Propuesta de Smart Building: Instalación fotovoltaica en vivienda unifamiliar

Abstract

PROPUESTA DE SMART BUILDING: INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA EN VIVIENDA UNIFAMILIAR Autor: Martínez-Abarca Lozano, Álvaro. Director: Sanz Fernández, Iñigo. Entidad Colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas RESUMEN DEL PROYECTO En este trabajo de fin de grado se han estudiado y diseñado los componentes de una instalación fotovoltaica, la generación que esta produce, así como los costes e ingresos de la misma con el fin de analizar la rentabilidad de este proyecto en una vivienda unifamiliar conectada a la red eléctrica y situada en el norte de Madrid. Palabras clave: instalación fotovoltaica, módulo solar, producción, autoconsumo, red eléctrica. 1. Introducción Uno de los problemas más importantes que están surgiendo en los últimos años es la lucha contra el cambio climático. Para evitarlo, cada vez se está recurriendo más al uso de energías renovables en vez de usar los métodos tradicionales para obtener energía. En este trabajo se va a utilizar la energía solar fotovoltaica, la segunda energía renovable más utilizada actualmente en el mundo, para generar energía de autoconsumo en una vivienda unifamiliar en el norte de Madrid. Se va a estudiar los componentes de una instalación fotovoltaica, la generación que esta produce, así como los costes e ingresos de la misma. 2. Definición del Proyecto Para realizar este estudio primero se ha realizado un estudio climatológico analizando por un lado las horas solares pico utilizando la calculadora HSP de HM Sistemas y por otro la radiación solar utilizando un software de dimensionamiento de instalaciones fotovoltaicas llamado Archelios. Una vez recopilados estos datos, se ha calculado el diseño de los elementos del sistema. Primero se ha calculado la potencia necesaria para la instalación y luego se ha mostrado los módulos, el inversor y el cableado elegidos. Posteriormente, se ha diseñado la fachada de la vivienda en Sketchup para poder realizar un estudio de las sombras y encontrar la posición la posición óptima de los módulos solares, la cual se puede ver a continuación: Ilustración 1. Diseño final de la instalación en 3D en Sketchup. Fuente: elaboración propia. Finalizado el dimensionamiento de la instalación fotovoltaica, así como la posición y orientación de esta, se ha utilizado el software Archelios para estimar la generación en kWh que producirá la instalación. Por último se han realizado tres estimaciones distintas del precio de la luz para poder realizar el análisis económico de la inversión a realizar. En este análisis primero se han analizado los costes y los ingresos y posteriormente se ha estudiado la rentabilidad utilizando el TIR, el VAN y el flujo de caja para cada una de las tres estimaciones del precio de la luz. 3. Descripción del sistema En este trabajo se ha diseñado una instalación fotovoltaica en una vivienda unifamiliar conectada a la red eléctrica. A diferencia de en los sistemas aislados, en los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica no hay que preocuparse por almacenar energía puesto que cuando no es posible producirla se puede obtener de la red eléctrica. Debido a esto, cuando la energía producida es mayor a la energía demandada, la energía sobrante es vertida a la red eléctrica obteniendo una compensación económica por ella. Como no hay que almacenar energía, las instalaciones conectadas a la red eléctrica no necesitan tener baterías ni los reguladores de las mismas, por lo que los elementos principales de la instalación a estudiar son: los módulos solares así como sus soportes y el inversor. 4. Resultados Después de un estudio climatológico y un análisis del consumo de la vivienda se decidió instalar 8 módulos solares “Sunrise SR-M660300” de 300 W cada uno, formando una potencia total de 2,4 kW. Se escogió el inversor SB2.0-1VL-40 220V y dos secciones distintas de cableado de 10 mm^2 y 2.5 mm^2 para conectar los módulos al inversor y el inversor a la vivienda. Una vez hallado la posición óptima de los 8 módulos, se estimó que estos tendrán una producción media anual de 3223,50 kWh. A continuación se puede ver una gráfica con el consumo total, el autoconsumo y los excedentes finales de la vivienda en kWh: Ilustración 2. Comparación del consumo total, el autoconsumo y los excedentes mensuales en kWh. Fuente: elaboración propia. La inversión inicial a realizar es de 8230,38 €, los costes de los módulos solares, el inversor, la estructura, el cableado, el estudio y la instalación sucesivamente son de 672 €, 702,10 €, 294,08 €, 112,2 €, 4050 € y 2400 €. Se ha estimado que esta inversión tardará entre 6 y 10 años en amortizarse en función de las diferentes estimaciones realizas para el precio de la luz. A continuación podemos ver uno de los tres flujos de cajas calculados: Ilustración 3.. Fujo de carga estimación 1. Fuente: elaboración propia. 5. Conclusiones y trabajos futuros Esta instalación fotovoltaica supone una inversión con alta rentabilidad además de contribuir a una menor contaminación atmosférica al obtener la energía sin emisión de gases de efecto invernadero. En cuanto a las futuras acciones a realizar para esta vivienda existen múltiples opciones. Para empezar, se ha estimado que la vida de los módulos solares es de 20 años por lo que unas vez finalizados se tendrá que diseñar una nueva instalación fotovoltaica. Además de esta instalación, se puede realizar un estudio para ver la rentabilidad de aislar térmicamente la vivienda para minimizar el gasto energético de la misma. Otras opciones de inversión podrían ser el uso de energía fototérmica o geotérmica.

