Sistemas Fotovoltaicos Interconectados a la Red Eléctrica
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<strong>Sistemas</strong> <strong>Fotovoltaicos</strong> <strong>Interconectados</strong> a <strong>la</strong> <strong>Red</strong><br />
<strong>Eléctrica</strong><br />
Gerardo Cosme Núñez, P.E.<br />
So<strong>la</strong>rtek<br />
PO Box 1434<br />
Bayamón, PR 00960<br />
Tel. (787) 633-8947<br />
Fax. (787) 740-0242<br />
Email. so<strong>la</strong>rtek@coqui.net<br />
UNIVERSIDAD INTERAMERICANA<br />
1 de noviembre de 2007<br />
Abstracto— Una descripción general de<br />
los sistemas fotovoltaicos es presentada,<br />
especialmente los interconectados a <strong>la</strong> red<br />
eléctrica. Se discute como se conceptúan<br />
estos proyectos en términos del recurso<br />
so<strong>la</strong>r, comportamiento de operación y<br />
parámetros de ejecución. Se discute <strong>la</strong><br />
situación mundial de esta tecnología y<br />
aspectos económicos re<strong>la</strong>cionados.<br />
I. INTRODUCCION<br />
El creciente costo económico y ambiental de<br />
los combustibles fósiles, juntado a <strong>la</strong> reducción<br />
de sus abastos a promovido el desarrollo de<br />
<strong>la</strong>s fuentes renovables como alternativas<br />
energéticas viables. En el caso de <strong>la</strong> energía<br />
so<strong>la</strong>r y en específico de los sistemas<br />
fotovoltaicos, y en <strong>la</strong> vasta mayoría de sus<br />
aplicaciones, el usuario se suple <strong>la</strong> energía a<br />
sí mismo en vez de depender de una<br />
compañía de energía. Esto ocurre por <strong>la</strong><br />
naturaleza intrínseca de los sistemas<br />
fotovoltaicos <strong>la</strong> cual no requiere centralización,<br />
combinado con altos costos capitales que<br />
impiden a <strong>la</strong>s compañías de energía <strong>la</strong> venta<br />
de energía con renumeración comparable a<br />
<strong>la</strong>s tecnologías de combustibles fósiles. La<br />
energía so<strong>la</strong>r es usada por consumidores<br />
residenciales, comerciales e industriales y<br />
fomentada tanto por compañías eléctricas<br />
como gobiernos para reducir costos<br />
energéticos de los usuarios, tomar ventajas de<br />
1<br />
incentivos gubernamentales, aumentar <strong>la</strong><br />
confiabilidad y robustez de <strong>la</strong> red eléctrica,<br />
reducir <strong>la</strong> vulnerabilidad a los cambios del<br />
costo de los combustibles fósiles, y contribuir a<br />
<strong>la</strong> protección del ambiente. Todo esto de<br />
forma voluntaria o por presiones de orden<br />
social.<br />
II. DETERMINACIÓN DEL RECURSO SOLAR<br />
La radiación so<strong>la</strong>r total que nos llega a nuestro<br />
p<strong>la</strong>neta se categoríza en dos componentes<br />
principales; directa e indirecta. La radiación<br />
directa es <strong>la</strong> que nos llega, como dice <strong>la</strong><br />
pa<strong>la</strong>bra de forma “directa” esto es, con poca<br />
obstrucción. Este tipo de radiación es típico en<br />
<strong>la</strong>s zonas desérticas. Por el contrario, <strong>la</strong><br />
radiación indirecta es <strong>la</strong> que llega de forma<br />
difusa por condiciones climáticas como<br />
nubosidad y contaminación ambiental. Esta<br />
radiación es típica en zonas tropicales y de<br />
alta nubosidad o alta incidencia a fenómenos<br />
naturales o antropológicos de contaminación<br />
de aire tales como el “smog”, ceniza volcánica,<br />
polvo fugitivo, entre otros. De <strong>la</strong> radiación total<br />
que nos llega es mayormente <strong>la</strong> luz visible<br />
dentro del espectro de luz so<strong>la</strong>r <strong>la</strong> cual es útil<br />
para <strong>la</strong>s tecnologías actuales comerciales de<br />
conversión de luz a electricidad conocido<br />
como el efecto fotovoltaico. Para el caso<br />
especifico de sistemas fotovoltaicos, es<br />
fundamental conocer <strong>la</strong> radiación incidente en<br />
un p<strong>la</strong>ño determinado. Este dato se cuantifica<br />
por medición directa y modelos matemáticos<br />
1
de estimación y se tabu<strong>la</strong> de forma<br />
