Evaluación de la sustentabilidad del consumo de energía eléctrica en edificios de la UPZ mediante aprovechamiento solar

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

_{“EVALUACIÓN DE LA SUSTENTABILIDAD DEL CONSUMO}

DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN EDIFICIOS DE LA UPZ

MEDIANTE APROVEC

_{HAMIENTO SOLAR”}

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

PRESENTAN:

JORGE ANGEL ANDONY ZUMAYA NOEL ANGELES HERNÁNDEZ

OSCAR SÁNCHEZ GONZÁLEZ

ASESORES:

DR. RICARDO OCTAVIO ARTURO MOTA PALOMINO ING. JORGE HERRERA AYALA

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELECTRICA

UNIDAD PROFESIONAL "ADOLFO LÓPEZ MATEOS"

T E MA DE TESIS

QUE PA R A OBTENER EL TITULO DE INGENIERO ELECTRICISTA

POR LA OPCIÓN DE TITULACIÓN TESIS COLECTIVA y EXAMEN ORAL INDIVIDUAL

DEBERA(N) DESARROLLAR JORGE ANGEL ANDONY ZUMAYA

NOEL ANGELES HERNÁNDEZ OSCAR SÁNCHEZ GONZÁLEZ

"EVALUACIÓN DE LA SUSTENTABILIDAD DEL CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN EDIFICIOS DE LA UPZ MEDIANTE APROVECHAMIENTO SOLAR"

EVALUAR y PROPONER UN SISTEMA ELÉCTRICO, MEDIANTE ENERGÍA AL TERNA TIV A

APROVECHANDO LA ENERGÍA SOLAR UTILIZANDO CELDAS FOTOVOLTAICAS y EVALUANDO LA VIABILIDAD DE LA PUESTA EN SERVICIO DEL SISTEMA DE CELDAS FOTOVOLTAICAS EN EL EDIFICIO 2 DE LA UNIDAD PROFESIONAL ZACATENCO.

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ZACATENCO.

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Resumen

En el este trabajo se desarrolla el proyecto, de analizar la implementación de un sistema de energía limpia, en este caso, energía solar por medio de celdas fotovoltaicas las cuales se pretenden instalar en el edificio 2 de la Unidad Profesional “Adolfo López Mateos”, correspondiente a la ESIME Zacatenco.

El presente trabajo está desarrollado de la siguiente manera:

En el capítulo 1 se presentan la introducción, objetivos, hipótesis y justificación relacionados al desarrollo del trabajo.

En el capítulo 2 se realiza el estudio de la carga y las mediciones que se realizaron en la subestación del edificio 2 de ESIME, ZACATENCO para tener un conocimiento general del comportamiento de la carga que alimentaremos y cual no estará contemplada dentro del proyecto. Se presentan los resultados obtenidos, así como también el número de elementos que conforman la instalación eléctrica del edificio, el lugar donde se sitúan y la carga total consumida. Estas mediciones dan resultados de energía consumida. (Corriente, Tensión, Potencia y F.P).

En el tercer capítulo trata aspectos relacionados a la energía solar tales como, radiación solar, insolación, y formas de obtener más eficientemente la energía solar en un sistema de celdas fotovoltaicas, se presentan los niveles de irradiación e insolación, este último no servirá para posteriormente calcular la energía que podría ser generada con los arreglos propuestos y así poder hacer una comparación entre la energía generada y la energía consumida.

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En el capítulo 5 se presentan los cálculos de la energía generada y la energía consumida del edifico, discutiendo la cantidad de energía diaria, mensual y anual esperada. Se compara la relación de generación-demanda y se determina la viabilidad del proyecto, en cuanto a que el sistema fotovoltaico es capaz de soportar la carga que le demanda el sistema eléctrico. Además de que se muestran precios de los todos los elementos que conllevan a la instalación del módulo solar.

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ÍNDICE

Página

RESUMEN ii

GLOSARIO xiv

CAPITULO I INTRODUCCION

1.1 Introducción……….. 2

1.2 Objetivos………... 6

1.2.1 Objetivo general………. 6

1.2.2 Objetivos específicos………. 6

1.3 Justificación……….. 7

1.4 Hipótesis………... 8

CAPITULO II CONOCIMIENTO DE LA CARGA 2.1 Introducción……….. 10

2.2 Carga eléctrica……….. 10

2.2.1Cargas resistivas……….. 10

2.2.2 Cargas inductivas………... 10

2.2.3 Cargas capacitivas………... 11

2.2.4 Cargas mixtas………. 11

2.3 Determinación de la carga eléctrica en el edificio………... 11

2.3.1 Dispositivos eléctricos instalados en planta baja………... 12

2.3.2 Dispositivos eléctricos instalados en el primer nivel………. 13

2.3.3 Dispositivos eléctricos instalados en el segundo nivel………... 15

2.3.4 Dispositivos eléctricos instalados en el tercer nivel………... 17

2.4 Elementos eléctricos con los que cuenta el edificio considerado…………..…... 19

2.5 Análisis de la carga………... 22

2.5.1 Análisis de la carga total en el edificio considerado……...………... 22

2.6 Medición del consumo eléctrico en el edificio………. 25

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CAPITULO III CONOCIMIENTO DE LA DISPONIBILIDAD DE LA ENERGIA SOLAR

3.1 Introducción……….. 36

3.2 Energía……….. 36

3.2.1 Fuentes de energía no renovable……… 36

3.2.2 Fuentes de energía renovable………. 37

3.3 Energía Solar……… 38

3.4 Energía Solar Fotovoltaica………... 40

3.4.1 Tecnología Fotovoltaica………. 40

3.5 Clasificación de las instalaciones solares fotovoltaicas………... 40

3.5.1 Ventajas de un sistema fotovoltaico………... 42

3.6 Componentes de un sistema solar fotovoltaico……… 42

3.6.1 Celdas fotovoltaicas………... 42

3.6.1.1 El efecto fotoeléctrico……….. 44

3.6.1.2 Material principal de las células fotovoltaicas………... 46

3.6.2 Inversor………... 47

3.7 La radiación extraterrestre……… 47

3.8 La radiación solar terrestre………... 49

3.9 Irradiancia e insolación……….…………... 50

3.10 Medición de la Insolación……….. 53

3.11 Factores que afectan el recurso solar……….. 54

CAPITULO IV DISEÑO DEL ARREGLO PROPUESTO DE ACUERDO A LAS DIMENSIONES DE EDIFICIO 2 DE ESIME ZACATENCO 4.1 Introducción……….. 56

4.2 Selección de los componentes……….. 56

4.3 Disponibilidad del sitio……… 56

4.4 Diseño del sistema……… 58

4.4.1 Selección del panel………. 58

4.4.2 Diseño del arreglo de celdas fotovoltaicas………. 62

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4.4.2.1.1 Inclinación y orientación……… 62

4.4.2.1.2 Calculo de la distancia entre paneles fotovoltaicos, de forma horizontal y vertical……… 64 4.4.2.1.3 Diseño y colocación de las cerdas fotovoltaicas en la azotea……… 67

4.4.2.2 Área para colocar los paneles fotovoltaicos en los parasoles……… 71

4.4.2.3 Selección del Inversor……….. 72

4.5 Consideraciones del panel Fotovoltaico………... 75

4.5.1 Consideraciones del lugar a instalar las celdas fotovoltaicas………. 75

4.5.2 Mantenimiento……… 76

4.5.3 Recomendaciones de Instalación……… 76

4.6 Tarifa HM………. 77

4.6.1 Tarifa horaria para servicio general en media tensión, con demanda de 100 kW o más……… 77

4.6.1.1 Mínimo mensual……….. 77

4.6.1.2 Demanda contratada……….... 77

4.6.1.3 Horario………. 77

4.6.1.4 Periodos de punta, intermedio y base……….. 78

4.6.1.5 Demanda facturable……… 78

4.6.1.6 Energía de punta, intermedia y de base………... 80

4.6.1.7 Depósito de garantía……… 80

4.7 Baterías………. 83

4.7.1 Interacción entre módulos fotovoltaicos y baterías………... 83

4.7.2 Tipos de Baterías………... 83

4.7.2.1 Baterías de plomo - ácido de electrolito líquido……….. 83

4.7.2.2 Baterías selladas ……….. 85

4.7.2.2.1 Níquel – Cadmio……… 85

4.7.2.3 Baterías para Sistemas Solares y Eólicos……… 86

4.7.2.3.1 Baterías para Almacenar la Energía………... 86

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4.7.4 Eficiencia de Baterías Solares………... 88

