Samaca Panorama 1

Mini-Red Solar Samaca

Sistema Solar Fotovoltaico en el Fundo Ecológico Samaca

El FUNDO SAMACA, situado en el bajo río Ica entre Ocucaje y el mar, produce alimentos orgánicos de alta calidad sin efectos negativos al clima ni al ambiente.

Paneles solares fotovoltaicos sobre sus monturas en SamacaEn vista de la excelente ubicación con alta radiación solar, se instaló un sistema fotovoltaico de 96kWp para mejorar y extender su sistema de riego. No existe una conexión a la red pública y la electricidad era producida por un solo aerogenerador de 7.5kW. El sistema solar reemplaza las motobombas de diesel y proporciona todo el fundo con electricidad. Esto incluye las bombas con una potencia total de 70hp, el sistema de osmosis inversa para el agua potable, diferente maquinaria para la producción, la administración, cocina y la luz común de las viviendas. El agua es bombeado por energía solar a un reservorio grande

Las bombas, alimentadas por energía solar, transportan el agua a un reservorio que permite el riego por gravedad. Este almacenamiento del agua reduce eficientemente la necesidad de guardar energía en baterías. Con la disponibilidad en el reservorio, el riego es independiente de la corriente eléctrica generada en el momento. Ni algunos días de poca radiación, ni el mantenimiento o posibles reparaciones afectan el riego. Aquí se discuta opciones para el bombeo solar.

El sistema es capaz de una producción anual de 179,000kWh de energía con un ahorro potencial de más de 30,000 litros de diesel. Se evita 82 toneladas de dióxido de carbono.

Radiación Solar en Samaca (Irradiancia)

Datos de la irradiancia solar en SamacaLa gráfica muestra el promedio de la irradiancia local en kW/m2 sobre el transcurso del año. El valor promedio es un excelente 6.11 kWh/m2, con un mínimo de 4.47 (Junio) y un máximo de 7.18 (Noviembre), superior al promedio del Perú (5.3 kWh/m2). Estos datos satelitales de la NASA han sido recolectados a lo largo de más de 20 años y coinciden con las mediciones realizadas con la propia estación meteorológica del fundo.Paso del sol samaca durante el día a diferentes fechas del año

La posición del sol al medio día varia entre 38º norte en Junio y 9º sur en Diciembre. Estos datos, en combinación con los requerimientos de la energía sobre el año y asuntos prácticos como la limpieza, determinan la inclinación de los paneles solares.

Para la calculación del paso del sol se usó el Sun Path Chart Program de la Universidad de Oregon.

 

Componentes del Sistema Solar Fotovoltaico

El sistema solar fotovoltaico autónomo tipo ‘Isla’ es de acoplamiento AC y consiste principalmente de paneles solares fotovoltaicos ('módulos'), inversores, baterías y la red de distribución. Todo está interconectado con sus respectivos fusibles, interruptores y relés. Un sistema de tierra fue instalado para la seguridad y protege los equipos y módulos en descargar una posible electricidad estática.

Se monitorea continuamente la energía generada y las condiciones meteorológicas. Se puede detectar y alertar sobre posibles irregularidades o fallos en el sistema. Los datos son guardados en una memoria para su evaluación.

El sitio de la instalación se determinó según:

  • Disponibilidad de terreno
  • Distancia hacia los consumidores principales
  • Área que no es afectada por posibles inundaciones
  • Evitar sombras
  • Minimizar distancias entre los componentes
  • Acceso
  • Protección

Módulos Solares

Primer panel solar terminadoSe seleccionaron módulos de silicio cristalino por su larga vida (garantía de 80% del rendimiento a 25 años) con una comprobada confiabilidad sobre décadas y una eficiencia de 16% por módulo. La ausencia de elementos tóxicos es otro factor a favor de los módulos de silicio. Se optó por módulos grandes de 300Wp con 72 celdas para reducir la cantidad de cables y conexiones, que por si mismo representan una perdida de eficiencia. La relación coste/vatio es más favorable.

Se instalaron 320 módulos de Canadian Solar, uno de los más grandes productores a nivel mundial, que son reconocidos por un buen rendimiento también en condiciones adversas tal como en momentos de temperaturas altas o una radiación difusa. Estos módulos son de la última generación con cuatro conexiones ('busbars') entre cada celda. Cuentan con todas las certificaciones internacionales, incluyendo por ejemplo IEC 61701 (corrosión en ambientes salados) y son resistentes al PID (‘Potential Induced Degradation’), una pérdida de voltaje que puede ocurrir principalmente en ambientes húmedos después de pocos años.