simplificada en kilovatios-hora por metro<br />
cuadrado (kWh/m2). Se conoce esta unidad<br />
compuesta como “un sol” o “one sun” en<br />
ingles cuando tenemos en equivalencia a<br />
1,000 vatios o 1 kW de radiación so<strong>la</strong>r por<br />
metro cuadrado. Tab<strong>la</strong>s de radiación so<strong>la</strong>r<br />
para una localización dada se pueden<br />
conseguir en agencias metereológicas o<br />
<strong>la</strong>boratorios especializados como el<br />
Laboratorio Nacional de Energía Renovable de<br />
Estados Unidos. Para el caso de Puerto Rico,<br />
<strong>la</strong> is<strong>la</strong> cuenta con una radiación<br />
uniformemente distribuida a través de toda <strong>la</strong><br />
is<strong>la</strong>, mayormente en su componente difuso,<br />
con un valor promediado de entre 4 a 6.5<br />
kilovatios hora por metro cuadrado al día.<br />
Esta fluctuación responde a los microclimas.<br />
III. ENERGIA SOLAR Y EL EFECTO FOTOVOLTAICO<br />
El efecto fotovoltaico implica <strong>la</strong> conversión<br />
directa de luz a electricidad. Esta conversión<br />
ocurre en el material conocido como celda<br />
fotovoltaica. Aunque estas celdas pueden ser<br />
hechas de diversos materiales, es el silicio en<br />
su grado de pureza electrónico el más utilizado<br />
en esca<strong>la</strong> comercial. Una celda fotovoltaica<br />
típica de silicio, como <strong>la</strong> demostrada en <strong>la</strong><br />
figura 1, se compone de dos partes unidas<br />
formando un emparedado. La parte superior<br />
de <strong>la</strong> celda es dopada o "contaminada" de<br />
manera contro<strong>la</strong>da con fósforo para darle un<br />
carácter negativo o denominado tipo N. La<br />
parte posterior es dopada con bóro para darle<br />
un carácter positivo o denominado tipo P.<br />
Esta diferencia de cargas forma un campo<br />
eléctrico estático entre ambas capas el cual le<br />
l<strong>la</strong>man unión. Es entonces que <strong>la</strong> luz so<strong>la</strong>r o<br />
partícu<strong>la</strong>s conocidas como fotones son<br />
absorbidos en <strong>la</strong> región de <strong>la</strong> unión liberando<br />
electrones en <strong>la</strong> celda, que a <strong>la</strong> vez superan el<br />
campo eléctrico, para pasar a través de <strong>la</strong><br />
celda. Finalmente, estos electrones recorren<br />
un circuito externo produciendo así<br />
electricidad. Las celdas fotovoltaicas son<br />
usualmente interconectadas eléctricamente<br />
para obtener el voltaje y corriente necesarios<br />
para una aplicación dada.<br />
2<br />
Fig. 1. Diagrama de una típica celda fotovoltaica<br />
Un grupo de celdas interconectadas es<br />
l<strong>la</strong>mado módulo fotovoltaico y <strong>la</strong> interconexión<br />
de dos o más módulos es l<strong>la</strong>mada panel<br />
fotovoltaico. La eficiencia de <strong>la</strong>s celdas<br />
fotovoltaicas va entre el 6% para celdas<br />
hechas a base del material de silicio amorfo<br />
hasta 40% para los sistemas concentradores.<br />
Esta eficiencia es determinada por el<br />
porcentaje de energía so<strong>la</strong>r que es absorbida<br />
en una determinada área colectora de celdas<br />
fotovoltaicas. En <strong>la</strong> práctica se conoce que <strong>la</strong><br />
potencia generada para un módulo fotovoltaico<br />
típico depende de <strong>la</strong> radiación so<strong>la</strong>r y en cierta<br />
medida a <strong>la</strong> temperatura de <strong>la</strong> celda como<br />
demostrado en <strong>la</strong> figura 2. La potencia<br />
máxima de <strong>la</strong> celda se puede definir como:<br />
Pmax=Vm x Im<br />
Donde;<br />
P = potencia máxima (<strong>la</strong> curva o rodil<strong>la</strong><br />
de <strong>la</strong> gráfica en <strong>la</strong> figura)<br />
V = voltaje de <strong>la</strong> celda<br />
I = corriente en <strong>la</strong> celda<br />
Como se puede ver en <strong>la</strong> figura 2, a mayor<br />
radiación, mayor potencia es generada, pero<br />
a mayor temperatura de celda, el voltaje<br />
disminuye y por ende <strong>la</strong> potencia máxima<br />
alcanzable.<br />
IV. DEFINICIÓN DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS<br />
