VENTAJAS DE LA GENERACIÓN FOTOVOLTAICA EN EL PARQUE TECNOLÓGICO UNIVERSITARIO

I. Introducción

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Cuba satisface 96 % de sus requerimientos energéticos con el uso de combustibles fósiles y solo 4 % restante con fuentes renovables de energía. Urge entonces cambiar esta realidad. Para el 2030, la propuesta gubernamental estima que las fuentes renovables de energía cubrirán 24 % de las necesidades energéticas del país.

El uso de sistemas solares fotovoltaicos es una de las vías para alcanzar este objetivo y su instalación en cubiertas de edificaciones es una práctica extendida a nivel global. La razón está dada por ser las cubiertas áreas no utilizables en los servicios del inmueble. Igual superficie en tierra puede ser también usada de manera que se logren espacios útiles. Son varios los ejemplos en el mundo y en Cuba de instalaciones de este tipo que funcionan satisfactoriamente y contribuyen a la reducción del uso de combustibles fósiles y la contaminación ambiental.

Tomando ello en consideración, el estudio tiene como objetivo demostrar la potencialidad de instalar un sistema solar fotovoltaico en la cubierta del edificio donde se emplazará el parque tecnológico de la Universidad de Cienfuegos.

II. Materiales y métodos

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Características constructivas de la edificación

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El edificio en estudio, denominado edificio 7, es un edificio de cinco plantas destinados a la función de hospedaje estudiantil y se prevé aloje las funciones administrativas y de servicio científico técnico del parque tecnológico de la Universidad de Cienfuegos.

Es una construcción típica, modelo Girón, colindante con el Círculo Juvenil cuya cubierta también puede ser utilizada en el análisis, pero no será tomado en cuenta por no poseer aún el estudio anual de la proyección de sombra sobre el área.

El edificio 7 está orientado de este a oeste, cubierta orientada perpendicularmente en la dirección norte-sur, como muestra la Figura 1 , donde se observan las dimensiones básicas del área a utilizar para el sistema solar fotovoltaico.

Fig. 1. Dimensiones de la cubierta y orientación geográfica del edificio 7.

Se deja un pasillo, de 1 m de ancho en los bordes, para el movimiento del personal que trabaja en el montaje, operación y mantenimiento. El lado frontal del edificio está orientado al sur, con una longitud de 42 m en total y 40 m efectivos para la colocación de paneles. El edificio tiene un ancho de 8,5 m y puede usarse 6,5 m en la colocación de los módulos fotovoltaicos.

El área disponible para el parque fotovoltaico en la cubierta del edificio está dada en la ecuación 1 $A_{ú t i l} = a * l = 6,5 * 40 = 260,0 m^{2}$ .

A_{ú t i l} = a * l = 6,5 * 40 = 260,0 m^{2}

(1)

Por la orientación al sur, los paneles deberán ubicarse en filas a lo largo del edificio, con un ángulo de inclinación igual a la latitud de la región que es de 22,17°.

Es práctica de la Unión Eléctrica (UNE) instalar sus paneles con un ángulo de 15° ( Stolik, 2019 Stolik, D. (2019). Energía fotovoltaica para Cuba. Revista Ecosolar.) ello da un buen nivel de generación y se aprovecha mejor el área para la generación, al reducir la distancia entre paneles ( Suárez, 2014 Suárez, I. R. (2014). Variación del rendimiento de un sistema Fotovoltaico de Conexión a Red con el ángulo de inclinación de los modulos y su orientación. La habana, Cuba.). Este criterio no fue tomado en consideración.

Cálculo del Sistema Solar fotovoltaico

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La Empresa de Componentes Electrónicos Ernesto Guevara de Pinar del Río, sugirió el uso del módulo fotovoltaico DSM 270 ( Tabla 1 ).

Tabla 1. Especificaciones técnicas del módulo DSM 270

Especificaciones técnicas
Celda solar	Silicio Multicristalino 156,75 mm x 156,75 mm
Número de celdas y conexiones	60 (6 x 10)
Dimensiones del módulo	1650 mm x 990 mm x 40 mm
Cubierta frontal	Vidrio templado
Material del marco	Aleación de aluminio anodizado
Peso	18,1 kg
Características eléctricas
Modelo	DSM-270
Voltaje a circuito abierto (Voc) [V]	38,0
Voltaje en el punto de máxima potencia (Vmp) [V]	32,1
Corriente de corto circuito (Isc) [A]	9,11
Corriente en el punto de máxima potencia (Imp) [A]	8,42
Potencia máxima a STC (Pm) [Wp]	270
Tolerancia [%]	±3
STC	1000 W/m², 25⁰C, AM 1,5
Límites
Temperatura de operación	-40 a +85 ^oC
Voltaje máximo del sistema	1000 VDC
Valor máximo del fusible de la serie	15 A
Parámetros térmicos
NOCT	[⁰C]	45±2
Coeficiente de temperatura (Isc)	[%/⁰C]	0,04478
Coeficiente de temperatura (Voc)	[%/⁰C]	-0,30537
Coeficiente de temperatura (Pmp)	[%/⁰C]	-0,41004