Inversores y otros Equipos Electrónicos

El equipo electrónica con los técnicos en la caseta de controlLos equipos electrónicos vienen de la empresa alemana SMA, cuyos productos se destacan por su alta calidad y buen rendimiento. SMA mantiene centros de servicios en todo el mundo y puede responder rápidamente con técnicos especializados si una atención del fabricante es necesaria.

Acoplamiento AC

Diferente a instalaciones tradicionales que son interconectados vía el circuito DC de las baterías, el sistema es de acoplamiento de corriente alterna (AC), lo mismo que se usa en parques solares conectados a la red. Convierte la energía solar directamente a la corriente trifásica de 380V sin pasar por el bajo voltaje de las baterías. Solamente la energía que no se usa en forma directa es guardada en las baterías. Con este método de interconexión AC, la eficiencia de convertir la energía fotovoltaica supera el 98%.

De gran ventaja es que la energía de los inversores fotovoltaicos se añade a la energía disponible de los inversores conectadas a las baterías: en Samaca se puede alimentar hasta un máximo de 152 kW por corto tiempo. Este es de gran utilidad para cubrir la corriente alta durante el arranque de las bombas.

Los inversores de baterías 'Sunny Island' generan y controlan el voltaje, frecuencia y fases y no se requiere una fuente externo (por ejemplo una conexión a un generador) para mantener estos parámetros. Su construcción es modular y sencilla, cosa que permite una ampliación si existe la necesidad de expandir en el futuro. El tipo de conexión es trifásica, su voltaje y la frecuencia son programables. Se puede conectar otras fuentes de energía trifásica como generadores de diesel o en caso de disponibilidad, a la red pública.

Este sistema consta de:

  • 5 inversores fotovoltaicos Sunny Tripower 17000TL que transforman la electricidad DC de los paneles solares directamente a una corriente trifásica de 380V.
  • 6 Inversores de baterías Sunny Island 8.0H en grupos de tres (uno por cada fase). Estos ‘Sunny Islands’ generan la red, manejan el voltaje y la frecuencia del sistema y conectan el sistema a las baterías.
  • una Multicluster Box MC-BOX-12.3 de tres fases. Es necesario para la interconexión y asegura la comunicación entre las diferentes partes del sistema. Permite la conexión y el control de fuentes de energía externas.
  • 2 BATFUSE-B.03 2-pole NH1. Estos fusibles son elementales para la seguridad del sistema y diseñados especialmente para el uso con el sistema instalado. Permiten desconectar las baterías y apagar el sistema por completo. Se montan junto con las baterías en la caseta.
  • una Sunny SensorBox sirve para monitorear datos ambientales incl. irradiación y temperaturas de los módulos externos.
  • una Sunny WebBox Central sirve para visualizar, diagnosticar, medir y adquirir los datos, Guarda los datos sobre el rendimiento del sistema y para el diagnóstico. Es el interfaz para computadoras y el internet. Un link tipo WiFi permite el monitoreo del sistema a distancia.

Baterías

Baterias industriales OPzS para el uso solarAunque el uso de las bombas se realiza durante el día y el consumo de la electricidad generada es directo, se necesita baterías para asegurar una red estable, compensar posibles variaciones en la producción de energía solar (por ejemplo cuando la producción momentánea es baja por la presencia de nubes) y asegurar una alta corriente para el arranque de las bombas trifásicas. Además proveen energía para otros consumos como es la luz común durante la noche.

Baterías son la debilidad principal de los sistemas solares aislados y frecuentemente son los componentes con menor esperanza de vida, contienen elementos tóxicos y abarcan una gran parte de la inversión. Reciclarlas, también para la protección del ambiente, es mandatorio. Para cambiarlas lo menos posible, hay que maximizar su esperanza de vida. Esto se logra usando baterías de alta calidad, evitar descargas extremas, asegurar que las temperaturas no superan los 25ºC y cargarlas dentro de los parámetros del fabricante.

En Samaca se instalaron dos bancos de baterías tubulares tipo OPzS cada una con 1070Ah de la empresa Hoppecke de Alemania. Un banco de 48V consiste de 24 baterías con 2V nominal. Estas baterías son diseñadas para el uso cíclico, y son, con el sistema de recombinación AquaGen, libres de mantenimiento según la norma DIN. Tienen una vida diseñada para 18 años, alcanzable en condiciones correctas (temperaturas controladas, sin descargas excesivas, etc.).

