diseÑo, evaluaciÓn y viabilidad econÓmica …...diseño tiene las siguientes características:...

Cuarto Congreso Nacional – Tercer Congreso Iberoamericano

Hidrógeno y Fuentes Sustentables de Energía – HYFUSEN 2011 15-088

DISEÑO, EVALUACIÓN Y VIABILIDAD ECONÓMICA PARA APLICACIONES SOLARES EN SAN CARLOS – SALTA.

Hongn M. E. (1), Quiñonez J. E. (2), Condorí M., Hernandez A., Cadena C. . (1) Universidad Nacional de Salta, Av. Bolivia, 5150, 4400, Salta, Argentina, [email protected] . (2) Universidad Nacional de Salta, Av. Bolivia, 5150, 4400, Salta, Argentina, [email protected] . RESUMEN En el presente trabajo se expone el diseño y el estudio de viabilidad financiera de un conjunto de mejoras a una planta de producción y procesamiento de pimiento para pimentón en San Carlos, provincia de Salta, que cuenta con un secador solar industrial asistido con biomasa. Las mejoras, que tienden a incorporar energías alternativas al proceso, están compuestas de un sistema fotovoltaico para el bombeo de agua, un sistema solar térmico (calefón solar) para uso sanitario de la vivienda y el acondicionamiento térmico de la planta de procesamiento. Con estas propuestas se obtiene un ahorro energético que permite recuperar la inversión en menos de siete años. También se estiman aumentos en la producción debido a la mejor distribución en el recurso de agua y las posibilidades de incorporar un cultivo alternativo, extendiendo el uso del secador solar. Palabras Claves: Fotovoltaico, calentamiento de agua, acondicionamiento térmico-solar.

1. INTRODUCCION San Carlos es la localidad cabecera del departamento San Carlos, ubicado en los Valles Calchaquíes, provincia de Salta, Argentina. Sobre RN 40, a 24 km de Cafayate. Se encuentra a una altura de 1700 msnm, le corresponde la latitud de 25.59 S y longitud 66 O. En este trabajo se presenta el diseño y análisis de un sistema fotovoltaico y un sistema solar térmico (calefón solar) que permitan proveer energía eléctrica y térmica, para el riego de pimiento y agua caliente de uso sanitario a la vivienda, respectivamente. También se realiza un análisis del comportamiento térmico para un tinglado donde se muele el pimiento, proponiendo algunas modificaciones referidas al acondicionamiento térmico-solar del mismo. La razón por la cual se realiza el estudio es por el tipo de clima que se tiene en la región, ya que la zona se caracteriza por tener: un nivel de radiación solar muy alto, baja nubosidad anual y escasez del recurso hídrico [1].

2. DESARROLLO 2.1 Sistema Fotovoltaico Se propone un sistema FV autónomo para bombeo de agua desde una vertiente ubicada a 500 metros aproximadamente del tinglado. Para la inclinación de 26° (correspondiente a la latitud del lugar) se obtienen los mayores valores (anuales) de radiación. Es importante aclarar que para el dimensionamiento se tomará la radiación incidente para el peor mes a esta inclinación. Así, mayo corresponde al mes de menor radiación solar con 24.05MJ/m2. El número total de plantas de pimientos es de 28000, equivalentes a 2Ha, las cuales consumen 10 mLagua/min, y el riego, que se realiza por goteo, se hace originalmente durante 1.5 horas diarios mediante una bomba de 5HP, datos que fueron otorgados por el productor. De esta manera, se propone un sistema de riego compuesto por bombas SHURflo de 12VCC que serán alimentadas por medio de un sistema fotovoltaico, distribuyendo el riego en 10 hs diarias.



Figura 1. Campo de cultivo. Así para suministrar un caudal de se pueden utilizar 2 bombas de este tipo que entregarían un caudal máximo de . Se puede observar un leve sobredimensionamiento, se estaría entregando de más, esto sirve para cubrir las pérdidas de carga. A continuación se establecen las ecuaciones usadas para el cálculo del sistema fotovoltaico. Se utilizaron las siguientes ecuaciones [2]:

(1)

FSG varía entre 1.1 y 1.3.

