La electrificación generada por paneles solares fotovoltaicos se viene convirtiendo en una energía inagotable que no contamina, por lo que contribuye al desarrollo sostenible de muchas comunidades como la de Puno, en Perú, donde se ejecutó un proyecto de generación fotovoltaica.
1. Antecedentes
El hombre en su afán de optimizar o descubrir nuevas fuentes de energía eléctrica continúa y sigue en estos momentos a las fuentes de energía renovables, especialmente a la solar y la eólica. En ese sentido hay países que lideran su aplicación, investigación y trayectoria, exportando así tecnología al mundo, como Alemania, España, Canadá, China, India, EE.UU. etc. Desde tiempos inmemorables el hombre tuvo la inquietud con la energía eléctrica y siempre quiso y quiere almacenar la energía que disipa una descarga atmosférica (rayo), para su utilización.
Hoy día sabemos que la investigación se centra en los acumuladores para que estos sean más pequeños y de larga duración. Según las tendencias, al parecer la generación fotovoltaica viene ganando la partida. La energía eléctrica desde su descubrimiento viene y seguirá liderando su utilización, moviendo la industria mundial, incursionando ahora con gran ventaja en la electromovilidad, por ser la más limpia, incrementando aún más su utilización.
2. Generación eléctrica fotovoltaica
Después de su aplicación en los satélites y naves espaciales las celdas solares toman auge dado al cambio en los materiales semiconductores y bajan su costo unitario, siendo así factible la generación eléctrica fotovoltaica.
En el Perú, el Ministerio de Energía y Minas – MEM, a parir del 2012 inicia el proyecto de generación fotovoltaica en la isla Amantaní, ubicada en el lago Titicaca-Puno y finaliza su construcción a fines del 2019. La energía solar fotovoltaica es la tercera fuente de energía renovable más importante en términos de capacidad instalada, 2018 (500 GW), 2019 (más de 1,100 GW). Para tener una idea de los costos unitarios se muestra el siguiente cuadro:
3. Proyecciones
Se escoge éste proyecto por las ventajas particulares que tiene la generación de energía fotovoltaica, la isla Amantaní es un centro aislado, no se encuentra cerca de la red convencional, la carga es relativamente baja, es un proyecto piloto en su género.
Las ventajas que se atribuyen a la generación fotovoltaica son: Es renovable, Inagotable, Generación de energía limpia, No contaminante, Dimensionable para grandes cargas, Cargas domiciliarias y especiales, Apta para zonas rurales o aisladas, Mantenimiento y operación a bajo costo, Contribuye al desarrollo sostenible, fomenta el empleo local.
Como aplicación práctica mencionaremos la electrificación de las poblaciones mineras-comunidades y las cargas alejadas de la red en minas.
4. Aplicaciones de la generación fotovoltaica
Como hemos visto la generación fotovoltaica por su versatilidad se puede desarrollar para alimentar cualquier carga alejada de red convencional, teniendo en cuenta la incidencia solar en cada zona.
A continuación resumiremos las posibles aplicaciones en el país, tenemos innumerables zonas aisladas en la costa, sierra y selva.
En minería se aplicaría para las poblaciones mineras (campamentos) y cargas alejadas como iluminación en relaveras y bombeo. Como ejemplo explicaremos el proyecto de “Sistema de Generación Fotovoltaica de la Isla de Amantaní”, ubicada en el lago Titicaca , Departamento de Puno
5. Sistema de generación fotovoltaica, electrificación de la isla Amantani del Lago Titicaca en Puno
5.1. Objetivo del Proyecto Generar energía eléctrica en forma confiable para la demanda de las 10 localidades de la Isla Amantani, del Lago Titicaca, departamento de Puno, mediante la ejecución de un Sistema de Generación Fotovoltaica (SGFV) ubicado en el patio fotovoltaico para generar la energía requerida por el Sector Este y Oeste. Almacenar energía en bancos de batería para su uso cuando la potencia de generación no sea suficiente o en horas de la noche. Contar con un sistema de respaldo que garantice la operación continua de energía, este sistema operará sólo ante condiciones adversas de clima o ante incrementos de demanda atípicos. El sistema de respaldo está compuesto por el grupo electrógeno de 250 kW existente.
5.2. Características del Proyecto
- Central de Generación Fotovoltaica: De 274,56 kWp de potencia, con los siguientes componentes principales: un Arreglo o Matriz Fotovoltaica de 1056 Módulos Fotovoltaicos de 260 Wp; 11 inversores de red trifásicos de 25 kW cada uno.
- Inversores Bidireccionales y Bancos de Batería: 192kW de potencia en 10 grupos de 3 inversores bidireccionales cada uno; cada grupo de inversores contará con 80 baterías de Litio Fierro Fosfato (LiFePO4) logrando una capacidad total de almacenamiento de 1.08MWh.
- Centro de Distribución y Transformación: se instalará un Centro de Distribución y Transformación para el acoplamiento del sistema de inversores bidireccionales y el grupo electrógeno existente.
- Transformador Elevador de Aislamiento de 300kVA: se instalará un transformador de 300kVA de 0.38/22.9 kV para la conexión del patio de generación a la Red Primaria.
