DISEÑO DE SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA VIVIENDA RURAL UNIFAMILIAR

Roque Delima Urdaneta 1

Instituto Universitario de Tecnología Alonso Gamero Fundación para el Desarrollo de la Ciencia y la Tecnología

Fundacite Falcón

RESUMEN

El proyecto que se presenta propone una solución solar al problema de la electrificación básica en una vivienda rural unifamiliar habitada en forma permanente y aislada de la red. Se realizó un trabajo monográfico con propuesta teórica. El soporte bibliográfico lo aportó el Centro de Estudios para la Energía Solar (CENSOLAR), Sevilla, España. En el estado Falcón (Venezuela) existen poblaciones aisladas que carecen de servicio eléctrico, una de ellas, El Cerro de Taratara (Municipio Colina), fue seleccionada para este estudio. El estado Falcón, por su ubicación y características generales, posee las condiciones meteorológicas ideales que permiten proyectar sistemas fotovoltaicos para las más diversas aplicaciones. La propuesta consiste en un sistema fotovoltaico diseñado y calculado en su totalidad usando la metodología indicada por CENSOLAR. Palabras clave: energía solar, generación eléctrica, instalación fotovoltaica, panel solar, convertidor.

PHOTOVOLTAIC SYSTEM DESIGN FOR A COUNTRY SINGLE FAMILY HOUSE

ABSTRACT

This project proposes a viable solar solution to the problem of basic electrification in a country single-family house, permanently inhabited and isolated from the electric network. A monographic work with theoretical proposal was carried out. The bibliographic support was provided by the Center of Studies for the Solar Energy (CENSOLAR), Seville, Spain. In the state of Falcon (Venezuela), there are isolated towns that lack electric service. El Cerro de Taratara (Municipio Colina) was chosen for this test. Due to its location and general characteristics, Falcon possesses the ideal meteorological conditions that allow to project photovoltaic systems for the most diverse applications. The proposal consists of a photovoltaic system entirely designed and calculated, using the methodology indicated by CENSOLAR.

Key words: solar energy, electric generation, photovoltaic installation, solar module, inverter.

INTRODUCCIÓN Al noroeste de Venezuela se ubica el estado Falcón, que posee en su parte norte 685 kilómetros de costas. Por su ubicación y características generales posee las condiciones meteorológicas ideales que permiten proyectar sistemas fotovoltaicos para las más diversas aplicaciones, como por ejemplo electrificación básica de viviendas rurales, estaciones de bombeo, apoyo en telecomunicaciones, entre otros. En la región antes mencionada existen poblaciones aisladas que carecen de servicio eléctrico; esto hace factible que las viviendas de dichas poblaciones sean elegibles para dotarlas de la electrificación básica necesaria, usando para ello un sistema fotovoltaico de generación eléctrica. El proyecto que a continuación se desarrollará propone una solución solar al problema de la electrificación básica en una vivienda rural unifamiliar, habitada en forma permanente y aislada de la red. Dicha solución consiste en un sistema fotovoltaico diseñado y calculado en su totalidad bajo la asesoría del Centro de Estudios para la Energía Solar (CENSOLAR), Sevilla, España. MATERIALES Y MÉTODOS Se realizó un estudio monográfico con propuesta teórica, para lo cual una vez elegido el tema se efectuó la revisión de literatura reciente sobre la materia, aportada por CENSOLAR. Se recogieron otros datos mediante entrevistas en la Dirección de Desarrollo Urbanístico del Municipio Autónomo Colina, en el Servicio de Meteorología de la Fuerza Aérea Venezolana, Estación Coro, y en el Instituto de la Vivienda de Falcón (INSVIFAL). Se realizaron además visitas de campo al centro poblado El Cerro de Taratara, a los efectos de realizar tomas fotográficas y cálculos necesarios para el estudio. La recolección de datos permitió realizar la memoria descriptiva y determinar las características y necesidades del consumo de la vivienda-tipo escogida para este trabajo. Para dimensionar los elementos del sistema se usó la metodología indicada en el Curso de Proyectista Instalador de Energía Solar, impartido por CENSOLAR. La Fundación para el Desarrollo de la Ciencia y la Tecnología, Fundacite-Falcón, financió este proyecto. Memoria descriptiva Objeto del proyecto Diseño y cálculo de una instalación fotovoltaica capaz de suministrar las necesidades eléctricas básicas de una vivienda unifamiliar. Ubicación del lugar de la instalación fotovoltaica El lugar elegido para la instalación fotovoltaica fue la localidad llamada El Cerro de Taratara, en el Municipio Autónomo Colina, estado Falcón. El tendido eléctrico más próximo a la población en cuestión se localiza a cinco kilómetros de distancia. Dados los costos a invertir en la instalación del servicio y las difíciles condiciones presupuestales que confrontan los gobiernos locales por la aguda crisis que atraviesa el país, no se ha considerado a corto plazo la ejecución del tendido eléctrico hacia esa localidad.

