoca un calentamiento excesivo del planeta. Actualmente el 80% de toda la energía consumida en el mundo viene de combustibles fósiles. Tan sólo en México el 92% de la energía utilizada proviene de estos combustibles. Especialistas del Instituto Politécnico Nacional informaron que México emite al año 512 millones de toneladas de bióxido de carbono, y de no tomar medidas, la temperatura se incrementará de dos a cuatro grados centígrados. En dicho estudio se revelo que México ocupa el lugar 14 en el mundo en la emisión de bióxido de carbono a la atmósfera y genera dos por ciento de los gases de efecto invernadero que causan el calentamiento global [2]. Debido a estas circunstancias, es necesario explorar fuentes alternas de energía. En este trabajo se propone implementar la Energía Solar como una alternativa energética para un desarrollo sustentable y una opción a los hidrocarburos derivados del petróleo, así como la reducción en el deterioro y la protección al planeta, debido a que el sol es una fuente de energía inagotable y limpia para la generación de energía eléctrica. Además una gran ventaja es que no se requiere ningún trabajo preliminar en la red eléctrica. Generar energía eléctrica mediante la fabricación de celdas solares con alta eficiencia, permitirá complementar a los combustibles fósiles y así mejorar la calidad del aire. CAPÍTULO I. ANTECEDENTES 5 1.2 Energía Eléctrica Diariamente requerimos de energía eléctrica para realizar muchas de las actividades de la sociedad. La electricidad es importante y sin duda alguna el tenerla a nuestro alcance nos hace la vida más fácil y práctica. La electricidad resulta de la diferencia de potencial o voltaje entre dos puntos, en donde se genera una corriente eléctrica, es decir, se crea por el movimiento de los electrones. Para que este movimiento sea continuo se necesita mantener un campo eléctrico en el interior del conductor (metal, etc.). 1.2.1 Principio básico de la electricidad A continuación se describen algunas definiciones importantes acerca de la energía eléctrica [3]: Corriente eléctrica. Es la cantidad de electrones que circulan durante un periodo de tiempo en un conductor. La intensidad circulante en el circuito se llama intensidad nominal. La unidad de medida es el Ampere (A). Diferencia de potencial. Se define como energía por unidad de carga eléctrica, es la energía requerida para mover un electrón de un puno a otro. La unidad de medida es el Volt (V). La diferencia de potencial en los extremos de un generador es llamada tensión nominal; es la tensión de uso en las condiciones de funcionamiento normal. Potencia. Se define como la energía perdida o consumida por un dispositivo eléctrico. La unidad de medida es el Watt (W). La potencia se expresa con la fórmula: P = (V) (I) Donde P se da en watts, V en volts e I en amperes. Ampere-hora. Es la cantidad de electricidad o una capacidad igual al producto de corriente por el tiempo trascurrido. Q = (I) (t) Se expresa en coulomb o, más fácil en amperes-hora (Ah); con Q en amperes-hora, I en amperes y t en segundos. Consumo eléctrico. Es la energía eléctrica consumida o producida durante un lapso de tiempo t, producto de la potencia por el tiempo: E = (P) (t) 6 Se expresa en joule o en watts-hora (Wh) E = (W) (h) También es la capacidad (en amperes-hora) multiplicada por la tensión (en volts): E = (A) (V) ( h) = ( Ah)(V) El kilowatt-hora es la unidad de medida del consumo eléctrico doméstico. Rendimiento: Se le llama rendimiento energético a la relación de la energía producida (WP) y de la energía consumida por el usuario (WC ). 1.2.2 Generadores y receptores de energía. Generador de energía eléctrica: todas las fuentes de energía eléctrica se llaman generadores y pueden ser de corriente alterna o continua. Generador de corriente alterna. Un generador puede proporcionar una corriente alterna cuando los electrones pasan alternativamente en un sentido del circuito y después en el otro. Los dos bornes de los generadores de corriente alterna desempeñan el mismo papel y se dice que estos generadores no están polarizados. El símbolo es: El tiempo entre dos cambios de sentido es el periodo de corriente alterna (t en segundos), cuya frecuencia es 1/t y se expresa en hertz. La CFE distribuye la corriente alterna a 60 Hz. Generador de corriente contínua. Un generador puede proveer una corriente continua donde todos los electrones circulan en el mismo sentido en el circuito. Los dos bornes de los generadores de C.C no desempeñan el mismo papel. Por tanto, se dice que estos generadores están polarizados debido a que poseen un borne positivo y otro negativo. El símbolo es: + - Por convención, se ha establecido que la corriente eléctrica sale por el borne positivo del generador y se recibe en el borne negativo. CAPÍTULO I. ANTECEDENTES 7 Consumidoreso receptores de energía. Los aparatos que reciben y consumen corriente eléctrica se llaman receptores. Muchos de ellos se presentan en nuestro uso diario, por ejemplo: focos, refrigeradores, televisión, radio, etc. Ciertos receptores solo transforman la energía eléctrica en calor (tostador de pan); esto es el efecto térmico de la corriente eléctrica (efecto joule). En otros receptores llamados electrolizadores, la energía eléctrica es transformada en energía química. Este efecto químico también se acompaña de efecto térmico. 1.3 Generación de energía eléctrica La generación de energía eléctrica consiste en transformar alguna clase de energía química, mecánica, térmica o luminosa, entre otras, en energía eléctrica. Para la generación industrial se recurre a instalaciones denominadas centrales eléctricas, que ejecutan alguna de las transformaciones citadas. Estas constituyen el primer escalón del sistema de suministro eléctrico. La generación eléctrica se realiza, básicamente, mediante un generador; si bien estos no difieren entre sí en cuanto a su principio de funcionamiento, varían en función a la forma en que se accionan. Explicado de otro modo, difiere en qué fuente de energía primaria utiliza para convertir la energía contenida en ella, en energía eléctrica [4]. En la tabla 1.1, se observa las principales fuentes de generación de energía en el mundo: Tabla 1.1: Distribución regional de consumo de energía por tipo en porcentajes. Porcentajes Región Petróleo Gas Carbón Energía nuclear Hidroeléctrica Fuentes renovables Totales Norteamérica 37.01 28.21 19.24 7.64 6.04 1.85 100 Centro y Sudamérica 45.00 21.65 4.64 0.76 26.18 1.76 100 Europa y Eurasia 30.73 33.90 17.08 9.29 6.13 2.88 100 Medio Oriente 49.62 48.53 1.16 0.01 0.67 0.01 100 África 41.16 25.69 25.95 0.75 6.11 0.34 100 Asia pacifico 27.40 11.07 53.16 2.25 5.17 0.97 100 [5] BP. http://es.wikipedia.org/wiki/Conversi%C3%B3n_de_potencia http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_qu%C3%ADmica http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctrica http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_suministro_el%C3%A9ctrico http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_suministro_el%C3%A9ctrico http://es.wikipedia.org/wiki/Generador_el%C3%A9ctrico 8 [5] BP. Figura 1.2: Mapa de distribución regional de consumo de energía por tipo. Petróleo Gas Carbón Energía nuclear Hidroeléctrica Fuentes renovables A Estados Unidos, Canadá y México B Argentina, Brasil, Colombia, Ecuador, Perú, Trinidad y Tobago, Venezuela, otros países de Centro y Sudamérica. C Azerbaiyán, Dinamarca, Federación de Rusia, Italia, Kazajstán, Noruega, Reino Unido, Rumania, Turkmenitsán, Uzbekistán, otros países de Europa y Eurasia. D Argelia, Angola, Chad, Egipto, Gabón, Guinea Ecuatorial, Libia, Nigeria, Rep. del Congo (Brazzaville), Sudán y Sudán del sur, Túnez, otros países de África. E Arabia Saudita, Emiratos Árabes Unidos, Irán, Iraq, Kuwait, Omán, Qatar, Siria, Yemen, otros países del medio oriente. F Australia, Brunéi, China, India, Indonesia, Malasia, Tailandia, Vietnam, otros países de Asia Pacífico. Distribución regional de consumo de energía por tipo F CAPÍTULO I. ANTECEDENTES 9 El organismo que rige el sistema eléctrico en México es la Comisión Federal de Electricidad (CFE), esta empresa paraestatal se encarga de controlar, generar, transmitir y comercializar energía eléctrica. La CFE abastece cerca de 26.9 millones de clientes e incorpora anualmente más de un millón. Desde octubre de 2009, se hace cargo de las operaciones de la compañía Luz y Fuerza del Centro. Cabe destacar que ésta es la empresa más grande del sector eléctrico en Latinoamérica [6]. Existen muchas maneras de producir energía eléctrica, a continuación se describen las más comunes en México [1]: 1.3.1 Centrales hidroeléctricas. Las centrales de este tipo aprovechan la energía potencial debido a la altura y se convierte en energía cinética. Esta energía moverá los álabes (paletas curvas) de una turbina situada al pie de la presa, cuyo eje está conectado al rotor de un generador, el cual se encarga de transformarla en energía eléctrica. El agua que fluye desde un nivel superior a otro inferior tiene determinada cantidad de energía susceptible de ser convertida en trabajo y ser utilizada. Una cascada de agua es una fuente de energía. El poder hidroeléctrico es una conversión de la fuerza de gravedad de un salto de agua a un rio o de la liberación controlada del agua en una presa, haciéndola pasar por turbinas que mueven un generador. La hidroenergía provee un medio eficiente y limpio para producir energía eléctrica; no altera el balance energético de la tierra y no libera contaminantes al medio ambiente. Las plantas hidroeléctricas producen el 3 % del total de la producción de energía global, y cerca del 23 % de la electricidad en el mundo. Ventajas: Para la generación de energía eléctrica no se consume combustible fósil. No produce contaminación química o térmica. La conversión de la fuerza mecánica del agua a energía eléctrica producida puede ser hasta 90% eficiente. Los lagos o depósitos de las plantas hidroeléctricas pueden ser usados para recreación, además son capaces de almacenar grandes cantidades de agua por largos periodos de tiempo, aunque no indefinidamente. El usar presas no vincula los problemas de almacenamiento que obstruyen otras fuentes de energía renovable. El mayor potencial para la hidroenergía está en las áreas donde no existen otras fuentes de energía. El principio de funcionamiento de la hidroenergía es simple. El almacenamiento de bombeo es una de las mejores maneras para almacenar exceso de energía eléctrica. La mayoría de los hidro sistemas tiene una vida de 2-3 veces más que las plantas de energía térmica convencional. http://es.wikipedia.org/wiki/Empresa http://es.wikipedia.org/wiki/Luz_y_Fuerza_del_Centro 10 Las instalaciones hidro pueden ser usadas para cultivar peces y otras especies acuáticas. Desventajas: El costo de instalación por kilowatt instalado es alto, aunque aumentar hidroenergía a las presas existentes es menos caro que construir nuevas plantas de energía de cualquier tipo. Construir presas en los ríos provoca cambios en los ciclos ecológicos en el propio rio y áreas vecinas; la vida salvaje es desplazada o destruida. La sedimentación y acumulación progresiva afecta el flujo de los ríos y los patrones de drenaje en la tierra. Hay escasez de lugares para instalar hidroeléctricas. Provoca pérdidas de tierra apropiada para la agricultura en tiempo de severa sequía. Se pierde agua por evaporación o por derrame; se ha estimado que el 9% del volumen de una presa se pierde de este modo. Las presas son vulnerables a las fuerzas naturales, error humano y actos de guerra; debido a fallas en las presas, la energía hidráulica tiene el más alto número de muertes que cualquier fuente de energía hoy en uso. El peso del agua en una presa puede disparar terremotos locales. Los ríos ya no depositan sedimento fértil aguas abajo. Los canales de rio abajo son más susceptibles a la erosión. La calidad de la tierra puede ser reducida ya que la presa puede elevar el nivel del agua y, por lo tanto, levantar las sales y minerales de la superficie. Son áreas apropiadas para la generación de energía hidroeléctrica oceánica las siguientes: el mar mediterráneo, mar rojo, golfo pérsico, golfo de california y golfo de México. Aproximadamente el 18% de la electricidad producida en México proviene de recursos hidroeléctricos. La mayor planta hidroeléctrica de México es la Presa Chicoasén en Chiapas, con 2,400 MW. Éstaes la cuarta planta de energía hidroeléctrica más productiva del mundo. La Presa El Cajón, con 750 MW, que se encuentra ubicada en Nayarit y que comenzó a funcionar en noviembre de 2006, es el último proyecto de gran envergadura finalizado. En 2005 habían 6 plantas mini-hidroeléctricas privadas que sumaban un total de 40 MW; y 139 MW en desarrollo entre otras 9 plantas nuevas. El país tiene un importante potencial mini- hidroeléctrico estimado en 3,200 MW en los estados de Chiapas, Veracruz, Puebla y Tabasco [6]. 1.3.2 Centrales térmicas. En las centrales térmicas, la energía mecánica necesaria para mover las turbinas que están conectadas al rotor del generador proviene de la energía térmica (debida al movimiento de moléculas) contenida en el vapor de agua a presión, resultado del calentamiento del agua en una gran caldera. El combustible que se utiliza para producir vapor de agua determina el tipo de central térmica: de petróleo, de gas natural o de carbón. El proceso, en términos generales, es el siguiente: se utiliza uno de los combustibles citados para calentar el agua. A continuación, el vapor de agua producido se bombea a alta presión para que alcance una temperatura de 600 ºC. Acto seguido, entra en una turbina a través de un http://es.wikipedia.org/wiki/Presa_Chicoas%C3%A9n http://es.wikipedia.org/wiki/Chiapas http://es.wikipedia.org/wiki/MW http://es.wikipedia.org/wiki/Presa_El_Caj%C3%B3n http://es.wikipedia.org/wiki/Nayarit http://es.wikipedia.org/wiki/Chiapas http://es.wikipedia.org/wiki/Veracruz http://es.wikipedia.org/wiki/Puebla http://es.wikipedia.org/wiki/Tabasco CAPÍTULO I. ANTECEDENTES 11 sistema de tuberías, hace girar la turbina y produce energía mecánica, la cual se transforma en energía eléctrica por medio de un generador que está acoplado a la turbina. Aproximadamente el 71% de la electricidad producida en México proviene de recursos termoeléctricos [6]. 1.3.3 Centrales geotérmicas. El planeta Tierra guarda una incalculable cantidad de energía en su interior. Un volcán, un géiser o los temblores en tierra y mar son muestra de ello. La energía geotérmica consiste en extraer calor del magma incandescente (mezcla de rocas fundidas, metales y gases que se llama lava cuando la arroja un volcán) de la tierra mediante el agua que se encuentra en las profundidades del planeta calentada por dicho magma y sube a la superficie en forma de vapor. El magma se encuentra cerca de la superficie terrestre en zonas con alta actividad volcánica, donde es más explotable. En algunos casos el vapor o el agua caliente brotan espontáneamente. En otros, es necesario inyectar agua en pozos y extraerla en vapor. La Tierra tiene una importante actividad geológica, su núcleo es una esfera de magma compuesto de hierro, níquel y cobalto en ebullición y presión muy alta. De hecho el calor aumenta según desciende hacia el centro de la tierra. En bastantes pozos petroleros se llega a 100°C a unos 4 km de profundidad. Es importante recalcar que el aprovechamiento de la energía geotérmica no implica una combustión artificial porque el agua en forma de vapor se produce de manera natural y la convierte en otra forma de energía renovable. Además, la energía geotérmica es una fuente de energía de tal magnitud que si se pudiera captar eficientemente y almacenarla para su uso posterior sin pérdidas considerables, se podrían cubrir las necesidades energéticas de todo el planeta [8]. Producción Geotérmica Mundial. Tabla 1.3: Producción geotérmica mundial en MW. [1] Energía. 12 Ventajas: No hace falta quemar combustible, la energía geotérmica ya existe como calor. Los costos capitales de la geotermia son más bajos que las plantas de energía alimentadas a base de combustible fósil o nuclear. Una vez que la planta se ha construido, ya no hay costos por combustibles como en las plantas convencionales de energía. La energía geotérmica es relativamente simple y fácil de aprovechar; el tiempo de construcción para una planta es corto, promediando tres años desde la planeación hasta la etapa de operación, las plantas nucleares toman cerca de 10 años. El uso de energía geotérmica tiene capacidad para múltiples usos; es adecuada para el uso integrado industrial, producir electricidad, procesar vapor y calor para una variedad de actividades industriales y agrícolas agrupadas en una región. La energía geotérmica puede disminuir la dependencia en los precios y abastos de combustibles fósiles, especialmente del petróleo. Desventajas: La eficiencia de la turbina geotérmica es comparativamente baja (22%) debido a que la baja temperatura y precisión del vapor. La eficiencia total de toda una planta de producción de energía geotérmica está estimada en cerca de 15% menos que una planta de combustible fósil. Una planta geotérmica requeriría 22,000 BTU para generar 1 kilowatt por hora, mientras que una planta de combustible fósil requeriría de 9,000 a 10,000 BTU. Liberación de gases nocivos, tales como el hidrógeno, sulfuros, amonios, entre otros, a la atmósfera, así como una gran cantidad de vapor de agua. La extensión de tierra que se utiliza (promedio de 20 km2 para todas las operaciones) y el ruido (el vapor emergiendo a alta presión hace un ruido que algunas veces alcanza los 100 decibeles). Puede provocarse actividad sísmica por los fluidos extraídos y/o inyectados. El uso del calor geotérmico debe estar cerca de la fuente; no es posible transportar el calor geotérmico muy lejos. En 2010, la capacidad geotérmica instalada era 965 MW representndo el 41% de la electricidad producida en México. Existen cuatro campos geotérmicos actualmente en funcionamiento: Cerro Prieto, Los Azufres, Los Humeros y Las Tres Vírgenes. El potencial estimado es de 217 MW para los campos que producen activamente y de 1,500 MW para los campos aún no desarrollados [6]. 