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2013 02-maturana

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Análisis técnico - económico del uso de paneles fotovoltaicos y paneles solares térmicos en una vivienda tipo y su aporte de electricidad a la red pública través de Net Metering en 3 zonas climáticas de Chile

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2013 02-maturana

  1. 1. UNIVERSIDAD CENTRAL DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA EN CONSTRUCCIÓN ANÁLISIS TÉCNICO - ECONÓMICO DEL USO DE PANELES FOTOVOLTAICOS Y PANELES SOLARES TÉRMICOS EN UNA VIVIENDA TIPO Y SU APORTE DE ELECTRICIDAD A LA RED PÚBLICA TRAVÉS DE NET METERING EN 3 ZONAS CLIMÁTICAS DE CHILE “MEMORIA PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO EN CONSTRUCCIÓN” ALEJANDRO DAVID MATURANA BECERRA PROFESOR GUÍA: JAIME EUGENIO ARRIAGADA ARAYA PROFESORES INFORMANTES: SILVIO OLIVIERI – HÉCTOR HERNÁNDEZ JUNIO 2014 SANTIAGO - CHILE
  2. 2. UNIVERSIDAD CENTRAL DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA EN CONSTRUCCIÓN ANÁLISIS TÉCNICO - ECONÓMICO DEL USO DE PANELES FOTOVOLTAICOS Y PANELES SOLARES TÉRMICOS EN UNA VIVIENDA TIPO Y SU APORTE DE ELECTRICIDAD A LA RED PÚBLICA TRAVÉS DE NET METERING EN 3 ZONAS CLIMÁTICAS DE CHILE “MEMORIA PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO EN CONSTRUCCIÓN” ALEJANDRO DAVID MATURANA BECERRA PROFESOR GUÍA: JAIME EUGENIO ARRIAGADA ARAYA PROFESORES INFORMANTES: SILVIO OLIVIERI – HÉCTOR HERNÁNDEZ JUNIO 2014 SANTIAGO - CHILE
  3. 3. I DEDICATORIA Deseo dedicar esta memoria a mi padre Alberto, cuyo amor y paciencia me hacen estar aquí ahora escribiendo estas palabras. Gracias por inculcarme el valor de tener una carrera profesional y por esas tardes de estudio en el comedor de la casa, las recordaré siempre. Te amo.
  4. 4. II AGRADECIMIENTOS Quiero agradecer a mi madre Susana, que sin sus cuidados y cariños no podría haber logrado nada. Gracias por estar siempre ahí y nunca rendirte. A mi mujer Joana, siempre creíste en mí a pesar de todo, gracias por tu incondicional apoyo. Te Amo. Quiero dar gracias en general a todos los compañeros de carrera que me ayudaron alguna vez y compartimos momentos de estudio y trabajo juntos. A todos los profes que con su conocimiento me ayudaron a llegar aquí. Alejandro David Maturana Becerra
  5. 5. III RESUMEN Este proyecto explica el funcionamiento y describe los componentes que conforman los sistemas solares tanto fotovoltaico como térmico. El estudio se desarrolla específicamente en una vivienda que se encuentra actualmente ubicada en la ciudad de Santiago, pero que se analiza teóricamente en 3 zonas geográficas de nuestro país: Norte litoral, Central Interior y Sur litoral, produciéndose de esta forma variaciones en los niveles de radiación solar. Se cuantifica la cantidad de energía (eléctrica y térmica) que logra producir la vivienda. Para esto se realiza una simulación del comportamiento energético. Para el caso del sistema fotovoltaico esto se logra mediante un software llamado PVSYST V.6 que simula el comportamiento energético durante 1 año de la vivienda. Esta cuantificación se realiza pensando en su posterior aporte (venta) al sistema interconectado, a través del Net Metering, ley 20.571, que aún no entra en vigencia, por lo que el estudio del eventual aporte al sistema interconectado es más bien teórico. Por otra parte se cuantifica el ahorro producido al calentar agua con energía solar, disminuyendo el consumo de gas licuado de la vivienda. Para calcular la cantidad de energía generada por el sistema solar térmico (SST) se utiliza el software Fchart que arroja a la vez el ahorro anual en gas licuado de la familia en las 3 ciudades del estudio. Finalmente se realiza un análisis de rentabilidad de la implementación de estos sistemas en la vivienda, calculando el Flujo Neto de Caja (FNC), El Valor Actualizado Neto (VAN) y la Tasa Interna de Retorno (TIR).
  6. 6. IV ABSTRACT This project explains the operation and describes the components that make both photovoltaic and thermal solar systems. The study was specifically developed in a home that is currently located in the city of Santiago, but that is analyzed theoretically in 3 geographical areas of the country: North coast, Central and Southern Interior coastline, thus producing variations in levels of solar radiation. The amount of energy (electricity and heat) that manages to produce housing is quantified. For this simulation the energy behavior is performed. In the case of PV system this is achieved by software called PVSYST V.6 simulating the energy performance during 1 year of housing. This quantification is done considering subsequent supply (sale) to the grid, through the Net Metering, Law 20,571, which is still not effective, so the study of the possible contribution to the grid is rather theoretical. Moreover, the savings produced by heating water with solar energy is quantified, reducing the consumption of LPG housing. To calculate the amount of energy generated by the solar thermal system (STS) software the Fchart while yielding annual savings in LPG family 3 cities in the study were used. Finally a cost benefit analysis of the implementation of these systems is done in the home, calculating the Net Cash Flow (NCF), the Net Present Value (NPV) and Internal Rate of Return (IRR).
  7. 7. V INDICE DE CONTENIDOS DEDICATORIA…………………………………………………………………….I AGRADECIMIENTOS…………………………………………………………….II RESUMEN…………………………………………………………………………III ABSTRACT………………………………………………………………………..IV INDICE DE CONTENIDO………………………………………………………..V CAPÍTULO Nº1 Generalidades 1.1. Introducción…………………………………………………………………..1 1.2. Antecedentes y motivación…………………………………………………..3 1.3. Objetivos………………………………………………………………………6 1.3.1. Objetivo general……………………………………………………..6 1.3.2. Objetivos específicos………………………………………………..6 CAPÍTULO Nº 2 Marco teórico 2.1. Introducción…………………………………………………………………..7 2.2. Energía fotovoltaica…………………………………………………………..8 2.2.1. Paneles fotovoltaicos………………………………………………..9 2.2.2. Funcionamiento del panel…………………………………………10 2.2.3. Clasificación de paneles según su material de construcción……..11 2.2.3.1. Silicio monocristalino…………………………………….11 2.2.3.2. Silicio policristalino………………………………………12 2.2.3.3. Silicio amorfo……………………………………………..12 2.2.4. Inversor……………………………………………………………..13 2.2.5. Regulador de carga………………………………………………….14 2.2.6. Baterías……………………………………………………………..15 2.2.7. Orientación e Inclinación………………………………………….15 2.2.8. Factor sombra………………………………………………………15 2.2.9. Aspectos Constructivos……………………………………………16 2.3. El agua caliente sanitaria……………………………………………………17 2.3.1. Introducción………………………………………………………..17 2.3.2. Descripción de un SST (Sistema Solar Térmico)………………….18
  8. 8. VI 2.3.2.1. Temperatura de consumo………………………………..19 2.3.2.2. SST………………………………………………………..20 2.3.2.3. Circulación Natural………………………………………22 2.3.2.4. Circulación forzada………………………………………24 2.3.2.5. Sistema directo……………………………………………24 2.3.2.6. Sistema indirecto…………………………………………..25 2.3.3. Componentes de un Sistema térmico……………………………..27 2.3.3.1. Colector Solar…………………………………………….27 2.3.3.2. Colector solar plano……………………………………….27 2.3.3.3. Colector solar de tubos de vacío………………………...29 2.3.3.4. Acumulador………………………………………………30 2.3.4. Clasificación de acumuladores…………………………………….30 2.3.4.1. Según su disposición……………………………………..31 2.3.4.2. Por la disponibilidad del intercambiador de calor……….32 2.3.5. Materialidad del Acumulador………………………………………32 2.3.6. Intercambiador de calor…………………………………………….33 2.3.7. Estructura de Soporte……………………………………………….34 2.3.8. Montaje de estructura soporte y captadores………………………..34 2.4. Acimut y Ángulo de Inclinación…………………………………………….35 2.4.1. Acimut………………………………………………………………35 2.4.2. Angulo de Inclinación………………………………………………36 2.5. Algoritmo Fchart V3…………………………………………………………36 2.5.1. Contribución Solar Mínima (CSM)……………………………….37 2.5.2. Datos Obligatorios a ingresar en algoritmo………………………..37 2.6. PVSYST v.6…………………………………………………………………39 2.6.1. Pantalla preliminar…………………………………………………39 2.6.2. Pantalla principal…………………………………………………..40 2.7. Net Metering………………………………………………………………….44 2.7.1. Introducción………………………………………………………..44 2.7.2. Aspectos Generales…………………………………………………45 2.7.3. Propuesta de reglamentación para el pago de tarifas eléctricas…..47
  9. 9. VII 2.7.3.1. Remuneración y pagos del sistema de generación………50 2.8. Sistemas Eléctricos Interconectados………………………………………..52 2.8.1. Sistema Interconectado del Norte Grande…………………………52 2.8.2. Sistema Interconectado Central……………………………………53 2.9. Zonas climáticas que inciden en el estudio…………………………………54 2.10 Zonificación climática de Chile………………………………………….....56 2.11 Antecedentes climáticos…………………………………………………….57 2.11.1 Zona Norte Litoral………………………………………………....57 2.11.2 Zona Central Interior………………………………………………60 2.11.3 Zona Sur Litoral……………………………………………………62 CAPÍTULO Nº 3 Estudio teórico 3.1. Vivienda a analizar…………………………………………………………..64 3.2. Diseño de sistema solar térmico para agua caliente sanitaria………………69 3.2.1. Estudio de mercado………………………………………………...69 3.2.2. Evaluación de los sistemas…………………………………………76 3.3. Diseño de Sistema fotovoltaico……………………...................................81 3.3.1. Estudio de mercado………………………………………………..83 3.3.2. Simulación en software PVSYST………………………………...86 3.3.3. Costo de los sistemas fotovoltaicos……………………………….96 3.3.4. Inyección de electricidad a la red…………………………………104 3.3.4.1. Costos de Conexión y otras consideraciones……………105 3.3.5. Resumen de resultados…………………………………………….106 3.4. Estructura de techumbre……………………………………………………116 3.4.1. Situación actual y situación del Proyecto………………………..117 CAPÍTULO Nº 4 Estudio económico 4.1. Estudio económico…………………………………………………………118 4.1.1. Sistema Solar Térmico……………………………………………118 4.1.1.1. Consideraciones…………………………………………118 4.1.1.2. Costos asociados…………………………………………119 4.1.1.3. Ingresos…………………………………………………..120 4.1.1.4. Financiamiento………………………………………….121
  10. 10. VIII 4.1.1.5. Evaluación económica del SST en Antofagasta…………121 4.1.1.6. Evaluación económica del SST en Santiago……………123 4.1.1.7. Evaluación económica del SST en Concepción………….126 4.1.1.8. Análisis de Resultados……………………………………129 4.1.2. Sistema Fotovoltaico………………………………………………129 4.1.2.1. Consideraciones………………………………………….129 4.1.2.2. Costos Asociados………………………………………..130 4.1.2.3. Ingresos………………………………………………….131 4.1.2.4. Financiamiento………………………………………….131 4.1.2.5. Evaluación económica del sistema en Antofagasta……132 4.1.2.6. Evaluación económica del sistema en Santiago……….136 4.1.2.7. Evaluación económica del sistema en Concepción……140 4.1.2.8. Análisis de resultados……………………………………144 Capítulo Nº 5 Conclusiones 5.1. Conclusiones………………………………………………………………..145 Bibliografía……………………………………………………………………….148