INDEPENDIENTES E INTERCONECTADOS<br />
Un sistema fotovoltaico es el conglomerado de<br />
componentes que hacen útil el uso de<br />
módulos fotovoltaicos. De los múltiples<br />
posibles componentes de un sistema<br />
fotovoltaicos se destacan los módulos<br />
fotovoltaicos, controles de carga y descarga,<br />
2
Fig. 2. Curva de potencia típica para un módulo fotovoltaico<br />
inversores y baterías. Se conoce como<br />
sistema fotovoltaico independiente todo aquel<br />
que funciona de forma autónoma y no<br />
interacciona con ninguna otra fuente de<br />
generación. Ejemplo de aplicaciones de estos<br />
sistemas son luminarias de alumbrado exterior<br />
y equipo de comunicación o medición remota.<br />
Por otra parte, un sistema fotovoltaico<br />
interconectado es aquel que interactúa con<br />
otras fuentes de generación. Ambas<br />
posibilidades de sistemas independiente o<br />
interconectado pueden o no utilizar baterías<br />
para almacenar energía y producir corriente<br />
eléctrica directa o alterna dependiendo de su<br />
configuración. Para propósitos de esta<br />
ponencia se presentará únicamente los<br />
sistemas fotovoltaicos interconectados a <strong>la</strong> red<br />
eléctrica sin el uso de baterías.<br />
V. SITUACIÓN Y MERCADO MUNDIAL<br />
Los sistemas fotovoltaicos interconectados a <strong>la</strong><br />
red eléctrica sin baterías han despegado en el<br />
mercado global de forma notable a partir del<br />
año 2000 y especialmente en países<br />
desarrol<strong>la</strong>dos. Mas aún, en tiempo reciente se<br />
ve una marcada tendencia de crecimiento del<br />
resto del mundo en estos sistemas<br />
fotovoltaicos. Este incremento se ha debido a<br />
diversos factores como son <strong>la</strong>s presiones<br />
ambientales, altos e increméntales costos de<br />
los combustibles fósiles tradicionales, y <strong>la</strong><br />
incertidumbre de oferta y demanda de estos<br />
combustibles. Por otra parte, el progreso de<br />
los componentes de potencia electrónica han<br />
logrado avances en los equipos de<br />
3<br />
acondicionamiento de energía resultando en<br />
menores costos de sistemas fotovoltaicos,<br />
mayor eficiencia, mayor confiabilidad y<br />
durabilidad de los equipos y muy importante,<br />
mayor simplicidad en <strong>la</strong> insta<strong>la</strong>ción de los<br />
sistemas fotovoltaicos. Según datos<br />
suministrados por <strong>la</strong> Agencia Internacional de<br />
Energía y presentados en <strong>la</strong> figura 3 se ilustra<br />
que ya para el año 1999 poco más del 50% o<br />
alrededor de 250 MW de <strong>la</strong>s insta<strong>la</strong>ciones<br />
fotovoltaicas a nivel global eran conectadas a<br />
<strong>la</strong> red eléctrica. Para el año 2005, <strong>la</strong>s<br />
insta<strong>la</strong>ciones interconectadas a <strong>la</strong> red eléctrica<br />
superan mas de 7 veces <strong>la</strong>s insta<strong>la</strong>ciones<br />
globales de sistemas fotovoltaicos<br />
independientes. En <strong>la</strong> figura 4 se especifica el<br />
caso para Estados Unidos, Japón y Alemania.<br />
Nótese <strong>la</strong> gran diferencia en insta<strong>la</strong>ciones de<br />
Japón y Alemania, considerados países<br />
pequeños respectivamente con los Estados<br />
Unidos. Finalmente en <strong>la</strong> figura 5 se puede<br />
apreciar <strong>la</strong> distribución mundial en<br />
manufactura de celdas so<strong>la</strong>res, en <strong>la</strong> cual<br />
Japón fue el líder para el año 2005. China en<br />
tiempo reciente entró en <strong>la</strong> fabricación de<br />
celdas so<strong>la</strong>res por lo que se espera un<br />
crecimiento mucho mayor en <strong>la</strong> manufactura<br />
de celdas so<strong>la</strong>res.<br />
Fig. 3. Gráfica de desarrollo de mercados para sistemas<br />
fotovoltaicos independientes e interconectados. Referencia:<br />
PVPS de <strong>la</strong> Agencia Internacional de Energía.<br />
3
Fig. 4. Gráfica de desarrollo de mercados para sistemas<br />
fotovoltaicos independientes e interconectados para el caso<br />
de Alemania Japón y EU. Referencia: PVPS de <strong>la</strong> Agencia<br />