1.3.4 Centrales nucleares. Se trata de centrales térmicas en las que la caldera ha sido sustituida por un reactor nuclear. Un reactor nuclear es el mecanismo para la quema controlada de combustible nuclear. Los reactores convencionales consumen materiales fisionables tales como el U-235, cuya existencia en la tierra es muy limitada, además produce desperdicios extremadamente tóxicos y radioactivos, los cuales deben ser desechados con medidas de alta seguridad. http://es.wikipedia.org/wiki/Planta_de_energ%C3%ADa_geot%C3%A9rmica_Cerro_Prieto CAPÍTULO I. ANTECEDENTES 13 Un reactor nuclear funciona mediante fisión nuclear. La fisión nuclear es el proceso mediante el cual un núcleo pesado es bombardeado por un neutrón que lo parte en dos y, en consecuencia, la masa también es inferior; aproximadamente 1/10% menos. Esta pérdida se convierte en energía liberada del núcleo; cada separación libera dos o tres neutrones. La fisión nuclear es el resultado de bombardear uranio con partículas subatómicas llamadas neutrones, los cuales dividen los átomos de uranio, liberando grandes cantidades de calor en el proceso. Existen muchas instalaciones nucleares en el mundo, se localizan principalmente en Estados Unidos, Inglaterra, Rusia, Japón, Alemania y Francia, hay por lo menos 355 reactores nucleares de investigación repartidos por el mundo y casi 1,500 instalaciones nucleares de almacenamiento de desperdicios y reprocesado solamente en Estados Unidos [1]. Ventajas: La sustitución de los desperdicios concentrados localmente de los subproductos radioactivos por la emisión difusa de las plantas de energía convencionales de combustible fósil. El uranio requiere menos minería para su extracción, causando menor contaminacióndel agua, destrozo de tierra y daños humanos. El abasto de combustible es concentrado: una onza de uranio tiene casi la misma energía potencial que 100 toneladas de carbón. Los costos de transportación para los combustibles nucleares son más bajos que para el combustible fósil. Las expectativas de vida para el abasto de combustible para reactores nucleares son altas. Desventajas: Liberación de grandes cantidades de calor de desecho; cerca de 40% más que las plantas de energía a base de combustible fósil. La producción de algunas de las sustancias más toxicas son conocidas en la forma de desperdicio nuclear, con lo cual peligra la salud por mutación genética, cáncer y quemaduras por radiación. Estos desperdicios deben ser almacenados por cientos de miles de años para que dejen de ser tóxicos para los humanos. Hasta ahora, más de 430,000 galones de desperdicio radioactivo se han derramado sin protección desde 1945. La liberación del gas Kriptón 85 puede alterar las propiedades eléctricas de la atmósfera, afectando el clima. Un reciente estudio de incidentes cancerosos indica que los residentes de las regiones cercanas a plantas nucleares pueden tener altas tasas de cáncer, en comparación con los de regiones sin plantas nucleares. Por cada dos trillones de kW/h generados por plantas nucleares, resultaran de 20 a 200 muertes por exposiciones a la radiación. Se necesita un gran capital inicial para construir una planta nuclear, el costo de una planta de energía de 1,000 MW es de más de un billón de dólares. 14 El combustible producto del uranio tiene una duración corta; solo quedan 15 años de abastecimiento al ritmo actual de consumo. Su eficiencia térmica es baja, cerca del 32%. La proliferación de los reactores comerciales conducirá a la proliferación de las armas nucleares. La única Central Nucleoeléctrica de nuestro país (Laguna Verde), se encuentra ubicada sobre la costa del Golfo de México en el km 42.5 de la carretera federal Cardel-Nautla, en el Estado de Veracruz. La Central Laguna Verde cuenta con 2 unidades generadoras de 682.5 MW eléctricos cada una. Representa el 2% de la electricidad producida en México [6]. 1.3.5 Centrales eólicas. En las centrales eólicas o parques eólicos se aprovecha la energía cinética del viento para mover las palas de un rotor situado en lo alto de una torre (aerogenerador). El viento es la fuente de energía eólica. El viento es originado por el calentamiento desigual de origen solar de la superficie de la tierra y origina movimientos de la masa atmosférica. La energía contenida en los vientos es de aproximadamente el 2% del total de la energía solar que llega a la tierra. La energía solar y la energía eólica son las mejores distribuidas en el planeta. Para transformar la energía eólica en electricidad, un aerogenerador capta la energía cinética del viento mediante su rotor aerodinámico y la transforma en energía mecánica que concentra sobre su eje de rotación o flecha principal. La energía mecánica se trasmite a la flecha de un generador eléctrico. Una turbina de viento obtiene su energía al convertir la fuerza del viento en fuerza de giro a través de sus aspas. La cantidad de energía transmitida al rotor depende de la densidad del aire, del área del rotor y de la velocidad del viento. El aire es más denso cuando esta frío que cuando está caliente [8]. México es un país donde la intensidad del viento es adecuada, en la mayor parte del territorio, para transformarla en electricidad. Sin embargo, la enorme longitud de costas y las sierras madre oriental y occidental, así como la incidencia de los vientos alisios no se aprovechan en la República Mexicana por no contar con una política y un plan de explotación de este recurso energético. La potencia total y el rendimiento de la instalación depende de dos factores: la situación del parque (velocidad y cantidad de horas de viento) y el número de aerogeneradores de que dispone. Los aerogeneradores actuales alcanzan el máximo rendimiento con vientos de unos 45 km/h de velocidad. La velocidad mínima necesaria para que estos aerogeneradores funcionen es de 20 km/h, y la máxima por razones de seguridad es de 100 km/h. La producción de energía eólica todavía es muy limitada en México aunque se estima que el potencial del país se encuentra por encima de 40 GW. La CFE cuenta con dos plantas eólicas en funcionamiento, Parque Eólico La Venta y Guerrero Negro, que tienen una capacidad combinada de 86 MW. El potencial eólico en el estado de Oaxaca es de 33,200 MW. Otros estados con potencial eólico son Zacatecas, Hidalgo y Baja California. Aproximadamente el 21% de la electricidad producida en México proviene de sistemas eólicos [6]. http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e%C3%B3lica http://es.wikipedia.org/wiki/Parque_E%C3%B3lico_La_Venta http://es.wikipedia.org/wiki/Oaxaca http://es.wikipedia.org/wiki/Zacatecas http://es.wikipedia.org/wiki/Hidalgo_(M%C3%A9xico) http://es.wikipedia.org/wiki/Baja_California CAPÍTULO I. ANTECEDENTES 15 1.3.6 Centrales solares. Son instalaciones en las que se utiliza la energía procedente del sol. Existen dos clases principales de instalaciones, según el proceso de transformación usado: centrales fototérmicas y centrales fotovoltaicas [9]. 1.3.6.1 Centrales fototérmicas En las centrales fototérmicas, la radiación solar se aprovecha de dos formas: con colectores solares, que absorben las radiaciones solares para producir calor, o con helióstatos, que reflejan la luz solar y la concentran en un punto para su utilización calorífica; el colector es una superficie, que expuesta a la radiación solar, permite absorber su calor y transmitirlo a un fluido. La captación de la energía solar es directa, la temperatura del fluido es por abajo del punto de ebullición del agua al nivel del mar (100°c), generalmente entre 40 y 60 °C. 1.3.6.2 Centrales fotovoltaicas Las centrales fotovoltaicas la radiación electromagnética emitida por el sol se transforma en energía eléctrica mediante paneles de celdas fotovoltaicas. Al igual que ocurre con la energía eólica, también existen centrales aisladas. Las aplicaciones de la energía solar son muy variadas: desde alimentación de pequeñas calculadoras de bolsillo hasta el uso en automoción y espaciales. Los semiconductores son los componentes fundamentales de los paneles fotovoltaicos. El potencial solar de México es el tercero más grande del mundo. Se estima que el potencial solar bruto del país es de 5 kWh/m2 diarios, que corresponde a 50 veces la generación eléctrica nacional. En 2005 había 328,000 m2 de paneles de energía solar térmica y 115,000 m2 de módulos de energía solar PV (fotovoltaico) instalados en México. Se estima que la capacidad instalada en 2020 sea de 25 MW, con una generación de 14 GWh al año [6]. 1.3.7 Central de biomasa. La biomasa está constituida por todos los compuestos de origen vegetal o animal, incluyendo los materiales procedentes de su transformación natural o artificial. Para fines prácticos, la biomasa puede clasificarse en tres tipos: natural, residual y producida. La biomasa natural se produce en la naturaleza sin intervención humana. La biomasa residual se genera como consecuencia de cualquier actividad humana, principalmente en procesos agrícolas, ganaderos y del hombre, tales como basura, aguas residuales, aserrín, excremento, etc. La biomasa producida se cultiva para obtener biomasa transformable en combustible en vez de producir alimentos, como la caña de azúcar en Brasil, orientada a la producción de etanol para carburante, o la colza en España para producir biodiesel. http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar_t%C3%A9rmica 16 Quedan excluidos del termino biomasa todos los productos agrícolas y pecuariosque sirven de alimento para el hombre y los animales, así como los combustibles fósiles que son derivados de materiales biológicos, pero que mediante transformaciones han alterado profundamente su naturaleza [8]. La central de biomasa quema este tipo de combustible para producir vapor de agua, el cual mueve una turbina que, conectada a un generador, produce electricidad. Pueden obtenerse combustibles como: Solidos: leña, astillas, carbón vegetal Líquidos: biocarburantes, aceites, aldehídos, alcoholes, cetonas y ácidos orgánicos. Gaseosos: biogás e hidrógeno. Ventajas: Permiten la continuidad de la actividad del sector agrícola para evitar abandono de superficies productivas y mantener la actividad en los sectores industriales. Creación de empleos en los sectores agrícola y de transformación. Demandan menos insumos de producción, por lo que el impacto ambiental es menor. Permiten reducir el CO2 y óxidos de azufre (SOX) por lo tanto evitan lluvias ácidas. México también cuenta con un gran potencial para producir energía a partir de biomasa. Se estima que, teniendo en cuenta los residuos agrícolas y forestales con potencial energético y los residuos sólidos urbanos de las diez principales ciudades, el país tiene una capacidad potencial de 803 MW y podría generar 4,507 MWh al año. Aproximadamente el 19% de la electricidad producida en México proviene de centrales de biomasa [6]. 1.3.8 Capacidad eléctrica instalada en México Hasta Agosto de 2010 la capacidad total instalada para la generación de energía eléctrica en México es de 60.795 MW. La mayor parte es aportada por plantas termoeléctricas con un total de 43,231 MW ó 71% del total. Según la definición de fuentes de energías renovables del Programa Especial para el Aprovechamiento de Energías Renovables, lo cual no contempla plantas hidroeléctricas con una capacidad mayor a 30 MW, se cuenta con una capacidad instalada a partir de dichas fuentes de 2,365 MW ó 4%. Con base en las metas del programa antes mencionado, aún será necesaria una capacidad adicional de fuentes renovables de 3.6% del total hasta 2020 [6]. CAPÍTULO I. ANTECEDENTES 17 Figura 1.4: Capacidad total instalada (MW) en México por fuentes no renovables. Excluye Exportación e Importación [7] CFE. Figura 1.5: Capacidad total instalada (MW) en México por fuentes renovables. Excluye Exportación e Importación [7] CFE. 18 1.4 Energías Renovables La energía es la capacidad de realizar un trabajo. Se llama energía renovable la que puede aprovecharse ilimitadamente, es decir, su cantidad disponible en la tierra no disminuye a medida que se aprovecha. Se obtiene de fuentes naturales e inagotables, ya sea que se encuentren en gran cantidad o que el tiempo en el que se regenera es muy rápido. Entre las energías renovables se cuentan la hidroeléctrica, eólica, solar, geotérmica, marina, la biomasa y los biocombustibles [8]. En el apartado 1.3 de este presente texto, ya se han descrito las energías hidroeléctrica, geotérmica, eólica, solar y biomasa. 1.4.1 Energía marina El mar cubre el 71% de la superficie terrestre; dentro de él existe una incalculable fuente de energía. Las olas, empujadas por el viento, son indudablemente una manifestación de esta fuerza; la marea, subiendo y bajando, mueve continuamente millones de metros cúbicos de agua. Las olas son una fuente de energía limpia e inagotable de gran magnitud, una ola de 1,600 m de largo por 1.30 m de altura contiene cerca de 20,000 kW de energía, o cerca de 18.3 millones KW/año. Una ola de 3 m contiene 1,200 millones KW/h por cada 1,600 m al año. Un estimado del potencial anual en el mundo, considerando solamente plantas costeras utilizadoras de la energía por olas, fue de 40 trillones de KW/h. La energía es generada por un pequeño turbo generador manejado a fluctuación por aire a presión, lo cual resulta de la diferencia producida por el cambio periódico de la superficie de la ola alrededor y dentro de la boya. La eficiencia total de conversión (de ola a aire a electricidad) es cerca de 28%. Ventajas: La máxima energía es proporcionada durante las estaciones más calientes, cuando la demanda es mayor. No existe contaminación atmosférica, termal o en el agua. Las plantas de energía en el agua no requieren de área terrestre para la planta. Los materiales de baja temperatura pueden ser usados en la construcción. El agua fresca extraída puede considerarse como un subproducto. Las operaciones en maricultura pueden utilizar agua oceánicas profundas ricas en nutrientes para la producción de comida de mar. La maquinaria opera con carga constante en un medio ambiente benigno, nunca teniendo más de 30°C. Desventajas: Su impacto en el clima global y patrones climatológicos es desconocido, así como también el impacto en el medio ambiente. http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_hidroel%C3%A9ctrica http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e%C3%B3lica http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_geot%C3%A9rmica http://es.wikipedia.org/wiki/Biomasa http://es.wikipedia.org/wiki/Biocombustible CAPÍTULO I. ANTECEDENTES 19 La corrosión puede ser un problema severo si el intercambiador de calor es construido con materiales inadecuados. Los problemas de amarre y esfuerzo de las enormes tuberías de entrada en el agua fría aún se tienen que estudiar detalladamente. La extracción de agua rica en carbón del fondo del mar puede causar un aumento sustancial de CO2 atmosférico. 1.4.2 Biogás El biogás es una gas de origen biológico, cuyos principales componentes son el metano y el bióxido de carbono, que se producen como resultado de la fermentación anaeróbica (ausencia de aire) de la materia orgánica provocada por grupos de microorganismos. Con los desperdicios orgánicos de una ciudad de más de un millón de habitantes, la producción de metano puede satisfacer las necesidades de generación de energía eléctrica basada en el gas natural. Desechos vegetales y animales con capacidad de producir biogás: Desechos animales: estiércol, desechos alimenticios, orina, etc. Residuos agrícolas: semillas, pajas, bagazo de caña, etc. Desechos de rastros: sangre, carne, desechos de pescado, etc. Residuos agroindustriales: aserrín, tabaco, arroz, frutas, vegetales, etc. Residuos forestales: ramas, hojas, cortezas, etc. Composición del biogás: Metano (CH4) 54-70% Bióxido de carbono (CO2) 27-47% Hidrógeno (H2) 1-10% Nitrógeno (N2) 0.5-3% Ácido sulfhídrico (H2S) 0.1% Ventajas: Ayuda a restablecer el equilibrio ecológico y los problemas causados por lodos residuales de drenaje y la basura orgánica, ya que los productos producidos por su fermentación, entre otros el biogás, son excelentes y económicos fertilizantes ricos en nitrógeno, fosforo y potasio. La producción de metano o biogás ayuda a disminuir la demanda del gas natural y elimina en gran medida el problema de aguas negras y residuos sólidos en las ciudades. Es una energía renovable que puede estar siempre disponible a un precio estable. Es una alternativa viable para los lugares aislados donde otros energéticos comerciales no llegan. Las plantas de biogás resuelven el problema de eliminar larvas, roedores e insectos, en materia aprovechable. 