DISEO DE SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA VIVIENDA RURAL UNIFAMILIAR

Roque Delima Urdaneta 1

Instituto Universitario de Tecnologa Alonso Gamero Fundacin para el Desarrollo de la Ciencia y la Tecnologa

Fundacite Falcn

RESUMEN

El proyecto que se presenta propone una solucin solar al problema de la electrificacin bsica en una vivienda rural unifamiliar habitada en forma permanente y aislada de la red. Se realiz un trabajo monogrfico con propuesta terica. El soporte bibliogrfico lo aport el Centro de Estudios para la Energa Solar (CENSOLAR), Sevilla, Espaa. En el estado Falcn (Venezuela) existen poblaciones aisladas que carecen de servicio elctrico, una de ellas, El Cerro de Taratara (Municipio Colina), fue seleccionada para este estudio. El estado Falcn, por su ubicacin y caractersticas generales, posee las condiciones meteorolgicas ideales que permiten proyectar sistemas fotovoltaicos para las ms diversas aplicaciones. La propuesta consiste en un sistema fotovoltaico diseado y calculado en su totalidad usando la metodologa indicada por CENSOLAR. Palabras clave: energa solar, generacin elctrica, instalacin 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.

INTRODUCCIN Al noroeste de Venezuela se ubica el estado Falcn, que posee en su parte norte 685 kilmetros de costas. Por su ubicacin y caractersticas generales posee las condiciones meteorolgicas ideales que permiten proyectar sistemas fotovoltaicos para las ms diversas aplicaciones, como por ejemplo electrificacin bsica de viviendas rurales, estaciones de bombeo, apoyo en telecomunicaciones, entre otros. En la regin antes mencionada existen poblaciones aisladas que carecen de servicio elctrico; esto hace factible que las viviendas de dichas poblaciones sean elegibles para dotarlas de la electrificacin bsica necesaria, usando para ello un sistema fotovoltaico de generacin elctrica. El proyecto que a continuacin se desarrollar propone una solucin solar al problema de la electrificacin bsica en una vivienda rural unifamiliar, habitada en forma permanente y aislada de la red. Dicha solucin consiste en un sistema fotovoltaico diseado y calculado en su totalidad bajo la asesora del Centro de Estudios para la Energa Solar (CENSOLAR), Sevilla, Espaa. MATERIALES Y MTODOS Se realiz un estudio monogrfico con propuesta terica, para lo cual una vez elegido el tema se efectu la revisin de literatura reciente sobre la materia, aportada por CENSOLAR. Se recogieron otros datos mediante entrevistas en la Direccin de Desarrollo Urbanstico del Municipio Autnomo Colina, en el Servicio de Meteorologa de la Fuerza Area Venezolana, Estacin Coro, y en el Instituto de la Vivienda de Falcn (INSVIFAL). Se realizaron adems visitas de campo al centro poblado El Cerro de Taratara, a los efectos de realizar tomas fotogrficas y clculos necesarios para el estudio. La recoleccin de datos permiti realizar la memoria descriptiva y determinar las caractersticas y necesidades del consumo de la vivienda-tipo escogida para este trabajo. Para dimensionar los elementos del sistema se us la metodologa indicada en el Curso de Proyectista Instalador de Energa Solar, impartido por CENSOLAR. La Fundacin para el Desarrollo de la Ciencia y la Tecnologa, Fundacite-Falcn, financi este proyecto. Memoria descriptiva Objeto del proyecto Diseo y clculo de una instalacin fotovoltaica capaz de suministrar las necesidades elctricas bsicas de una vivienda unifamiliar. Ubicacin del lugar de la instalacin fotovoltaica El lugar elegido para la instalacin fotovoltaica fue la localidad llamada El Cerro de Taratara, en el Municipio Autnomo Colina, estado Falcn. El tendido elctrico ms prximo a la poblacin en cuestin se localiza a cinco kilmetros de distancia. Dados los costos a invertir en la instalacin del servicio y las difciles condiciones presupuestales que confrontan los gobiernos locales por la aguda crisis que atraviesa el pas, no se ha considerado a corto plazo la ejecucin del tendido elctrico hacia esa localidad.

