¿Qué es la energía solar?

Es la energía que recibimos del Sol, y cuya primera sensación que percibimos es la luz del día y el calor. Al ser el espacio una entidad vacía la energía no puede llegar a nosotros más que a través del fenómeno de la radiación.

¿Qué es la energía solar fotovoltaica?

Consiste en la conversión directa de la luz solar en electricidad mediante un dispositivo electrónico denominado “célula solar”.

La conversión de la energía de la luz solar en energía eléctrica se da mediante un proceso conocido como efecto fotovoltaico.

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México conforma el cinturón solar

Los países que se encuentran en la latitud + – 35O con respecto a ecuador son  conocidas como regiones sunbelt o cinturón solar debido a que tienen los niveles más altos de radiación solar al año del planeta.

Entre los 148 países que conforman el cinturón, se encuentra México.

Estos países tienen varias características comunes, una de ellas es el potencial solar fotovoltaico.

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Un ejemplo de lo dicho lo podemos ver haciendo una comparativa entre México y España, país en que el 2008, a pesar de su reducida extensión frente a otros pertenecientes al cinturón solar y a otras grandes potencias económicas mundiales, fue el país que más energía solar fotovoltaica instaló en el mundo.

En los mapas inferiores vemos la ración media diaria en ambos países. Mientras que en España pocas zonas superan los 5 kWh/m2 por día, en México gran parte del país supera esta cantidad, lo que da prueba del gran potencial para la energía solar que posee el país.

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Ventajas energía solar fotovoltaica:

  • Fuente de energía inagotable: Utilizando una fuente de energía inagotable de energía como es el Sol, al contrario que las fuentes de energía que operan con combustibles fósiles, la energía solar fotovoltaica nos asegura la producción energética
  • Durabilidad: La garantía de producción de energía de los módulos fotovoltaicos asciende a 25 años, mientras que su vida útil ronda los 35 años.
  • Bajos costos de mantenimiento. Prácticamente los únicos costos asociados a una instalación solar fotovoltaica son los ocasionados por la fabricación de los componentes y su instalación.
  • Las instalaciones fotovoltaicas se adaptan a las necesidades de cada usuario pudiendo colocar una instalación adecuada a las necesidades de cada usuario y pudiendo modificarla si estas cambian.
  • Elimina la dependencia de otras fuentes de energía fósiles así como la dependencia de abastecimiento energético entre países
  • Silenciosa Este tipo de instalaciones no emite ningún ruido
  • No contaminante. Los únicos residuos originados por esta tecnología son los originados en la fabricación de sus componentes. Una vez el sistema está instalado y operativo, no genera ningún tipo de residuo como lo hacen los combustibles fósiles, pudiendo ahorrar varias toneladas de CO2 al año
  • Es la fuente de energía ideal en zonas aisladas o remotas, donde es muy difícil hacer llegar tendidos eléctricos

La energía solar es una fuente de generación de empleo, desde la fabricación de sus componentes, como su distribución, hasta el diseño y montaje de instalaciones.

PRINCIPIOS DE RADIACIÓN

El rendimiento de la instalación puede optimizarse si los colectores montados se fijan al Sur geográfico o con acimut cero grados

El rendimiento de la instalación puede optimizarse si los colectores montados se fijan al Sur geográfico o con acimut cero grados.

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Instalación mal diseñada al no haber tenido en cuenta las sombras a la hora de estudiar la ubicación de los paneles. Estas sombras harán que disminuya de forma significativa la producción energética de la instalación.

Instalación mal diseñada al no haber tenido en cuenta las sombras a la hora de estudiar la ubicación de los paneles. Estas sombras harán que disminuya de forma significativa la producción energética de la instalación.

Antes de ver los componentes principales de las instalaciones solares fotovoltaicas, veremos otro, igual de importante que los componentes físicos, pero que no se puede ver o tocar: La radiación

El término utilizado para designar la radiación solar que incide sobre una superficie en un momento y lugar particular es insolación o radiación.

