Estudio paneles solares

Resumen ejecutivo

El proyecto de paneles fotovoltaicos es una investigación y análisis completo sobre si es una opción viable la instalación de los mismos en casa de unos de los integrantes, para esto se investigó sobre los modelos de paneles solares con y sin microinversor, los paquetes, opciones de diferentes países (Estados y Canadá, principalmente) y también de cómo se pudiera bajar el consumo de electricidad en base a la adquisición de una nueva lavadora y focos fluorescentes. Todo esto, se contrasto con los datos recopilados del consumo eléctrico de la casa y se llegó a una conclusión.

Introducción

1.1 Planteamiento del problema

La idea de tomar esta propuesta como proyecto, surgió de lo que uno de los integrantes del equipo, pues nos comentó sobre los gastos energéticos en su casa. Refirió que la falta de servicios; agua y drenaje ha impulsado a su familia a trabajar únicamente con energía eléctrica para contar con estos servicios. Tanto la necesidad de electricidad para tener servicios como agua a través de la extracción por pozo como los gastos energéticos generales de la casa hacen que se tenga una tarifa de alto consumo (DAC) que aumenta mucho los precios de cada kilowatt consumido en la casa y asimismo que los precios de la luz representen un gran gasto por parte de la economía familiar. Debido a esto la familia ya tiene formulado hacer modificaciones para ahorrar energía y producirla. Quieren comprar paneles solares, debido a que consideran que producirá energía como para bajar su tarifa de consumo así como los gastos en energía que se hacen.

Es importante señalar que existen distintos tipos de paneles solares y que en general, proveen una eficiencia de alrededor del 16 %, con precios de instalación que pueden superar los 180 mil pesos para uso doméstico. Asimismo cabe señalar que su producción energética es completamente limpia y renovable, siendo el ensamblado del mismo casi exime la huella de carbono, por lo que es una alternativa para la generación y ahorro de la energía eléctrica, en el nivel doméstico. Aunque los paneles solares pueden ser una opción, buscaremos medios más económicos para el ahorro de energía a través de un análisis detallado de las causas de los altos consumos y determinaremos si pueden ser solucionados con alternativas más económicas.

1.2 Selección de anteproyecto

A partir de nuestra creciente concientización sobre la escasez y racionalización de la energía en el mundo, el equipo decidió, emprender un proyecto donde pudiéramos desarrollar una visión más globalizada de las necesidades energéticas en el mundo, por lo cual nuestro proyecto consiste en bajar los costos energéticos de una casa de la zona suburbana del área metropolitana de Monterrey, a través de ahorros, y generación de energías limpias.

1.3 Hipótesis

El proyecto resulta importante porque además de impactar directamente en una familia, el caso echará pasos para que puedan ser analizados con mayor detalle proyectos que asimismo busquen generar ahorros energéticos en zonas suburbanas-rurales lo cual, como se ha señalado, implica un enorme gasto para estas economías familiares.

Finalmente, se buscará proponer las conclusiones de equipo a la familia de forma tal que se busquen llevar a cabo dichas propuestas y se logre el objetivo final del proyecto: propiciar medidas tanto para ahorrar en el consumo energético de la casa, como para producir energías limpias que representen un costo beneficio real para la familia

1.4 Alcance

El alcance de este proyecto es una casa de la zona suburbana del área metropolitana de Monterrey, donde el límite de la investigación está dado hasta donde los precios de la adquisición de paneles sean irracionales o fuera del presupuesto.

1.5 Objetivo general de la investigación

El objetivo principal es propiciar medidas tanto para ahorrar en el consumo energético de la casa, como para producir energías limpias que sean accesibles ( acorde a lo presupuestado por la familia), que representen un costo beneficio real para la familia y que correspondan a las características de la geografía y necesidades de la casa. Lo anterior será realizado a través de los siguientes puntos:

1.6 Objetivos particulares y del proyecto de investigación:

Verificar que la casa consuma la energía afirmada por la CFE

1. se obtendrá el consumo promedio de energía en la casa. Para esto se contabilizará el número de aparatos que consumen energía, la potencia de cada uno y un promedio de horas de uso diario

2. se compararán los resultados obtenidos con los valores de consumo indicados por la CFE

3. se buscará encontrar fugas energéticas en caso de haberlas.

