INTRODUCCIÓN
El Protocolo Internacional del Cambio Climático (IPCC) en sus reportes científicos recomienda que para mitigar y adaptarnos al Cambio Climático debemos de usar para cubrir nuestras necesidades energéticas fuentes de energías limpias y renovables como la solar, eólica, biomasa (biocombustibles), la de los océanos, geotérmica y el hidrógeno, que al usarlas no generen gases de efecto invernadero que incrementen los impactos negativos del calentamiento global. La generación de electricidad mediante sistemas fotovoltaicos (SFV) es importante, confiable y puede contribuir de manera significativa la reducción de emisiones de CO2 [1]. La Agencia Internacional de Energía (AIE) ha publicado su informe “2014 Snapshot of Global PV Markets”, donde indica que el mercado fotovoltaico mundial ha experimentado un fuerte crecimiento, multiplicándose por un factor de 100 durante el periodo 2000-2014, llegando a 178 GW de capacidad instalada, como consecuencia de las políticas de promoción implementadas por diversos países desarrollados que han impulsado la instalación de sistemas fotovoltaicos conectados a la red de distribución eléctrica (SFVCR) [2]-[4].
En este escenario, en el Perú a noviembre de 2020, la capacidad fotovoltaica instalada a nivel de grandes plantas solares fotovoltaicas interconectados al Sistema Eléctrico de Interconexión Nacional (SEIN) es de 250 MW, como la de Majes Solar 20T de 20 MW y Repartición Solar 20T de 20 MW en Arequipa, Tacna Solar 20TS de 20 MW en Tacna, Panamericana Solar 20TS de 40 MW y Rubí de 150 MW en Moquegua [5].
En la región altoandina de mayor pobreza y asiladas de la red eléctrica convencional de la región Tacna, adicionalmente se tiene instalado más de 3000 paneles fotovoltaicos domiciliarios, en centros educativos, postas médicas, puestos de control, tambos, con potencias entre 50 a 100Wp, bajo un programa regional de electrificación rural aislada de la región Tacna con sistemas fotovoltaicos.
El proyecto “EMERGIENDO CON EL SOL” (PES) se ejecuta bajo convenio institucional entre la Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann (UNJBG), la Universidad Nacional de Ingeniera (UNI) y la Universidad de Jaén-España, en esta marco se han instalado el sistema fotovoltaico en la UNJBG-Tacna e efectos de la evaluación y caracterización del funcionamiento bajo las condiciones meteorológicas del clima desértico del lugar, razón por la cual se presenta los principales resultados del Sistema para el periodo enero 2015 a diciembre 2019.
Todo sistema solar fotovoltaico convierte la energía electromagnética solar en energía eléctrica en voltaje directo, por ello es necesario un inversor DC/AC para convertir la energía eléctrica en voltaje DC a (12-48) V a 220 V AC/60 Hz, la cual se entrega a la red eléctrica para el uso correspondiente [6].
El potencial energético solar de la región Tacna sobre una superficie horizontal, calculada sobre la base de datos de las horas de sol por día (heliofonía) en valores promedios mensuales y anuales registrados por el Senamhi, para el periodo 2006 al 2011, en ocho lugares de registro de la región en el ámbito de sus cuatro provincias, es de (6,04 ± 0,36) kWh/m2 día [7], observándose que el valor máximo de incidencia de 6,98 ocurre en enero (verano) y la mínima en julio de 4,53 (invierno), dependiendo de las condiciones meteorológicas estacionales (Tabla I y Fig. 1); considerado como uno de los mejores de nuestro país y del mundo, en la que se pueden realizar instalaciones desde pequeños sistemas a grandes centrales fotovoltaicas y de concentración para autoabastecimiento regional, nacional y para la exportación de energía eléctrica a otros países y puede ser fundamental para incrementar la oferta hídrica regional ante el gran problema del déficit de este recurso.
Eficiencia del módulo FV
La eficiencia del módulo FV es definida por la relación entre la energía generada por el dispositivo fotovoltaico en voltaje continuo (VDC) y la irradiancia solar incidente sobre los paneles multiplicada por el área total de los módulos fotovoltaicos (m2), que incluye el área de las celdas componentes del panel, espacio intercelular, contactos y marco [8].