En un día claro, la insolación total que incide sobre la Tierra es de 1,000 W/m2 aproximadamente.

México, como se dijo en la introducción, se encuentra en una posición privilegiada dentro del planeta en cuanto a radiación solar anual recibida con índices que van de los 4.4 kWh/m2 por día en la zona centro, a los 6.3 kWh/m2 por día en el norte del país

Para aprovechar al máximo esta radiación y hacer nuestra instalación fotovoltaica lo más eficiente posible hay dos factores determinantes que hay que contemplar a la hora de la colocación de los módulos: Su orientación y su inclinación

Factores determinantes:

Orientación: En el hemisferio norte, los módulos fotovoltaicos deberán estar orientados al sur para captar la mayor radiación posible a los largo del año. La localización aparente del sol al este o al oeste del sur, se llama acimut y se mide en grados.

Inclinación: Los arreglos fotovoltaicos trabajan mejor cuando los rayos del sol inciden perpendicularmente a las celdas.

La altura del sol por encima del horizonte se llama altitud y se mide en grados. La latitud de una localidad determinará cuan alto aparecerá el sol por encima del horizonte. Este factor, según lo expuesto, condicionará la inclinación de los módulos fotovoltaicos.

Para el caso particular de México, y debido al tamaño del país, habrá que tener muy en cuenta el emplazamiento de la instalación para determinar la inclinación óptima.

Recolección de datos locales:

Para la ubicación correcta de los sistemas fotovoltaicos hay que tener en cuenta:

  • Orientación e inclinación ( como ya se ha visto)
  • El mes de diseño de la instalación: Hay que tener en cuenta el período de funcionamiento de la instalación para determinar la inclinación de los paneles.
    • Inclinación según uso instalación:
      • Todo el año: Igual a la latitud.
      • Sólo en invierno: Latitud más 15 grados.
      • Sólo en verano: Latitud menos 15 grados.
    • La cantidad de horas sol pico (HPS) del emplazamiento. La Hora Sol Pico es una unidad que mide la irradiación solar y se define como el tiempo en horas de una hipotética irradiancia solar constante de 1000 W/m2.
    • Identificación de obstáculos que provoquen sombras.

TIPOS DE INSTALACIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA

Aisladas:

Este tipo de instalaciones son aconsejables cuando se dificulta la llegada del tendido eléctrico al lugar de consumo, o cuando este no es demasiado elevado. Son instalaciones totalmente independientes de la red eléctrica por lo que el cálculo del campo fotovoltaico así como del banco de baterías cobra vital importancia para que nuestro consumo esté cubierto los días nublados o faltos de sol.

El modo de funcionamiento de estas instalaciones es el siguiente: Los paneles generan la energía eléctrica que, a través del regulador, hace llegar esta energía a las baterías para que esté disponible cuando sea necesaria. De las baterías, y nuevamente a través del regulador sale la energía eléctrica directamente a consumo, si es corriente directa, o pasando por un inversor si el punto de consumo es de corriente alterna

 

Conectadas a red: 

Este tipo de instalación es la más común ya que el usuario no se desconecta de la red eléctrica utilizándola si fuera necesario. La energía producida por los paneles es cedida a la red eléctrica haciendo que el medidor eléctrico bidireccional gire en sentido contrario al habitual creándonos un “crédito” de consumo. Cuando consumimos energía eléctrica, el medidor vuelve a girar en el sentido habitual compensando nuestra energía generada, o la de la red eléctrica si esta fuese necesaria. De esta manera, disminuye de manera sustancial el recibo eléctrico además de evitar que se emita CO2 a la atmósfera ya que disminuimos nuestro consumo eléctrico derivado de fuentes de energía alimentadas con combustibles fósiles.

 

De carga directa:

Hay un tercer tipo de instalaciones donde no hay baterías como en las instalaciones aisladas ni nos enganchamos a la red eléctrica como en las conectadas.