Características de la construcción afectada Se trata de la vivienda prototipo IX-A-INSVIFAL. Posee las siguientes características: 49.16 m2 de construcción, de los cuales 5.75 m de frente y 8.55 m de fondo. Se distribuye en porche, dormitorio, un dormitorio convertible, sala-comedor, cocina, baño y zona de lavado. Paredes de bloque y cemento sin frisar, piso de concreto con malla truckson, envigado de concreto y acero y techo de lámina plycem. Titular de la instalación Instituto de la Vivienda del Estado Falcón (INSVIFAL), organismo promotor oficial hipotecario del gobierno del estado Falcón. Datos geográficos y meteorológicos de la zona El Cerro de Taratara es una comunidad ubicada en jurisdicción del municipio autónomo Colina del estado Falcón. Dista 30 kilómetros de la ciudad capital del estado: Coro (Fig. 1). Las coordenadas son: latitud 11° 25' N, longitud 69° 41' O, elevación 16msnm. El resumen climatológico para esta zona en el período 1992-1996 arrojó los siguientes datos: - Temperatura en °C: media 28.4, máxima media 33.6, mínima media 25.5, máxima absoluta 39.6, mínima absoluta 19.0. - Humedad media (%): 72 - Presión media HPA: 9.8 - Vientos (velocidad media m/s): 5.2 - Nubosidad media OCTAVOS: 3.9 - Insolación media HORAS 8.5 - Radiación media MJm-2: 18.1 (5.027 Kwh / m-2 ) - Precipitación total mm: 390 - Evaporación total mm: 1906 - Días con tormenta: 32.8 - Días con niebla: 0.0 No existen antecedentes de instalaciones fotovoltaicas en la zona.

FIGURA Nº 1

Ubicación de El Cerro de Taratara. Estado Falcón

Mcpio. Colina

El Cerro de Taratara Coro

Mar Caribe

RESULTADOS Y DISCUSIÓN Necesidades y características del consumo. Valores medios diarios Las necesidades eléctricas de consumo vienen dadas por lo requerido en el plano de distribución eléctrica de la vivienda, que incluye 5 (cinco) apliques de pared con interruptor sencillo y cuatro tomacorrientes dobles. El cuadro 1 ofrece los valores de los consumos medios diarios estimados para el caso estudiado. La potencia teórica de consumo simultáneo es de 136 w. Se recomienda el uso de un fusible de seguridad de 3 (tres) amperios (Cuadro 2). Las características eléctricas de las luminarias y televisor las determinan la oferta del mercado regional. Se recomienda el uso del convertidor tipo CC-CA para todo el consumo. La tensión de consumo es de 115 V. Finalmente, se exige del usuario respeto al acuerdo de uso de la instalación (potencia y tiempo de consumo) a fin de garantizar los beneficios estimados. Generación eléctrica fotovoltaica: ventajas y limitaciones El efecto fotovoltaico, cuyos fundamentos teóricos pertenecen a la física cuántica, consiste en la conversión de la energía que transportan los fotones de la luz sobre materiales semiconductores convenientemente tratados en energía eléctrica, la cual puede ser almacenada y aprovechada.

