Estudio paneles solares

Resumen
ejecutivo

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

Introducción

1.1 Planteamiento del problema

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

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

1.2 Selección de
anteproyecto

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

1.3 Hipótesis

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

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

1.4 Alcance

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

1.5 Objetivo general de la
investigación

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

1.6 Objetivos particulares y del proyecto
de investigación:

Verificar que la casa consuma la
energía afirmada por la CFE

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

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

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

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

Generar ahorros con base a cambios o
estrategias

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

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

Implementación de nuevo
equipo

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

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

Marco de
referencia

2.1 Análisis de la
problemática energética mundial

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

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

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

2.2 Conexión con la CFE

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

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

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

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

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

2.3 Baterías

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

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

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

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

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

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

Tabla 1

Tabla 2

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

Comparación entre arreglos de
baterías:

Tabla 3

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

Tabla 4

Análisis

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

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

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

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

2.4 Paneles Solares

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

Método de investigación de
Paneles en kits:

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

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

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

Notas preliminares:

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

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

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

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

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

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

Tabla 5

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

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

Tabla 6

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

Tabla 7

Tabla 8

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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