SIMULACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO
PARA UNA COMUNIDAD EN HAITÍ
Wesly Jean1, Antonio C. P. Brasil Junior2
1Ingeniero de Producción, Máster en Ciencias Mecánicas de la Universidad de Brasilia (Brasil). Estudiante de doctorado en Ciencias Mecánicas de la Universidad de Brasilia (Brasil), previsión de finalización marzo, 2021. Tiene experiencia en Sistemas de Energía para Comunidades Aisladas, Energías Renovables, Generación Solar Distribuida, Eficiencia Energética, Iluminación Pública y Nexus Agua-Energía- Comida. weslyjean999@gmail.com
2Ingeniero Mecánico por la Universidad Federal de Pará (Brasil). Master en Ingeniería Mecánica por la Pontificia Universidad Católica de Río de Janeiro (Brasil). Doctor en Thérmique et Energétique por la École Centrale de Lyon (Francia). Actualmente profesor titular en la Universidad de Brasilia (Brasil). Las actividades académicas del profesor están asociadas con el Departamento de Ingeniería Mecánica y el Centro para el Desarrollo Sostenible de la Universidad de Brasilia (Brasil). brasiljr@unb.br
Recibido: 12/02/2020 y Aceptado: 06/04/2020
ENERLAC. Volumen IV. Número 1. Junio, 2020 (44-55).
1Ingeniero de Producción, Máster en Ciencias Mecánicas de la Universidad de Brasilia (Brasil). Estudiante de doctorado en Ciencias Mecánicas de la Universidad de Brasilia (Brasil), previsión de finalización marzo, 2021. Tiene experiencia en Sistemas de Energía para Comunidades Aisladas, Energías Renovables, Generación Solar Distribuida, Eficiencia Energética, Iluminación Pública y Nexus Agua-Energía- Comida. weslyjean999@gmail.com
2Ingeniero Mecánico por la Universidad Federal de Pará (Brasil). Master en Ingeniería Mecánica por la Pontificia Universidad Católica de Río de Janeiro (Brasil). Doctor en Thérmique et Energétique por la École Centrale de Lyon (Francia). Actualmente profesor titular en la Universidad de Brasilia (Brasil). Las actividades académicas del profesor están asociadas con el Departamento de Ingeniería Mecánica y el Centro para el Desarrollo Sostenible de la Universidad de Brasilia (Brasil). brasiljr@unb.br
Recibido: 12/02/2020 y Aceptado: 06/04/2020
ENERLAC. Volumen IV. Número 1. Junio, 2020 (44-55).
RESUMEN
La energía generada por el sol se considera actualmente una de las alternativas más esperanzadoras en la generación de electricidad necesaria para satisfacer las necesidades de la humanidad. Entre las formas habituales de energía solar se encuentran los sistemas fotovoltaicos, que convierten la radiación solar directa y difusa en electricidad. Para las localidades sin electricidad de fuentes convencionales, las alternativas de generación de electricidad que utilizan tecnologías de sistemas fotovoltaicos se consideran viables, además de proporcionar el desarrollo social y económico de la región. Por lo tanto, este artículo presenta el proyecto de un sistema fotovoltaico aislado de la red convencional para una comunidad aislada en Haití. En este país donde existe un gran potencial para la generación de electricidad por radiación solar. Los estudios muestran que en la mayor parte del país la irradiación solar varía de 5 a 7 kWh/m2/día. Este sistema se proyectará utilizando la herramienta informática HOMER. El proyecto en cuestión tiene como objetivo hacerlo viable a través del programa de asistencia social del gobierno haitiano llamado “Banm lavi, banm limyè” (Dame vida, dame electricidad), que tiene como objetivo hacer que la electricidad esté disponible para las comunidades remotas y económicamente vulnerables.
Palabras clave: Acceso a la Energía, Electrificación Rural, Energía Solar, HOMER, Pobreza, Haití.
ABSTRACT
The energy generated by the sun is currently considered one of the most hopeful alternatives in the generation of electricity needed to meet the needs of humanity. Among the usual forms of solar energy are photovoltaic systems, which convert direct and diffuse solar radiation into electricity. This electricity generation can be harnessed in a decentralized manner. For localities without electricity from conventional sources, electricity generation alternatives using photovoltaic systems technologies are considered viable, besides providing the social and economic development of the region. Thus, this paper presents the project of a photovoltaic system isolated from the conventional grid for an isolated community in Haiti. Haiti is a country where there is great potential for solar radiation. Studies show that in most of the country solar irradiation ranges from 5 to 7 kWh/m2/day. This system will be projected using the HOMER tool. The project in question aims to make it viable through the Haitian government’s social assistance program called “Banm lavi, banm limyè” (give me life, give me electricity) which aims to make electricity available to remote and economically vulnerable communities.
