Propuesta de suministro de energía eléctrica por medio de un sistema solar fotovoltaico para una casa habitación

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA

MECÁNICA Y ELÉCTRICA

PROPUESTA DE SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA POR

MEDIO DE UN SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO PARA UNA CASA

HABITACIÓN

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO

ELECTRICISTA

PRESENTA:

JOAQUÍN ANDRADE RODRÍGUEZ

ASESORES

M. EN C. BERNABÉ REYES LÓPEZ

ING. EVERARDO LÓPEZ SIERRA

A mis padres.

Gracias por darme la vida, y apoyarme en que fuera a la escuela. Siempre estuvieron al pendiente de mí, gracias por sus consejos logré salir adelante. Me enseñaron el respeto a mis semejantes, y más que nada a ser una persona de bien.

A mis hermanos.

Siempre me apoyaron, me dieron esos ánimos para echarle ganas, y enfrentar esos retos que me presentaba la vida, cuando caía, ustedes me hacían reconocer mis logros y siempre tuvieron esa confianza en mí, sabían que lo lograría. Gracias por esa confianza y apoyo.

A mi familia.

i I. RESUMEN

Este proyecto es una propuesta de suministro de energía eléctrica por medio de un sistema solar fotovoltaico para una casa habitación de tal manera que se logre reducir el costo por el consumo de energía eléctrica, y al mismo tiempo reducir el consumo de combustibles fósiles, que día con día afectan y contribuyen a la contaminación de nuestro planeta.

Este proyecto está integrado por 4 capítulos. Se inicia con una introducción luego se hace el planteamiento del problema, la justificación, así como los objetivos tanto el general como los específicos.

El capítulo 1 trata sobre las energías alternativas o renovables, las cuales son la energía eólica, hidroeléctrica, solar, geotérmica y otras más. En este capítulo se explica el principio de funcionamiento de cada una de ellas de manera breve. En el capítulo 2 se habla sobre la energía solar fotovoltaica, la cual es una subdivisión de la energía solar, es decir, la energía solar se clasifica en energía solar térmica y energía solar fotovoltaica. Este proyecto trata sobre energía solar fotovoltaica.

ii II. INTRODUCCIÓN

Hoy en día el uso de la energía eléctrica es muy importante, ya que es una necesidad en todos los procesos industriales, comerciales, de servicios y en el hogar, tal es así que toda la economía de un país está fuertemente ligada con el consumo de energía eléctrica.

La energía eléctrica se genera por varios métodos y para ello se utilizan diferentes fuerzas motrices tales como los combustibles fósiles, la energía cinética del agua, la fuerza del viento, la fusión nuclear, entre otras. La generación utilizando como fuerza motriz primaria, la quema de combustibles fósiles así como la utilización de la energía cinética del agua requiere de una gran inversión monetaria y al mismo tiempo provoca problemas al medio ambiente. Aunado a que los combustibles utilizados en esta generación son no renovables.

Este trabajo trata sobre la generación y suministro de energía eléctrica por un sistema alternativo de energía eléctrica utilizando para ello un sistema de paneles fotovoltaicos que proporcionen de manera alternativa la alimentación de energía eléctrica para una casa habitación.

iii III. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Debido a la contaminación del planeta, ya sea por la basura inorgánica, por la quema indiscriminada de combustibles fósiles como el carbón, petróleo, gas. La deforestación de grandes extensiones de bosques así como el avance de la urbanización, se hace urgente y necesario tener una fuente de generación de energía eléctrica que no contamine el medio ambiente.

Lo que se debe hacer es generar energía eléctrica por fuentes de generación limpias, conocidas también como alternativas, se llaman así porque son una fuente de energía que representan una alternativa a los combustibles fósiles, entre éstas, están las plantas eólicas, la energía solar, energía producida por las olas del mar, entre otras. Por otro lado, sería eficaz que generando energía por un tipo de éstas energías se reduciría el costo por el consumo de energía eléctrica.

iv IV. JUSTIFICACIÓN

En México no se invierte tanto en energías alternativas como la energía solar, porque es muy caro su proceso, debido a que no se tiene suficiente tecnología, por tal motivo este trabajo se trata de un proyecto modelo para una casa habitación En el cual se aprovechen los rayos del sol, para satisfacer las necesidades de energía eléctrica de una casa habitación y al mismo tiempo reducir el consumo de energía eléctrica proporcionado por la compañía suministradora, evitando la contaminación por quema de combustibles lo más que se pueda. Otro punto de relevancia e importante es saber en cuanto tiempo se recuperaría el costo de inversión. Esto no solo beneficiará a la familia que habita tal casa, sino que también se estaría ayudando a la reducción de la contaminación del medio ambiente, causada por la quema de combustibles fósiles. Por lo tanto, desde la óptica de protección al medio ambiente, el proyecto es viable, dado que en la actualidad se presentan diversos problemas ambientales relacionados con la quema indiscriminada de combustibles fósiles además de las actividades cotidianas del ser humano que contribuyen a la contaminación del medio ambiente.

v

V.

OBJETIVOS

V.I Objetivo general

Diseñar una propuesta de un sistema de paneles fotovoltaicos para alimentar con energía eléctrica una casa habitación.

V.II Objetivos específicos

 Conocer cuáles son las energías alternativas.  Conocer la energía solar fotovoltaica.

 Conocer las partes de sistema interconectado a la red.

 Reducir el costo por el consumo de energía eléctrica, y la contaminación ambiental por combustibles fósiles.