  11. 11. IX ÍNDICE DE GRÁFICOS Gráfico 1 Porcentaje de consumo energías primarias………………………..3 Gráfico 2 Ejemplo de pantalla preliminar software PVSYST………………40 Gráfico 3 Ejemplo de pantalla características climáticas PVSYST…………..41 Gráfico 4 Ejemplo pantalla definición de acimut PVSYST…………………42 Gráfico 5 Ejemplo pantalla principal PVSYST……………………………..42 Gráfico 6 Pantalla elección del sistema PVSYST……………………………43 Gráfico 7 Verificación SST marca “Kuhn S.A”……………………………..76 Gráfico 8 Verificación SST marca “Recal Ltda”……………………………...77 Gráfico 9 Verificación SST marca “paneles solares S.A”…………………….77 Gráfico 10 Verificación SST en Antofagasta………………………………….79 Gráfico 11 Verificación SST en Concepción…………………………………..80 Gráfico 12 Consumo promedio eléctrico de la vivienda………………………82 Gráfico 13 Simulación sistema fotovoltaico empresa “Punto Solar”…………87 Gráfico 14 Resumen simulación fotovoltaico empresa “Punto Solar”………88 Gráfico 15 Irradiación global empresa “Punto Solar”…………………………89 Gráfico 16 Energía útil y pérdidas del sistema “Punto Solar”……………….89 Gráfico 17 Simulación sistema fotovoltaico empresa “Antusolar”…………….90 Gráfico 18 Resumen simulación fotovoltaica empresa “Antusolar”…………...91 Gráfico 19 Irradiación global empresa “Antusolar”……………………………91 Gráfico 20 Energía útil y pérdidas del sistema “Antusolar”………………….92 Gráfico 21 Simulación sistema fotovoltaico empresa “ERNC Chile”………..93 Gráfico 22 Resumen simulación fotovoltaica empresa “ERNC Chile”……….94 Gráfico 23 Irradiación global empresa “ERNC Chile”………………………..94 Gráfico 24 Energía útil y pérdidas del sistema “ERNC Chile”……………….95 Gráfico 25 Simulación fotovoltaica en Antofagasta…………………………98 Gráfico 26 Resumen simulación fotovoltaica en Antofagasta………………99 Gráfico 27 Irradiación global en Antofagasta…………………………………99 Gráfico 28 Energía útil y pérdidas del sistema Antofagasta………………..100 Gráfico 29 Simulación sistema fotovoltaico en Concepción……………….101
  12. 12. X Gráfico 30 Resumen simulación fotovoltaica en Concepción……………..102 Gráfico 31 Irradiación global en Concepción……………………………….102 Gráfico 32 Energía útil y pérdidas del sistema en Concepción…………….103 INDICE DE ESQUEMAS Esquema 1 Sistema fotovoltaico……………………………………………….9 Esquema 2 Sistema solar térmico……………………………………………..21 Esquema 3 SST directo…………………………………………………………25 Esquema 4 SST indirecto………………………………………………………26 Esquema 5 Colector solar plano……………………………………………….28 Esquema 6 Acumuladores……………………………………………………..31 INDICE DE TABLAS Tabla 1 Net metering………………………………………………………45 Tabla 2 Irradiancia ciudad de Antofagasta………………………………..59 Tabla 3 Irradiancia ciudad de Santiago……………………………………61 Tabla 4 Irradiancia ciudad de Concepción…………………………………63 Tabla 5 Datos Fchart………………………………………………………..74 Tabla 6 Resumen de características térmicas……………………………..75 Tabla 7 Resultados fotovoltaicos………………………………………….95 Tabla 8 Resumen de resultados PVSYST…………………………………103 Tabla 9 Precio de nudo……………………………………………………104 Tabla 10 Ahorro mensual en Santiago……………………………………107 Tabla 11 Costo de energía en Santiago……………………………………108 Tabla 12 Ahorro mensual en Antofagasta…………………………………110 Tabla 13 Costo de energía en Antofagasta…………………………………111 Tabla 14 Ahorro de energía en Concepción……………………………….113 Tabla 15 Costo de energía en Concepción…………………………………114 Tabla 16 Costos SST……………………………………………………….119 Tabla 17 Costos de mantención SST………………………………………120 Tabla 18 Ahorro en gas licuado……………………………………………120
  13. 13. XI Tabla 19 FNC en Antofagasta……………………………………………..121 Tabla 20 Inversión por recuperar Antofagasta…………………………….122 Tabla 21 FNC en Santiago…………………………………………………123 Tabla 22 Inversión por recuperar Santiago………………………………..124 Tabla 23 Inversión por recuperar Santiago al 7%.....................................125 Tabla 24 FNC en Concepción……………………………………………..126 Tabla 25 Inversión por recuperar en Concepción………………………….127 Tabla 26 Inversión por recuperar en Concepción al 5%...........................128 Tabla 27 Costo sistema fotovoltaico………………………………………130 Tabla 28 Costo de mantención…………………………………………….131 Tabla 29 Ahorro anual de electricidad…………………………………….131 Tabla 30 FNC Antofagasta…………………………………………………132 Tabla 31 Inversión por recuperar en Antofagasta…………………………134 Tabla 32 Inversión por recuperar en Antofagasta al 0%...........................135 Tabla 33 FNC en Santiago………………………………………………….136 Tabla 34 Inversión por recuperar en Santiago………………………….....138 Tabla 35 Inversión por recuperar en Santiago al 0%................................139 Tabla 36 FNC en Concepción……………………………………………..140 Tabla 37 Inversión por recuperar en Concepción…………………………142 Tabla 38 Inversión por recuperar en Concepción al 0%...........................143
  14. 14. 1 CAPÍTULO Nº 1 GENERALIDADES 1.1- Introducción El notable desarrollo y progreso que han manifestado las grandes ciudades alrededor del mundo, ha llevado inevitablemente a elevar cada vez más el consumo de energía de los países, llegando por ejemplo, a que el consumo energético mundial total en 2.005 fue de 500 EJ (= 5 x 1020 Joule) (ó 138.900 TeraWatts/hora) con un 86,5% derivado de la combustión de combustibles fósiles (petróleo, carbón, leña, el gas) esto equivale a una potencia media de 15 TeraWatts (= 1.5 x 1013 Watts). Con el creciente desarrollo de países como China, India y Brasil esta demanda va a continuar aumentando. (energy, 2.006) Lamentablemente este progreso que ostentan las metrópolis ha sido, según el autor, en desmedro del medio ambiente que se ha visto dejado en segundo plano en pos del desarrollo económico. El alto porcentaje de energía producida a través de combustibles fósiles nos ha llevado a un cambio climático debido al efecto invernadero por las emisiones de CO2 resultado de la combustión de estos, con resultados negativos para la vida en nuestro planeta; aumento de la temperatura, incremento del nivel de los océanos, derretimiento de glaciares, etc. (MINVU, 2.009) En Chile gran parte del consumo de combustibles como el diésel y el carbón son para generar energía eléctrica, lo que lo hace una energía cara y muy contaminante, además de seguir utilizando combustibles fósiles que se están agotando en el mundo. También se produce electricidad por medio de centrales hidroeléctricas, las que generan una menor contaminación ambiental que las mencionadas anteriormente, pero que igualmente producen un impacto importante en la zona donde se construyen y a los organismos y
  15. 15. 2 naturaleza en general que allí viven sobre todo a los que habitan aguas abajo del muro, en el caso de hidroeléctricas con presa. En la actualidad existen alternativas que se han ido desarrollando para la generación de electricidad de una forma más limpia y sustentable como lo son la Energía Eólica (la utilización del viento para generar electricidad) y la Solar (donde se utiliza la radiación del sol) entre otras. La energía Eólica es una forma indirecta de la energía solar. El viento se origina por el desigual calentamiento de la superficie terrestre que por diferencia de temperaturas y presiones atmosféricas ocasiona el movimiento de las masas de aire. La gran desventaja es que la acción del viento es muy variable por cuanto depende de condiciones atmosféricas. Esto lleva a que se requieran exhaustivas mediciones de viento para una precisa evaluación del potencial energético explotable en el emplazamiento. Este tipo de generación de energía eléctrica es una realidad en nuestro país, por ejemplo desde noviembre de 2.007 se encuentra en operación el primer parque eólico conectado al Sistema Interconectado Central (SIC), ubicado en la localidad de Canela, en la Región de Coquimbo entre otros. (energia m. d., www.minenergia/min, 2.010) Aunque la energía Eólica es una excelente alternativa, su aplicación se limita a ciertos puntos del país, donde se encuentren las condiciones (velocidad del viento, área por donde pasa el viento y densidad del viento), es por esto que su uso en conjunto con la energía solar (fotovoltaica, sistemas térmicos) es una alternativa atractiva para lograr disminuir la generación de electricidad por combustibles fósiles.
  16. 16. 3 1.2- Antecedentes y motivación En los últimos años, cerca del 35% de la energía primaria que consume el país proviene del petróleo y 19% corresponde a hidroelectricidad. La restante energía proviene del gas natural (22%), la leña y otros (14%) y el carbón (16%). (MINVU, 2.009) Los cuáles son contaminantes en mayor o menor medida, siendo los que liberan mayor cantidad de CO2 al ambiente; el petróleo, el carbón y la leña, sumando un 65% de la energía primaria total consumida en el país. Gráfico 1, Consumo de energías primarias en Chile. Fuente: Guía de diseño para la eficiencia energética en la vivienda social Energías primarias: Se denomina energía primaria a los recursos naturales disponibles en forma directa (como la energía hidráulica, eólica y solar) o indirecta (después de atravesar por un proceso minero, como por ejemplo el petróleo, el gas natural, el carbón mineral, etc.) para su uso energético sin necesidad de someterlos a un proceso de transformación. (MINVU, 2.009) Por otra parte Chile posee una gran dependencia energética, ya que debemos importar gran parte de los combustibles fósiles (en promedio importamos aproximadamente un 90
  17. 17. 4 %) (MINVU, 2.009) Esto, sumado a un aumento en la demanda de energía en general, ha provocado en los últimos períodos la necesidad de nuevas centrales tanto termo como hidroeléctricas (por ejemplo Hidroaysén) no exentas de polémica por su gran impacto ambiental, y a la vez el aumento de una creciente conciencia ecológica que nos ha llevado a plantearnos en términos reales la necesidad de desarrollar Energías Renovables No convencionales (ERNC), se han hecho esfuerzos como por ejemplo los parques Eólicos en el Norte del país, (Parque Eólico Monte Redondo, Región de Coquimbo; Parque Eólico Canela) Actualmente se dio un gran paso con las modificaciones dispuestas a la ley 20.571 que incorpora cuatro nuevos artículos a la Ley General de Servicios Eléctricos, que buscan establecer el derecho de los clientes regulados que tengan medios de generación ERNC o de cogeneración eficiente a inyectar los excedentes de energía a la red de distribución. (Ing.puc, 2012).Esta iniciativa es conocida como NET METERING o MEDICIÓN NETA y es simplemente la posibilidad de que los clientes residenciales regulados puedan generar electricidad a partir de Energía Renovable No Convencional (ERNC) e inyectar al sistema, con una potencia máxima de 100 kW. (energia, www.minenergia.cl, 2013) Como se mencionó anteriormente falta la aprobación del reglamento que define las condiciones y costos de la conexión a la red. Esta iniciativa beneficia directamente a los usuarios del sistema que quieran y puedan invertir en la generación de electricidad de forma renovable y no contaminante, ya que podrán recuperar su inversión en un plazo que se puede determinar dependiendo de la cantidad de Kilowatts/hora que se consuma y además que se genere. Pero además posee un
  18. 18. 5 gran beneficio a nivel de país y del sistema eléctrico que en conjunto se beneficia por el Net Metering, principalmente por las menores necesidades de inversión en generación e infraestructura de transmisión y distribución en el largo plazo. Además existen menores perdidas de energía ya que ésta es generada y consumida en el mismo lugar o cercano, lo que mejora la eficiencia energética. Lo que persigue este proyecto de título es lograr ser un aporte a la masificación de la utilización de ERNC, especialmente la solar ,realizando un estudio de los beneficios que va a generar a las personas la inclusión de un sistema fotovoltaico sumado a un sistema térmico de calentamiento de agua en su hogar, principalmente por el lado económico, para que de esta forma se incentive su uso en todo el territorio nacional y de esta forma cortar con la dependencia de los combustible fósiles que se extraen o que se deben importar al país por su alto nivel contaminante o su alto costo.
