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Introducción
La energía es un factor esencial para el desarrollo de la sociedad y la prosperidad de hoy en día. La diversificación de las fuentes de energía es vital, particularmente para los países desarrollados dependientes del petróleo, en orden de alcanzar una mayor seguridad en las opciones de suministro. Actualmente se vive en una sociedad cuyo desarrollo viene de la mano de un consumo insostenible, en donde se exigen unos estándares de calidad y confort cada vez mayores, los cuales deben ser suplidos a través de las fuentes actuales de producción de energía, y con el ritmo actual de crecimiento, su sostenibilidad es discutible. Dentro de este marco los Sistemas Solares Fotovoltaicos (SSFV) se están desarrollando rápidamente desde hace varios años y en estos momentos se han establecido como fuentes importantes de energía alrededor del mundo en correspondencia con el creciente agotamiento de las fuentes convencionales.
Es por ello que ya los gobiernos centrales y estatales de la mayoría de los países del mundo promueven iniciativas para su utilización no solo en emplazamientos terrenales sino también sobre las cubiertas de las instalaciones, debido principalmente a la conveniencia de producir energía in situ para la edificación en el que van a ser instalados los módulos fotovoltaicos (Kumar et al., 2017).
La eficiencia de un SSFV depende en gran medida de las condiciones meteorológicas de su entorno (es decir, las condiciones meteorológicas del lugar de instalación) (Junaidh et al., 2017). Por lo tanto, es esencial estudiar la viabilidad del rendimiento del sistema fotovoltaico solar antes de su instalación. Hay formas de evaluar el rendimiento, y son mediante simulación utilizando las herramientas de modelado de energía o modelado numérico, o estudiando los parámetros del sitio utilizando modelos experimentales. Entre estos, el método más popular es la simulación utilizando herramientas de modelado de energía como PVsyst, HOMER, PVGIS, PV Watts, PV Online, SISSIFO, RETScreen, etc. (Kumar, 2017; Kumar et al., 2017; Vishnupriyan & Manoharan, 2018, 2017). Entre las diversas herramientas de software mencionadas anteriormente, la más popular y ampliamente utilizada para el análisis de viabilidad es PVsyst (Belmahdi & Bouardi, 2020; Sharma et al., 2018; Vasudev et al., 2018).
En esta investigación se presenta el cálculo de las potencialidades de generación fotovoltaica a partir del aprovechamiento de las superficies de cubiertas de las edificaciones del Hotel Punta la Cueva, Cienfuegos. La instalación fotovoltaica en cuestión tiene como objetivo principal cubrir la demanda energética del hotel, aunque esta será concebida como un sistema conectado a red, por lo que los excedentes de energía serán entregados al Sistema Eléctrico Nacional (SEN), vendiéndose la energía al precio establecido por la Unión Eléctrica según Resolución correspondiente(Ministerio de Justicia de la República de Cuba, 2019). Entre los principales beneficios que esta inversión supondría para la instalación hotelera se puede destacar que esta presentará: una mayor independencia energética, una reducción de costos de energía anuales tanto por la reducción en el consumo como por los ingresos obtenidos de la venta de energía, y una mejora de su imagen corporativa por el hecho de fomentar energías limpias según (García et al., 2021; Jiménez Carmona, 2020; Sanz Muñoz, 2020).
Materiales y métodosEc.1 Ec.2 Ec.3
El proceso utilizado para el dimensionamiento del SSFV fue:
Análisis del consumo eléctrico de la instalación.
Levantamiento constructivo de las edificaciones que conforman la instalación.
Análisis de incidencia de la sombra sobre los techos de las edificaciones.
Selección de las áreas disponibles según los resultados de las acciones anteriores.
Simulación en el software especializado PVsyst para determinar potencial de generación fotovoltaico y características del SSFV.
Análisis de los resultados obtenidos en la simulación.