4.7.5 Numero de baterías en esta instalación……….. 88

CAPITULO V ANALISIS Y RESULTADOS 5.1 Introducción……….. 91

5.2 Calculo de la potencia total a generar con los paneles fotovoltaicos anualmente 91 5.3 Calculo de la potencia total consumida anualmente en el edificio………... 102

5.4 Comparación de la potencia generada con la potencia demandada………. 103

5.5 Costo de la energía consumida………. 104

5.6 Costo de los elementos necesarios para la instalación del sistema solar……….. 105

5.7 Costo de la mano de obra para la instalación ……….. 108

5.8 Costo total del proyecto……….... 110

5.9 Análisis de la rentabilidad del sistema eléctrico fotovoltaico……….. 111

CAPITULO VI CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 6.1 Conclusiones………. 115

6.2 Recomendaciones………. 117

REFERENCIAS………. 118

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura Pagina

CAPITULO II

Figura 2.1 Sensor de movimiento (a) y (b)……… 20

Figura 2.2 Apagador……….. 21

Figura 2.3 Luminarios de 2X32W………. 21

Figura 2.4 Contactos……….. 22

Figura 2.5 Lámpara de 32W……….. 22

Figura 2.6 POWER PAD………... 27

Figura 2.7 Transformador de la subestación del edificio 2……… 28

Figura 2.8 Lado secundario del Transformador del edificio 2………... 28

Figura 2.9 Conexión de POWER PAD en el Transformador……… 28

CAPITULO III Figura 3.1 Energías no renovables………. 36

Figura 3.2 Energías Renovables………. 37

Figura 3.3 Energía Solar……… 39

Figura 3.4 Ejemplo de instalación fotovoltaica aislada………. 41

Figura 3.5 Instalación solar fotovoltaica con conexión a la red eléctrica……….. 42

Figura 3.6 Celdas Fotovoltaicas………. 43

Figura 3.7 Funcionamiento de una célula fotovoltaica……….. 45

Figura 3.8 Esquema de un inversor……… 47

Figura 3.8 Radiación extraterrestre……… 48

Figura 3.9 Irradiación solar global la Republica Mexicana Anual Promedio…… 50

Figura 3.10 Irradiación e insolación (tomando 6 HSP en este ejemplo) en un día despejado………... 51 Figura 3.11 Heliógrafo………... 54

CAPITULO IV Figura 4.1 Vista de las áreas a utilizar para el aprovechamiento solar de los paneles fotovoltaicos……….. 57 Figura 4.2 Área disponible en la azotea del edificio 2 de ESIME Zacatenco…… 57

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Página | x

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla Página

CAPITULO II

Tabla 2.1 Elementos que componen los laboratorios de computación en la planta baja………....

12

Tabla 2.2 Elementos que componen los pasillos en la planta baja………... 12

Tabla 2.3 Elementos que componen los sanitarios en la planta baja……….... 12

Tabla 2.4 Elementos que componen el Auditorio……….... 13

Tabla 2.5. Elementos que componen la Jefatura……….. 13

Tabla 2.6 Elementos que componen los Anexos……….. 13

Tabla 2.7 Elementos que componen las aulas de clase del primer piso…………... 14

Tabla 2.8 Elementos que componen los cubículos de profesores del primer piso... 15

Tabla 2.9 Elementos que componen los sanitarios del primer piso………... 15

Tabla 2.10 Elementos que componen las aulas de clase del segundo piso……..… 16

Tabla 2.11 Elementos que componen los cubículos de profesores del segundo piso……….... 17

Tabla 2.12 Elementos que componen los sanitarios del segundo piso………...… 17

Tabla 2.13 Elementos que componen las aulas de clase del tercer piso…………... 18

Tabla 2.14 Elementos que componen los cubículos de profesores del tercer piso... 19

Tabla 2.15 Elementos que componen los sanitarios del tercer piso………...…….. 19

Tabla 2.16 Valores de la carga consumida por cada elemento existente en el edificio………. 23

Tabla 2.17 Valores totales consumidos de cada elemento en la planta baja……… 24

Tabla 2.18 Valores totales consumidos de cada elemento en el primer nivel…….. 25

Tabla 2.19 Valores totales consumidos de cada elemento en la segundo nivel…... 26

Tabla 2.20 Valores totales consumidos de cada elemento en el tercer nivel……… 26

Tabla 2.21 Total de la carga consumida en el edificio en amperes y watts……….. 26

Tabla 2.22 Potencia total consumida en VA, VAR y W……….. 29

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Tabla 2.24 Factor de potencia………... 31

Tabla 2.25 Tensión de línea a neutro……… 32

Tabla 2.26 Tensión de línea a línea……….. 33

Tabla 2.27 Corriente mínima, promedio y máxima en cada fase………. 33

CAPITULO III Tabla 3.1 Insolación anual en México D.F. en kWh/m2-Día………... 52

Tabla 3.2 Hora Solar Pico México D.F………...………. 53

CAPITULO IV Tabla 4.1 totales de celdas fotovoltaicas……….. 72

Tabla 4.2 Regiones Central, Noreste, Noroeste, Norte, Peninsular y Sur. Del primer domingo de abril al sábado anterior al último domingo de octubre………. 78

Tabla 4.3 Regiones Central, Noreste, Noroeste, Norte, Peninsular y Sur. Del último domingo de octubre al sábado anterior al primer domingo de abril………. 78

Tabla 4.4 Factores de reducción que tendrán los siguientes valores, dependiendo de la región tarifaria……….. 79

Tabla 4.5 cargo por kWh de energía Punta, Intermedia y Base………... 81

Tabla 4.6 cargo por kWh de Demanda Facturable………... 82

CAPITULO V Tabla 5.1 Totales de celdas fotovoltaicas……...……….. 91

Tabla 5.2 Insolación por mes y anual dentro de la Cd. De México……….. 92

Tabla 5.3 Energía diaria que se genera en cada mes……… 100

Tabla 5.4 Energía generada mensualmente……….. 101

Tabla 5.5 Energía promedio generada anualmente ………. 102

Tabla 5.6 energía consumida en promedio mensualmente………... 103

Tabla 5.7 Tabla comparativa de energía……….. 104

Tabla 5.8 Costo de la energía consumida mensualmente a lo largo de un año……. 105

Tabla 5. 9 Costo del panel e inversor.……….. 105

Tabla 5.10 Precio total de las baterías……….... 106

Página | xii

parasol)……….

Tabla 5.14 Precio total de la instalación de paneles en los Parasoles………. 108 Tabla 5.15 Precio total del material para la instalación del sistema solar………… 108 Tabla 5.16 Costo de la energía consumida mensualmente a lo largo de un

año………..

