Upload
others
View
4
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Electricidad Fotovoltaica en Techos para Residencias en Puerto Rico
CIAPR Mayagüez – septiembre 2021
Dr. Agustín A. Irizarry-Rivera, P.E.
[email protected], [email protected]
Catedrático
Depto. de Ingeniería Eléctrica y Computadoras
Foto: A. Irizarry
índice
arco de sombra para medir radiación solar difusaUniv. de Puerto Rico-Mayagüez (18.21 N, 67.14 O)
Diseño UPRM, construido por: Alfredo Moreu Valentín
• ¿qué es electricidad fotovoltaica?• ¿cuánta electricidad consumo en un
mes? ¿en un día? ¿cómo se mide la energía eléctrica que consumo? La factura de la AEE
• ¿cuánta electricidad consume mi: nevera, lavadora, celular, luces, TV, abanico, acondicionador de aire?
• ¿quiero un sistema conectado a la red eléctrica o quiero un sistema desconectado? ¿quiero tener baterías?
• ¿cuáles son los equipos principales de un sistema fotovoltaico? paneles, solares, inversores, controladores de carga y baterías.
• ¿cuánto cuestan los equipos?• preguntas y respuestas
Foto: A. Irizarry
obleas
3
¿qué es electricidad fotovoltaica?Electricidad obtenida directamente de
radiación solar usando un dispositivo semiconductor llamado celda fotovoltaica.
+ - + -
88.4 VDC
Foto: A. Irizarry
0
50
100
150
200
250
300
350
0:00 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36
kW
/m2
(kW
so
lare
s)
hora del día
radiación solar vs hora del día24 abril 2012, 18.21 N, 67.14 O (Mayagüez)
http://www.uprm.edu/aret/
La fluctuación
requiere
almacenamiento
o red eléctrica
que apoye
http://www.uprm.edu/aret/docs/ARET_for_PR_RPS.pdf
Fuente: Oficina de Prensa de la Autoridad de Energía Eléctrica
Comencemos por la factura residencial, ¿Qué me están cobrando?
5
Fuente: Oficina de Prensa de la Autoridad de Energía Eléctrica
Ejemplo de factura residencial, ¿Qué me están cobrando?
En el mes de febrero 2012 los kWh costaron a ¢26.425(26.42 ¢/kWh)
Del 17 de enero al 17 de febrero 2012 consumió 440 kWh.
Le cobraron $116.27 por la electricidad440 kWh x 0.26425 $/kWh = $116.27
6
7
¿y qué es 1 kWh?
1 kWh = 1 x 1000 Wh (porque 1k = 1 kilo = 1000)
1 kWh = 3,600,000 J (J son Julios, si recuerdan Física)
Una bombilla de 100 W prendida durante 1 hora consume 100 Wh = 100 W x 1 h, por lo tanto
10 bombillas de 100 W prendidas durante 1 hora consumen 1000 Wh = 10 x 100 W x 1 h = 1 kWh
y 1 bombilla de 100 W prendida 10 horas 100 W x 10 h = 1 kWh
8
¿cuántos kWh necesito? Lo bien básico1 kWh = 1 x 1000 Wh (porque 1k = 1 kilo = 1000)
7 bombillas LED de 14 W prendidas durante 1 hora consumen 98 Wh = 7 x 14 W x 1 h100 W
1500 lumens14 W
1500 lumens
Nevera, 19 pies cúbicos1.5 a 3.0 kWh al dia
Lavadora (agua fría)0.12 – 0.15 kWh por tanda
Las imágenes son solo con propósitos ilustrativos, NO son endoso comercial o recomendación.
9
¿cuántos kWh necesito? ¿menos básico?1 kWh = 1 x 1000 Wh (porque 1k = 1 kilo = 1000)
32 pulg., LCD, 105 W32 pulg., LED, 18 W
consola de juegos, ejemplos: PS4 135 W, 135 W x 3 h = 0.4 kWh, Xbox, 110 W
Laptop, ejemplo: latitude 558065 W - 90 W
smart phone, 5.5 Wh5.5 Wh x 365 = 2 kWh al año
Las imágenes son solo con propósitos ilustrativos, NO son endoso comercial o recomendación.