Internacional de Energía.<br />
VI. INVERSORES<br />
De los componentes principales de los<br />
sistemas fotovoltaicos es el inversor el que<br />
diferencia el sistema entre uno independiente<br />
a uno interconectado. El inversor es un<br />
convertidor electroestático que por medio del<br />
uso de componentes electrónicos de potencia<br />
convierten <strong>la</strong> corriente directa en corriente<br />
alterna. Estos inversores generan variedad de<br />
ondas en su salida, dependiendo de lo<br />
sofisticado que sea el equipo. Estas ondas se<br />
conocen como “onda cuadrada”, “onda<br />
senosoidal modificada” y “onda senosoidal<br />
verdadera”. Para los sistemas interconectados<br />
lo cual es el enfoque de esta ponencia,<br />
so<strong>la</strong>mente es posible <strong>la</strong> utilización de<br />
inversores de onda senosoidal verdadera que<br />
sean capaces de producir potencia de igual<br />
calidad a <strong>la</strong> que proviene de <strong>la</strong> red eléctrica.<br />
Los inversores en general producen y<br />
entregan corriente alterna a un voltaje y<br />
frecuencia dada.<br />
Ya dentro de <strong>la</strong> categoría de inversores<br />
interconectados, los mismos son diseñados<br />
para operar en sistemas fotovoltaicos a bajo<br />
voltaje, estos son 12, 24 y 48 voltios<br />
respectivamente o en sistemas de alto voltaje<br />
de hasta 600 voltios.<br />
4<br />
Fig. 5. Gráfica de producción mundial de celdas fotovoltaicas<br />
para el año 2005. Referencia: PVPS de <strong>la</strong> Agencia<br />
Internacional de Energía.<br />
Existen tres técnicas de configurar sistemas<br />
fotovoltaicos interconectados a <strong>la</strong> red eléctrica,<br />
estas son tecnología de módulo integrado,<br />
tecnología central y tecnología de hilo y multihilo.<br />
La figura 6 ilustra estas tres técnicas<br />
según se describen a continuación.<br />
a. Tecnología de Módulo Integrado<br />
Esta tecnología se fundamenta en que cada<br />
módulo fotovoltaico tiene su propio inversor<br />
integrado. Este tipo de módulo fotovoltaico se<br />
conoce también como módulo de corriente<br />
alterna o módulo AC. El resultado es que el<br />
arreglo eléctrico del panel so<strong>la</strong>r es uno de<br />
conexiones en paralelo para corriente alterna.<br />
La mayor ventaja de esta tecnología es <strong>la</strong><br />
reducción del calibre del a<strong>la</strong>mbrado, mientras<br />
<strong>la</strong> desventaja mayor es <strong>la</strong> necesidad de una<br />
supervisión mas agresiva y a medida que sea<br />
mayor su esca<strong>la</strong> aumentan los costos de<br />
redundancia del sistema fotovoltaico. En el<br />
mercado se consiguen módulos de corriente<br />
alterna con rangos de entre 40 a 400 vatios.<br />
b. Tecnología Central<br />
La tecnología central consiste en <strong>la</strong> utilización<br />
de un solo inversor por sistema fotovoltaico,<br />
aunque en ocasiones puede ser dividido en<br />
varias unidades de inversores. El a<strong>la</strong>mbrado<br />
eléctrico del panel so<strong>la</strong>r que se diseña es uno<br />
DC en serie y/o en paralelo. Resultando <strong>la</strong><br />
posible complicación de <strong>la</strong>s combinaciones en<br />
serie y/o paralelo <strong>la</strong> mayor desventaja para<br />
4
esta tecnología. No obstante, es una opción a<br />
considerar para sistemas fotovoltaicos de<br />
mediana a gran esca<strong>la</strong> (de 50 kW a varios<br />
MW).<br />
c. Tecnología de Hilo y Multi-hilo<br />
La tecnología de hilo consiste en que los<br />
módulos fotovoltaicos en el panel so<strong>la</strong>r son<br />
conectados en serie únicamente. Esto resulta<br />
en <strong>la</strong> mayor ventaja de esta tecnología debido<br />
a <strong>la</strong> reducción de costos del a<strong>la</strong>mbrado en<br />
términos del calibre de los conductores y <strong>la</strong><br />
simplicidad de conexión. Un inversor de<br />
tecnología de hilo puede tener una capacidad<br />
de manejo de hasta unos 3 kW a un voltaje de<br />
rango variable de entre 100 hasta 600 VDC<br />
por hilo. La capacidad de esta tecnología de<br />
funcionar a rangos variables de voltaje es lo<br />