108

Tabla 5.17 Tabla de número de empleados y sueldos correspondientes…………... 109

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ÍNDICE DE GRAFICAS

Gráfica Página

CAPITULO 2

Gráfica 2.1 Variación de la Potencia………....……. 29

Gráfica 2.2 Energía consumida en el periodo de una semana………..…... 30

Gráfica 2.3 Variación de factor de potencia………..….. 31

Gráfica 2.4 Variación de la tensión de línea a neutro………..…… 32

Gráfica 2.5 Variación de la tensión de línea a neutro………..…… 33

Gráfica 2.6 Variación de la corriente………....…. 34

CAPITULO 3 Grafica 3.1 Niveles de Insolación anual en México D.F…………...………..… 52

CAPITULO 4 Grafica 4.1 Grafica de cargo por kW-h, punta, intermedia y base…………..….. 81

Grafica 4.2 Grafica de cargo por kW-h de demanda facturable……… 82

CAPITULO 5 Grafica 5.1 Energía generada diariamente………... 100

Grafica 5.2 Energía generada mensualmente………... 101

Gráfica 5.3 Energía consumida en el periodo de 6 días………... 102

Página | xiv

GLOSARIO

R

L

C

W

VA Potencia Aparente en Volts-Amperes

VAR Potencia Reactiva en Volts-Amperes Reactivos kW/m2 Unidad de la irradiación en kilowatt metro cuadrado

kWh Unidad de la energía kilowatt hora °K Grados Kelvin

SiO2 Oxido de Silicio

µm Micrómetro

CA Corriente Directa CD Corriente Alterna

kW-h/ m2 Unidad de la insolación kilowatt hora metro cuadrado HSP Hora Solar Pico

Auto CAD Es un programa de diseño asistido por computadora para dibujo en dos y tres dimensiones.

PowerPad Analizador de Redes, utilizado para hacer mediciones de Corriente, Tensión, Potencia Activa, Potencia Reactiva, Potencia Aparente, Energía, F.P, THD.

F.P. Factor de Potencia I Corriente

V Tensión

FV Fotovoltaico

Página | 1

CAPITULO I

Página | 2

1.1 Introducción

Actualmente las energías renovables se encuentran en una buena posición con relación a las energías fósiles como el carbón, petróleo, gas. Dentro de las energías renovables encontramos la energía solar, que es la usada para el aprovechamiento eléctrico por medio de celdas fotovoltaicas.

El aprovechamiento de la energía solar en México va en aumento para fines de consumo eléctrico. Las celdas fotovoltaicas son dispositivos de energía renovable, la cual consiste en aprovechar la energía solar y la convierte en energía eléctrica en Corriente Directa (CD). En nuestro país el principal mercado de la tecnología fotovoltaica es el de los sistemas autónomos, utilizados principalmente para la electrificación de comunidades rurales alejadas donde se requiere de la energía eléctrica y se tiene un estimado de 100 mil sistemas instalados en este país.

Las primeras aplicaciones que se le dio a la tecnología fotovoltaica fueron en productos de consumo como relojes, juguetes, calculadoras, etc., los cuales para su funcionamiento, sólo requieren del suministro de algunos miliWatts. Conforme ha ido aumentando la eficiencia de las celdas, sus costos disminuyeron considerablemente. Después de esto se comenzaron a aplicar como energización de dispositivos de señalización, así como para electrificación rural, siendo esta el motor de la industria fotovoltaica en sus inicios. Sin dejar de mencionar que aún sigue representando una aplicación autónoma para países en vías de desarrollo, con un alto porcentaje de población rural.

Página | 3 En la presente década, el mercado fotovoltaico está dominado por grandes plantas fotovoltaicas centralizadas, lo que está aumentando el crecimiento de la industria, pues en los últimos años se han alcanzado tasas anuales de crecimiento cercanas al 50%.

Hoy en día existe alrededor del mundo más de 2 mil millones de personas que no cuentan con servicio de energía eléctrica, para ellos la tecnología fotovoltaica representa una buena opción económica. Por esta razón, en las zonas rurales de países subdesarrollados representan un buen mercado para esta tecnología. En las aplicaciones conectadas a red, Japón, Estados Unidos y algunos países europeos continúan incentivando la construcción de plantas fotovoltaicas de potencia y la instalación de sistemas fotovoltaicos en zonas habitacionales y edificios públicos, integrando estos sistemas en las azoteas.

Las primeras plantas fotovoltaicas de gran tamaño mayores a 1 MW, se empezaron a instalar a inicios de los años ochenta, como la de Saijo Japón, instalada en 1981, la cual tiene una potencia de 1.2 MW. En 1995 existían en el planeta 5.2 MW de capacidad instalada en grandes plantas fotovoltaicas mayores a 200kW, a finales del año 2007 había una potencia instalada de más de 950 MW en este tipo de instalaciones, localizándose como en Alemania con más de 390 plantas, en Estados Unidos con 225 plantas y en España con 120 plantas. El crecimiento de las plantas va en aumento, ya que en 1995 se tenían registros de no más de una decena de plantas Fotovoltaicas y para el año 2007 ya se tenían instaladas alrededor de 325 en todo el mundo. En España se encuentran 7 de las 10 plantas más grandes del mundo, esto es posible gracias a que el gobierno español ha subsidiado los costos de inversión y el precio que se paga por la energía generada.

En el 2006 se anunció la construcción de dos plantas, las más grandes del mundo en cuanto a potencia instalada; la primera se encuentra en Brandis, Alemania con una potencia de 40 MW, la segunda estará en Portugal y contara con una capacidad de 62 MW. A finales de abril del 2008 entro en operación la planta de Brandis con 16.1 MW.

Página | 4 económica y técnicas para la construcción de grandes plantas fotovoltaicas, las cuales se planea ubicar en grandes desiertos de Asia Central, Norte de África, áreas desérticas de Australia, el desierto de Sonora.

Dentro de las actividades en nuestro país relacionadas con la tecnología fotovoltaica se iniciaron a mediados de los años setenta. En la década siguiente, el CINVESTAV construyó una planta piloto para fabricar módulos fotovoltaicos de silicio cristalino, con una capacidad de producción de 15kW por año.

En el año 2001 el Fideicomiso de Riesgo Compartido de la SAGARPA, inició un programa al término del cual se instalaron más de 2 mil bombas fotovoltaicas para el apoyo de productores del sector agropecuario. Por otro lado PEMEX ha utilizado los sistemas fotovoltaicos para proporcionar energía eléctrica en los sistemas de monitoreo y control de plataformas que no son habitadas.

En 1997 se realizaron las primeras aplicaciones fotovoltaicas conectadas a red, por parte del Área de Energías No Convencionales del Instituto de Investigaciones Eléctricas, y posteriormente en el 2005 apoyó al gobierno de Baja California, en la especificación de los sistemas fotovoltaicos con una potencia de 1 kW, en 220 casas habitación, que se instalaron en Mexicali. De acuerdo con la Agencia Internacional de la Energía la potencia fotovoltaica instalada y acumulada en México hasta finales de 2007 se estimo en 20.8 MW.

Como problema principal se tiene que normalmente existe un alto pago en la facturación del consumo de energía eléctrica, un problema externo. La falla en el suministro de energía eléctrica, o una sobredemanda de corriente ocasionada por un alto consumo debido a la actual sobrepoblación en esta ciudad.

Página | 5 consumo de energía eléctrica de una forma de no afectar el medio ambiente sin la necesidad de usar otros métodos convencionales o inadecuados que muchas veces afectan nuestros aparatos o que no son dirigidos por la vía legal. Se determino que tipo de carga se va alimentar con la instalación de los paneles fotovoltaicos, por medio de un levantamiento de carga. Además se determino la factibilidad del proyecto en cuanto a costos de instalación, mantenimiento y el material a utilizar.

En el capítulo 2 se realiza el estudio de la carga y las mediciones que se realizaron en la subestación del edificio 2 de ESIME, ZACATENCO para tener un conocimiento general del comportamiento de la carga que alimentaremos y cual no estará contemplada dentro del proyecto. Se presentan los resultados obtenidos, así como también el número de elementos que conforman la instalación eléctrica del edificio, el lugar donde se sitúan y la carga total consumida. Estas mediciones dan resultados de energía consumida. (Corriente, Tensión, Potencia y F.P).