4. se estimará el ahorro energético y económico en caso de realizar la estrategia anterior

Generar ahorros con base a cambios o estrategias

1. se buscarán alternativas, para los aparatos que no son tan difíciles de sustituir (focos y lavadoras). Las alternativas deberán generar consumos menores comparándolos con sus homólogos que se tienen actualmente.

2. se estimará el ahorro energético y económico en caso de realizar la estrategia anterior.

Implementación de nuevo equipo

1. ya contabilizados los ahorros con todas las estrategias anteriores, se buscará realizar una comparación entre las energías renovables que podrían ser utilizadas en la casa que correspondan a los mejores precio beneficio así como a la geografía y disponibilidad para la producción de estas energías limpias en la casa.

2. se estimará el ahorro energético y económico en caso de realizar la estrategia anterior.

Marco de referencia

2.1 Análisis de la problemática energética mundial

Actualmente, el mundo enfrenta una crisis energética. Los países industrializados consumen enormes cantidades de energía y la meta del resto de los países es llegar a lograr esto, por lo que no habrá de suficiente energía en un futuro para cubrir las necesidades de la población mundial. El consumo es tan grande que lo que la naturaleza tarda un millón de años en producir, el hombre lo consume en un año.

Aproximadamente el 80% de la energía mundial está basada en combustibles fósiles no renovables como el petróleo, el carbón y el gas natural. El petróleo está actualmente al límite de su producción, pero su demanda no lo está, esta seguirá creciendo conforme pasen los años y aumente la población. Este es uno de los problemas del sistema energético actual; los combustibles fósiles se están agotando, y además, su combustión ocasiona mucha contaminación, lo que propicia a la lluvia ácida y al efecto invernadero. Es por esto que es imprescindible hacer un cambio y utilizar más fuentes de energía renovable.

Según el Informe de la Energía Renovable publicado por WWF y la Consultoría Energética Ecofys, en el año 2050 se podrían satisfacer el 95% de las necesidades energéticas con el uso de fuentes renovables. Se deberían de utilizar solamente vehículos eléctricos e instalar plantas eólicas y solares para obtener energía de manera sostenible. Para este año, se estima que habrá una población de 9.731 millones de habitantes, por lo que no será posible continuar con el sistema energético actual con tantos habitantes y por tantos años.

2.2 Conexión con la CFE

A continuación se expone la investigación sobre los contratos que se deben de realizar con la CFE para poder establecer la conexión del arreglo fotovoltaico. Este fue uno de los primeros pasos en la investigación del proyecto, pues permitió aproximar los costos de instalación de arreglos fotovoltaicos en México y por ende el gasto a esperar.

Los paneles solares se pueden instalar en hogares y negocios desde la administración de Felipe Calderón. El medio para realizar este tipo de acciones, es atreves de La CFE, la cual hace un facilita el contrato entre el dueño de la casa o empresa para la instalación de arreglos fotovoltaicos. El contrato consta de ciertos requisitos: si es en tu hogar; el panel no debe excederse de 10kWh y para el negocio no debe excederse de los 30kWh. Se necesita que la persona tenga un contrato de suministro normal en baja tensión y que las instalaciones cumplan con las Normas Oficiales Mexicanas y con las especificaciones de la CFE. Asimismo Al hacer el contrato, la CFE instala en tu hogar o negocio un deposito bidireccional, el cual registra la producción y la energía consumida por la casa en la red de la CFE. El contrato con la CFE es ilimitado y se puede cancelar en el momento en que el usuario desee con un aviso de 30 días antes.

Actualmente la instalación del depósito bidireccional no tiene ningún costo. Según los cálculos que se hicieron, la tarifa de la casa está en DAC y se quiere bajar a 1B. En promedio se produce 1198.66 kWh por bimestre, sí se quiere reducir por 4800 kWh.