Eficiencia del sistema
La eficiencia del sistema, definida por la relación entre la energía transformada en voltaje alterno (VAC) por el inversor y la irradiancia solar incidente multiplicada por el área total de los paneles (m2) [9].
Eficiencia del inversor
La eficiencia del inversor está definida como la relación entre la energía transformada en voltaje alterno (VAC) y la energía recibida desde los paneles fotovoltaicos en voltaje continuo (VDC).
Según Hernández [10], los aspectos fundamentales de calidad de suministro de un sistema fotovoltaico a la red eléctrica, deben ser evaluados en el punto de conexión son la variación de tensión y frecuencia, huecos de tensión e intervalos de sobretensión, flicker, desequilibrio, distorsión de armónicos, factor de potencia y energía reactiva.
En términos generales, los generadores fotovoltaicos distribuidos conectados a la red pueden aportar importantes beneficios a los sistemas de distribución, dependiendo de las características y condiciones operativas de red de distribución, así como de la localización de éstos dentro de la misma. Los beneficios potenciales más importantes son la suavización de picos de demanda cuando existe cierto grado de coincidencia entre el perfil de generación fotovoltaica y el perfil de consumo del inmueble o alimentador, alivio térmico a equipos de distribución, disminución de pérdidas por transmisión y distribución, soporte de voltaje en alimentadores de distribución, y compensación de potencia reactiva en el alimentador [11].
Según Messina [12] bajo una evaluación de dos sistemas FV conectados a la red cada uno de 2,4 KWp instalados en dos lugares con condiciones climáticas diferentes en México, indican que en un período de doce meses, de julio de 2012 a junio de 2013, la instalación de Tepic generó 3888 kWh, mientras que la instalación de Temixco generó 4118 y presentan los parámetros meteorológicos para este período de ambos lugares, el sistema fotovoltaico Temixco-Morelos suministró casi el 90% de la energía eléctrica necesaria para la carga energética de la casa por lo que concluye que el sistema fotovoltaico conectado a la red es factible en vastas áreas de México.
Para tres sistemas fotovoltaicos de 3,3 KWp instalados en Tacna, Arequipa y Lima, Espinoza [13] establece que los resultados del costo nivelado de la electricidad en KWh varían de $ 0,10 a $ 0,20, mostrando que solo en la ciudad de Arequipa se logra un resultado competitivo en costos, mientras que en Tacna y Lima depende del mecanismo de financiamiento elegido.
Tinajeros [14], indica que, con un sistema fotovoltaico conectado a red de 3,3 kWp, instalado en la Universidad Nacional de San Agustín, ubicado en latitud 16,2°S, longitud 71,3°O y elevación 2374 msnm, de diciembre 2014 a octubre 2015 la energía total mensual generada fue 1681,1 kWh/kWp, en tanto que la eficiencia diaria media mensual del módulo, inversor y sistema fueron 13,63%, 98,54% y 13,43%, respectivamente.
MATERIALES Y MÉTODOS
Equipos y sensores
El SFVCR está instalado en el techo del Centro de Energías Renovables de Tacna de la UNJBG, Tacna; constituido por doce paneles fotovoltaicos de silicio monocristalino, con una superficie de 19,8 m2 y capacidad instalada de 3,3 kWp. Los módulos FVs son de la marca Solar World, modelo SW275, cada uno de potencia nominal de 275 Wp, con eficiencia nominal de 16,2% en condiciones estándar de ensayo. Los módulos están instalados libres de sombra, inclinados 19,5° latitud sur, orientación norte y ángulo azimutal cero. El techo del CERT se encuentra 5 m de altura y la estructura metálica que soporta los módulos está a una altura de 0,2 m respecto del techo.
Utiliza un inversor monofásico marca Steca, modelo Colcept-X 3010X, para transformar la corriente continua (DC) proveniente de los paneles fotovoltaicos en corriente alterna 220 AC, 60 Hz, la cual se inyecta a la red eléctrica de la ciudad universitaria de la UNJBG, con eficiencia nominal de 98,6% y potencia máxima de salida en corriente alterna (CA) de 3000 W (Fig. 2).