En la Tabla 2 , considerando el módulo DSM 270, se muestra el proceso de cálculo y los resultados. Se elaboraron las figuras 1 y 2 para el dimensionamiento.

Tabla 2. Secuencia de cálculo y resultados del Sistema Solar Fotovoltaico para el edificio del parque tecnológico

N^o	Parámetro (unidad)	Ecuación	Magnitud	Observaciones
1	Selección del panel fotovoltaico	sin ecuación (s/e)	Tabla 1	Recomendación del fabricante
2	Ángulo de inclinación del panel (β)	s/e	Figura 1	El ángulo (β) = Latitud del lugar. Para Cienfuegos (=22°. La Unión Eléctrica en Cuba considera (=15°.
3	Cálculo de la componente de la altura (h) del panel (m)	$h = L * sen β$	0,62
4	Cálculo de la distancia de la arista inferior del panel a la arista superior del mismo medido horizontalmente (b) (m).	$b = L * \cos β$	1,53
5	Cálculo del ángulo de incidencia del rayo solar respecto a tierra (θ) (grados).	$θ = 180 - 90 - β$	68°
6	Cálculo de la distancia entre borde superior panel anterior y borde inferior panel posterior (a) (m).	$A = h / t g . θ$	0,25	Se toma 0,5 m (pasillo para limpieza y mantenimiento)
7	Cálculo de la distancia mínima entre paneles (dmin) (m)	$d m i n = a + b$	2,03	Se considerará dmin =2,00 m para el montaje del sistema
8	Cálculo del número máximo de filas de paneles	$# m á x . f i l a s = A n c h o d e l e d i f i c i o / D i s t a n c i a e n t r e p a n e l e s$	3,25	Se decide colocar 3 filas de paneles.
9	N° Máximo de paneles por filas	$# m á x . p a n e l e s p o r f i l a s = l o n g . e d i f . / a n c h o d e l p a n e l$	40,04	Se limitan a 40 paneles por fila
N^o	Parámetro (Unidad)	Ecuación	Magnitud	Observaciones
10	Número máx. de paneles en la edificación (N° máx. de paneles)	N° máx. paneles = N° de filas * N° de paneles por filas	120
11	Cálculo de la energía generada (Eu.) Energía útil generada (kWh por día)	$E u = 0,654 * H S P * P_{N} * N$	118,66	Dónde: Eu: Energía útil generada (kWh por día); 0,654 factor que toma en cuenta rendimientos y suciedad; HSP: Hora Solar Pico de la región (para Cienfuegos es 5,6) Pn: Potencia nominal del panel FV (kW por panel) N.- Número de paneles
12	Cálculo de la potencia instalada (Pinst.) (kWp)	$P i n s t = N * (P n / 1000)$	32,4
13	Disposición (Área / Potencia) (m²/kW)	A/Pot = Área Edif./ Pot. Instalada	8,02	Ver Tabla 3
14	Cálculo del número de inversores	N° de Inversores = Pot. Demandada /Pot. Inversor	1,296	Se decide incluir dos inversores del tipo Sunny Tripower 25000TL.

Fig. 2. Distancia entre paneles y ángulos de inclinación.

III. Resultados y discusión

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Según los criterios dados en la Tabla 3 ( Intelligent Energy Europe, 2017 Intelligent Energy Europe (2017). Dimensionado de SFCR. Madrid. España: Intelc. ingeniería.) el sistema propuesto cumple con los requerimientos de la organización al encontrarse la relación Potencia/Área, del parque de módulos de silicio policristalino, en un valor de 8.02 m²/kWp.

Tabla 3. Superficie de módulo fotovoltaico requerida para 1 kWp

Tecnología	Superficie (m²)
Silicio monocristalino	7-9
Silicio policristalino	8-11
Diseleniuro de indio cúprico (CIS)	11-13
Teluro de Cadmio (CdTe)	14-18
Silicio amorfo	14-20

El Sistema Solar Fotovoltaico sobre la edificación debe quedar según muestra la Figura 3 .