Caractersticas de la construccin afectada Se trata de la vivienda prototipo IX-A-INSVIFAL. Posee las siguientes caractersticas: 49.16 m2 de construccin, 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, bao 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 lmina plycem. Titular de la instalacin Instituto de la Vivienda del Estado Falcn (INSVIFAL), organismo promotor oficial hipotecario del gobierno del estado Falcn. Datos geogrficos y meteorolgicos de la zona El Cerro de Taratara es una comunidad ubicada en jurisdiccin del municipio autnomo Colina del estado Falcn. Dista 30 kilmetros de la ciudad capital del estado: Coro (Fig. 1). Las coordenadas son: latitud 11 25' N, longitud 69 41' O, elevacin 16msnm. El resumen climatolgico para esta zona en el perodo 1992-1996 arroj los siguientes datos: - Temperatura en C: media 28.4, mxima media 33.6, mnima media 25.5, mxima absoluta 39.6, mnima absoluta 19.0. - Humedad media (%): 72 - Presin media HPA: 9.8 - Vientos (velocidad media m/s): 5.2 - Nubosidad media OCTAVOS: 3.9 - Insolacin media HORAS 8.5 - Radiacin media MJm-2: 18.1 (5.027 Kwh / m-2 ) - Precipitacin total mm: 390 - Evaporacin total mm: 1906 - Das con tormenta: 32.8 - Das con niebla: 0.0 No existen antecedentes de instalaciones fotovoltaicas en la zona.

FIGURA N 1

Ubicacin de El Cerro de Taratara. Estado Falcn

Mcpio. Colina

El Cerro de Taratara Coro

Mar Caribe

RESULTADOS Y DISCUSIN Necesidades y caractersticas del consumo. Valores medios diarios Las necesidades elctricas de consumo vienen dadas por lo requerido en el plano de distribucin elctrica 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 terica de consumo simultneo es de 136 w. Se recomienda el uso de un fusible de seguridad de 3 (tres) amperios (Cuadro 2). Las caractersticas elctricas 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 tensin de consumo es de 115 V. Finalmente, se exige del usuario respeto al acuerdo de uso de la instalacin (potencia y tiempo de consumo) a fin de garantizar los beneficios estimados. Generacin elctrica fotovoltaica: ventajas y limitaciones El efecto fotovoltaico, cuyos fundamentos tericos pertenecen a la fsica cuntica, consiste en la conversin de la energa que transportan los fotones de la luz sobre materiales semiconductores convenientemente tratados en energa elctrica, la cual puede ser almacenada y aprovechada.

La generacin de electricidad basada en el efecto fotovoltaico se inici comercialmente en 1954, cuando Laboratorios Bell, en los Estados Unidos de Amrica, produjo los primeros paneles fotovoltaicos, elementos que con el nico requisito de estar expuestos a la radiacin solar son capaces de suministrar de forma ininterrumpida y permanente sin sufrir desgaste ni envejecimiento, una diferencia de potencial que permite obtener corriente elctrica continua. Es preciso mencionar que la intensidad de la corriente obtenida es proporcional a la suma de las reas de las celdas fotovoltaicas que conforman el panel y a la intensidad de radiacin solar en el momento de la generacin. Generar electricidad de forma limpia, sin partes mviles y gratuita en cuanto a factura por combustible, resulta ventajoso frente a otras formas convencionales de generacin elctrica; sin embargo, se debe hacer mencin del elevado precio de los elementos que conforman un sistema fotovoltaico, as como tambin de las desventajas que ocasionan las dimensiones y el peso del banco de bateras en instalaciones con autonoma de funcionamiento. Conveniencia de usar la solucin solar propuesta Entre el 75 y el 80% de la poblacin rural mundial no tiene acceso a las redes de distribucin de electricidad. El Cerro de Taratara -poblacin incluida en el anterior porcentaje- previo anlisis, 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 est en la categora de baja potencia, cuestin que conviene a los fines de decidir positivamente por una solucin solar como la propuesta. 2.- La distancia entre la vivienda afectada por el sistema solar fotovoltaico propuesto y la red general de distribucin elctrica justifica la opcin propuesta. 3.- La factibilidad de una posible interconexin con la red de distribucin de electricidad ha quedado descartada en un mediano plazo por los responsables de la Direccin de Desarrollo Urbanstico de la Alcalda del Municipio Autnomo Colina; lo cual confirma la pertinencia de usar la solucin 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 DESCRIPCIN POTENCIA TIEMPO (h) CONSUMO (w.h) DEL CONSUMO TERICA(w) DORMITORIO PRINCIPAL 15 3 45 DORMITORIO CONVERTIBLE 15 3 45 COCINA 20 5 100 SALA/COMEDOR 20 5 100 BAO 20 3 60 TELEVISOR 61 4 244 TOTALES 151 594 Fuente: clculos personales Viabilidad de la solucin solar propuesta Una instalacin solar autnoma de generacin de electricidad, resulta necesaria si al lugar en que se precisa no llega la red general de distribucin. En el caso que nos ocupa esta caracterstica se encuentra presente, por lo tanto hay que valorar si la acometida de un nuevo tendido de conexin con la red general prevalece sobre la solucin solar. Teniendo en cuenta los costos actuales del tendido de nuevas lneas, puede establecerse de forma aproximada una correspondencia entre la distancia mxima a la red general y el consumo anual mximo previsto para que la propuesta solar resulte rentable. El cuadro N 1 permite ver que si el usuario de nuestro caso prev gastar 271 Kw h al ao y la vivienda se encuentra a cinco kilmetros de la red, la opcin solar propuesta resulta econmicamente viable. Cabe mencionar que el dimensionamiento de la instalacin fotovoltaica resulta adecuado para cubrir las necesidades energticas anteriormente expuestas. Aunque no siempre resulta conveniente determinar la pertinencia de implementar una solucin solar basndose exclusivamente en un razonamiento econmico, el hecho mismo de satisfacer las necesidades bsicas de electricidad a innumerables familias venezolanas habitantes del medio rural, constituye un objetivo prioritario que trasciende cualquier consideracin meramente econmica.

