domingo, 4 de mayo de 2008

Instalaciones Fotovoltaicas en el Peru: Hotel Suasi instalaciones fotovoltaicas


"Energía solar para el Hotel Suasi, el primer hotel ecológico del Perú"
Escrito por Dr. Manfred Horn.

(Este artículo puede ser visto desde: http://fc.uni.edu.pe/solar/suasi.html)

RESUMEN

Se presenta el diseño del equipamiento solar del Hotel Suasi, recientemente construido en la isla Suasi en el lago Titicaca, el primer hotel verdaderamente ecológico del Perú: no solamente se ha considerado y respetado las características del medio ambiente para el diseño y construcción del hotel, sino prácticamente toda la demanda energética del hotel está cubierta por la energía solar.

Por un lado, la demanda de electricidad del hotel (para iluminación, TV, computación , refrigeración, etc.) está cubierta por un panel fotovoltaico de 1500 Wp. Un segundo panel fotovoltaico de 1100 Wp suministra la energía eléctrica para bombear 10 m3/día de agua desde un pozo en la orilla de la isla hasta una cisterna a 54 m encima del nivel del lago.

Por otro lado, para suministrar el agua caliente requerido en el hotel, se ha instalado 12 m2 de colectores térmicos solares, conectados a 3 termas de 300 l, cada una, a través de intercambiadores de calor (con líquido anticongelante, debido a las heladas existentes en el lugar).

Para la cocción de los alimentos se usa mayormente tres cocinas solares, tipo concentradores parabólicos. En combinación con las cocinas solares está previsto evaluar un prototipo de "refrigeradora solar", usando el sistema de adsorción agua - zeolita.



1. Presentación y consideraciones generales

En la isla Suasi del lago Titicaca (extensión de la isla: 47 ha; propiedad privada; 15 ° sur, 3800 m s.n.m.) se ha inaugurada recientemente un hotel con miras a promover un turismo ecológico. Es el primer hotel del Perú que es verdaderamente ecológico: se encuentra en una zona ecológica privada que apunta a relevar las características del altiplano y del lago Titicaca y no solamente se ha considerado y respetado las características del medio ambiente para el diseño y construcción del hotel, sino prácticamente toda la demanda energética del hotel está cubierta por la energía solar.

Para satisfacer la demanda de energía eléctrica del hotel se consideró originalmente una conexión a la red eléctrica (la isla se encuentra aproximadamente a 600 - 800 m de la orilla Este del lago), sin embargo posteriormente se consideró una generación local con paneles fotovoltaicos, en armonía con el enfoque ecológico del hotel (por este mismo motivo se excluyó la posibilidad de una generación local con un grupo electrógeno).

Actualmente (octubre 1998) se ha concluido la construcción de la primera parte del hotel (8 habitaciones y áreas comunes), la que ya está en funcionamiento, y se ha iniciado la construcción de la segunda parte. El hotel se encuentra a unos 33 m sobre el nivel del lago. Su eje principal está orientado Este - Oeste y todas las habitaciones miran sobre el lago y hacia el Norte. Toda la parte del equipamiento solar está instalada (por las empresas INTILUZ y SUNRISE ENERGY) y en funcionamiento.

En el presente trabajo se presenta el estudio técnico para usar la energía solar para suministrar electricidad para el hotel, incluyendo para el bombeo de agua, y para suministrar calor para la cocción de alimentos y para disponer de agua caliente.

2. Demanda de energía eléctrica (sin bombeo de agua)

Se estima que la demanda total de energía eléctrica del hotel (sin considerar el bombeo de agua) será de
9 kWh/día (ver anexo) con una potencia total de 3,4 kW, una vez que la segunda etapa de construcción sea concluida y en operación.

3,3 kWh/día de esta energía corresponden a iluminación y 5,7 kWh/día a otros consumos, en especial a 2 televisores, 2 computadoras, una refrigeradora y una congeladora. Por otro lado, aproximadamente la mitad de esta potencia y energía corresponde a la parte del hotel que ya está construida y la otra mitad, a la parte del hotel en construcción.

Para el cálculo de la demanda de energía eléctrica se ha considerado:
- Todo el personal del hotel así como sus huéspedes deben ser conscientes de que se debe evitar al máximo cualquier uso innecesario de electricidad.

- El congelador y la refrigeradora, cada uno de 300 litros, deben ser de alta eficiencia energética, con un consumo máximo de 800 Wh / día (para Tamb = 15 °C).

- Todas las luminarias deben ser fluorescentes ahorradores de energía, con balasto electrónico y con una eficiencia luminosa superior a 50 Lumen/Watt. En el exterior y en los pasadizos se ha previsto la instalación de fluorescentes con sensores de movimiento para reducir el consumo eléctrico (las lámparas solamente se prenden por unos pocos minutos cada vez que transita una persona).