En el capítulo 3 trata aspectos relacionados a la energía solar tales como, radiación solar, insolación, y formas de obtener más eficientemente la energía solar en un sistema de celdas fotovoltaicas, se presentan los niveles de irradiación e insolación, este último no servirá para posteriormente calcular la energía que podría ser generada con los arreglos propuestos y así poder hacer una comparación entre la energía generada y la energía consumida.

En el capítulo 4 se propone un arreglo de los paneles fotovoltaicos, tomando en cuenta la información presentada en los capítulos 2 y 3, acerca del aprovechamiento solar, mediciones con el analizador de redes y levantamiento de carga. También el espacio a ocupar y el área que ocuparan los paneles. Se proponen los aspectos del sitio a utilizar, dimensiones y lugares disponibles. El tipo de panel a utilizar, y especificaciones del mismo, las características del arreglo y los paneles totales que se utilizaran.

Página | 6 cuanto a que el sistema fotovoltaico es capaz de soportar la carga que le demanda el sistema eléctrico. Además de que se muestran precios de los todos los elementos que conllevan a la instalación del módulo solar.

Finalmente en el capítulo 6 se mostraremos las conclusiones y recomendaciones que podrían servir para trabajos futuros.

1.2 Objetivos

Evaluar y proponer un sistema eléctrico mediante energía alternativa aprovechando la energía solar utilizando celdas fotovoltaicas y evaluando la viabilidad de la puesta en servicio del sistema de celdas fotovoltaicas en el edificio 2 de la Unidad Profesional Zacatenco.

1.2.2 Objetivos específicos

Realizar un levantamiento de carga en el edificio 2 de ESIME Zacatenco.

Realizar mediciones con un analizador de redes para determinar el comportamiento temporal de la carga y la energía consumida.

Determinar el tipo de carga que se va a alimentar con la implementación de las celdas solares.

Proponer el diseño de un sistema de energía renovable, en este caso energía solar a través de celdas fotovoltaicas.

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1.3 Justificación

Desarrollar el proyecto en el cual se pretenda implementar un sistema de energía alternativa. Obtener un ahorro en el consumo de energía eléctrica o incluso logar que sea autosuficiente el edificio 2 de ESIME Zacatenco en cuanto la obtención de energía eléctrica. El proyecto resulta como una base para poder implementarlo en los demás edificios en caso de demostrar la viabilidad de este.

La energía solar que incide en este edificio se ha observado es abundante, de cierta forma se puede ver como un desperdicio tanta radiación que choca en la azotea y la parte lateral del edificio durante varias horas del día, esto finalmente es energía que no está siendo aprovechada, y que muchas veces hasta resulta algo molesto, es por ello la colocación de parasoles para bloquear la entrada de los rayos de sol en salones, cubículos, anexos, etc. Esto no debe de ser así, en otros países, y ya se empieza a ver aquí también, como una ventaja el tener radiaciones tan elevadas o incluso menores a las que inciden en el edificio dos de ESIME ZACATENCO. Ya que con la tecnología de sistemas fotovoltaicos, podemos convertir la energía solar en energía eléctrica.

Aplicar un sistema fotovoltaico como este que se tiene planeado resulta una muy buena idea, ya que se aporta desarrollo tecnológico a nuestra escuela y a nuestro país que mucha falta hace, dará créditos a la escuela ESIME ZACATENCO y al INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL.

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1.4 Hipótesis

Según los directivos de la institución debido a que el presupuesto no es suficiente, se ha visto una forma de aminorar los gastos en el consumo de energía eléctrica. Además sabiendo que la escuela ESIME ZACATENCO se imparte la carrera de ingeniería eléctrica. Siendo esta carrera una de las cuales trata asuntos relacionados sobre energías limpias, renovables, sustentables. Cuidado y administración de recursos renovables así como del medio ambiente, que mejor que nuestras instalaciones cuenten con sistemas como este, demostrar y dar de esta manera un ejemplo a otras escuelas, instituciones públicas y empresas donde se pueden implementar sistemas fotovoltaicos las ventajas que se tendrían al aplicar esta tecnología en nuestro país.

De acuerdo a esto lo que se pretende es implementar un sistema de celdas fotovoltaicas en el edificio 2 de ESIME Zacatenco.

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CAPITULO II

Página | 10

2.1 Introducción

En el presente capitulo se muestra el tipo de carga eléctrica que se pretende alimentar mediante el modulo solar, realizando el levantamiento de carga del edificio 2 de ESIME Zacatenco. Se presenta mediante tablas la información de cada dispositivo eléctrico así como el número de elementos que conforman la instalación eléctrica de la planta baja y de cada uno de los pisos del edificio, el lugar en específico donde se sitúan y la carga total consumida.

2.2 Carga eléctrica

La carga eléctrica es todo aquello que utiliza a o consume electricidad. Las cargas eléctricas pueden ser de tres tipos: resistivas (R), inductivas (L) o capacitivas (C).

Además de con los tres tipos de cargas mencionados se podría formar un cuarto tipo, haciendo una combinación de estas y denominándolas cargas mixtas.

A continuación se muestran los tipos de cargas eléctricas y sus características:

2.2.1Cargas resistivas

Son todas aquellas que consumen electricidad y por lo general producen calor y/o luz, por ejemplo: lámparas, horno eléctrico, cafetera, parrilla eléctricas. Su consumo se mide en Watts (W).

2.2.2 Cargas inductivas

Página | 11 2.2.3 Cargas capacitivas

Son aquellas que utilizan la electricidad pero no la disipan, simplemente la absorben y luego la devuelven al sistema, por ejemplo los capacitores o condensadores que tienen la propiedad de acumular energía eléctrica para luego descargarla al sistema. Su consumo se mide en Volts Amperes Reactivos (VAR)

2.2.4 Cargas mixtas

Son las que resultan de la combinación entre los tres tipos de cargas principales.

La carga total de una casa-habitación es una combinación de los tres tipos principales, pero en la mayoría de los casos se omiten las inductivas (VA) y capacitivas (VAR) y simplemente se atiende al consumo en Watts para toda la edificación, esto es, se convierten los VA a Watts y en base al total se calcula el calibre del conductor eléctrico.

2.3 Determinación de la carga eléctrica en el edificio

Para el diseño de una instalación eléctrica se requiere saber la potencia o carga que se va a alimentar.

Página | 12 2.3.1 Dispositivos eléctricos instalados en planta baja

L

A continuación se muestra la carga instalada en las aulas de computación, pasillos y sanitarios, en donde se incluyen alumbrado, equipos de cómputo, cámaras de seguridad, sensores y contactos.

Tabla 2.1 Elementos que componen los laboratorios de computación en la planta baja

Aula Computadoras Ventiladores Luminarias 2x32W

Sensores circulares

Cámara de seguridad

Contactos

2001 31 0 12 2 1 62

2002 31 0 12 2 1 62

2003 31 3 12 2 1 62

2004 31 0 12 2 1 62

Tabla 2.2 Elementos que componen los pasillos en la planta baja

Lugar Sensores Luminarias 2x32W Contactos

Ovalados Circulares

Pasillo 6 6 87 2

Estancia entre aula 2003 y 2004 0 1 1 2

Tabla 2.3 Elementos que componen los sanitarios en la planta baja.