La medición de temperatura superficial del módulo FV, se realiza mediante un el sensor Pt 100, con precisión de ± 0,8 °C. La temperatura ambiente es medida con un sensor Pt 100, precisión de ± 0.8 °C. El Sistema cuenta con sistema de pozo a tierra para la protección eléctrica correspondiente. Las especificaciones técnicas de los módulos fotovoltaicos e inversor se muestran en la Tabla II.
Monitoreo y adquisición de datos
El sistema de control y adquisición de datos del Sistema solar fotovoltaico interconectado a la red eléctrica (SFVCR) está constituido por: 1) módulo Eos-Array, el cual tiene funciones de medida y control divididas en tres módulos: a) VMU-M, módulo maestro y registro de datos, b) VMU-S, unidad de medición de string, mide la intensidad de la corriente continua (CC), voltaje, potencia y energía del sistema fotovoltaico y c) VMU-P, unidad de variables ambientales que mide temperatura del panel fotovoltaicos, temperatura ambiental e irradiancia solar, 2) inversor StecaGrid 3010, que mide y almacena datos del rendimiento energético, 3) contador y analizador de energía, mide la energía activa y reactiva del sistema, 4) convertidores de comunicación y 5) computador para almacenamiento y transferencia de datos [1], [15].
Para recepcionar, las señales de los sensores y de los equipos se utiliza la interface RS485, para la conexión con el computador se usó los convertidores de comunicación SIU-TCP2 (RS485 a TCP/IP) y SIU-PC2 (RS485 a RS232). Los datos son registrados cada 15 segundos, al mismo tiempo que son almacenados y visualizados en tiempo real en el computador, a través de una interface diseñada en LabVIEW. También se realiza el almacenamiento de datos basado en redes de computadoras, a la cual se puede acceder desde cualquier lugar vía la Web de internet (Fig. 3).
Los datos registrados, luego son interpolados al programa Excel para ser procesados y obtener resultados cuantificables y gráficos correspondientes en función del tiempo y entre parámetros del sistema, para el análisis consiguiente.
RESULTADOS
Temperatura ambiental y de los módulos fotovoltaicos
La variación de la temperatura superficial del panel o modulo fotovoltaico para el periodo específico, para cualquier mes del año siempre es mayor que la temperatura ambiente, en valores promedios mensuales la ambiental varía entre valores máximos de 28,7 °C y mínima de 17,4 °C, en tanto que la temperatura de los módulos entre valores máximos de 42,9 °C y mínimos de 28,6°C; según la Fig. 4, las temperaturas indicadas en valores promedios mensuales e interanuales mantiene una diferencia casi constante de 12 °C, alcanzando valores máximos en la primavera y verano (octubre - marzo) y mínimos en otoño y otoño (abril-setiembre). Este incremento de temperatura influye en los parámetros característicos de los paneles fotovoltaicos, como el voltaje en circuito abierto, corriente en cortocircuito, voltaje y corriente del punto de máxima potencia, el fill factor y la potencia generada.
En la Fig. 5, se muestra la variación de temperatura superficial del módulo y ambiental registrada cada 15 segundos para un día típico del verano tacneño, específicamente para el 20 de febrero de 2017, de mayor irradiancia solar y temperatura ambiente, observamos que la del módulo alcanza casi los 57°C alrededor del mediodía solar, en tanto que por la mañana se incrementa rápidamente superando a la ambiente entre las 08:00 a10:00 h para mantenerse sobre los 50 °C hasta aproximadamente las 15:00 h para luego decaer rápidamente por debajo de la ambiental alrededor de las 17:00 h, desde esa hora, durante toda la noche y hasta las 07:00 h del día siguiente la temperatura del panel se mantiene por debajo de la ambiental en 2 °C, esto se debe a que el panel está fabricado con elementos metálicos en los marcos y en electrodos para la recolección de la corriente eléctrica fotogenerada. La fluctuación diaria en el panel en esta época varía en el rango de los 20 °C a 56,5 °C, para tal día la temperatura ambiente varía entre los 25 °C y 32 °C. El módulo se calienta en 25 °C más que el ambiente, energía calorífica muy significativa.