- Los tomacorrientes en las habitaciones son solamente para pequeñas cargas, como máquina de afeitar ó cargador de baterías para video-cameras. No se podría permitir el uso de secadores de cabello o planchas (puede haber un único secador de cabello en el hotel.)


3. Dimensionamiento del Sistema Fotovoltaico para satisfacer la demanda de energía eléctrica (sin bombeo de agua)

3.1 El recurso energético

A pesar de que no existen datos sobre la radiación solar en la isla Suasi, se puede considerar con muy buena aproximación los datos obtenidos en algunos lugares alrededor del lago Titicaca /1/.

La irradiancia solar global en Suasi, sobre superficie horizontal (promedios mensuales), en kWh/m2día (extrapolación de mediciones realizadas en la cercanía), es:

enero 5,1 julio 5,5
febrero 5,7 agosto 6,5
marzo 5,4 setiembre 6,7
abril 5,8 octubre 7,2
mayo 5,7 noviembre 6,7
junio 5,5 diciembre 6,3

El promedio anual de la irradiancia solar es 6,0 kWh/m2día.

Por lo tanto, existe un nivel de energía solar muy alto y bastante constante durante todo el año, apropiado para su uso en sistemas solares. También hay que considerar que la baja temperatura ambiental (promedios mensuales: 6 -10 °C) resulta en una alta eficiencia de los paneles fotovoltaicos.

3.2 Dimensionamiento del sistema fotovoltaico

Para el diseño del sistema fotovoltaico se tomó en consideración:
- El hotel está proyectado como un "hotel ecológico". Sin embargo, no se puede saber hasta que punto una "conciencia ecológica" del personal y de los huéspedes del hotel contribuirá a un uso mínimo de energía. Por lo tanto, es conveniente hacer un diseño modular, que permita posteriormente una ampliación si fuera necesario. Para satisfacer demandas no previstas, como para poder responder a eventuales fallas del sistema (rayos!), conviene incluir un sistema de suministro eléctrico de emergencia por un grupo electrógeno ("back-up").

- Al momento de planificar la instalación fotovoltaica , una parte del hotel ya estaba construida, incluyendo su instalación eléctrica que fue diseñada para 220 V AC. Esta instalación está dividida en 5 circuitos correspondientes a diferentes partes del hotel.

En base a lo anterior se ha propuesta un sistema inicialmente híbrido, solar - Diesel, con:

- una instalación mayormente de 220 VAC .

- una instalación de 24 V DC para la refrigeradora y congeladora (de "tipo solar", con una alimentación directa de 24 VDC; esto reduce también la potencia requerida del inversor.

- una instalación de luces de emergencia a 24 VDC.

- 2 inversores 24 VDC / 220 VAC, tipo inversor / cargador, con una potencia total de 4000 W (dos inversores, para aumentar la confiabilidad del sistema).

- un banco de baterías a 24 V que brinde al sistema una autonomía mínima de 3 días. Esto significa se requiere poder disponer de 9 kWh x 3 = 27 kWh. Usando "baterías solares" abiertas de 150 Ah, que permiten usar una carga útil de 50%, es decir 75 Ah, se puede almacenar en cada batería 75 Ah x 12 V = 900 Wh. Para 27 kWh se requiere entonces 27 / 0.9 = 30 baterías de 150 Ah.

- un grupo electrógeno de 5 kWh que sirva como "back-up" para cargar las baterías en caso necesario. Esto duraría 1-3 horas por día, y se realizaría en un horario apropiado, para afectar al mínimo a los huéspedes.
Usando el programa de computo PVS /2/ se ha realizado simulaciones para diferentes posibles configuraciones del sistema (variando el tamaño del panel fotovoltaico y del banco de baterías y la inclinación de los paneles). En particular, se simuló un sistema de 2250 Wp y otro de 1500 Wp :

- Sistema 1:

30 paneles solares de 75 W (2250 W) y 30 baterías de 150 Ah, 12 V (2250 Ah a 24 V)

Este sistema satisface una demanda de 9 kWh/día con 96.7%. Solamente entre enero y marzo se requiere un pequeño complemento de 3,3% del grupo electrógeno, mientras que en los restantes meses existe un excedente de energía solar. El banco de baterías está mayormente cargado con más de 80%, lo que garantiza su larga vida.

- Sistema 2:

20 paneles solares de 75 W (1500 W) y 30 baterías de 150 Ah , 12 V (2250 Ah a 24 V).

Este sistema satisface una demanda diaria de 6 kWh con 96,5%. Solamente entre enero y marzo se requiere un pequeño complemento de 3,5% del grupo electrógeno, en total 121 kWh (durante los tres meses: menos de 1,4 kWh/día). Las baterías tienen en promedio un estado de cargo algo menor que en el caso anterior, pero suficiente para una larga vida.