que permite <strong>la</strong> optima utilización del<br />
seguimiento máximo de potencia o "Maximum<br />
Power Point Tracker" (MPPT) en inglés. Bajo<br />
un protocolo de MPPT el inversor monitorea<br />
continuamente el punto de mayor potencia en<br />
<strong>la</strong> curva de corriente vs voltaje y por medio de<br />
un convertidor DC a DC modifica el voltaje<br />
originalmente producido por el panel so<strong>la</strong>r al<br />
óptimo para el inversor en su entrada y así<br />
maximar <strong>la</strong> producción de potencia eléctrica.<br />
Un inversor de tecnología de hilo permite<br />
conexiones en paralelo de forma interna<br />
(dentro del inversor) a través de sus puertos<br />
de entradas en hilo de un panel so<strong>la</strong>r, una vez<br />
cada hilo entrante es convertido en corriente<br />
AC. La tecnología de multi-hilo es simi<strong>la</strong>r a <strong>la</strong><br />
de hilo, <strong>la</strong> diferencia y ventaja del de hilo es<br />
que cada puerto de paralelización AC en el<br />
inversor está dotado con capacidad de MPPT.<br />
El resultado de esto es que este inversor<br />
puede utilizar diferentes módulos fotovoltaicos<br />
en diferentes orientaciones.<br />
VII. INTERCONEXIÓN - ASPECTOS FÍSICOS,<br />
PROTOCOLOS Y CALIDAD DE POTENCIA<br />
Dentro de los requisitos típicos de<br />
interconexión de compañías eléctricas, se<br />
requiere que exista un desconectivo de <strong>la</strong><br />
salida del inversor cerca del contador para<br />
acceso de <strong>la</strong> compañía eléctrica de ser<br />
necesario.<br />
5<br />
Fig. 6. Diagrama de técnicas de configuración para<br />
a<strong>la</strong>mbrado de inversores a red fotovoltaica Referencia:<br />
Cramer, G. ,“String Tecnnology- A successful Standard of the<br />
PV-System Technology for 10 years now”; 20 th European<br />
Photovoltaic so<strong>la</strong>r Energy Conference, June 2005, Barcelona,<br />
Spain.<br />
Los inversores deben estar localizados en <strong>la</strong>s<br />
áreas mas frescas, secas y limpias posibles,<br />
aunque existen alternativas mas costosas de<br />
inversores para ambientes mas adversos, de<br />
ser esta <strong>la</strong> única alternativa de insta<strong>la</strong>ción. El<br />
panel so<strong>la</strong>r debe ser colocado con anc<strong>la</strong>jes<br />
que toleren vientos de al menos 120 MPH para<br />
el caso de Puerto Rico y/o proveer medios<br />
alternos para proteger el panel so<strong>la</strong>r de los<br />
embates del viento.<br />
El protocolo para los Estados Unidos que<br />
incluye a Puerto Rico, de interconexión y<br />
requerimientos mínimos de calidad de<br />
potencia están cubiertos en el Estándar IEEE<br />
1547 “ Standard for Interconnecting Distributed<br />
Resources with Electric Power Systems” Este<br />
estándar especifíca valores o niveles de<br />
tolerancia para voltajes, frecuencia,<br />
harmónicas, tiempos de conexión y<br />
desconexión y factor de potencia entre otros.<br />
También detal<strong>la</strong> procedimientos de insta<strong>la</strong>ción<br />
y operación programada de equipos de<br />
generación distribuida, el cual incluye a los<br />
sistemas fotovoltaicos. El Estándar IEEE<br />
1547.1, “ Standard Conformance Test<br />
Procedures for Equipment Interconnecting<br />
Distributed Resources with Electric Power<br />
Systems” especifíca pruebas de verificación de<br />
cumplimiento con el Estándar 1547 para<br />
5
inversores y otros equipos de generación<br />
distribuida. Otros Estándares y certificaciones<br />
aplicables son los siguientes:<br />
NEC 690 , “National Electric Code, So<strong>la</strong>r<br />
Photovoltaic Systems”<br />
IEEE 929 –“ AC Over Voltage / Under Voltage,<br />
AC Over Frequency / Under Frequency<br />
Detection Anti-Is<strong>la</strong>nding Component”<br />
A. UL 1741 – “Standard for Inverters,<br />
Converters, and Controllers for use in<br />
Independent Power Systems”<br />
FCC Chapter 15 Part B<br />
CSA C22.2 No. 107,1-01 – “General Use<br />
Power Supplies”<br />
IEEE C62.41- “Recommended Practice on<br />
Surge Voltages in Low-Voltage AC Power<br />
Circuits (Location Category B3)”<br />
VIII. IMPACTOS A LA RED ELÉCTRICA<br />
