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Energía de Calidad en Áreas Remotas

julio 2, 2021

Mini-Redes: Sistemas flexibles, extendibles y de mejor economía

Sistemas solares hay de todo tamaño. Desde milivatios en relojes y calculadoras, picosystemas con pocos vatios solamente para luz y cargar celulares, hasta enormes parques solares con cientos de megavatios que alimentan la red. Adaptados a su aplicación todos son perfectamente razonables.

Para la electrificación de casas en zonas remotas todavía domina la idea de los años 90 que un sistema solar consiste de un panel solar en el techo o sobre un poste, un controlador con una batería y un pequeño inversor. Se piensa en módulos de aproximadamente 80W y quizás en un inversor de 200 a 300W.

¿Hace sentido? Si y no: un pequeño sistema así puede ser suficiente para algunas luces, radio, cargar el celular y quizas dos a tres horas frente un televisor pequeño. Para una refrigeradora común, importante para guardar los alimentos, no hay suficiente energía. La foto (cortesia habitad) muestra estas instalaciones.

Los inconvenientes de sistemas pequeños

Problemas del abuso: Es común, una vez acostumbrado a la luz, que se conectan más aparatos con la consecuencia de descargar la batería en forma excesiva (fácilmente se pone un inversor barato para coches sin protección para la batería). Así maltratado, un porcentaje demasiado alto deja de funcionar en poco tiempo. Estos sistemas pueden funcionar bien, si se usan dentro de sus parámetros … pero una simple charla no es suficiente para asegurarlo.

Aumentar la capacidad: La energía puede ser insuficiente cuando crece la familia, cuando se compra una nevera o un televisor más grande. Ampliar estos sistemas es limitado porqué se requiere un controlador con más capacidad y frecuentemente un inversor nuevo. Mezclar baterías viejas con las nuevas reducen su vida y juntar paneles adicionales, normalmente con características diferentes, causan pérdidas.

Costes: Paneles pequeños son caros y un vatio puede costar más de 2.- US$. Con paneles grandes y en cantidad, un vatio puede costar poco más de la mitad!. La razón es simple: la gran mayoría de celdas hoy se fabrican con un tamaño de 6×6 pulgadas. Estas producen más energía y un módulo por ejemplo de 36 celdas (común para un panel de 12V nominal) tiene entre 135 y 150W. Para producir módulos con aproximadamente la mitad de esta potencia con el mismo voltaje, hay que usar la vieja tecnología de celdas más pequeñas o cortar celdas grandes. En ambos casos la producción no es económico o el resultado son paneles con una calidad inferior. Por esto, cada vez más, los fabricantes de importancia abandonan la producción de módulos pequeños.

El desarrollo de los módulos solares en los últimos diez años fue en dos frentes: mejorar la eficiencia y bajar precios. Mientras la eficiencia aumentó paulatinamente, los precios bajaron radicalmente. Una razón importante (entre otras) es la fabricación de módulos fotovoltaicos con celdas de mayor tamaño. Ahora hay módulos disponibles de hasta más de 400W – menos conexiones, menos cables, menos costos, mayor eficiencia. Esto, junto con otros avances, abre nuevas posibilidades.

Una mejor forma: Mini-Redes

Es considerablemente más barato y técnicamente más seguro, si varias casas se juntan. En vez de tener muchos sistemas pequeños, se consigue un sistema de mayor tamaño, una mini-red. Aprovechando de la economía de escala, se compra módulos de tamaño grande a mejor precio por vatio, se usan menos controladores con mayor eficiencia y se usan baterías de mejor calidad que duran más y tienen una mayor fiabilidad. Se puede conectar otras fuentes de energía como la del viento, del agua o tradicionales. La gráfica (fuente Studer) ilustra este sistema y al final de esta página se encuentro una animación.

Se puede aprovechar de la energía generada por el vecino ausente y el consumo de la electricidad ocasionalmente elevado es más fácil de cubrir. Ya no es un problema enchufar una maquina eléctrica. Conectar la escuela y el centro de salud es fácil. Se puede considerar una iluminación pública, vender la corriente quizás al mercado o a un kiosco. Un sistema central permite también el apoyo con un pequeño generador de emergencia que, en casos excepcionales, puede ser una fuente adicional para cubrir una demanda ocasionalmente alta. Un contador en cada casa ayuda contabilizar los diferentes consumos. La pequeña mini-red puede crecer con la demanda de la energía y el desarrollo de la comunidad.

Tipos de Mini-Redes: Acoplamiento DC vs. Acoplamiento AC

En sistemas fotovoltaicos tradicionales, el acoplamiento es de corriente continua (DC). La interconexión entre los paneles, controladores y de las baterías se realiza con corriente continua. El voltaje relativamente bajo de la batería (normalmente 12, 24 o 48V) manda el sistema. Para el uso de 220V (o para el uso industrial a 380V trifásico) se requiere un inversor que convierte este bajo voltaje de las baterías a 220V (o 380V). Este funciona bien en pequeños sistemas, si las distancia es de pocos metros. Distancias más grandes de bajo voltaje causan grandes pérdidas que requieren cables muy gordos y caros.

Con distancias más largas, un acoplamiento entre los aparatos, usando el voltaje más alto de la corriente alterna (AC) es ventajoso, más económico y desde cierto tamaño mandatario. La siguiente gráfica (cortesía Schneider) muestra el principio de ambos sistemas. Las líneas azules llevan la corriente continua (DC) de bajo voltaje, las líneas rojas son las de la corriente alterna (AC).

En sistemas de acoplamiento AC, se conectan varios paneles en serie para lograr un voltaje más elevado: 400V es frecuente y hasta 1000V es posible y normatizado según IEC y UL1703. La corriente continua de los paneles se convierte con inversores directamente a 220V (o 380V trifásico) que alimenta las casas o otros consumidores, sin que pase por el bajo voltaje de las baterías. Así se logra una eficiencia que supera 98%, imposible con sistemas DC. Solamente la energía que sobra es usada para cargar las baterías.

Las distancias entre los componentes pueden ser mucho más largas. Esto permite por ejemplo instalar las baterías con su inversor en un lugar seguro lejos de los paneles. Es posible distribuir o añadir paneles en diferentes sitios según conviene: una ampliación es fácil.

Ventajas de la mini-red

Aparte de la alta eficiencia y de las distancias posibles, de gran ventaja es la forma de la corriente que es la misma como la red pública de 220V. Ya no hay que conseguir focos o aparatos especiales de 12V, se puede aprovechar de la gran oferta de los productos de 220V. Las instalaciones en las casas las puede hacer cualquier electricista. Y sobre todo, en caso que en un día llega la red pública, solamente falta una conexión, la mini-red existente ya es de 220V y 100% compatible. No se pierde la inversión en los aparatos.

Cierto tamaño es necesario y un sistema de menos de 2000W es poco viable. Para una zona rural todavía sin luz y de poco consumo se requiere entre 15 a 25 casas para llegar a un tamaño mínimo. El precio de una instalación de una mini-red de 2000W en la gran mayoría es menor que 20 instalaciones individuales de 100W.

Esta animación explica como funciona una mini-red alimentada por energías solares y otros (cortesía SMA).