  19. 19. 6 1.3- Objetivos 1.3.1- Objetivo General: • Realizar un estudio técnico-económico del uso de paneles fotovoltaicos y de paneles solares térmicos para calentamiento de agua, en una tipología de vivienda en 3 zonas geográficas de nuestro país. 1.3.2- Objetivos Específicos: • Reconocer los aspectos legales y la normativa que se aplica en Chile con respecto al Net Metering. • Cuantificar la cantidad de electricidad producida por una tipología de vivienda mediante paneles fotovoltaicos para su eventual aporte al Sistema Interconectado. • Realizar los cálculos involucrados para determinar los tiempos y tasa de retorno de la inversión inicial de los paneles fotovoltaicos y paneles solares térmicos.
  20. 20. 7 CAPÍTULO Nº 2 MARCO TEÓRICO 2.1- Introducción Los diferentes países alrededor del mundo han buscado alternativas para la generación de energía de forma limpia y sustentable, a estas se le conocen como Energías renovables no convencionales (ERNC). Las principales ERNC son la energía Solar, Eólica, Geotérmicas, Biomasa, la que utiliza la energía del mar, ya sea por efecto de las olas o corrientes marítimas, e Hidráulicas (centrales de paso). En Chile el desarrollo de estas energías se ha manifestado lentamente en comparación con países más industrializados, aunque en los últimos años se ha avanzado en forma notable, sobre todo en la generación de electricidad, llegando a una capacidad instalada total conectada a los sistemas eléctricos de 1069 MW que corresponde a un 6,06 % de la potencia total según reporte de ERNC del mes de octubre del Centro de Energías Renovables (CER) donde 6,7 MW corresponden a plantas solares y 302 MW a parque eólicos. (renovables, cer.gob.cl, 2013) Centro de energías renovables (CER): Es una institución que depende del Ministerio de Energía, cuya principal función es la de fomentar proyectos de ERNC para que se apliquen en el país. (renovables, cer.gob.cl, 2013) Durante Septiembre, ingresaron 722 MW al Servicio de Evaluación de Impacto Ambiental, de los cuales 714 MW corresponden a iniciativas solares. De los proyectos aprobados, el SEIA calificó favorablemente dos parques solares por 165 MW, dejando a
  21. 21. 8 esta tecnología acaparando el 57% de la cartera con 7.667 MW entre aprobados y en calificación. (renovables, cer.gob.cl, 2013) Estas iniciativas a nivel país son una excelente noticia para el desarrollo de la ERNC y la energía solar en específico. Se espera que con la puesta en marcha de la ley 20.507 acerca del Net metering el desarrollo de estas energías siga en aumento, pero ahora a un nivel residencial, cuyo potencial es insospechado. 2.2- Energía fotovoltaica La energía solar fotovoltaica es simplemente el uso de la radiación solar para convertirla en electricidad en un efecto llamado “fotoeléctrico”. Para llevar a cabo esta conversión se utilizan unos dispositivos denominados células solares, constituidos por materiales semiconductores en los que artificialmente se ha creado un campo eléctrico constante. (http://energiasolarfotovoltaica.blogspot.com, 2006) Son constituidas comúnmente de Silicio. Ahora estas células conectadas en serie o en paralelo forman el llamado panel solar encargado de ajustar la tensión y la corriente que se ajuste a la demanda. El módulo o panel solar es la base de un sistema fotovoltaico, pero este necesita a otros componentes para que funcione en forma correcta y eficiente el sistema. Los equipos básicos que forman parte del llamado Sistema fotovoltaico son los siguientes: Celda o panel solar.
  22. 22. 9 Batería (para las instalaciones desconectadas de la red eléctrica, por ejemplo en sectores rurales) Regulador de carga (para las instalaciones desconectadas de la red) Inversor. Esquema 1, sistema básico de conexión de un sistema fotovoltaico. Fuente: Capacitación sistema fotovoltaico 2009 2.2.1- Paneles fotovoltaicos Un módulo fotovoltaico es la unidad básica de construcción de cualquier sistema FV. Un módulo FV o panel FV consiste en células interconectadas entre si y selladas con un recubrimiento de vidrio y un respaldo impermeable. Los módulos se construyen con marcos adecuados para su posterior montaje. Contiene entre 48 y 72 células conectadas en serie; módulos FV típicos son 0,8 x 1,2 m y 0,8 x 1,6 m (energia m. d., capacitación sistemas fotovoltaicos, 2009)
  23. 23. 10 Para la generación de la energía necesaria para cumplir con la demanda requerida se conectan varios de estos paneles entre sí, teniendo muchas veces como limitante el espacio físico de colocación de estos módulos. 2.2.2- Funcionamiento del panel Cuando la radiación del sol incide en la célula fotovoltaica en forma de luz solar, la línea de separación entre P (semiconductor positivo ubicado en la parte inferior del panel) y N (semiconductor negativo ubicado en la parte superior del panel) actúa como un diodo. Los fotones con suficiente energía que inciden en la célula provocan que los electrones pasen de la capa P a la capa N. Un exceso de electrones se acumula en el lado N mientras que en el lado P se producen déficit. (energia m. d., capacitación sistemas fotovoltaicos, 2009) La diferencia entre la cantidad de electrones es la diferencia de potencial o voltaje, que puede ser usado como una fuente de energía. Con tal de que la luz siga incidiendo en el panel, la diferencia de potencial se mantiene, incluso en días nublados, debido a la radiación difusa de luz. Nota: En días despejados la incidencia de la luz se llama radiación directa y en los nublados difusa, la suma de las dos se denomina radiación global. Un módulo o panel Fotovoltaico está constituido por las siguientes capas: (Espinoza, 2011) • Cubierta de vidrio. • Adhesivo transparente. • Capa antirreflejo.
  24. 24. 11 • Contacto frontal. • Semiconductor tipo-n. • Semiconductor tipo-p. • Contacto posterior. 2.2.3- Clasificación de paneles según su material de construcción 2.2.3.1- Silicio monocristalino La eficiencia de las células mono cristalinas es significativamente mayor que aquellas de silicio multicristalino o poli cristalino. El silicio mono cristalino se produce a partir de lingotes de un único cristal, mientras que la fabricación del multicristalino comienza con la fusión del material. (energia m. d., capacitación sistemas fotovoltaicos, 2009) En laboratorio se han alcanzado rendimientos de hasta 24,7 % y de 16% en paneles comercializados. Imagen 1, celda de silicio monocristalino. Fuente: spanish.alibaba.com
  25. 25. 12 2.2.3.2- Silicio policristalino Los paneles policristalinos se basan en secciones de una barra de silicio que se han estructurado desordenadamente en forma de pequeños cristales. Son físicamente fácil de reconocer ya que presentan en su superficie un aspecto granulado (Espinoza, 2011) Poseen un rendimiento inferior a los paneles de Silicio monocristalinos, siendo de 19,8% en laboratorio y de 14% en los comerciales. Imagen 2, celda de silicio policristalino Fuente: www.prisolar.com 2.2.3.3- Silicio Amorfo Basado también en el Silicio pero a diferencia de los 2 anteriores este no sigue una estructura cristalina. Paneles de este tipo son habitualmente utilizados en pequeños dispositivos electrónicos (calculadoras y relojes) y en pequeños paneles portátiles (Espinoza, 2011) Su rendimiento máximo alcanzado en un laboratorio ha sido de un 13% y comercialmente de un 8%
  26. 26. 13 Imagen 3, celda de silicio amorfo. Fuente: www.alternativasustentable.com 2.2.4- Inversor “Las células fotovoltaicas y módulos generan corriente continua (CC). Dado que la mayoría de los electrodomésticos usan corriente alterna (CA), el inversor se usa para convertir la corriente continua en alterna, adecuando también la frecuencia y la tensión a la red local.” (energia m. d., capacitación sistemas fotovoltaicos, 2009) El cambio de voltaje es necesario ya que los aparatos del hogar y de oficina en su mayoría utilizan corriente alterna. La red eléctrica pública también utiliza CA por lo que igualmente es necesario el inversor para sistemas conectados a la red. Además de convertir la CC en CA alimenta el primario de un transformador que cambia la tensión para obtener los 220 VAC (Voltios corriente alterna) necesarios para equipos de viviendas.
  27. 27. 14 Imagen 4, Fuente: www.tiendaenergia.cl 2.2.5- Regulador de carga Su uso tiene una conexión directa con la batería en sistemas desconectados de la red, por lo que su uso en este proyecto en particular no aplica. Se utiliza principalmente para que el panel solar no consuma la energía almacenada en la batería en las horas en las que no esté produciendo electricidad (durante la noche), ya que el panel se convierte en una resistencia mientras no se encuentre generando energía. El regulador previene este regreso de electricidad. También evita la sobrecarga o aplicación de tensión excesiva en las baterías cuando estas están totalmente cargadas. (Espinoza, 2011) Imagen 5, regulador de carga. Fuente: www.tiendaenergia.cl
  28. 28. 15 2.2.6- Baterías Su uso es para sistemas desconectados de la red. La energía que genera el sistema fotovoltaico es almacenada en las baterías para su posterior utilización en el momento en que el sistema no se encuentre generando energía. Como este proyecto contempla un sistema conectado a la red su uso no es necesario. 2.2.7- Orientación e Inclinación La orientación de los paneles es fundamental para generar la mayor cantidad de energía posible, así como su ángulo de inclinación. Los principales proveedores de paneles recomiendan definir un ángulo para los meses de invierno y otro para los de verano. Si nos encontramos en el hemisferio Sur como es el caso de nuestro país, la mejor orientación es hacia el Norte. La orientación de los paneles en este proyecto irá de acuerdo con la orientación de la vivienda, cuya fachada principal está mirando hacia el Norte, por lo que el lugar idóneo dentro de la techumbre para instalar los paneles es la techumbre Nor-Poniente junto con la que mira directamente hacia el Norte. Respecto al ángulo de inclinación; se utiliza el ángulo que posee la superficie de techumbre que se acerca al óptimo y es de º20. 2.2.8- Factor sombra Produce una baja en el rendimiento del panel solar, por esto es importantísimo escoger de buena forma la ubicación que se le da al panel.
  29. 29. 16 En la vivienda a utilizar no se divisan árboles ni edificios que puedan generar el factos sombra en el sistema, por lo que no se consideran. 2.2.9- Aspectos Constructivos Los módulos fotovoltaicos pueden estar integrados a la cubierta de techumbre o montados en el suelo o sobre barras, pero independiente de esto, deben ser estables y duraderas y ser capaces de resistir el viento, la nieve y granizos. El conjunto FV se puede montar por encima y en paralelo a la superficie del tejado y con una separación de varios centímetros para la refrigeración. En algunos casos, como en los techos planos, se monta una estructura separada en el tejado con un ángulo más cercano al óptimo. Cuando se considera una instalación FV montada en el tejado, debe prestarse atención al revestimiento de éste. (solinet, 2010) Dependiendo del revestimiento se determina el tipo de fijación a utilizar, para no dañar la cubierta en la colocación de panel. A continuación se describe la instalación de un panel fotovoltaico conectado a la red eléctrica, cabe señalar que los kit FV tienen pequeñas variaciones dependiendo de las diferentes empresas proveedoras, en este caso de describe uno de las mas comunes: • Lo primero es colocar en el tejado los rieles de aluminio que soportan los paneles. En la parte inferior se sitúan unos autoadhesivos para garantizar la estanqueidad. • Los rieles se fijan con unos tornillos auto perforantes, a los que se colocan unas juntas de goma para evitar que el agua filtre al interior del hogar. Luego se aprietan con taladro provisto con un dado.