vi

ÍNDICE

CAPÍTULO 1 FUENTES DE ENERGÍA RENOVABLES O ALTERNATIVAS _{... 1}

1.1 ANTECEDENTES DE LAS ENERGÍAS ALTERNATIVAS ... 2

1.1.1 Energía eólica ... 3

1.1.2 Energía geotérmica ... 4

1.1.3 Energía de biomasa ... 5

1.1.4 Energía hidroeléctrica ... 6

1.1.5 Energía solar ... 7

1.1.6 Otros tipos de energía ... 8

CAPÍTULO 2 _{... 10}

ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA _{... 10}

2.1 ANTECEDENTES DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA ... 11

2.2 Movimiento del sol... 12

2.2.1 Radiación solar ... 14

2.2.2 Tipos de radiación solar ... 15

2.2.3 Variaciones estacionales de la radiación solar en algunas regiones de México ... 16

2.3 SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO ... 18

2.3.1 Célula fotovoltaica ... 19

2.3.2 Paneles o módulos fotovoltaicos ... 32

2.3.3 Acumuladores o baterías eléctricas ... 38

2.3.4 Regulador de carga ... 42

2.3.5 Inversor ... 42

2.3.6 Elementos de protección ... 43

vii

2.4 SISTEMA AISLADO ... 45

2.4.1 Componentes de un sistema aislado ... 46

2.5 SISTEMA FOTOVOLTAICO INTERCONECTADO A LA RED (SFVI) ... 47

2.5.1 Características de un SFVI sobre suelo y en edificación ... 50

2.5.2 Beneficios de la interconexión a la red ... 50

2.5.3 Partes de un sistema conectado a la red ... 51

2.6 SISTEMA HÍBRIDO... 54

CAPÍTULO 3 DESARROLLO _{... 56}

3.1 ESTUDIO TÉCNICO ... 57

3.1.1 Localización ... 57

3.1.2 Cálculo del consumo promedio diario, mensual, bimestral y anual, en casa habitación ... 58

3.1.3 Facturación de energía eléctrica en casa habitación en 2013 ... 63

3.1.4 Cálculo de la instalación de los componentes de un Sistema Fotovoltaico de Interconexión a la red ... 65

3.1.5 Instalación y operación ... 67

3.1.6 Cálculo de los componentes de la instalación en casa habitación .... 69

3.1.7 Cálculo de emisiones de dióxido de carbono ... 82

3.2 ESTUDIO ECONÓMICO ... 83

3.2.1 Facturación anual de energía eléctrica en casa habitación ... 83

3.2.2 Cálculo del presupuesto del proyecto ... 84

3.1.1 Tiempo de amortización ... 88

CAPÍTULO 4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES _{... 92}

4.1 Conclusiones... 93

4.2 Recomendaciones ... 93

viii

GLOSARIO DE TÉRMINOS: ... 99

ÍNDICE DE FIGURAS ... 102

ÍNDICE DE TABLAS. ... 106

1

CAPÍTULO 1

FUENTES DE ENERGÍA

2

1.1 ANTECEDENTES DE LAS ENERGÍAS ALTERNATIVAS

La energía solar es la madre de todas las energías renovables, debido a que todos los ciclos naturales están en movimiento con ella, tal movimiento da origen a las diferentes energías renovables como la energía eólica, hidroeléctrica, biomasa, entre otras. (Talayero y Telmo, 2008).

Las fuentes de energía alternativa se requieren para proporcionar generación de potencia eléctrica, sin lo concerniente al uso de los combustibles fósiles y las energías alternativas deben representar un reemplazo funcional de manera que proporcionen un servicio comparable al de los combustibles fósiles. (Harper, 2012).

Las energías alternativas representan una alternativa a los combustibles fósiles, es decir, son una opción para reducir la contaminación ambiental, son energías que benefician, ya que frenan el consumo de dichos combustibles, que se caracterizan por ser no renovables, además las energías renovables no presentan esta limitante.

Las necesidades de energía han estado condicionadas hasta ahora, y seguirán estándolo en el futuro, por tres factores principales, los cuales son: el crecimiento de la población, el desarrollo económico y el progreso tecnológico. Por tal motivo, la utilización de las energías fósiles en los últimos decenios ha ido generando demasiados problemas ambientales (lluvia ácida, partículas suspendidas en el aire, escases de agua potable, recalentamiento atmosférico, etc.), que amenazan y alteran el equilibrio ecológico de nuestro planeta. Es por eso que en el futuro se debe pretender invertir más en energías renovables y amigables con el ambiente para asegurar la permanecía del hombre sobre la tierra.

3 1.1.1 Energía eólica

La energía eólica, es la que se aprovecha del viento, es decir “la energía cinética del viento puede transformarse en energía útil, tanto mecánica como eléctrica. La energía eólica, transformada en energía mecánica ha sido históricamente aprovechada”. (Jara, 2006, p.17-18).

El viento es un fenómeno, el cual está presente en casi todo el planeta, pero existen zonas donde éste es más frecuente, es decir, varía dependiendo de cada lugar de la Tierra.

Su carácter limpio e inagotable la hace una fuente energética con buenas perspectivas de desarrollo en zonas donde hay mucha frecuencia de viento. Se aprovecha en los denominados parques eólicos, a través de aerogeneradores con características, tamaños y potencias diversos.

4 1.1.2 Energía geotérmica

La palabra geotérmico proviene de dos raíces “geo” que significa tierra y “térmica”

que significa calor. En otras palabras geotérmica quiere decir calor de la tierra. Ahora bien, la energía geotérmica es una enorme cantidad de calor subutilizada como energía, que es limpia (prácticamente no emite gases de efecto invernadero), es confiable, dado que el sistema tiene en promedio una disponibilidad del 95% y está integrada a la red de nuestro país lo que permite ser menos dependiente de otras fuentes de energía como el gas o el petróleo de importación. (Harper G. H., 2012).

El lugar donde se encuentran plantas geotérmicas es en áreas donde había volcanes. En 1847 se descubrieron los campos geotérmicos por primera vez en California, entre Cloverdale y Calistoga, por William Bell Elliot, quien descubrió vapor saliendo de un volcán inactivo ahora llamado Geysers.

La energía geotérmica es aquella que se produce por el calor interno de la tierra. Entre la superficie de la tierra y su interior existe una gran diferencia de temperatura. El calor que se encuentra en el interior tiende a escapar o también se puede extraer por medio de perforaciones en yacimientos que se encuentran en el subsuelo. La conversión de la energía geotérmica en electricidad consiste en la utilización de un vapor, que pasa a través de una turbina la cual está conectada a un generador, y de esta manera produce energía eléctrica.

Este tipo de generación tiene ventajas importantes, por ejemplo éstas pueden producir electricidad en forma constante. De esta forma se diferencian de otras como la eólica, que depende del viento.

5

Figura 1.2. Central geotérmica. Recuperado de: http://cmc933.blogspot.mx/ (2013)

1.1.3 Energía de biomasa

La energía que contiene la biomasa es energía solar almacenada a través de la fotosíntesis, proceso por el cual algunos organismos vivos, como es caso de las plantas, utilizan la energía solar para convertir los compuestos inorgánicos que asimilan, como lo es el dióxido de carbono ( 2), en los compuestos orgánicos. (Castells, 2012).

6 1.1.4 Energía hidroeléctrica

Una central hidroeléctrica es aquella donde se transforma la energía potencial del agua a energía cinética y después a energía eléctrica, es decir, la energía potencial es la que tiene el agua cuando esta embalsada, ésta en el transcurso hacia las turbinas es energía cinética, al hacer girar las turbinas se convierte en energía mecánica acoplada en el generador éste la convierte finalmente en energía eléctrica. O bien según CFE (Comisión Federal de Electricidad)Las centrales hidroeléctricas utilizan la energía potencial del agua como fuente primaria para generar electricidad. Estas plantas se localizan en sitios en donde existe una diferencia de altura entre la casa de máquinas y el suministro de agua. De esta forma, la energía potencial del agua se convierte en energía cinética que es utilizada para impulsar el rodete de la turbina y hacerla girar para producir energía mecánica. Acoplado a la flecha de la turbina se encuentra el generador, que finalmente convierte la energía mecánica en eléctrica. Este proceso se ilustra en la figura 1.3.