20 1.4.3 Otras alternativas energéticas Existen otras posibilidades de aprovechamiento energético con base en fuentes renovables, que son derivadas de las nuevas tecnologías. A continuación se describen cada una de ellas [8]. 1.4.3.1 Celdas solares ultradelagadas. Se ha logrado fabricar células fotovoltaicas100 veces más delgadas y más ligeras que las actuales células de silicio. Por necesitar también menor cantidad de materiales semiconductores podrán producirse a gran escala de manera mucho más económica y rentable. El problema hasta ahora es que las tradicionales celdas de silicio demandan cantidades relativamente altas de materiales semiconductores por lo cual producirlas es caro y son también demasiado pesadas. Esto limita sus aplicaciones. Además, el silicio es la base principal de la electrónica moderna, por lo que si se quisiera cubrir la superficie terrestre con celdas solares de silicio, el silicio no sería suficiente. Mientras que dichas celdas usan obleas de silicio parecidas a los chips de las computadoras, el nuevo método permitirá utilizar solo finas capas de material semiconductor. Las celdas solares más delgadas tienen una estructura química más compleja y son más fáciles de producir, lo que ha limitado su uso hasta ahora. 1.4.3.2 Energía procedente del tratamiento de aguas. Es posible producir electricidad y reducir el nivel de contaminación de las aguas residuales si se usa la materia orgánica que contienen como fuente de energía. Para ello podría utilizarse una bacteria reductora de metales. Estas bacterias purifican el agua y eliminan los peligrosos iones metálicos en procesos industriales. También pueden actuar como célula de combustible microbiana y transferir corriente eléctrica hacia su exterior a través de mecanismos electroquímicos. 1.4.3.3 Combustible biológico. El etanol puede ser usado como combustible, directo o mezclado con gasolina (gasohol), al quemarse produce menos gases contaminantes y de efecto invernadero. Se produce cuando la levadura fermenta la glucosa, un tipo de azúcar que se encuentra en muchos cultivos (sobre todo granos). Sin embargo es caro producir este tipo de cultivos y no es viable económicamente utilizarlos para producir etanol a gran escala. En cambio, la levadura modificada genéticamente puede convertir no solo la glucosa, sino también otro azúcar (xilosa) y producir 30% más de este combustible. 1.4.3.4 Combustible sintético diésel. Durante la segunda guerra mundial, los alemanes utilizaban diésel en sus vehículos sin depender del exterior. Para ello se empleaba un procedimiento en dos fases. El gas natural se convertía primero en una forma líquida, a base de aplicar calor, vapor y un catalizador basado en níquel, se producía una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno, conocida como gas sintético (syngas). El segundo paso era obtener combustible líquido a partir del syngas, gracias a una reacción química. El resultado era algo rudimentario, pero funcionaba. La síntesis se ha usado hasta ahora, pero siempre ha sido necesario un tercer paso muy costoso que implica refinar el combustible. Solo así su poder energético es considerablemente atractivo. Lo CAPÍTULO I. ANTECEDENTES 21 interesante es que este combustible puede obtenerse del carbón, de la biomasa, de los residuos sólidos urbanos y del gas natural. Su uso y su alta eficiencia ayudaran a reducir la contaminación por óxidos de nitrógeno. 1.4.3.5 Hidrógeno. Es un combustible con alto contenido energético, más del doble que la gasolina o el gas natural. Lo único que debe hacerse es realizar un proceso de electrólisis que consiste en romper la molécula de agua, haciendo pasar electricidad por un electrolizador, y si la electricidad proviene de energías renovables como eólica, hidráulica, fotovoltaica, tendrá costos muy atractivos. En cuanto a protección del medio no puede ser mejor porque la combustión del hidrógeno con oxígeno solo produce vapor de agua. También se puede obtener directamente si se sumerge un material semiconductor, como el silicio de las celdas fotovoltaicas, en una solución acuosa y se expone a la luz del sol. Los rayos ultravioleta arrancan los electrones del silicio y producen tensión eléctrica suficiente para romper las moléculas de agua. 1.5 Paneles solares (principio de funcionamiento) En este apartado se va describir el principio básico de funcionamiento de un panel solar pero antes se van a enlistar algunos conceptos fundamentales para entender el fenómeno fotovoltaico [9]. 1.5.1 Energía fotovoltaica Hasta ahora se han señalado las fuentes de energía renovables y no renovables más empleadas en México, así como también otras alternativas energéticas, una de las que se está usando actualmente es la energía solar fotovoltaica, la única energía que convierte la luz del sol directamente en electricidad sin quemar ningún tipo de combustible por lo que no contamina, es silenciosa porque carece de partes móviles, se instala fácilmente y es modular. Generando energía eléctrica de manera inmediata y con poco riesgo tecnológico (ver apartado 1.3.6.2). Es posible obtener electricidad mediante dispositivos especiales llamados “paneles fotovoltaicos” o “paneles solares” que transforman la energía solar de modo directo, estos dispositivos son estáticos y en absoluto no semejantes a los generadores convencionales a partir de combustibles fósiles. Una celda solar consiste básicamente en la unión de un semiconductor tipo “p” y un semiconductor tipo “n”, a lo que se llama una unión “p-n”. 1.5.2 Unión “p-n”. Como ya se mencionó el efecto fotoeléctrico es el que permite convertir la radiación solar en energía eléctrica. Si deseamos conocer el funcionamiento de una celda solar es necesario conocer las propiedades químicas de los materiales que la conforman, ya que cada elemento es químicamente diferente, debido al número de electrones, protones y neutrones que los constituye. En la periferia del átomo, orbitando alrededor del núcleo están los electrones con 22 mucha menor masa que las partículas del núcleo (unas 2000 veces menor). Estos electrones pueden ser de dos tipos [10]: Electrones ligados al núcleo, estos orbitan capas interiores del átomo, cerca de este y muy difícil pueden escapar del mismo. Electrones de valencia, estos orbitan en capas exteriores del átomo, en niveles superiores de energía y pueden escapar en determinadas condiciones del átomo. Del mismo modo, el átomo acepta en tales niveles electrones externos. Estos electrones, determinan las propiedades químicas de los materiales. Figura 1.6: Estructura del átomo y sus componentes, especificando los electrones ligados al núcleo y los de valencia. Los electrones de valencia determinan las propiedades eléctricas de un material y así tenemos; materiales conductores, semiconductores y aislantes. 1.5.2.1 Conductores Estos materiales, generalmente metales, tienen una estructura cristalina, esto es, los núcleos de los átomos que componen un metal están perfectamente ordenados y los electrones de valencia de los mismos están débilmente atados a sus respectivos átomos que cada uno de ellos es compartido por todos los átomos de la estructura. Es por ello que en el metal se forma una nube electrónica cuyos electrones son compartidos por toda la estructura y ninguno de ellos está atado particularmente a alguno de los átomos. 1.5.2.2 Aislantes En estos materiales, los electrones de valencia están ligados fuertemente a sus respectivos núcleos atómicos. Los electrones de uno de sus átomos no son compartidos con otros átomos. CAPÍTULO I. ANTECEDENTES 23 1.5.2.3 Semiconductores Estos materiales se comportan como aislantes a bajas temperaturas pero a temperaturas más altas se comportan como conductores. La razón de esto es que los electrones de valencia están ligeramente ligados a sus respectivos núcleos atómicos, pero no lo suficiente, pues al añadir energía elevando la temperatura son capaces de abandonar el átomo para circular por la redatómica del material. En cuanto un electrón abandona un átomo, en su lugar deja un hueco que puede ser ocupado por otro electrón que este circulando por la red. Un ejemplo claro de un semiconductor es el Silicio (Si), este elemento es uno de los más utilizados y uno de los más abundante en la naturaleza, después del Oxígeno (O), el cual posee cuatro electrones de valencia en su orbital externo. Este elemento es el material más usado en la fabricación de celdas solares, debido a que en su forma cristalina pura, es un semiconductor, con muy pocas cargas libres dentro de él y con una alta resistividad. Para mejorar la conductividad eléctrica de los semiconductores, se utilizan impurezas añadidas voluntariamente. Esta operación se le denomina dopaje, utilizándose dos tipos: Impurezas pentavalentes las cuales son elementos cuyos átomos tienen cinco electrones de valencia en su orbital exterior. Entre ellos se encuentran el Fósforo (P), el Antimonio (Sb) y el Arsénico (As). Figura 1.7: Película de Silicio dopada con ambas impurezas Fosforo como pentavalente y Boro como trivalente, formando una unión “p-n”. Cuando un elemento con cinco electrones de valencia entra en la red cristalina del silicio, se completan los cuatro electrones de valencia que se precisan para llegar al equilibrio y queda libre un quinto electrón que lo hace mejor conductor. Cuando un semiconductor es dopado con una impureza pentavalente este adquiere una conductividad que tipo “n”. 24 Las Impurezas trivalentes son elementos cuyos átomos tienen tres electrones de valencia en su orbital exterior. Entre ellos se encuentran el Boro (B), el Galio (Ga) y el Indio (In). Si se introduce una impureza trivalente en la red cristalina del silicio (figura 1.7), se forman tres enlaces covalentes con tres átomos de Silicio vecinos, quedando un cuarto átomo de Silicio con un electrón sin enlazar, provocando un hueco en la red cristalina. Un semiconductor dopado con impurezas trivalentes se dice que es de tipo “p”. Cuando se ponen en contacto un semiconductor tipo “p” y uno “n”, se forma una unión “p-n” (figura 1.8). Los electrones libres de la región n más próximos a la región p se difunden en ésta, produciéndose la recombinación con los huecos más próximos de dicha región, como se muestra en la siguiente figura. Figura 1.8: Unión “p-n” En la región “p” se crean iones positivos y en la región “n” se crean iones negativos. Por el hecho de formar parte de una red cristalina, los iones mencionados están interaccionados entre sí y, por tanto, no son libres para recombinarse. Por todo lo anterior, resulta una carga espacial positiva en la región “n” y otra negativa en la región “p”, ambas junto a la unión. Esta distribución de cargas en la unión establece una «barrera de potencial» que repele los huecos de la región “p” y los electrones de la región “n” alejándolos de la mencionada unión. Una unión “p-n” no conectada a un circuito exterior queda bloqueada y en equilibrio electrónico a temperatura constante. Incidencia de fotones con energías igual o mayor que la banda prohibida del semiconductor. Se dice que los electrones en un semiconductor poseen bandas de energía permitidas asociadas ya sea con su estado ligado o libre dentro del semiconductor. Los electrones ligados tienen un rango de energías dentro de lo que llamamos la banda de valencia. La banda de valencia es el conjunto de energía que poseen los electrones de valencia, por otra parte la banda de conducción es el conjunto de energía que poseen los electrones para desligarse de sus átomos. Los electrones que estén en esta banda pueden circular por el material si existe una tensión eléctrica que los empuje entre dos puntos, como se muestra en la figura 1.9 para poder liberar un electrón será necesario proporcionarle una cierta energía, la cual puede ser debida a las vibraciones térmicas de los átomos del cristal. CAPÍTULO I. ANTECEDENTES 25 Figura 1.9: Estructura de la banda semiconductora. En base a esto, se presentan los siguientes casos, dependiendo del material. Conductor; en este caso la Energía de la banda de valencia es mayor que la de los electrones de la banda de conducción. Así pues, las bandas se superponen y muchos electrones de valencia se sitúan sobre la de conducción con suma facilidad y por lo tanto con opción de circular por el medio. Semiconductor; con estos materiales, la banda de conducción sigue siendo mayor que la banda de valencia, pero la brecha entre ambas es mucho más pequeña, de modo que, con un incremento pequeño de energía, los electrones de valencia saltan a la banda de conducción y puede circular por el medio. Cuando un electrón salta desde la banda de valencia que, aunque parezca extraño, también se considera portador de corriente eléctrica. Aislante; en estos materiales, la energía de la banda de conducción es mucho mayor que la energía de la banda de valencia. En este caso existe una brecha entre la banda de valencia y la de conducción de modo que, los electrones de valencia no pueden acceder a la banda de conducción que estará vacía. Es por ello que un material aislante no conduce. 26 Figura 1.10: Conductores, Semiconductores y Aislantes de acuerdo a la teoría de las bandas. 1.5.3 Sistema fotovoltaico. Se entiende como sistema fotovoltaico (SFV) al grupo de componentes (debidamente acoplados) necesarios para aprovechar la radiación solar en forma de energía eléctrica, esto gracias al fenómeno fotovoltaico. Un SFV convencional consta de los siguientes componentes [9]: 1.5.3.1 Celdas fotovoltaicas. Son dispositivos que transforman la luz solar en energía eléctrica, esta propiedad electrónica denominada “fenómeno fotovoltaico” es posible gracias a los materiales semiconductores de los cuales están fabricadas, la energía generada por dichas celdas corresponde a lo que se denomina corriente directa (CD), es decir con polaridad constante. Cada unidad que integra un panel fotovoltaico es una pequeña placa de silicio de aproximadamente 11 cm por lado y de 4 a 5 mm de espesor. 1.5.3.2 Panel fotovoltaico. Es el conjunto de cierto número de celdas fotovoltaicas conectadas entre sí, que en conjunto, generan electricidad. Por lo general los paneles contienen 34 o 36 unidades monocristalinas o policristalinas de silicio, conectadas en serie, formando por lo general 4 hileras doblemente interconectados para reducir al máximo las fallas eléctricas. Están protegidos por capas interpuestas de vidrio templado, encapsulante polimérico, una barrera climática de poliéster, una lámina metálica y una superficie de reverso de resina sumamente resistente. CAPÍTULO I. ANTECEDENTES 27 Figura 1.11: Capas interpuestas en un panel fotovoltaico. En el mercado comercial se pueden encontrar diferentes tipos de celdas solares según su diseño y material semiconductor, los tipos más importantes de celdas solares se muestran en la tabla 1.12 [11]: Tabla 1.12: Paneles FV más comunes en el mercado. [11] Tesis de Licenciatura A.Y.C. 28 Las celdas FV tienen una producción eléctrica limitada, por ello se pueden emplear en equipos pequeños como juguetes, relojes, calculadoras, etc, pero cuando se requiere aumentar la salida de voltaje y amperaje de una fuente FV las celdas individuales se pueden unir eléctricamente en diferentes formas como módulos, paneles y arreglos fotovoltaicos, por ejemplo: Figura 1.13: Estructuras fotovoltaicas. a) Módulo FV, es el conjunto básico de celdas FV donde se puede incluir menos de una docena hasta cerca de 100 celdas. b) Panel FV, es un conjunto de módulos fotovoltaicosdiseñados para cumplir con una demanda específica de potencia. c) Arreglo FV, es la combinación de paneles conectados como arreglos en serie y/o en paralelo que integran un sistema fotovoltaico. 1.5.4 Principio de Funcionamiento de una celda Fotovoltaica Este dispositivo electrónico conformado por materiales semiconductores (generalmente silicio puro con adición de impurezas químicas como boro y fosforo) del tipo “n-p” transforma la radiación solar directamente en energía eléctrica, el efecto fotovoltaico se genera cuando la incidencia de fotones (luz solar) sobre la superficie de la celda genera un voltaje (0.46 a 0.48 voltios) entre sus terminales igual o mayor que la banda prohibida del semiconductor produciendo portadores de carga libre y al mismo tiempo una corriente (2 a 4 Amperios) que circula por un circuito externo produciendo así una potencia P=V*I que puede ser utilizada para energizar cualquier equipo, accesorio o aparato eléctrico [11]. CAPÍTULO I. ANTECEDENTES 29 [11] Tesis de Licenciatura A.Y.C. Figura 1.14: Representación esquemática del fenómeno FV. Para la transformación de la energía de la radiación solar en electricidad se requiere que se cumplan tres aspectos fundamentales: 1. Existencia de una unión “p-n”. 2. Incidencia de fotones con energías igual ó mayor que la banda prohibida del semiconductor. 3. Producción de portadores de carga libres (electrones y huecos), difusión y separación de los portadores a través del campo creado en la homo o heterounión y colección final de los portadores por los electrodos respectivos de la celda solar Una celda solar es el dispositivo donde ocurren los tres eventos antes mencionados. La celda solar es un dispositivo electrónico constituido por una unión “p-n” que convierte directamente la energía de la radiación solar en energía eléctrica. Al incidir la luz sobre una celda solar genera un voltaje entre sus terminales y al mismo tiempo una corriente que circula por un circuito externo, produciendo una potencia P = I*V que puede ser empleada para energizar cualquier instrumento o accesorio eléctrico. Nótese que en la celda solar no hay elementos móviles necesarios para la transformación como en los métodos convencionales, que ocurren en una central eléctrica, la transformación de la energía se da entonces de manera directa. 