Sanitario Luminaria 2x32W Lámpara 32W Sensores circulares

Mujeres 6 3 4

Página | 13 Tabla 2.4 Elementos que componen el Auditorio

Tabla 2.5. Elementos que componen la Jefatura

Tabla 2.6 Elementos que componen los Anexos Elemento eléctrico Cantidad

Lámparas fluorescente

126

Foco dicroico 28

Contacto 4

Bocina 2

Computadora 2

Impresora 1

Consola 1

Elemento eléctrico Cantidad Lámparas

fluorescentes

76

Censores redondos 17

Contactos 78

Computadora 35

Impresora 18

Televisión 3

Ventilador 1

Proyector 3

Cafetera 1

Elemento eléctrico Cantidad Lámparas fluorescentes 84

Contactos 114

Aire acondicionado 3

Computadoras 51

Impresora 27

Copiadora 3

Horno de microondas 1

Frigobar 1

Garrafón de agua eléctrico

Página | 14 2.3.2 Dispositivos eléctricos instalados en el primer nivel

En el primer piso del edificio 2 de ESIME Zacatenco las áreas en donde hay consumo de energía eléctrica están conformadas por aulas de clase, cubículos de profesores, sanitarios y los elementos que constituyen el alumbrado en el pasillo. A continuación se dan a conocer por medio de las siguientes tablas los elementos eléctricos que se encuentran instalados en el primer piso del edificio, así como el lugar donde se sitúan:

Tabla 2.7 Elementos que componen las aulas de clase del primer piso

Salón Contactos Apagadores Luminario

2x32W

Sensores Ovalados Circulares

Sala de Profesores 12 2 8 0 2

2101 14 2 9 0 2

2102 14 2 9 0 2

2103 14 2 9 0 2

2104 14 2 9 0 2

2105 14 2 9 0 2

2106 14 2 9 0 2

2107 14 2 9 0 2

2108 14 2 8 0 2

Telecomunicaciones 2 1 1 0 0

2109 14 2 9 0 2

2110 14 2 9 0 2

2111 14 2 9 0 2

2112 14 2 9 0 2

Página | 15 Tabla 2.8 Elementos que componen los cubículos de profesores del primer piso

Cubículo Luminarias 2x32

Sensores circulares

Contactos

C1201 2 1 4

C1202 2 1 4

C1103 2 1 4

C1204 2 1 4

C1205 2 1 4

C1206 2 1 4

C1207 4 1 6

C1208 2 1 4

C1209 2 1 4

C1210 2 1 2

C1211 2 1 4

C1212 2 1 4

C1213 2 1 4

C1214 2 1 4

C1215 2 1 4

C1216 2 1 4

Tabla 2.9 Elementos que componen los sanitarios del primer piso

Sanitario Luminaria 2x32W Lámpara 32W Sensores circulares

Mujeres 6 3 4

Página | 16 2.3.3 Dispositivos eléctricos instalados en el segundo nivel

Está conformado solo por sanitarios, aulas de clase, cubículos de profesores y los elementos que constituyen el alumbrado en el pasillo. A continuación se dan a conocer por medio de las siguientes tablas los elementos eléctricos que conforman el edificio en su segundo piso, así como el lugar donde se sitúan:

Tabla 2.10 Elementos que componen las aulas de clase del segundo piso

Salón Contactos Apagadores Luminaria

2x32W

Sensores Ovalados Circulares

Sala de Profesores 12 2 8 0 2

2201 14 2 9 0 2

2202 14 2 9 0 2

2203 14 2 9 0 2

2204 14 2 9 0 2

2205 8 2 9 0 2

2206 14 2 9 0 2

2207 14 2 9 0 2

2208 14 2 9 0 2

Telecomunicaciones 2 1 1 0 0

2209 14 2 8 0 2

2210 18 2 9 0 2

2211 14 2 9 0 2

2212 14 2 9 0 2

2213 14 2 9 0 2

Página | 17 Tabla 2.11 Elementos que componen los cubículos de profesores del segundo piso

Cubículo Luminarias 2x32

Sensores Contactos

C2201 2 1 4

C2202 2 1 4

C2203 2 1 4

C2204 2 1 4

C2205 2 1 4

C2206 2 1 4

C2207 4 1 8

C2208 2 1 4

C2209 2 1 4

C2210 2 1 4

C2211 2 1 4

C2212 2 1 4

C2213 2 1 4

C2214 2 1 4

C2215 2 1 4

C2216 2 1 4

Tabla 2.12 Elementos que componen sanitarios del segundo piso

Sanitario Luminaria 2x32W Lámpara 32W Sensores circulares

Mujeres 6 3 4

Página | 18

2.3.4 Dispositivos eléctricos instalados en el tercer nivel

En este nivel se alimentara cargas en areas de salones de clase, cubículos de profesores así como sanitarios y pasillos. A continuación se dan a conocer por medio de las siguientes tablas los dispositivos eléctricos que intervienen en esta zona, así como el lugar en específico donde se sitúan:

Tabla 2.13 Elementos que componen las aulas de clase del tercer piso

Salón Contactos Apagadores Luminaria

2x32W

Sensores

Ovalados Circulares

Sala de Profesores 18 2 8 0 2

2101 14 2 9 0 2

2102 14 2 9 0 2

2103 14 2 9 0 2

2104 14 2 9 0 2

2105 14 2 9 0 2

2106 14 2 9 0 2

2107 14 2 9 0 2

2108 14 2 9 0 2

Telecomunicaciones 2 1 1 0 0

2109 14 2 9 0 2

2110 14 2 9 0 2

2111 14 2 9 0 2

2112 14 2 9 0 2

Página | 19 Tabla 2.14 Elementos que componen los cubículos de profesores del tercer piso

Cubículo Luminarias 2x32

Sensores Contactos

C1201 2 1 8

C1202 2 1 8

C1103 2 1 8

C1204 2 1 8

C1205 2 1 8

C1206 2 1 8

C1207 2 1 8

C1208 2 1 8

C1209 2 1 8

C1210 2 1 8

C1211 2 1 8

C1212 2 1 8

C1213 2 1 8

C1214 2 1 8

C1215 2 1 8

C1216 2 1 8

Tabla 2.15 Elementos que componen los sanitarios del tercer piso

Sanitario Luminaria 2x32W Lámpara 32W Sensores circulares

Mujeres 6 3 4

Página | 20

2.4 Elementos eléctricos con los que cuenta el edificio considerado

Este proyecto sobre una instalación electrica fotovoltaico tiene el propósito de alimentar las cargas eléctricas o aparatos de consumo para diferentes tipos de aplicaciones, en este apartado se muestran los diversos tipos de componentes eléctricos instalados en el inmueble.

Los sensores de presencia han sido desarrollados para ahorrar energía en sistemas de iluminación, los cuales permiten detectar la presencia de una persona en el lugar controlado, encienden la luz con su presencia y luego apagan la luz una vez el área se desocupe.

En la figura 2.1 se muestran los tipos de sensores que se encuentran en los distintos niveles del edificio, se diferencian por el alcance que tienen para emitir y recibir la señal de operación. Uno de ellos utilizado en los pasillos (mayor alcance), mientras que el otro en las aulas y cubículos de los profesores (menor alcance).

a) Sensor utilizado en pasillos b) Sensor utilizado en aulas, cubículos, etc.

Página | 21 Figura 2.2 Apagador

Las lámparas ahorradores en comparación con las lámparas incandescentes tienen mayor vida útil además de que consumen menor energía eléctrica

Página | 22 Se denomina tomacorriente a la pieza cuya función es establecer una conexión eléctrica segura con un enchufe macho de función complementaria. Generalmente están situados en la pared, de forma superficial o empotrada en la misma. Consta como mínimo de dos piezas metálicas que reciben a sus complementarias macho y permiten la circulación de la corriente eléctrica.

En la figura 2.4 se muestran los contactos instalados a lo largo del inmueble, al cual se le puede conectar carga hasta 1270 watts.

Figura 2.4 Contactos

Las lámpara que se encuentra en la figura 2.5 está instalada en los sanitario de hombres y mujeres.

Página | 23

2.5 Análisis de la carga

El análisis de las cargas eléctricas es el primer paso y el más importante para el dimensionado de los sistemas con paneles solares, el consumo de energía y la demanda de potencia dicta la cantidad de electricidad que debe producir.