Keywords: Energy Access, Rural Electrification, Solar Energy, HOMER Tool, Poverty, Haiti.
La energía generada por el sol se considera actualmente una de las alternativas más esperanzadoras en la generación de electricidad necesaria para satisfacer las necesidades de la humanidad. Entre las formas habituales de energía solar se encuentran los sistemas fotovoltaicos, que convierten la radiación solar directa y difusa en electricidad. Para las localidades sin electricidad de fuentes convencionales, las alternativas de generación de electricidad que utilizan tecnologías de sistemas fotovoltaicos se consideran viables, además de proporcionar el desarrollo social y económico de la región. Por lo tanto, este artículo presenta el proyecto de un sistema fotovoltaico aislado de la red convencional para una comunidad aislada en Haití. En este país donde existe un gran potencial para la generación de electricidad por radiación solar. Los estudios muestran que en la mayor parte del país la irradiación solar varía de 5 a 7 kWh/m2/día. Este sistema se proyectará utilizando la herramienta informática HOMER. El proyecto en cuestión tiene como objetivo hacerlo viable a través del programa de asistencia social del gobierno haitiano llamado “Banm lavi, banm limyè” (Dame vida, dame electricidad), que tiene como objetivo hacer que la electricidad esté disponible para las comunidades remotas y económicamente vulnerables.
Palabras clave: Acceso a la Energía, Electrificación Rural, Energía Solar, HOMER, Pobreza, Haití.
ABSTRACT
The energy generated by the sun is currently considered one of the most hopeful alternatives in the generation of electricity needed to meet the needs of humanity. Among the usual forms of solar energy are photovoltaic systems, which convert direct and diffuse solar radiation into electricity. This electricity generation can be harnessed in a decentralized manner. For localities without electricity from conventional sources, electricity generation alternatives using photovoltaic systems technologies are considered viable, besides providing the social and economic development of the region. Thus, this paper presents the project of a photovoltaic system isolated from the conventional grid for an isolated community in Haiti. Haiti is a country where there is great potential for solar radiation. Studies show that in most of the country solar irradiation ranges from 5 to 7 kWh/m2/day. This system will be projected using the HOMER tool. The project in question aims to make it viable through the Haitian government’s social assistance program called “Banm lavi, banm limyè” (give me life, give me electricity) which aims to make electricity available to remote and economically vulnerable communities.
Keywords: Energy Access, Rural Electrification, Solar Energy, HOMER Tool, Poverty, Haiti.
INTRODUCCIÓN
La demanda mundial total de energía representa actualmente el 17% de la electricidad y se espera que aumente en 2050 al 23% según la Agencia Internacional de Energía (AIE), porque la población mundial debe superar la marca de los 9 mil millones para 2050 (UNFPA, 2011). Por lo tanto, debido a este aumento en la demanda, la capacidad de generación debe ampliarse. Actualmente, la matriz energética mundial está compuesta por varias fuentes primarias, como petróleo, carbón, gas natural, hidroeléctrico, eólico y solar. A pesar de estas opciones de generación de energía, los combustibles fósiles prevalecen y siguen siendo la base del suministro de energía primaria de los países (Slimani et al., 2016). Las fuentes fósiles causan preocupación constante al medio ambiente debido al aumento de gases de efecto invernadero como el metano (CH4) y el dióxido de carbono (CO2), causan daños a la calidad de vida, el aumento de las temperaturas y la acidez del suelo (Krakowski et al., 2016). Las emisiones de CO2 de los combustibles fósiles se señalan como una de las causas del calentamiento global, otro problema son los desastres ecológicos causados por la perforación de pozos petroleros.
REN21 (2019) define las fuentes de energía renovables como todas las fuentes de energía de producción continua que el hombre transforma en energía útil para satisfacer sus necesidades. Según el mismo autor las fuentes de energía limpia para 2040 representarían el 56% del suministro mundial de energía. Esta expansión se debe a varios factores, como la escasez de combustibles fósiles, la necesidad de reducir la dependencia de los productos derivados del petróleo y, finalmente, el problema ambiental con las emisiones de gases contaminantes.
Durante la última década, la tecnología fotovoltaica ha demostrado potencial para convertirse en una fuente importante de generación de energía para el mundo. Incluso en tiempos de crisis financiera y económica, la capacidad instalada acumulada en todo el mundo continúa mostrando un fuerte crecimiento. De 2008 a 2018, la capacidad instalada de energía foto-voltaica aumentó significativamente, en 2018, la capacidad instalada (505 GW) fue treinta y tres veces mayor que toda la potencia instalada hace una década (15 GW) en todo el mundo (REN21, 2019).
