Energía Solar

El sol es una inextinguible, libre y disponible fuente de energía que puede ser encontrada en cualquier parte de la tierra. Casi todas las formas de vida conocidas dependen de la energía solar.

Esta energía liberada es capaz de producir el total de la energía requerida por la humanidad. Como Lyn describe:… el sol provee en una hora toda la energía requerida por toda la población humana en una hora” (Lynn, 2010).

Aunque las oportunidades para aprovechar la energía solar se encuentran en distintas formas como el viento, las olas, energía hidroeléctrica o biomasa, la casa ZEROe ha centrado su esfuerzo en los sistemas paneles solares para calentamiento de agua y paneles fotovoltaicos para generación de electricidad. Su operación silenciosa, facilidad de instalación en áreas ya existentes y el aumento constante de la producción con una caída correspondiente de los precios son las principales razones para elegir la energía solar como la mejor opción de energía renovable para alcanzar una casa cero energía. 

La energía generada por estos sistemas debería poder igualar la demanda total de consumo de energía de la vivienda para calefacción de espacios, calentamiento de agua, iluminación, funcionamiento de equipos electrónicos, etc.

Sistema Fotovoltaico

Debido a que luz solar que llega a los módulos fotovoltaicos es responsable de la cantidad de electricidad que se puede producir, se deben tener en cuenta ciertas consideraciones para obtener mejores resultados.

  • Ubicación: como se mencionó anteriormente, la radiación solar golpea la superficie de la tierra de manera desigual tan diferente. Los valores se pueden encontrar en diferentes ubicaciones. Afortunadamente, hoy en día existe una variedad de bases de datos proporcionando información sobre la radiación solar promedio para ubicaciones específicas. Chile es un lugar privilegiado en la radiación solar incidente alcanzando para nuestra zona un promedio de 1,649 KWh/m2 al año según el Registro Solarimetrico de Chile de la UFTSM.
  • Orientación: los Paneles Fotovoltaicos deben estar orientados hacia el norte (para el hemisferio sur), donde la mayor parte de la radiación solar directa se obtiene al mediodía. Sin embargo, como la radiación también proporciona una gran cantidad de luz difusa, se puede obtener una absorción de radiación significativa incluso sin la mejor orientación.
  • Inclinación: se adopta ampliamente que la pendiente ideal debe corresponder a la latitud, aunque sean mínimos, los cambios no tienen un efecto significativo en la eficiencia del módulo (Henderson y Roscoe, 2010), el consumo puede optimizarse minimizando los costosos sistemas de almacenamiento.
  • Sombras: debido a que los Paneles Fotovoltaicos funcionan en función de la luz solar recibida, deberían estar libres de obstrucciones y sombras como sea posible, lo que puede afectar su eficiencia. 

Al tener las mejores condiciones, se puede lograr una eficiencia entre 15% y 20% con células de silicio monocristalinas. Esto significa que solo el 15% al 20% de la radiación solar total incidente se convertirá en electricidad.

En la casa ZEROe se han instalado de 14 paneles fotovoltaicos de 250 W y dos paneles planos para generar agua caliente. Se ha calculado en base a proyecciones de cálculo energético la demanda que tendría la casa en periodo de operación.

De acuerdo con la eficiencia del conjunto de paneles fotovoltaicos y considerando la radiación solar incidente para la región de Talca, se estima que el sistema generará aproximadamente 5.000 KWh/año. Esto considerando la eficiencia de un 15,37% del panel instalado y restando un 5% por polvo y un 3 % por pérdidas en el cableado.

A diferencia de un sistema independiente basado en baterías para almacenamiento, un sistema On Grid funciona conectada a una red eléctrica local. Esta red funciona como almacenamiento en momentos en que la producción es mayor que el consumo. Esto es razonable dado que el consumo de electricidad del hogar no coincide principalmente con los máximos de radiación solar (Neill y Stapleton, 2012). 