Fig. 3. Estructura sugerida de ubicación de los paneles sobre la edificación.

La forma aproximada de colocación de los paneles sobre la estructura se muestra en la Figura 4 .

Fig. 4. Colocación de paneles sobre la estructura.

Cálculo de resistencia de la edificación

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La resistencia de la cubierta de la edificación se realizó según las normas del Ministerio de la Construcción ( Ministerio de la Construcción, 1978 Ministerio de la Construcción (1978). Sistema Constructivo Girón. Especificaciones Técnicas. La Habana, Cuba: CEDITEC.).

El edificio posee un área de 260 m² de superficie, sobre la cual se instalarán 120 paneles solares, en 20 mesas de fijación considerando el peso total del cableado, los tornillos de fijación y el peso que ejerce el viento sobre los paneles.

El peso por unidad de área incluye el peso de enrajonado y de la capa de papel asfáltico, ya incluidas en la cubierta de la edificación para su impermeabilización ( Oficina Nacional de Normalización, 2003 Oficina Nacional de Normalización (2003). Densidad de materiales naturales, artificiales y de elementos de construcción como cargas de diseño. La Habana, Cuba: Oficina Nacional de Normalización.). Los resultados están dados en la Tabla 4 , según NC 283. El valor obtenido debe ser inferior al valor de la carga de utilización permisible de 300 kg/m², según el tipo de edificación Girón.

Tabla 4. Cargas sobre la edificación

Producto	Cantidad	Peso (kg)	Densidad (kg/m³)	Espesor (cm)	Carga total (kg/m²)
Enrajonado	-	-	18	5	90
Capa asfáltica	2	-	5	-	50
Estructura metálica	20	4 560	7	-	17,5
Paneles solares	120	2 172	-	-	8.35
Carga producida por los vientos	-	-	-	-	1,1
Cableado	350 m	100	-	-	0,4
Tornillos	-	60	-	-	0,23
Total					167,58

El valor de la carga de utilización es 167,58 kg/m² menor a los 300 kg/m² dados como valor mínimo permisible. Ello permite afirmar que la edificación resistirá las cargas que origina el sistema.

Evaluación económica

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Al no poseer un sistema actualizado de costos de los elementos para la evaluación económica se consideran los criterios dados por Stolik (2019 Stolik, D. (2019). Energía fotovoltaica para Cuba. Revista Ecosolar.). ( Ver Figura 5 ).

Fig. 5. Costo total por kilowatt pico por países.

Por ser la República Popular China el principal suministrador de Cuba, se toma el valor correspondiente a esta nación para los cálculos preliminares.

El sistema calculado posee una potencia instalada de 32,4 kWp, por lo que la inversión debe ser de 36 612,00 USD y el ingreso por ahorro y exportación de energía puede ascender a la cifra de 7 865,67 USD al año, según las ecuaciones 2 $I n g r e s o a h o r r o = 118,66 \frac{k W h}{d í a} * 0.2275 \frac{$}{k W h} * 265 \frac{d í a s}{a ñ o} = 7153,71 \frac{$}{a ñ o}$ , 3 $I n g r e s o e x p o r t a c i ó n = 118,66 \frac{k W h}{d í a} * 0.06 \frac{$}{k W h} * 100 \frac{d í a s}{a ñ o} = 711,96 \frac{$}{a ñ o}$ y 4 $I n g r e s o t o t a l = I n g r e s o t o t a l = 7153,71 + 711,96 = 7865,67 \frac{$}{a ñ o}$ .

I n g r e s o a h o r r o = 118,66 \frac{k W h}{d í a} * 0.2275 \frac{$}{k W h} * 265 \frac{d í a s}{a ñ o} = 7153,71 \frac{$}{a ñ o}

(2)

I n g r e s o e x p o r t a c i ó n = 118,66 \frac{k W h}{d í a} * 0.06 \frac{$}{k W h} * 100 \frac{d í a s}{a ñ o} = 711,96 \frac{$}{a ñ o}

(3)

I n g r e s o t o t a l = I n g r e s o t o t a l = 7153,71 + 711,96 = 7865,67 \frac{$}{a ñ o}

(4)

Los datos básicos para la evaluación económica en el año 0 y 1 están dados en la Tabla 5 . La inversión tiene una vida útil de 25 años.