En total, se estima que mil millones de personas en todo el mundo no tienen acceso a la electricidad y, sin embargo, 2.8 mil millones usan alguna forma de biomasa y/o madera para cocinar y calentar, según un estudio realizado por el Banco Mundial en asociación con la AIE. (AIE, 2018). El acceso a la electricidad es esencial para el desarrollo humano, la calidad de vida y el desarrollo económico de cualquier sociedad. El acceso a las personas para obtener electricidad se ha convertido en una preocupación importante en los últimos años. La ONU lanzó en 2011 el programa “Energía sostenible para todos”, que será 100% para 2030. Y una de las alternativas para lograr este objetivo es duplicar la proporción de energía renovable en el mundo, principalmente utilizando sistemas solares no conectado a la red o sistemas off-grid. Los sistemas fotovoltaicos autónomos o independientes son sistemas que suministran electricidad a comunidades remotas que no están conectadas a la red de distribución de electricidad de la empresa de servicios públicos locales (AIE, 2018). Algunos estudios en el mundo destacan la importancia de los sistemas solares fuera de la red. Irfan y col. (2019) estudiaron un sistema solar fuera de la red en una comunidad en Pakistán. Analizaron algunas configuraciones, con una irradiación promedio de 5.46 kWh/m2/día, el mejor sistema podría producir 1,496 kWh/kWp anualmente, más de lo necesario para docenas de hogares individuales. Para una pequeña comunidad en India, Arora (2013) diseñó un sistema solar fuera de la red con capacidad para algunos hogares. El autor señaló que a pesar del alto costo del banco de baterías, el sistema es importante para llevar electricidad a las personas que aún viven sin electricidad. Carvalho (2013) diseñó un sistema fotovoltaico aislado para una comunidad remota en Xapuri en la región amazónica brasileña. Midieron el consumo mensual en los hogares de los residentes y descubrieron que el consumo mensual no es más de 10 kWh/mes. Analizaron que el sistema ha traído beneficios a las familias, como la iluminación en hogares y escuelas, que permiten a los estudiantes estudiar de noche. Además, el proyecto proporcionó aumentos de ingresos para los residentes con actividades artesanales. Aparte de eso, algunos de ellos fueron contratados como agentes que ayudan en el mantenimiento del sistema y reciben R$ (reales) 700,00 mensuales.
Ante esto, este proyecto propone buscar una solución para el suministro de energía de una aldea aislada en Haití utilizando energía solar local y tecnologías. La propuesta está en línea con el programa del gobierno haitiano “Banm limyè, banm lavi”, cuyo objetivo es electrificar a todas las comunidades del país. El trabajo tiene como objetivo diseñar el sistema fotovoltaico a través de la herramienta HOMER, que simula las configuraciones del sistema, como los costos, los componentes, la cantidad de opciones tecnológicas y la disponibilidad de los recursos energéticos disponibles (Islam et al., 2012).
La demanda mundial total de energía representa actualmente el 17% de la electricidad y se espera que aumente en 2050 al 23% según la Agencia Internacional de Energía (AIE), porque la población mundial debe superar la marca de los 9 mil millones para 2050 (UNFPA, 2011). Por lo tanto, debido a este aumento en la demanda, la capacidad de generación debe ampliarse. Actualmente, la matriz energética mundial está compuesta por varias fuentes primarias, como petróleo, carbón, gas natural, hidroeléctrico, eólico y solar. A pesar de estas opciones de generación de energía, los combustibles fósiles prevalecen y siguen siendo la base del suministro de energía primaria de los países (Slimani et al., 2016). Las fuentes fósiles causan preocupación constante al medio ambiente debido al aumento de gases de efecto invernadero como el metano (CH4) y el dióxido de carbono (CO2), causan daños a la calidad de vida, el aumento de las temperaturas y la acidez del suelo (Krakowski et al., 2016). Las emisiones de CO2 de los combustibles fósiles se señalan como una de las causas del calentamiento global, otro problema son los desastres ecológicos causados por la perforación de pozos petroleros.
REN21 (2019) define las fuentes de energía renovables como todas las fuentes de energía de producción continua que el hombre transforma en energía útil para satisfacer sus necesidades. Según el mismo autor las fuentes de energía limpia para 2040 representarían el 56% del suministro mundial de energía. Esta expansión se debe a varios factores, como la escasez de combustibles fósiles, la necesidad de reducir la dependencia de los productos derivados del petróleo y, finalmente, el problema ambiental con las emisiones de gases contaminantes.