Se deben consideran todas las cargas existentes y futuras cargas potenciales, una baja estimación de las cargas da como resultado un sistema que es demasiado pequeño y que no puede operar las cargas con la confiabilidad que es requerida, pero por otra parte, una sobre estimación de la carga da como resultado un sistema grande, que resulta de mayor coso que el necesario. Un análisis detallado de la carga se debe determinar durante el levantamiento del sitio, listando cada carga, su demanda de potencia y consumo diario de energía.

2.5.1 Análisis de la carga total en el edificio considerado

A continuación se describe el consumo de cada elemento electrico que está instalado en toda la construcción.

En la tabla 2.16 se observa lo que consume cada dispositivo en forma individual.

Tabla 2.16 Valores de la carga consumida por cada elemento existente en el edificio

Descripción Consumo

Amperes Watts

Computadora 2.36 300

Ventilador .75 90

Luminarias 2x32W .5 64

Contactos 10 1,270

Lámparas .25 32

Sensores .03 3.8

Página | 24

Foco dicroico .11 14

Bocina 1.57 200

Impresora .78 100

Consola 3.14 400

Televisión 1.18 150

Proyector 1.76 224

Cafetera 4.48 570

Aire acondicionado 7.87 1000

Copiadora 9.44 1200

Horno de microondas 7.87 1000

Frigo bar .78 100

Garrafón de agua eléctrico 3.93 500

En la tabla 2.17 se presenta la carga total instalada en Watts y Amperes de la planta baja, así como la cantidad de elementos que se encuentran en esta zona. Está compuesta por pasillo, sanitarios, jefatura, auditorio y salas de cómputo.

Tabla 2.17 Valores totales consumidos de cada elemento en la planta baja

Descripción Cantidad Carga

Amperes Watts

Computadoras 161 379.96 48, 300

Ventiladores 5 4 480

Luminarias 2x32W 275 137.5 64

Contactos 210 2,100 266,700

Lámparas 6 1.5 192

Sensores 30 .9 114

Foco dicroico 28 3.08 392

Página | 25

Impresora 19 14.82 1900

Consola 1 3.14 400

Televisión 3 3.54 450

Proyector 3 5.28 672

Cafetera 1 4.48 570

Total 2,661 320,634

En las siguientes tablas se observan los elementos que se encuentran en los 3 niveles del edificio. Teniendo la cantidad de cada dispositivo, mostrando la carga que se demanda en Watts y Amperes.

Tabla 2.18 Valores totales consumidos de cada elemento en el primer nivel

Descripción Cantidad Carga

Amperes Watts

Luminarios 2x32W 310 155 19,840

Contactos 360 3,600 457,200

Lámparas 6 1.5 192

Sensores 61 1.83 231.8

Aire acondicionado 3 23.61 3,000

Computadoras 51 120.36 15,300

Impresora 27 78 2700

Copiadora 3 28.32 3,600

Horno de microondas

1 7.8 1000

Frigobar 1 .78 100

Página | 26 Tabla 2.19 Valores totales consumidos de cada elemento en la segundo nivel

Descripción Cantidad Carga

Amperes Watts

Luminarios 2x32W 220 110 14,080

Contactos 262 2,620 332,740

Lámparas 6 1.5 192

Sensores 56 1.68 212.8

Total 2,733.18 347,224.8

Tabla 2.20 Valores totales consumidos de cada elemento en el tercer nivel

Descripción Cantidad Carga

Amperes Watts

Luminarios 2x32W 218 109 13,952

Contactos 316 3,160 401,320

Lámparas 6 1.5 192

Sensores 60 1.8 228

Total 3,272.3 415,692

Tabla 2.21 Total de la carga consumida en el edificio en amperes y watts.

Nivel Carga total

Amperes Watts

Planta Baja 1,651.29 209,808

Primer nivel 2,576.33 327,307.8

Segundo nivel 2,733.18 347,224.8

Tercer nivel 3,272.3 415,692

Página | 27 De acuerdo con las tablas mostradas por cada nivel del edificio, más adelante se muestra la suma total en Amperes y Watts de la carga consumida en el edificio 2 de ESIME Zacatenco.

La realización de este levantamiento de carga es para conocer la demanda máxima total en el edificio. Ya que posteriormente se calculara el número de paneles que pueden ser instalados en la superficie disponible del inmueble para así saber cuánta energía es posible generar además de que se realizó una medición de la carga que se consume en un periodo semanal.

Con estos datos y haciendo una comparación es posible conocer si la energía que es posible generar es suficiente para abastecer por si sola toda la carga del edificio.

2.6 Medición del consumo eléctrico en el edificio

Se monitoreo por un lapso de una semana el consumo de energía eléctrica del edificio, utilizando un analizador de redes (denominado POWER PAD), con el que obtuvieron valores de tensión, potencia y la energía consumida en ese periodo de tiempo.

El POWER PAD se conectó a la subestación que alimenta el edificio como se muestra en las siguientes imágenes:

Página | 28 Figura 2.7 Transformador de la Subestación del Edificio 2

Figura 2.8 Lado secundario del Transformador del edificio 2

Página | 29 En las gráficas que se obtuvieron presentan las variaciones de los parámetros de tensión, corriente, potencia y energía consumida, mostrando los valores mínimos y los valores pico de cada parámetro.

Potencia

Tabla 2.22 Potencia total consumida en VA, VAR y W

Página | 30 Energía consumida

Tabla 2.23 Energía total consumida

Página | 31 Factor de Potencia

Tabla 2.24 Factor de potencia

Página | 32 Tensión de línea a neutro

Tabla 2.25 Tensión de línea a neutro

Página | 33 Tensión de línea a línea

Tabla 2.26 Tensión de línea a línea

Gráfica 2.5 Variación de la tensión de línea a neutro

Corriente

Página | 34 Gráfica 2.6 Variación de la corriente

2.7 Discusión de resultados

Página | 35

CAPITULO III

CONOCIMIENTO DE LA

DISPONIBILIDAD DE LA

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3.1 Introducción

Hoy en día las energías renovables se encuentran en una buena posición con respecto a las energías fósiles como el petróleo, carbón, gas. La energía solar es una energía renovable que es la usada para el aprovechamiento eléctrico por medio de celdas fotovoltaicas. En el presente capitulo se da a conocer todo lo relacionado a energía solar, radiación solar e insolación, así como la forma de aprovechar más eficientemente la energía solar para un sistema de celdas fotovoltaicas.

3.2 Energía

La energía es la propiedad relacionada a los objetos que se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la naturaleza, o también la capacidad que posee una persona, o un objeto, para ejercer fuerza y realizar cualquier trabajo. La energía se manifiesta en los cambios físicos, como producir un trabajo en potencia o en acto [7].

3.2.1 Fuentes de energía no renovable

Se define usualmente como una fuente de energía no renovable a aquella que está almacenada en cantidades inicialmente fijas, comúnmente en el subsuelo. A medida que se consume, el recurso no renovable se va agotando.

Página | 37 Las fuentes de energía no renovable, comúnmente se distingue principalmente entre tipos:

 Las fuentes de energía fósil

 Las fuentes de energía geotérmica

 La energía nuclear

3.2.2 Fuentes de energía renovable

Se llama fuente de energía renovable a aquella fuente de energía que administrada en forma adecuada, que se explota ilimitadamente, esta fuente de energía no disminuye a medida que se aprovecha. Directamente en el caso de la luz y el calor producidos por la radiación solar.

Para tener un esquema de desarrollo sustentable es indispensable que la mayoría de los recursos, y particularmente la energía, sean del tipo renovable. La principal fuente de energía renovable es el Sol. El Sol envía a la Tierra únicamente energía radiante [7].

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3.3 Energía Solar

La disponibilidad de la energía en el mundo se ha convertido en un problema, dado que la gran mayoría de los países en vías de desarrollo e industrializados, se ven afectados por las crecientes demandas requeridas para satisfacerse [8].