SMART BUILDING PROPOSAL: PHOTOVOLTAIC PHOTOVOLTAIC INSTALLATION IN A SINGLE-FAMILY HOUSE Author: Martínez-Abarca Lozano, Álvaro Supervisor: Sanz Fernández, Iñigo. Collaborating Entity: ICAI – Universidad Pontificia Comillas ABSTRACT In this final degree project, we have studied and designed the components of a photovoltaic installation, the generation it produces, as well as its costs and revenues to analyze the profitability of this project in a single-family house connected to the electricity grid and located in the north of Madrid. Keywords: photovoltaic system, solar module, production, self-consumption, power grid. 1. Introduction One of the most important issues emerging in recent years is the fight against climate change. To avoid it, more and more people are resorting to the use of renewable energies instead of using traditional methods to obtain energy. In this work, photovoltaic solar energy, the second most used renewable energy in the world today, will be used to generate energy for self-consumption in a single-family house in the north of Madrid. We will study the components of a photovoltaic installation, the generation it produces, as well as its costs and revenues. 2. Project Definition In order to carry out this study, a climatological study has been carried out by analyzing the peak solar hours using the HSP calculator of HM Sistemas and the solar radiation using a photovoltaic installation sizing software called Archelios. Once these data were collected, the design of the system elements was calculated. First, the power required for the installation was calculated and then the chosen modules, inverter and wiring were shown. Subsequently, the facade of the house has been designed in Sketchup to perform a study of the shadows and find the optimal position of the solar modules, which can be seen below: Illustration 1. The final design of the 3D installation in Sketchup. Source: own elaboration. Once the sizing of the photovoltaic installation, as well as its position and orientation, the Archelios software has been used to estimate the generation in kWh that the installation will produce. Finally, three different estimates of the price of electricity were made to carry out the economic analysis of the investment to be made. In this analysis, first, the costs and revenues were analyzed and then the profitability was studied using the IRR, NPV and load flow for each of the three estimates of the price of electricity. 3. Description of the system In this work, a photovoltaic system has been designed for a single-family house connected to the electrical grid. Unlike in off-grid systems, in grid-connected photovoltaic systems there is no need to worry about storing energy because when it is not possible to produce it, it can be obtained from the power grid. Because of this, when the energy produced is greater than the energy demand, the surplus energy is discharged into the grid, obtaining an economic compensation for it. As there is no need to store energy, the installations connected to the electrical grid do not need to have batteries or their regulators, so the main elements of the installation to be studied are the solar modules as well as their supports and the inverter. 4. Results After a climatological study and an analysis of the consumption of the house, it was decided to install 8 solar modules "Sunrise SR-M660300" of 300 W each, for a total power of 2.4 kW. The SB2.0-1VL-40 220V inverter and two different wiring sections of 10 mm^2 and 2.5 mm^2 were chosen to connect the modules to the inverter and the inverter to the house. Once the optimal position of the 8 modules of 300 W each was found, it was estimated that these will have an average annual production of 3223.50 kWh. Below is a graph showing the total consumption, self-consumption and final surplus of the house in kWh: Illustration 2. Comparison of total consumption, self-consumption and monthly surplus in kWh. Source: own elaboration. The initial investment to be made is €8230,38, the costs of the solar modules, inverter, structure, wiring and installation are €672.00, €702.10, €294.08, €112.2, €4050 and €2,400. It has been estimated that this investment will take between 6 and 10 years to amortize depending on the different estimates made for the price of electricity. Below we can see one of the three calculated cash flows: Illustration 3. Load flow estimate 1. Source: own elaboration. 5. Conclusions and future work This photovoltaic installation is an investment with high profitability in addition to contributing to less atmospheric pollution by obtaining energy without greenhouse gas emissions. As for future actions to be carried out for this house, there are multiple options. To begin with, it has been estimated that the life of the solar modules is 20 years, so once they are finished, a new photovoltaic installation will have to be designed. In addition to this installation, a study can be carried out to see the profitability of thermally insulating the house to minimize energy costs. Other investment options could be the use of photothermal or geothermal energy.