Durante la última década, la tecnología fotovoltaica ha demostrado potencial para convertirse en una fuente importante de generación de energía para el mundo. Incluso en tiempos de crisis financiera y económica, la capacidad instalada acumulada en todo el mundo continúa mostrando un fuerte crecimiento. De 2008 a 2018, la capacidad instalada de energía foto-voltaica aumentó significativamente, en 2018, la capacidad instalada (505 GW) fue treinta y tres veces mayor que toda la potencia instalada hace una década (15 GW) en todo el mundo (REN21, 2019).
En total, se estima que mil millones de personas en todo el mundo no tienen acceso a la electricidad y, sin embargo, 2.8 mil millones usan alguna forma de biomasa y/o madera para cocinar y calentar, según un estudio realizado por el Banco Mundial en asociación con la AIE. (AIE, 2018). El acceso a la electricidad es esencial para el desarrollo humano, la calidad de vida y el desarrollo económico de cualquier sociedad. El acceso a las personas para obtener electricidad se ha convertido en una preocupación importante en los últimos años. La ONU lanzó en 2011 el programa “Energía sostenible para todos”, que será 100% para 2030. Y una de las alternativas para lograr este objetivo es duplicar la proporción de energía renovable en el mundo, principalmente utilizando sistemas solares no conectado a la red o sistemas off-grid. Los sistemas fotovoltaicos autónomos o independientes son sistemas que suministran electricidad a comunidades remotas que no están conectadas a la red de distribución de electricidad de la empresa de servicios públicos locales (AIE, 2018). Algunos estudios en el mundo destacan la importancia de los sistemas solares fuera de la red. Irfan y col. (2019) estudiaron un sistema solar fuera de la red en una comunidad en Pakistán. Analizaron algunas configuraciones, con una irradiación promedio de 5.46 kWh/m2/día, el mejor sistema podría producir 1,496 kWh/kWp anualmente, más de lo necesario para docenas de hogares individuales. Para una pequeña comunidad en India, Arora (2013) diseñó un sistema solar fuera de la red con capacidad para algunos hogares. El autor señaló que a pesar del alto costo del banco de baterías, el sistema es importante para llevar electricidad a las personas que aún viven sin electricidad. Carvalho (2013) diseñó un sistema fotovoltaico aislado para una comunidad remota en Xapuri en la región amazónica brasileña. Midieron el consumo mensual en los hogares de los residentes y descubrieron que el consumo mensual no es más de 10 kWh/mes. Analizaron que el sistema ha traído beneficios a las familias, como la iluminación en hogares y escuelas, que permiten a los estudiantes estudiar de noche. Además, el proyecto proporcionó aumentos de ingresos para los residentes con actividades artesanales. Aparte de eso, algunos de ellos fueron contratados como agentes que ayudan en el mantenimiento del sistema y reciben R$ (reales) 700,00 mensuales.
Ante esto, este proyecto propone buscar una solución para el suministro de energía de una aldea aislada en Haití utilizando energía solar local y tecnologías. La propuesta está en línea con el programa del gobierno haitiano “Banm limyè, banm lavi”, cuyo objetivo es electrificar a todas las comunidades del país. El trabajo tiene como objetivo diseñar el sistema fotovoltaico a través de la herramienta HOMER, que simula las configuraciones del sistema, como los costos, los componentes, la cantidad de opciones tecnológicas y la disponibilidad de los recursos energéticos disponibles (Islam et al., 2012).
UBICACIÓN DEL ESTUDIO
Hay varias comunidades aisladas en Haití y, como todas las comunidades remotas, se caracterizan por un bajo poder adquisitivo de la población, una logística de transporte inadecuada y en algunos casos el aislamiento de los servicios regulares de suministro de electricidad y una baja densidad de población. Según Villaça (2011, p. 10) “La pobreza y los escasos servicios energéticos van de la mano y mantienen una relación sinérgica”. Generación de electricidad a través de fuentes alternativas utilizando los recursos son bien establecido en muchos países y puede ser una solución viable para la generación de electricidad en estas comunidades y es un negocio social, económico y ambientalmente viable para mejorar la calidad de vida de las personas en dichas comunidades.
El área de estudio es un pueblo llamado “Paulin”. Se encuentra a unos 50 km de la ciudad de Port-de-Paix, en el noroeste de Haití (a unos 217 km de la capital de Haití, Puerto Príncipe), en la costa atlántica. El pueblo está atravesado por un gran río conocido como Trois Rivières, que para muchos es la principal causa de su aislamiento. Tiene latitud 19,92 Norte, longitud -72,85 Este y elevación 36m. Los principales cultivos locales son café, plátanos, arroz, tabaco y cacao. Además, otro medio de vida es la pesca. Los habitantes exportan madera y leña e importan carne de res y cerdo. El IDH de la región es 0.498. El pueblo no tiene electricidad, el sistema de iluminación de las casas es a través de queroseno y una lámpara de biomasa convencional. El precio del queroseno es de 0.606 $/litro, lo que se considera muy alto según el nivel de vida de las personas de la comunidad.