Tabla 5. Datos básicos para la evaluación económica

No.	Datos iniciales	Año 0	Año 1
1	Ingresos ( I ), $		7865,67
2	Gastos (G), $		1000,00
3	Costo inversión (Ko) ($)	-36612.00
4	Tasa de descuento (r) , %		16,35
5	Tasa de inflación (f), %		8,00
6	Margen de riego, %		3,00
7	Tasa de impuesto (t), %		35,00
8	Vida útil estimada, años		25

El resultado principal de la evaluación económica se expresa en la Figura 6 .

Fig. 6. VAN y PRI del sistema solar fotovoltaico propuesto.

Aprecie en la línea anaranjada que el Período de Recuperación de la Inversión (PRI) es de 15 años y el VAN alcanza valores de 6 500,00 pesos. Aunque la evaluación económica no resulta atractiva, está destinada a mostrar cómo se puede reducir el consumo de energía eléctrica producida con combustible fósil, el impacto ambiental y garantizar el servicio energético con una fuente renovable.

Magnitud del combustible ahorrado (ecuación 5 $C o m b . A h o r r a d o = \frac{E * g}{1000} = \frac{118 * 265 * 0.236}{1000} = 7.37 t / a ñ o$ ).

C o m b . A h o r r a d o = \frac{E * g}{1000} = \frac{118 * 265 * 0.236}{1000} = 7.37 t / a ñ o

(5)

CO₂ no emitido (ecuación 6).

{C O}_{2} n o e m i t i d o = \frac{C o m b u s t i b l e a h o r r a d o * k}{ρ} = \frac{7,37 * 3,119}{0,9781} = 28,80 t / a ñ o

(6)

Donde:

K: coeficiente que relaciona el combustible no quemado con las toneladas de CO₂ no vertidas a la atmósfera.
K= 3,119 kg/l.
ρ: densidad del combustible y es igual a 0,9781 kg/l.

Se aprecia la diferencia en cuatro veces, entre los costos de la energía suministrada y comprada por el Sistema Eléctrico Nacional (ecuaciones 2 $I n g r e s o a h o r r o = 118,66 \frac{k W h}{d í a} * 0.2275 \frac{$}{k W h} * 265 \frac{d í a s}{a ñ o} = 7153,71 \frac{$}{a ñ o}$ y 3 $I n g r e s o e x p o r t a c i ó n = 118,66 \frac{k W h}{d í a} * 0.06 \frac{$}{k W h} * 100 \frac{d í a s}{a ñ o} = 711,96 \frac{$}{a ñ o}$ ) lo cual no estimula la generación con fuentes renovables y no hace rentable muchas inversiones de este tipo.

En la Figura 6 se observa qué ocurre cuando el valor del kWh generado con el sistema solar fotovoltaico pasa de 0,06 $/kWh (marcadores cuadrados) a 0,20 $/kWh (marcadores redondos en azul) valor totalmente justo por ser lo que la empresa paga al SEN cuando consume energía de la red. Aprecie que se reduce a 8 años el Período de Recuperación de la Inversión (PRI) y el Valor Actual Neto (VAN) pasa de $ 6 500,00 a $ 30 000, 00 lo que hace atractiva la inversión.

IV. Conclusiones

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El sistema solar fotovoltaico propuesto tiene la capacidad de generar una potencia de 32,4 kWp con 120 paneles del tipo DSM 270, lo que satisface una demanda energética de 118 kWh por día.

De ser comprado directamente en el extranjero, la inversión es de un monto de 36 612 USD y los ingresos que genera alcanzan una magnitud de 7 900 $/año.

El Período de Recuperación de la Inversión (PRI) es cercana a los 15 años, en parte debido a las diferencias entre el precio de compra y venta del kWh establecido para el SEN. Si se iguala a 0,20 $/kWh, el precio de compra y venta se reduce en 7 años el Período de Recuperación de la Inversión (PRI) y se incrementa en cinco veces el valor del VAN, haciendo factible la inversión.

La cubierta de la edificación resiste los esfuerzos creados por el sistema, el cual genera cargas en el orden de 167 kg/m² y la edificación puede soportar cargas hasta 300 kg/m² como valor mínimo permisible.

El sistema tiene la capacidad para ahorrar hasta 7 toneladas al año de combustible y reducir las emisiones de CO₂ al medioambiente en 28 toneladas al año, garantizando un suministro de energía eléctrica en horario diurno independiente del SEN como parte de las acciones de sostenibilidad energética.