La generación de electricidad basada en el efecto fotovoltaico se inició comercialmente en 1954, cuando Laboratorios Bell, en los Estados Unidos de América, produjo los primeros paneles fotovoltaicos, elementos que con el único requisito de estar expuestos a la radiación solar son capaces de suministrar de forma ininterrumpida y permanente sin sufrir desgaste ni envejecimiento, una diferencia de potencial que permite obtener corriente eléctrica continua. Es preciso mencionar que la intensidad de la corriente obtenida es proporcional a la suma de las áreas de las celdas fotovoltaicas que conforman el panel y a la intensidad de radiación solar en el momento de la generación. Generar electricidad de forma limpia, sin partes móviles y gratuita en cuanto a factura por combustible, resulta ventajoso frente a otras formas convencionales de generación eléctrica; sin embargo, se debe hacer mención del elevado precio de los elementos que conforman un sistema fotovoltaico, así como también de las desventajas que ocasionan las dimensiones y el peso del banco de baterías en instalaciones con autonomía de funcionamiento. Conveniencia de usar la solución solar propuesta Entre el 75 y el 80% de la población rural mundial no tiene acceso a las redes de distribución de electricidad. El Cerro de Taratara -población incluida en el anterior porcentaje- previo análisis, fue considerada conveniente para proponer el uso de un sistema solar fotovoltaico, dada la convergencia de los siguientes factores: 1.- Los consumos medios diarios estimados anteriormente indican que el sistema a instalar está en la categoría de baja potencia, cuestión que conviene a los fines de decidir positivamente por una solución solar como la propuesta. 2.- La distancia entre la vivienda afectada por el sistema solar fotovoltaico propuesto y la red general de distribución eléctrica justifica la opción propuesta. 3.- La factibilidad de una posible interconexión con la red de distribución de electricidad ha quedado descartada en un mediano plazo por los responsables de la Dirección de Desarrollo Urbanístico de la Alcaldía del Municipio Autónomo Colina; lo cual confirma la pertinencia de usar la solución solar. 4.- Conviene hacer notar el profundo impacto social que provoca en las familias beneficiadas el sistema solar propuesto, ya que el hecho de contar con un servicio indispensable que permita disfrutar los beneficios de la sociedad actual, incrementa tanto la calidad como la cantidad de vida, meta de toda sociedad que promueva el bienestar de los ciudadanos que la integran.

CUADRO N° 1

Valores de consumo medio diario estimados para una vivienda rural unifamiliar DESCRIPCIÓN POTENCIA TIEMPO (h) CONSUMO (w.h) DEL CONSUMO TEÓRICA(w) DORMITORIO PRINCIPAL 15 3 45 DORMITORIO CONVERTIBLE 15 3 45 COCINA 20 5 100 SALA/COMEDOR 20 5 100 BAÑO 20 3 60 TELEVISOR 61 4 244 TOTALES 151 594 Fuente: cálculos personales Viabilidad de la solución solar propuesta Una instalación solar autónoma de generación de electricidad, resulta necesaria si al lugar en que se precisa no llega la red general de distribución. En el caso que nos ocupa esta característica se encuentra presente, por lo tanto hay que valorar si la acometida de un nuevo tendido de conexión con la red general prevalece sobre la solución solar. Teniendo en cuenta los costos actuales del tendido de nuevas líneas, puede establecerse de forma aproximada una correspondencia entre la distancia máxima a la red general y el consumo anual máximo previsto para que la propuesta solar resulte rentable. El cuadro N° 1 permite ver que si el usuario de nuestro caso prevé gastar 271 Kw h al año y la vivienda se encuentra a cinco kilómetros de la red, la opción solar propuesta resulta económicamente viable. Cabe mencionar que el dimensionamiento de la instalación fotovoltaica resulta adecuado para cubrir las necesidades energéticas anteriormente expuestas. Aunque no siempre resulta conveniente determinar la pertinencia de implementar una solución solar basándose exclusivamente en un razonamiento económico, el hecho mismo de satisfacer las necesidades básicas de electricidad a innumerables familias venezolanas habitantes del medio rural, constituye un objetivo prioritario que trasciende cualquier consideración meramente económica.