- Transformador Elevador de Aislamiento de 225kVA: se instalará un transformador de 225kVA de 0.38/22.9 kV para la conexión del Centro de Distribución y Transformación a la Red Primaria.
- El proyecto comprende el mantenimiento y puesta en servicio del grupo electrógeno de 250 kW existente en el puerto principal de la Isla Amantaní a fin de suministrar energía eléctrica durante las horas punta de máxima demanda y posibilitar la carga de las baterías en caso de contingencias. Como una referencia importante mencionaremos que el Estudio Definitivo y labores de campo se ha desarrollado, en conformidad a las prescripciones de las Normas Técnicas de la Dirección General de Electricidad para Electrificación Rural y el Código Nacional de Electricidad Suministro 2011 y normas Internacionales.
5.3. Alcances del Proyecto El proyecto comprende los siguientes puntos:
- Suministro y montaje del Sistema de generación fotovoltaica en un solo patio de generación.
- Suministro y montaje de un Sistema de Inversores Bidireccionales de Baterías.
- Suministro y montaje del Centro de Distribución y Transferencia.
- Suministro y montaje de Transformadores de Potencia uno de 300kVA para el patio de generación y otro de 225 kVA para el Sistema de Inversores Bidireccionales de Baterías.
- Mantenimiento y puesta en marcha del Sistema de Generación Térmica mediante el grupo electrógeno existente de 250 kW.
5.3.1. Sistemas de Generación Fotovoltaica (SGFV) Cubre la demanda de energía de los abonados ubicados en el sector Este y Oeste de la Isla Amantaní.
Tendrá una capacidad instalada de 274.56 kWp, con capacidad de transformación dc/ac de 275 kW. Este sistema contendrá los siguientes componentes principales:
✓ Conformado por la agrupación de 11 inversores de red con capacidad de transformación dc/ac de 25kW nominales.
✓ Cada inversor cuenta con dos arreglos de módulos conformado por 3 cadenas (String), cada una de las cuales tiene 16 módulos de 260Wp conectados en serie.
✓ Sistema de Protección externa e interna (integral) contra rayos y sobretensiones Clase III.
Protección externa para toda la infraestructura de los SGFV, diseñada para evitar las descargas directas de corrientes de rayos de 10 a 100 kA, equipada con captadores tipo puntas Franklin adecuadamente instalados y conductores derivadores de Cobre duro de 950 mm2 para transporte de la corriente del rayo al sistema equipotencial de puesta a tierra.
Protección interna para reducir el daño de los materiales y equipos debido a las sobretensiones causadas por la variación de los campos electromagnéticos por el accionar de la protección externa ante las descargas directas en las instalaciones, las descargas no directas por la llegada de las sobretensiones tipo rayo a través de las líneas aéreas o el impacto de rayos en la vecindad de los SGFV; por lo cual, además de la protección propia del Sistema de Gestión, se considera el equipamiento de descargadores de sobretensión por corriente de rayo Tipo 1 o de Protección Basta, con capacidades mínimas de derivación de 50 kA – 10/350 us y 25 kA – 8/20 us; asimismo, considera que los conductores colectores del campo fotovoltaico hacia los módulos de gestión serán bipolares apantallados del tipo NYSY de 16 mm2 de sección.
✓ Sistema de Puesta a Tierra: Diseñado y construido bajo el principio de la equipotencialidad para toda la instalación, mediante la unión directa a la malla profunda de puesta tierra de todos los sistemas metálicos y la unión directa de los conductores activos a través los descargadores de sobretensión por corriente de rayo.
La malla profunda de puesta a tierra tendrá un valor máximo de resistencia de puesta equivalente a 10 Ohm, construida con conductores de Cobre Duro de 35 mm2, con uniones mediante soldadura exotérmica y con pozos de puesta a tierra equipados con electrodos verticales de 16 mm de diámetro y 2,40 m de longitud y con cajas de registros.
5.3.2. Sistemas de Inversores Bidireccionales de Batería El proyecto comprende el diseño, construcción y puesta en servicio de un Sistema de Inversores Bidireccionales de Batería que permiten almacenar energía en los bancos de batería o retirar energía dependiendo del comportamiento de la generación y consumo de la demanda eléctrica.
Este sistema tiene los siguientes componentes principales:
✓ 10 grupos de inversores, cada uno de los cuales está conformado por 3 inversores bidireccionales de 6.4kW conectados formando un sistema 10 trifásico con capacidad de soportar una potencia de 192kW durante una hora.
✓ Cada grupo de inversores contará con un banco de baterías conformado por 72 baterías de Litio Fierro Fosfato (LiFePO4) conectadas en paralelo.
✓ La conexión de grupos de inversores se realizará en un bus AC por lo que cada grupo de inversores ira conectado al Centro de Distribución y Transferencia.
5.3.3. Centro de Distribución y Transferencia Permite el acoplamiento de la fuente de generación (Térmica) con el sistema de almacenamiento (Inversores bidireccionales) para la sincronización de entrada y salida del grupo electrógeno.