Se trata de un tipo de instalación utilizada en casos puntuales, como el bombeo de agua, pero que son muy útiles.

En el ejemplo citado, el panel solar produce energía eléctrica durante las horas del día. En ese tiempo, puede hacer funcionar una bomba de agua para elevarla hasta un depósito de almacenamiento dejándola lista para ser usada cuando se quiera.

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COMPONENTES

MÓDULOS FOTOVOLTAICOS:

Son la unidad básica de los sistemas fotovoltaicos y los encargados de producir la energía eléctrica.

Tipos:

  • Monocristalinos: Cada celda está compuesta de un solo cristal de silicio. Mantienen un rendimiento más constante con la temperatura exterior.
  • Policristalinos: Cada celda está formada por varios cristales unidos entre sí. Los más comerciales por su relación calidad / precio.
  • Amorfos: El silicio no se ha cristalizado. Su rendimiento es el más bajo de los tres tipos, pero debido a su composición son los más deformables para crear todo tipo de paneles o superficies de captación adaptadas a las necesidades del usuario.

La energía eléctrica total de salida es igual al producto del voltaje operativo de salida por la corriente operativa. Los módulos pueden producir corriente en un amplio rango de voltajes.

Las características de salida de cualquier módulo se representan en la curva I-V:

Interpretación de la gráfica:

  • Punto de máxima potencia: Es el punto en el que el módulo produce la máxima salida (medida en las condiciones estándar)
  • Voltaje de circuito abierto (Vop): Voltaje potencial máximo obtenido cuando no se está extrayendo corriente del módulo. Al no haber corriente, el módulo experimenta la máxima tensión. Es común este fenómeno en la mañana temprano y en la tarde
  • Corriente de cortocircuito (Isc): Máxima corriente de salida que puede alcanzar el módulo bajo condiciones de cortocircuito.

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Los módulos se conectan formando cadenas (strings). Según la forma en que hagamos nuestras conexiones, en serie y/o paralelo, tendremos la características eléctricas de nuestro campo fotovoltaico.

  1. Circuito en serie: En este esquema, el terminal positivo (+) de un módulo se conecta al negativo (-) del siguiente. De esta manera el voltaje la serie de paneles se incrementa mientras que la corriente producida no aumenta.
  2. Circuito en paralelo: Esta se hace entre las terminales, de positivo a positivo y de negativo a negativo. En este caso, aumenta el amperaje del sistema mientras que el voltaje aplicado al circuito permanece igual
  3. Circuito en serie paralelo: Combinando las dos posibilidades anteriores podemos obtener los voltajes e intensidades deseados.

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BATERÍAS

Almacenan la energía producida por la corriente directa de los paneles en forma química para su uso posterior (de noche o en días sin sol).

TIPOS:

  • Baterías de plomo-ácido:
    • De líquido ventilada (vaso abierto)
    • Selladas (plomo ácido de válvula regulada)
  • Baterías alcalinas
    • Níquel cadmio
    • Níquel hierro

 

  • Baterías de plomo-ácido: Son las más utilizadas. Son parecidas a las usadas en los carros pero optimizadas para una aplicación diferente. Importante en los carros es la disponibilidad de mucha energía durante un tiempo muy corto, principalmente para arrancar el motor.

En sistemas solares las baterías tienen que dar la energía sobre un tiempo más largo y frecuentemente se descargan a niveles más bajos. Estas baterías de tipo ciclo profundo tienen capas de plomo más gruesas que además brindan la ventaja de significativamente prolongar su vida. Son compuestas de celdas de 2 voltios nominales que se juntan en serie para lograr baterías de 6, 12 o más voltios.

Dos Factores importantes para la vida de una batería son: la profundidad de descarga y la temperatura.