7 1.1.5 Energía solar

El sol es la estrella más cercana del sistema solar, desde hace millones de años manda sus rayos solares a nuestro planeta. Además de su función de iluminar, también se le obtienen beneficios tanto para el hombre, como para el medio ambiente.

“La energía solar es la fuente principal de vida en el planeta: dirige los ciclos biofísicos, geofísicos y químicos que mantienen la vida en la Tierra, los ciclos del

oxígeno, del agua, del carbono y del clima”. (Arenas y Zapata, 2011, p. 18).

El flujo de energía que procede del Sol es aproximadamente unas 10, 000 veces mayor que el consumo energético actual. Por lo tanto, se logra comprender que con tan solo el 0.01% se podría cubrir nuestra demanda. (Moro, 2010).

La energía solar se puede utilizar de dos maneras, la primera es energía solar térmica la cual se usa principalmente para calentar. La segunda es la energía solar fotovoltaica y es principalmente utilizada para generar electricidad.

1.1.5.1 Energía solar térmica

La intensidad de energía utilizable cuando la radiación solar atraviesa la atmósfera es baja, y su utilización está condicionada por la temperatura a la cual se va aprovechar. Este tipo de energía se clasifica en baja, media o alta temperatura, según su utilización. La última mencionada es válida para la producción de energía eléctrica. (Castells, 2012)

Para producir electricidad mediante energía solar térmica, se hace mediante dos métodos.

8

En ambos casos, se trata de calentar un fluido que una vez evaporado mueve una turbina. A partir de ahí, el funcionamiento es similar al de una planta termoeléctrica, la única diferencia es que en este caso la fuente de energía es el Sol, y en una planta termoeléctrica la fuente es el combustible. El rendimiento global de una planta de este tipo está entre 16 y 20%. Rendimiento global, se refiere a la energía térmica transferida al vapor de agua hasta la generación eléctrica en bornes de un alternador. Para tener una idea más clara en el funcionamiento de este tipo de energía se presenta la figura 1.4, donde se hace una comparación entre una central térmica solar y una central termoeléctrica donde se queman combustibles fósiles.

Figura 1.4. Principio de funcionamiento de una planta solar térmica y una planta termoeléctrica. (Romero, 2013, p. 20)

1.1.6 Otros tipos de energía

9  Centrales marinas:

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CAPÍTULO 2

ENERGÍA SOLAR

11

2.1 ANTECEDENTES DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

La energía solar fotovoltaica tiene sus inicios a partir del siglo XVIII, poco a poco fue desarrollándose hasta llegar a ser utilizada como una fuente de energía más. Los antecedentes históricos del desarrollo de la energía fotovoltaica se muestran a continuación.

 En 1839 el físico francés Becquerel descubre el efecto fotovoltaico.

 En 1877se construye la primera célula de selenio y se observa el efecto fotovoltaico en dicho material.

 En 1905, Albert Einstein descubre y presenta la teoría de la naturaleza de la luz y el efecto fotovoltaico basado en los cuantos de Planck.

 En 1921 Albert Einstein gana el premio Nobel sobre el efecto fotoeléctrico.  En 1954 se descubren células solares de silicio con una eficiencia del 4.5%.  En 1958 se lanza el primer satélite llamado Vanguard I, con energía fotovoltaica. De igual manera en ese año se lanzan los satélites Explorer III, Vanguard II y Sputnik-3: todos ellos alimentados con energía solar fotovoltaica.

 En el año de 1960 se consiguen las células fotovoltaicas con una eficiencia del 14%.

 En 1962 se lanza el primer satélite comercial de telecomunicaciones, Telstar con potencia instalada de 14W.

 En 1963 en Japón se instala un sistema fotovoltaico con capacidad de 242W en un faro.

 En 1973 se construye la primera vivienda con energía solar fotovoltaica

llamada “Solar One”, por la Universidad de Delaware.

 Entre los años de 1974 a 1977 se fundan las primeras compañías de energía solar.

 En 1981 vuela el “Solar Chanller”, un avión no tripulado abastecido con

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desalinizadora por osmosis inversa abastecida por un sistema fotovoltaico de 8kW.

 En 1983 la producción mundial de energía solar fotovoltaica superó los 21.3MW, y las ventas superaron los 250 millones de dólares. El solar Trek, vehículo alimentado por energía fotovoltaica (1kW) atraviesa Australia: 4000 kilómetros en 20 días. Se construye una planta de energía solar fotovoltaica de 6 MW en California, en una extensión de 120 acres.

 En 1992 se instala un sistema fotovoltaico de 1.5 kW en Lago Hoare, Antártida, con baterías, de 2.4 kWh. Se utiliza para abastecer el equipamiento de un laboratorio, iluminación, PCs e impresoras y un pequeño horno microondas.

 En 1996 El “Ícaro”, un avión no tripulado movido por energía solar

fotovoltaica, sobrevuela Alemania.

 Las células fotovoltaicas tuvieron su primer gran impacto en el espacio. A mediados de 1970 se empezaron a utilizar de forma comercial en aplicaciones terrestres. (Schallenberg et al, 2008)

Para estas aplicaciones se tuvo que reducir el precio de los módulos a la mitad, por lo que se empezó a utilizar silicio de rechazo de la industria electrónica de semiconductores. En la actualidad, dada la gran demanda de silicio para paneles fotovoltaicos, éste se adquiere directamente de los productores de silicio.

2.2 Movimiento del sol

13

unidad de medida , es para la unidad astronómica. Donde 1 equivale a

,

,

.

��

ó

� �

,

Figura 2.1. Puntos de un planeta, denominados afelio y perihelio. (Recuperado de: http://www.windows2universe.org/physical_science/physics/mechanics/orbit/perihelion_aph

elion.html&lang=sp)

Como se observa en la figura anterior, el punto que va en la órbita, representa a un planeta que gira alrededor del Sol. Por lo tanto en la parte de la elipse en que el planeta pasa más cerca del Sol se denomina perihelio y afelio en la otra ocasión, es decir, en la parte más lejana.

La órbita eclíptica entre el sol y la tierra se muestra en la figura siguiente:

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El movimiento de traslación de la Tierra alrededor del Sol, dura aproximadamente un año. Algo más aproximado es 365 días, 5 horas, 48 minutos y 46 segundos. Nuestro planeta gira en su propio eje, efectuando una vuelta por día.

El movimiento de traslación de la Tierra se denomina plano de la eclíptica. Tomando como referencia dicho plano, se observa que el giro de la Tierra se encuentra inclinado respecto a él unos 23.45°. Tal inclinación provoca que en algunas épocas del año, en algunas zonas del planeta los rayos solares inciden de forma más directa que en otras, provocando cambios climáticos, denominadas las estaciones del año.

2.2.1 Radiación solar

“La radiación solar es una corriente de energía que el Sol irradia uniformemente

en todas direcciones del espacio en forma de ondas electromagnéticas”. (Romero,

2009, p. 17)

Para tener un concepto más claro, la radiación solar es el flujo de energía que llega del Sol en forma de ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias (luz visible, infrarroja y ultravioleta). La cantidad de esta energía depende de la altura solar, latitud, fecha y hora del día.