30 1.5.5 Componentes de un sistema fotovoltaico Además de los módulos fotovoltaicos un sistema general requiere de una serie de componentes que deben estar dimensionados con forme a los requerimientos energéticos y de acuerdo a las características de la instalación, no se pueden elegir al azar y deben estar especificados cuidadosamente [11]. a) Módulo fotovoltaico. Debe colocarse orientado al sur para aprovechar al máximo la radiación solar. El ángulo de inclinación estará en función del suelo horizontal, y deberá coincidir con el de la latitud del lugar donde se instala, con una variación máxima de 10°C. por ejemplo: en el puerto de Mazatlán, en el estado de Sinaloa, que tiene una latitud de 23°, los paneles deberán tener una inclinación mínima de 13°, una máxima de 33° y una óptima de 23° hacia el sur. b) Estructura y cimientos del arreglo: Esta estructura dependerá fundamentalmente del espacio destinado para el SFV y las necesidades del mismo para aprovechar al máximo la incidencia solar, entre más cerca estén todos los componentes del SFV menores serán las pérdidas de energía en el sistema. c) Regulador de corriente: Es un controlador automático cuya función es evitar que las baterías sufran algún tipo de daño por consecuencia de sobrecarga o descarga en exceso debido a la intermitencia de la radiación solar y de la irregularidad de uso de la energía almacenada en el banco de baterías. d) Inversor de corriente: Es un dispositivo que convierte la energía proveniente del arreglo FV como corriente directa (CD) a corriente alterna (CA). Como se mencionó anteriormente el SFV entrega energía eléctrica del tipo CD, es decir, con un valor y una polaridad positiva o negativa idealmente constantes, sin embargo en México la infraestructura eléctrica está diseñada para suministrar a los hogares energía eléctrica de tipo CA, este tipo de corriente varia alternadamente entre valores positivos y negativos con una frecuencia de 60 ciclos por segundo (Hz). Actualmente se encuentran 2 tipos de inversores en el mercado de acuerdo al propósito del SFV, aislados o interconectados a la red. -Inversores aislados.- Este tipo de inversor se utiliza cuando el SFV estará instalado fuera del alcance de la red eléctrica, es decir, lugares remotos o donde conectarse a la red no fuera viable económicamente o geográficamente. - Inversores interconectados a la red.- Es tipo de inversor se utiliza principalmente en zonas urbanizadas con la finalidad de entregar a la red eléctrica la energía generada por el SFV, representa una menor inversión ya que no necesita banco de baterías. e) Banco de baterías: La función primaria del banco de baterías es acumular la energía entregada por el SFV para emplearlo en instancias donde no se cuente con la suficiente insolación solar, además asegura y mantiene el voltaje de operación constante, proporcionando altas potencias durante tiempos cortos. Las baterías son dispositivos CAPÍTULO I. ANTECEDENTES 31 capaces de transformar la energía química en eléctrica. Es posible encontrar diversidad de baterías recargables de descarga profunda para SFV (permiten descargas entre el 40% a 70%) entre ellos se encuentran los siguientes tipos: Plomo-Ácido: Estas baterías son relativamente grandes y pesadas por el plomo. Son compuestas de celdas de 2 voltios nominales que se juntan en serie para lograr baterías de 6, 12, 24 o más voltios. Níquel-Cadmio: Estas baterías se caracterizan por ser de mantenimiento libre, baja corrosión y amplio rango de temperatura de operación -40 °C a +50 °C, se compone por celdas de 1.2 voltios nominales y electrólito de KOH + LiOH. Níquel Hidruro Metálico: Son muy similares a las Ni-Cd, solo difiere en que en lugar de Cadmio, el hidrógeno se utiliza como elemento activo en un electrodo de hidrógeno de absorción negativo (ánodo). La densidad de energía es más del doble que la de Plomo- Ácido y 40% mayor que la de Ni-Cd. Ión Litio: Una batería de iones de litio que pesa 1 Kg puede almacenar 150 horas vatio de electricidad, por el mismo peso una batería de plomo sólo puede almacenar 25 watts horas. Las baterías metálicas de níquel-hidruro están en el rango de 70 a 100 watts-hora por kg. Algunos ejemplos y características resumidas de las baterías más utilizadas en sistemas fotovoltaicos se observan en la tabla 1.15. Tabla 1.15: Principales tipos de baterías en el mercado. [11] Tesis de Licenciatura A.Y.C. 32 f) Cables e interruptores: El cableado e interruptores requeridos para un SFV debe cumplir ciertas especificaciones técnicas como calibre, material, distancia entre otros, para ello la Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-2005, (Instalaciones Eléctricas utilización) aporta la información necesaria para la selección de los mismos. En la actualidad se ha buscado optimizar cada componente, desde celdas más eficientes, hasta la posibilidad de dejar de prescindir de dispositivos como el banco de baterías y el regulador. Figura 1.16: Diagrama de un sistema fotovoltaico convencional. 1.5.6 Curva característica del módulo fotovoltaico En forma teórica la corriente total esperada en una celda fotovoltaica iluminada, con una resistencia de carga que produzca un voltaje de autopolarización (V), se expresa en la ecuación1. I = IL- Io [exp (V/VT) – 1] (1) Donde IL es la corriente de corto circuito, causada por la luz incidente, depende del material y de las propiedades tales como movilidad y tiempo de vida de los portadores minoritarios. Io representa el valor de la corriente de saturación, la cual es la que fluye en realidad cuando se polariza el diodo en forma inversa. Depende de la intensidad del campo eléctrico en la unión “n- p”, y éste a su vez de la concentración de impurezas introducidas en cada lado. Debido a la gran cantidad de electrones y huecos libres, en cada lado de la interfase, cualquier variación en la polarización (positiva), causará un cambio muy grande de la corriente medida. Experimentalmente, se ha confirmado que en una celda fotovoltaica la corriente varía con el voltaje externo de manera exponencial. La corriente de saturación típicamente es muy pequeña; por ejemplo, en diodos de silicio puede ser del orden de 1 X 10-13 A cm-2, VT se le conoce como el potencial térmico, mide la energía térmica de los electrones y huecos dentro del material. A temperatura ambiente, VT es del orden de 0.025 V. Con base a la ecuación 1 se puede calcular que la corriente de un diodo de 1 cm2, cuando el voltaje externo es 0.6 V, es del orden de 0.00265 A, en cambio, si el voltaje externo aumenta a CAPÍTULO I. ANTECEDENTES 33 0.8 V, la corriente aumenta hasta 7.9 A, lo cual da una idea de la rapidez con que crece la corriente en este rango de voltajes. En la figura 1.17 se muestra la curva característica de una celda de alta eficiencia de una celda solar de acuerdo a lo expresado por la ecuación 1. [12] L. de C yT 2 Figura 1.17: Curva de desempeño corriente-voltaje de una celda solar de alta eficiencia. La potencia generada por una celda solar se define como la corriente por el voltaje. Existe un punto donde la potencia tiene un valor máximo (Pmax). Este punto corresponderá a un voltaje máximo, Vmax, y a una corriente máxima, Imax. Cuando un sistema está integrado a una celda solar, se debe operar la celda alrededor de la potencia máxima, ecuación 2: Pmax = Vmax Imax (2) Cuando una celda está iluminada, pero con sus extremos abiertos, la corriente neta será cero, pues no habrá un circuito cerrado en el que pueda fluir corriente alguna. Sin embargo, se ha visto que la iluminación tiende a producir una corriente debida a los portadores generados por la luz. La única forma de que la corriente total sea cero, es que existe una corriente de igual magnitud pero de sentido contrario a la corriente de iluminación. En otras palabras habrá un fotovoltaje tal que la corriente total sea cero. A este fotovoltaje se le conoce como voltaje a circuito abierto, ecuación 3: VCA = Vt Log ( IL/Io + 1) (3) Los parámetros importantes para caracterizar una celda solar son: La corriente de corto circuito (CCC), el voltaje a circuito abierto (VCA) y la potencia máxima (Pmax). Para caracterizar los módulos fotovoltaicos se requiere obtener la curva característica corriente (I) vs voltaje (V), a través de esta curva se obtiene su desempeño óptimo y con esto se determinar la cantidad de 34 módulos que se necesitan para un servicio específico, arroja ventajas como el ahorro ya que algunas veces se llega a comprar más sistemas de los que se necesitan. Cabe mencionar que el desempeño de un módulo solar depende de muchos factores como son: inclinación, intensida de la luz, epoca del año, temperatura, etc [12]. 35 CAPÍTULO II. ENFOQUE CAPÍTULO II. ENFOQUE 2.1 Estudio de vivienda y su consumo eléctrico Cuando una persona enciende la luz en su casa, ve la televisión, escucha música, navega en internet, enciende el aire acondicionado, calienta algún refrigerio en el microondas, en fin casi todo lo que se hace diariamente tiene que ver con la energía eléctrica; sin embargo, no se piensa en todo el proceso al que fueron sometidos los recursos renovables o no renovables, para poder realizar dichas actividades, y mucho menos se reflexiona sobre el costo que se debe pagar por acceder a estos servicios. En México la comisión federal de electricidad (CFE) es la empresa encargada de controlar, generar, transmitir y comercializar la energía eléctrica, ésta posee 7 tipos de tarifas domésticas de bajo consumo y 1 tarifa doméstica para consumos altos, las cuales son facturadas bimestralmente. A continuación se observan los tipos de tarifas y sus características [7]: Tabla 2.1: Tipos de tarifas domésticas estipuladas por la CFE. TARIFA* APLICACIÓN CARGOS POR ENERGÍA CONSUMIDA Básico Intermedio Excedente 1 Para uso doméstico, no consideradas de alto consumo, conectadas individualmente a cada vivienda y que sean de baja tensión. $ 0.765 Por c/u de los primeros 75 kWh $ 0.936 Por c/u de los siguientes 65 kWh $ 2.736 Por c/kWh adicional a los anteriores 1A Para uso doméstico, no consideradas de alto consumo, conectadas individualmente a cada vivienda, que sean de baja tensión y para localidades con temperatura media mínima en verano de 25°C $ 0.685 Por c/u de los primeros 100 kWh $ 0.796 Por c/u de los siguientes 50 kWh 1B Para uso doméstico, no consideradas de alto consumo, conectadas individualmente a cada vivienda, que sean de baja tensión y para localidades con temperatura media mínima en verano de 28°C $ 0.685 Por c/u de los primeros 125 kWh $ 0.796 Por c/u de los siguientes 100 kWh 1C Para uso doméstico, no consideradas de alto consumo, conectadas individualmente a cada vivienda, que sean de baja tensión y para localidades con temperatura media mínima en verano de 30°C $ 0.685 Por c/u de los primeros 150 kWh $ 0.796 y $ 1.028 Por c/u de los siguientes 150 kWh 36 1D Para uso doméstico, no consideradas de alto consumo, conectadas individualmente a cada vivienda, que sean de baja tensión y para localidades con temperatura media mínima en verano de 31°C $ 0.685 Por c/u de los primeros 175 kWh $ 0.796 y $ 1.028 Por c/u de los siguientes 225 y 200 kWh consecutivamente. 1E Para uso doméstico, no consideradas de alto consumo, conectadas individualmente a cada vivienda, que sean de baja tensión y para localidades con temperatura media mínima en verano de 32°C $ 0.567 Por c/u de los primeros 300 kWh $ 0.716 y $ 0.927 Por c/u de los siguientes 450 y 150 kWh consecutivamente. 1F Para uso doméstico, no consideradas de alto consumo, conectadas individualmente a cada vivienda, que sean de baja tensión y para localidades con temperatura media mínima en verano de 33°C $ 0.567 Por c/u de los primeros 300 kWh $ 0.716 y $ 1.721 Por c/u de los siguientes 900 y 1300 kWh consecutivamente. [7] CFE. *Bimestral La información de la tabla anterior se reporta para el mes de Abril. 1.- Mínimo mensual: el equivalente a 25 KW-hr. 2.- Depósito de garantía: 100 kWh para servicios suministrados con 1 hilo de corriente, 300 kWh para servicios suministrados con 2 hilos de corriente y 350 para servicios con 3 hilos de corriente. 3.- Temporada de verano: corresponde los 6 meses consecutivos más cálidos del año, se fijan por el suministrador de acuerdo a las observaciones termométricas. TARIFA DAC. Servicio doméstico de alto consumo 1.- Aplicación. Esta tarifa se aplicará a los servicios que destinen la energía para uso exclusivamente doméstico, individualmente a cada residencia, apartamento, apartamento en condominio o vivienda, considerada de alto consumo o que por las características del servicio así se requiera. 2.- Alto consumo. Se considera que un servicio es de alto consumo cuando registra un consumo mensual promedio superior al límite de alto consumo definidopara su localidad. Calcular el consumo eléctrico de una vivienda es una situación compleja ya que depende de muchos factores tales como, área de la casa, número de personas que habitan, estilo de vida del grupo familiar, cantidad de focos y/o diferentes tipos de alumbrado, número de aparatos eléctricos, etc. El clima juega un papel importante en el consumo de la energía eléctrica ya que en un ambiente templado, no se requiere equipo para climatización (tarifa 1A), pero en climas cálidos si se requiere de dicho equipo (tarifa 1A a 1F). 37 CAPÍTULO II. ENFOQUE En la tabla 2.2 se muestra el tipo de tarifa y el consumo promedio según información de la CFE en el año 2008. Tabla 2.2: Consumo por tarifas en el sector doméstico. Tarifa Usuarios % Consumo (MWh/año) Consumo promedio por usuario kWh/año Consumo promedio por usuario kWh/día Consumo por climatización (MWh/año) 1 15,525,602 54.6 18,453,395 1,189 3.2575 n/a 1A 1,658,404 5.8 2,086,262 1,258 3.4465 114,420 1B 3,227,847 11.4 5,130,431 1,589 4.3534 1,292,521 1C 4,275,479 15.4 10,579,129 2,418 6.6246 5,376,684 1D 1,078,979 3.8 3,080,264 2,855 7.8219 1,797,358 1E 1,142,941 4.0 4,126,351 3,610 9.8904 2,767,394 1F 857,648 3.0 4,943,656 5,764 15.7917 3,923,913 DAC 562,349 2.0 4,023,592 7,155 19.6027 n/a TOTAL 28,429,249 100 52,423,080 25,838 70.7887 15,272,290 [7] CFE, 2008. 2.2 Aparatos eléctricos y su consumo. En los hogares mexicanos, la electricidad es el energético más utilizado después del gas LP y la leña. Se emplea principalmente para iluminar (40%), refrigerar (29%), hacer funcionar el televisor (13%), la plancha (6%), la lavadora (5%) y otros electrodomésticos (7%) como el horno de microondas, la aspiradora, la licuadora, etc. En la tabla 2.3 se enlistan los aparatos eléctricos más comunes en el hogar y su consumo promedio. 38 Tabla 2.3: Consumo de aparatos eléctricos. Aparato eléctrico Consumo (watts) Refrigerador estándar 575 Refrigerador eficiente 180 Horno de microondas 1200 Cafetera 700 Batidora 140 Horno eléctrico 950 Parrilla eléctrica 850 Tostador 900 Extractor de jugos 250 Licuadora 350 Abrelatas eléctrico 60 Exprimidor de cítricos 35 Cuchillo eléctrico 85 Computadora 150 Equipo de audio 75 Tv a color 150 Tv LCD 300 Video juego 100 Tv por cable 20 Modem 20 DVD o videocasetera 25 Calefactor 1300 Secadora de pelo 825 Máquina de coser 125 Aspiradora 1200 Lavadora 375 Secadora de ropa 380 Plancha 1200 Bomba para agua 400 Radio 15 [7] CFE, 2011 39 CAPÍTULO II. ENFOQUE [13] ENRE. Figura 2.4: Consumo de aparatos eléctricos durante 1 hora de uso. Para estimar la cantidad de kWh bimestral que se consume, y por ende el precio que se debe pagar según la tarifa en la que se esté incorporado, es en base a un sencillo cálculo matemático que debe aplicarse para todos los aparatos eléctricos que se ocupan, se expresa en la ecuación 4. kWh = (cantidad de equipo/aparato) (watts) (horas/bimestre) (4) 1000 La CFE estipula que un bimestre tiene 60.4 días. Por ejemplo: en el supuesto de que en una casa se cuente con lo siguiente: Tabla 2.5: Ejemplo de cálculo para determinar cuánto consume un hogar en kW/h al bimestre: Equipo Cantidad Watts Hrs/bimestre kWh/bimestre Foco incandescente 7 100 180 126 Tv. Lcd 1 300 302 90.6 Equipo de audio 1 75 30 2.25 Dvd 1 25 12 0.3 Computadora 1 150 60 9 40 Plancha 1 1200 4 4.8 Licuadora 1 350 2 0.7 Lavadora 1 375 5 1.87 Refrigerador estándar 1 575 362 208 Microondas 1 1200 2 2.4 Bomba de agua 1 400 10 4 TOTAL 449.92 Al hacer el cálculo para cada aparato eléctrico, se observa que entonces, las personas que habitan en este hogar consumen casi 450 kWh bimestrales. De esta manera también se puede determinar cuánto pagan por el servicio eléctrico, solo se multiplica el total de kWh/bimestral por el precio de cada kWh según la tarifa en la que se esté incorporado. La figura 2.6 muestra el consumo de algunos aparatos eléctricos que comúnmente encontramos en los hogares, los cuales se comparan con el consumo de un foco de 100 W. El consumo, sirve para comparar el gasto que implica el uso de los distintos electrodomésticos. Sabiendo eso será mucho más simple administrar la utilización de la energía eléctrica. [14] PROFECO. Figura 2.6: Consumo de aparatos eléctricos en relación a un foco de 100 watts. 