Hay varias comunidades aisladas en Haití y, como todas las comunidades remotas, se caracterizan por un bajo poder adquisitivo de la población, una logística de transporte inadecuada y en algunos casos el aislamiento de los servicios regulares de suministro de electricidad y una baja densidad de población. Según Villaça (2011, p. 10) “La pobreza y los escasos servicios energéticos van de la mano y mantienen una relación sinérgica”. Generación de electricidad a través de fuentes alternativas utilizando los recursos son bien establecido en muchos países y puede ser una solución viable para la generación de electricidad en estas comunidades y es un negocio social, económico y ambientalmente viable para mejorar la calidad de vida de las personas en dichas comunidades.
El área de estudio es un pueblo llamado “Paulin”. Se encuentra a unos 50 km de la ciudad de Port-de-Paix, en el noroeste de Haití (a unos 217 km de la capital de Haití, Puerto Príncipe), en la costa atlántica. El pueblo está atravesado por un gran río conocido como Trois Rivières, que para muchos es la principal causa de su aislamiento. Tiene latitud 19,92 Norte, longitud -72,85 Este y elevación 36m. Los principales cultivos locales son café, plátanos, arroz, tabaco y cacao. Además, otro medio de vida es la pesca. Los habitantes exportan madera y leña e importan carne de res y cerdo. El IDH de la región es 0.498. El pueblo no tiene electricidad, el sistema de iluminación de las casas es a través de queroseno y una lámpara de biomasa convencional. El precio del queroseno es de 0.606 $/litro, lo que se considera muy alto según el nivel de vida de las personas de la comunidad.
METODOLOGÍA
Irradiación solar en el sitio de estudio
Haití tiene un excelente potencial de energía renovable, según las evaluaciones, el país teóricamente tiene el potencial de satisfacer plenamente la demanda de electricidad a través de fuentes y tecnologías renovables que están actualmente disponibles (Worldwatch, 2014). La irradiación horizontal diaria global varía de 5 a 7 kWh/m2/día en la mayor parte del país y se aproxima a 8 kWh/m2/día en ciertas regiones (Worldwatch, 2014).
En el sitio de estudio, los valores promedio de irradiación solar para cada mes y el índice de claridad atmosférica “Clearness Index” se muestran en la figura 1. Entre los meses de marzo y septiembre se encuentra el intervalo con las intensidades de irradiación más altas y se destacan para julio y diciembre con mayor y menor radiación solar durante el año respectivamente.
Irradiación solar en el sitio de estudio
Haití tiene un excelente potencial de energía renovable, según las evaluaciones, el país teóricamente tiene el potencial de satisfacer plenamente la demanda de electricidad a través de fuentes y tecnologías renovables que están actualmente disponibles (Worldwatch, 2014). La irradiación horizontal diaria global varía de 5 a 7 kWh/m2/día en la mayor parte del país y se aproxima a 8 kWh/m2/día en ciertas regiones (Worldwatch, 2014).
En el sitio de estudio, los valores promedio de irradiación solar para cada mes y el índice de claridad atmosférica “Clearness Index” se muestran en la figura 1. Entre los meses de marzo y septiembre se encuentra el intervalo con las intensidades de irradiación más altas y se destacan para julio y diciembre con mayor y menor radiación solar durante el año respectivamente.
Figura 1. Promedio mensual de
irradiación solar global diaria en la aldea.
Fuente: Elaboración de los
autores.
Simulación
La herramienta HOMER simula todos los costos que ocurren durante la vida del proyecto, incluido el costo inicial (CI), el reemplazo de componentes dentro de la vida del proyecto y el mantenimiento, como lo muestran (Brasil Jr et al., 2015). Para este estudio se consideró y simuló un día típico y esta carga diaria se consideró constante durante todo el año. Los datos relacionados con la carga de electricidad en la aldea se obtuvieron de la base de datos de ubicaciones cercanas a la población de bajos ingresos (EDH, 2018). Este cargo tiene en cuenta el sistema de iluminación, los electrodomésticos y los equipos domésticos.
El diagrama esquemático del modelo se presenta en la figura 2. Este modelo contiene paneles solares (FV), un convertidor de potencia y un banco de baterías utilizado para cumplir con los requisitos de carga de la aldea. Los datos de entrada incluyen radiación solar, datos de carga, especificaciones técnicas, datos de costos de módulos fotovoltaicos y convertidores. Los datos de carga eléctrica se presentan en la figura 3, con un promedio anual escalonado de 156 kWh/día, con un factor de carga de 0.31 y la demanda máxima “peak” es de 21 kW. Y finalmente, los datos de entrada para cada componente del sistema se presentan en la tabla 1 a continuación.