15 2.2.2 Tipos de radiación solar

La luz solar llega a la Tierra de tres maneras diferentes, llamadas: radiación directa, radiación difusa y radiación de albedo. (Romero, 2009).

 Radiación directa: la luz solar es recibida directamente del Sol sin modificación de trayectoria. Los haces de luz son totalmente paralelos.  Radiación difusa: es cuando la luz solar es distorsionada ya sea por

choques con partículas y los gases atmosféricos.

 Radiación de albedo: es la radiación directa y difusa que se recibe por reflexión en el suelo u otras superficies próximas. (Méndez y Cuervo, 2008) En la siguiente figura se muestra como llegan a la Tierra esos tipos de radiación.

Figura 2.3. Diversos tipos de radiación solar que se producen cuando la radiación atraviesa la atmosfera terrestre. (Moro, 2010, p. 18)

16

2.2.3 Variaciones estacionales de la radiación solar en algunas regiones de México

La cantidad de radiación solar que llega a la superficie terrestre depende de diversos factores, uno de ellos es la distancia de la tierra respecto al sol según la época del año, así como la inclinación del eje terrestre respecto al plano de la órbita solar. Esto ocasiona que los rayos solares lleguen con más potencia a algunas regiones del planeta dependiendo del mes que nos encontremos.

En México, estos factores tienen gran repercusión en las variaciones de radiación solar que se recibe en el territorio nacional. En la tabla 2.1 se muestran algunas regiones de la República Mexicana con sus valores de radiación solar según el mes. Se denominan horas pico solar.

Tabla 2.1. Actualización de los Mapas de Irradiación Global solar en la República Mexicana, datos en kWh/m2 por día. (Almanza, R., Cajigal. R., y Barrientos, J. 1999).

Estado Ciudad Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Min Max Med

Ags Aguascalientes 4.5 5.2 5.9 6.6 7.2 6.3 6.1 5.9 5.7 5.1 4.8 4 4 7.2 5.6 BCS La Paz 4.4 5.5 6 6.6 6.5 6.6 6.3 6.2 5.9 5.8 4.9 4.2 4.2 6.6 5.7 BC Mexicali 4.1 4.4 5 5.6 6.6 7.3 7 6.1 6.1 5.5 4.5 3.9 3.9 7.3 5.5 BC San Javier 4.2 4.6 5.3 6.2 6.5 7.1 6.4 6.3 6.4 5.1 4.7 3.7 3.7 7.1 5.5 BCS S. José del

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Jal Colotlán 4.6 5.7 6.5 7.5 8.2 6.6 5.8 5.6 5.8 5.3 4.9 4.1 4.1 8.2 5.9 Jal Guadalajara 4.6 5.5 6.3 7.4 7.7 5.9 5.3 5.3 5.2 4.9 4.8 4 4 7.7 5.6 Jal L. de Moreno 4.5 5.3 6.1 6.7 7.2 6.1 5.8 5.6 5.5 5 4.7 4 4 7.2 5.5 Jal Puerto Vallarta 5.2 5.7 6 5.8 5.7 5.5 5.6 5.7 5.5 5.6 5.2 4.7 4.7 6 5.5 Méx Chapingo 4.5 5.1 5.6 5.8 5.9 5.4 5.2 5.2 5 4.7 4.6 3.9 3.9 5.9 5.1 Mich Morelia 4.2 4.9 5.5 5.8 5.9 5.2 5 5.1 4.9 4.6 4.3 3.7 3.7 5.9 4.9 Nay Tepic 3.9 4.3 4.8 5.5 6.1 5.3 4.9 5.3 4.4 4.4 4 4.8 3.9 6.1 4.8 NL Monterrey 3.2 3.6 4.1 4.3 4.8 5.5 6.1 5.6 5 3.8 3.3 3 3 6.1 4.4 Oax Oaxaca 4.9 5.7 5.8 5.5 6 5.4 5.9 5.6 5 4.9 4.8 4.4 4.4 6 5.3 Oax Salina Cruz 5.4 6.3 6.6 6.4 6.1 5 5.6 5.9 5.2 5.9 5.7 5.2 5 6.6 5.8 Pue Puebla 4.9 5.5 6.2 6.4 6.1 5.7 5.8 5.8 5.2 5 4.7 4.4 4.4 6.4 5.5 Qro Querétaro 5 5.7 6.4 6.8 6.9 6.4 6.4 6.4 6.3 5.4 5 4.4 4.4 6.9 5.9 QR Chetumal 3.9 4.7 5.4 5.7 5.3 4.7 4.9 5 4.5 4.4 4 3.7 3.7 5.7 4.7 QR Cozumel 3.9 4.6 5.3 5.7 5.2 4.8 4.9 4.9 4.6 4.4 4 3.8 3.8 5.7 4.7 SLP Río Verde 3.6 4 4.6 4.9 5.4 5.6 5.8 5.8 5.1 4.3 3.7 3.3 3.3 5.8 4.7 SLP San Luis Potosí 4.3 5.3 5.8 6.4 6.3 6.1 6.4 6 5.5 4.7 4.2 3.7 3.7 6.4 5.4 Sin Culiacán 3.6 4.2 4.8 5.4 6.2 6.2 5.4 5.1 5.2 4.6 4.2 3.4 3.4 6.2 4.9 Sin Los Mochis 4.9 5.4 5.8 5.9 5.8 5.8 5.3 5.5 5.5 5.8 4.9 4.3 4.3 5.9 5.4 Sin Mazatlán 3.9 4.8 5.4 5.7 5.7 5.6 4.8 4.9 4.7 5 4.5 3.9 3.9 5.7 4.9 Son Ciudad Obregón 5.8 6.4 6.8 6.9 6.9 6.7 6.4 6.5 6.8 7.3 6 5.2 5.3 7.26 6.5 Son Guaymas 4.5 5.7 6.5 7.2 7.3 6.8 5.9 5.8 6.3 5.9 5.1 5.6 4.5 7.3 6 Son Hermosillo 4 4.6 5.4 6.6 8.3 8.6 6.9 6.6 6.7 6 4.7 3.9 3.9 8.6 6 Tamps Soto la Marina 3.4 4.2 4.9 4.9 5.1 5.3 5.4 5.4 4.9 4.6 3.7 3.2 3.2 5.4 4.6 Tamps Tampico 3.3 4.1 4.7 6.4 5 4.9 4.9 4.9 4.6 4.6 3.7 3.2 3.2 6.4 4.5 Tlax Tlaxcala 4.6 5.1 5.5 5.4 5.6 5.2 5.3 5.2 5.1 4.9 4.7 4 4 5.6 5.1 Ver Córdoba 3.1 3.3 3.6 3.8 4.1 4.4 4.6 4.5 4.1 3.5 3.1 2.8 2.8 4.6 3.7 Ver Jalapa 3.2 3.5 3.8 4.3 4.6 4.4 4.9 5 4.4 3.7 3.3 3 3 5 4 Ver Veracruz 3.7 4.5 4.9 5.1 5.1 4.8 4.7 5.1 4.6 4.8 4.1 3.6 3.6 5.1 4.6 Yuc Mérida 3.7 4 4.6 5.2 5.7 5.5 5.7 5.5 5 4.2 3.8 3.4 3.4 5.7 4.7 Yuc Progreso 4.1 4.9 5.4 5.5 5.3 5.1 5.3 5.3 5 5 4.4 4 4 5.5 4.9 Yuc Valladolid 3.7 4.1 3.1 5.4 5.7 5.3 5.4 5.4 4.9 4.2 3.8 3.5 3.1 5.7 4.5 Zac Zacatecas 4.9 5.7 6.6 7.5 7.8 6.2 6.2 5.9 5.4 4.8 4.8 4.1 4.1 7.8 5.8