CUADRO N° 2

Cálculo del amperaje del fusible de seguridad (lfs)

DESCRIPCIÓN DEL CONSUMO INTENSIDAD (A) POTENCIA TEÓRICA (w) DORMITORIO PRINCIPAL 0.230 15 BAÑO 0.285 20 COCINA/COMEDOR 0.285 20 SALA 0.285 20 TELEVISOR 1.100 61 TOTALES Ics = 2.185 136

Ifs = Ics x Fs Ifs = 2.185 x 1.25 A Ifs = 2.731 A Ifs: intensidad del fusible de seguridad (A) Ics: intensidad de consumo simultáneo (A) Fs: factor de seguridad Se recomienda el uso de un fusible de seguridad de 3 amperios. Descripción de la instalación fotovoltaica propuesta En el esquema de la instalación solar fotovoltaica propuesta, la radiación proveniente del sol es captada y transformada en energía eléctrica en forma de corriente continua, por un conjunto de 4 (cuatro) paneles solares conectados en paralelo, dispuestos así para que la respuesta eléctrica producida esté en armonía con lo proyectado y calculado, satisfaciendo así las necesidades energéticas del caso. El funcionamiento del conjunto de paneles requiere que estén acoplados a una estructura, la cual a su vez se instala según lo proyectado en la vivienda prototipo (Fig. 2). La energía eléctrica producida por el conjunto de paneles solares es transmitida a través de un cableado a un elemento de regulación y control, que se encarga de proteger y mantener en estado de plena carga mediante monitoreo constante al banco de acumuladores, elemento que tiene como función almacenar la cantidad de energía eléctrica proyectada para que las necesidades básicas de electricidad sean satisfechas según lo acordado. Un elemento convertidor de corriente se introduce a objeto de adecuar la energía eléctrica proveniente del banco de acumuladores a las características de la carga solicitada. Posibilidad de subvención oficial Existe un interés manifiesto y público por la dotación de energía eléctrica no convencional a comunidades rurales del estado Falcón, el cual se ha patentizado en varios momentos. En 1996, con el auspicio de la Universidad Nacional Experimental Francisco de

Miranda y la Fundación Zumaque (PDVSA), dentro de la ejecución del Programa de Investigación y Desarrollo de Tecnologías Alternas (PROALTERNA) y el financiamiento de la alcaldía del municipio Los Taques, se instaló en la comunidad de Jacuque un sistema de generación híbrido (fotovoltaico-eólico). En el año 1998, por licitación N° FFENC00198 emanada por la gobernación del estado Falcón, se llamó a empresas suministradoras de equipos y servicios de energía no convencional a la presentación de una propuesta técnico-económica para proveer de energía a comunidades rurales del estado Falcón. Esta intención avala el diseño de un proyecto de sistema fotovoltaico para vivienda rural unifamiliar.

En la actualidad el Ministerio de Energía y Minas a través de la Dirección de

Planificación y Economía de la Energía desarrolla, con el auspicio de la Corporación Andina de Fomento, el Programa de Energía Renovable (PODER), que incluye al estado Falcón.

FIGURA Nº 2

Modelo de vivienda con paneles en estructura

CÁLCULOS Cálculo del número de paneles necesarios y capacidad nominal de la batería (Ah) PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS

SÍMBOLO UNIDADES SIGNIFICADO VALOR Et Wh Energía diaria teórica total requerida 594 Mes más desfavorable DICIEMBRE N día Número de días de autonomía 5 Kb Pérdidas por rendimiento en acumulador .05 Ka 1/día Coeficiente de autodescarga .005 Pd Profundidad máxima de descarga .8 Kc Pérdidas en el convertidor .1 Kv Otras pérdidas (pérdidas varias) .15 H MJ Energía diaria en 1 m2 horizontal 18.1 K Coeficiente de corrección por inclinación de los paneles 1.09 Corrección de H (causas atmosféricas) 1 i grados Inclinación de los paneles 15 B grados Desviación respecto al meridiano 0 P W Potencia nominal de cada panel 50 V voltios Voltaje nominal de la batería 12 RESULTADOS

R (Factor global de rendimiento de la instalación) = .678 Ep (Energía que deben producir los paneles) = 973 Wh HSP (Horas sol pico) = 5.48 Número de paneles necesarios = 4 Capacidad nominal de la batería (Ah) = 456 Cálculo del número de reguladores a usar en la instalación Previa selección del modelo de regulador se procede al cálculo del número a utilizar del mismo, tratando siempre que dicho número sea el mínimo posible.