La utilización de sistemas fotovoltaicos<br />
interconectados a <strong>la</strong> red eléctrica ofrece<br />
beneficios a los proveedores de servicios<br />
eléctricos debido a que se maximiza el uso de<br />
<strong>la</strong>s líneas de distribución y provee mayor<br />
estabilidad a los alimentadores en términos de<br />
voltaje y potencia reactiva. Esto a su vez<br />
provee para que se extienda <strong>la</strong> vida útil de<br />
estos alimentadores reduciendo los costos de<br />
reparación y mejoras a los mismos. No<br />
obstante, que tan beneficiosos estos sistemas<br />
fotovoltaicos sean para <strong>la</strong> red eléctrica<br />
dependerá de <strong>la</strong>s condiciones especificas de<br />
<strong>la</strong> misma. En Puerto Rico, La Autoridad de<br />
Energía <strong>Eléctrica</strong> comisionó un estudio al<br />
Electric Power Research Institute, EPRI para<br />
determinar efectos adversos sí alguno a <strong>la</strong><br />
infraestructura eléctrica por el uso de<br />
generación distribuida o sistemas fotovoltaicos<br />
conectados a <strong>la</strong> red en su proceso de<br />
respuesta a los requerimientos de <strong>la</strong> Ley<br />
Federal de Energía de 2005. No obstante y<br />
aparte de este estudio, <strong>la</strong> Autoridad de<br />
Energía <strong>Eléctrica</strong> se ha beneficiado de <strong>la</strong><br />
experiencia de manejar por varios años<br />
durante los años ochenta de un sistema<br />
fotovoltaico interconectado a <strong>la</strong> red y sin<br />
baterías, con una capacidad de 100 kW en el<br />
6<br />
pueblo de Juana Díaz. De <strong>la</strong> misma manera<br />
también tuvo <strong>la</strong> oportunidad de manejar <strong>la</strong><br />
p<strong>la</strong>nta de baterías de Sabana L<strong>la</strong>na de una<br />
capacidad de 20 MW. Esta p<strong>la</strong>nta de baterías<br />
aunque es una facilidad para almacenaje de<br />
energía en un ejemplo de integración de<br />
generación distribuida a base del uso de<br />
inversores como sería en el caso de sistemas<br />
fotovoltaicos.<br />
IX. ALTERNATIVAS DE FACTURACIÓN<br />
Existen dos conceptos de facturación básica y<br />
un tercero a discreción de <strong>la</strong> compañía<br />
eléctrica. Los primeros dos son basados en el<br />
costo evitado y en <strong>la</strong> medición neta<br />
respectivamente, el tercero es un contrato de<br />
compra y venta de energía. La figura 7 ilustra<br />
<strong>la</strong> facturación bajo el concepto de costo<br />
evitado y el de medición neta los cuales se<br />
describen a continuación.<br />
a. Costo Evitado<br />
El concepto del costo evitado es mandatario<br />
por el “Public Utility Regu<strong>la</strong>tory Policies Act”<br />
(PURPA) de 1978 que establece que toda<br />
compañía eléctrica en Estados Unidos tiene <strong>la</strong><br />
obligación de comprar <strong>la</strong> energía producida<br />
por una facilidad cualificada en por lo menos el<br />
costo evitado de producción de esa compañía<br />
eléctrica. El costo evitado es el costo que <strong>la</strong><br />
compañía eléctrica no incurrirá en suplir <strong>la</strong><br />
energía desp<strong>la</strong>zada por el generador<br />
cualificado. En el caso de Puerto Rico es <strong>la</strong><br />
misma compañía eléctrica, <strong>la</strong> que establece el<br />
costo evitado de su generación a diferencia de<br />
otras jurisdicciones en Estados Unidos donde<br />
una agencia externa determina estos costos.<br />
El costo evitado provisto por <strong>la</strong> compañía<br />
eléctrica puede ser visto en una analogía<br />
como el costo del mayorista y el del<br />
consumidor como el costo detal<strong>la</strong>do. Para el<br />
año 1983 <strong>la</strong> Autoridad de Energía <strong>Eléctrica</strong><br />
estableció un Reg<strong>la</strong>mento titu<strong>la</strong>do “Rates and<br />
Conditions of Service for Cogenerators and<br />
Small Electric Power Producers”. en<br />
respuesta a los requerimientos de PURPA y<br />
luego derogó el mismo a finales de los años<br />
noventa.<br />
6
. Medición Neta<br />
El concepto de medición neta, del cual 40<br />
estados ya cuentan con provisiones para el<br />