18 2.3 SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO

Un sistema fotovoltaico es un conjunto de componentes mecánicos, eléctricos y electrónicos que se encargan de captar los rayos solares para transformarlos en energía eléctrica. (Méndez y Cuervo, 2007)

Las partes que forman a un sistema Solar Fotovoltaico son:

Figura 2.4. Componentes de un sistema Fotovoltaico. (Recuperado de:

http://www.funcosa.com.mx/productos/sistemas-fotovoltaicos/sistema-tipo-isla.html)

La energía solar fotovoltaica tiene ventajas así como también inconvenientes o desventajas.

 Ventajas de la energía solar fotovoltaica:

La energía solar fotovoltaica presenta las siguientes ventajas, que la hacen ser una fuente de energía viable.

 La energía del Sol es gratuita, ilimitada, autóctona con el medio ambiente, y favorece el abastecimiento energético.

 Aprovechan la radiación directa y difusa, por lo tanto son capaces de generar electricidad también en días nublados.

 Se produce energía a cualquier escala.

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 La instalación de energías solares fotovoltaicas ha ido creciendo más y más, con mejor calidad técnica.

 Se hace una gran inversión inicial, pero después solo es necesario mantenimiento.

 Desventajas e inconvenientes:

La energía solar fotovoltaica, también tiene algunas desventajas.

 La energía solar fotovoltaica no es apropiada para las zonas de los países pobres, debido a que generan dependencia, y la tecnología para fabricar paneles, no estará en su alcance, por la falta de recursos.

 Pese a que los sistemas fotovoltaicos cuentan con baterías, eso no asegura una disponibilidad ilimitada de energías, debido a que los rayos solares no siempre llegan a su máximo punto, hay días en los que la radiación es mínima. Si el consumo de electricidad procedentes del generador y acumulador es superior al ritmo de recarga del acumulador, esto provocará un agotamiento temporal de la instalación, hasta que el Sol restablezca de nuevo energía disponible.

 Los sistemas fotovoltaicos, en la mayoría de los casos están diseñados para bajos niveles de consumo. (García, 1999)

2.3.1 Célula fotovoltaica

20 2.3.1.1 Efecto fotovoltaico

Heinrich Rudolf Hertz observó que, entre dos esferas metálicas a diferente potencial, saltaba una chispa al ser fuertemente iluminadas. Otros experimentos lo hicieron concluir que los metales emiten cargas negativas bajo la acción de luz, fenómeno al que llamó efecto fotoeléctrico. (Valentín, 2012)

El efecto de la luz sobre superficies metálicas puede ser de tres tipos:

 Fotoemisivo, es el que provoca un arranque de electrones, con emisión de los mismos.

 Fotoconductivo: es el efecto que modifica la conductividad del metal.

 Fotovoltaico: éste crea una fuerza electromotriz en el metal. El efecto fotovoltaico fue el fundamento de las células fotovoltaicas.

El efecto fotovoltaico es un proceso por el cual una célula fotovoltaica transforma los rayos solares en energía eléctrica. Se expresa mediante las siglas FV.

La luz del Sol se compone por fotones, o por partículas energéticas. Las partículas energéticas son de diferentes energías, correspondientes a las diferentes longitudes de onda del espectro solar. Únicamente los fotones que son absorbidos por las células fotovoltaicas generan electricidad, se logra esto porque transfieren su energía a un electrón de un átomo de la célula. Con esa energía el electrón abandona su posición en el átomo e inicia un movimiento formando una parte de una corriente eléctrica.

2.3.1.2 Materiales semiconductores

Son los componentes fundamentales en la composición de células fotovoltaicas, su estructura es una unión PN.

21

Figura 2.5. Estructura atómica del átomo. (Recuperado de:

http://electricidadytelecomunicaciones.blogspot.mx/p/estructura-del-atomo-electronesprotones.html)

El silicio es el elemento fundamental en las células fotovoltaicas. El átomo de silicio tiene cuatro electrones en su órbita exterior. Cada átomo comparte esos cuatro electrones con los átomos que lo rodean, de esa manera obtiene ocho electrones orbitales. A través de esos enlaces se mantiene unida la estructura cristalina, como se muestra en la figura 2.6.

Si a esa red cristalina se le aporta una energía externa suficiente para romper los enlaces, algunos electrones se moverán libremente por la red cristalina. Los huecos se comportan como una carga positiva.

22

Si se introducen átomos de otros elementos se denomina dopado o dopaje, varía la distribución estructural. Si los átomos introducidos tienen un electrón más (fosforo, antimonio, etc.) se trata de un dopado de tipo N. y si tiene un electrón menos (ejemplo, boro, galio, etc.) se trata de un dopado tipo P.

Si en el silicio se realiza el dopado de ambos tipos, en la estructura cristalina se forman dos zonas separadas. A ese fenómeno se le llama unión PN. Los electrones sobrantes de la zona N van a la zona P, de esta manera la zona P queda con cargas positivas. Como los electrones no pueden moverse libremente y recombinarse, por que forman parte de una red cristalina, forman un campo eléctrico (una diferencia de potencial) entre ambas zonas. Ver figura 2.7. (Valentín, 2012).

Figura 2.7. Campo eléctrico en una unión PN. (Valentín, 2012, p. 31)

2.3.1.3 Estructura de las células fotovoltaicas

La luz del Sol incide sobre la capa N compuesta de silicio con un dopado usualmente de fosforo. La capa P es de silicio dopado con boro o galio.

23

Figura 2.8. Diseño de una célula solar de silicio. (Valentín, 2012, p. 32)

2.3.1.4 Construcción de células solares

El material más utilizado para la fabricación de células fotovoltaicas es el silicio, el cual es el segundo elemento más abundante del planeta después del oxígeno. (Díaz, Cabrera, Martel, Pardilla, Subiela, 2008)

La célula fotovoltaica está compuesta por una oblea de silicio, dopada con una cara anterior de fosforo y posterior de boro o galio.