Igualmente, en la Fig. 6 se muestra la variación diaria de la temperatura superficial del módulo y la ambiental, específicamente para el 24 de junio de 2017 (invierno), mes de menor irradiancia solar incidente sobre la región Tacna y temperatura ambiente, el módulo alcanza temperatura máxima de 42 °C alrededor del mediodía solar en tanto que la ambiental los 18 °C, por lo que el panel se calienta 24 °C más que la temperatura ambiente, durante las horas que no brilla el sol y la noche sucede algo similar que en verano, la temperatura es menor que la ambiental, pero en un mayor rango de diferencia entre 2 °C a 5 °C.
El incremento de la temperatura del módulo es de 32 °C, entre 10 °C a 42 °C; la temperatura ambiental oscila entre los 14 °C y 20 °C, estos cambios de temperatura influyen en el rendimiento del sistema fotovoltaico conectado a la red eléctrica.
Potencia generada por el sistema
Para el periodo de evaluación, se muestra la relación de potencias incidente mensual interanual de la irradiancia solar incidente (W) sobre los paneles fotovoltaicos (Fig. 7), observándose que en los meses de enero, febrero, marzo, abril, mayo, junio, julio y setiembre la potencia promedio disminuye ligeramente desde 2015 al 2019, que afecta a la producción energética del sistema.
En la Fig. 8 se muestra la variación mensual interanual de la potencia DC generada por los módulos fotovoltaicos a 340 V DC, muestra un comportamiento similar al de la irradiancia solar incidente en los meses de enero, febrero, abril, mayo, junio y julio, en los cuales la mayor producción energética acontece en el mes de enero de 2015 y menor para el 2019.
La gran diferencia entre la potencia incidente sobre los módulos fotovoltaicos y la energía generada se debe a que la eficiencia nominal de los paneles fotovoltaicos es del orden del 16,43 %, el cual se ve disminuida por el incremento de la temperatura de los paneles, a las pérdidas óhmicas en los cables de conexión eléctrica, entre otros.
En la Fig. 9, observamos la variación mensual interanual de la potencia AC entregada por el inversor DC/AC a la red eléctrica a 220 V AC y 60 Hz de frecuencia, denotándose que en los meses de enero, febrero, marzo, abril, mayo, junio y julio de 2015 la potencia entregada es mayor que la del 2019, en similar concordancia con las variaciones de la irradiancia solar incidente sobre los módulos y la potencia DC generada por estos.
Eficiencia del inversor DC/AC y del sistema fotovoltaico
Asimismo, se ha evaluado la variación de la eficiencia energética total del sistema fotovoltaico en el periodo indicado, alcanzando valor máximo de 14,74% en octubre de 2017, disminuyendo ligeramente en noviembre y diciembre de 2016, que son los meses de mayor irradiancia solar y temperatura ambiente y valores mínimos de 11,45% en junio del 2017, que corresponde al mes de menor irradiancia solar incidente y menor temperatura ambiental [2], (Fig. 10).
La eficiencia del inversor a lo largo del año varía entre el 97% y 99 %, manteniéndose casi constante a lo largo de los cinco años de evaluación del sistema, lo que nos indica que el conversor tiene buena eficiencia de conversión, lo que podemos concluir que la eficiencia del inversor es independiente de los parámetros meteorológicos de la zona y del nivel de irradiancia solar global incidente sobre los paneles, durante el día la, temperatura del inversor varía entre 35 a 40 °C.
La eficiencia promedio total del sistema fotovoltaico durante los meses interanuales varía entre el 13 y 15 %, manteniendo este rango durante los cinco años de evaluación, este parámetro es ligeramente menor en los meses finales del otoño, el invierno y entrando a la primavera y ligeramente mayor entre noviembre, todo el verano y entrando al otoño, como consecuencia de la mayor irradiancia solar incidente en el verano (Fig. 10).
Energía mensual producida por el sistema fotovoltaico
En la Tabla III, se consignan los valores de la energía mensual producida por el sistema fotovoltaico y la entregada a la red eléctrica de la ciudad universitaria a 220 V AC, 60 Hz de la UNJBG, desde enero 2015 a diciembre de 2019. En la Fig. 11 se muestra la figura correspondiente en la cual se puede visualizar que los meses de mayor producción energética se da en los meses de octubre a marzo (primavera-verano), en enero 542 kWh y marzo 525, el mes de menor producción energética se dio en junio (invierno) con 239, 299, 254, 228 y 261 para el periodo 2015-2019, la producción energética está en función directa con la irradiancia solar incidente sobre la ciudad de Tacna.