En el caso que la carga sería 9 kWh/día, 66,1% de esta carga provendría del sol, el resto tendría que ser suministrado por el grupo electrógeno (1 - 3 horas de funcionamiento diario).

Considerando que no se sabe cuál será el consumo real del hotel, y para no sobredimensionar innecesariamente el sistema (con el costo respectivo), se ha decidido implementar por ahora este sistema 2, y medir durante un año la carga adicional eventualmente requerida por el grupo electrógeno y después, en caso necesario, ampliar la potencia del sistema fotovoltaico.

El sistema instalado (en junio - agosto 1998) consiste de:

- 20 paneles solares de 75 W , conectados a 24 V

- 30 baterías de 150 Ah,12 V (conectados a 24 V)

- 1 inversor de 2500 W (24 V DC/220 V AC)

- 1 inversor de 1500 W (24 V DC/220 V AC)

- 2 reguladores de carga de batería de 30 A c/u (con display LCD)

- 1 caja de distribución con interruptores electromagnéticos en todos circuitos y protectores contra descargas
eléctricas

- medidores de energía suministrada y de energía consumido (kWh), en los circuitos de 220 VAC como en los
circuitos de 24 VDC.

3.3 Ubicación de los equipos

Detrás del hotel , el terreno (semi - árido) sigue subiendo hasta 56 m sobre el nivel del lago. Se ha ubicado el arreglo de paneles encima del techo de una caseta a unos 20 m detrás (y encima) del hotel (y paralelo al hotel), mirando hacia el norte, con una inclinación del techo de 15°. La caseta, de 3 x 6 m2, tiene dos ambientes para el banco de baterías y para los equipos electrónicos (controladores de carga, medidor eléctrico, inversor, caja de distribución). En una caseta algo más alejado está ubicado el grupo electrógeno.

Importante es anotar que todos los equipos tienen puestas a tierra y que se ha instalado pararrayos para proteger todo el sistema. Hay un pararrayo encima de la caseta y un pararrayo sobre un poste independiente detrás y encima.

4. Sistema de bombeo fotovoltaico de agua

La demanda diaria de agua del hotel (habitaciones, baños, cocina, etc.) es estimada en 6 m3. Adicionalmente se requiere en la temporada seca (abril - octubre) diariamente 2 - 4 m3 agua para los jardines. Para satisfacer esta demanda se puede usar el agua del lago, que es potable y de buena calidad. Sin embargo se requiere bombear el agua a la altura del hotel y de los jardines.

Para tal fin se ha construido en la playa, cerca a la orilla del lago, un pozo de 5,4 m de profundidad (debajo del nivel del lago) y de 1,5 m de diámetro, para que desde el lago se llene el pozo por filtración. En el pozo se ha colocado una bomba sumergible para bombear el agua a una cisterna de 24 m3 en la cima atrás del hotel, a 54 m encima del lago y a una distancia d2 198 m del pozo. Desde esta cisterna, donde el agua es también clorificado, el agua es llevado por gravedad al hotel y los jardines

Para satisfacer la demanda indicada de 6 m3/día para el hotel y adicionalmente 4 m3/día para los jardines durante los meses abril - octubre, se ha realizado simulaciones de bombeo para diferentes configuraciones de bomba y arreglos fotovoltaicos . La simulación usó el programa USPC /3/ y consideró una altura dinámica de bombeo de 60 m y los datos de radiación solar indicados anteriormente.

Para lograr una eficiencia máxima se eligió una bomba sumergible con motor trifásico (Grundfos 7S07-15; 230V, 60 Hz; 0,75 HP), con inversor de frecuencia variable y seguimiento de punto de máxima potencia (Aero Vironment Inc., modelo USPC-2000). La inclinación de los paneles solares se fijó de tal manera que se optimizó el sistema para los meses de mayor sequía, lo que resultó en una inclinación de los paneles de 20° hacia el norte. El sistema elegido satisface, según la simulación, la demanda, tal como se indica en el siguiente gráfico, en el cual se presenta los valores mensuales de la radiación solar en el plano del panel fotovoltaico y el caudal de agua por día.

El arreglo de los paneles fotovoltaicos consiste de 22 paneles de 50 Wp conectados en serie; y está ubicado a unos 60 m encima de la playa, donde hay un terreno apropiado, sin sombras durante todo el día y año. El arreglo de los paneles solares como el inversor están puesto a tierra.

Primeras medidas realizadas con el sistema recién instalado (agosto 1998) han dado flujos de agua, a pleno sol, de 25 - 30 litros / minuto, en acuerdo con lo que se obtiene con la simulación.