Nr = Npp x i p / i r Nr: número de reguladores Npp: número de paneles en paralelo = 4 I p: intensidad pico del panel seleccionado = 3. ’05 A I r: intensidad máxima capaz de disipar el regulador sugerido = 30 A Nr = (4 x 3.05/30) = 0,40

El resultado determina que ha de usarse un (1) regulador del modelo seleccionado para satisfacer los requerimientos de la instalación. Dimensionado del convertidor (CC-CA) La selección del convertidor a ser usado en la instalación va a estar determinada por la potencia real de consumo simultáneo (Prcs), la que a su vez es definida por el proyectista de la instalación y calculada de acuerdo a la siguiente ecuación: Prcs = Vsc x i cs Prcs: potencia real de consumo simultáneo (w) Vsc: voltaje de salida del convertidor = 115 V I sc: suma de las intensidades de los elementos en consumo simultáneo = 2.185 A Prcs = 115 x 2.185 w Prcs = 252 w Se sugiere instalar el convertidor modelo Pw800 Cálculo de la sección del conductor en los diferentes tramos del sistema - Tramo paneles-banco de acumuladores S = 0.036 x l x i / V ab S: sección del conductor (mm2) l: longitud del tramo = 5 m i: intensidad máxima en el tramo = (A) Npp: número de paneles en paralelo = 4 Pp: potencia de un (1) panel = 50 w Vp: voltaje pico del panel = 16.6 V V ab: caída máxima de tensión en el tramo = (0.01 x 16.6) V = 0.166 V

i: Npp x Pp / Vp i= (4 x 50 / 16.6) A = 12.04 A

S = (0.036 x 5 x 12.04 / 0.166) mm2 S = 13.05 mm2

- Tramo banco de acumuladores-convertidor S = 0.036 x l x i / V ab S: sección del conductor (mm2) l: longitud del tramo = 3m i: intensidad máxima en el tramo (A) Prcs: potencia real de consumo simultáneo = 252 w N: eficiencia del convertidor = 0.9 V: tensión en el tramo = 12 V V ab: caída máxima de tensión en el tramo = (0.01 x 12) V = 0.12 V

i= Prcs / N x V i= (252 /0.9 x 12) A

i= 23.33 A S = (0.036 x 3 x 23.33 / 0.12) mm2

S = 21 mm2

- Tramo convertidor-carga S = 0.036 x l x i / V ab S: sección del conductor (mm2) l: longitud del tramo = 17 m i: intensidad máxima en el tramo = 2.415 A V ab: caída máxima de tensión en el tramo = (0.03 x 115) V = 3.45 V

S = (0.036 x 17 x 2.415 / 3.45) mm2 S = 0.4284 mm2

C o n c l u s i ó n d e l c á l c u l o d e l a s e c c i ó n d e l c o n d u c t o r TRAMO SECCIÓN CALIBRE AWG CALCULADA (MM2) RECOMENDADO Paneles-regulador 13.05 4 Convertidor-carga 0.4284 12 (*) Banco de acumuladores- Convertidor 21 3 (*) El diseño del tramo convertidor-carga se corresponde con los planos originales de la vivienda prototipo. El conductor del tramo convertidor-carga y demás accesorios serán suministrados por el fabricante de la vivienda prototipo. Dirección para correspondencia: Instituto Universitario de Tecnología Alonso Gamero, Departamento de Matemáticas, Coro, Estado Falcón, Venezuela. Agradecimiento: A Fundacite-Falcón, financista de este proyecto. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALCOR, R., 1995: Instalaciones Solares Fotovoltaicas. Editorial Progensa, España. FUERZA AÉREA DE VENEZUELA, 1997: Resumen Climatológico Período 1992-1996. Estación Coro. (Mimeografiado), Coro, Venezuela. INSVIFAL, 1995: Prototipo IX-A-INSVIFAL. (Mimeografiado), Coro, Venezuela. LEJARDI, L., 1988: Acumuladores de Electricidad. Manual Práctico. Editorial Progensa, España. LORENZO, E., 1994: Electricidad Solar. Ingeniería de los Sistemas Fotovoltaicos. Editorial Progensa, España. VARIOS, 1994: Curso de Instalaciones de Energía Solar. Editorial Progensa, España. Trabajo finalizado: Coro, 1999 Recibido: 2000-07-31 Arbitrado: 2000-10-03 Aceptación definitiva: 2000-10-25