Algo característico y que se repite para todos los meses, días y años es que la diferencia entre la potencia DC proveniente de los módulos fotovoltaicos y la convertida por el inversor en AC es mínima, lo que nos indica que el inversor es de muy buena eficiencia, alcanzando temperaturas internas que durante los días del año no supera los 40 °C.
MES/ AÑO | ENERGÍA | MES/ AÑO | ENERGÍA | MES/ AÑO | ENERGÍA | MES/ AÑO | ENERGÍA | MES/ AÑO | ENERGÍA |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
ENE2015 | 523 | ENE2016 | 542 | ENE2017 | 514 | ENE2018 | 525 | ENE2019 | 428 |
FEB2015 | 495 | FEB2016 | 453 | FEB2017 | 485 | FEB2018 | 492 | FEB2019 | 486 |
MAR2015 | 528 | MAR2016 | 535 | MAR2017 | 511 | MAR2018 | 530 | MAR2019 | 482 |
ABR2015 | 401 | ABR2016 | 426 | ABR2017 | 437 | ABR2018 | 385 | ABR2019 | 444 |
MAY2015 | 357 | MAY2016 | 345 | MAY2017 | 275 | MAY2018 | 325 | MAY2019 | 338 |
JUN2015 | 239 | JUN2106 | 299 | JUN2107 | 254 | JUN2018 | 228 | JUN2019 | 261 |
JUL2015 | 310 | JUL2016 | 340 | JUL2017 | 300 | JUL2018 | 290 | JUL2019 | 310 |
AGO2015 | 417 | AGO2016 | 405 | AGO2017 | 444 | AGO2018 | 450 | AGO2019 | 355 |
SET2015 | 449 | SET2016 | 459 | SET2017 | 401 | SET2018 | 470 | SET2019 | 459 |
OCT2015 | 467 | OCT2016 | 468 | OCT2017 | 511 | OCT2018 | 485 | 0CT2019 | 500 |
NOV2015 | 468 | NOV2016 | 469 | NOV2017 | 495 | NOV2018 | 520 | NOV2019 | 462 |
DIC2015 | 485 | DIC2016 | 487 | DIC2017 | 510 | DIC2018 | 500 | DIC2019 | 497 |
Nota: Energía eléctrica mensual-interanual producida por el Sistema FV en el periodo 2015-2019
En la Fig. 11 se muestra la figura correspondiente en la cual se puede visualizar que los meses de mayor producción energética en KWh se dio en los meses de octubre a marzo (primavera-verano), en enero 542 y marzo 525, el mes de menor producción energética sucede en junio (invierno) con valores de 239, 299, 254, 228 y 261, la producción energética está en función directa con la irradiancia solar incidente sobre la ciudad de Tacna.
En el periodo indicado de funcionamiento el sistema generó una potencia máxima de 3043 W el 16 de octubre de 2016, la producción energética máxima diaria fue de 21,0 KWh ocurrida el 22 de enero de 2015, desde su instalación en diciembre de 2014 al 31 de diciembre de 2019 el sistema ha funcionado continuamente durante 34102 horas.
Algo característico y que se repite para todos los meses, días y años es que la diferencia entre la potencia DC proveniente de los módulos fotovoltaicos y la convertida por el inversor AC es mínima, lo que nos indica que el inversor es de muy buena eficiencia, alcanzando temperaturas internas que durante los días del año no supera los 40 °C.