La herramienta HOMER simula todos los costos que ocurren durante la vida del proyecto, incluido el costo inicial (CI), el reemplazo de componentes dentro de la vida del proyecto y el mantenimiento, como lo muestran (Brasil Jr et al., 2015). Para este estudio se consideró y simuló un día típico y esta carga diaria se consideró constante durante todo el año. Los datos relacionados con la carga de electricidad en la aldea se obtuvieron de la base de datos de ubicaciones cercanas a la población de bajos ingresos (EDH, 2018). Este cargo tiene en cuenta el sistema de iluminación, los electrodomésticos y los equipos domésticos.
El diagrama esquemático del modelo se presenta en la figura 2. Este modelo contiene paneles solares (FV), un convertidor de potencia y un banco de baterías utilizado para cumplir con los requisitos de carga de la aldea. Los datos de entrada incluyen radiación solar, datos de carga, especificaciones técnicas, datos de costos de módulos fotovoltaicos y convertidores. Los datos de carga eléctrica se presentan en la figura 3, con un promedio anual escalonado de 156 kWh/día, con un factor de carga de 0.31 y la demanda máxima “peak” es de 21 kW. Y finalmente, los datos de entrada para cada componente del sistema se presentan en la tabla 1 a continuación.
Figura 2. Arquitectura del
sistema fotovoltaico en estudio.
Fuente: Elaboración de los
autores.
Figura 3. Demanda de carga en
el pueblo.
Fuente: Elaboración de los
autores.
Tabla 1. Datos de entrada para
modelado del sistema.
Fuente: Elaboración de los
autores.
Donde, O&M representa operación y mantenimiento, y FV corresponde
al sistema fotovoltaico.
Sistema FV- Batería
En este sistema, el generador fotovoltaico produce electricidad de corriente continua (CC) en proporción directa a la radiación solar global que llega a la aldea. Como se informó anteriormente, el pueblo está a 36 m del nivel del mar, 19º 56’16 “Norte y 72º 49´ 55” Este. El banco de baterías almacena energía de CC. La corriente CC se convierte en corriente alterna (CA) por medio de un convertidor de frecuencia y esta corriente una vez convertida está lista para su uso. El sistema está controlado por un controlador de carga que se encarga de proteger las baterías, controlar su proceso de carga y descarga, extender su vida útil y garantizar una mayor eficiencia en el almacenamiento de la energía producida.
Costo de Energía: El costo de la energía (COE) es un indicador comúnmente utilizado para comparar el costo de la electricidad de diferentes fuentes. Para analizar la relación costo-beneficio, esta investigación comparó el costo de la electricidad de la red convencional, el costo de la energía solar fotovoltaica y el precio del combustible, ya que es una comunidad donde las personas no tienen acceso a la electricidad. El nivel estimado de costo de electricidad en kWh se calcula mediante la siguiente ecuación (Baurzhan et al., 2016):
(Ec. 1)
Sistema FV- Batería
En este sistema, el generador fotovoltaico produce electricidad de corriente continua (CC) en proporción directa a la radiación solar global que llega a la aldea. Como se informó anteriormente, el pueblo está a 36 m del nivel del mar, 19º 56’16 “Norte y 72º 49´ 55” Este. El banco de baterías almacena energía de CC. La corriente CC se convierte en corriente alterna (CA) por medio de un convertidor de frecuencia y esta corriente una vez convertida está lista para su uso. El sistema está controlado por un controlador de carga que se encarga de proteger las baterías, controlar su proceso de carga y descarga, extender su vida útil y garantizar una mayor eficiencia en el almacenamiento de la energía producida.
Costo de Energía: El costo de la energía (COE) es un indicador comúnmente utilizado para comparar el costo de la electricidad de diferentes fuentes. Para analizar la relación costo-beneficio, esta investigación comparó el costo de la electricidad de la red convencional, el costo de la energía solar fotovoltaica y el precio del combustible, ya que es una comunidad donde las personas no tienen acceso a la electricidad. El nivel estimado de costo de electricidad en kWh se calcula mediante la siguiente ecuación (Baurzhan et al., 2016):
(Ec. 1)
Donde c representa el costo, el costo de inversión se indica mediante
Ic, el costo de mantenimiento por Mc, el costo de combustible por Fc,
el año por k, la cantidad de electricidad producida en kWh por Ea, la
tasa de descuento por d y la vida tecnológica de la operación por n.