mismo implica que tanto <strong>la</strong> venta de energía<br />
como <strong>la</strong> compra de energía corren al mismo<br />
precio Desde el 2005 es parte de <strong>la</strong> Ley<br />
Federal Energética, <strong>la</strong> cual obliga a <strong>la</strong>s<br />
compañías eléctricas a considerar este<br />
concepto de facturación al cliente.<br />
c. Contrato de Compra y Venta de Energía<br />
El tercer concepto es <strong>la</strong> firma de un contrato<br />
de compra y venta de energía el cual lo<br />
establecen libremente ambas partes, cliente y<br />
compañía eléctrica. La tarifa resultante puede<br />
ser menor o mayor al costo evitado.<br />
X. ALTERNATIVAS DE MEDICIÓN<br />
Las compañías eléctricas establecen <strong>la</strong>s<br />
reg<strong>la</strong>s para poder pagar <strong>la</strong> generación<br />
producida por sus clientes. Existen diversas<br />
configuraciones utilizando uno o dos metros.<br />
Usualmente en los Estados de Estados Unidos<br />
que tienen vigencia tarifas de medición neta,<br />
utilizan un solo metro que tenga <strong>la</strong> capacidad<br />
de sumar consumo en <strong>la</strong> compra de energía<br />
por parte del usuario y restar consumo en <strong>la</strong><br />
venta de energía por parte del usuario. En<br />
otras jurisdicciones que facturan bajo el<br />
concepto de costo evitado utilizan dos metros<br />
para diferenciar <strong>la</strong>s tarifas.<br />
XI. COSTOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS<br />
INTERCONECTADOS A LA RED ELECTRICA<br />
El costo de los sistemas fotovoltaicos<br />
interconectados a <strong>la</strong> red sin baterías al<br />
presente en los Estados Unidos está por los<br />
$10 USD por vatio insta<strong>la</strong>do.<br />
Si tomamos de ejemplo un sistema<br />
fotovoltaico de 3 kW en una residencia con un<br />
consumo eléctrico mensual de 1,000 kWh,<br />
este produce un ahorro anual de alrededor de<br />
$1,000.00 USD al año lo cual representa un<br />
40% de reducción de energía por medio de<br />
combustibles fósiles.<br />
7<br />
Net Metering Cost Concept<br />
18-22 cent-kilowatt-hour<br />
18-22 cent-kilowatt-Hour<br />
Avoided Cost Concept<br />
4-6 cent-kilowatt-hour<br />
18-22 cent-kilowatt-Hour<br />
Fig. 7. Diagrama de conceptos de facturación posibles para<br />
los EE.UU. bajo PURPA y Ley Federal 2005<br />
Si este sistema fotovoltaico se puede lograr a<br />
un costo reducido equivalente de $8,000 USD<br />
por kilovatio insta<strong>la</strong>do del costo promedio en<br />
EE.UU. de $10,000 USD por kilovatio insta<strong>la</strong>do<br />
por medio del uso de incentivos, el costo<br />
equivalente del sistema por kWh será de 17. 4<br />
centavos USD. Este es o muy cerca del costo<br />
de electricidad que prevaleció durante el año<br />
2006 en <strong>la</strong> Autoridad de Energía <strong>Eléctrica</strong> de<br />
Puerto Rico para el sector residencial y menor<br />
al costo de electricidad para el sector<br />
comercial.<br />
El costo por kilovatio hora del sistema<br />
fotovoltaico se asume de <strong>la</strong> manera siguiente.<br />
El factor de capacidad (FC) es equivalente al<br />
número de horas que un sistema opera en un<br />
año, dividido entre el total de horas (8,760<br />
horas) calendario del año.<br />
7
Entonces el factor de capacidad (FC) es;<br />
FC=5 horas por día x 365 días al año/8760<br />
horas al año = 0.21<br />
Por otra parte, el costo total de electricidad<br />
(CTE) es igual a <strong>la</strong> suma de los componentes<br />
de costo tales como costos capitales y de<br />
insta<strong>la</strong>ción (C&I), operación y mantenimiento,<br />
y combustible (F). Para el caso de los<br />
sistemas fotovoltaicos los costos capitales y de<br />
insta<strong>la</strong>ción son los mayores, mientras que<br />
costos operacionales y de mantenimiento son<br />
ínfimos y el costo de combustible es<br />
inexistente. Entonces para simplificar;<br />
Costo Total =C&I=$8,000 por kw(1/25) años de amortización<br />
---------------------------------------------------<br />
0.21 FC x 8,760 horas por año<br />
ó<br />
Costo Total = $0.174 USD por kwh<br />
El costo total ilustrado arriba no asume<br />