AÑO | 2015 | 2016 | 2017 | 2018 | 2019 | TOTAL |
Producción energética | 5230 | 5205 | 5149 | 5096 | 4990 | 25670 |
Ahorro ($) | 762 | 758 | 750 | 743 | 727 | 3741 |
Irradiancia solar (W/m2) | 503,1 | 465,4 | 478,8 | 476,7 | 472,9 | ---- |
Temperatura ambiente (°C) | 22,5 | 22,8 | 22,9 | 22,7 | 22,6 | ---- |
Temperatura superficial del módulo (°C) | 34,9 | 35,2 | 34,9 | 35,5 | 35,5 | ---- |
Nota: Resumen de principales resultados de la caracterización térmica y energética del sistema FV interconectado a la red eléctrica
En la Fig. 12 y Tab. IV, se muestra la producción energética anualizada del sistema para el periodo (2015-2019) totalizando 25670 KWh, observándose que la producción energética promedio interanual es de 5134 con una variación promedio negativa de 72,8 (- 1,42%), la cual puede ser debido a los cambios diarios de las condiciones meteorológicas propias del desierto de la región Tacna; específicamente, la irradiancia solar incidente promedio que en el periodo indicado disminuyó en 6,01%, en tanto que la variación promedio de la temperatura ambiente es mínima entre el rango máximo de (22,9 - 22,5)°C, al igual que la temperatura promedio del panel con variación mínima en el rango (35,5 - 34,9)°C, considero que tales variaciones térmicas influyen, pero no en la magnitud de afectación de la irradiancia solar; además debe de considerarse el polvo del desierto y contaminantes atmosféricos de alta presencia regional, toda vez que del 2017 al 2109 no se ha realizado limpieza superficial de los paneles fotovoltaicos ni del piranómetro de medición de la irradiancia solar. Igualmente, se muestra la variación interanual promedio de la irradiancia solar incidente sobre el plano de los módulos, y las temperaturas promedio anuales del ambiente y los módulos fotovoltaicos.
Asimismo, mostramos el ahorro anualizado en dólares USA por la UNJBG por el concepto de tarifa eléctrica, en promedio anual es de $ 748, por lo que considerando el total anualizado de la energía producida es de 25670 KWh y el ahorro de $ 3741 en los cinco años, resulta un costo promedio de solo generación energética de $ 0,146 por cada Kilowatts producido por el sistema, con un equivalente a noviembre de 2020 de S/ 0,51, valor por debajo de lo que paga un usuario en el Perú o la región Tacna que consume 90 KWh/mes y paga S/ 48,5 o S/ 0,54/KWh, según lo indicado por Osinergmin (2019).
CONCLUSIONES
El SFVCR instalado con una potencia nominal de 3,3 kWp, bajo las condiciones meteorológicas de irradiancia solar incidente y temperatura ambiente de la ciudad de Tacna, en el periodo enero 2015 a diciembre 2019 ha generado una energía de 25670 KWh en voltaje alterno a 220 V, 60 Hz de frecuencia, alcanzando su máxima producción energética mensual entre los meses de octubre a marzo igual a 542, en tanto que entre abril y setiembre disminuye, alcanzando un valor mínimo en junio con 228, representando una diferencia del 42,07 %.
La energía generada en promedio interanual es de 5134 KWh o 427 KWh/mes con variación promedio negativa de 72,8 (-1,42 %), debido fundamentalmente a la disminución de la irradiancia solar incidente interanual en un 2,23 % y a factores ambientales como el polvo del desierto.
La energía generada mensualmente y anualmente ha permitido que la UNJBG ahorre significadamente por el concepto de consumo de energía eléctrica de la red local, significando a la UNJBG un ahorro monetario de S/ 7797,2 por el pago mensual de energía eléctrica, a un costo de generación de S/ 0,52/KWh por debajo del establecido a nivel país de S/ 0,54/KWh, un indicador muy importante para aplicaciones masivas centralizadas.
La eficiencia nominal de los paneles fotovoltaicos es de 16,42 % a 1000 W/m2 y 25 °C, la del SFVCR instalado es menor, variando en los meses interanuales en promedios entre 13 y 15 %, determinándose que esta depende básicamente del nivel de irradiancia incidente, temperatura ambiente y superficial de los módulos, el polvo y partículas depositadas sobre la superficie de los módulos.
La temperatura superficial que alcanzan los módulos es mayor que le temperatura ambiente, en valores promedios mensuales interanuales varía entre valores máximos de 28,7 °C y mínima de 17,8 °C, en tanto que la temperatura de los módulos en promedio mensual varía entre valores máximos de 42,0 °C y mínimos de 28,6 °C; el rango de variación es del orden de 11 a 12 °C, que influye en la eficiencia de conversión de los módulos, menor a la eficiencia nominal.
El inversor tiene muy buena eficiencia de conversión de la energía a 320 V DC proveniente de los módulos fotovoltaicos a energía AC a 220 V, 60 Hz suministrada a la red eléctrica de la UNJBG.