El proceso de fabricación se describe en tres etapas: a). Se obtiene el silicio de alta pureza.

b). Se obtienen las obleas.

c). Se hace el procesamiento de las obleas.

El silicio se encuentra en forma de silicatos (arcillas, arenas, etc.). Para obtenerlo se parte del óxido de silicio y se funde con polvo de carbono, de esa manera se obtiene un silicio con una pureza cercana al 98%, que se somete a otro proceso químico para mejorar ese valor a 99.99%.(Valentín, 2012)

24

silicio cristalino de unos 30cm de diámetro por 1m de largo aproximadamente. Dependiendo del proceso de calentamiento y enfriado, se obtiene silicio monocristalino o policristalino.

Las barras o bloques obtenidos se cortan con sierras especiales en láminas finas, produciendo obleas con un espesor de aproximadamente 300� obteniendose de esa manera, células circulares. Éstas son cortadas ya sea cuadradas, rectangulares o biseladas. Como se muestra en la figura2.9.

Para obtener finalmente la célula solar, la oblea sufre un procesamiento que consiste de los siguientes pasos:

 lapeado y pulido.

 formación de unión p-n.  decapado y limpieza.  capa antirreflectante.

 fotoligrafía para formación de contactos.  formación de contactos o electrodos.  material para soldadura de electrodos.

 limpieza del decapante y comprobación de las características de la celda.

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Las obleas se deben limpiar y decapar, para eliminar residuos metálicos de la sierra de corte o restos de otros tipos del proceso de fabricación. Se debe procesar la superficie en la que va incidir la luz solar, para favorecer la absorción y reducir la reflexión. A este proceso se le denomina texturización, consiste en crear pequeñas pirámides en la superficie. Estas micropirámides se crean mediante un proceso químico en la superficie de la célula que puede realizarse antes o después del dopado.

Este proceso no puede aplicarse a las células de silicio policristalino, a éstas se les aplica una capa antirreflectante sobre la cara receptora de la célula. Está compuesta de nitrato de silicio o de dióxido de titanio.

Como etapa final se debe dotar a la célula de los contactos eléctricos necesarios para facilitar la captación de la energía eléctrica generada. En la parte posterior, que no recibe radiación solar, se deposita una capa delgada de aluminio, plata u otro material conductor.

Este proceso es más complejo en la cara que recibe la radiación, porque entre mayor sea la superficie de contacto, mayor cantidad de cargas capturadas habrá, pero menos radiación pasará.

26

Figura 2.10. Fabricación de una célula fotoeléctrica. (Valentín, 2012, p. 34).

2.3.1.5Tipos de células fotovoltaicas

De acuerdo a la estructura del silicio, se distinguen tres tipos de células fotovoltaicas, las más comunes son las de silicio monocristalino, las de silicio policristalino y los módulos de capa fina.

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Figura 2.11. Panel solar de silicio monocristalino (García, 1999, p.25)

 Células de silicio policristalino. Son células que tienen una estructura no uniforme. El costo de éstas es menor que las monocristalinas, se fabrican en moldes rectangulares. La mayoría de paneles solares que se fabrican en la actualidad son de este tipo de material. La eficiencia de las células de policristalino hace algunos años era menor que las de silicio monocristalino, sin embargo, el rendimiento se viene igualando en los últimos años. La eficiencia es de 10 a 12%.

 Células de capa fina. Éstas se fabrican desde los noventas. El semiconductor se deposita en fina capa sobre un sustrato de bajo coste, en la mayoría de los casos cristal. Se suelen usar como semiconductor, materiales como silicio amorfo, el cobre-indio-selenio (CIS), el telurio de cadmio (CdTe), y el cobre-indio-galio-selenio (CIGS). La eficiencia de una célula de silicio amorfo está entre 6 y 8%.

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amorfo se degradan en poco tiempo de exposición a los rayos solares y su eficiencia se estabiliza en un valor inferior al inicial. (Moro, 2010).

2.3.1.6 Características de las células fotovoltaicas

Las características eléctricas que tienen las células fotovoltaicas son las que se muestran a continuación:

 Tensión a circuito abierto.  Intensidad de corto circuito.

 Potencia máxima, con sus correspondientes valores de tensión e intensidad.

Para la obtención de los valores de las magnitudes anteriores se hace mediante el diseño del circuito equivalente y el experimental, con sus curvas características.

2.3.1.6.1 Circuito eléctrico equivalente de una célula fotovoltaica

Figura 2.12. Circuito equivalente de una célula fotovoltaica. (Valentín, 2012, p. 35)

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de silicio dopado. Las resistencias y el capacitor representan las pérdidas que se presentan en la célula fotovoltaica.

2.3.1.6.2 Curvas características de una célula fotovoltaica

Las curvas de una célula fotovoltaica proporcionan de manera gráfica el comportamiento energético.

Para obtener los datos de las curvas se parte de una célula y en condiciones normalizadas de temperatura y radiación (norma IEC 60904) son: Irradiancia (1,000 W/m2), distribución espectral (1.5 A), incidencia (perpendicular a la superficie) y temperatura de la célula (a 25°C).

Para llevar a cabo las mediciones correspondientes se utiliza un Vóltmetro, un Ampérmetro, una resistencia variable y una célula solar.

Figura 2.13. Obtención de curvas características de una célula fotovoltaica. (Valentín, 2012, p. 36)

30

Figura 2.14. Gráfica de tensión, intensidad y potencia de una célula fotovoltaica. (Valentín, 2012, p. 36)

De la gráfica se tiene: en el punto 1, es a circuito abierto, por lo tanto se presenta una tensión máxima y la intensidad de corriente es nula; en el punto 2, la resistencia es nula o también es considerado corto circuito, de tal modo la tensión es nula y se tiene una intensidad de corriente máxima; por último el punto 3, indica una potencia máxima , eso quiere decir, que el producto de la tensión por la intensidad es máximo.

31

Figura 2.15. Gráficas de variación de la tensión y de la intensidad con la temperatura y radiación.(Valentín, 2012, p. 37)

2.3.1.7 Pérdidas y rendimiento

Las células fotovoltaicas tienen pérdidas que limitan su rendimiento, esto ocasiona que solo es posible extraer una parte de la energía solar que incide sobre ella. Dichas pérdidas son causadas por lo siguiente:

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 Energía de los fotones demasiado baja como para romper el enlace del silicio y generar un par electrón-hueco 22%.

 A veces la energía de los fotones es demasiado elevada para romper el enlace del silicio: 30%.

 Existe pérdida de energía debido a la recombinación de electrones y huecos: 8.5%.

 La pérdida de tensión en la célula es de 20%.  Pérdidas en las resistencias es de 0.5%.

Todas estas pérdidas limitan el rendimiento de la célula en 16% aproximadamente. (Moro 2010).