El sol es una fuente inagotable de recursos para los seres humanos. Provee una energía limpia, abundante y disponible en la mayor parte de la superficie terrestre, esto puede quitarnos de encima los problemas ambientales generados por los combustibles convencionales, como el petróleo, y de otras alternativas energéticas, como las centrales nucleares.

Los problemas técnicos que se plantean para el aprovechamiento de la energía solar son los siguientes:

 Gran dispersión de la energía solar sobre la superficie de la tierra

 Carácter incontrolable y variable en el tiempo de la intensidad de radiación solar.

La radiación solar que recibe una superficie horizontal es del orden de 1 kW/m2 al mediodía, variando según la latitud del lugar, nubosidad, humedad y otros factores, pero su principal problema su intermitencia. En invierno, que es generalmente cuando más se necesita, es menor, de modo que en la mayoría de los casos la disponibilidad no coincide con la demanda. Por ello, se requiere el almacenamiento para un tiempo de autonomía determinado y además, en caso de superarse el mismo, contar con el apoyo de sistemas de respaldo o fuentes suplementarias de energía [5].

Por ello el aprovechamiento destinado a la aplicación de la energía solar es necesario realizar los siguientes procesos:

 Captación y concentración de la energía solar

 Transformación para su utilización

 Almacenamiento para satisfacer uniformemente la demanda con un tiempo de autonomía establecido.

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 Transporte de la energía almacenada, para su utilización en los puntos de consumo.

De esa manera, para lograr una solución técnica que optimice las inversiones a realizar, en cada caso es necesario analizar detenidamente cual es el tiempo de autonomía adecuado para la instalación, teniendo en cuenta que cuanto mayor es la capacidad de almacenamiento, menor es el tamaño las fuentes energéticas de apoyo [5].

Las formas en las que podemos aprovechar la energía solar son:

 Energía Solar Directa: Las aplicaciones de la energía solar es directamente como luz solar, por ejemplo, para la iluminación de algún lugar por medio de ventanas, otra aplicación también es la del secado de ropa, etc. Son formas muy sencillas de ocupar la energía solar directa [2].

 Energía Solar Térmica: Es la energía cuyo aprovechamiento se logra por medio del calentamiento de algún medio. La climatización de viviendas, calefacción, refrigeración, secado, son aplicaciones de la energía solar térmica [2].

 Energía Solar Fotovoltaica: Se llama energía solar fotovoltaica a la cual se aprovecha por medio de celdas fotoeléctricas, capaces de convertir los fotones de luz a un potencial eléctrico [2].

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3.4 Energía Solar Fotovoltaica

La energía solar fotovoltaica, se caracteriza por funcionar a base de paneles solares que captan las radiaciones luminosas del sol y las transforman en una corriente eléctrica.

Estos paneles especiales están compuestos por unas "células fotovoltaicas" que es donde realmente tiene lugar la transformación de la energía luminosa (fotones) en electricidad (electrones en movimiento).

El efecto fotoeléctrico (la luz activa la formación de corrientes eléctricas) es el fundamento de este sistema energético [1].

3.4.1 Tecnología Fotovoltaica

La tecnología fotovoltaicase define entonces como aquélla usada para el aprovechamiento eléctrico de la energía solar y que se deriva de las llamadas celdas fotoeléctricas, por medio de las cuales la luz solar se transforma en forma directa en electricidad, aprovechando para esto las propiedades de los materiales semiconductores. De hecho, un sistema fotovoltaico es como cualquier otro sistema de generación de energía eléctrica, sólo que el equipo usado es diferente del empleado en los sistemas convencionales de generación electromecánicos; sin embargo, los principios de operación e interconexión con otros sistemas eléctricos son los mismos y están guiados por normas y códigos bien establecidos. Aún cuando un arreglo fotovoltaico produce potencia cuando se expone a la luz del sol, se requiere de algunas otras componentes para conducir, controlar, convertir, distribuir y almacenar en forma apropiada la energía producida.

3.5 Clasificación de las instalaciones solares fotovoltaicas

En la actualidad los tipos de instalaciones solares fotovoltaicas son:

Página | 41 puesto meteorológico en lo alto de una montaña, donde no es económico tender un cable hasta la red eléctrica [7].

Figura 3.4 Ejemplo de instalación fotovoltaica aislada

Página | 42 Figura 3.5 Instalación solar fotovoltaica con conexión a la red eléctrica

3.5.1 Ventajas de un sistema fotovoltaico

 La energía solar es una energía limpia y renovable, y además no tiene costo.

 En algunos casos se puede reducir la dependencia de la empresa suministradora de energía eléctrica.

 Su instalación es a base de paneles, por lo que la potencia se puede aumentar según se requiera.

 Estos sistemas son simples de instalar.

 Tienen un costo de mantenimiento bajo.

 Tienen un riesgo de falla bajo.

 En el caso de instalaciones conectadas a la red se pueden obtener un subsidio.

3.6 Componentes de un sistema solar fotovoltaico

3.6.1 Celdas fotovoltaicas

Página | 43 unión de células fotovoltaicas en serie, encapsuladas para protegerlas (en plástico transparente, por ejemplo) y con un marco metálico para su montaje. Los paneles (o módulos, como también se les llama) son las unidades básicas de los sistemas de generación de electricidad a partir de la energía solar. Los módulos solares se pueden conectar:

 En serie. Por ejemplo si tenemos un módulo de 12 V y 1,5 A y lo conectamos en serie con otro módulo de las mismas características tendremos un conjunto de 2 módulos de 24 V y 1,5 A (se suman los voltajes y se mantienen las corrientes).

 En paralelo. Si tenemos los dos módulos del ejemplo anterior y los conectamos en paralelo, tendremos un conjunto de 12 V y 3 A (se mantienen los voltajes y se suman las corrientes).

El armazón de los módulos debe ser a la vez resistente y ligero. Se suele hacer de aluminio con resinas para hacerlo hermético.

La cubierta del panel suele ser de cristal templado, resistente a impactos, transparente, dejando pasar las radiaciones solares (en más de un 92 por ciento).

Los paneles solares fotovoltaicos se deben orientar al sol, según la hora del día, mes del año y lugar geográfico, si se dispone de sistemas de inclinación variable. Cuando los paneles son fijos se escoge una orientación media, la más adecuada para la zona.

Página | 44 Los paneles se deben instalar en zonas sin sombras (siempre que sea posible). Tampoco se deben hacer sombra entre ellos. Se deben mantener siempre limpios de hojas, ramas, polvo, suciedad, etc. Su fijación al suelo debe ser firme, ya que tienen que permanecer fijos en el sitio más de 25 años (su vida útil).

3.6.1.1 El efecto fotoeléctrico

Un material conductor de la electricidad, como por ejemplo el cobre, es el que la dejan pasar libremente la corriente eléctrica ya que tienen electrones libres o que pueden liberarse fácilmente. Llamamos materiales aislantes, como el papel o plástico, a los que oponen una enorme resistencia al paso de la corriente eléctrica (los electrones de sus capas periféricas están fuertemente ligados y se necesitaría una gran energía para liberarlos).

Entre ambos extremos hay unos materiales llamados semiconductores. Los más conocidos son el silicio o el germanio. Estos materiales si están a 0°K son aislantes, pero si reciben energía, por ejemplo energía luminosa, se encuentran más cerca de los conductores y pueden producir corrientes de electrones. Eso es exactamente lo que ocurre en las células fotovoltaicas, que suelen estar hechas de silicio.

Si un material semiconductor como el silicio, es expuesto a los rayos solares, que contienen energía luminosa (fotones). Estos fotones aportan energía a los electrones de valencia de los átomos de silicio. Si la energía que aportan es suficiente para vencer la fuerza que mantiene los electrones unidos al átomo, estos electrones se liberan y llegan a formar una corriente de electrones (electricidad).