10
¿cuántos kWh necesito? tengo calor1 kWh = 1 x 1000 Wh (porque 1k = 1 kilo = 1000)
abanicos de techoen “high”, sin luces
36 pulg 55 W48 pulg 75 W
52 pulg 100 W
abanicos de pisoen “high”
16 pulg, 70 W18 pulg, 100 W
Las imágenes son solo con propósitos ilustrativos, NO son endoso comercial o recomendación.
11
¿cuántos kWh necesito? no me importa el huracán …1 kWh = 1 x 1000 Wh (porque 1k = 1 kilo = 1000)
A/C de ventana, 18,000 BTU, EER 11.9EER = BTU/WW = BTU/EER = 18,000/11.9 = 1512 W1512 W x 1 h = 1.5 kWh, cada hora que prendas el aire
Energy Efficiency Ratio (EER) = BTU/W(BTU = British Thermal Units)
A/C consola (“mini split”) , 18,000 BTU, EER 18W = BTU/EER = 18,000/18= 1000 W1000 W x 1 h = 1 kWh, cada hora que prendas el aire
Las imágenes son solo con propósitos ilustrativos, NO son endoso comercial o recomendación.
Llegó María
Básico: 10 bombillas LED, nevera, electrónicos (celulares, 1 TV + playstation) y lavadora con agua fría y solo cuando hay sol
¿más de básico? suma kWh12
¿qué deseo encender?
Sistema PV como planta eléctrica ¿cuánta energía es suficiente?
13
Paneles
fotovoltaicosen Puerto Rico (precios julio 2021)
monocristalinoeficiencia 15% - 20%
policristalinoeficiencia 13-16%
ejemplo:Hanwha Q cell (Koreana/Alemana)
14.7 a 19.6% eficiencia12 años garantía
Las imágenes son solo con propósitos ilustrativos, NO son endoso comercial o recomendación.
marca W $ $/W
Maximo Solar
Talesun 405 199 0.49Qcell 400 190 0.48Longi 320 165 0.52
Trina 275 330 135 0.41
WarrenCanadian Solar 445 253 0.57
Qcell 445 253 0.57
Mundo Solar
Boviet 370 159 0.43Boviet 450 225 0.50
Hyundai 390 179 0.46
14
controladores de cargaMidnite Solar classic lite 150V, 96 A, $800
Victron Smart Solar100 V, 30 A, $226
Dos sabores: PWM y MPPTMPPT es más eficiente y captura más energía cuando está nublado.MPPT usualmente es más caro que PWM
Schneider Electric Conext, 150V, 60 A, $550
Make Sky Blue137-105 V, 50 A, $97
Las imágenes son solo con propósitos ilustrativos, NO son endoso comercial o recomendación.
Precios de Internet solo con propósitos ilustrativos.
15
baterías
US Battery, lead acid. 6 V, 208 Ah$145 en Mayagüez
V x A = W6 V x 208 Ah = 1,248 Wh6 V x 208 Ah = 1.25 kWh
$145/1.25 kWh = $116/kWh
Ciclo profundo = “Deep cycle”
ácido plomo, “lead acid” 150 años de uso, 99% reciclable“flooded” = líquido“sealed” = sellada, gelatina ó AGM
De litio (Tesla, por ejemplo)1970’s, celulares, laptop
Tesla PowerWall, litio13.5 kWh, $7,800 en EEUU + instalación?$10,000/13.5 kWh = $741/kWh
Ejemplos de marcas: Trojan, Deka, Crown, MK, US Battery, Kilovault
Las imágenes son solo con propósitos ilustrativos, NO son endoso comercial o recomendación.
Precios de Internet solo con propósitos ilustrativos.
16
baterías
Kilovault 12 V, 300 Ah, 3.6 kWhAlt E, $2,395 se recoge en el puerto$2,395/3.6 kWh = $665.3/kWhLiviana, LiFePO4 (Litio y fosfato de hierro)
De litio, hay opciones a Tesla
Tesla PowerWall, litio13.5 kWh, $7,800 en EEUU + instalación?$10,000/13.5 kWh = $741/kWh
Las imágenes son solo con propósitos ilustrativos, NO son endoso comercial o recomendación.
Precios de Internet solo con propósitos ilustrativos.
17
baterías
Kilovault 12 V, 180 Ah, 2.1 kWhAlt E, $445 se recoge en el puerto
$445/2.1 kWh = $212/kWh
Y hay ácido con carbón (no ácido plomo), precios julio 2021
Tesla PowerWall, litio13.5 kWh, $7,800 en EEUU + instalación?$10,000/13.5 kWh = $741/kWh
Las imágenes son solo con propósitos ilustrativos, NO son endoso comercial o recomendación.