  • Tipos de batería plomo-ácido:
    • Vaso abierto: Las más antiguas y las más baratas. Sus desventajas: Corta vida (200-400 ciclos) y el peligro de perder ácido. Su ventilación es muy importante.
    • VRLA:
      • De Gel: Ventaja: El ácido está en forma de gel, por lo que no hay peligro por pérdida de líquido. Vida más larga (800ciclos) aunque más caras.
      • AGM: Tienen la mayor eficiencia, funcionan bien en climas fríos y su autodescarga es la menor de todas. Su vida también es superior a los 800 ciclos.

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REGULADOR:

Dispositivo encargado de proteger a la batería frente a sobrecargas y sobredescargas profundas.

El regulador de tensión controla constantemente el estado de carga de las baterías y regula la intensidad de carga de las mismas para alargar su vida útil.

¿Cómo trabajan los reguladores de carga?

– El equipo funciona regulando la cantidad de energía que permite pasar de las baterías o paneles a consumo y también regula la intensidad de carga de las baterías en tres fases: igualación, carga profunda, flotación.

IGUALACIÓN
Esta respuesta del regulador permite la realización automática de cargas de igualación de los acumuladores.

CARGA PROFUNDA

Tras la igualación, el sistema de regulación permite la entrada de corriente de carga a los acumuladores sin interrupción hasta alcanzar el punto de tensión final de carga. Alcanzado dicho punto el sistema de regulación interrumpe la carga.

Cuando se alcanza la tensión final de carga, la batería ha alcanzado un nivel de carga próximo al 90% de su capacidad, en la siguiente fase se completará la carga.

CARGA FINAL Y FLOTACIÓN

La carga final del acumulador se realiza en la “Banda de Flotación Dinámica”. La BFD es un rango de tensión cuyos valores máximos y mínimos se fijan entre la tensión final de carga y la tensión nominal + 10% aproximadamente.

Una vez alcanzado el valor de voltaje de plena carga de la batería, el regulador inyecta una corriente pequeña para mantenerla a plena carga, esto es, inyecta la corriente de flotación. Esta corriente se encarga por tanto de mantener la batería a plena carga y cuando no se consuma energía se emplea en compensar la autodescarga de las baterías.

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INVERSOR:

Dispositivo encargado de transformar la corriente directa producida por los paneles o por las baterías en corriente alterna para su conexión a la red o para su consumo en los aparatos conectados al sistema.

Tipos de inversor:

  • Según el tipo de onda:
    • Onda cuadrada: Son los más baratos, pero normalmente son también los menos eficientes. Producen armónicos que generan interferencias (ruidos)
    • Onda cuadrada modificada
    • Onda sinusoidal: Con una electrónica más elaborada se puede conseguir una onda senoidal pura. Hasta hace poco tiempo estos inversores eran grandes y caros, además de ser poco eficientes (a veces sólo un 40% de eficiencia). Últimamente se han desarrollado los más modernos inversores alcanzan eficiencias de más del 90%
  • Según el tipo de instalación:
    • Inversor para instalación aislada. En estos inversores es importante que se cumplan determinadas características como son:
      • Alta capacidad de sobrecarga.
      • Apagado automático con bajo nivel de baterías.
      • Centros de energía con desconectores y protección para sobrecorriente.
      • (opcional) Capacidad para cargar baterías.
  • Inversor para conexión a red. Por contra, estos inversores han de cumplir con otras características como son:
    • Seguidor del punto de máxima potencia (MPPT).
    • Protección contra conexión a tierra defectuosa.
    • Desconectores CA/CD
  • Según la configuración del campo fotovoltaico: En los últimos años han tenido un espectacular crecimiento los mini inversores respecto a los tradicionales inversores centrales, o de cadena. Estos pequeños inversores se acoplan a la parte trasera del módulo transformando directamente la corriente continua en alterna nada más salir del panel. Estos equipos presentan algunas ventajas sobre los típicos centrales.
    • Minimiza el cableado en corriente continua
    • Maximizan el rendimiento de la instalación
    • Mantiene el rendimiento de producción en caso de sombreado parcial debido a que los únicos módulos afectados son los sombreados, dejando el resto de la instalación funcionando normalmente. Esta característica, junto con la aplicación de estos equipos en para pequeñas instalaciones, han sido las dos ventajas que los han catapultado al éxito

Sin embargo, el encarecimiento de la instalación por el mayor costo de los equipos, han creado la polémica sobre cuándo se han de utilizar estos mircoinversores y cuando los centrales. Además, al haber mayor cantidad de equipos instalados la probabilidad de avería aumenta por lo que el mantenimiento también será más costoso.