reemp<strong>la</strong>zo del inversor y costos de decomisar<br />
el proyecto entre otras posibles variables. Se<br />
asumió una amortización total del equipo en<br />
25 años para efectos de simplificación. Los<br />
módulos fotovoltaicos tienen una garantía<br />
general de 25 años con una expectativa de<br />
vida útil de 40 años o mas. Mientras que para<br />
el caso del inversor su expectativa de vida<br />
debe estar de entre 5 a 15 años. Es<br />
importante notar que más del 75% del costo<br />
de estos sistemas fotovoltaicos van destinados<br />
al costo de los módulos y materiales tales<br />
como cables, estructura de soporte y gastos<br />
de insta<strong>la</strong>ción re<strong>la</strong>cionado a los mismos.<br />
XII. CONCLUSION<br />
El uso de sistemas fotovoltaicos<br />
interconectados a <strong>la</strong> red eléctrica es una<br />
alternativa real para los consumidores<br />
residenciales, comerciales e industriales. El<br />
crecimiento sostenido del uso de estos<br />
sistemas a nivel mundial y en especial de los<br />
países industrializados es prueba de <strong>la</strong><br />
madurez tecnológica y su viabilidad<br />
económica. Puerto Rico y Latinoamerica no<br />
deben ser <strong>la</strong> excepción del mundo. Estos<br />
sistemas proveen benéficos tanto al<br />
8<br />
consumidor como a <strong>la</strong> red eléctrica como a los<br />
países en general. Es necesario establecer<br />
una p<strong>la</strong>taforma de incentivos y simplificar el<br />
proceso de establecer estos proyectos a nivel<br />
residencial, comercial e industrial de forma<br />
simi<strong>la</strong>r a los países que exitosamente han<br />
logrado desarrol<strong>la</strong>r esta industria. Todo esto es<br />
necesario para obtener los beneficios<br />
económicos y de creación de empleos que<br />
produce, el robustecimiento de <strong>la</strong><br />
infraestructura eléctrica, reducir <strong>la</strong><br />
vulnerabilidad de <strong>la</strong> dependencia de los<br />
combustibles fósiles y un mejor ambiente para<br />
todos.<br />
XIII. REFERENCIAS<br />
Photovoltaic Fundamentals, SERI/TP-220-<br />
3957, So<strong>la</strong>r Energy Research Institute,<br />
Golden, Colorado, September 1991.<br />
AEE, “Rates and Conditions of Service for<br />
Cogenerators and Small Electric Power<br />
Producers” , January, 1983.<br />
California Energy Comission, “California<br />
Interconnection Guidebook: A Guide to<br />
Interconnecting Customer-owned Electric<br />
Generation Equipment to the Utility Distribution<br />
System Using California’s Electric Rule 21”,<br />
September, 2003.<br />
Web page: www.dsireusa.org, The Database<br />
of State Incentives for Renewable Energy<br />
(DSIRE) is a comprehensive source of<br />
information on state, local, utility, and selected<br />
federal incentives that promote renewable<br />
energy.<br />
IEA, International Energy Society, Photovoltaic<br />
Power System Programme, “PVPS Annual<br />
Report 2004, Implementing Agreement on<br />
Photovoltaic Power Systems, 2005.<br />
Cramer, G. ,“String Tecnnology- A successful<br />
Standard of the PV-System Technology for 10<br />
years now”; 20 th European Photovoltaic So<strong>la</strong>r<br />
Energy Conference, June 2005, Barcelona,<br />
Spain.<br />
XIV. DATOS DEL AUTOR<br />
Gerardo Cosme Núñez – ingeniero licenciado<br />
en Puerto Rico. Graduado de <strong>la</strong> Universidad<br />
del Estado de Kansas en Ingeniería <strong>Eléctrica</strong> y<br />
Ciencias Físicas. Especialista en p<strong>la</strong>nificación,<br />
8
evaluación, diseño e imp<strong>la</strong>ntación de<br />
proyectos y estudios re<strong>la</strong>cionados a equipos y<br />
sistemas de alta eficiencia, fuentes de energía<br />
renovable y no renovable. En 1992 funda su<br />
empresa So<strong>la</strong>rtek, en <strong>la</strong> cual el Ing. Cosme ha<br />
prestado servicios al gobierno federal, estatal,<br />
empresa privada y universidades. Además, ha<br />
dictado conferencias y publicado trabajos<br />
técnicos re<strong>la</strong>cionados al campo de <strong>la</strong> energía<br />
tanto a nivel local como internacional.<br />
9<br />
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