CUADRO N 2

Clculo del amperaje del fusible de seguridad (lfs)

DESCRIPCIN DEL CONSUMO INTENSIDAD (A) POTENCIA TERICA (w) DORMITORIO PRINCIPAL 0.230 15 BAO 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 simultneo (A) Fs: factor de seguridad Se recomienda el uso de un fusible de seguridad de 3 amperios. Descripcin de la instalacin fotovoltaica propuesta En el esquema de la instalacin solar fotovoltaica propuesta, la radiacin proveniente del sol es captada y transformada en energa elctrica en forma de corriente continua, por un conjunto de 4 (cuatro) paneles solares conectados en paralelo, dispuestos as para que la respuesta elctrica producida est en armona con lo proyectado y calculado, satisfaciendo as las necesidades energticas del caso. El funcionamiento del conjunto de paneles requiere que estn acoplados a una estructura, la cual a su vez se instala segn lo proyectado en la vivienda prototipo (Fig. 2). La energa elctrica producida por el conjunto de paneles solares es transmitida a travs de un cableado a un elemento de regulacin 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 funcin almacenar la cantidad de energa elctrica proyectada para que las necesidades bsicas de electricidad sean satisfechas segn lo acordado. Un elemento convertidor de corriente se introduce a objeto de adecuar la energa elctrica proveniente del banco de acumuladores a las caractersticas de la carga solicitada. Posibilidad de subvencin oficial Existe un inters manifiesto y pblico por la dotacin de energa elctrica no convencional a comunidades rurales del estado Falcn, el cual se ha patentizado en varios momentos. En 1996, con el auspicio de la Universidad Nacional Experimental Francisco de

Miranda y la Fundacin Zumaque (PDVSA), dentro de la ejecucin del Programa de Investigacin y Desarrollo de Tecnologas Alternas (PROALTERNA) y el financiamiento de la alcalda del municipio Los Taques, se instal en la comunidad de Jacuque un sistema de generacin hbrido (fotovoltaico-elico). En el ao 1998, por licitacin N FFENC00198 emanada por la gobernacin del estado Falcn, se llam a empresas suministradoras de equipos y servicios de energa no convencional a la presentacin de una propuesta tcnico-econmica para proveer de energa a comunidades rurales del estado Falcn. Esta intencin avala el diseo de un proyecto de sistema fotovoltaico para vivienda rural unifamiliar.

En la actualidad el Ministerio de Energa y Minas a travs de la Direccin de

Planificacin y Economa de la Energa desarrolla, con el auspicio de la Corporacin Andina de Fomento, el Programa de Energa Renovable (PODER), que incluye al estado Falcn.