  30. 30. 17 • Una vez que se tienen los dos rieles fijados al tejado, se colocan las pletinas de sujeción y la placa fotovoltaica. Se puede regular la posición de la pletina en función del tamaño de la placa. • Se conectan los cables del panel. • En la caja de conexiones se unen los cables que vienen del panel solar, teniendo en cuenta siempre la polaridad. • Se conecta el inversor a la caja, luego se conecta el sistema FV al medidor de luz. (Elaboración propia, con datos de Manual práctico energía fotovoltaica, 2010) 2.3- El agua caliente sanitaria 2.3.1- Introducción El agua caliente sanitaria (ACS) es fundamental y está presente hace mucho tiempo en la sociedad actual, su disponibilidad en el hogar es una exigencia para el bienestar en todas las viviendas alrededor del mundo, pero no se debe olvidar que representa un verdadero privilegio, ya que se hace uso de 2 recursos escasos como lo son: el agua y la energía. Se estima que en un 90% de los hogares se utilizan calefont para el calentamiento de agua y el porcentaje restante corresponde a termos eléctricos. En el caso de los calefont se deja ver que es un sistema bastante ineficiente desde el punto de vista de la cantidad de agua que se desperdicia antes de que alcance una temperatura apta para consumo y en el
  31. 31. 18 caso de los termos se puede apreciar que se utiliza una gran cantidad de energía eléctrica para calentar el agua, siendo estos 2 recursos: agua y energía, no utilizados de la forma más óptima. La utilización de un sistema solar térmico para calentar agua sanitaria es sin duda la más beneficiosa para el ahorro de agua y energía: • Porque la fuente de energía primaria es siempre gratuita, por lo que no hay costos de utilización de la misma; al contrario que en el resto de fuentes de energía. • Porque la disponibilidad a largo plazo está asegurada ya que la fuente de energía primaria perdura en el tiempo independiente de cualquier otra actividad humana; lo que tampoco ocurre con las otras. • Porque tiene los mejores rendimientos de transformación de la radiación solar en energía útil: del orden del 50%. • La energía solar no contamina en absoluto y es un recurso natural renovable. (energía, 2009) 2.3.2- Descripción de un SST (Sistema Solar Térmico) Un sistema solar térmico transforma la energía radiante del sol en energía térmica y la acumula en forma de agua caliente para luego pasar por un sistema de apoyo para su posterior consumo, en este caso el sistema de apoyo se trata de un calefón ionizado. Es este el encargado de suplir la diferencia térmica que el sistema térmico no alcanzó a cubrir para lograr la temperatura adecuada para consumo. (energía, 2009) En una configuración básica de un SST puede distinguirse lo siguiente:
  32. 32. 19 • Sistema de captación: transforma la radiación solar incidente en energía térmica aumentando la temperatura de un fluido de trabajo. • Sistema de acumulación: almacena el agua caliente hasta que se precise su uso. • Sistema de intercambio: realiza la transferencia de energía térmica entre el fluido de trabajo, que circula por el circuito primario, y el del circuito secundario (agua de consumo). • Sistema de apoyo (auxiliar o de respaldo): complementa el aporte solar suministrando la energía necesaria para cubrir el consumo previsto. En algunos aspectos, este sistema no se considera incluido en el SST. • Red hidráulica: está constituido por todos los circuitos hidráulicos que son los conjuntos de cañerías, con su aislante, accesorios, bombas, válvulas, etc. que interconectan los distintos sistemas y mediante la circulación de fluidos producen la transferencia de calor desde el sistema de captación hasta el consumo. 2.3.2.1- Temperatura de consumo Normalmente casi todo el gasto de agua caliente se produce entre los 35 y 45ºC, siendo utilizada el agua menos caliente para el lavado de manos y la más caliente para la limpieza en fregaderos. Una temperatura de hasta 38ºC, tres o cuatro grados superior a la del cuerpo, es más que suficiente no sólo para la higiene sino para la sensación de comodidad. (energía, 2009)
  33. 33. 20 En general la temperatura mínima que debe tener el agua de consumo en el punto más alejado del sistema es de 50º y la instalación permitirá que el agua alcance los 70º. Todo esto para prevención de la Legionelosis. (energia M. d., 2007) Legionelosis: La enfermedad del legionario o legionelosis es una infección pulmonar (neumonía) cuyo agente causal principal es la bacteria conocida como Legionella pneumophila. Se transmite mediante la inhalación de partículas de agua contaminada y aerosol izada mediante diversos mecanismos (torres de refrigeración, duchas). Esta bacteria muere a temperaturas entre 60º a 80º. (wikipedia, 2010) 2.3.2.2- SST El sistema más simple para lograr el calentamiento de aguas sanitarias en una vivienda usando la energía solar consiste en un panel colector y un depósito de almacenamiento de agua.
  34. 34. 21 Esquema 2, Sistema directo e indirecto de un sistema de agua caliente sanitaria. Fuente: Energía solar térmica I, ministerio de Energía, 2007 Uno de los consumos de energía mas importantes en la vivienda corresponde al gas licuado (energía convencional) para ACS, el que puede ser disminuido de manera considerable al utilizar el sol (energía renovable). Un sistema solar térmico permite transformar la radiación solar en energía calorífica útil, consiguiendo el máximo de ahorro de energía convencional. (MINVU, 2.009)
  35. 35. 22 La idea es que el sistema solar del proyecto se convierta en un complemento a la forma actual de calentamiento de agua que posee la vivienda, ya que se suma a la instalación sanitaria que posee la casa cuyo artefacto utilizado para el calentamiento de agua es a través de un calefón ionizado. El concepto es el siguiente: el agua sanitaria que baja desde el sistema térmico se conecta con la red sanitaria de la vivienda que pasa por el calefón. Durante los meses de mayor radiación solar el sistema logra calentar el agua a temperatura apta para consumo, por lo que no es necesario que el calefón adicione energía térmica al agua. Ahora durante el tiempo que el sistema térmico no logre aumentar la temperatura a niveles de consumo, debido a la baja radiación, el calefón entrará en funcionamiento supliendo la energía necesaria para alcanzar la temperatura de uso. Con esto se pretende lograr un ahorro familiar significativo en lo que respecta a la compra de gas licuado, utilizando una energía renovable y disminuyendo el uso de este combustible fósil. Existen 2 formas de hacer circular el agua en un sistema térmico de paneles solares y se describen a continuación: 2.3.2.3- De Circulación Natural Un sistema de circulación natural conlleva consigo el fenómeno de termosifón, el cual consiste en hacer circular el fluido a través de conductos sin ser impulsado por bombas, sino sólo causado por cambios de densidades debido al calentamiento y enfriamiento que experimenta el fluido en diferentes zonas. (energia M. d., 2007)
  36. 36. 23 Este principio consiste en hacer circular el agua de forma natural (sin bombas) ya que este utiliza la fuerza motriz que proviene de las diferencias de densidades del líquido a calentar. Nos indica que el agua caliente posee menor densidad que la fría, por lo tanto posee un menor peso, de esta forma el agua caliente sube hacia el colector ubicado en la parte superior del sistema y luego pasa a la red sanitaria. Este tipo de sistemas que utilizan este principio son las más comunes y sencillos que existen actualmente en el mercado, pero obliga a colocar el depósito en la parte superior del sistema. Recomendaciones adicionales para sistemas de circulación natural Es importante en este tipo de sistema de circulación el correcto diseño de los distintos componentes y circuitos que integran el sistema de forma que no se introduzcan grandes pérdidas de carga y se desfavorezca la circulación del fluido por termosifón. Para esto se recomienda prestar atención a: a) El diseño del captador y su conexionado: Preferentemente se instalarán captadores con conductos distribuidores horizontales y sin cambios complejos de dirección de los conductos internos. b) El trazado de cañerías: Deberá ser de la menor longitud posible, situando el acumulador cercano a los captadores. En ningún caso el diámetro de las cañerías será inferior a DN15 (Diámetro Nominal, se refiere al diámetro interior del tubo y equivale a ½ pulgada) c) El sistema de acumulación: Depósitos situados por encima de la batería de captadores favorecen la circulación natural.
  37. 37. 24 d) Válvulas de Seguridad: Es imprescindible la incorporación de válvulas de seguridad tanto de presión como de temperatura en los circuitos. (energia M. d., 2007) 2.3.2.4- De circulación forzada Un sistema activo o de circulación forzada requiere del uso de bombas para lograr hacer circular el fluido del sistema, se utiliza principalmente en viviendas de mayor tamaño con más de un baño y en muchos casos con piscinas temperadas, y en los casos que el principio de termosifón se vuelve poco eficiente. Las dos formas de circulación del fluido descritas anteriormente pueden utilizarse en sistemas tanto directos como indirectos y se describen a continuación: 2.3.2.5- Sistema Directo Un sistema directo consiste en calentar agua fría en el colector y luego enviarla al depósito de almacenamiento, después agua fría proveniente de la red llega al colector nuevamente y se calienta, y así sucesivamente. (energia M. d., 2007) Es el sistema más rentable y eficiente que existe en el mercado, además del más usado, pero su uso se limita a lugares donde las temperaturas no bajen constantemente de los 0º por el riesgo de congelamiento del fluido. Siempre que se opte por un sistema directo se aportará documentación, obtenida en la Dirección Meteorológica de Chile u otra entidad similar, donde se demuestre que la zona donde se va a realizar la instalación no tiene riesgo de heladas. (energia M. d., 2007)
  38. 38. 25 Ejemplo de un sistema solar directo por termosifón Esquema 3, sistema directo por termosifón. Fuente: Estudio del mercado solar chileno, Transénergie SA, 2006 2.3.2.6- Sistema Indirecto Circula un líquido caloportador que se calienta en el colector y circula a través de una red que pasa por el interior del depósito y por medio de un intercambiador de calor le aporta sus calorías al líquido frío que contiene el depósito. (energia M. d., 2007) El líquido caloportador del sistema es anticongelante, y el agua de consumo se encuentra dentro del depósito y se calienta por la circulación de este líquido por medio de un intercambiador de calor, por lo que no existe el riesgo de que se congele el agua a consumir.