RESULTADOS Y DISCUSIONES
En los resultados de la simulación, la herramienta HOMER sugirió un sistema (configuración azul) de 53.2 kW equivalente a 380 paneles solares como el más viable. Un convertidor de frecuencia de 24 kW y un banco de baterías de 96 V. El voltaje del sistema es equivalente a 296 Freedom DF4001 (0.240kAh/0.220kAh) baterías estacionarias. Se espera que el costo de capital de este sistema alcance $125,877, también tiene un costo operativo anual de $9,587 por año, un costo neto actual (NPC) de $248,429 y un costo de energía (COE) de 0.341 $/kWh, según la tabla 2. Este sistema se considera el más viable debido a su menor costo de capital inicial y COE en comparación con las otras configuraciones como se muestra en la tabla 2.
Como se indicó anteriormente, el costo del combustible en la localidad es de 0.606 $/litro, el COE del sistema propuesto (0.341 $/kWh) es mucho más bajo, lo que indica que dicho sistema sería más viable en comparación con la compra de combustible para uso doméstico en la región.
RESULTADOS Y DISCUSIONES
En los resultados de la simulación, la herramienta HOMER sugirió un sistema (configuración azul) de 53.2 kW equivalente a 380 paneles solares como el más viable. Un convertidor de frecuencia de 24 kW y un banco de baterías de 96 V. El voltaje del sistema es equivalente a 296 Freedom DF4001 (0.240kAh/0.220kAh) baterías estacionarias. Se espera que el costo de capital de este sistema alcance $125,877, también tiene un costo operativo anual de $9,587 por año, un costo neto actual (NPC) de $248,429 y un costo de energía (COE) de 0.341 $/kWh, según la tabla 2. Este sistema se considera el más viable debido a su menor costo de capital inicial y COE en comparación con las otras configuraciones como se muestra en la tabla 2.
Como se indicó anteriormente, el costo del combustible en la localidad es de 0.606 $/litro, el COE del sistema propuesto (0.341 $/kWh) es mucho más bajo, lo que indica que dicho sistema sería más viable en comparación con la compra de combustible para uso doméstico en la región.
Tabla 2. Configuraciones
simuladas y el sistema de aldea ideal.
Fuente: Elaboración de los
autores.
Especificaciones Técnicas de Componentes
Tabla 3. Especificaciones
técnicas de los componentes del sistema.
Fuente: Elaboración de los
autores.
Análisis de Rendimiento Energético
Como se señaló anteriormente, debido a la fuerte irradiación solar en la localidad, con un promedio de 5.26 kWh/m2/día, el sistema proyectado podría satisfacer las necesidades energéticas de la aldea con un 100% de energía solar. La potencia mensual del sistema, como se presenta en la figura 4, muestra una variación de aproximadamente 7 kW en diciembre y aumenta un máximo de 11.5 kW en julio, que son los meses en que la radiación es respectivamente mínima y máxima.
Como se señaló anteriormente, debido a la fuerte irradiación solar en la localidad, con un promedio de 5.26 kWh/m2/día, el sistema proyectado podría satisfacer las necesidades energéticas de la aldea con un 100% de energía solar. La potencia mensual del sistema, como se presenta en la figura 4, muestra una variación de aproximadamente 7 kW en diciembre y aumenta un máximo de 11.5 kW en julio, que son los meses en que la radiación es respectivamente mínima y máxima.
Figura 4. Promedio mensual de
la potencia del sistema FV.
Fuente: Elaboración de los
autores.
La figura 5 muestra la salida o cantidad de energía generada por los
paneles, para cada hora del día durante todo el año en el pueblo. De
00:00 a 06:00 y de 18:00 a 00:00, el módulo no produce energía, pero de
06:00 a 18:00 genera grandes cantidades de energía, dependiendo de la
hora y mes del año. El mes con la generación más baja es diciembre, la
energía generada puede ser inferior a 10.8 kW, según el día. De hecho,
julio es el mes con la mayor producción, la energía generada es de 43.2
kW y puede llegar a 54.0 kW dependiendo del día y la hora. Durante los
períodos en que no hay generación o baja generación de paneles, el
banco de baterías cargadas podría proporcionar toda la energía que
necesita la comunidad.
Figura 5. Producción mensual de
paneles solares para cada hora del día.
Fuente: Elaboración de los
autores.