Monturas

Montura con módulos solares en construcciónLos módulos fotovoltaicos son montados sobre un descampado. En parte sobre monopostes y sobre dos estructuras de madera, creando un espacio de sombra para el almacenamiento de las cosechas o estacionamiento de vehículos.

Se realizó un estudio de sombras y, por razones del espaciamiento, se aceptó una ligera sombra sobre los paneles que ocurre solamente durante pocas horas en el invierno (época cuando se requiere menos agua).

Los frecuentes sismos en la zona determinaron el diseño de monopostes. Fuerzas del fuerte viento y el peso determinaron las dimensiones.

El ambiente altamente corrosivo en la zona demanda una protección especial. La estructura principal de acero galvanizado es protegido con tres capas de epoxi y poliuretano. Los rieles fijadores de los módulos son de aluminio. Una protección de caucho entre el aluminio y el acero evita una posible corrosión por contacto.

Los postes tienen 2.2m de altura, resultando en una distancia mínima de 0.5m del suelo a una inclinación de 60º. Para mejorar el rendimiento (cerca de 8%), se puede cambiar la inclinación entre 10º hacía el sur en el verano hasta 30º hacia el norte durante el invierno. Este cambio se realizará no más de cuatro veces por año en forma manual, evitando un mecanismo complicado.

Los siguientes criterios determinaron la estructura:

  • Estructura de madera con 32 módulos solares brinda espacio y sombra16 módulos de 300W montados en dos estructuras, cada uno con 8 módulos, forman un ‘string’. Conectados en serie, la tensión fluctua alrededor de 650V, el voltaje óptimo para alcanzar la mejor eficiencia de los inversores. El peso de los paneles por cada montura es de 220kg con un área de 4x4m.
  • Evitar posibles daños por sismos se logra usando monopostes. Así se minimiza posibles fuerzas entre los diferentes componentes, particularmente sobre los módulos solares. Las estructuras están espaciado para evitar que se dañan entre ellos.
  • Suficiente altura (pero accesible para una limpieza) para asegurar un flujo de aire libre. Se evita una acumulación de calor que reduce el rendimiento de los módulos.
  • Reducir la acumulación de polvo sobre los módulos y facilitar la limpieza por debajo de ellos,
  • Proteger los paneles contra daños potenciales sea por animales u otras causas y evitar que plantas reduzcan el rendimiento,
  • Tienen el efecto colateral de producir sombra en esta zona desértica.
  • Suficiente sólidez en la estructura para resistir los vientos más fuertes de la zona.

No se instalaron seguidores solares por los costos asociados y para evitar el mantenimiento elevado. Invertir el valor ahorrado en paneles adicionales brinda un mejor rendimiento.

Caseta de Control

Instalacion red de media tensiónLos componentes electrónicos y las baterías están protegidos en una caseta de madera con doble techo que tiene una dimensión de 4 x 8 metros. Es muy importante mantener las temperaturas debajo de 25ºC, contribuyendo a la vida de las baterías y el funcionamiento de los aparatos electrónicos. Una ventilación adecuada es por ende asegurada.

Cables, Conexiones y Red de Distribución

Para potenciar la eficiencia del sistema, se usaron cables solares de cobre especiales de alta conductividad enterrados en tubos. Las pérdidas en los circuitos fotovoltaicos representan menos de 1%. Solamente la conexión entre las baterías y los inversores Sunny Islands en la caseta es de 48V.

La corriente fotovoltaico requiere una atención especial ya que se usa un voltaje de aproximadamente 650V, cifra que es más alto durante algunas situaciones climáticas (frío, alta radiación). Los componentes son certificados y pueden ser utilizados hasta 1000V. Las conexiones entre los paneles se realizaron mediante el uso de conectores MC4 que son especiales para la corriente fotovoltaico. Estos conectores de IP68 son diseñados para asegurar una buena conductividad durante toda la vida del sistema.

La distribución de la energía eléctrica en el fundo se realiza a través de una red de media tensión de 4.16kV. Esta red alimenta los diferentes puntos de bombeo, áreas de producción y administración, las viviendas, el sistema de desalinización del agua por ósmosis inversa y la caseta del aerogenerador.

Las Bombas

Las bombas de Hidrostal Perú son fabricadas localmente. Posibles reparaciones necesarias serían fáciles de realizar.

Felicidad por el bombeo agua en el desiertoEl funcionamiento de las bombas depende del uso correcto que se le de según la disponibilidad de energía. Esto varia en función de la irradiancia solar en cada momento y de la energía disponible en las baterías. Normalmente se encienden las primeras bombas en la mañana, y según la radiación, sucesivamente se conectan más. Este proceso se invierte en la tarde.