5. Sistema de termas solares para agua caliente

Considerando que el lavado de ropa no se realiza en el hotel sino en la comunidad campesina en la orilla frente a Suasi, la demanda de agua caliente se limita básicamente a los baños de las habitaciones y a la cocina. Se consideró 30 l de agua caliente por persona por día. Para 30 personas, la capacidad del hotel Suasi, se requirió por lo tanto termas solares con una capacidad total de 900 litros por día. Esto requiere un mínimo de 12 m2 de colectores solares. Las termas solares deben ser apropiadas para un clima con temperaturas debajo de cero Celcius. Por lo tanto, no debe circular agua en los colectores solares sino un líquido que no se congela hasta -20 °C. Por lo tanto, se instaló 3 termas solares de 300 litros y 4 m2 de colector cada una y con líquido anticongelante en el circuito de los colectores solares y con intercambiadores de calor (marca Solahart).

Estas termas fueron ubicadas detrás del hotel, al costado del arreglo fotovoltaico. Los colectores solares tienen una inclinación de 15 grados hacia el norte. Corresponden 2 termas a la parte del hotel ya construído y una terma para la parte por construirse. Todas las conexiones de agua caliente están bien aisladas térmicamente. Las 3 termas solares son interconectadas para poder derivar el agua caliente hacia donde se requiera.

6. Cocinas solares

Para la cocción de los alimentos se usa mayormente tres cocinas solares, modelo SK14 de EG-Solar (también hay fogones, usando leña). Estas cocinas son diseminadas por la ONG EG-Solar de Alemania, que tiene en Lima un taller donde las fabrica. Las cocinas son de tipo concentrador parabólico con un diámetro de 1,3 m, con una estructura de fierro de construcción y láminas de aluminio de alta reflectancia. La distancia focal es corta, de 28 cm. Por ello se necesita poner el espejo parabólico en dirección al sol solamente cada 15 o 25 minutos, lo cual se realiza con simples manipulaciones.

La potencia de cada cocina es de aproximadamente 0,6 kWh. Esto permite, con una buena irradiación solar, hervir 3 litros de agua en aproximadamente 30 minutos.



7. Refrigeradora solar

En combinación con las cocinas solares está previsto evaluar un prototipo de "refrigeradora solar", de tipo intermitente, que usa la adsorción de agua en zeolita, y que fue desarrollada por EG - Solar de Alemania: la refrigeración se produce al evaporar agua a baja presión (obtenida con una bomba manual de vacío), siendo el vapor de agua adsorbido por el mineral higroscópico zeolita. Posteriormente el envase metálico con la zeolita (2,5 kg) es colocado en el foco del concentrador de la cocina solar para regenerar (secadar) la zeolita con energía solar. Se prevé que una carga de zeolita seca permite tener en la refrigeradora temperaturas entre -10 °C y 0 °C durante 24 horas.

8. Perspectivas y conclusión

La siguiente fase del proyecto prevé evaluar el rendimiento de los diferentes componentes del sistema solar durante un período largo. Para esto se llevará un protocolo diario, midiendo, en particular, el consumo diario de energía eléctrica y de agua, frío y caliente. También está previsto instalar una estación meteorológica automática, midiendo y registrando valores horarios de la temperatura ambiente, velocidad de viento, humedad relativa del aire y irradiancia solar (radiación global sobre superficie horizontal). Por otro lado se realizará un estudio económico del proyecto, en particular se determinará el costo de la energía (térmica y eléctrica) producida y de la fracción solar.

En la medida que se cumplen los objetivos y expectativas de este proyecto y se demuestra la viabilidad económica de este primer hotel ecológico "solar" del Perú, podemos prever la creación de mucho más hotel ecológicos similares en otras partes del país.

Bibliografía
/1/ M. Horn, "Evaluación de la radiación solar para una electrificación solar de las islas Amantaní y Taquile, Puno", CER-UNI, Lima, 1994

/2/ PVS; Programa de dimensionamiento de instalaciones fotovoltaicas, de Fraunhofer Gesellschaft, Freiburg, Alemania (1997)

/3/ S3; USPC System Sizing Software, de AeroVironment Inc, USA (1998)

Vea también:

Instalaciones Fotovoltaicas en el Perú: Padre Cocha
ESCRITO POR Roberto Valer

MSc. en Energía, por la Universidad de São Paulo (Brasil), formado en Física por la Universidad Nacional de Ingeniería (Perú). Trabajó en el área de Energía solar en el Centro de Energías Renovables de la Universidad Nacional de Ingeniería y del Grupo de apoyo rural de la PUCP. Actualmente, es miembro del equipo del Laboratorio de Sistemas Fotovoltaicos de la Universidad de São Paulo.

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