FIGURA N 2

Modelo de vivienda con paneles en estructura

CLCULOS Clculo del nmero de paneles necesarios y capacidad nominal de la batera (Ah) PARMETROS CARACTERSTICOS

SMBOLO UNIDADES SIGNIFICADO VALOR Et Wh Energa diaria terica total requerida 594 Mes ms desfavorable DICIEMBRE N da Nmero de das de autonoma 5 Kb Prdidas por rendimiento en acumulador .05 Ka 1/da Coeficiente de autodescarga .005 Pd Profundidad mxima de descarga .8 Kc Prdidas en el convertidor .1 Kv Otras prdidas (prdidas varias) .15 H MJ Energa diaria en 1 m2 horizontal 18.1 K Coeficiente de correccin por inclinacin de los paneles 1.09 Correccin de H (causas atmosfricas) 1 i grados Inclinacin de los paneles 15 B grados Desviacin respecto al meridiano 0 P W Potencia nominal de cada panel 50 V voltios Voltaje nominal de la batera 12 RESULTADOS

R (Factor global de rendimiento de la instalacin) = .678 Ep (Energa que deben producir los paneles) = 973 Wh HSP (Horas sol pico) = 5.48 Nmero de paneles necesarios = 4 Capacidad nominal de la batera (Ah) = 456 Clculo del nmero de reguladores a usar en la instalacin Previa seleccin del modelo de regulador se procede al clculo del nmero a utilizar del mismo, tratando siempre que dicho nmero sea el mnimo posible.

Nr = Npp x i p / i r Nr: nmero de reguladores Npp: nmero de paneles en paralelo = 4 I p: intensidad pico del panel seleccionado = 3. 05 A I r: intensidad mxima 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 instalacin. Dimensionado del convertidor (CC-CA) La seleccin del convertidor a ser usado en la instalacin va a estar determinada por la potencia real de consumo simultneo (Prcs), la que a su vez es definida por el proyectista de la instalacin y calculada de acuerdo a la siguiente ecuacin: Prcs = Vsc x i cs Prcs: potencia real de consumo simultneo (w) Vsc: voltaje de salida del convertidor = 115 V I sc: suma de las intensidades de los elementos en consumo simultneo = 2.185 A Prcs = 115 x 2.185 w Prcs = 252 w Se sugiere instalar el convertidor modelo Pw800 Clculo de la seccin del conductor en los diferentes tramos del sistema - Tramo paneles-banco de acumuladores S = 0.036 x l x i / V ab S: seccin del conductor (mm2) l: longitud del tramo = 5 m i: intensidad mxima en el tramo = (A) Npp: nmero de paneles en paralelo = 4 Pp: potencia de un (1) panel = 50 w Vp: voltaje pico del panel = 16.6 V V ab: cada mxima de tensin 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: seccin del conductor (mm2) l: longitud del tramo = 3m i: intensidad mxima en el tramo (A) Prcs: potencia real de consumo simultneo = 252 w N: eficiencia del convertidor = 0.9 V: tensin en el tramo = 12 V V ab: cada mxima de tensin 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: seccin del conductor (mm2) l: longitud del tramo = 17 m i: intensidad mxima en el tramo = 2.415 A V ab: cada mxima de tensin 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 n d e l c l c u l o d e l a s e c c i n d e l c o n d u c t o r TRAMO SECCIN CALIBRE AWG CALCULADA (MM2) RECOMENDADO Paneles-regulador 13.05 4 Convertidor-carga 0.4284 12 (*) Banco de acumuladores- Convertidor 21 3 (*) El diseo del tramo convertidor-carga se corresponde con los planos originales de la vivienda prototipo. El conductor del tramo convertidor-carga y dems accesorios sern suministrados por el fabricante de la vivienda prototipo. Direccin para correspondencia: Instituto Universitario de Tecnologa Alonso Gamero, Departamento de Matemticas, Coro, Estado Falcn, Venezuela. Agradecimiento: A Fundacite-Falcn, financista de este proyecto. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS ALCOR, R., 1995: Instalaciones Solares Fotovoltaicas. Editorial Progensa, Espaa. FUERZA AREA DE VENEZUELA, 1997: Resumen Climatolgico Perodo 1992-1996. Estacin Coro. (Mimeografiado), Coro, Venezuela. INSVIFAL, 1995: Prototipo IX-A-INSVIFAL. (Mimeografiado), Coro, Venezuela. LEJARDI, L., 1988: Acumuladores de Electricidad. Manual Prctico. Editorial Progensa, Espaa. LORENZO, E., 1994: Electricidad Solar. Ingeniera de los Sistemas Fotovoltaicos. Editorial Progensa, Espaa. VARIOS, 1994: Curso de Instalaciones de Energa Solar. Editorial Progensa, Espaa. Trabajo finalizado: Coro, 1999 Recibido: 2000-07-31 Arbitrado: 2000-10-03 Aceptacin definitiva: 2000-10-25