41 CAPÍTULO II. ENFOQUE 2.3 Aplicación de los paneles solares en viviendas Una casa construida aprovechando la luz solar, es una solución viable de energía renovable. Entre todas las fuentes de energía renovables, la luz del sol es la más popular, por un simple hecho de que es masivamente abundante. Es una fuente muy confiable de energía y está normalmente disponible todo el año, incluso durante el invierno. Hay que tomar en cuenta la inversión en estos sistemas y el consumo de energía, ya que el costo de los módulos solares puede variar desde los 4 mil pesos hasta los 95 mil pesos, dependiendo del consumo de kilowatt por hora (kWh). Un panel puede generar 1 kWh, a razón de que el costo es de 37 pesos por cada kW, el costo por kW varía dependiendo de la empresa fabricante. En México hay empresas que pueden proveer la asesoría e instalación de celdas solares fotovoltaicas, por ejemplo: SOLERGIA, TONALY entre otras. El sistema por celdas solares fotovoltaicas, por lo regular vienen en conjunto para su instalación desde: Los paneles o celdas solares, la estructura de armado, controlador para la carga, inversor de energía para interconectar a la red, una batería para almacenamiento de la energía e inversores para baterías y cargadores. El uso de paneles fotovoltaicos en viviendas unifamiliares tiene ventajas y desventajas, con respecto a las primeras, podemos decir que se ahorra un gran consumo de energía. Además la energía solar es capaz de proveernos de agua caliente, luz y calefacción; evitando así utilizar gas natural. Los paneles fotovoltaicos necesitan de una inversión inicial aproximada de € 2,000, la ventaja más importante es que la inversión se hace redituable con el transcurso de los años (de 2 a 7) y su mantenimiento es casi nulo. Los paneles solares se caracterizan por tener más ventajas que desventajas y es por esto que lo convierte en un medio de producción de energía solar muy popular; éstos son sistemas muy limpios, no contaminan y son fáciles de utilizar. Una particularidad que poseen es que no necesitan transportar la energía ya que la generan en el mismo lugar en dónde se requiere [9]. En la figura 2.7 se muestra un esquema de una vivienda solar, mientras que en la figura 2.8 se muestran dos viviendas de la comunidad Europea energizadas por medio de paneles solares. 42 Figura 2.7: Prototipo de una casa energizada por medio de paneles solares. Figura 2.8: Casas energizadas por medio de paneles solares. 2.4 Insolación en el Distrito Federal La insolación es la cantidad de energía en forma de radiación solar que llega a un lugar de la Tierra en un día concreto (insolación diurna) o en un año (insolación anual). La radiación es el proceso a través del cual la energía es transferida de un punto a otro en ausencia de un medio. El Sol es una fuente de energía de 1.4 x 106 km de diámetro, localizada a 1.5 x 108 km de la superficie de la Tierra. La intensidad total de la luz del Sol fuera de la atmósfera de la Tierra está caracterizada por la constante solar, definida como la cantidad total de luz recibida por unidad de área normal a la dirección de propagación con un valor mediode 1368 W/m2. http://es.wikipedia.org/wiki/Tierra 43 CAPÍTULO II. ENFOQUE La disponibilidad de la energía está afectada por la latitud, altitud, estación del año y la hora del día, sin embargo, las nubes y otras condiciones meteorológicas son factores que más influyen en la radiación que alcanza a la superficie. México es una de las naciones que se encuentran en el llamado “cinturón solar” y que por lo tanto más radiación solar recibe y es una de las que menos ventaja saca de esta condición, pues con un potencial de 40 mil mega watts solo aprovecha 2 mil [15]. En la figura 2.9 se muestra el mapa de radiación solar en el mundo y en la figura 2.10 se muestra el mapa de radiación solar de la República Mexicana. [16] EPIA. Figura 2.9: Radiación solar mundial. 44 [17] SMN. Figura 2.10: Radiación solar en la República Mexicana. La medición de la radiación dentro del sistema tierra-atmósfera se puede realizar midiendo la radiación proveniente de todas las direcciones (radiación global), el componente de la radiación que proviene directamente del objeto radiante (radiación directa), o el componente de la radiación que ha sido dispersado o reflejado difusamente (radiación difusa). Es decir, la radiación solar global es el flujo total de radiación solar recibida desde el disco solar, más la radiación difusa que ha sido dispersada o reflejada. La radiación solar difusa se define como el flujo no-isotrópico de radiación solar del cielo incidente en una superficie horizontal. La radiación difusa es mayor en un día con nubes y relativamente baja en un día con cielo claro. 45 CAPÍTULO II. ENFOQUE En la tabla 2.11 se muestra la insolación global media en el Distrito Federal en kWh/m2-día. Tabla 2.11: Insolación en el Distrito Federal. Mes Insolación (kWh/m2-día) Enero 5.4 febrero 6.0 Marzo 6.4 Abril 5.9 Mayo 5.3 Junio 5.1 Julio 4.5 Agosto 4.9 Septiembre 4.5 Octubre 4.8 Noviembre 5.2 Diciembre 5.2 Mínima 4.5 Media 5.3 Máxima 6.4 [18] NMSU. 2.5 Calidad del aire en la ciudad de México La calidad del aire que respiramos es fundamental para la calidad de vida de los cada vez más millones de personas que viven en las ciudades más grandes del mundo. El crecimiento de la población es la causa fundamental del incremento de los problemas ambientales tales como contaminación del aire y del agua, la acumulación y el desecho de desperdicios (incluyendo los residuos tóxicos y peligrosos), y el ruido. Millones de personas están expuestas a niveles dañinos de contaminantes del aire provocando sobre todo por las emisiones provenientes de la quema de combustibles fósiles en los vehículos automotores y en los procesos industriales, y durante la generación de energía y calor. Otros contaminantes son producidos por incineradores, plantas petroquímicas y refinerías, fundidoras de metales e industrias químicas. El área metropolitana de la ciudad de México (AMCM) está situada en una latitud casi tropical y a una elevada altitud. Siendo una zona urbana rodeada por montañas, experimenta fuertes inversiones térmicas. En este escenario geográfico, cerca de 20 millones de habitantes, 3.5 46 millones de vehículos y 35, 000 industrias consumen diariamente más de 40 millones de litros de combustible, lo que provoca uno de los peores problemas de contaminación del aire en el mundo. La contaminación del aire puede ser causada por fenómenos naturales o por el ser humano. Ocurre de manera natural durante las erupciones volcánicas, incendios forestales y las tormentas de arena; dichos eventos han provocado problemas ocasionales para los humanos. Sin embargo, durante los últimos 100 años, la contaminación de origen humano se ha vuelto un problema grave en muchas áreas urbanas en todo el mundo. Las concentraciones de contaminantes emitidos por actividades humanas han alcanzado a menudo niveles con claros efectos adversos sobre la salud de plantas, animales y personas [19]. En la tabla 2.12 se muestra la contaminación del aire en las ciudades con mayor índice de población. Tabla 2.12: Calidad del aire en las ciudades más grandes del mundo. Ciudad Población (millones) 2000a PST (µg/m3) 1995b SO2 (µg/m3) 1998c NO2 (µg/m3) 1998c Tokio, Japón 26.44 49 18 68 Ciudad de México, México 18.13 279 74 130 Mumbai (Bombay), india 18.07 240 33 39 Sao paulo, Brasil 17.76 86 43 83 Nueva york, EUA 16.64 26 79 Los Ángeles, EUA 13.14 375 9 74 Calcuta, india 12.92 246 49 34 Shanghái, china 12.89 415 53 73 Delhi, india 11.70 271 24 41 Jakarta, indonesia 11.02 43 Osaka, Japón 11.01 200 19 63 Manila, filipinas 10.87 377 33 Beijing, china 10.84 130 90 122 Rio de janeiro, Brasil 10.58 129 El Cairo, Egipto 10.55 90 69 Norma de la OMS 50 40 [20] BM. ala población de una ciudad es el número de sus residentes según los define el gobierno de su país y lo informa a las naciones unidas. blos datos se refieren al año más reciente en el periodo de 1990 a 1995. La mayor parte pertenece a 1995. clos datos se refieren al año más reciente disponible en el periodo de 1990 a 1998. La mayor parte pertenece a 1998. 47 CAPÍTULO II. ENFOQUE 2.5.1 La atmósfera y sus contaminantes El aire es una mezcla de nitrógeno, oxígeno y cantidades diminutas de otros gases que rodean la Tierra y forman su atmósfera. En la tabla 2.13 se muestra la composición típica de la atmósfera cerca del nivel del mar. Tabla 2.13: Composición de gases en la atmósfera. Componente gaseoso Símbolo/fórmula Porcentaje por volumen Partes por millón (ppm) Gases permanentes Nitrógeno N2 78.084 Oxigeno O2 20.946 Argón Ar 0.934 Neón Ne 18.2 Helio He 5.2 Kriptón Kr 1.1 Hidrógeno H2 0.5 Óxido nitroso N2O 0.3 Xenón Xe 0.09 Gases variables Vapor de agua H2O 0.01-7 Bióxido de carbono CO2 0.035 Metano CH4 1.5 Monóxido de carbono CO 0.1 Ozono O3 0.02 Amoniaco NH3 0.01 Bióxido de nitrógeno NO2 0.001 Bióxido de azufre SO2 0.0002 Ácido sulfhídrico H2S 0.0002 [21] Atmósfera. Las concentraciones de gas mostradas en el cuadro, varían en cierto modo de punto a punto sobre la superficie del planeta. La cantidad de vapor de agua en el aire varía entre alrededor de 0.01 y 7% dependiendo del clima y la temperatura. Para especificar las concentraciones se utilizan diferentes unidades; la más común es la que expresa el número de partes por millón (ppm), es decir, la cantidad de moléculas de un contaminante especifico encontrada en un millón de moléculas de aire; esto es equivalente a la cantidad de volúmenes del contaminante en un millón de volúmenes del aire. 48 Una segunda es el porcentaje por volumen, que es la cantidad de volúmenes del contaminante contenido en 100 volúmenes del aire. Una tercera unidad de medida es la masa de contaminante por volumen de aire, por lo general expresada como microgramos por metro cúbico. Si en el aire existen otras partículas o gases que no son parte de su composición normal hablamos entonces de “contaminación del aire”. En las grandes ciudades es posible ver a simple vista algunos contaminantes del aire, como la neblina café-rojiza del smog; sin embargo otros incluyendo algunos de los más peligrosos para la salud humana, son los invisibles por ejemplo: el benceno, formaldehido, butadieno, etc. [19]. 2.5.2 Efectos de la contaminación del aire La contaminación del aire puede afectar adversamente la salud humana por inhalación directa y por otras formas de exposición como la contaminación por ingestión de agua y alimentos y por transferencia a través de la piel. La información acerca de los efectos en la salud humana proviene de estudios y valoraciones en animales, estudios de exposición humana yepidemiológica. A continuación se muestra un cuadro donde se enlistan los contaminantes primarios liberados en la atmósfera desde fuentes especificas; estos podrían distinguirse de contaminantes secundarios que se forman “in situ” en la atmósfera como resultado de la oxidación o de otras reacciones fotoquímicas. El cuadro también señala las principales fuentes de estos contaminantes, su tiempo de permanencia en la atmósfera y las posibles consecuencias locales, regionales o globales de la liberación de estos químicos en el medio ambiente. En la tabla 2.14 se muestran los principales contaminantes primarios y sus efectos. Tabla 2.14: Contaminantes primarios y sus efectos. Contaminante Fuentes antropogénicas Tiempo de permanenciaa Efectos y consecuencias 1,3- butadieno Escapes de vehículos 2 horas Probable cancerígeno; precursor del ozono Formaldehido* Escapes de vehículos 4 horas Irritante respiratorio; probable cancerígeno: precursor del ozono Benceno Escapes de vehículos 10 días Cancerígeno Alquenos, hidrocarburos aromáticos Escapes de vehículos; solventes De horas a 2 días Precursores del ozono Óxidos de nitrógeno (NOx) Escapes de vehículos; combustión 1 día Aumento de enfermedades respiratorias; precursor de ozono y 49 CAPÍTULO II. ENFOQUE lluvia ácida Hidrocarburos aromáticos poli cíclicos (HAP) Combustión incompleta (gasolina, diésel, biomasa, etc.) De horas a días Algunos son probables cancerígenos Bióxido de azufre (SO2) Combustión de carbón y de otros combustibles fósiles que contiene azufre De horas a días Aumento de enfermedades respiratorias; precursor de lluvia ácida Amoníaco (NH3) Tratamiento de desechos; fertilizantes; escapes de vehículos, desechos de origen animal 1 a 7 días Irritante respiratorio; neutraliza los ácidos Material particulado respirable (PM10) * Polvo depositado en el camino y polvo esparcido por el viento; combustión incompleta 5 a 10 días Aumento de enfermedades respiratorias; visibilidad reducida Material particulado fino (PM2.5) * Quema de combustible; escapes de diésel; polvo esparcido por el viento 5 a 10 días Aumento de enfermedades respiratorias y cardiopulmonares; visibilidad reducida Plomo (Pb) Gasolinas con plomo; pinturas 5 a 10 días Daño hepático y cerebral; problemas de aprendizaje Monóxido de carbono (CO) Combustión incompleta 2 meses Enfermedades cardiovasculares y neuroconducturales Bióxido de carbono (CO2) * Quema de combustibles fósiles y de biomasa 3 a 4 años Calentamiento global Metano (CH4) Arrozales; ganado; fugas de gas natural 8 a 10 años Calentamiento global Clorofluorocarbonos (CFC) Aire acondicionado; refrigeradores, atomizadores; espumas industriales 50 a 100 años Agotamiento del ozono; calentamiento global *también se generan a partir de otros contaminantes a[22] ACC 50 51 CAPÍTULO III. FUNCIONAMIENTO Y CARACTERIZACIÓN DE PANELES SOLARES EN VIVIENDA CAPÍTULO III. FUNCIONAMIENTO Y CARACTERIZACIÓN DE PANELES SOLARES EN VIVIENDA 3.1 Propuesta de una casa energizada con paneles solares. La siguiente propuesta es un proyecto que surgió del apoyo de la Red de Energía del IPN, por lo cual se denomina Proyecto en Red, y en él participan diversas unidades académicas del IPN, como son ESIQIE, ESFM, CIITEC, CECYT 11, ESIME Culhuacán, CIIDIR Durango, entre otras. Este tipo de proyectos están en auge en México y en el mundo, debido a la necesidad de buscar y emplear fuentes alternas de energía para satisfacer la demanda energética a un futuro cercano (10 años), por el agotamiento de los combustibles fósiles. La Figura 3.1 muestra una foto del remolque que está siendo acondicionado como “Vivienda Solar Sustentable del Instituto Politécnico Nacional” (VSSIPN), con un sistema fotovoltaico de 1 kW a base de paneles de Si policristalino, instalados en el techo de la vivienda. Es importante mencionar que de la Red de Energía del IPN promueven otros proyectos en diversos campos de investigación en energía, como son el empleo de la biomasa, tecnologías del hidrógeno y pilas de combustible, energía eólica, entre otros, para la generación de energía eléctrica. Figura 3.1 Sistema fotovoltaico constituido por paneles de Si policristalino de 1 kW, instalado en el techo del remolque que está siendo acondicionado como “vivienda solar sustentable” en el IPN (VSSIPN). 52 Las siguientes imágenes muestran algunos de los aparatos, artículos y espacios que se encuentran dentro de la casa solar del IPN. A) B) 53 CAPÍTULO III. FUNCIONAMIENTO Y CARACTERIZACIÓN DE PANELES SOLARES EN VIVIENDA C) D) 54 E) F) 55 CAPÍTULO III. FUNCIONAMIENTO Y CARACTERIZACIÓN DE PANELES SOLARES EN VIVIENDA G) H) 56 I) J) Figura 3.2: A) televisor LCD y reproductor de DVD, B) sofá, C) aire acondicionado, D) alacena y frigobar, E) computadora, F) litera, G) mesa, H) extintor, I) baño, J) lámparas LEDs. 57 CAPÍTULO III. FUNCIONAMIENTO Y CARACTERIZACIÓN DE PANELES SOLARES EN VIVIENDA 3.1.1 Equipos de uso doméstico integrados en la vivienda sustentable Para efectuar el dimensionamiento del SFV se realizó el cálculo de la demanda eléctrica que se requiere satisfacer, es decir, la energía promedio que será usada, para ello se considera la demanda en watts de los electrodomésticos a emplear en la vivienda, así como el tiempo promedio que se usarán diariamente, la tabla 3.3 muestra el cálculo de la demanda de energía eléctrica [11]. Tabla 3.3: Cálculo de potencia pico requerida en la VSSIPN. Imagen Equipo Potencia [W] # de horas de uso al día (horas promedio.) Consumo eléctrico por# de horas al día (Wh/día Iluminación LED 168 5 840 LCD TV 22” 70 5 350 DVD 25 3 4 veces/semana 43 Computadora Laptop 90 5 540 Refrigerador 2 ft3 60 8 480 Aire Acondicionado 530 3 (Solo Verano) *1,590 Electrolizador 330 3 **990 SUMA 3,243Wh/día * En el D.F el aire acondicionado es poco habitual sin embargo se muestra cual sería el consumo promedio reportado por CFE, para fines del cálculo de la demanda diaria de energía NO se considera. ** En esta primera etapa solo se estima un tiempo de operación del electrolizador de 3 horas a 330 W de potencia, para fines del cálculo de la demanda diaria de energía SI se considera. CFE establece una tabla de consumo eléctrico promedio según el tipo de aparatos que se emplean 58 en una vivienda, clasificando su uso en 3 categorías, consumo Básico, Medio y Alto, para efectos del presente trabajo se consideraron únicamente 6 equipos de uso común en una vivienda típica mexicana, dado lo anterior se calcula y se obtiene el consumo eléctrico promedio diario según su uso. Figura 3.4: Carga de consumo promedio por día de la VSSIPN. 