Para manejar la corriente alta de arranque y para evitar encender y apagar frecuentemente las bombas, se usan motores controlados por variadores de frecuencia. Estos variadores tienen ventajas decisivas:

  • eliminan la alta corriente del arranque,
  • permiten regular la velocidad del motor y su consumo energético. Así se pueden adaptar mejor las bombas a la energía disponible,
  • reducen la necesidad de encender y apagar los motores si hay cambios significativos de la disponibilidad de energía,
  • reducen el sacudido con el desgaste que ocurre por el arranque y apagado del motor y consecuentemente prolonga su vida,
  • aumentan la eficiencia de las bombas.

Seguridad

Todos los equipos están protegidos para evitar daños. Están certificados según IEC para un voltaje de hasta 1000V. En condiciones normales, el circuito solar DC tiene un voltaje de entre 600 y 700V DC. El sistema AC es trifásico de 380V 60Hz, el tipo de red es TT que lleva un conductor neutro y es conectado a tierra. La red de distribución es de 4.16kV trifásica tipo ‘delta’.

Todos los cables del sistema fotovoltaico son enterrados en tubos y llevan un aislamiento adecuado de protección. El sistema cuenta con fusibles y otras formas de protección. Equipos y módulos están conectados a tierra.

Para protegerlo contra daños y manipulaciones voluntarias y/o accidentales se toman medidas adecuadas de precaución:

  • Información sobre los posibles peligros existentes,
  • Afiches de alerta bien visibles según las normas,
  • Cercar la zona de los módulos fotovoltaicos y la caseta,
  • Permitir el acceso solamente al personal autorizado y familiarizado con el sistema.

Mantenimiento y Reparaciones

El mantenimiento es mínimo y se reduce a:

  • Limpieza de los paneles. Ya con una capa fina de polvo, el rendimiento de los paneles se disminuye notablemente. Así es de suma importancia limpiar los paneles regularmente. La frecuencia depende del grado de la suciedad y puede ser hasta una vez cada dos semanas, ocasionalmente más frecuente (por ejemplo después un viento 'Paracas').
  • Control del agua de las baterías. En condiciones normales y temperaturas no elevadas, el sistema de recombinación de los gases AquaGen evita la perdida de agua, por lo que se puede prescindir de su mantenimiento no es necesario. Bajo condiciones especiales y con el paso de tiempo puede ser necesario añadir agua destilada. Se recomienda periódicamente controlar su nivel. Esto inicialmente puede ser trimestralmente, aumentando la frecuencia si se detecta alguna pérdida.
  • El mantenimiento de las estructuras de acero según su estado es requerido para evitar su corrosión.

Es imprescindible vigilar el sistema de monitoreo. Este sistema, aparte de generar los datos sobre el rendimiento en función del ambiente, detecta anomalías que pueden causar averías más graves sin una intervención apropiada. Los datos del monitoreo se graban continuamente en una memoria.

En condiciones normales, los primeros componentes a reemplazar son las baterías. Los componentes electrónicos no tienen una vida predeterminada y duren considerablemente más que 15 años. Los paneles tienen una vida que sobrepasa los 30 años.

Estrategia de Implementación y Manejo

La planificación del sistema se realizó en estrecha colaboración entre el Fundo SAMACA, la empresa CONSORCIO ENERGETICO DE HUANCAVELICA S.A. (CONENHUA) y Delta Volt SAC. La supervisión y coordinación general fue realizado por Conenhua. Coordinaciones con otras entidades, como la empresa instaladora de las bombas se hicieron cuando fue oportuno. Los trabajos se realizaron bajo mutua confianza, voluntad y colaboración, minimizando retrasos por procedimientos prolongados u otras razones.

El trabajo local de la instalación se dividió entre varias entidades, involucrando el personal de SAMACA y CONENHUA.

Durante el desarrollo del proyecto se trató de empoderar al máximo el manejo de los sistemas por la gente local. Para tal fin, se aseguró la activa participación de los técnicos y empleados del fundo durante y después de la instalación usando el moto: ‘Learning by doing’.

Adicionalmente, se realizaron eventos según las necesidades del personal. Aparte de una introducción general sobre energía solar, su uso y sus particularidades, se dieron clases de entrenamiento especial sobre sistemas fotovoltaicos en redes de corriente AC y DC de alto voltaje. La visita del técnico de SMA durante la puesta en marcha del sistema fue aprovechado para un entrenamiento exhaustivo del personal encargado localmente para el manejo apropiado del sistema.

 

Aquí la ficha técnica del sistema fotovoltaico en formato .pdf

 

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