2.3.2 Paneles o módulos fotovoltaicos

“Los paneles fotovoltaicos son elementos que transforman la luz del Sol

(protones), en energía eléctrica a partir de células fotoeléctricas”. (Roldan, 2012, p.

94).

Una célula no es capaz de proporcionar una tensión que pueda utilizarse en la práctica, solo genera una tensión de alrededor de medió Volt para las células de silicio. Por lo tanto, un panel o módulo fotovoltaico está formado por un conjunto de células solares, conectadas eléctricamente para proporcionar valores de corriente y tensión necesarios para una aplicación determinada.

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Antes de salir al mercado los paneles son sometidos a pruebas muy rigurosas, debido a que éstos estarán expuestos durante muchos a años a las más duras condiciones climatológicas debido a que están a la intemperie, que pueden variar de un calor extremo hasta temperaturas de grados bajo cero, pasando por fuertes vientos, huracanes, atmosferas húmedas, etcétera. Por ejemplo, alguna de las pruebas a que se someten dichos paneles son: ciclos térmicos, es decir, se varía la temperatura desde -40°C hasta 90°C varios cientos de veces, a fuertes vientos alternativamente en uno y otro sentido, observando que no se producen roturas ni fisuras por vibración, o desprendimiento de contactos. Con todas esas pruebas se garantiza un buen funcionamiento con un rendimiento de al menos 25 años consecutivos, sin necesidad de reparación. (Fernández, 2010).

Todos los paneles deben satisfacer las especificaciones UNE-EN 61215:1997 para módulos de silicio cristalino o UNE-EN 61646:1997 para módulos fotovoltaicos de capa delgada, así como estar calificados por algún laboratorio acreditado por las entidades nacionales de acreditación. (Salas, 2008)

Los paneles solares pueden ser de dos tipos, estacionarios o estar orientados hacia el Sol por medio de un seguidor solar. La ventaja que presentan los paneles estacionarios es que no necesitan de un equipo de orientación, lo cual requeriría un costo extra. Por otro lado, los paneles orientados hacia el Sol tienen la ventaja de que la generación de energía eléctrica aumenta.

El módulo está constituido por un marco o caja metálica abierta por una cara o superficie mayor, elementos o células de silicio, material encapsulante, recubrimientos anterior y posterior y conexiones eléctricas.

2.3.2.1 Parámetros del panel

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a). Corriente de corto circuito _���: Es la máxima intensidad de corriente que proporciona el panel, y corresponde a la corriente que entrega cuando se conectan directamente los dos bornes.

b). Tensión de circuito abierto _���: Es la máxima tensión que proporciona el panel, en el caso en que los bornes están sin conectar. La tensión suele ser menor de 22 V para módulos que vayan a funcionar a 12 V.

c). Punto de máxima potencia. Existe un punto de funcionamiento ( _�, _�) para el cual la potencia entregada es máxima.

= _� � _� (2.1)

Ese es el punto de máxima potencia del módulo, y su valor se da en Watts [W]. Cuando trabaja en este punto, se obtiene mayor rendimiento posible del panel. Sin embargo, no hay que olvidar que en la práctica la tensión de trabajo viene determinado por la batería o el convertidor. Los valores típicos de _� y _� son algo menores a los de y .

d). Factor de forma_��: Es la relación entre la potencia máxima que el panel puede entregar y el producto _� . Proporciona una idea de la calidad del panel ya que es una medida de lo escarpada que es su curva característica, de forma que cuanto más se aproxima a la unidad, mayor potencia puede proporcionar. Los valores comunes están entre 0.7 y 0.8.

e). Eficiencia o rendimiento�: Es el cociente entre la máxima potencia eléctrica que el panel puede entregar a la carga y la potencia de la radiación solar incidente sobre el panel, habitualmente en torno al 10%. (García, 1999)

Teniendo en cuenta las definiciones anteriores, se llega a la siguiente expresión:

35

Los valores de , , _� y _�los suministra el fabricante, refiriéndonos a las condiciones estándar (CE) de medida, como sigue:

 Irradiancia G (CE)=1 kW/m2.  A nivel del mar.

 Para una temperatura de las células de = 25° .

Los módulos fotovoltaicos se identifican por su placa de características.

2.3.2.2 Clasificación de paneles fotovoltaicos comerciales

Los paneles fotovoltaicos se pueden clasificar según los siguientes criterios:

 Según el tipo de célula que contienen, es decir, paneles monocristalinos, policristalinos y amorfos.

 Según el tipo de material del cual están fabricados, paneles de silicio, de arseniuro de galio, de telurio de cadmio, de película de silicio, etc.

 Según la potencia que son capaz de producir. Existen minipaneles de tan sólo 1W o 2W de potencia. Y también podemos encontrar grandes paneles de hasta 300W. las potencias nominales más usuales que se pueden encontrar en el mercado son: 5W, 10W, 20W, 35W, 100W, 175W, 200W, 230, 250, etc.

 Según la tensión, de acuerdo al número de células, se habla de paneles de 6, 12, 24 V, etc., para coincidir con la tensión de los acumuladores que más se emplean.

36 2.3.2.2.1 Soportes de los paneles solares

Para el aprovechamiento de la energía solar, es necesario que los módulos fotovoltaicos dispongan de cierta inclinación y orientación, por lo tanto se utiliza un soporte, el cual cumple las siguientes funciones. (Steluta, 2009)

 Servir de soporte y fijación de los paneles.

 Garantizar la inclinación y orientación adecuadas.  Prevenir sombras en los paneles solares.

 Asegurar la distancia entre los paneles solares.

Las sombras que pueden dar los obstáculos son edificios, árboles, u otros módulos. Esto ocasiona grandes pérdidas

Para el cálculo de distancia mínima entre filas de módulos se consideran los siguientes casos:

 Entre el campo fotovoltaico y algún obstáculo próximo.

 Entre dos filas de módulos, cuando estos tienen cierta inclinación con respecto a la horizontal o vertical.

La distancia , medida sobre la horizontal, entre una fila de módulos y un obstáculo de altura , que puede producir sombra sobre el sistema FV, tiene que ser igual o superior al valor obtenido por la expresión:

=

67°−

=

Donde:

 : es la separación entre filas de módulos o distancia de una fila a un obstáculo.

37

 : es un coeficiente adimensional cuyo valor se obtiene a partir de la latitud del lugar. (Steluta, 2009).

Figura 2.16. Distancia mínima entre módulos. (Steluta, 2009, p. 25)

Donde:

 : es la longitud del módulo.

 : es el ángulo de inclinación del módulo.

2.3.2.2.2 Inclinación de los paneles solares

Es necesario instalar o establecer el ángulo de inclinación del módulo solar. El grado de inclinación es igual al grado de latitud en donde se encuentra.

38 2.3.3 Acumuladores o baterías eléctricas

“Un acumulador o batería es un dispositivo electroquímico capaz de transformar una energía potencial química en energía eléctrica”. (Méndez y Cuervo, 2007, p. 101)

Una batería se compone de dos electrodos sumergidos en un electrolito donde se producen las reacciones químicas debidas a la carga o descarga.