3.1.2 Paneles fotovoltaicos Para conocer las características de los paneles que conformarán el SFV es necesario saber cuál será la corriente máxima de consumo (Ip=?), este dato se requiere con la finalidad de establecer cómo será el arreglo serie/paralelo de los paneles, para tal efecto ya se cuenta con el dato de la demanda eléctrica que se requiere satisfacer (L), es decir L= 3,243 kWh/día, otro dato que se establece esla potencia de la instalación solar (ya que el techo del remolque es una limitante). Se propuso que en una primera etapa fuera de 1000 Watts, además es importante conocer las especificaciones eléctricas de los dispositivos que serán utilizados en la vivienda [11]. Para el cálculo del Dimensionamiento de módulos fotovoltaicos se utiliza la ecuación 5: ………………………………………………. (5) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 P o te n ci a d e C ar ga / W h Tiempo / Horas ] ** * [ 0 bat p VLFPOA IL I 221.14] 48*84.0*/66.5 /1*/3243 [ 2 Am VdiakWh mkWdiaWh I p 59 CAPÍTULO III. FUNCIONAMIENTO Y CARACTERIZACIÓN DE PANELES SOLARES EN VIVIENDA Dónde: I p: corriente máxima de consumo I p: 14.21 A Pico L: demanda L: 3,243 Wh/día I0: radiación solar I0:1 kW /m 2 POA: insolación solar promedio diaria en el D.F. en el lugar de instalación POA: 5.66 kWh/día LF: factor de pérdidas* LF: 0.84 Vbat: voltaje de la batería Vbat: 48V *las pérdidas son debido a: Condiciones de ensayo estándar.- el rendimiento de los módulos solares es determinado por el fabricante en condiciones estándar (temperatura= 25°C e irradiación solar= 100 W/m2), un módulo solar bajo estas condiciones tendrá una tolerancia de producción de +/- 5%. Temperatura.- la potencia del módulo se reduce cuando la temperatura se incrementa. Suciedad y polvo.- pueden acumularse en la superficie del módulo solar y bloquear la luz. Perdidas de conversión DC a AC: esta conversión de energía siempre genera pérdidas, depende del tiempo de uso y características de cada inversor. Considerando módulos de silicio policristalino se seleccionó la marca ERDM modelo 135TP/6 de 135W que tienen un voltaje de operación óptimo de 17.57 V y corriente de operación óptima de 7.77 A @ 1000W/m2, se necesitan entonces 2 arreglos en paralelo de 4 módulos conectados en serie cada uno, para proporcionar una corriente máxima de 15.54 A **(≥10% arriba del valor calculado que es 14.21 A Pico) y se obtiene una potencia de P= ±1.1 kW. **El excedente de corriente de acuerdo al calculado, se debe a que la integración de componentes generalmente se adapta a especificaciones técnicas comerciales ya establecidas, sin embargo es conveniente y admisible un exceso no mayor a un 15% respecto al calculado, lo mismo ocurre en el cálculo del banco de baterías. Tabla 3.5: Características técnicas de los paneles fotovoltaicos. 60 Las características del sistema fotovoltaico completo, la potencia que genera y la configuración del arreglo serie/paralelo que se necesita, se muestran esquemáticamente en la figura 3.6. Figura 3.6: Diagrama serie-paralelo del SFV que se integrará a la VSSIPN. Figura 3.7: Vista de los paneles fotovoltaicos instalados en la VSSIPN. Cálculo de Potencia del Arreglo: 8 módulos x 135w c/u = 1,080 w potencia Instalada. Cálculo del Voltaje: 4 módulos x 17.57 V c/u = 70.28 V de voltaje. Cálculo de la Corriente: 2 arreglos x 7.77 A c/a = 15.54 A de corriente. 61 CAPÍTULO III. FUNCIONAMIENTO Y CARACTERIZACIÓN DE PANELES SOLARES EN VIVIENDA 3.1.3 Banco de baterías En este caso por tratarse de un sistema “tipo isla”, es decir, que requiere un sistema de almacenamiento de energía para su autonomía además de mantener el voltaje y la corriente estable, se requieren baterías adecuadas que logren satisfacer los requerimientos de voltaje y de corriente para el inversor de CD/CA (corriente directa CD a corriente alterna CA), para determinar esto se consideran los siguientes parámetros [11]: 1 Tipo de batería (gel, plomo-acido, etc.) 2 Precio 3 Tiempo de carga 4 Voltaje nominal 5 Mantenimiento 6 Profundidad de descarga (%) 7 Ciclos de carga y descarga Antes de considerar los parámetros anteriores, se determina la capacidad del banco de baterías que se empleará considerando el tiempo de autonomía que se necesita para la VSSIPN. La ecuación 6 nos proporciona una herramienta para el cálculo de la capacidad del banco de baterías: Banco de baterías. Cbb= * * [ PDD LS ]…………………………………………………… (6) Cbb= 9.0*5.0 2*/243.3 [ díasdíakWh ]= 14.41 kWh/día Dónde: Cbb: capacidad del banco de baterías L: días de autonomía (proyecto VSSIPN) S: demanda de energía al día PDD: profundidad de descarga de la batería η: eficiencia de la carga y descarga de la batería. En base a los parámetros antes mencionados se decidió utilizar una PDD de 0.5, que es la recomendada para este tipo de baterías, son de bajo mantenimiento y el precio es bajo respecto a otros tipos de batería, las características principales se muestran en la tabla 3.8. 62 Tabla 3.8: Características técnicas de las baterías. La capacidad del banco de baterías es entonces 16.6 kWh/día (≥15% arriba del valor calculado que es 14.41 kWh/día), sin embargo, considerando la eficiencia y el tipo de descarga de la batería (0.5) solo se disponen de 8.3 kWh/día reales del banco de baterías, lo que permite 2 días más 12 horas de autonomía, siendo esto sin excederse de la demanda diaria. Si el banco de baterías suministra 48V de voltaje nominal, se necesitan 12 baterías de la marca Cale de 1V y 115 A-h. Se necesitan tres arreglos en paralelo en donde cada arreglo contiene cuatro baterías. Figura 3.9: Diagrama del arreglo serie-paralelo donde se obtienen 48 V y 345 A-h. 63 CAPÍTULO III. FUNCIONAMIENTO Y CARACTERIZACIÓN DE PANELES SOLARES EN VIVIENDA Figura 3.10: Vista de las baterías instaladas en VSSIPN. 3.1.4 Controlador de Carga De acuerdo al arreglo de las baterías se requiere un controlador de carga que opere a 48V, para ello la marca Outback Power Systems ofrece el modelo FLEXmax 60 que es recomendable por su característica de “seguimiento del punto de máxima potencia” o por sus siglas en ingles MPPT (Maximum Power Point Tracking), este es un sistema electrónico que controla automáticamente los módulos fotovoltaicos de tal manera que permite extraer la máxima potencia de éstos. El MPPT no es un seguidor solar, es un sistema totalmente electrónico que varía el punto eléctrico de operación de los paneles y así permitir que el panel entregue la máxima potencia extraíble, otra característica por la cual se seleccionó este controlador es que registra el rendimiento del equipo de los últimos 128 días, la tabla 3.11 muestra las principales características del controlador [11]. 64 Tabla 3.11: Características técnicas del controlador de carga. Figura 3.12: Vista del controlador de carga instalado en la VSSIPN. 65 CAPÍTULO III. FUNCIONAMIENTO Y CARACTERIZACIÓN DE PANELES SOLARES EN VIVIENDA 3.1.5 Inversor El sistema de baterías entrega corriente directa, por lo que se necesita un inversor a corriente alterna para poder conectar los electrodomésticos de la vivienda. Respecto a la selección del inversor de corriente, de igual forma que el controlador de carga, se debe seleccionar de acuerdo al voltaje que se le suministra, en el caso del inversor,el voltaje proviene del banco de baterías, siendo este de 48V, entonces se necesita que el inversor trabaje entre ese rango de voltaje de entrada a corriente directa. Otra característica que se debe considerar, es el tipo de onda que produce, siendo esta “sinoidal pura”, es decir lo más cercano a la calidad de la electricidad que entrega la compañía de luz y por último el inversor que fue seleccionado tiene la característica de poder interconectarlo a la red para entregar energía utilizando un medidor de dos vías o bidireccional, además la entrega y producción de energía puede ser monitoreado mediante un software, la tabla 3.13 muestra las especificaciones técnicas completas a detalle del inversor [11]. Tabla 3.13: Características técnicas del inversor. 66 Figura 3.14: Vista del inversor instalado en VSSIPN. 3.1.6 Sistema Integrado Una vez seleccionados los componentes adecuados que conforman el sistema fotovoltaico de acuerdo a sus especificaciones técnicas, se lleva a cabo la integración, para ello se requieren accesorios eléctricos como: Interruptor termo magnético: es un dispositivo que interrumpe la corriente eléctrica de un circuito cuando ésta sobrepasa ciertos valores máximos. Su actuación es de aproximadamente unas 25 milésimas de segundo, lo cual lo hace muy seguro por su velocidad de reacción. Cableado: Como características a considerar se encuentran, resistencia a rayos UV, resistencia técnica aprobada de voltaje y temperatura según las condiciones de trabajo, aislamiento y calibre según la corriente que se use, y que empleen lo códigos de colores adecuados, de acuerdo a las normas mexicanas NOM. Conectores: se recomienda usar conectores macho-hembra sin soldar, se seleccionan según el voltaje-corriente de trabajo y el rango de temperatura. 67 CAPÍTULO III. FUNCIONAMIENTO Y CARACTERIZACIÓN DE PANELES SOLARES EN VIVIENDA En resumen el diagrama completo se muestra en la figura 3.15 y figura 3.16: Figura 3.15: Sistema integrado en la VSSIPN. Figura 3.16: SFV y su descripción resumida. 68 3.2 Mediciones en una vivienda sustentable en un periodo determinado El monitoreo de los paneles solares de la vivienda sustentable se llevó a cabo entre el 13 y 24 de enero del 2014. Durante ése periodo se mantuvo el sistema operando las 24 horas del día. Los softwares utilizados fueron WinVerterTM Monitor OutBack (OB) Standard y Mac Solar V3 sensor. 3.2.1 WinVerterTM Monitor OutBack (OB) Standard Este software es una herramienta que nos permite saber cómo nuestro sistema de energía se está desempeñando o funcionando, ya que conocer esta información es el primer paso para hacer el sistema más eficiente y de esta manera ayudarnos a ajustar su uso para cumplir con la demanda de energía. Características de WinVerterTM Monitor OutBack (OB) Standard WinVerter OB-Monitor es un software basado en PC Microsoft Windows, que funciona con inversores OutBack Power Systems la serie FX (incluyendo modelos GVFX FX, VFX, y GTFX), controladores de carga (incluido el MX-60 y FLEXmax 80), y los FLEXnet indicador de batería de CC para controlar el consumo de energía del sistema. Estas son algunas de las características principales: Tres módulos (ventanas), una para los inversores FX, una para MX o reguladores de carga FLEXmax, y uno para el monitor de batería FLEXnet DC. Las lecturas de los contadores del sistema permiten ver todos los monitoreos en una sola pantalla de PC, y muestra gráficamente el origen y el destino de toda la potencia eléctrica dentro y fuera del sistema de modo que se puede ver la forma del sistema en un vistazo. Calcula volt-amperes (o vatios) y vatios-hora que permite ver la información que no se muestra normalmente en el sistema. Mantiene un registro de errores del equipo, advertencias y eventos. Proporciona un panel de control que permite un control limitado del sistema inversor conectado (sólo FX). 69 CAPÍTULO III. FUNCIONAMIENTO Y CARACTERIZACIÓN DE PANELES SOLARES EN VIVIENDA A B C Figura 3.17: Ventana principal de datos del inversor (FX). La figura 3.17A muestra el estado de producción en potencia eléctrica de los paneles a través del inversor 1, que es en este caso de 117 V a 9 A de AC lo que da una potencia de 1,053 W que pueden ser sujetos a la venta o “selling” (en ese momento se reportan 0.3 kW-hr en energía eléctrica comprada de la red eléctrica o “bought”). La figura 3.17B muestra el estatus del inversor y la operación de venta o “sell enabled”. Del banco de baterías sale hacia el inversor un voltaje de 25 V de DC. Finalmente la figura 3.17C muestra la operación activa del inversor (foco verde o “Inverter”). También, muestra el estatus del cargador-controlador o “Charger” del banco de baterías (en foco amarillo de espera) y un último foco de “error”. Además, nos indica que en el momento existe una carga eléctrica (representado por un foco de color amarillo) de 234 Watts, alimentado por 117 V y 2 A de AC. Las pestañas inferiores de las figura 3.17 indican que el monitoreo se llevó a cabo en un tiempo de 27.4 minutos (Run´g), la simulación se realizó en el puerto 1 del “Hub” (SIMULATION), y el muestreo fue de un segundo (sample rate). 70 A B C Figura 3.18: Ventana principal de datos del controlador de carga (MX). La figura 3.18 corresponde al controlador de carga. La figura 3.18A muestra la energía solar en potencia eléctrica que entra a los paneles que es en este caso de 32 V y 38 A, totalizando 1,216 W, enseguida se muestra el consumo eléctrico en kW-hr que en ese momento es de 0.4 kW-hr y el promedio diario que es de 1.5 kW-hr. La figura 3.18B indica el estatus del controlador de carga que se muestra en operación y que se conecta a un banco de baterías en carga constante. La figura 3.18C muestra el voltaje DC que entra al banco de baterias, en este caso es de 25 V a 44 A de intensidad de corriente, totalizando una potencia eléctrica de 1,100 W. También se muestra el consumo eléctrico del banco de baterías, el cual es de 0.3 kW-hr. Las pestañas inferiores de las figura 3.18 indican que el monitoreo se llevó a cabo en un tiempo de 26.6 minutos (Run´g), la simulación se realizó en el puerto A del “Hub” (SIMULATION), y el muestreo fue de un segundo (sample rate). 71 CAPÍTULO III. FUNCIONAMIENTO Y CARACTERIZACIÓN DE PANELES SOLARES EN VIVIENDA 3.2.2 Datos registrados por WinVerterTM Monitor OutBack (OB) Los valores registrados por el software antes descrito fueron para el inversor (FX) y el controlador de carga (MX). Automáticamente el sistema genera carpetas y cada una indica parámetros diferentes, para el presente trabajo solamente se van a trabajar 2 parámetros, la potencia del inversor para conocer el consumo de energía eléctrica y la potencia del controlador de carga para saber cuánta es la energía eléctrica que producen los paneles fotovoltaicos. Todos los datos se almacenan en carpetas que se generan a su vez en block de notas, según el tiempo de recepción que cada usuario deseé, en nuestro caso el monitoreo de los paneles solares se fijó en un tiempo de una lectura por cada 10 minutos durante las 24 horas del día. A B C Figura 3.19: Ventana principal del inversor (FX) tomada el día 20/enero/2014. En la figura 3.19 corresponde al inversor. La figura 3.19A muestrala energía eléctrica suministrada a la red, la cual en este caso es cero kWh ya que los paneles solares no están conectados a la red. La figura 3.19B muestra que el banco de baterías están proporcionando energía (a 49.8 V de DC y 2 A de AC) al inversor y este a su vez suministra dicha energía a la vivienda (ver figura 3.19C). 72 La figura 3.19C indica que existe un consumo eléctrico de 256 W, a un voltaje de 128 V y a una corriente de 2 A de AC. A B C Figura 3.20: Ventana principal del controlador de carga (MX) tomada el día 20/enero/2014. La figura 3.20A muestra la potencia eléctrica generada por los paneles solares, la cual en este caso es de 162 W (54 V y 3 A). También se muestra la energía que puede ser aprovechada de los paneles solares, la cual es de 86.3 kWh. La figura 3.20B muestra es estatus del controlador de carga, el cual está en operación y se encuentra conectado al banco de baterías. La figura 3.20C muestra la potencia suministrada por el controlador de carga al banco de baterías, la cual en este caso es de 147 W (49.1 V de DC y 3 A). A su vez, muestra la energía disponible en las baterías, la cual es de 86.6 kWh (en este caso la energía disponible en las baterías es mayor a la generada por los paneles solares, debido a que dichas baterías estaban inicialmente cargadas). 73 CAPÍTULO III. FUNCIONAMIENTO Y CARACTERIZACIÓN DE PANELES SOLARES EN VIVIENDA 3.2.2.1 Datos obtenidos del inversor (FX). Los datos obtenidos del inversor (FX), representan el consumo de los aparatos eléctricos, éstos se generaron automáticamente cada 10 minutos durante las 24 horas del día a partir del 13 de enero del 2014 y finalizando el 24 de enero del presente año. Para fines prácticos se calcularon los valores promedio de cada dato recopilado en un lapso de 10 minutos y se generó su gráfica correspondiente. La tabla 3.21 muestra los datos obtenidos durante los 12 días que se llevó a cabo el monitoreo del consumo eléctrico promedio. Tabla 3.21: Datos de consumo de los aparatos eléctricos dentro de la VSSIPN, expresado en potencia (W). 