Se contactaron a 4 empresas diferentes especializadas en la instalación de productos que generen energía con recursos renovables, en nuestro caso siendo paneles solares. Las empresas fueron; MEP, SOLECO, DEXEN y Energon Industries. Son empresas que veden paneles solaren en el área metropolitana de Monterrey, Nuevo León. Al igual que toda la república y en el extranjero. Por lo general estas empresas manejan paquetes con paneles solares que suministran entre 250-275W. Por nuestro caso se le pregunto el presupuesto que nos darían si necesitamos la capacidad de paneles solaren que consuman entre 1.2 a 2.2 kW. Los paneles necesarios que se necesitan para llenar esto son entre 7 a 9 paneles solares. Capaces de genera 2kW. El costo de estos tienen un promedio de $6,300 dólares+IVA (Aproximadamente 86,000 pesos ) . Esto incluye; los paneles solares, la ingeniería, las instalaciones, el contrato de la CFE, la batería y el generador. Todas las compañías no tienen problema con las instalaciones de los paneles, ya que la mayoría toma entre 3 y 5 días. Lo que prolonga el tiempo es en conseguir el equipo y los cálculos para la casa, que esto se realiza en un plazo promedio de una semana y media.

En conclusión, después de haber investigado, podemos concluir que el precio en que teníamos estimado es mucho menor. Nosotros creíamos que el contrato que se realizaba con la CFE se vendía aparte de los paquetes y que todo lo que era ingeniería, instalaciones y hasta los simples paneles tendrían un precio de aproximadamente $9,000 dólares ( 123,000 pesos). Puede ser una inversión alta al principio, pero a largo plazo estos paneles solares bajaran la cuota de la tarifa de electricidad, y no volverá a gastar la misma cantidad que siempre ha gastado.

2.3 Baterías

Para empezar se consideró desde un principio la necesidad de incluir baterías en los costos del proyecto, esto debido tanto a las condiciones de la localidad (zona semi-rural) y siendo además que el dueño de la casa, preferirá un estimado del costo de la instalación con un sistema de baterías, pues considera que será de mayor utilidad el sistema en los meses de verano cuando frecuentemente se rompen las líneas de eléctricas y llega a escasear la electricidad por hasta 3 días.

Es por esto que con ayuda de una calculadora online calculamos la capacidad energética de las baterías en voltajes desde los 12, hasta los 48 volts, de forma que pudiéramos revisar las diferentes opciones con las que contaríamos durante los cortes energéticos y por ende pudiéramos tomar las mejores decisiones para invertir en bancos de batería.

El método que se presenta a continuación, nos permite observar el costo real de las baterías desde su inversión inicial hasta la vida útil real de la instalación fotovoltaica.

De esta forma se compararon los bancos de batería con mejor costo inicial para un periodo de 5 años, generalmente de tipo Lead – Acid y las de mejor duración, bancos tipo AGM y Gel, para un periodo de vida estimado en 20 años.

Los equipos a evaluar toman en consideración los que corresponden a la instalación de un centro de respaldo energético permanente para la casa y que permite trabajar con inversores dedicados a este tipo de sistemas, en nuestro caso el Outback 3680 y un sistema móvil, que permite trabajar con inversores como el Sunny 3000 de la SMA o con micro inverores de la Enphase Energy, los cuales únicamente tienen salidas a AC y por tanto no se les puede adaptar un sistema de baterías permanente.

En primer lugar se deben de tomar en cuenta las siguientes consideraciones. Acorde al tipo de batería, varía el soporte de descarga dado, así como su precio total y tiempo de remplazo. Como se ha mencionado ya, las baterías de plomo tienen vida de 5 años mientras que las de AGM o gel de 20 años. A continuación se observa una tabla con los Amps/ hr necesarios por cada tipo de batería en la configuración de 12 Volts que se presenta.

Tabla 1

Tabla 2

Los cálculos se realizaron para cada configuración, sin embargo se presentan los datos resumidos a continuación, donde la fila verde es el sistema de baterías con mejor rendimiento/ precio en un periodo de 5 años y la azul muestra la configuración con menor costo en una vida útil de 20 años.

Comparación entre arreglos de baterías:

Tabla 3

Ahora se presenta la opción para el sistema de baterías externo que presenta una alternativa para los sistemas que no soportan en su esquemática agregar bancos de batería, como lo son los Grid-tie así como los sistemas de Microinversores.

