ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y DE CONTROL (DIEEC)

UNED (Madrid)

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    Según estimaciones de la Comisión Europea, en el año 2010 la mayor parte de la energía fotovoltaica generada en Europa procederá de instalaciones conectadas a la red eléctrica [1]. Junto con un cierto número de plantas fotovoltaicas de potencias comprendidas entre los 0.5 y los 5 MWp, todo parece indicar que la mayor parte de estas instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red eléctrica estarán montadas sobre la estructura de edificios (tejados y fachadas principalmente).

    Los edificios institucionales, de oficinas y grandes centros comerciales presentan varias características que los hacen particularmente idóneos para las instalaciones fotovoltaicas conectadas a red. Los mayores picos de consumo en estos edificios suelen producirse durante las horas centrales del día, justo las de mayor insolación. Los horarios de apertura al público o el uso intensivo de aire acondicionado, por ejemplo, coinciden con las horas en que la producción fotovoltaica es mayor. Las compañías eléctricas se podrían beneficiar de la modificación a la baja de la curva de demanda en estas horas pico, justo cuando resulta más caro generar y distribuir la energía, sin que el consumo fuera de esas horas centrales se viese afectado. Se podría alcanzar una situación en la que ambas partes saliesen beneficiadas. El consumidor vería reducida su factura eléctrica, mientras que las compañías suministradoras mantendrían sus servicios con menores inversiones que compensarían la pérdida de ingresos durante las horas pico.

    La integración del sistema fotovoltaico durante la construcción del edificio puede suponer ahorros considerables ya que evita inversiones en estructuras de soporte convencionales. Esta realidad ha motivado la progresiva aparición en el mercado de dispositivos fotovoltaicos construidos específicamente para su integración en edificios, es decir, diseñados para generar electricidad al mismo tiempo que enriquecer las posibilidades arquitectónicas del edificio. Es frecuente referirse a este tipo de tecnología como BIPV (Building Integrated Photovoltaics). Estos sistemas pueden ser arquitectónicamente atractivos y económicamente ventajosos, ya que los materiales fotovoltaicos sustituyen a otros materiales de construcción convencionales, reduciendo el coste global de la instalación. Debido a la reducción estimada de costes, mejoras estéticas y todos los beneficios derivados de la generación distribuida, los sistemas fotovoltaicos integrados en edificios pueden convertirse en una opción de futuro muy atractiva, ya que es la única tecnología renovable que, hoy por hoy, se podría instalar de forma masiva en un entorno urbano como el de las grandes ciudades.

    Además de los incentivos económicos que impulsen la expansión del mercado y la consecuente bajada de precios, para promover la extensión a gran escala de los Edificios Fotovoltaicos Conectados a Red (EFCR)  es necesario desarrollar métodos de cálculo para optimizar los diseños y construir herramientas para simular, analizar y evaluar el comportamiento de este tipo de instalaciones. En este sentido, el programa presentado a continuación ofrece una herramienta de cálculo y diseño de EFCR que explota las posibilidades de acceso distribuido y ejecución multiplataforma ofrecidos por el lenguaje Java y la red Internet.

    Este programa ha sido diseñado en formato "applet Java" para ser ejecutado de forma remota por usuarios conectados a la red Internet. El código precompilado del programa reside en un servidor WWW. Cuando un usuario comienza a ejecutar el programa, el servidor transmite el código a través de la red hasta el ordenador cliente, donde se ejecuta de forma local (sólo se vuelven a establecer conexiones puntuales con el servidor cuando el usuario solicita servicios particulares tales como abrir ficheros HTML de ayuda, descargar ficheros de ejemplo, abrir la base de datos de paneles fotovoltaicos, etc). Una vez recibido, el  código precompilado es interpretado en el ordenador cliente, ejecutándose bajo el control de la máquina virtual Java que debe tener instalada. A efectos prácticos, el único requisito para poder utilizar este "applet" es disponer de un navegador WWW con compatibilidad JDK 1.1. Sin embargo, algunas opciones avanzadas del programa (tales como la transparencia de color o guardar y recuperar simulaciones localmente) requieren navegadores compatibles con  Java 1.2. o posterior (Netscape 6, por ejemplo, permite utilizar todas las opciones del programa). Por si las desconoce, puede comprobar al final de esta página las características de su entorno y del navegador que está utilizando para leer este documento.

    El objetivo principal de este "applet" es realizar estimaciones sobre el comportamiento energético de un edificio fotovoltaico con conexión a red. Las estimaciones de consumo del edificio se realizan en función de varios parámetros geométricos y constructivos siguiendo la metodología descrita en [2]. Debe tenerse en cuenta que las rutinas que calculan el consumo están optimizadas para latitudes y climas similares al de España (climas continentales, atlánticos o mediterráneos correspondientes a latitudes comprendidas entre 36 y 44º Norte) por lo que su grado de validez para otros emplazamientos será tanto mayor cuanto más similares sean las condiciones climatológicas. Las estimaciones de generación fotovoltaica en el edificio tienen validez geográfica universal, aunque su grado de precisión es menor en zonas muy cercanas al Ecuador. Se obtienen a partir de cálculos de radiación solar y modelos que permiten computar la energía generada en intervalos horarios, mensuales o anuales.