Se debe comprender que el hecho de poder almacenar la energía no ocupada en la red entrega una magnifica prestación ante la incongruencia del consumo y de la generación. En una típica vivienda, el principal consumo eléctrico se produce en 2 principales horas punta. En la mañana al levantarse y prepararse, y en la tarde después del trabajo y en donde todos los ocupantes están presentes en la vivienda. Asimismo, el mayor peak de consumo eléctrico dentro del año corresponde a periodos de invierno donde la calefacción y la iluminación artificial ocuparan un alto porcentaje. Por el otro lado, la incidencia de luz solar se da principalmente dentro del mediodía en un día normal y en épocas de verano si se analiza de forma anual. 

En términos reales existirá una sobre producción en épocas de verano y un déficit en los meses de invierno. Lo que interesa entonces es que en el balance anual exista una diferencia Cero. Este es el objetivo principal de la Casa ZEROe.

En principio, este sistema funciona de la misma manera que un Stand-Alone, el sistema solo reemplaza las baterías por la red lo que significa precios más asequibles al decidir implementar estos sistemas. Una de las mayores ventajas de este conjunto, responsable de su gran éxito reciente, radica en la posibilidad de vender energía no utilizada a la compañía eléctrica local. Regularmente, el precio pagado corresponde al mismo precio por el consumido y, en algunos casos, un precio más alto. Estas posibilidades, entendidas como estrategia de incentivos para el uso de energía renovable por parte de algunos gobiernos, hacen que los Paneles Fotovoltaicos sea una atractiva forma de producción de electricidad. Si bien podría pensarse que este es un gasto por parte del gobierno para financiar una fuente de energía costosa, la opción de subsidiar una energía libre de contaminantes parece razonable en lugar de centrar los mismos recursos en una energía que emite toneladas de emisiones de CO2. 

Lamentablemente, la legislación chilena estableció en su momento un precio de 2/3 aproximados por el KWh producido en sitio. Aunque ante toda lógica esto pareciera ser injusto, de todas formas, se ha tomado la opción poniendo foco en lograr un balance anual Cero entre lo producido y lo consumido. Se ha analizado un periodo de retorno de la inversión en paneles e inversor de carga en un horizonte de 8 años.

Agua Caliente Sanitaria

El Principal destino de toda la energía consumida en una vivienda promedio chilena es para calefacción (61%). Le sigue la energía consumida para generar agua caliente (23%). Esta se refiere tanto para cocinar como para uso sanitario. Se ha instalado 2 paneles planos para generación de agua caliente a través de la radiación solar. Este está complementado por un estanque de acumulación de agua (termo) de 300 lts ubicado en el interior de la vivienda. Cuando la energía proveniente de la radiación solar no es capaz de alcanzar una temperatura adecuada entre 40 y 45°, el termo con resistencia eléctrica se activa para alcanzar tal temperatura. 

Para establecer la eficiencia de los sistemas solares térmicos, se debe realizar una serie de ecuaciones que usan muchos factores y variables.  Sin embargo, es suficiente mencionar que hay dos pasos principales: calcular la demanda total para agua caliente sanitaria y calcular la energía requerida para la misma demanda. Hoy en día, debido al uso creciente de los sistemas solares de calentamiento de agua y para hacer un uso más expedito para diseñadores e instaladores, se han diseñado muchos programas de software especializados. Estos programas brindan resultados de simulación energética más cercanos a la realidad cada vez que se obtienen datos precisos y confiables. Por su parte, El Ministerio de Energía de Chile, ha proporcionado una útil planilla para calcular la fracción solar (contribución solar para calentar el agua) en todos los estudios de caso. Según estas hojas de cálculo, y después de haber realizado un estudio de la mayoría de los sistemas solares térmicos legalmente registrado en el Registro de Sistemas Solares Térmicos de Chile (SEC, 2012), se ha determinado que, para el caso de Talca y los sistemas solares instalados, existirá una fracción solar del 75%. 

La casa ZEROe es libre de gas. Esto implica que todos los equipos son eléctricos, incluyendo la cocina y el horno. De esta forma, la única fuente primaria de energía son los paneles fotovoltaicos. En el dimensionamiento de la cantidad de paneles solares se ha contemplado tal situación, incluyendo el termo de agua caliente.