Características de la instalación
El hotel ¨Punta la Cueva¨ fue construido por trabajadores del Ministerio de la Construcción (MICONS) de Cienfuegos con el propósito original de funcionar como casa de visita del PCC. El proyecto original fue del arquitecto Roberto Cabrera de la EMPROY 9 de Santa Clara y a cargo de la obra estuvo el arquitecto Omar Moreira. Hoy en día forma parte de la cadena hotelera ISLAZUL.
Dentro de los servicios más significativos que presta, está el alojamiento para el cual cuenta con 67 habitaciones climatizadas, 64 dobles estándar y 3 cuádruples, TV satélite. Además, ofrece otras facilidades como son: restaurante a la carta, bar, parrillada, sala de fiestas, piscina, enfermería, caja de seguridad central, teléfono, y parqueo. Otro servicio importante es la venta de alimentos, a través del restaurante “Yaima” de comida internacional para 52 capacidades, y la parrillada “El Crepúsculo” (40 capacidades), una sala de fiestas “Imago”, (100 capacidades) que funciona con espectáculos nocturnos los fines de semana y ofrece servicios de alquiler para eventos de empresas. En el lobby-bar se oferta un servicio de coctelería de 10:00 am a 3:00 am. También posee una piscina y zona de playa que prestan servicios de pasadía y las llamadas fiestas piscina con la participación de cantantes y DJ. Además, tiene servicio de enfermería, alquiler de medios pasivos para la recreación y la realización de encuentros de softball. Además, tiene un área de estacionamiento y ofrece servicios de comedor para los trabajadores de la empresa y actividades gastronómicas a los mismos.
Localización y orientación de las edificaciones incluidas en el estudio
El SSFV estará emplazado sobre las cubiertas de las edificaciones del Hotel Punta la Cueva, el cual se encuentra situado en la ciudad de Cienfuegos, perteneciente a la provincia del mismo nombre, en el centro-sur de Cuba. Las coordenadas geográficas y datos meteorológicos del lugar están dados en la tabla 1, mientras que en la Fig 1 se presenta la climatología mensual.
Tabla 1 - Datos meteorológicos de la región donde está enclavado el hotel.
| N° | Magnitud | Valor | Unidades |
| 1 | Latitud | 22,15 | °N |
| 2 | Longitud | - 80,43 | °E |
| 3 | Elevación | 58 | m |
| 4 | Temperatura diseño de calefacción | 16,2 | °C |
| 5 | Temperatura diseño de aire acondicionado. | 30,6 | °C |
| 6 | Amplitud de la temperatura del suelo | 10,9 | °C |
| Valores medios anuales | |||
| 7 | Temperatura del aire | 24,5 | °C |
| 8 | Humedad Relativa | 76,7 | % |
| 9 | Radiación solar diaria | 5,06 | kWh/m2/día |
| 10 | Presión atmosférica | 101,3 | kPa. |
| 11 | Velocidad del viento | 4,1 | m/s |
| 12 | Temperatura del suelo | 25,3 | °C |
| 13 | Días Grado de calentamiento | 0 | °C-d |
| 14 | Días Grado de enfriamiento | 5 290 | °C-d anual |
Fuente: Tomado de (RETScreen Plus, 2020).
Descripción energética de la instalación. Consumo energético demandado
Los estados de consumos de electricidad mensuales (demanda que se pretende satisfacer) del hotel en el horario diurno (horario donde se encontrará operando el SSFV) para los tres últimos años (2017-2019) están dados en la Fig 2. En ella se puede apreciar que el máximo consumo de energía eléctrica mensual es de 22 839 kWh correspondiente al mes de agosto del año 2019, mientras que el valor medio del consumo de energía eléctrica mensual de los tres años es de 16 575 kWh.
Fig. 2 - Consumo mensual de energía eléctrica en el horario diurno del Hotel Punta la Cueva en los años 2017, 2018 y 2019.
Levantamiento de las dimensiones de las cubiertas de las edificaciones.
