Documento de Análisis sobre la Atención de Cargas Domesticas Rurales con Sistemas Fotovoltaicos AC o DC

La electrificación de comunidades rurales con sistemas fotovoltaicos es cada vez mayor, especialmente en los países en desarrollo, en principio atendiendo principalmente las necesidades de iluminación y entretenimiento (radio y TV), en estos casos la atención se realiza en corriente continua (DC) y con sistemas de mediana potencia, el más común: 50 Wp.

En los últimos años varios países de Latinoamérica han establecido estándares de atención a sus usuarios rurales que consideran la atención de otras cargas (además de la iluminación y comunicación), como ser televisores a color, refrigeradores y otros electrodomésticos, para ello se han adoptado configuraciones que en muchos casos requieren la transformación de la corriente continua (DC) en corriente alterna (AC). Debido a que las sucesivas transformaciones de la corriente no son procesos eficientes, el presente artículo pretende mostrar que la atención de cargas domésticas es posible en DC es posible y de manera optima.

¿Cómo se genera la energía de un sistema fotovoltaico?

La corriente DC es la forma natural de la conversión fotovoltaica, el módulo fotovoltaico genera corriente DC, la batería o acumulador recibe esta corriente, la almacena y entrega posteriormente de la misma forma, en DC. Las cargas o equipos de uso final para sistemas fotovoltaicos también trabajan en DC y en los últimos años han mejorado significativamente su eficiencia, llegando a sobrepasar a los equipos AC, asimismo, los precios de estos equipos, principalmente lámparas, televisores y refrigerados se ha reducido considerablemente, finalmente la disponibilidad de los mismos en el mercado es importante. Por tanto, a la fecha se puede afirmar que un sistema fotovoltaico puede atender las demandas domésticas o domiciliarias sin necesidad de transformar en corriente AC y de manera económica, eficiente y confiable.

¿En necesario convertir la corriente DC?

Optimizando EnergiaLa conversión de la energía generada por un sistema fotovoltaico en AC conlleva factores de perdida significativos, con toda seguridad en el orden de 10% en el mejor de los casos, llegando incluso a valores del orden del 30%. Esto suponiendo a equipos de calidad demostrada. Estas pérdidas no deberían extrañarnos, en realidad son normales, solo a veces ignoradas o desconocidas.

Uno de los argumentos utilizados, sino el más repetido, para justificar el uso de corriente AC en sistemas fotovoltaicos, es la disponibilidad de repuestos en el mercado, el caso más significativo y de mayor frecuencia de cambio es el de las lámparas DC, actualmente se pueden encontrar este tipo de lámparas en los comercios especializados de cualquier país de la región, es el caso de la empresa PHOCOS cuya especialidad radica en cargas DC, tiene amplia presencia mundial y regional, mediante su amplia red de distribuidores autorizados.

El uso de cargas DC en un sistema fotovoltaico, permite evitar 2 tipos de pérdidas:

  • El auto consumo del inversor, si el inversor está conectado continuamente (las 24 horas) al sistema fotovoltaico, aun en inversores altamente eficientes (de más de 80%), habría un consumo permanente de 0.3 Amperios (A), este valor, aparentemente poco significativo, pero que en 24 horas, da lugar a un consumo diario de 7.2 Ah o lo que sería equivalente a la energía generada por un modulo fotovoltaico de 30 Wp, en una zona con una radiación de 5 horas-sol.
  • Otro factor es la eficiencia de conversión, por ejemplo si se tiene una carga de 5 lámparas de 11 watts (W), trabajando 5 horas al día, el conjunto consumirá 275 Wh. Si estas cargas son atendidas a través de un inversor que tiene una eficiencia media de 85%, entonces el consumo real en el conjunto inversor-lámparas será de: 324 Wh, que da lugar a una pérdida de energía de 48 Wh, equivalente a un modulo de 15 Wp.

Los dos casos antes analizados muestran que por efecto de la inclusión de un inversor es necesario aumentar el tamaño del módulo fotovoltaico, normalmente, además de aumentar la potencia de la generación, será necesario también incrementar la capacidad de almacenamiento y la frecuencia de cambio de baterías.

El siguiente cuadro muestra como el uso de un inversor o el suministro en AC en un sistema fotovoltaico doméstico, es más caro que el suministro en DC.

Detalle Suministro en DC Suministro en AC Ahorro generado por el uso de equipos en DC
5 Luminarias 11 W 770,1 1.227,3 457,2
1 Televisor de 15″ 650,6 1.362,8 712,2
1 Refrigerador 165 litros 2.070,9 3.608,3 1.537,5
Todos los equipos (5 luminarias 11 W, 1 TV 15″, 1 refrigerador 165 litros) 3.491,6 6.198,4 2.706,9

Notas

  • Se consideran sistemas domésticos con 3 cargas diferentes, donde el caso más critico en el tema de ahorro de energía corresponde al uso de un refrigerador en DC.
  • Los cálculos se han realizado a 10 años, a una tasa de interés del 10% y considerando reposiciones de componentes; siendo la batería el elemento que más veces se repone al utilizar DC.Optimizando Energia.

Los Inversores y la Calidad de Energía Suministrada

Los inversores disponibles en el mercado se presentan en 3 tecnologías o calidades diferentes: de onda sinusoidal pura, de onda semisenoidal y de onda cuadrada, que sin embargo no representan niveles de eficiencia diferentes

Entonces donde radica la diferencia entre un tipo de inversor y otro? Los niveles de distorsión armónica (TDH), que podrían ser dañinos y pueden causar interferencia o daños a equipos delicados, causar interferencias molestas a otros dispositivos y crear condiciones de riesgo hacia otros dispositivos. Por ello, es deseable y a veces imprescindible eles coger un inversor de onda sinusoidal pura.

La siguiente figura muestra la forma de onda de dos inversores disponibles en el mercado.

La línea roja corresponde a un inversor con forma de onda senoidal, que es la forma ideal, por otro lado la línea azul es de un inversor de forma de onda cuadrada, que además muestra un pico de aproximadamente 500 V, el mismo que podría causar daños significativos en los equipos conectados, principalmente en la aislación de estos. Como se puede apreciar, el uso de inversores está sujeto a la disponibilidad de equipos de calidad que no siempre están disponibles en el mercado local.

Recomendaciones

Las cargas más frecuentes en sistemas fotovoltaicos domésticos, además de la iluminación son: Radio-recepcion, equipos de música, TV-video y refrigeración, estos equipos se encuentran disponibles en DC, los televisores muy eficientes de 15 pulgadas que sólo consumen 15 watts, los refrigeradores de 165 y 225 litros que pueden trabajar directamente en 12 o 24 voltios y con módulos fotovoltaicos pequeños.

Por tanto, es más económico usar cargas DC, sin inversor, en sistemas fotovoltaicos domésticos.

En aplicaciones críticas, equipos especializados o de alta precisión, como ser hospitales o centros médicos se recomienda el uso de inversores de buena calidad.