Precios de Internet solo con propósitos ilustrativos.
Bateria Ah#Cycles @ DoD
$ kWh$/(KWh*DOD*C
ycle)
KiloVault 2100 PLC
180 3000 445 2.16 $0.14/ciclo
Outback 200 PLR 203 1500 499 2.44 0.27
NorthStar Blue 210 2050 490 2.52 0.19
12 V, 50% de descarga
18
inversores
3 sabores: conectado a red, con baterías, híbrido (las 2 cosas)
Conectado a red: no usa baterías, usa la red como “batería”, no funciona sin red (ver excepciones …)
Con baterías: es una planta de emergencia
híbrido: más caro, másfunciones
ejemplos:SMA Sunny Boy, conectado a red3.3 kW a 7.7 kW, $1,100 a $1,600$0.33/W – $0.21/W“secure power” 120 V hasta 2 kW con sol
Outback SkyBoxHíbrido, $6,000
Las imágenes son solo con propósitos ilustrativos, NO son endoso comercial o recomendación.
Precios de Internet solo con propósitos ilustrativos.
19
Inversores (cont.)
Con baterías: planta de emergencia
Morningstar300 W, 12 Vdc, 120Vac$266, pure sine wave
Magnum Energy4 kW, 24 Vdc, 120-240 Vac$2,200, pure sine wave
Schneider Conext6.8 kW, 48 Vdc, 120-240 Vac$3,150, pure sine wave
Magnum Energy2 kW, 12 Vdc, 120 Vac$1,735, pure sine wave
PowerTech ON, “de trailer”1 kW, 1.5 kW, 2 kW, 3 kW12 Vdc, 120 Vacpure sine wave3 kW $315-$415 Amazon
Las imágenes son solo con propósitos ilustrativos, NO son endoso comercial o recomendación.
Precios de Internet solo con propósitos ilustrativos.
Agustin Irizarry-Rivera, Karen Montano-Martinez, Sergio Alzate-Drada, Fabio Andrade Departmento de Ingeniería Eléctrica y Computadoras, Universidad de Puerto Rico-Mayagüez
[email protected], [email protected] , [email protected] , [email protected]
A Case Study of Residential Electric Service Resiliency
through Renewable Energy Following Hurricane María
1312
21
Vivienda bajo estudio• San Germán, PR
• 202 m2 espacio habitable
• 5 habitantes
• residencia de concreto, dos pisos
• 2009 sistema PV conectado a red, sin baterías, con medición neta.
• Doce (12) 175 W paneles solares monocristalinos = 2.1 kW
• 8 kWh/diarios de generación promedio
Consumo diario
promedio de la
red eléctrica, kWh
H. María
22
Consumo pre y post H. MaríaAntes de H. María
13.8 kWh < consumo
< 21.8 kWh
Post H. María
• Una nevera de 19 ft3
en uso continuo
• Una lavadora de ropa
• 12 bombillas: 8 LED 10 W y 4 CFL 14 W
• Electrónicos - cinco (5) teléfonos móvil, tres (3) laptops, un (1) televisor, tres (3) consolas de video juegos (se usaban una a la vez)
23
6 paneles (1 kW) y 4 baterías (5 kWh)
• Controlador de carga MPPT
• 1,200 W
• entrada 37 – 105 V DC
• salida 24 V DC
• 3 grupos de 2 paneles, 175W
• 4 baterías, ácido y plomo,ciclo profundo
• 6 V x 210 Ah = 1.26 kWh
• 2 kW “pure sine inverter”
• 24 V DC, 120 V AC
X 2
24
Comparación costo: PV vs gen gasolina• Inverter tech, 2 kW (1.6 kW), 120 V AC, Imax 13.3 A
• 87+ octanos gasolina sin plomo, 3.8 lt (1 US gallon),$0.787/litro.
• 29.6 ml (13 onzas fluidas US)10W-40 SAE aceitemotor. Cambio de aceite cada 100 horascumulativas de uso. $5 cada litro ($5.30 US quart).
• Costo inicial $560, incluye envío.
• 3.8 lt de gasolina cada 6 horas, 15.2 lt/día.