74 75 CAPÍTULO III. FUNCIONAMIENTO Y CARACTERIZACIÓN DE PANELES SOLARES EN VIVIENDA 76 La gráfica 3.22 muestra los valores promedio del consumo de los aparatos eléctricos, expresada en potencia (W). Aquí se incluyen los 12 días de monitoreo de los paneles solares. Gráfica 3.22: Consumo promedio de los aparatos eléctricos instalados en la VSSIPN, expresado en potencia (W). La gráfica 3.22 muestra la potencia promedio en watts que consumen los aparatos eléctricos desde el inversor (FX). Se observa que de las 00:10 a las 10:00 hrs el consumo de los aparatos eléctricos es alrededor de 131 a 151 W de potencia, ya que en una casa habitual por la mañana solo se encuentran encendidos algunos focos, la televisión y algunos otros aparatos domésticos que no consumen mucha energía ya que el tiempo de uso es moderado, a partir de las 10:30 hrs hay un incremento de 166 W, que podría ser porque algún aparato de consumo alto se encendió como la estufa eléctrica, aspiradora, plancha, etc., después de las 11:10 a las 14:20 baja la potencia y se mantiene entre 137 y 152 W. De las 15:10 a 18:30 nuevamente incrementa alrededor de 147 y 182 W, en este trayecto los habitantes de la casa pueden llegar de la escuela o el trabajo y consumir energía con la estufa, computadora, televisión, DVD, radio, etc. Pasadas las 19:20 hrs hasta las 00:00 hrs se mantiene entre 135 y 156 W, aquí baja la actividad por lo que el consumo de energía es casi constante con algunas fluctuaciones por ejemplo el refrigerador que trabaja por ciclos. Comparando con la gráfica 3.4 (la cual muestra una simulación del consumo promedio de la VSSIPN) se puede observar que en ambas hay un máximo alrededor de las 10:00 a.m. La gráfica 77 CAPÍTULO III. FUNCIONAMIENTO Y CARACTERIZACIÓN DE PANELES SOLARES EN VIVIENDA 3.22 tiene tres máximos adicionales en 15:10, 16:10 y 18:30 hrs, los cuales no coinciden con los máximos simulados de la gráfica 3.4. Esto puede ser debido a que en la VSSIPN únicamente se dejan encendidos la computadora y el refrigerador, los cuales no funcionan de manera continua; la computadora después de 15 minutos entra en modo de ahorro de energía y el refrigerador funciona de acuerdo a la temperatura en su interior (un refrigerador esta encendido aproximadamente ocho horas al día), por estas razones la discrepancia entre ambas gráficas ya que durante el monitoreo no todos los aparatos están encendidos. 3.2.2.2 Datos obtenidos del Controlador de carga (MX) Los datos obtenidos del controlador de carga (MX), representa la producción de energía eléctrica generada mediante los paneles solares, se recopilaron automáticamente cada 10 minutos durante las 24 horas del día, a partir del 13 de enero del 2014 y finalizando el 24 de enero del presente año. Igual que para el inversor (FX), se generó su gráfica correspondiente. La tabla 3.23 muestra los datos obtenidos durante los 12 días que se llevó a cabo el monitoreo de la producción de energía eléctrica promedio. Tabla 3.23: Datos de producción de energía eléctrica por medio de los paneles solares, expresado en potencia (W). . 78 79 CAPÍTULO III. FUNCIONAMIENTO Y CARACTERIZACIÓN DE PANELES SOLARES EN VIVIENDA 80 La gráfica 3.24 muestra los valores promedio de la producción generada mediante los paneles solares, expresada en unidades de potencia (W). Aquí se incluyen los 12 días de monitoreo. 03:20:00 06:40:00 10:00:00 13:20:00 16:40:01 20:00:00 23:20:00 0 100 200 300 400 500 600 700 800 P O T E N C IA / W A T T S TIEMPO/HORAS Gráfica 3.24: Producción de los paneles solares instalados en la vivienda sustentable, expresada en potencia (W). La gráfica 3.24 muestra la potencia promedio en watts que producen los paneles solares. Se observa que de las 17:50 a las 07:40 hrs la producción es de cero watts de potencia, a partir de las 07:50 hrs hay un incremento de 3.7 W y va subiendo poco a poco hasta llegar a un pico máximo de 774 W a las 12:40 hrs. Nuevamente desciende la potencia hasta llegar a cero watts con ligeras variaciones en el trayecto. 3.2.3 Cálculo de producción y consumo de energía eléctrica dentro de la vivienda sustentable. Para determinar la producción de energía eléctrica que los paneles solares instalados en la vivienda sustentable generan, se basó en la gráfica 3.24. Primeramente obtendremos el área bajo la curva de cada gráfica. Como se mencionó en el apartado 1.2.1, la energía eléctrica consumida o producida durante un lapso de tiempo (Wh) se expresa de la siguiente manera: E = (P) (t) 81 CAPÍTULO III. FUNCIONAMIENTO Y CARACTERIZACIÓN DE PANELES SOLARES EN VIVIENDA Integraremos con respecto al tiempo: E = ∫ P *dt Usando el programa OriginPro 8.5 para graficar, queda lo siguiente: integ1 Input iy = [Book1]Sheet1! C1(X), B(Y) [1*:144*] type = 0 (Mathematical Area) plot = 0 Output oy = [Book1]Sheet1! "Integrated Y1"(Y) [1*:144*] x1 = 0.16666666666667 x2 = 24 i1 = 1 i2 = 144 Área = 4506.6236111111 Wh y0 = 774.71666666667 x0 = 12.666666666667 dx = 6.4092616218702 Por lo tanto, el área obtenida es 4.5066 kW-hr. Este valor es la energía promedio producida en un día. Para el cálculo de consumo de los aparatos eléctricos, se sigue el mismo procedimiento que para la producción de energía eléctrica, aquí se basó en la gráfica 3.22. integ1 Input iy = [Book1]Sheet1! C1(X), B(Y) [1*:144*] type = 0 (Mathematical Area)plot = 0 Output oy = [Book1]Sheet1! "Integrated Y1"(Y) [1*:144*] x1 = 0.16666666666667 x2 = 24 i1 = 1 i2 = 144 Área = 3,478.275 y0 = 182.06666666667 x0 = 16.166666666667 dx = -- 82 En este caso, el área obtenida es 3.4782 kWh. Este valor es la energía promedio que se consume en un día. Para determinar el rendimiento energético a la relación de la energía producida (WP) y de la energía consumida (WC), solo hay que calcular la diferencia entre estas dos cantidades: Rendimiento= WP – WC Rendimiento= (4.5066 kWh) – (3.4782 kWh)= 1.0284 kWh El valor de 1.0284 kWh indica que los paneles solares instalados en la VSSIPN, sirven para energizar los aparatos eléctricos que se encuentran dentro de ella y que además tenemos un sobrante de energía eléctrica que podemos utilizar en dado caso de que la VSSIPN se encuentre en condiciones climáticas desfavorables. Por otro lado si la vivienda sustentable estuviera interconectada a la red (el inversor de corriente que se seleccionó permite hacerlo sin ningún problema), proporcionaría energía a la CFE. La VSSIPN cuenta con un sensor de radiación y temperatura que nos permite saber la radiación solar incidente y la temperatura ambiente, dicho sensor se llama comercialmente “sensor V3 Mc Solar”. 3.2.4 Sensor V3 Mc solar Sensor de medida de radiación solar y temperatura con salida analógica, rango de medida 0 - 1400 W/m², equivalencia 0 – 7 V, para uso permanente en exteriores y provisto de elementos de montaje y orientación. Características del sensor V3 Mc solar Error total máximo: +4%. Medida de la radiación y la temperatura. Alimentación: autosuficiente (módulo solar integrado y batería recargable). Alimentación externa también posible (a través del cable de transferencia de datos). Salida de datos 4-polar con conector compatible de serie (para su integración en un cable de medida). Combinable con módulos de transferencia de datos GSM/Ethernet/W-Lan (opcional). Equipamiento de serie: dispositivo de medida con salida analógica MacSolar Sensor, conector macho compatible tipo Binder Serie 719 y set de fijación y orientación. 83 CAPÍTULO III. FUNCIONAMIENTO Y CARACTERIZACIÓN DE PANELES SOLARES EN VIVIENDA Figura 3.25: Sensor V3 Mc Solar® usado para tomar los datos de temperatura y radiación solar de los paneles solares de la vivienda sustentable. A continuación se muestran las gráficas de temperatura (gráfica 3.26) y radiación solar promedio (gráfica 3.27) obtenidas durante los 12 días de monitoreo de los paneles solares instalados en la VSSIPN, del 13 al 24 de enero de 2014, con la ayuda del sensor V3 Mc Solar®. 02:59 06:59 08:59 11:59 14:59 17:59 20:59 23:59 0 10 20 30 40 50 TIEMPO/ HORAS T E M P E R A T U R A / °C Gráfica 3.26: Temperatura (°C) captada en los paneles solares. 84 La gráfica 3.26 muestra la temperatura promedio que los paneles solares recibieron, se puede observar que la temperatura se encuentra entre 0 y 3.4 °C alrededor de las 00:00 a las 7:10 hrs. A partir de las 8:00 hrs va incrementado rápidamente hasta llegar a su nivel máximo de 46.8 °C a las 12:30 hrs, conforme pasa el tiempo nuevamente desciende hasta llegar a 4 °C a las 23:40 hrs. 02:29 04:59 07:29 09:59 12:29 14:59 17:29 19:59 22:29 0 200 400 600 800 R A D IA C IÓ N S O LA R W /m 2 ) TIEMPO/ HORAS Gráfica 3.27: Radiación solar en W/m2 de los paneles solares instalados. En la gráfica 3.27 muestra la radiación solar promedio que los paneles solares recibieron, se puede observar que de las 18:30 a las 6:40 hrs la radiación es cero debido a que no hay luz solar. A partir de las 7:00 hrs, la radiación solar sube de 0.7 w/m2 hasta su punto máximo de 786 w/m2. Posteriormente a las 12:35 hrs desciende hasta cero. Tomando 3 días del periodo que se llevó a cabo el monitoreo de los paneles solares, se va a analizar el día más soleado, el día más frío y un día que coincidió el clima nublado con lluvia ligera: Día frío.- 16-enero -2014 Día nublado con lluvia ligera.- 18-enero-2014 Día soleado.- 24-enero-2014 85 CAPÍTULO III. FUNCIONAMIENTO Y CARACTERIZACIÓN DE PANELES SOLARES EN VIVIENDA La gráfica 3.28 muestra la temperatura diaria de los días 16, 18 y 24 de enero de 2014. Se puede observar que la curva correspondiente al día soleado es casi suave (presenta poco ruido), mientras que las curvas correspondientes a los días “frío” y “nublado con lluvia ligera” tienen más ruido. En el día soleado se alcanzó una temperatura máxima de 55 °C. Para el día frío se tiene mayor desviación de temperatura, ya que es más complicado que dicha temperatura se estabilice durante el día y la tarde debido al cambio en la intensidad de la radiación. En el día frio la temperatura máxima fue de 41 °C. Por último, en el día nublado con lluvia ligera, la temperatura es poco estable en comparación a los otros dos días en cuestión. La temperatura máxima para este día fue de 46 °C. 02:29 04:59 07:29 09:59 12:29 14:59 17:29 19:59 22:29 -10 0 10 20 30 40 50 60 T E M P E R A T U R A ( °C ) TIEMPO(HORAS) día soleado día nublado/lluvia día frío Gráfica 3.28: Temperatura de días con condiciones climáticas diferentes. 86 La gráfica 3.29 muestra la radiación solar en W/m2 de los días 16, 18 y 24 de enero del presente año. Se puede observar que el día soleado tiene una mayor radiación solar, de 856 W/m2, su curva es suave y casi no presenta ruido. La curva correspondiente al día nublado tiene una radiación máxima de 827 W/m2, se puede apreciar que esta curva tiene más ruido en comparación a la del día soleado lo cual se puede atribuir a la presencia de nubes las cuales reducen la intensidad de la radiación solar. Para un día frío, la potencia generada es menor, en este caso el máximo es de 702 W/m2. La curva correspondiente presenta mayor variación en la radiación solar, ya que cuando el clima es frio la radiación solar disminuye durante el día. 02:29 04:59 07:29 09:59 12:29 14:59 17:29 19:59 22:29 0 150 300 450 600 750 900 R A D IA C IÓ N ( W /m 2 ) TIEMPO/ HORAS día soleado día nublado/lluvia día frío Gráfica 3.29: Radiación solar de días con condiciones climáticas diferentes. 87 CAPÍTULO III. FUNCIONAMIENTO Y CARACTERIZACIÓN DE PANELES SOLARES EN VIVIENDA La grafica 3.30 muestra la potencia producida por los paneles solares. Analizando dicha gráfica se puede decir que en el día soleado se obtiene la potencia más alta, la cual tiene un máximo es de 853 W. También, se puede observar que la potencia generada por los módulos solares en los días “nublado” y “frio” es menor en comparación con la generada en el día “soleado”, lo cual se puede atribuir a la disminución en la intensidad de la radiación solar en dichos días. 03:20:00 06:40:0010:00:00 13:20:0016:40:0020:00:00 23:20:00 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 P O T E N C IA ( W A T T S ) TIEMPO/HORAS día soleado día nublado/lluvia día frío Gráfica 3.30: Potencia producida en los días 16,18 y 24 de enero a condiciones climatológicas diferentes. En este trabajo se evaluaron 12 días del año, sin embrago un estudio titulado “Evaluación de un sistema fotovoltaico conectado a la red y caracterización in situ de módulos fotovoltaicos en las condiciones ambientales de la ciudad de México” [23] revela que en la ciudad de México los meses con una mayor producción de energía son marzo y octubre con energías medias diarias de 33 y 30 kW-hr, respectivamente. Por otro lado, este promedio disminuye a 20-25 kW-hr durante los meses con lluvia (de junio a septiembre). 88 Actualmente el grupo de investigación estudia los efectos climatológicos sobre la generación de energía eléctrica producidapor los módulos solares de la vivienda sustentable. En dicho estudio se contempla monitorear la energía producida durante un año y de esta manera contar con un análisis más completo. 3.3 Reducción de emisiones de CO2 usando un sistema fotovoltaico El hecho de generar energía eléctrica en un proceso que no emite CO2 permite la reducción en la emisión de este contaminante al medio ambiente. El factor CO2 (unidad: kg/kWh) indica la cantidad de CO2 que se produce en un país por kWh de electricidad. En función de la técnica y la eficacia, el factor CO2 de una región puede variar de una compañía distribuidora de energía eléctrica a otra. México tiene un factor de CO2 de 0.456 kg/kWh [24], éste factor representa la emisión de Kg de CO2 por cada kWh de energía producida. 3.3.1 Cálculo de CO2 que se deja de emitir a la atmósfera usando paneles solares El cálculo de CO2 que se deja de emitir al ambiente se determina de la siguiente manera: Producción de electricidad en kWh x factor para la prevención de CO2 en kg/kWh = cantidad de CO2 evitada en kg. Para este caso la instalación fotovoltaica que se tiene en el IPN produce en promedio 4.50 kWh (promedio de 4 horas pico de radiación solar al día), entonces el cálculo queda de la siguiente manera: Cantidad de CO2 evitada= (4.5066 kWh)*(0.456 Kg/kWh)= 2.0550 Kg Esto quiere decir que, la electricidad originada por esta instalación le ahorra a la tierra una emisión de CO2 de 2.0550 Kg al día. Tomando en cuenta que los 2.0550 Kg de CO2 solamente corresponden a 1 día del año, entonces anualmente se ahorrarían 750.07 Kg de CO2 a la atmósfera. Ahora bien, para saber la cantidad de CO2 que se deja de emitir al ambiente, solo durante el consumo de energía eléctrica de los aparatos, se tiene que realizar el siguiente calculó: Cantidad de CO2 evitada= (3.4782 kWh)*(0.456 Kg/kWh)= 1.5860 Kg Llevando el valor obtenido de 1.5860 Kg a una escala anual se tiene 578.89 Kg de CO2 que los aparatos eléctricos de la casa solar, dejan de emitir a la atmósfera en sistema Isla. 89 ESTUDIO DE FACTIBILIDAD En base al monitoreo de los paneles solares y a los cálculos realizados de energía producida y energía de consumo, se puede decir que si es factible usar paneles fotovoltaicos como fuente de generación de energía eléctrica en una casa, debido a que usando módulos solares puede generar una potencia de entre 737-853 W, lo que permite satisfacer los requerimientos básicos de energía en una vivienda. Aunque cabe mencionar que esto dependerá del dimensionamiento de la vivienda, número de personas que habitan y aparatos eléctricos instalados. Teniendo en cuenta que a mayor demanda de consumo eléctrico deberán instalarse el número de paneles solares adecuados para las necesidades de cada hogar. Si se utiliza la energía solar para hogares, se puede ahorrar entre un 50% y un 100% de los energéticos convencionales; esta diferencia se debe a que la radiación y nubosidad no son constantes. Los cálculos han demostrado que incluso en condiciones medias de insolación es posible producir energía eléctrica de los paneles solares. Por lo tanto, la inversión en instalaciones solares es cada vez más sólida, ya que la amortización del capital se mantiene a salvo de la inflación y del aumento en el costo de los energéticos. A medida que aumente el precio de la energía, junto con los demás bienes y servicios, aumentará el valor de la contribución solar. Lo importante de instalar un sistema fotovoltaico en los hogares no solamente es generar energía eléctrica de forma autosuficiente sino que también contribuimos a no emitir contaminantes como el CO2 a la atmósfera. Al no emitir contaminación beneficiamos la salud de los habitantes de la Ciudad de México. El sistema fotovoltaico con el que cuenta la vivienda sustentable del IPN (1 kW) tuvo un costo de $70,000.00 por ser un prototipo isla, pero se puede hacer un gasto desde $25,000 a $40,000 en sistemas interconectados a la red eléctrica. FIDE establece que actualmente en México son convenientes estos sistemas interconectados a la red para consumos residenciales de 8 kWh/día o mayores, en los cuales la inversión puede ser recuperada en un lapso de 3 a 7 años. 90 CONCLUSIONES La vivienda sustentable es un prototipo para la generación de energía eléctrica mediante recursos renovables. Se le llama sustentable al “desarrollo que satisface las necesidades del presente sin comprometer las capacidades que tienen las futuras generaciones para satisfacer sus propias necesidades”. La energía solar es una fuente inagotable de energía que se puede aprovechar de forma rápida y sencilla mediante el uso de módulos solares, lo cual puede mejorar las condiciones ambientales reduciendo las emisiones de CO2. Las condiciones climatológicas son importantes para la producción de energía por medio de los paneles fotovoltaicos, con la gran ventaja de que dichos paneles pueden generar energía incluso en días nublados y con lluvia. El sistema fotovoltaico instalado en la vivienda sustentable del IPN es de 1 kW y genera 4.50 kWh de energía eléctrica, lo cual es suficiente para energizar los aparatos eléctricos que se encuentran en la vivienda permitiendo almacenar una pequeña fracción de energía en el banco de baterías. Si el inversor de la vivienda estuviera conectado a la red, se podría suministrar energía eléctrica de forma limpia y sustentable a la red de la CFE. La casa solar deja de emitir 750.07 kg de CO2 a la atmósfera en un año. Si se contara con otras 100,000 casas distribuidas en la Ciudad de México con las mismas características, se dejarían de emitir hacia la atmósfera aproximadamente 75 toneladas de CO2 anualmente, contribuyendo notablemente al mejoramiento del medio ambiente. Existe la necesidad de llevar a cabo un monitoreo durante el cual se ocupen todos los aparatos eléctricos instalados en la VSSIPN de acuerdo a las necesidades cotidianas diarias. Esto debido a la diferencia entre los resultados de la simulación y el monitoreo, ya que durante el monitoreo existen aparatos que funcionan de acuerdo a su ciclo de encendido y apagado (computadora y refrigerador). Este prototipo es una muestra de lo que se puede lograr haciendo uso de la energía solar como fuente limpia de generación de energía. Sería pertinente hacer una campaña de concientización en la sociedad para mostrar el daño que se hace al medio ambiente y apoyar a esta tecnología, con lo que se estaría ayudando a tener un mejor planeta para generaciones futuras. En este trabajo se muestra que los paneles solares instalados en una vivienda sustentable son suficientes para generar la energía eléctrica necesaria para poder realizar actividades cotidianas en un hogar, además, el uso de estos paneles disminuye las emisiones de CO2 mejorando la calidad del aire en la Ciudad de México. 