La ubicación cardinal de esta instalación hotelera (22N; -80W), así como las edificaciones utilizadas en el estudio en cuestión se muestran en la Figura 3. Es válido destacar que, debido a la incidencia de sombras y la utilización de parte de los techos en otras funciones, no en todas las cubiertas de las edificaciones se pudieron colocar módulos fotovoltaicos.
Fig. 3 - Vista superior de la distribución por áreas dentro del hotel. Fuente: Tomado de Google Earth, 2021.
Las edificaciones seleccionadas para la instalación del SSFV sobre sus cubiertas son los tres bloques habitacionales, la cocina y el lobby. Sobre estos dos últimos, la sujeción de los paneles se realizará sobre sus cubiertas, aprovechando la inclinación y orientación cardinal de estas, mientras que para el resto (bloques habitacionales), los módulos fotovoltaicos serán colocados en ramas (filas de módulos) con una inclinación de 150 sobre la horizontal en aras de: garantizar un mayor potencial de generación (incremento en la colocación de paneles) y una mayor resistencia a los vientos, privilegiar la generación en verano, además de que la disminución de energía solar captada por módulo no es influyente con respecto a la inclinación recomendada para este tipo de estudios en nuestro país de 220 (Santos et al., 2018; Stolik Novygrod, 2019). Las dimensiones del largo y ancho de cada una de las áreas de que dispone cada edificación sobre su cubierta son mostradas en la tabla 2.
Tabla 2 - Dimensiones de las cubiertas de las edificaciones y áreas disponible para instalación de sistemas fotovoltaicos.
| Edificación | Dimensión de la cubierta | Orientación cardinal | Ángulo de superficie | Área de las superficies |
|---|---|---|---|---|
| Nombre | m | Grados | m2 | |
| Lobby | 6.76x60 | Sur | 16 | 405.6 |
| Cocina | 12.42x8 | Sur | 15 | 99.36 |
| Bloque habitacional # 1 | 40x15 | - | 0 | 600 |
| Bloque habitacional # 2 | 40x15 | - | 0 | 600 |
| Bloque habitacional # 3 | 40x15 | - | 0 | 600 |
Para el caso de las edificaciones con cubierta a dos aguas (cocina y lobby), las cuales tienen por supuesto diferente orientación (norte-sur), solo se tuvo en cuenta en este estudio el ala orientada al sur ya que la inclinación de estas (alas) es superior a los 5 grados con respecto a la horizontal, por lo que el ala orientada al norte incumple con los requerimientos de la carta del 16 de marzo de 2020 de la Directora General de INEL, la compañera Delice Moreno García (García, 2020).
Descripción técnica de los módulos fotovoltaicos
Los módulos fotovoltaicos son los equipos encargados de producir, a través de una radiación solar incidente en ellos, una energía eléctrica en forma de corriente continua (CC).
El módulo fotovoltaico elegido es el DSM-270 de la marca NUMEN Solar de fabricación nacional. Se trata de un módulo de dimensiones 1650x990x40mm y un peso de 18,1 kg. El módulo fotovoltaico serie DSM-270 está compuesto por 60 celdas solares de formato 156,75mm x 156,75mm, conectadas en serie.
El arreglo de celdas solares se encuentra encapsulado en el interior de dos láminas de EVA (Etilen Vinil Acetato), insertado a la vez entre un vidrio templado con un espesor de 3,2mm por la parte frontal y por el dorso una lámina multicapas con excelentes propiedades eléctricas, químicas y mecánicas, la cual garantiza la protección del módulo y una adherencia perfecta con el EVA.
Las características mecánicas del módulo garantizan un fácil montaje de este tanto en instalaciones sobre cubierta, como es el caso, como en parques solares.