Tabla 4

Análisis

Como podemos observar, las baterías de tipo lead-acid poseen ventaja con base a la relación del costo inicial, sobre las baterías de tipo AGM o GEL, sin embargo, muestran una desventaja significativa con respecto a los sistemas de tipo AGM cuando se considera la inversión total que se ejecutará en la vida del equipo fotovoltaico.

Además es importante recalcar que los sistemas de 48 voltios tienen ventajas representativas entre el costo inicial de inversión respecto a sus homólogos de 12 y 24 volts, sin embargo esta ventaja solo es presente en inversiones de 5 años, pues en los periodos de 20 años o lo que es lo mismo la vida real de la instalación.

De esta forma es posible observar que la mejor inversión se realiza con equipos a 12 volts y de tipo AGM. Por lo que nuestra recomendación es que de elegir el sistema de respaldo permanente se compre el modelo de baterías DC400, pues se tendría una inversión única de 3150dlls. Otra de las ventajas con esta batería es que no se necesita tanto mantenimiento, comparándolas con las baterías de ácido.

Finalmente si se va a elegir el sistema de baterías como soporte no permanente, se recomienda elegir un sistema con carga de las baterías como el Yeti 1250 de la Goal Zero, el cual tiene un costo total de 1800dlls a lo largo de la vida de los módulos fotovoltaicos, tomando en cuenta la capacidad necesaria.

2.4 Paneles Solares

Se realizaron 2 tipos distintos de investigación para los costos de los módulos fotovoltaicos, el primero consistió en buscar los precios de kits en internet dentro de páginas especializadas, de forma tal que pudiéramos obtener los precios reales de los sistema fotovoltaicos al comprarlos en línea, posteriormente se buscó extender la investigación al equipo per comprado de forma individual, de forma que se evaluaran inclusive distintas opciones de inversores, lo cual permitió dar resultados con base a análisis y por ende presentar la mejor alternativa.

Método de investigación de Paneles en kits:

Primero se investigaron paneles solares normales, en kit, enfocándonos únicamente en aquellos que incluyeran ya micro inversor para fines prácticos de funcionalidad y precio. Tomamos valores de suma importancia a evaluar en cada panel (precio, micro inversor, país de fabricación, etc.) lo cual posteriormente nos permitió comparar precios. Los paneles tenían potencias de entre 240W y 265W, y se investigaron en 6 distintas páginas de interntet[1]y de cada página mínimo se buscaron 3 modelos. Con la información de cada uno de estos paneles se fue poniendo en una tabla en Excel, ya que se puede comparar de una manera más sencilla cada panel.

A partir de los datos anteriores es posible resumir que el costo por Watt en kits online ronda los 2.55dlls, lo cual lo vuelve una alternativa cara, considerando que los paneles solares de manera individual, pueden tener un precio que se encuentre entre los 90 y 1.10dlls por watt.

Posteriormente a la investigación online de kits prearmados, se buscó realizar un análisis de los costos al ensamblar el kit a partir de componentes comprados de forma individual y no en paquete. Estos resultados se exponen a continuación.

Notas preliminares:

Todos los cálculos están basados en tablas de Excel con fórmulas específicas recuperadas de libros, y medios electrónicos. Es importante señalar que se dio preferencia por equipos con calidad superior, de manufactura europea, norteamericana o mexicana, es por ende que los precios tenderán a ser mayores a los expuestos por proveedores asiáticos.

Las consideraciones para la elección de los paneles solares y todos los elementos que se muestran en esta sección, fueron en este orden de importancia: procedencia, marca, precio, garantías y costos de transporte. En los anexos se muestran detalles de los paneles elegidos.

Paneles fotovoltaicos, Inversores, Costos y Tiempo de recuperación de la inversión.

El principal objetivo del proyecto fue en todo momento dar un estimado de costos de un sistema fotovoltaico que pudiese satisfacer las necesidades de la casa.