  39. 39. 26 Ejemplo de un sistema indirecto por termosifón Esquema 4, sistema indirecto por termosifón. Fuente: Estudio del mercado solar chileno, Transénergie SA, 2006 Por las características de los diferentes tipos de sistemas de calentamiento de agua sanitaria antes señalado y por la recomendación de la “Guía de diseño para la eficiencia energética en la vivienda social” Se utilizará un sistema de circulación natural y de circuito indirecto, ya que esta guía lo señala claramente en el siguiente párrafo que dice: “Para el caso de viviendas unifamiliares la configuración recomendable en la generalidad de los casos corresponde a aquella con circuito indirecto y circulación por termosifón”
  40. 40. 27 2.3.3- Componentes de un Sistema térmico para agua caliente sanitaria 2.3.3.1- Colector Solar El colector solar térmico es el dispositivo que transforma la radiación solar en energía térmica (calor); ésta se transfiere a un fluido caloportador o directamente al agua aumentando su temperatura. Esto depende si se utilizará un sistema de circulación directo o indirecto, en este proyecto se utilizará un líquido caloportador para transferir energía calórica al agua de consumo o sea un sistema indirecto. El colector es el principal componente del sistema de captación y el elemento más representativo de las instalaciones solares térmicas. Además de producir el calor de manera eficiente, el colector debe estar diseñado para soportar la continua exposición a condiciones exteriores tales como lluvia, nieve, granizo, polvo, etc. y para resistir las altas y bajas temperaturas a las que va a estar sometido. 2.3.3.2- Colector solar plano El tamaño de los colectores más utilizados se encuentra en el rango de los 2m2, aunque se fabrican colectores de diferentes tamaños. El peso aproximado de un colector plano con una cubierta de cristal, que es el más utilizado en instalaciones de ACS, varía entre 15 y 25 [Kg / m2]. (energía, 2009)
  41. 41. 28 Componentes principales de un colector solar plano Esquema 5, componentes de un colector solar plano. Fuente: Sistemas solares térmicos II, 2009 Está compuesto principalmente de la cubierta, que normalmente es de vidrio, y el absorbedor que corresponde a una placa plana que se calienta al recibir la radiación del sol a través de la cubierta. El principal objetivo de la cubierta es reducir las pérdidas térmicas por radiación y convección y mantener la estanqueidad del colector. (energía, 2009) Convección: es el transporte de calor por medio del movimiento del fluido, por ejemplo: al calentar agua en una cacerola, la que está en contacto con la parte de abajo de la cacerola se mueve hacia arriba, mientras que el agua que está en la superficie, desciende, ocupando el lugar que dejó la caliente. (wikipedia, 2010) La función del absorbedor se basa principalmente en la radiación solar en energía térmica. El material más utilizado como absorbedor es el cobre, en menor medida se usa el aluminio o el acero. (energía, 2009) El colector solar plano funciona basado en el llamado “Efecto invernadero”
  42. 42. 29 • De la radiación solar incidente, de longitud de onda corta 0,3-3 μm (micrómetro = 1x10-6 ), una parte es reflejada, otro pequeño porcentaje es absorbido por la cubierta y una gran parte la atraviesa e incide sobre el absorbedor que la transforma en calor aumentando su temperatura. • El absorbedor, al calentarse, emite radiación en una longitud de onda larga (3-30 μ m), que no puede salir al exterior debido a que la cubierta es opaca frente a esa radiación. (energía, 2009) Imagen 6, colector solar plano. Fuente: http://spanish.alibaba.com 2.3.3.3- Colector solar de tubos de vacío Se reducen las pérdidas térmicas tanto por convección como por conducción, al hacerse el vacío en el espacio entre el absorbedor y el tubo exterior. El nivel de vacío es lo más importante para la reducción de las pérdidas, lamentablemente es lo más difícil de garantizar a largo plazo. Un colector de tubos al vacío está compuesto por un conjunto de tubos, conectados en un distribuidor, cada uno de los cuales está formado por uno o más tubos por donde
  43. 43. 30 circula el fluido a calentar y un tubo de vidrio como cubierta y envolvente exterior. (energía, 2009) Imagen 7, colector solar de tubos al vacío. Fuente: www.anpasol-energiasolar.com 2.3.3.4- Acumulador El acumulador solar o depósito acumulador (DA) se utiliza para almacenar el agua caliente producida en el colector solar hasta que se precise su uso. Por lo tanto, debe mantener la calidad sanitaria del agua, colaborar en la buena eficiencia de la instalación y evitar las pérdidas térmicas para no perder temperatura. (energía, 2009) 2.3.4- Clasificación de acumuladores Los acumuladores pueden clasificarse según su disposición y de acuerdo a si poseen o no un intercambiador de calor incorporado.
  44. 44. 31 2.3.4.1- Según su disposición Esquema 6, posición de colectores. Fuente: Sistemas solares térmicos II, 2009 Pueden colocarse en forma horizontal o vertical. La disposición afecta significativamente a la distribución vertical del gradiente de temperaturas (estratificación) y a la circulación interna del agua caliente que dificulta (horizontal) o favorece (vertical) la estratificación. (energía, 2009) Estratificación: El agua del acumulador, cuando se calienta, disminuye su densidad y tiende a subir mientras el agua fría, más densa y pesada, tiende a bajar. El mejor aprovechamiento de la energía térmica se consigue cuando el agua caliente en el interior del acumulador se almacena con un gradiente vertical de temperaturas y se evitan flujos entre las capas de agua a distinta temperatura. (energía, 2009) En el acumulador horizontal la temperatura del agua es más homogénea, es decir, tiene poca estratificación por lo que necesita más energía para lograr elevar la temperatura
  45. 45. 32 del agua. En cambio en el acumulador vertical se tienen temperaturas heterogéneas con el agua caliente en la parte superior, o sea, mayor estratificación. 2.3.4.2- Por la disponibilidad del intercambiador de calor Se refiere a que si se encuentra o no incluido el intercambiador dentro del acumulador. Cuando está incorporado recibe el nombre de interacumulador y cumple la doble función de intercambio de calor y acumulación del agua sanitaria; cuando no se encuentra incluido el SST requiere un intercambiador externo. Los interacumuladores disponen de un intercambiador de calor incorporado, éste está diseñado para transferir el calor del fluido del circuito primario al agua contenida en el acumulador. Hay distintos tipos de intercambiadores de calor internos, como los de doble envolvente o los de haz de tubos, pero los más usados son los de serpentín. (energía, 2009) El interacumulador se coloca normalmente en la parte baja del acumulador, allí al agua está más fría, mientras el intercambiador va calentando el agua esta va subiendo favoreciendo la estratificación. 2.3.5- Materialidad del Acumulador Un acumulador de agua para consumo domiciliario puede llegar a almacenar agua a temperaturas de 100º, por lo que las partes que lo conforman deben poseer un aislamiento térmico adecuado para cumplir dicha función. Se deben tener en cuenta aspectos importantes de la instalación como son los regímenes de calentamiento en el acumulador, características del agua y sus cambios de composición a través del tiempo y el comportamiento del revestimiento interno.
  46. 46. 33 Los materiales habitualmente empleados para los acumuladores de ACS son el acero negro con revestimiento plástico (resinas epoxi), el acero negro vitrificado y el acero inoxidable. (energía, 2009) La empresa chilena de energía solar “Chisol S.A” una de las más grandes del país, utiliza en sus acumuladores: en el interior lámina de acero inoxidable con 5cm de espuma poliuretano como aislante y exterior galvanizado, empaque de silicona. 2.3.6- Intercambiador de Calor El intercambiador es el componente que separa circuitos con distintos fluidos y permite realizar la transferencia de calor entre ellos. (energía, 2009) El uso de los intercambiadores tiene las siguientes ventajas para las instalaciones: • Permite utilizar mezclas de agua con anticongelante como fluido de trabajo en el circuito primario evitando de esta manera los problemas de heladas. • Evita la existencia de depósitos calcáreos en el circuito primario, especialmente en los colectores, cuando existen aguas duras. • Disminuye el riesgo de corrosión en el circuito primario ya que, si no existen renovaciones continuas de agua, es mínimo el contenido de oxígeno disuelto en agua y, además, permite utilizar inhibidores de la corrosión. (energía, 2009) Como ya mencionó anteriormente se encuentran 2 tipos de intercambiadores los internos y los externos, o sea, los que se encuentran dentro del acumulador o fuera.
  47. 47. 34 Se debe señalar que el uso de intercambiadores de calor es exclusivo para sistemas solares indirectos, ya que en los directos es la propia agua de consumo la que pasa por el circuito primario y de esta forma circulando por los colectores. Como ya se mencionó anteriormente el SST utilizado en este proyecto es uno indirecto. 2.3.7- Estructura de Soporte En el caso de que la techumbre no resista la estructura soportante con el sistema térmico se deberá diseñar una estructura auxiliar como es el caso de este proyecto. El diseño y la construcción de la estructura y el sistema de fijación de este deben permitir las necesarias dilataciones térmicas, sin transmitir cargas que puedan afectar a la integridad de los captadores o al circuito hidráulico. 2.3.8- Montaje de estructura soporte y captadores Si los captadores son instalados en los tejados, deberá asegurarse la estanquidad en los puntos de anclaje. El calentador se ancla directamente a la estructura de techumbre por sobre la cubierta en los casos que el peso del equipo lo permita, sino, se debe construir una estructura auxiliar preferentemente de acero inoxidable. Se debe asegurar que no queden tejas rotas o algún tipo de daño a la cubierta dependiendo de su materialidad y que los puntos de anclaje queden totalmente estancos. El tipo de estructura soportante del calentador solar que utiliza la empresa “Chisol Energía Solar”, a modo de ejemplo, consiste en:
  48. 48. 35 • 2 estructuras laterales cada una con un soporte de tanque, 1 pata trasera y 1 delantera (barra de 1” x 1”) y 2 estabilizadores (2/4” x ½”). • 1 estructura central y 2 cruces en la parte trasera. Las barras de la cruz tienen un agujero en el medio donde se unen por un tornillo. 2.4- Acimut y Ángulo de Inclinación Tanto para soluciones fotovoltaicas como para Sistemas solares térmicos se debe escoger el ángulo Acimut según la orientación de la vivienda y el ángulo de inclinación adecuado del panel para un funcionamiento óptimo del sistema. 2.4.1- Acimut Corresponde al ángulo entre la proyección sobre el plano horizontal de la normal a la superficie del colector y el meridiano del lugar, debe ser expresado como número entero y en grados (º) cuyo rango varía entre 180º y -180º. Esto quiere decir, que se ubica la orientación de la vivienda con respecto al Norte 0º y se designa el ángulo de la vivienda. Imagen 8, Acimut. Fuente: Guía de diseño para la eficiencia energética para la vivienda social
  49. 49. 36 Los valores representativos son 0º para los colectores orientados al Norte, 90º para colectores orientados al oeste, -90º para colectores orientados al este, y 180º o -180º para colectores orientados al sur. En este proyecto la orientación será completamente hacia el Norte, por lo que el valor del Acimut es 0º. 2.4.2- Ángulo de Inclinación La inclinación óptima para sistemas solares fotovoltaicos como térmicos es igual a la latitud del lugar según el Ministerio de vivienda y Urbanismo, sin embargo, la techumbre de la vivienda del estudio posee una pendiente de 35%, lo que entrega una inclinación de 20º aproximado. Con esta inclinación se instalarán los paneles. Variaciones en la orientación y en la inclinación respecto del óptimo producen pérdidas (hacen disminuir su rendimiento). 2.5- Algoritmo Fchart V3 Es una planilla de cálculo donde existe un algoritmo `para la verificación del cumplimiento de la contribución solar mínima (CSM) de sistemas solares térmicos que se acogen al beneficio tributario que presenta la ley 20.365. Este algoritmo y sus bases son los que se señalan en la Norma Técnica RES. (E) Nº 502. Aunque este proyecto no se acoja a la ley 20.365 igualmente se utiliza este algoritmo que representa un excelente parámetro para escoger un sistema solar térmico que entregue mayor confianza y sea el más óptimo a utilizar.