(2)

FSB varía entre 3 y 8. (3)

(4)

Datos teóricos del generador: β = 26°, FSG = 1.2, HPS = 6.68 h/día, Pnominal,G = 431.1 W , se obtiene de ecuación (1). Datos de las baterías: FSB = 1, Vnominal = 12 V, CB,útil = 200 Ah, de ecuación (2) y (3), PD,máx = 0.6, CB,nominal = 333.3 Ah de ecuación (4). El banco de baterías debe proporcionar 333.3 Ah, eligiendo 3 baterías de 115 Ah se obtiene un banco de 345 Ah de capacidad nominal. Debido a la alimentación de 12 VDC requerido por las bombas se calcula que es necesario contar con 6 módulos de 80 W en paralelo, que entregarán una potencia de 480 W. Los costos de los elementos que se detallan en la Tabla I fueron brindados por ECOSOLAR.

Cantidad Costo $ TotalPaneles solares 6 2615 15690

Baterias 3 1270 3810Regulador 1 1500 1500Bombas 2 2000 4000

TOTAL 25000 Tabla I. Capital requerido para llevar a cabo la instalación. 2.2 Agua caliente sanitaria Se analiza ahora la inserción de un colector calentador de agua para uso sanitario. El mismo debe satisfacer la demanda de 5 personas, estimando que cada una consume 40L diarios. El colector propuesto es de placa plana y tiene incorporado un tanque de 200L con una resistencia eléctrica. Es fabricado por INNOVAR SRL, su diseño tiene las siguientes características: placa absorbedora de 2 m2 de área constituida por dos láminas de acero inoxidable, con soldaduras que forman canales de ancho variable, lo que impide rupturas por congelamiento. Esta elección se realizó luego de un análisis comparativo contra un colector de tubos evacuados. En la Figura 2 se muestra la curva de eficiencia dada por el fabricante.

Figura 2: Colector de placa plana INNOVAR con su respectiva curva de eficiencia. Las ecuaciones a considerar son [3]:

(6)

Realizando la evolución temporal de la temperatura del agua en el tanque, que se considera no estratificado, se obtiene el siguiente balance de energía:



(7)

Mediante el método explicito:

(8)

El término del calor útil se reemplaza por la ecuación (6) donde la temperatura = . Simulando la ecuación (8), donde se conocen los datos meteorológicos del lugar, se logra la siguiente curva:

Figura 3. Variación de la temperatura del agua del tanque. En la Figura 3 se observa el incremento de temperatura a partir de la hora 10 hasta llegar a un máximo de 50.9°C a las 16hs, la extracción de agua se produce de 20 a 21 hs a una temperatura de 48 °C y a razón de 180 L/h. Luego de ocupar prácticamente toda la capacidad del tanque, ingresa agua de la red a 15°, y se mezcla con una poca cantidad de agua caliente que ha quedado en el tanque logrando una temperatura aproximada de 17°C. El costo del colector más termo-tanque es aproximadamente de $3800. 2.3 Acondicionamiento térmico-solar A partir de la generación de una carta psicométrica con el programa ABC (Architectural Bioclimatic Classification) se determinó que para los meses de invierno es conveniente realizar calefacción, ya que las temperaturas medias están por debajo del rango de confort.

El tinglado cuenta con un área de piso de 100 m2, posee un techo de chapa galvanizada sin aislación ubicado a una altura de 6 metros. Todas las paredes que se mencionan a continuación son de ladrillo común de 20 cm de espesor.

Figura 4. Vista en planta del tinglado y locales adosados, con líneas blancas se representan las ventanas, con azules la puerta y portones de chapa. La pared con orientación norte cuenta con una ventana de 0.96 m2, que, además de iluminación natural, otorga ganancia directa de energía. Las paredes con orientaciones este y sur, poseen una puerta de chapa de 4 m2 y un portón del mismo material de 9 m2 respectivamente. La pared oeste se comparte con un deposito de 132.44 m3 (3.5 m de alto), una oficina de 60.5 m3 y un baño cuyo volumen es 21.8 m3 (3.1 m de alto, igual que la oficina), estos últimos locales influyen en la temperatura del tinglado a analizar. El contrapiso para todos los locales es de hormigón vaciado de 10 cm de espesor y no cuentan con aislación perimetral. [4] 2.3.1 Propuesta para el acondicionamiento térmico Cabe recordar que la propuesta para mejorar el comportamiento térmico sólo se aplicará al taller, que representa el local principal ocupado de hs 8 a