El fabricante asegura que la potencia de salida de los módulos fotovoltaicos se mantendrá en:
Los módulos DSM cumplen con todos los requerimientos establecidos en las normas internacionales:
Cálculos del potencial de generación fotovoltaica de la entidad. Propuesta de los sub-arreglos por edificaciones
Para el cálculo del SSFV primeramente se hace necesario determinar algunos parámetros necesarios para su dimensionamiento. A continuación, se presentan algunas consideraciones que permiten el cálculo de estos:
El área disponible para la colocación de los módulos fotovoltaicos debe tomar en consideración la creación de pasillos en las cubiertas, garantizándose con esto una mayor accesibilidad de los operarios para el mantenimiento de los paneles y sus agregados. Para todas las cubiertas de edificaciones consideradas en este estudio, los pasillos fueron estimados en los extremos de la superficie, a una distancia de 0.5m y a todo lo largo y ancho de la cubierta.
Para el caso de los bloques de habitaciones (como los módulos serán colocados en ramas ya que las superficies de sus cubiertas no presentan ninguna inclinación con respecto a la horizontal) se hace necesario la determinación de la distancia entre las filas de módulos. La distancia D, medida sobre la horizontal, entre filas de módulos o entre una fila y un obstáculo de altura h que pueda proyectar sombras (Figura 4), se puede determinar por medio de la siguiente expresión:
Donde:
→ longitud de los módulos u objetos que proyecten sombra.
Resultados y discusión
En vistas de obtener un comportamiento lo más cercano posible con la realidad, se procedió a realizar la simulación del SSFV con el Programa PVsyst.6.7.0. Dicha versión del programa tiene como limitación, que solo permite realizar simulaciones a capacidades inferiores a 30 kWp. Ello obligó a que, en el caso de las edificaciones con capacidades totales superiores a este valor, realizar la simulación como sub-arreglos de forma independiente y luego sumar los resultados obtenidos para obtener el total de generación en cada una de las edificaciones. En la tabla 3 y en la tabla 4 se presentan un resumen de los resultados de las simulaciones de las cubiertas de conjunto con la estimación de la generación del SSFV a partir del criterio dado en la OM - 344 por Liván Arronte Cruz Ministro de Energía y Minas (Cruz., 2020), dirigida a los ministros, y en la cual incluye las indicaciones de la Directora General de INEL Delice Moreno García .
La Fig. 5 presenta el esquema simplificado de los sub-arreglos que componen la instalación fotovoltaica.
Fig. 5 - Esquema simplificado de los sub-arreglos de la instalación fotovoltaica. Fuente: Confección propia (PVsyst.7.1),2021.
Tabla 3 - Dimensionamiento del sistema solar fotovoltaico según INEL y la simulación con PVsyst.6.7.0 (A).
| CÁLCULO PRELIMINAR POR DIMENSIONES FÍSICAS Y ORIENTACIÓN (INEL) | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Edificación | Subarreglos | Dimensión de la cubierta | Orientación cardinal | Área de la superficie de la cubierta | Área disponible para la colocación de los módulos | HSP Cienfuegos | Energía generada anual según INEL | ||
| Nombre | m | m2 | m2 | HSP | MWh/año | ||||
| Lobby | 1 | 6.76X60 | Sur | 405.60 | 339.84 | 5.00 | 67.97 | ||
| 2 | Sur | ||||||||
| Cocina | - | 12.42x8 | Sur | 99.36 | 79.94 | 5.00 | 15.99 | ||
| Bloque Habitacional # 1 | 1 | 40x15 | Sur (ramas) | 600.00 | 546.00 | 5.00 | 109.20 | ||
| 2 | Sur (ramas) | ||||||||
| Bloque Habitacional # 2 | 1 | 40x15 | Sur (ramas) | 600.00 | 546.00 | 5.00 | 109.20 | ||
| 2 | Sur (ramas) | ||||||||
| Bloque Habitacional # 3 | 1 | 40x15 | Sur (ramas) | 600.00 | 546.00 | 5.00 | 109.20 | ||
| 2 | Sur (ramas) | ||||||||
| Total | 2304.96 | 2057.78 | 411.56 | ||||||
Tabla 4 - Dimensionamiento del sistema solar fotovoltaico según INEL y la simulación con PVsyst.6.7.0 (B).