  50. 50. 37 2.5.1- Contribución Solar Mínima (CSM) La contribución solar mínima anual es la fracción entre los valores anuales de la energía solar aportada exigida y la demanda energética anual, obtenidos a partir de los valores mensuales (cte, 2012) Esta CSM representa la energía aportada al sistema térmico y depende de las características del colector solar, así como del lugar geográfico donde este emplazada la vivienda. Existen distintos valores de CSM exigida para las diferentes comunas a lo largo de Chile, dato que entrega el Fchart V3. 2.5.2- Datos Obligatorios a ingresar en algoritmo a. Comuna: Está incorporada en base de datos interna, ingrasando este dato el programa proporciona: latitud media, zona climática, CSM y valor a verificar de de la CSM (se define para cada una de las zonas climáticas un margen de tolerancia en la verificación de un 15% de la CSM exigida) b. Tipo de SST: Se debe indicar si el sistema abastece a una vivienda unifamiliar o multifamiliar. Si es unifamiliar se debe ingresar el Nº de dormitorios. Si es multifamiliar se debe ingresar el Nº de viviendas. Con esto el algoritmo calcula la demanda total diaria de agua caliente (l/día) considerando una demanda diaria de 40 lt.
  51. 51. 38 c. Volumen de almacenamiento del depósito acumulador (l): Este dato corresponde a cada SST a instalar: d. Superficie de colectores (m2 ): Corresponde a la superficie entregada por el proveedor SST: e. Inclinación: Corresponde al ángulo entre la superficie del colector y el plano horizontal expresado en grados, según el MINVU debería ser igual a la latitud del lugar, expresado en un múltiplo de 5. f. Orientación CST (acimut): En este caso es 0º, ya que el sistema mira directamente al Norte. g. Factor global de pérdida: Es la pérdida lineal del colector y se expresa en (w/m2 k) dato entregado por el fabricante. h. Eficiencia óptica del colector: Se expresa en porcentaje, dato por el fabricante.
  52. 52. 39 i. Pérdidas por sombra: se expresa en porcentaje, dependerá de si el SST le afectan sombras durante el día. No se consideran sombras en este estudio. j. Para el cálculo de ahorro: se debe ingresar que tipo de energía convencional utiliza la vivienda, en este caso es gas licuado. Se debe ingresar el valor por kilo. k. Valor calculado de la CSM: Indica si cumple o no cumple con la CSM y se expresa en porcentaje. 2.6- Software de diseño y simulación de sistemas fotovoltaicos: PVSYST v.6 Es uno de los principales software de simulación para instalaciones fotovoltaicas en el mundo. Se trata de un software de uso para el estudio, calibración, análisis de simulación de los datos de los sistemas completos FV. Descripción del sistema de simulación 2.6.1- Pantalla preliminar Presenta los parámetros iniciales de partida es si se trata de una instalación conectada a la red o autónoma.
  53. 53. 40 Una instalación conectada requiere como datos de entrada el área disponible, la potencia nominal o la energía a obtener deseada. Los parámetros adicionales son las propiedades generales acerca de la tecnología fotovoltaica. Ejemplo de pantalla preliminar Gráfico Nº 2, pantalla preliminar software PVSYST. Fuente PVSYST. 2.6.2- Pantalla principal Realiza una simulación detallada utilizando valores horarios, que ayuda al usuario a definir el campo fotovoltaico, y a la selección correcta de los componentes de la instalación. Se puede generar un informe completo con todos los parámetros y resultados principales. La orientación del plano se puede definir en distintas configuraciones, siendo calculadas la irradiación disponible según la inclinación del módulo.
  54. 54. 41 El propio software devuelve como salida una propuesta de número de inversores, y una posible disposición de los paneles (el número de módulos en serie y en paralelo) dependiendo de la marca y la capacidad de los módulos a utilizar. Estos se encuentran en la base de datos del software. Luego se escoge la ciudad el país y la ciudad donde se ubica el proyecto para que el software cargue las características climatológicas y de radiación solar del lugar. Gráfico 3, pantalla características climatológicas PVSYST. Fuente PVSYST. Posteriormente se determinan la inclinación y el acimut de la instalación fotovoltaica. En la parte de “optimización con respecto a” Se pincha en productividad de irradiación anual del sistema para que evalúe la cantidad de energía generada dentro de todo el año y no solo en invierno o verano.
  55. 55. 42 Gráfico Nº 4, definición de acimut. Fuente PVSYST. Ejemplo de pantalla principal Gráfico Nº 5, pantalla principal PVSYST. Fuente PVSYST.
  56. 56. 43 Ejemplo de pantalla de elección del sistema Gráfico Nº 6, pantalla elección del sistema. Fuente PVSYST
  57. 57. 44 2.7- Net Metering 2.7.1- Introducción También llamado NET BILLING o MEDICIÓN NETA, no es otra cosa que la posibilidad de que tanto las empresas como el sector residencial puedan generar electricidad por medio de una energía renovable no convencional (ERNC) e inyectar esa energía a la red pública, produciendo una disminución en el consumo de electricidad de la vivienda. En los casos donde la energía producida sea menor que el consumo, la empresa deberá cancelar estos excedentes a la familia. Este sistema de incentivo de generación de electricidad por medio de una ERNC ya se ha incorporado hace algún tiempo en países como España, Japón y Alemania y han abierto un nuevo panorama al respecto, que ya está tomando forma en nuestro país. Esta iniciativa es un enorme incentivo para la utilización de ERNC en nuestro país, ya que las familias comunes podrán ser generadores de electricidad, pero de una forma limpia y sustentable. Si los hogares comenzaran a utilizar de forma masiva estos tipos de generación de energía se podría reducir en forma considerable la necesidad de generar electricidad mediante combustible fósiles o a través de centrales hidroeléctricas.
  58. 58. 45 2.7.2- Aspectos Generales En nuestro país se han introducido medidas para fomentar la generación de electricidad por el sistema Net Metering modificando las leyes actuales. Ley 20.571: Tabla 1, medidas para fomentar el Net Metering. Fuente: Elaboración propia con datos de (Net Metering) (Álvaro Sairafi Bazán - Diego Ortiz Benítez, Web.ing.puc.cl, 2012). La llamada Ley “Net Metering” fue aprobada recientemente en febrero de 2012, pero aún no entra en vigencia a falta de la reglamentación que regula el pago de las tarifas eléctricas de las generadoras residenciales.
  59. 59. 46 Esta ley busca establecer el derecho de los clientes regulados que tengan medios de generación ERNC o de cogeneración eficiente a inyectar los excedentes de energía a la red de distribución. Este derecho se encuentra establecido para los clientes cuyos medios de generación no superen los 100 kilowatts y no afecten la seguridad operacional de las redes de distribución. (Ing.puc, 2012) Este nuevo sistema Net Metering es muy atractivo en el aspecto económico que es donde justamente apunta la ley, porque si bien es cierto que conlleva una inversión inicial, esta debería ser recuperada en un plazo determinado. El beneficio económico se verá reflejado rápidamente en la boleta del primer mes de puesta en marcha del sistema de energía renovable no convencional, ya que habrá un descuento en el cobro gracias a la electricidad generada por el sistema. Las remuneraciones por las inyecciones de energía serán descontadas de la facturación del mes respectivo a la inyección, y en caso de un saldo a favor del cliente, éste se trasladara a los meses siguientes ajustado por el IPC. En caso de que no sea posible descontar este remanente en futuras facturas dicho monto deberá ser pagado al cliente a diferencia de otros países donde se permite que el descuento solo llegue hasta el monto de consumo eléctrico de un periodo determinado y que no sea pagado en caso de ser excedentario en inyecciones. (Ing.puc, 2012) La ley 20.571 también especifica que los ingresos obtenidos por los clientes finales en virtud de esta normativa no constituyen renta y por lo tanto no estarán afectos a IVA. A este beneficio no podrán acogerse los contribuyentes de primera categoría.
  60. 60. 47 En opinión del Ministerio de Energía, el proyecto aprobado por el congreso se adapta bien al esquema de mercado del país y genera los incentivos a los usuarios para hacer las inversiones. Ahora toca que la industria que fabrica y comercializa paneles, molinos, inversores y demás componentes baje en parte sus costos para que finalmente se cumplan los objetivos dispuestos por esta ley. (Ing.puc, 2012) Las empresas distribuidoras de paneles (en el caso de la energías fotovoltaica) ya han bajado sustancialmente sus precios llegando a montos más accesibles, también se han adecuado a la ley net metering creando kits especiales para esto, utilizando sistemas on-grid (conectados a la red) o sea, que no necesitan baterías para almacenar electricidad 2.7.3- Propuesta de reglamentación para el pago de tarifas eléctricas de las empresas distribuidoras A continuación se describen algunas disposiciones en general del net metering en nuestro país y que competen a las instalaciones domiciliarias. Basándose en la “Propuesta de reglamentación para la Ley que Regula el Pago de las Tarifas Eléctricas de las Generadoras Residenciales” (Ley 20.571) circulada en Octubre de 2012 elaborada por la Comisión Nacional de Energía, la cual se debe señalar, no está aprobada y que actualmente se encuentra en Contraloría de la República. Las disposiciones se aplican a clientes finales sujetos a fijación de precios, que generen para su propio consumo energía eléctrica por medio de una ERNC y ejerzan su derecho de inyectar esta energía a la red de distribución, a través de sus respectivos empalmes cuya capacidad instalada de generación no superen los 100 kw.
  61. 61. 48 El cliente final que posea un sistema de generación de energía deberá velar por el buen funcionamiento de este. Las empresas distribuidoras no podrán exigir a los clientes finales exigencias técnicas especiales a las que dictamina la ley. La fiscalización del cumplimiento de la reglamentación estará a cargo de la Superintendencia de Electricidad y Combustibles (SEC) quien podrá autorizar a Organismos de Certificación (OC), Laboratorios de Ensayo (LE) y Organismos de Inspección (OI) u otras entidades de control para que efectúen, bajo su exclusiva responsabilidad, la inspección de las instalaciones domiciliarias de generación de energía mediante una ERNC. La Superintendencia mantendrá un catastro actualizado de los Equipamientos de Generación habilitados para ser instalados. Solo podrán inyectar energía a la red aquel Equipamiento de Generación que se encuentre incluido en el catastro indicado en el párrafo anterior. Los clientes finales que deseen hacer uso del derecho a inyectar energía eléctrica, dispuesto en el artículo 1° del presente reglamento, deberán presentar una Solicitud de Conexión (SC) a la Empresa Distribuidora respectiva, en la cual conste su intención de instalar Equipamiento de Generación.
  62. 62. 49 En función de la información otorgada por el cliente de acuerdo al artículo anterior y con el objeto de materializar su respuesta, la empresa distribuidora elaborará un Informe de Factibilidad Técnica (IFT), otorgando la conformidad a la SC o realizando las observaciones necesarias. (nacional, 2012) Si bien el reglamento en el cual se basan estas disposiciones no es el definitivo, estas disposiciones generales antes nombradas no deberían sufrir modificaciones. La razón del porqué el reglamento esta aún en evaluación tiene relación con los costos asociados a la instalación y a la certificación de esta, así como las exigencias que la comisión nacional de energía determinó, que conllevan a elevar el costo de la aplicación de sistemas de generación renovables no convencionales en los clientes finales y que desincentivan la utilización de estas, y que según el autor van en contra del espíritu de la ley net metering. Acerca de la instalación, inspección y puesta en servicio del sistema: Una vez efectuada la instalación del Equipamiento de Generación, el solicitante deberá requerir a un Organismo de inspección (OI) u otra entidad de control autorizada por la Superintendencia, la realización de una inspección a las instalaciones, a fin de que realicen o hagan realizar, bajo su exclusiva responsabilidad, las pruebas y ensayos que la Superintendencia, mediante resolución, estime necesarias para constatar que el Equipamiento de Generación cumpla con las especificaciones establecidas. Las obras adicionales en la red y las adecuaciones, necesarias para la instalación de un Equipamiento de Generación, deberán ser solventadas por el solicitante, y no
  63. 63. 50 podrán significar costos adicionales a los demás clientes de la Empresa Distribuidora. En caso que la instalación de un Equipamiento de Generación requiera la adecuación del empalme respectivo, los costos asociados a su ampliación, recambio y mantención, serán de cargo del solicitante. Dichos empalmes deberán ser construidos, ampliados o modificados en conformidad con la normativa vigente, y su ejecución podrá ser llevada a cabo indistintamente por la Empresa Distribuidora o por el propietario del Equipamiento de Generación respectivo. (nacional, 2012) 2.7.3.1- Acerca de la remuneración y pagos del sistema de generación: Las inyecciones de energía eléctrica que realicen los clientes que dispongan de Equipamiento de Generación, serán valorizadas al precio de nudo de energía. En aquellos sistemas eléctricos con capacidad instalada superior a 200 MW el precio de nudo de energía corresponderá al precio de nudo promedio de energía que la concesionaria de servicio público de distribución deba traspasar a sus clientes regulados. La valorización de las inyecciones de energía será descontada de la facturación correspondiente al mes en el cual se realizaron dichas inyecciones.