TARIFA DAC:

La CFE distingue entre sus clientes tres categorías: residencial, negocio e industria.

La tarifa residencial, se aplica a todos los servicios que destinen la energía para uso exclusivamente doméstico, para cargas que no sean consideradas de alto consumo de acuerdo a lo establecido en la Tarifa DAC, conectadas individualmente a cada residencia, apartamento, apartamento en condominio o vivienda. Estos servicios sólo se suministran en baja tensión y no les aplica ninguna otra tarifa de uso general.

Esta tarifa residencial, se divide a su vez en 8 tarifas: 1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F y DAC. Las siete primeras están subsidiadas por el gobierno y la división se debe a las distintas necesidades energéticas que hay en las distintas zonas del país. No es lo mismo, por poner un ejemplo, las necesidades de un consumidor que vive en una región cálida del país frente a las de uno que viva en zona más templada, principalmente debido a los consumos de los aires acondicionados.

Así, para saber en qué tarifa se encuentra un consumidor hay que ver la temperatura media de la región en la que vive:

  • Tarifa 1A: Servicio doméstico para localidades con temperatura media mínima en verano de 25 grados centígrados
  • Tarifa 1B: Servicio doméstico para localidades con temperatura media mínima en verano de 28 grados centígrados
  • Tarifa 1C: Servicio doméstico para localidades con temperatura media mínima en verano de 30 grados centígrados
  • Tarifa 1D: Servicio doméstico para localidades con temperatura media mínima en verano de 31 grados centígrados
  • Tarifa 1E: Servicio doméstico para localidades con temperatura media mínima en verano de 32 grados centígrados
  • Tarifa 1F: Servicio doméstico para localidades con temperatura media mínima en verano de 33 grados centígrados

Todas estas tarifas tienen un mínimo mensual de consumo y luego están divididas en tres etapas de consumo: Básico, intermedio y excedente. (En algunas regiones cálidas la etapa intermedia se divide a su vez en dos: Bajo y alto)

El mínimo mensual de consumo es la cantidad mínima de energía que nos van a cobrar siempre, la consumamos o no. En las tarifas residenciales eta cantidad es de 25kWh

Tras esa cantidad mínima, nuestra factura mínima se calcula según hasta donde haya llegado nuestro consumo, ya que el precio del kilowatt en cada etapa de consumo varía.

  • Entre 0.5 y 0.8 pesos/kWh en la etapa básica.
  • Alrededor de un peso en la etapa intermedia por kWh consumido
  • 8 pesos /kWh aproximadamente en la etapa excedente.

Para ver las cantidades exactas y los límites de consumo entre una etapa y otra, ver: http://app.cfe.gob.mx/Aplicaciones/CCFE/Tarifas/Tarifas/tarifas_casa.asp

Ahora bien, ¿a partir de cierta cantidad de kWh me van a cobrar siempre el precio de excedente?. Pues no, hay una cifra, llamada Límite alto de consumo por encima del cual, dejaremos la tarifa 1, subsidiada y pasaremos a la DAC (Doméstica de alto consumo). Este límite alto de consumo varía, al igual que la tarifa 1, con la zona del país. Así están clasificados los distintos límites altos de consumo para cada tarifa 1:

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¿Cómo saber cuándo pasa un usuario de tarifa 1 a tarifa DAC? Para ello se calcula el Consumo mensual promedio, con el consumo anual del usuario. Si este consumo, está por encima del límite alto de consumo aplicable a su tarifa, pasa en automático a tarida DAC con el correspondiente aumento del precio por kWh. ¿Qué más consecuencias trae el pasar a tarifa DAC?