91 REFERENCIAS [1] Energía: Fuentes primarias, utilización ecológica/ Armando Deffis Caso, Ofelia Rodríguez. Ed. Árbol, 1999. [2] El Universal, marzo 2007. [3] Sistemas de energía fotovoltaica: Manual del instalador/ promotora general de estudios, 2005. [4] CONVERSUS: Revista del Instituto Politécnico Nacional. Energías sustentables, 2012. [5] BP: Statistical review of world energy, june 2012. [6] SENER-Secretaria de Energía: http://www.sener.gob.mx/ [7] CFE- Comisión Federal de Electricidad: http://www.cfe.gob.mx [8] Energías renovables: Una perspectiva ingenieril/ Omar Guillen Solís. Ed. Trillas, 2004. [9] Celdas solares: Electricidad luminosa y sus campos de aplicación/ Jean-Paul Braun, Benjamín Farag. Ed. Trillas, 1999. [10] Ciencia de los Materiales: Colección de Textos Politécnicos/ Anderson, Leaver, Rawlings y Alexander. Editorial Noriega Limusa (1998). [11] Tesis de licenciatura: Modelado 3D e integración de una casa sustentable solar-hidrógeno/ Armando Yunez Cano. [12] Libro deciencia y tecnología 2: Tecnologías solar-eólica-hidrógeno-pilas de combustible como fuentes de energía/ Héctor M. Poggy Valardo, Alfonso Martínez Reyes, José A. Pineda Cruz, Sergio Caffarel Méndez, coeditores. México, 2009. [13] ENRE- Ente Nacional Regulador de la Electricidad: http://www.argentina.gob.ar/ [14] PROFECO-Procuraduria Federal del Consumidor: http://www.profeco.gob.mx/ [15] SIMAT- Sistema de Monitoreo Atmosférico: http:// www.calidadaire.df.gob.mx [16] EPIA- European Photovoltaic Industry Association: http://www.epia.org/ [17] SMN- Servicio Meteorológico Nacional: http://smn.cna.gob.mx/ http://www.cfe.gob.mx/ http://www.calidadaire.df.gob.mx/ http://www.epia.org/ 92 [18] NMSU- New Mexico State University. Southwest Technology Development Institude, 1999. [19] La calidad del aire en la megaciudad de México: Un enfoque integral/ Luisa T. Molina, Mario J. Molina, 2005. [20] BM-Banco Mundial, 2001, p.174. [21] Atmósfera: http://www.ideam.gov.co [22] ACC-Atmospheric Chemistry of Camphor/ Anni Reissell, Janet Arey, and Roger Atkinson, 2000. [23] Revista Mexicana de Física 59 (2013) 88–94 MARCH–APRIL 2013. [24] Power and productivity for a better world: [http://new.abb.com/energy-efficiency/global- trends-in-energy-efficiency] 93 ANEXOS 4th International Congress on Alternative Energies, October 15th-18th 2013, Mexico City BENEFITS OF A PV SYSTEM IN RESIDENTIAL APPLICATION P. González Arceo 1 , R. González Huerta 1* , M. Tufiño Velázquez 2 , C. Cortes Escobedo 3 , G. Contreras Puente 2 , D. Jiménez Olarte 2 1 ESIQIE-IPN, Laboratorio de Foto-Electrocatalisis, UPALM, CP 07738, D.F. México 2 ESFM-IPN, Departamento de Física, UPALM, CP 07738 México, D.F. México 3 CIITEC-IPN, Cda. CECATI S/N Col. Sta. Catarina, Azcapotzalco, México, D. F. 02250. ABSTRACT The continuous and accelerated growth of population has brought an increase in the energy demand for the production of goods and services. This has involved at the same time high cost environmental as well as economic troubles such as global warming and increase in electricity costs. These issues generated international actions to mitigate the consequences due to fossil fuels overexploitation. Mexico participates in these actions so it is promoting projects fostering environment care, such as the proposal described in this work, aimed to develop sustainable systems through the integration of technologies related to renewable energy sources. In Mexico, greenhouse gas emissions are mainly due to the transport sector and electrical power consumption by industry. Regarding the last sector, electrical power consumption per household is around 33%. Electrical service users are classified according to power consumption as established by the Electricity Federal Commission, CFE. Lamps and fridges are the most used energy consuming households reaching around 50% of total consumption. These devices are commonly used in most houses during the day. TV and DVD’s are other appliances used in most Mexican houses, representing a 25% of power consumption. In this work a sustainable mobile house was designed to be powered by a solar system. Photovoltaic (PV) system, of 1 kW consist of: 8 solar panels of 135 W, controller, inverter and a set of batteries to supply power to basic services, such as lamps, fridge, TV, DVD and a laptop. We analyze the performance of the PV system regarding the power supply and consumption to the house. INTRODUCTION Solar electric systems, also known as photovoltaic (PV) systems, convert sunlight into electricity. Because they are made up of individual modules, PV systems can be designed to meet most electrical requirements, both large and small. The size of a residential PV system is expressed in terms of kilowatts (kW) of power, and the electricity produced by a PV system is expressed in kilowatt hours (kWh) of energy. Systems are said to be “grid-connected”, figure 1, when they remain plugged into the local utility. Grid-connected PV systems may have a battery back-up system. Battery back-up is typically used for off-grid systems and provides power at night when the sun is not shining, as in this work. Grid- conlnected systems rely on their utility to provide power at night. Maintenance requirements for PV systems are minimal: they may require occasional cleaning for optimal performance, and often require a new inverter after 15-20 years. The best way to ensure a PV system is working well is to install a monitoring device that tracks the electricity output of the system. Numerous online system monitoring tools are available, and some are included in the cost of the installation. INSTALLING A PV SYSTEM Installing a PV system on the roof or in the yard provides several benefits to a homeowner. Because he is producing his own electricity, his utility bills will be lower. PV systems can last for 25 years or longer and therefore provide long-term protection against rising electricity rates. and his utility may charge as worldwide energy markets change. A PV system may also increase the value of home. Finally, a PV system produces electricity without a emitting any pollution, including greenhouse gases. In the case of Mexico, the generation of greenhouse gas emissions is due to motor vehicle sector and the electrical power consumption by industry and household. The environment has also been badly damaged by the oil industry in different regions of the country. On the other hand, a factor of great importance in Mexico is the rapid increase in energy prices, being gasoline and electricity tariffs an important key factor to get a virtual stable economy in the country, but in the last 10 years it seems that actual economic instability in energy is jeopardizing national development. Among the principal electric power consumers in Mexico, household users represent 33% of total consumption. GETTING READY TO INSTALL A PV SYSTEM. The implementation of renewable energy is currently growing in Mexico at a moderate pace, mainly due to lack 4th International Congress on Alternative Energies, October 15th-18th 2013, Mexico City of government support and ignorance on the benefits that can be obtained from its application for sustainable housing. On the other hand, some government programs encouraging investment in these technologies begin to appear, such as the INFONAVIT credit program called "Green mortgage" and the recent advantage of establishing a contract with CFE to interconnect these sustainable systems to the federal power grid. As these renewable energy systems supply electric power to the grid, they cause a reduction in the cost of current high electricity tariffs. The FIDE (Fideicomiso para el Ahorro de Energía Electrica) gives financial support to homes and small businesses when their electric energy consumption exceeding 10 kWh / day. If someone is interested in “going solar”, there are several important steps to take in preparation. If the goal is to reduce the environmental impact or the cost of the installation, homeowners need to consult some things prior to installing a solar PV system about home energy efficiency improvements such as sealing unwanted air leaks, improving insulation, and replacing inefficient lighting. This will reduce the amount of electricity the home uses so that it can meet a greater percentage of electricity needs with the PV system or reduce the size of the system required. If the plan is to install PV on the roof (as opposed to mounting it on the ground), it is necessary to check if the roof needs to be reinforced or replaced, especially if it is an older roof. Homeownersneed to obtain bids from multiple solar companies, and seeks out solar installers that guarantee their work and, when possible, are certified by FIDE. Figure 1. Grid-connected PV systems. If the home is not well suited for a PV system because of shade or other issues, there are other options to invest in an offsite solar system through a green power purchase or “community solar” program. Finally, learn about solar technologies, financing options, and available PV incentives to ensure that the client has the necessary information to make the best decisions. This project consists in installing a photovoltaic system whose power is according to the energy demand required to be covered. In this case a bimonthly energy demand of 150 kWh was established so it can meet the basic energy needs of a CFE 01 rated house according to its average energy consumption. WHAT A PV SYSTEM COSTS Although the cost of a residential PV installation has declined in recent years, it is still a significant investment for homeowners. Even after subtracting available incentives, an average-sized PV system of 1 kW can cost $30,000 or more. As a result, most homeowners will need to finance this upfront investment. Fortunately, as the residential solar market has evolved, a number of financing options are now available in some areas into the country. If the electric energy consumption exceeding 10 kWh/day, then the time of investment return is between 2- 4 years Homeowners should factor maintenance requirements into their financing decision. While all PV systems have minimal maintenance needs, customers who are not interested in checking system performance and arranging for inverter replacement, which can cost several thousand pesos, should consider third-party financing options or, if possible, set up a maintenance contract with the solar installer. There are financing options: a cash purchase, a home equity loan, other loan products, a solar lease, a solar power purchase agreement, and property tax assessment financing. Key Terms: the following terms are some that homeowner will likely hear during conversations with solar installers and administrators of solar incentive programs. Understanding these terms can help his make the best financing decisions. Interconnection: This is the process of connecting the PV system to the electric grid of the local utility. The solar installer will likely coordinate this process, although the homeowner may need to provide documentation such as proof of sufficient homeowners’ insurance. Net Metering: This term refers to the ability of the homeowner’s PV system to send excess electricity to the utility grid in return for a credit on utility bills. It is sometimes referred to as “spinning the electricity meter backward.” Net metering regulations vary by state and 4th International Congress on Alternative Energies, October 15th-18th 2013, Mexico City utility, and where they are in place they make solar PV purchases more cost-effective for homeowners. To participate in net metering, your utility may require that an additional meter be installed at the home. Is necessary implementing in Mexico some guarantees: solar companies must to offer production guarantees to the homeowner. The terms of this guarantee will vary widely, but in general it will be an annual or two-year average guarantee of kWh produced. If the PV system fails to meet this minimum level of production, the solar company will compensate the homeowner on a per-kWh basis for the shortfall. The government has to give rebates and incentives: In some cases, it is necessary give upfront rebates based on the size of the system or production incentives based on the amount of electricity generated to reduce the cost of owning a residential PV system. If a homeowner purchases a PV system, they should take a federal tax credit equivalent to 30% of the qualified installed costs of a residential PV system. If a homeowner has received other upfront cash incentives, they should be subtracted from the initial cost of the system before calculating the taxes. DISCUSSION & CONCLUSIONS Photovoltaic modules for this work were acquired of polycrystalline silicon, considering factors such as price, durability and efficiency, since the cost of investment is important for estimating the future savings and recovery cost. The capacity of the installed photovoltaic system (PV) was calculated from the electric power demand based on the most commonly appliances used in a Mexican family typical house, establishing a baseline bimonthly consumption average of 150 kWh / bimonthly. An island PV system was installed consisting of polycrystalline Si solar modules, Figure 2, a charge controller, a DC-AC electric inverter and a bank of batteries to obtain a fixed time interval of energy autonomy. Due to the good average solar irradiance in our country and particularly in Mexico City, we considered 5 hours of effective sunlight per day. This factor shows that Mexico has an important solar potential to successfully implement the photovoltaic technology at homes. Most photovoltaic systems are mainly installed at the present time in public or private companies. On the technical side an automatic charge controller was chosen to prevent that batteries suffer any damage due to overloading or unloading in excess due to the intermittency of solar radiation and the variable consumption of the energy stored in the bank batteries. The selection of the inverter was considered for operating in isolated systems, such as the bank of batteries, and also to operate in an interconnected system to the grid, with the purpose that the investment may be lower and the return cost takes place in lower time delivering power to the federal electric grid, since in an isolated PVS the use of batteries corresponds approximately to 30% of total investment. Figure 2. Plycrystalline Si solar modules. The battery bank has the ability to provide 2 days of autonomy to the house, without exceeding the established daily consumption of 2.5 kWh/day. The diagram of the PVS is shown in Figure 3. Figure 2. Photovoltaic system. ACKNOWLEDGEMENTS This work has been partially supported by the IPN Energy Network, Secretaria de Ciencia, Tecnología e Innovación agreement ICYTDF/325/2011 and ICYTDF/127/2012; and CONACYT project 190895. REFERENCES [1] Armando Yunez Cano, (Acta de examen 17740) “Modelado 3D e integración de una casa sustentable solar-hidrógeno”, tesis de licenciatura ESIQIE, 7/02/2013 [2] A. Morales Acevedo “La Electricidad que viene del sol. Una fuente de Energía Limpia” (2003) VI International Conference on Surfaces, Materials and Vacuum September 23 -27, 2013 Mérida, Yucatán Sociedad Mexicana de Ciencia y Tecnología de Superficies y Materiales The Conference Organizing Committee certifies that ANA PAULINA GONZALEZ ARCEO attended the VI International Conference on Surfaces, Materials and Vacuum Claudia Mendoza Barrera President SMCTSM Claudia Mendoza Barrera President SMCTSM VI International Conference on Surfaces, Materials and Vacuum September 23 -27, 2013 Mérida, Yucatán Sociedad Mexicana de Ciencia y Tecnología de Superficies y Materiales The Conference Organizing Committee certifies the attendance of ANA PAULINA GONZALEZ ARCEO to the course Celdas Solares dictated by Verónica Bermudez (NEXIS Photovoltaic Technology), Juan Luis Peña (CINVESTAV- Mérida) and Guillermo Santana (IIM- UNAM) Claudia Mendoza Barrera President SMCTSM Claudia Mendoza Barrera President SMCTSM PORTADA TESIS p1 OFICIO REV. DE TESISINDICE EMPLEO DE PANELES SOLARES EN VIVIENDA SUSTENTABLE 2 EA-041 ext paulina p2 p3 SMCTSM_AS-2217_0 SMCTSM_CERT-2217_1 (1)