  64. 64. 51 En caso de que, una vez aplicado dichos descuentos, resultare un remanente a favor del propietario del Equipamiento de Generación que no haya podido ser descontado de la respectiva facturación, el mismo deberá ser imputado y descontado de la o las facturas subsiguientes, las cuales no podrán exceder de seis. El remanente de inyección del Equipamiento de Generación que no haya podido ser descontado de las facturas emitidas durante el período establecido en el punto anterior, deberá ser pagado por la Empresa Distribuidora al mes siguiente de éste, salvo que el cliente haya optado por otro mecanismo de pago en el contrato de conexión. Precio de nudo: Los precios de nudo se fijan semestralmente, en los meses de abril y octubre de cada año. Su determinación es efectuada por la Comisión Nacional de Energía (CNE), quien a través de un Informe Técnico comunica sus resultados al Ministerio de Economía, Fomento y Reconstrucción, el cual procede a su fijación, mediante un Decreto publicado en el Diario Oficial. (http://www.cne.cl corporacion nacional de energia) La mayoría de las empresas y personas relacionadas con el sector no ven muy favorable el reglamento publicado por la comisión de energía, ya que como se dijo anteriormente encarece la instalación de estos sistemas dejando todos los costos asociados en manos de las personas que desean implementar esta posibilidad de generación en sus hogares, además de cancelar a los usuarios sus inyecciones a la red pública a un precio menor al que se le cobra los kwh consumidos.
  65. 65. 52 2.8- Sistemas Eléctricos Interconectados Existen 4 sistemas interconectados en nuestro país que permiten generar y transportar la electricidad generada a los diferentes puntos del territorio. Estos son: El Sistema Interconectado del Norte Grande (SING), que cubre el territorio comprendido entre las ciudades de Arica y Antofagasta (esto incluye a Pisagua, Tocopilla e Iquique) con un 28,06% de la capacidad instalada en el país, el Sistema Interconectado Central (SIC), que se extiende entre las localidades de Taltal y Chiloé con un 71,03% de la capacidad instalada en el país, es el más extenso del país e incluye la región metropolitana, el Sistema de Aysén que atiende el consumo de la Región XI con un 0,29% de la capacidad; y el Sistema de Magallanes, que abastece la Región XII con un 0,62% de la capacidad instalada en el país. La vivienda utilizada para este estudio se encuentra en la región metropolitana y será ubicada también, para efecto de parámetros de diseño, en la zona Norte y la zona Sur de nuestro país aunque solo teóricamente. Los sistemas que intervienen son solo 2: el SING y el SIC, que son los de mayor importancia por su envergadura. 2.8.1- Sistema Interconectado del Norte Grande (SING) El SING está constituido por las empresas generadoras y líneas de transmisión que abastecen a la I y la II región. El 90 % de los clientes son grandes empresas mineras e industriales y el resto son empresas que abastecen a clientes particulares.
  66. 66. 53 Operan en el SING un total de 6 empresas de generación que junto a una empresa de transmisión conforman el Centro de Despacho Económico de Carga del SING (CDEC- SING) (http://www.cne.cl corporacion nacional de energia) El SING cuenta con una capacidad instalada de 3.601,9 MW a Diciembre de 2007. El parque generador es eminentemente termoeléctrico, constituido en un 99,64% por centrales térmicas a carbón, fuel, diesel y de ciclo combinado a gas natural. Sólo existen dos unidades hidroeléctricas correspondientes a las centrales Chapiquiña y Cavancha, que representan sólo un 0,36% de la capacidad instalada. (http://www.cne.cl corporacion nacional de energia) Durante el año 2007 la demanda de electricidad llegó a los 1665 MW y la generación bruta a los 12665 GWh. Intervienen en el SING 3 empresas de distribución: EMELARI S.A que abastece a la ciudad de Arica, ELIQSA S.A que opera en Iquique y ELECDA S.A que entrega electricidad a la ciudad de Antofagasta, Calama y a una parte del Sistema Interconectado Central. 2.8.2- Sistema Interconectado Central (SIC) Es el principal sistema interconectado del país entregando electricidad al 90% del país, se extiende desde Taltal a la isla grande de Chiloé. El SIC abastece principalmente a clientes particulares (60%) a diferencia del SING que sus principales consumidores son empresas mineras.
  67. 67. 54 El SIC tiene una capacidad instalada de 9.118,2 MW a Diciembre de 2007, perteneciente a un total de 20 empresas de generación que junto a algunas empresas de transmisión, conforman el Centro de Despacho Económico de Carga del SIC. El parque generador está constituido en un 53,46% por centrales hidráulicas de embalse y pasada; un 46,34% por centrales térmicas a carbón, fuel, diesel y de ciclo combinado a gas natural; y un 0,2% por centrales eólicas. (http://www.cne.cl corporacion nacional de energia) 2.9- Zonas climáticas que inciden en el estudio La idea de este proyecto es analizar el comportamiento energético que presenta la vivienda en estudio, que está ubicada actualmente en la región metropolitana (zona centro) y trasladarla teóricamente a la zona Norte y Sur del país, para que de esta forma este estudio sea representativo de acuerdo a las distintas características climáticas a lo largo de Chile (radiación solar, temperatura, Irradiancia, etc.) que al ser un país tan extenso posee diferencias climáticas marcadas dentro del mismo territorio. Al analizar la vivienda en 3 diferentes zonas de Chile: Zona 1 Norte Litoral, 5 Central Interior y 6 Sur Litoral, se persigue representar de la mejor forma los diferentes climas de todo nuestro país, dejando fuera lo que es Sur extremo (por sus condiciones climáticas extremas) y Chile insular, que no están contemplados en el estudio, enfocándose en Chile continental. Se escogieron estas 3 zonas climáticas en específico por encontrarse en ellas ciudades importantes de nuestro país, y también por ubicarse la vivienda de estudio en una
  68. 68. 55 de ellas, se consideran importantes, ya sea por el número de habitantes como por su desarrollo, haciendo que este estudio concentre mayor interés. En la zona Norte Litoral dentro de las ciudades mas importantes se encuentran: la ciudad de Arica con 161.972 habitantes, la ciudad de Iquique con 182.049 habitantes, Antofagasta con 380.695, Coquimbo con 196.838 y La Serena con 201.681 habitantes. (INE, 2012) En la zona Central Interior se encuentra la región Metropolitana con 6.685.685 de habitantes. (INE, 2012) En la zona Sur Litoral en las ciudades más importantes se encuentran: Concepción con 224.288 habitantes, Valdivia con 140.934 y Puerto Montt con 211.751 habitantes. (INE, 2012) Para diseñar los paneles solares que se han de utilizar en este estudio se necesitan las características energéticas del lugar en donde se encuentra la vivienda, para lograr determinar el número el número y el ángulo de inclinación que tendrán finalmente. Estas características las entregan la base de datos climatológica de los software que se van a utilizar. Igualmente esta información se encuentra en el “Registro solarimétrico: Irradiancia solar en territorios de la república de Chile” creado por la Universidad Técnica Federico Santa María junto con la Comisión Nacional de Energía. Para este efecto se deben escoger ciudades específicas dentro de estas 3 zonas climáticas, por lo que serán escogidas las de mayor número de habitantes: Antofagasta (NL), Santiago (CI) y Concepción (SL)
  69. 69. 56 Se debe señalar que Chile presenta condiciones inmejorables para la explotación de la energía solar aún mejores que en muchas partes de Europa. El denominado Cinturón de Sol, que va desde los 35°N hasta los 35°S, alcanza a cubrir casi la mitad del país, posibilitando el desarrollo de tecnologías de energía solar en esta área, con un potencial prácticamente ilimitado desde el punto de vista del recurso. (renovables, libro solar, 2010) Se estima que el potencial bruto de capacidad instalable, que posee Chile para generación de energía eléctrica a partir de energía solar es de 100.000 MW. (renovables, libro solar, 2010) 2.10- Zonificación climática de Chile (Nch 1079 of 1977) 1 NL Norte Litoral: Se extiende desde el límite con el Perú hasta el límite norte de la comuna de la Ligua, ocupando la faja costera el lado de la cordillera de la costa, hasta donde se deja sentir directamente el mar. 2 ND Norte Desértica: Ocupa la planicie comprendida entre ambas cordilleras (de la Costa y de los Andes). Desde el límite del Perú hasta la altura de Potrerillos, pueblos Hundido y Chañaral excluidos. Como límite Oriental puede considerarse la línea de nivel 3000 m aproximadamente. 3 NVT Norte Valles Transversales: Ocupa la región de los cordones y valles transversales al oriente de la zona NL excluida la Cordillera de los Andes por sobre 400 m y desde Pueblo Hundido hasta el valle del río Aconcagua, excluido.
  70. 70. 57 4 CL Central Litoral: Cordón costero continuación zona NL desde el Aconcagua hasta el valle del Bío-Bío excluido. 5 CI Central Interior: Valle central comprendido entre la zona NL y la pre cordillera de los Andes por bajo los 1000m. Por el norte comienza por el valle del Aconcagua o por el sur llega hasta el valle del Bío-Bío excluido. 6 SL Sur Litoral: Continuación de zona CL desde el Bío-Bío hasta Chiloé y Puerto Montt. Variable en anchura, penetrando por los Valles de los numerosos ríos que la cruzan. 7 SI Sur Interior: Continuación de zona CI desde el Bío-Bío incluido, hasta la encenada de Reloncaví. Hacia el Este, hasta la cordillera de los Andes por debajo de los 600 m aproximadamente. 8 SE Sur Extremo: La constituye la región de los canales y archipiélagos desde Chiloé hasta tierra del fuego. Contiene una parte continental hacia el Este. 9 An Andina: Comprende la faja cordillerana y pre cordillerana superior a los 3000 m de altitud en el Norte (zona altiplánica) que bajando paulatinamente al sur se pierde al Sur de Puerto Montt. 2.11- Antecedentes climáticos 2.11.1- Zona Norte Litoral (NL) a) Clima Baja oscilación de diaria de temperaturas. Diferencias de temperatura entre el día y la noche inferiores a 8 º. Alta radiación solar.
  71. 71. 58 Casi nulas precipitaciones hacia el Norte y débiles en Sur. b) Entorno Las ciudades de esta zona se encuentran entre la latitud 18,4º y 29º Sur. Ambiente y terreno salino La alta humedad se presenta en las primeras horas del día (Camanchaca), por la tarde despejado con alta radiación solar. Las ciudades principales de esta zona se encuentran en la plataforma costera (planicie) a medida que se adentran en la cordillera de la costa la pendiente comienza a ser cada vez mas pronunciada. Presencia de edificios cercanos de mediana y baja altura. En esta zona NL las temperaturas promedio oscilan entre los 21º y los 15º. No se registran heladas ni tampoco nieve, por lo que la utilización de paneles solares se hace muy propicia. También cuenta con un buen número de horas diarias de soleamiento y una insolación diaria que hace muy factible la utilización de paneles solares para generar energía eléctrica y térmica.