    Una barra de menús flotante controla las funciones del programa (restricciones de seguridad del lenguaje Java impiden que un "applet" pueda tener barra de menús propia). Esta ventana flotante se puede poner en primer plano pinchando con el botón derecho del ratón sobre la ventana principal donde se muestra el edificio. Estos menús permiten, entre otras cosas, dimensionar el edificio sobre sus tres ejes, rotar el edificio sobre el suelo, cambiar colores, seleccionar el factor de zoom etc. Los ejes OX y OY coinciden con los ejes del suelo (OX sobre la pantalla y OY perpendicular al observador). El eje OZ se supone perpendicular al plano del suelo. Pinchando con el ratón sobre la representación del edificio y arrastrando (sin soltar) se puede hacer girar todo el conjunto en el espacio tridimensional, lo que equivale a cambiar el punto de vista del observador.  Las marcas en forma de flecha sobre el plano del suelo representan la dirección del Norte.

    El edificio mostrado en pantalla al arrancar el programa coincide con el edificio tipo considerado en [2]. Este edificio se utiliza como referencia para calcular las estimaciones de consumo, por lo que un menú permite volver a la geometría inicial del edificio tipo en cualquier momento. Otra opción permite visualizar el edificio tipo y volver al edificio bajo estudio sin perder la configuración y modificaciones realizadas.

    Las opciones de análisis de consumo muestran los resultados energéticos del edificio en función de parámetros como la superficie de fachadas, orientación Norte-Sur, superficie acristalada, etc. Las rutinas de análisis detallado permiten estudiar el consumo energético unitario del edificio (en kWh/m2) desglosado en varias categorías (equipos de oficina, calefacción, refrigeración, agua caliente sanitaria etc). Esta subdivisión incluye tanto consumos eléctricos como de gas natural. Una ventana de análisis global muestra los resultados del consumo energético del edificio (en MWh) a lo largo de un año completo y en cualquier mes del año. A diferencia de las ventanas de análisis detallado donde la influencia de cada parámetro se evalúa de forma independiente de los demás, las rutinas de análisis global reciben información conjunta de todos los parámetros y combinan sus efectos para estimar el consumo energético total del edificio.

    El apartado de radiación solar muestra curvas estimadas de radiación total, directa, difusa y albedo. El interfase gráfico de esta ventana permite seleccionar la fecha, localización geográfica, azimut, pendiente, factor de claridad, etc. También se pueden elegir varios modelos diferentes de estimación de radiación solar. A partir de esta información y de las especificaciones introducidas por el usuario, otro grupo de rutinas se encargan de estimar la energía generada por la instalación fotovoltaica existente en el edificio, ofreciendo varios mecanismos de análisis conjunto de datos tanto energéticos (consumo y generación globales) como económicos (diagramas de flujos de fondos, tiempos de reembolso de la inversión, etc).

    El programa contiene una base de datos con las características técnicas de varios paneles fotovoltaicos comerciales disponibles en la actualidad. El usuario puede seleccionar cualquiera de estos tipos de paneles para utilizarlos en la simulación. Para facilitar la localización de un modelo de panel concreto, la base de datos permite buscar paneles en función de su potencia nominal o nombre comercial. Todos los datos de paneles se almacenan en el servidor y sólo son descargados por el applet en tiempo de ejecución si el usuario desea hacer uso de ellos. También es posible definir nuevos modelos de paneles que no estén presentes en la base de datos.

    Una de las opciones del menú "Archivo" permite cargar simulaciones de ejemplo (almacenadas en el servidor) con modelos considerados representativos de edificios interesantes. Si dispone de un navegador actualizado, también es posible guardar simulaciones en su disco local y recuperarlas posteriormente (para ello deberá otorgar permisos de acceso especiales tal y como se indica en la ayuda del programa). Los menús de ayuda incluidos en el programa permiten abrir páginas HTML con información sobre sus funciones. Para que el programa pueda descargar desde el servidor estas páginas de ayuda es preciso mantener la conexión a Internet.

    La carga completa del "applet" puede tardar varios minutos (el código se transmite en un sólo fichero comprimido de 334 Kbytes), aunque lógicamente dependerá de la velocidad de su conexión a Internet. Las rutinas que ofrecen resultados en cómputo anual requieren una potencia de cálculo considerable ya que manejan valores horarios. Para aumentar la velocidad de ejecución del programa se han programado con especial cuidado las rutinas consideradas "críticas" de forma que, en cada momento, sólo se calcula la información que el usuario ha solicitado mostrar en pantalla. Por tanto, la mejor manera de aumentar la velocidad de ejecución es mantener cerradas (no ocultas ni minimizadas) todas las ventanas que no sean imprescindibles, y especialmente aquéllas que impliquen información anual (generación fotovoltaica anual, balances energéticos anuales, análisis económicos etc). Por último, se recomienda configurar la pantalla de su ordenador a una resolución de 800x600 pixels como mínimo.

Referencias

[1]  European Commission. "Energy for the future: Renewable sources of energy. White paper for a community strategy and action plan". Noviembre 1997.

[2]     Travesí J.  "Análisis de sensibilidad a los parámetros definibles desde el exterior de un edificio de oficinas". Informe interno del proyecto Foto-RED. Madrid, Diciembre 1998.