Las imágenes son solo con propósitos ilustrativos, NO son endoso comercial o recomendación.
25
Comparación costo: PV vs gen gasolina(2)Elemento de sistema fotovoltaico Costo, $
seis (6) 175 W paneles solares $672
herrajes $175
Un (1) 2 kW inversor “pure sine wave” $550
Un (1) MPPT controlador de carga, 1200 W $100
Cuatro (4) baterías de ciclo profundo 6V ácido plomo $840
Materiales eléctricos (cable, tubos, “breakers”, cajas, etc) $475
Total $2,812
$2617$2992
Las imágenes son solo con propósitos ilustrativos, NO son endoso comercial o recomendación.
26
4 paneles (1.36 kW) y 2 baterías (7.2 kWh)
+ -92.7 VDC 19 ADC
Elemento de sistema fotovoltaico Costo, $
4 paneles de 340 W $639
herrajes $136
Inversor, 4 kW $1,229
controlador de carga $550
Baterías LIFePO4, 2 x 3.6 kWh = 7.2 kWh $4,790
Materiales eléctricos $260
Total $7,604Las imágenes son solo con propósitos ilustrativos, NO son endoso comercial o recomendación.
http://www.uprm.edu/aret/
13.8
12.812.2
11.510.9
10.39.6 9.3 9.0 8.7 8.4
8.1 8.0 7.9 7.8
7.7 7.6 7.5 7.4 7.3
7.87.4 6.9 6.4 6.0 5.5 5.0 4.6 4.1 3.6 3.2 2.7 2.6 2.5 2.4 2.3 2.1 2.0 1.9 1.8
21.6
20.219.1
18.016.9
15.814.7
13.913.1
12.311.6
10.8 10.6 10.4 10.1 9.9 9.7 9.5 9.3 9.1
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
201
9
202
0
202
1
202
2
202
3
202
4
202
5
202
6
202
7
202
8
202
9
203
0
203
1
203
2
203
3
203
4
203
5
203
6
203
7
203
8¢/
kWh
Costo de generación, almacenamiento y total(LCOE, Levelized Cost of Energy) 20 años, fin. coop
energy storage cost energy generation cost Total cost
http://www.uprm.edu/aret/
22.022.0
23.8 23.8 23.8 24.0 24.0 24.0 24.0 24.0 24.2 24.3 24.4 24.5 24.6 24.7 24.8 24.9 25.0 25.0
21.6
20.2 19.118.0
16.915.8
14.713.9
13.112.3
11.610.8 10.6 10.4 10.1 9.9 9.7 9.5 9.3 9.1
0
5
10
15
20
25
30
2019
2020
2021
2022
2023
2024
2025
2026
2027
2028
2029
2030
2031
2032
2033
2034
2035
2036
2037
2038
¢/k
Wh
Residential Electricity Cost from PREPA and LCOE residential solar photovoltaic generation with storage
proposed transition charge residential electricity cost from grid LCOE residential photovoltaic generation + storage
¿Solo en techos? A veces hay que ser más creativo …, ejemplo fincas
29
Foto cortesía de Alfredo Moreu Valentín
¿Solo en techos? A veces hay que ser más creativo …, ejemplo fincas
30Fotos cortesía de Alfredo Moreu Valentín
31
Ideas medulares para mayor sostenibilidad y resiliencia
• NO impuesto al sol – Ni a la lluvia, respirar, mojarse los pies en la playa, al sexo …
• NO penalidad por dejar la red– Libertad de escoger– “Oportunidad de negocio vs ganancia garantizada”– Los bonos se compraron sin garantía de ganancia
• Transición a generación distribuida – Solar PV en techos– Disminución en costo– Recurso endógeno– Resiliencia
32
Ideas medulares para mayor sostenibilidad y resiliencia
• NO generación fósil grande y rígida– Plantas de substitución con mandato de apoyo a mayor uso de
renovables– Más pequeñas, ágiles, proveedores de servicios de apoyo a la
red
• Transición a generación en manos de los ciudadanos– La privatización tiene que ser a manos ciudadanas
• Regulación justa – Certeza regulatoria– Nueva gerencia y operación que fomente la generación
distribuida
33
• Oportunidades tecnológicas– Vehículos eléctricos – requiere despliegue de estaciones de carga– Energía eléctrica de las olas del mar
• Desarrollo socio económico– ¿fabricación local? – diseño local y exportarlo al Trópico– reciclaje para PR y la región – baterías, electrónicos, software
• Discusión ciudadana de asuntos de energía– Los procesos son importantes – justos, abiertos, informados
• Contexto social– “The transition toward sustainable energy is inherently social”
[REF P&E Jan/Feb 2018]. – participación ciudadana
Ideas medulares para mayor sostenibilidad y resiliencia
Agustin Irizarry Rivera, Ph.D., P.E.