  72. 72. 59 Irradiancia Global Mensual y Anual Meses Enero Y Junio en kwh/m2 en diferentes Azimut Ciudad de Antofagasta. Zona 1 NL Norte Litoral. Latitud: 23,47º Sur Azimut Inclinación Enero Junio Anual 180 al Norte 13 23 43 90 198,7 173,3 155,1 59.2 103,4 111,2 119,2 94,1 1878,4 1867,9 1728,6 934,5 150 13 23 43 90 198,0 186,8 155,7 89,6 101,8 108,1 119,2 94,1 1859,1 1829,8 1659,7 1066,2 90 13 23 43 90 200,5 191,5 184,2 160,0 92,1 88,9 79,6 71,2 1802,0 1717,2 1363,9 1371,8 0 Al Sur 13 23 43 90 206,9 204,1 185,5 65,9 81,2 67,4 43,8 30,1 1775,8 1665,6 1363,9 588,9 Tabla Nº 2, Fuente: elaboración propia con datos de “Registro solarimétrico” Universidad Federico Santa María.
  73. 73. 60 2.11.2- Zona Central Interior (CI) a. Clima Alta oscilación diaria de temperatura. En verano existen diferencias de temperatura mayores de 17º entre el día y la noche en prácticamente en toda la zona. En el invierno esta oscilación disminuye hasta los 11º. Alta radiación solar en verano y baja en invierno. Precipitaciones moderadas en el norte de la zona. Crecen significativamente hacia el Sur. Promedios mensuales desde 260 mm en Santiago hasta más de 1.000 en Chillán. b. Entorno Ciudades en esta zona están comprendidas entre la latitud 32,2º y 36º S. En general presencia edificios de mediana y baja altura. Su temperatura promedio en los meses de verano es de 21º y en los de invierno desciende a los 4 º. El promedio de la cantidad de energía solar recibida (insolación) en verano es muy similar al de la ciudad de Antofagasta, sin embargo, se produce una diferencia mayor en los meses de invierno con respecto a la misma ciudad, por lo que se deduce que llevaría a la colocación de mayor cantidad de paneles solares para obtener la misma cantidad de energía que la generada en Antofagasta.
  74. 74. 61 Irradiancia Global Mensual y Anual Meses Enero Y Junio en kwh/m2 en diferentes Azimut Ciudad de Santiago. Pudahuel. Zona 5 CI Central Interior. Latitud: 33,8º Sur Azimut Inclinación Enero Junio Anual 180 al Norte 23 43 53 90 206,7 178,7 159,1 74,2 59,2 63,6 63,9 52,9 1661,1 1567,3 1471,3 895,3 150 23 43 53 90 202,2 188,2 163,5 108,1 56,5 58,7 58,0 45,2 1615,2 1510,4 1416,5 966,0 90 23 43 53 90 198,1 199,7 180,3 163,8 46,9 46,8 42,6 39,5 1487,2 1489,9 1409,9 1228,7 0 Al Sur 23 43 53 90 207.6 180,4 161,1 87,8 36,7 27,4 26,1 20,1 1426,7 1146,3 1000,2 592,1 Tabla Nº 3 Fuente: elaboración propia con datos de “Registro solarimétrico” Universidad Federico Santa María.
  75. 75. 62 2.11.3- Zona Sur Litoral (SL) a) Clima Zona de temperaturas templadas (verano) a frías (invierno). Baja oscilación diaria de temperatura en invierno (menos de 8º) crece en verano (aproximadamente 12º en Concepción y 10º en Puerto Montt) Alta radiación solar en verano hacia el Norte de la zona (Concepción, Talcahuano) la que decrece hacia el Sur de la zona. Baja radiación en invierno en toda la zona. Zona lluviosa con precipitaciones normales de más de 1000 mm anuales. Máxima diaria de más 100mm en toda la zona. Vientos moderados de predominancia SW (Sur Oeste) en Concepción y Norte en Puerto Montt. b) Entorno Ciudades de esta zona están comprendidas entre la latitud 36º y 41º Sur. Terrenos planos de baja pendiente en zonas urbanas, que comienzan a ser más sinuosos en zonas cercanas a la cordillera de costa y en otras cordilleras como la de Nahuelbuta. En Concepción la máxima temperatura promedio en verano es de 18º y la de invierno es de 8º, al igual que en Puerto Montt.
  76. 76. 63 Irradiancia Global Mensual y Anual Meses Enero Y Junio en kwh/m2 en diferentes Azimut Ciudad de Concepción. Zona 6 SL Sur Litoral. Latitud: 36,83º Sur Tabla Nº 4, Fuente: elaboración propia con datos de “Registro solarimétrico” Universidad Federico Santa María. Azimut Inclinación Enero Junio Anual 180 al Norte 27 47 57 90 200,0 179,3 151,2 91,1 54,7 59,4 59,8 52,8 1631,5 1539,1 1443,9 1029,9 150 27 47 57 90 195,8 179,3 163,3 120,9 52,1 55,3 55,2 47,5 1563,2 1491,4 1406,1 1082,5 90 27 47 57 90 193,8 1965,5 193,8 161,6 40,0 39,7 34,5 37,6 1411,5 1419,9 1399,1 1222,3 0 Al Sur 27 47 57 90 183,5 72,6 70,1 86,0 24,5 22,7 21,5 16,7 1144,6 607,0 589,1 558,2
  77. 77. 64 CAPÍTULO Nº 3: ESTUDIO TEÓRICO 3.1- Vivienda a analizar Este proyecto apunta principalmente a la incorporación de Sistemas de paneles solares en viviendas de familias de la clase media de nuestro país que corresponde según estratificación socioeconómica a los segmentos C2 y C3 que representan al 45% de los hogares (novemerc, 2013) y que poseen ingresos entre los $300.000 y los $2.000.000 (chile, 2012). No apunta a la vivienda social por la razón de que se encuentran diversos estudios de la aplicación de energía solar en este tipo de viviendas como por ejemplo: “Guía de diseño para la eficiencia energética en la vivienda social” entre otros. La razón por la cual se apunta a estos segmentos es principalmente por ser donde encontramos a la mayoría del país y además de que la inversión inicial requerida para la aplicación de estos sistemas solares sería financiada en su totalidad por el grupo familiar sin contar con ningún tipo de subsidio para incorporar estas tecnologías. Por lo que las familias que posean un ingreso menor a los segmentos antes mencionados no podrían costearlo. La vivienda está ubicada actualmente en la Región Metropolitana específicamente en la comuna de Maipú, fue construida por la constructora Pocuro S.A el año 1995. • La dirección de la vivienda es Pasaje Oscar Bonilla Nº 1924, Maipú, Santiago.
  78. 78. 65 • La casa cuenta con superficies construidas de 42,68 m2 a nivel de 1er piso y 45,82 m2 en segundo piso. Superficie de patios de 129,55 m2 . Superficie total terreno: 192,55 m2 . • Es una vivienda unifamiliar de 4 personas. 2 adultos y 2 niños. • Tiene un valor de UF 1.600 • La materialidad de la vivienda es de albañilería confinada con un revestimiento de estuco tipo Shotcrete en primer y segundo piso. • La techumbre posee una superficie total de 50,18 m2 • Superficie total para instalación de paneles es igual a 30 m2 que comprende la techumbre que mira directamente al Norte, la techumbre Nor-poniente y Nor- Oriente, dejando fuera las que miran hacia el Sur.
  79. 79. 66
  80. 80. 67
  81. 81. 68
  82. 82. 69 DETALLE DE CERCHA TIPO 3.2- Diseño de sistema solar térmico (SST) para agua caliente sanitaria 3.2.1- Estudio de mercado A continuación se realiza un estudio realizando un análisis comparativo de 3 marcas de 3 empresas diferentes que comercializan kits termosolares en la ciudad de Santiago, escogiendo el sistema más óptimo para este estudio, determinando una marca y proveedor específico en esa ciudad. Luego de esto, se avalúa el sistema escogido en Antofagasta y Concepción comprobando que cumplan con la contribución solar mínima (CSM) utilizando el software Fchart V3 para este cometido, que es facilitado por el Ministerio de Energía. Para el estudio se escogieron sistemas indirectos y de circulación natural (por termosifón) por razones que se explicaron en el capítulo Nº 2, página 32. La demanda diaria de agua caliente sanitaria (ACS) corresponde 40 litros diarios por persona como se mencionó en capítulo Nº 2, página 43. 86,72 238,64
  83. 83. 70 • Marca Kuhn MODELO KSS-160FL. 160 lts, empresa distribuidora Kuhn S.A cuya oficina se encuentra ubicada en El Totoral 950, Cond. Buenaventura, Quilicura, Santiago, Chile. Valor: $487.933 iva incluido + Instalación: $200.000 • Marca Uniclima, MODELO EVO 2.0 SA de 160 lts. La Empresa proveedora es Ingeniería y servicios Recal LTDA. Valor: $ 577.858 iva incluido + Instalación: $200.000 • Marca SOLEPANEL, MODELO FPS 160 La empresa proveedora es Paneles Solares S.A, ubicada en Vía Esmeralda Nº 9890, Vitacura. Valor: $223.505 iva incluido + Instalación: $200.000 Características Técnicas Sistema Termosolar Presurizado Compacto 160 lts, marca KUHN MODELO KSS-160FL. La empresa que lo comercializa es Kuhn S.A cuya oficina se encuentra ubicada en El Totoral 950, Cond. Buenaventura, Quilicura, Santiago, Chile. Sistema compacto presurizado con capacidad de 160 litros (3 a 4 personas) Colector plano con absorvedores unificados de cobre con cubierta de cromo negro. Cubierta de cristal templado de 4mm con sello de goma. El principio de operación está basado en la circulación natural (Termosifón), que trabaja entre el colector y la capa exterior del estanque, bajo presión. El sistema incluye una estructura de montaje para techos planos e inclinados. Garantía del fabricante es de 15 años. Superficie panel: 2.2 m2 Peso del colector: 36 kg.
  84. 84. 71 Peso del estanque con agua: 270 kg. Superficie total del sistema: 3.2 m2 Mantención cada 2 años, cambio de ánodos. Imagen del producto Imagen 9, Fuente: Empresa Khun S.A Características Técnicas SST marca uniclima, MODELO EVO 2.0 SA DE 160 lts. Por su diseño y funcionamiento evita la corrosión en el estanque. Garantía fabricante 5 años. Equipo termosifón con placa de alto rendimiento con estanque de 160 litros de capacidad de contención de líquido caloportador dependiendo de la cantidad de personas y panel placa selectiva con 1,782 m2 de apertura. El kit incluye todos lo fitting inoxidables, cañerías de acero inoxidable flexibles aisladas térmicamente, estructuras de montaje, salva tejas. Pernos y tornillos de acero inoxidable y válvula de seguridad. Dimensiones del colector:1000 x 2000 x 90 mm
  85. 85. 72 Dimensiones del acumulador: Diámetro 45 cm, largo 90 cm. Mantención cada 1 año Imagen del producto Imagen 10, Fuente: Empresa Recal ltda. Características Técnicas SST marca SOLEPANEL, MODELO FPS 160 Circulación mediante el principio de termosifón. Incluye estructura de acero galvanizado para sujeción sobre techumbre. Estanque de doble capa. Estanque exterior para circuito primario. Estanque interior para agua de consumo. Medidas totales 2553mm x 1180mm x 80mm. Superficie panel 2 m2 Peso del colector: 40 kg. Peso del estanque con agua: 273 kg.
  86. 86. 73 El interior del estanque es de acero en carbono vitrificado. El exterior de acero zincado. El estanque posee una aislación de 50 mm de poliuretano. Mantención cada 2 años Imagen del producto Imagen 11, Fuente: Empresa Paneles solares S.A

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