Electricidad Fotovoltaica en Techos para Residencias en ...

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.

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¿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


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¿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


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


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?

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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


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

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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


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



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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




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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




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

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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



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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



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

mailto:[email protected]




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.


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


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.


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

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18

20

22

24

201

9

202

0

202

1

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2

202

3

202

4

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5

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6

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9

203

0

203

1

203

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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


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

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Foto cortesía de Alfredo Moreu Valentín

¿Solo en techos? A veces hay que ser más creativo …, ejemplo fincas

30Fotos cortesía de Alfredo Moreu Valentín

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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

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• 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

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• 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


Agustin Irizarry Rivera, Ph.D., P.E.

[email protected]

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

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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)

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Referencias

Electricidad Fotovoltaica en Techos para Residencias en ...

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