5.3.4. Transformador Elevador Para permitir la conexión tanto de los Sistemas de Generación como el Centro de Distribución y Transferencia se contará con Transformadores de Potencia con las siguientes características:
✓ Para el patio de Generación Fotovoltaica, Un Transformador de Aislamiento Elevador de Potencia de 300 kVA 0,38/22,9 kV, YNd5. Con llegada subterránea mediante cables para baja tensión tipo N2XY de 240 mm2 unipolares y salida subterránea para cables unipolares tipo N2XSY en 18/30 kV de 25 mm2 con sus respectivos terminales unipolares.
✓ Para el Sistema de Inversores Bidireccionales de Baterías, Un Transformador de Aislamiento Elevador de Potencia de 300 kVA 0,38/22,9 kV, YNd5. con llegada subterránea mediante cables para baja tensión tipo N2XY de 240 mm2 unipolares y salida subterránea para cables unipolares tipo N2XSY en 18/30 kV de 25 mm2 con sus respectivos terminales unipolares.
5.3.5. Sistema de Generación Térmica El proyecto comprende el mantenimiento y puesta en servicio del Grupo Electrógeno de 250 kW existente en el puerto principal de la Isla Amantaní a fin de actuar como respaldo ante la falta de energía debido a condiciones climáticas desfavorables continuadas o en el caso de incrementos atípicos de la demanda.
5.3.6. Monitoreo y Control a Distancia El la instalación contempla un sistema de monitoreo y control a distancia, utilizando la red Wi Fi, que permite visualizar supervisar y monitorear la instalación, pudiendo en caso ser necesario el control de la electrificación.
5.3.7. Equipamiento de la Red Primaria En la presente ponencia sólo trataremos las otra partes del proyecto como referencia, ya que el enfoque es la generación fotovoltaica.
El proyecto comprende el diseño de 5,59 km de Redes Primarias Aéreas trifásicas con neutro rígidamente puesta a tierra para suministrar energía a las redes de las subestaciones proyectadas y un tramo de 0,21 km de redes primarias en 22,9kV trifásicas con el neutro rígidamente puesta a tierra para interconectar el sistema de Generación con las Redes primarias proyectadas.
Cuatro (4) subestaciones de distribución Trifasica: 22,9/0,38-0,23 kV, 60 Hz; Vcc 4%. Potencias 40, 50 y 75 kVA.
Las Redes Secundarias beneficiarán 10 localidades mediante Redes primarias y Secundarias con una población de 4,068 habitantes beneficiarios, y con 1,025 abonados.
En cuanto a los costos se elaboró un cuadro el mismo que adjuntamos, teniendo en cuenta lo usual de un proyecto, materiales, montaje, obras civiles, transporte, gastos generales, utilidades, por obvias razones no ponemos el cuadro de costos respectivo.
Anexos
A. Banco Fotográfico del Proyecto de Electrificación
B. Normas Nacionales Aplicables ➢ RD 016-2003-EM: Especificaciones Técnicas de Montaje de Líneas y Redes Primarias para Electrificación Rural. ➢ RD 017-2003-EM: Alumbrado de Vías Públicas en Aéreas Rurales.
➢ RD 018-2003-EM: Bases para el Diseño de Línea y Redes Primarias para Electrificación Rural.
➢ RD 020-2003-EM: Especificaciones Técnicas de Montaje de Redes Secundarias con Conductor Autoportante para Electrificación Rural.
➢ RD 023-2003-EM: Especificaciones Técnicas de Soportes Normalizados para Líneas y redes Secundarias para Electrificación Rural. ➢ RD 024-2003-EM: Especificaciones Técnicas de Soportes Normalizados de Líneas y Redes Primarias para Electrificación Rural.
➢ RD 025-2003-EM: Especificaciones Técnicas para el Suministro de Materiales y Equipos de Redes Secundarias para Electrificación Rural.
➢ RD 026-2003-EM: Especificaciones Técnicas para el Suministro de Materiales y Equipos de Líneas y Redes Primarias para Electrificación Rural.
➢ RD 030-2003-EM: Especificaciones Técnicas para levantamientos Topográficos para Electrificación Rural.
➢ RD 031-2003-EM: Bases para el Diseño de Líneas y redes Secundarias con Conductor Autoportante para Electrificación Rural.
➢ Ley de Concesiones Eléctricas y su Reglamento.
➢ Guía de Estudios de Impacto Ambiental para las Actividades Eléctricas.
C. Normas Internacionales ➢ NESC (National Electrical Safety Code).
➢ RUS (Rural Utilities Service).
➢ U.S. Bureau of Reclamation – Standard Design.
➢ VDE 210 (Verband Deutscher Electrotechniker).
➢ IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).
➢ CIGRE (Conference International des Grands Resseaux Electriques).
➢ ANSI (American National Standard Institute).
➢ IEC (International Electrotecnical Comission).
Por : Ing. Jorge Paredes Caballero
Consultor / Asesor en Empresas de suministro, mantenimiento y servicios con experiencia en Mantenimiento eléctrico de redes de MT y BT, subestaciones, sistema de bombeo, ventilación, eficiencia energética, sistemas de comunicación digital, automatización, instrumentación y control industrial.