  • Como hemos dicho, el precio por kWh es más alto. Oscila entre los $3.03 y l $3.51 pesos por kWh consumido, dependiendo la zona del país en la que se encuentre la vivienda.
  • Sin importar el consumo, existe una cuota mínima de 25kWh, que es más alta por el precio dado a cada unidad energética.
  • Independientemente del consumo mínimo reglamentario, se debe pagar un cargo fijo, que varía dependiendo la zona del país en la que se encuentre la vivienda. Para el año 2016, el cargo fijo está homologado a todas las zonas del país: $ 86.16

Pongamos un ejemplo práctico de como estar en la tarifa DAC afecta mucho al gasto derivado de la factura eléctrica.

Supongamos un usuario en el Distrito Federal. En la Ciudad de México el límite alto de consumo son 500 kWh/mes y los precios por etapa de consumo en tarifa 1 son los siguientes (precios de enero 2016):

  • Básica: Hasta 75kWh: 0.793 $MN
  • Intermedia: de 75 a 140 kWh : 0.956 $MN
  • Excedente: Más de 140 kWh : 2.802 $MN

Si un usuario consume de promedio 450 kWh/Bimestre, su factura eléctrica será:

Factura = (75 x 0.793) + (65 x 0.956) + (310 x 2.802) = 990.235 $MN/ Bimestre aplicando precios de cada etapa de consumo.

Pero, si nuestro usuario incrementa su consumo hasta que su promedio anual supere los 500 kWh pasará a tarifa DAC. Para comprobar este cambio, supongamos que su promedio sea de 525kWh, sólo 75 kWh más que lo que consumía hasta ahora. El incremento si siguiera en tarifa 1 no sería mucho, pero al cambiar de tarifa, aplicamos los precios de tarifa DAC.

  • Cargo fijo al mes: 86.16 $MN
  • Cargo por energía consumida: 3.319 $MN/kWh

Así, la factura de nuestro usuario pasará a ser:

Factura: 86.16 + (525 x 3.319) = 1,828.635 $MN / Bimestre.

Más del doble de lo que pagaba siendo tarifa 1!!!…. y todo por un aumento de consumo de 75 kWh.

Con este ejemplo se ha comprobado que estar en la tarifa DAC no compensa económicamente.

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Pues maneras hay varias. Las dos principales son:

  • Disminuir nuestro consumo eléctrico:
  • Con buenos hábitos (no dejar luces encendidas, poner lavadoras a plena carga, etc)
  • Con iluminación eficiente de bajo consumo
  • Sustituyendo nuestros viejos electrodomésticos por otros más modernos y eficientes.
  • Instalando paneles solares.

En ENERBIOMEX te ayudamos a dimensionar, proyectar y montar la instalación de energía solar fotovoltaica adecuada a sus necesidades. Con la instalación correcta, su consumo disminuirá de manera que su tarifa pase de la DAC de nuevo a la tarifa 1.

¿Cómo se consigue?

La instalación solar produce energía eléctrica que es volcada a la red eléctrica de CFE. Esta energía producida se mide a través de un medidor bidireccional, que sustituye al convencional, para que girando en sentido contrario al habitual de consumo, mida y cuantifique la energía producida por su instalación. Mientras la instalación solar esté produciendo energía, el medidor estará girando en sentido “contrario”.

Cuando haya consumo, el medidor de nuevo girará en el sentido habitual para contabilizar su consumo.

De esta manera se calculara el consumo eléctrico con la instalación solar, restando la energía consumida de la generada.

tablas de tarifa FAC ENERBIOMEX

ENERBIOMEX le proporciona la mejor solución para que este conjunto de “generación y consumo” esté por debajo de los límites que la harían pasar a la tarifa DAC, obteniendo un doble ahorro: Por un lado el generado por el ahorro de energía y por otro el derivado del cambio del precio del kilowatt consumido.

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