Para lo cual deberíamos encontrar métodos económicamente viables que pudieran proveer tanto un ahorro para la familia en cuestión, como que no afectaran de forma significativa su forma de vida de forma negativa. tomando en cuenta esto decidimos explorar desde un principio la tecnología de los paneles fotovoltaicos, pues conocemos, en gran parte debido a la clase de Sistemas modernos de energía, que hoy en día es uno de los sistemas más rentables para instalaciones residenciales, y que además no implica geografías especiales.

Una vez teniendo lo anterior presente se calculó, conforme a lo visto en clase y en conjunto a medios impresos, tales como libros y revistas, así como en internet, los métodos para calcular la necesidad de producción energética de la casa. De forma que pudimos deducir los siguientes valores a partir de los recibos de luz pasados de la casa.

Tabla 5

Una vez con estos datos, se calculó[2]la potencia en Kw instalada de forma que se cuente con este suministro durante todo el año. De lo cual obtuvimos que se necesita un potencia instalada de al menos 1.76 kWh, y contando las pérdidas estimadas en un 77% resultó en un potencia total de almenas 2.2 kWh.

Con la información anterior calculamos el mejor tipo de panel, de forma tal que se comparan el menor número de módulos para la potencia buscada. Como se observa a continuación, los valores de paneles de 190, 250 y 265 son los que mejor se adecuan a lo buscado, siendo estos además los que más se comercializan comúnmente.

Tabla 6

A partir de lo anterior calculamos[3]el ahorro generado en casa al año por la producción fotovoltaica, lo cual implica la reducción de la tarifa de DAC a 1B además de la reducción en el consumo de la red a partir de los paneles solares.

Tabla 7

Tabla 8

Como se observa el ahorro será de más del 50 % del consumo actual si se aplicaran paneles solares. Esto debido en gran parte a los cambios de tarifa de cobro a partir del cambio de DAC a 1B.

Una vez conocida la necesidad, comenzamos a investigar los componentes que requeriríamos para la instalación de los paneles solares en la casa.

El primer paso fue investigar los diseños básicos de las instalaciones solares de forma que cumplieran dos cosas, la primera la necesidad energética de la casa, la cual representaba un costo constante y fuerte para la familia y en segundo lugar los constantes cortes de luz en la zona, lo cual no les provee independencia o garantiza su abastecimiento, durante estos cortes, de recursos tan vitales como el agua.

Nos topamos con la necesidad de generar un sistema con capacidad de suministrar energía incluso cuando la red de CFE está fuera de servicio, para ello investigamos a fondo diseños de los sistemas tipo Grid- interactivo with battery backup ( sistemas de conexión interactiva y respaldo de banco dde baterías). Una vez definidos los materiales y equipo a usar, procedimos a realizar tablas de Excel que compararan la información entre los distintos proveedores, las capacidades de cada equipo, su conectividad con los demás componentes y el precio de cada uno de los equipos.

A partir de esto se nos presentaron tres tipos de alternativas que cubrieran al sistema Grid interactive, las cuales e exploraran a continuación.

La primera opción fue apegarnos al modelo Grid interactive, el cual requiere de un tipo especial de montaje del circuito (Ac-coupling) que conecta al inversor de los paneles y al controladores de carga para las baterías. Al solo encontrar un proveedor que fuera capaz de presentar esta alternativa, decidimos analizar los precios totales de este equipo. El Sistema Outback-Flexware era dicha alternativa.

Lo que hicimos para obtener los valores de inversión en el equipo se resume en la siguiente lista:

1. Ingresar las necesidades del inversor y compararlas con las provistas por los modelos de los paneles. algunas de las puntos a comparar fueron los voltajes, corrientes y potencias de entrada soportados por el inversor, siendo esto considerando afectaciones por temperaturas, cortos circuitos y máximos y mínimos de operación.

2. una vez comparados los valores de ingreso elegimos la cantidad de módulos fotovoltaicos que podría soportar nuestro sistema, siendo esto lo más próximo a la cantidad de generación energética buscada.

3. A partir de lo anterior agregamos los valores de costos incluyendo los paneles, baterías, inversor y equipo extra (BOS)

4. ingresamos los valores en un archivo general para compararlos con las otras 2 alternativas