Análisis Económico
Las estimaciones del costo total del sistema y el costo de sus componentes principales (FV, banco de baterías y convertidor) se muestran en la figura 6. Los costos iniciales de capital, reemplazo, operación y mantenimiento (O&M) y recuperación se resumen en tabla 3. Lo que se puede observar es que la mayor parte del costo neto actual (NPC) total entre los componentes se concentra en el banco de baterías, porque éste tiene un costo por su reemplazo cada cuatro años durante el ciclo de vida del sistema. El costo más bajo es para paneles fotovoltaicos ya que no tienen costos de reemplazo o mantenimiento durante la vida del proyecto de 25 años. Después de 25 años, el sistema seguirá siendo 80% eficiente.
Las estimaciones del costo total del sistema y el costo de sus componentes principales (FV, banco de baterías y convertidor) se muestran en la figura 6. Los costos iniciales de capital, reemplazo, operación y mantenimiento (O&M) y recuperación se resumen en tabla 3. Lo que se puede observar es que la mayor parte del costo neto actual (NPC) total entre los componentes se concentra en el banco de baterías, porque éste tiene un costo por su reemplazo cada cuatro años durante el ciclo de vida del sistema. El costo más bajo es para paneles fotovoltaicos ya que no tienen costos de reemplazo o mantenimiento durante la vida del proyecto de 25 años. Después de 25 años, el sistema seguirá siendo 80% eficiente.
Figura 6. Resumen de flujo de
efectivo “Cash Flow Summary” para cada componente del sistema.
Fuente: Elaboración de los
autores.
El capital presupuestado para el sistema es de $125,877, para el
reemplazo de reemplazo es de $136,675 y los costos de operación y
mantenimiento son nulos. El PV, el banco de baterías y los componentes
del convertidor tendrán un costo total de $11,379, $128,390 y $108,660
respectivamente, lo que representa el sistema con un costo presente
neto de $248,429 (tabla 4). Este presupuesto es el más bajo en
comparación con los costos de implementación de sistemas convencionales
que dependen de líneas de transmisión y distribución, equipos,
distancias, entre otros.
Tabla 4. Los costos de los
componentes del sistema.
Fuente: Elaboración de los
autores.
CONCLUSIONES
Para satisfacer las necesidades energéticas de la aldea “Paulin” en el noroeste de Haití, este estudio se realizó con un sistema de energía solar 100%. El proyecto tiene un costo actual neto de $248,429, prácticamente ningún costo de mantenimiento y un costo de reemplazo de $136,675 debido al reemplazo del banco de baterías cada cuatro años. El proyecto aún tiene costos más bajos en comparación con los sistemas convencionales que podrían implementarse en la comunidad. El COE del sistema más viable es $/kWh 0.341, que es más bajo que el precio del combustible ($/litros 0.606) utilizado por los aldeanos. El precio del combustible se considera alto, ya que son las personas de muy bajos ingresos quienes dependen de la agricultura no rentable para tener una calidad de vida adecuada. Además del daño al medio ambiente por el uso de este tipo de combustible y la biomasa tradicional, se encuentran los riesgos para la salud por el uso de lámparas de queroseno para iluminar los hogares de una población que ya sufre de mala atención médica.
La metodología modelo presentada por la herramienta HOMER para la evaluación del potencial de energía solar en la producción de energía fotovoltaica y los resultados encontrados en este trabajo se pueden aplicar a otras comunidades del archipiélago. Lo que en consecuencia puede proporcionar electrificación, desarrollo social y mejorar la calidad de vida de las poblaciones de comunidades pobres del país que utilizan energías renovables.
Para satisfacer las necesidades energéticas de la aldea “Paulin” en el noroeste de Haití, este estudio se realizó con un sistema de energía solar 100%. El proyecto tiene un costo actual neto de $248,429, prácticamente ningún costo de mantenimiento y un costo de reemplazo de $136,675 debido al reemplazo del banco de baterías cada cuatro años. El proyecto aún tiene costos más bajos en comparación con los sistemas convencionales que podrían implementarse en la comunidad. El COE del sistema más viable es $/kWh 0.341, que es más bajo que el precio del combustible ($/litros 0.606) utilizado por los aldeanos. El precio del combustible se considera alto, ya que son las personas de muy bajos ingresos quienes dependen de la agricultura no rentable para tener una calidad de vida adecuada. Además del daño al medio ambiente por el uso de este tipo de combustible y la biomasa tradicional, se encuentran los riesgos para la salud por el uso de lámparas de queroseno para iluminar los hogares de una población que ya sufre de mala atención médica.
La metodología modelo presentada por la herramienta HOMER para la evaluación del potencial de energía solar en la producción de energía fotovoltaica y los resultados encontrados en este trabajo se pueden aplicar a otras comunidades del archipiélago. Lo que en consecuencia puede proporcionar electrificación, desarrollo social y mejorar la calidad de vida de las poblaciones de comunidades pobres del país que utilizan energías renovables.
REFERENCIAS
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