| PREDIMENSIONADO PVSyst. | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Edificación | Colocación de los módulos | Arreglo propuesto (módulos en serie X # de cadenas) | Ángulo superficie o inclinación de las ramas | Pot. Nominal | Energía generada anual (real) |
| Nombre | Grados | kWp | MWh/año | ||
| Lobby | Horizontal ( |
18x5 | 16 | 24.30 | 36.381 |
| 17x5 | 16 | 22.95 | 34.258 | ||
| Cocina | Horizontal ( |
11x4 | 15 | 11.88 | 17.843 |
| Bloque Habitacional # 1 | Vertical ( |
14x8 | 15 | 30.20 | 45.913 |
| 14x8 | 15 | 30.20 | 45.913 | ||
| Bloque Habitacional # 2 | Vertical ( |
14x8 | 15 | 30.20 | 45.913 |
| 14x8 | 15 | 30.20 | 45.913 | ||
| Bloque Habitacional # 3 | Vertical ( |
14x8 | 15 | 30.20 | 45.913 |
| 14x8 | 15 | 30.20 | 45.913 | ||
| Total | 240.33 | 363.96 | |||
En el resumen de resultados mostrado en las tablas anteriores se puede visualizar que a partir de la simulación con el PVsyst la instalación cuenta con un área disponible de cubiertas de edificaciones de 2 057.78 m2 con la posibilidad de instalar un total de 891 módulos fotovoltaicos del modelo DSM-270, con una capacidad de generación de 240.33 kWp y una generación anual real de 363.96 MWh/año. Por su parte en la Figura 6 se puede apreciar que dicha instalación cuenta con un factor de rendimiento (expresa la relación entre la productividad final y de referencia de la instalación) que se encuentra para todos los meses del año en el intervalo recomendado (0,74-0,80) según (Faiz et al., 2021; Jamil et al., 2019; Salazar Alava, 2016).
En lo que concierne a las pérdidas de la instalación podemos observar en la Figura 7 que las mayores pérdidas del SSFV están dadas por el incremento de la temperatura y representa alrededor del 40% del total de pérdidas de la instalación.
Conclusiones
La determinación de los estados de consumos de energía eléctrica en el horario diurno para el periodo analizado (2017-2019) en la instalación arrojó que el máximo consumo es de 22 839 kWh/mes, correspondiente al mes de agosto del año 2019; mientras que el valor medio del consumo de energía eléctrica mensual de los tres años es de 16 575 kWh.
Las cubiertas seleccionadas para la instalación del SSFV fueron las de los tres bloques habitacionales, la cocina y el lobby. Para la colocación de los módulos fotovoltaicos sobre estas dos últimas se aprovechó la inclinación y orientación cardinal que estas poseen, mientras que para los bloques habitacionales los paneles serán colocados en ramas con una inclinación de 150 con respecto a la horizontal. Los módulos fotovoltaicos utilizados en esta investigación fueron los DSM-270 y han sido seleccionados por ser de producción nacional.
La simulación con el PVsyst para determinar las potencialidades de generación fotovoltaica sobre las cubiertas de las edificaciones del hotel mostró que en este existe un área disponible de cubiertas de edificaciones de 2 057.78 m2, superficie donde existe la posibilidad de instalar un total de 891 módulos fotovoltaicos del modelo DSM-270, con una capacidad de generación de 240.33 kWp y una generación anual real de 363.96 MWh/año. Dicha instalación fotovoltaica es capaz de cubrir en su totalidad la demanda energética del hotel en el horario diurno y de entregar al Sistema Eléctrico Nacional (SEN) un promedio 13.75 MWh/mes.