Página | 45 un diodo, ya que los electrones excedentes de la capa n son atraídos por las cargas positivas de la capa p. Esto da origen a una corriente eléctrica [4].

Figura 3.7 Funcionamiento de una célula fotovoltaica

La fabricación de células fotovoltaicas aún resulta cara, debido a que se busca precisar un silicio de una gran pureza, pero éste es un campo en el que se está investigando mucho, como consecuencia de los problemas energéticos mundiales. También hay que tener en cuenta que la eficiencia de las células de silicio es baja del 13% al 25%. Esto significa que la eficiencia es la energía luminosa que realmente se transforma en electricidad.

Página | 46 3.6.1.2 Material principal de las células fotovoltaicas

El material más utilizado para la construcción de células fotovoltaicas es el silicio. Es un elemento muy abundante en la corteza terrestre pero no se encuentra como tal, sino combinado con el oxigeno formando oxido de silicio (SiO2).

En la naturaleza encontramos la cuarcita que es un mineral que contiene un 90 por ciento de oxido de silicio. Por ello, para obtener silicio se parte de dicho mineral hasta conseguir silicio de diversos grados de pureza. Así tenemos:

 Silicio tipo metalúrgico. Es un producto con el 99 por ciento de riqueza, y se obtiene a partir de la cuarcita. Es adecuado para usos industriales, entrando a formar parte de aleaciones. Pero aún no es suficiente ese grado de pureza para conseguir células fotovoltaicas. Se necesita una pureza mayor.

 Silicio tipo solar. En un principio, con el desarrollo de los ordenadores, el silicio de alta pureza que se fabricaba se dedicaba a esta industria, y los recortes de silicio se dedicaban a la fabricación de células fotovoltaicas. Pero con el desarrollo que ha adquirido la industria solar, ya se fabrica silicio de grado solar. Para hacer silicio de grado solar se parte del metalúrgico [3].

En la actualidad ya se están instalando varias fábricas para hacer frente a esa demanda. Por otro lado, la tecnología de purificación está avanzando mucho. Estos son los tipos comerciales de silicio existentes:

 Silicio monocristalino. Es el mejor y el más caro. La mayoría de las células fotovoltaicas actuales están hechas de este tipo de silicio. El proceso de fabricación resumido es el siguiente: el silicio se purifica, se funde y se cristaliza en lingotes. Los lingotes obtenidos se cortan muy finamente para hacer las células monocristalinas (de color uniforme, azul o casi negro).

Página | 47 vez de seguir un patrón homogéneo de cristalización como ocurre en el silicio cristalino.

Estos tipos de silicio cristalizado se cortan en espesores de aproximadamente 200 µm. También existen células de película mucho más delgada (aproximadamente 5 µm), que tienen un menor rendimiento, pero son más baratas y fáciles de colocar en tejados.

3.6.2 Inversor

Los inversores son convertidores de CD a CA, estos dispositivos convierten la CD de los paneles fotovoltaicos de cierta magnitud a CA de otra magnitud, ya que los aparatos eléctricos convencionales utilizan CA.

Un inversor de CD a CA consta de un circuito electrónico que consta de transistores o tiristores (actúan a modo de interruptores) que cortan la CD, alterándola y creando una onda de forma cuadrada. Esta onda cuadrada pasa por un transformador el cual eleva la tensión y se filtra para obtener una onda sinusoidal igual a la del suministro eléctrico en CA [5].

A continuación se muestra un esquema del inversor que consta de sus tres partes.

Figura 3.8 Esquema de un inversor

3.7 La radiación extraterrestre

Página | 48 moléculas de agua, el polvo en suspensión, etc., por lo que la radiación solar que llega a una superficie terrestre procede de tres componentes:

Figura 3.8 Radiación extraterrestre

 Radiación directa.Es la formada por los rayos del sol directamente, es decir, que no llega a ser dispersada.

 Radiación difusa.Es la procedente de toda la bóveda celeste, excepto la que llega del sol, originada por los efectos de dispersión indicados antes.

 Radiación del albedo.Es la procedente del suelo debida a la reflexión de parte de la radiación incidente sobre montañas, lagos, edificios, etc., y depende directamente de la naturaleza de estos elementos. Esta radiación se obtiene del cociente entre la radiación reflejada y el incidente sobre una superficie.

Página | 49 El sol es más intenso cuando está directamente sobre la cabeza y la luz solar del verano es mucho más fuerte que la del invierno, de la misma manera, el sol sufre cambios con el clima.

3.8 La radiación solar terrestre

Para alcanzar la superficie terrestre la radiación solar debe atravesar la atmósfera donde experimenta diversos fenómenos de reflexión, absorción, y difusión que disminuyen la intensidad final. La radiación que llega directamente del sol es la denominada radiación directa y la que previamente es absorbida y la difundida por la atmósfera es la radiación difusa.

La radiación solar, tanto directa como difusa, se refleja en todas las superficies en las que incide dando lugar a la radiación reflejada. La reflexión dependerá de las características y naturaleza de la superficie reflectora. La radiación solar global es la suma de los tres tipos antes citados, directa, difusa y reflejada, y es la que podemos aprovechar para su transformación térmica.

Las proporciones de radiación directa, dispersa y albedo recibida por una superficie determinada dependen:

De las condiciones meteorológicas (de hecho, en un día nublado la radiación es prácticamente dispersa en su totalidad; en un día despejado con clima seco predomina, en cambio, la componente directa, que puede llegar hasta el 90% de la radiación total).

De la inclinación de la superficie respecto al plano horizontal (una superficie horizontal recibe la máxima radiación dispersa -si no hay alrededor objetos a una altura superior a la de la superficie- y la mínima reflejada).

De la presencia de superficies reflectantes (debido a que las superficies claras son las más reflectantes, la radiación reflejada aumenta en invierno por efecto de la nieve y disminuye en verano por efecto de la absorción de la hierba o del terreno).

Página | 50 La posición óptima en la práctica, se obtiene cuando la superficie está orientada al sur, con ángulo de inclinación igual a la latitud del lugar: la orientación al sur, de hecho, maximiza la radiación solar captada recibida durante el día y si la inclinación es igual a la latitud hace que sean mínimas [6].

3.9 Irradiancia e insolación

Es necesario tener conocimiento de los conceptos básicos de la energía solar, como es la irradiancia y la insolación para poder comprender el funcionamiento y rendimiento de los sistemas fotovoltaicos, en particular la insolación es un parámetro clave para el dimensionamiento de los sistemas fotovoltaicos. El recurso solar de un sitio en particular se puede caracterizar en términos de la irradiancia y la insolación.

Página | 51 La figura 3.9 muestra la irradiación promedio anual al día kW/m2 con un promedio anual, la cual fue sacada de la página de la Secretaria de Energía.

La irradiancia es la intensidad de la luz solar, las unidades más comunes son watt por metro cuadrado (w/m2 ) o kilowatt por metro cuadrado (kW/m2), la superficie captadora en este caso es el arreglo fotovoltaico, que recibe mas irradiancia cuando se orienta directamente hacia el sol y no hay obstáculos que hagan sombras como nubes y arboles. En un día despejado, la irradiancia sobre una superficie perpendicular al sol alcanza un máximo de 1.0 a 1.2 kW/m2) al medio día [9].

La insolación es la cantidad de energía solar recibida durante un intervalo de tiempo, sus unidades en kilowatt hora / m2 (kW-h/ m2 ), para dimensionar el sistema fotovoltaico es necesario conocer la insolación diaria promedio, de preferencia si es cada mes del año. El valor de la insolación diaria promedio se expresa por lo general en horas solares pico (HSP) una hora solar pico es la energía recibida durante una hora a una irradiancia promedio de un (kW/m2), es decir:

En la figura siguiente, se puede visualizar más fácilmente el concepto de hora solar pico, no se debe de confundir las HSP con las llamadas “horas luz” que corresponden a la duración del día.