20, es decir, un lapso de 12 horas diarias. El período ha tenerse en cuenta para la simulación es del día 5 de Junio hasta el 20 del mismo mes. Luego de analizar y probar diversas ideas de diseño mediante el soft SIMEDIF, teniendo en cuenta además de los aspectos térmicos los aspectos económicos, se propone: • Aumentar a 16.25 m2 el área de ventanas para

ganancia directa, se utilizo el programa LUZ-SOL v1.1 para estar seguro que la mayor parte de la radiación diaria incidente sea acumulada en el suelo.

• Alero para la ventana norte y parasoles en las ventanas al este para evitar la entrada de radiación directa en verano.

• Aislación nocturna de todas las ventanas mediante postigones.

• Agregar una capa al contrapiso de cemento alisado de ferrita color negro, de 4 cm de espesor, aumentando el coeficiente de absorción del mismo a 0.9.

Figura 5. Modificaciones en la pared este, 5 ventanas de 2 m2 cada una.

Figura 6. Vista del lado norte y oeste del lugar.

Figura7.: Comparación de las temperaturas en el interior del local con y sin la modificación. Análisis Económico del sistema solar completo Para llevar a cabo el proyecto global, a base de energía solar, se solicita un préstamo al Banco, otorgado por medio de un programa para pymes nacional, que incluye tasas de interés bastante menores con respecto a un préstamo personal (8% menor). La tasa de interés anual es del 12%, la inversión inicial es de $45000, este monto sirve para cubrir gastos en: paneles, bombas, regulador de tensión, baterías, calefón solar, materiales de construcción y mano de obra, flete de BS AS a Salta y de Salta a San Carlos, diseño y aplicación del proyecto, vidrios, persianas, cemento alisado negro, herramientas y otros insumos. Para encontrar el VAN (Valor Actual Neto), teniendo en cuenta que la vida útil del proyecto son 20 años, es necesario considerar un ahorro anual de $2757.55 en cuanto a energía eléctrica (por consumo de la bomba de 5 HP que funciona 1.5 horas diarias durante 10 meses) y biomasa (ya que el propietario consume 36 m3/año para calentamiento de agua). Debido a la nueva propuesta de distribución de horas de riego, se logra un incremento en la producción de pimiento (10$/kg), 400 kg más por año comparada con la producción obtenida actualmente. Cuando no se produce pimiento se trabaja en el cultivo alternativo que es el ajo (15$/kg). Al realizar el mismo análisis anterior hay un incremento de 150 kg de ajo por campaña. Con estos cultivos el tiempo de trabajo se extiende a 10 meses por año. Estas mejoras en la producción se



traducen en ganancia directa de dinero para el productor. Se tiene en cuenta también un ahorro en service de bomba trifásica de 5HP ($300), que se realizaba cada 2 años. Los gastos por reparación de colector, paneles, termo-tanque, ductos, aislación, etc. se realizan una vez en el período de vida útil de los mismos, en el décimo año en este caso. Mientras que el service para las bombas es anual, para mantenerlas siempre en buen estado y minimizar su deterioro, tiene un costo actual de $200, valor que incrementa con el paso de los años como se tendrá en cuenta más adelante. Se consideran las siguientes tasas de actualización de precios: Tasas de actualizacion de precios incremento/año

Electricidad 0.0457Biomasa 2

Pimiento seco 1Ajo deshidratado 1

Servicio técnico(bombas) 20bateria(3 años) 60

Tabla 2. Incremento anual en pesos. En la Tabla 2 se muestra el incremento anual en $ por KWh, por kilo o por unidad, según corresponda, que se traduce en ingresos (color azul), ahorro (color verde) y en egresos (color rojo). Se supone que el proyecto se desarrolla en el año 2011, con un período de vida útil hasta el 2030. En los 4 primeros años el productor devolvería el crédito al banco, se ha teniendo en cuenta el monto a retribuir por mes durante este lapso de tiempo, incluyendo intereses. El VAN se calcula como [5]:

(9)

Donde es el flujo neto de caja, con las tasa de interés y de actualización de precios ya incorporada. es la inversión inicial solicitada al banco. La Figura 8 permite visualizar rápidamente el valor PRD (Plazo de Recuperación por Descuento), que refleja la cantidad de años en los que se recupera la inversión, en este caso alrededor de 6 años.