Departamento de Ingeniería
Eléctrica y Computadoras
Tel. 787-832-4040 ext. 2472, 3090
Fax: 787-831-7564
¡Gracias!
¿preguntas?
Agustín A. Irizarry Rivera, PhD, PE obtuvo su bachillerato, Magna Cum Laude, en la Universidad de Puerto Rico Mayagüez (UPRM) (1988), maestría en University of Michigan, Ann Arbor (1990) y Ph.D. en Iowa State University, Ames (1996) todos los grados en ingeniería eléctrica. Desde 1997 es profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Computadoras UPRM donde enseña cursos graduados y subgraduados como por ejemplo: Fundamentos de Sistemas de Potencia Eléctrica, Análisis de Sistemas de Potencia Eléctrica, Conversión de Energía Avanzada, Dinámica y Control de Sistemas de Potencia Eléctrica y Diseño de Sistemas de Transmisión y Distribución.
El doctor Irizarry-Rivera hace investigación en el tema de energía renovable y sostenible y como adaptar la red eléctrica existente para añadir más energía sostenible a la cartera energética. Ha sido consultor en proyectos de energía renovable y eficiencia energética para agencias del Gobierno de Puerto Rico, Municipios, desarrolladores privados y comunidades en y fuera de Puerto Rico. Además, es perito en corte en casos de electrocución y choque eléctrico.
Es autor o co-autor de más de 40 publicaciones arbitradas, incluyendo dos capítulos de libro. Es ingeniero colegiado y con licencia en Puerto Rico desde el 1991 y miembro de la IEEE.
Agustín A. Irizarry Rivera, PhD, PECatedráticoUniversidad de Puerto Rico – Mayagüez
[email protected] ext. 2472 or 3090
35
1. A. Irizarry-Rivera, K.V. Montano-Martinez, S. Alzate-Drada, F. Andrade, “A Case Study of Residential Electric Service Resiliency thru Renewable Energy Following Hurricane María”, Mediterranean Conference on Power Generation, Transmission, Distribution and Energy Conversion (MEDPower), Dubrovnik (Cavtat) Croatia, November 12-15 2018.
2. US Census Bureau, "Puerto Rico 2010: Population and Housing Units Count", 2010 Census on Population and Housing, Issued July 2012.
3. National Ocean Service, National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), Historical Hurricane Tracks, available at oceanservice.noaa.gov/news/historical-hurricanes.
4. T. Schott, C. Landsea, G. Hafele, J. Lorens, A. Taylor, H. Thurm, B. Ward, M. Willis, and W. Zaleski, "The Saffir-Simpson Hurricane Wind Scale", National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), 2012.
5. I. Umair, “Puerto Rico’s blackout, the largest in American history, explained,” Vox, 08-May-2018. [Online]. Available:
6. https://www.vox.com/2018/2/8/16986408/puerto-rico-blackout-power-hurricane.
7. José A. Colucci Ríos, Efraín O’Neill-Carrillo and Agustín A. Irizarry-Rivera. “Renewable Energy in the Caribbean: A Case Study from Puerto Rico”, In E. Laboy, F. Schaffner, A. Abdelhadi (Editors) Environmental Management, Sustainable Development and Human Health, Taylor and Francis Press, 2009, pp 291.
8. Armando L. Figueroa-Acevedo and Agustín A. Irizarry-Rivera, “Variability Assessment of Solar and Wind Resources in Puerto Rico”, Proceedings of the Thirteenth Probabilistic Methods Applied to Power Systems (PMAPS) International Conference, Durham, UK, July 7-10, 2014.
9. July 2017 Climate Review for Puerto Rico and the U.S. Virgin Islands, National Weather Service, San Juan, Puerto Rico (available: https://www.weather.gov/media/sju/climo/monthly_reports/2017/Jul2017.pdf)
36
Referencias