Figura 8. VAN en función de tiempo. 3. CONCLUSIONES

• Con un buen dimensionamiento de la cantidad de agua necesaria a bombear (para riego) y por consecuencia la potencia a entregar del sistema fotovoltaico, producirá un crecimiento total en todos los aspectos (aumenta el nivel de producción por planta, mayor calidad del pimiento, mayor cantidad de producto final, mayor ingreso económico, contaría con un sistema autónomo de bombeo evitando, entre otras cosas, la necesidad de un cable de 500 metros de longitud aproximadamente que usa actualmente para conectar la bomba, etc.). • La relación entre el área de colección y el volumen del acumulador tiene como valor óptimo a 100 L/m2. Para 200 L de agua, corresponden entonces 2 m2 de área colectora. Este fue el puntapié inicial para la elección del calefón solar, que para el mes de Junio presenta una eficiencia diaria media de 0.7 para la zona de trabajo donde se desempeña. Además, al ser de fabricación nacional, es económicamente más accesible comparado con otros calefones solares. • Si bien las temperaturas del interior del taller se podrían considerar aceptables, con una inversión menor, se puede mejorar el comportamiento térmico a través de la



propuesta realizada, donde la temperatura media del establecimiento será de 17°C con una amplitud térmica de 5°C, ver Figura 7. • En un lapso de 20 años el propietario no sólo habrá recuperado el capital inicial invertido sino que tendrá una ganancia directa de $57000 (a causa del incremento en la producción de ambos cultivos por una mejor distribución temporal de riego) y se ahorrará $164000 aproximadamente.

NOMENCLATURA

factor de seguridad del generador. ISTC irradiación en condiciones estándares de medida (CNPT) se toma un valor de 1000W/m2. Ldm consumo medio diario de energía, en Wh. Gdm(βopt) irradiación diaria incidente sobre el plano inclinado β grados, en Wh/m2.

profundidad de descarga de la batería. Eprod energía producida por el generador, en Wh. Edem energía demandada, en Wh. Ealm energía almacenada por el sistema de acumulación, en Wh.

fiabilidad requerida para el banco de baterías (días de autonomía). CB,ÚTIL capacidad útil de batería, en Ah. PD,max profundidad de descarga.

calor útil, en W. radiación incidente sobre superficie inclinada,

en W/m2. área de colección, en m2. factor de remoción de calor.

producto tramitancia absortancia efectivo. coeficiente de pérdidas globales en el colector,

en W/m2°C. temperatura del agua al ingresar al colector,

en °C. temperatura ambiente, en °C.

masa de agua en el tanque, en kg. carga extraída del tanque, en W. coeficiente global de pérdida de calor para el

tanque, en W/m2°C. área del tanque, en m2. temperatura del agua dentro del tanque, en °C.

: paso temporal.

REFERENCIAS [1] Datos meteorológicos y climáticos brindados por el INENCO, período 1976-1981. [2] Lorenzo E., Electricidad Solar: Ingeniería de los Sistemas Fotovoltaicos, 1ra Edición, Progensa, Madrid 1994. [3] Dufiee J., Beckman W., Solar Engineering Thermal Process, Third Edition, John Wiley and Sons, 2006, chapter 6-8. [4] Incropera F., DeWitt D., 1999, Fundamentos de transferencia de calor, Cuarta Edición, Prentice Hall, Apéndice A. [5] Aguer M., El Ahorro Energético: Estudios de viabilidad económica, 1ra Edición, 2004.

diseÑo, evaluaciÓn y viabilidad econÓmica …...diseño tiene las siguientes características:...

Documents