Figura 2.17. Electrodos de una batería. (Méndez y cuervo, 2007, p. 102)

Las características que definen el comportamiento de una batería son las siguientes:

a). Tensión nominal. Esta suele ser de 12 Volts. b). Capacidad de descarga en Amperes hora (Ah).

Se define como la cantidad de electricidad que puede obtenerse durante una descarga completa de la batería completamente cargada. Es el producto de la intensidad de descarga por el tiempo que actúa.

39

La capacidad de la batería se puede variar a través de los siguientes factores:  Tiempo de descarga: si es corto disminuye la capacidad, si es largo

aumenta la capacidad.

 Temperatura de la batería y de su entorno: en caso de ser inferior a la temperatura a la que se cataloga la batería, la capacidad disminuye, por otro lado, si es superior, la capacidad aumenta pero puede reducir el número de ciclos de vida de la batería.

 Conexión de baterías: se conectan en paralelo (positivo a positivo y negativo a negativo), en este caso se suman las capacidades. Sólo se deben conectar en paralelo baterías de igual tensión y capacidad. También se conectan en serie (positivo con negativo), en este caso no se afecta la capacidad. (Méndez y cuervo, 2007)

c) Profundidad de la descarga. Se denomina como el porcentaje de la capacidad total de la batería que es utilizada durante un ciclo de carga/descarga.

De acuerdo a la profundidad de descarga las baterías se clasifican en:

 Baterías de descarga superficial: entre el 10-15% de descarga media, puede llegar hasta el 40-50%.

 Baterías de descarga profunda: entre el 20-25% de descarga media, pudiendo llegar hasta el 80%. Para las aplicaciones fotovoltaicas se emplean baterías de descarga profunda. (Méndez y Cuervo, 2007)

d) Vida útil. La vida de una batería se expresa en ciclos, que se definen como el número de veces que se produce una carga/descarga.

La vida de una batería depende de los siguientes factores:  Espesor de las placas.

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La profundidad de descarga es el factor más importante, cuanto más profunda sea la descarga de la batería, menor será el número de ciclos y por lo tanto al producirse constantes ciclos de carga y descargas profundas, menor será la vida útil de la batería. (Méndez y cuervo, 2007).

Nota: el número de ciclos de una batería así como la profundidad de descarga deben ser facilitados por el fabricante.

2.3.3.1 Tipos de baterías

Las baterías se dividen en dos grupos:

 No recargables. Son conocidas como pilas, la reacción química que se produce durante su uso es irreversible. Su vida dura en lo que tardan en descargarse.

 Recargables. Son conocidas como acumuladores. Su vida útil depende del número de ciclos y de la profundidad de descarga. Necesitan algunas normas de mantenimiento (Méndez y Cuervo, 2007)

En el mercado existen diferentes tipos de baterías, fundamentalmente se puede hablar de baterías de:

 Plomo-Ácido.  Níquel-Cadmio.

Las baterías de Níquel-Cadmio presentan unas cualidades excepcionales pero no son muy recomendables para los sistemas fotovoltaicos debido a que su coste es muy elevado.

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2.3.3.2 Funcionamiento del acumulador

El objetivo del acumulador es abastecer de energía eléctrica al sistema cuando no la proporciona el campo de paneles. De esa manera el acumulador repite un ciclo de carga y descarga dependiendo de la presencia y ausencia del Sol.

El funcionamiento consiste en los siguientes puntos:

 Durante las horas en que hay sol, el campo de paneles produce energía eléctrica. La energía que no es consumida se emplea para cargar el acumulador.

 En momentos de ausencia de sol, cualquier demanda de energía eléctrica es atendida por el acumulador.

Si el acumulador no almacena suficiente energía para satisfacer la demanda requerida en periodos con ausencia de sol, entonces el sistema no estará disponible para el consumo. Por el contrario, un cálculo en exceso de la misma resulta caro e ineficiente. Por lo tanto se debe llegar a un compromiso entre coste y disponibilidad del sistema, para lo cual se hace uso del número de días de autonomía. (García, 1999).

En el funcionamiento normal del acumulador, durante el cual se va cargando y descargando cíclicamente, existen dos extremos: sobrecarga y sobredescarga.

 Sobrecarga. Cuando el acumulador llega a su límite de carga, y si se le sigue inyectando más energía, el agua de la disolución se empieza a descomponer, produciendo oxígeno e hidrógeno. Es fenómeno de gasificación o gaseo, esto oxida el electrodo positivo.

42 2.3.4 Regulador de carga

El regulador monitorea la tensión de la batería, cuando dicha tensión alcanza un valor para el cual se considera que la batería se encuentra cargada (aproximadamente 14.1 V para una batería de 12 V nominales), es decir, el regulador interrumpe el proceso de carga.

2.3.5 Inversor

El inversor o convertidor, se encarga de adaptar la corriente continua producida por los paneles solares a las características eléctricas requeridas por las cargas a alimentar, es decir, cargas de corriente alterna. (Arenas y Zapata, 2011).

Figura 2.18. Inversor. (Arenas y Zapata, 2011, p. 33)

2.3.5.1 Funcionamiento

Un inversor está compuesto por los siguientes bloques:

 Filtro de entrada: atenúa el rizo que produce la conmutación en la corriente de entrada.

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 Puente inversor: convierte la señal continua en señal alterna.  Filtro de salida: elimina o atenúa los armónicos no deseados.

 Transformador: adecúa el valor de tensión de salida del puente al de la red y proporciona aislamiento galvánico entre la parte DC y AC.

 Control: realiza la supervisión de la entrada y la salida del convertidor DC/DC y del puente inversor y entrega las consignas correspondientes para localizar y seguir el punto de máxima potencia del generador.

 potencia del generador, y para obtener una señal sinusoidal con bajo contenido en armónicos en la salida del inversor(Perpiñán, 2013).

Figura 2.19. Esquema de un inversor monofásico con topología VSI. (Perpiñán, 2013, p. 68).

La figura incluye un convertidor DC/DC tipo Boots (elevador) junto con el puente inversor, ambos utilizando dispositivos IGBTs. Este equipo incluye un transformador de baja frecuencia a la salida.

2.3.6 Elementos de protección

Son elementos para proteger el sistema fotovoltaico ante posibles descargas y derivación de elementos en caso de falla o situaciones de sobredescarga. Principalmente se utilizan diodos de bloqueo, diodos de bypass interruptores para desconexión, etc.

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que los diodos de bloqueo impiden que la batería se descargue a través de los paneles fotovoltaicos en ausencia de luz solar, de igual forma evitan que el flujo de corriente eléctrica se invierta entre bloques de paneles conectados en paralelo, cuando en uno o más de ellos se produce una sombra. Por otro lado, los diodos de bypass protegen individualmente a cada panel de posibles daños ocasionados por sombras parciales. Éstos deben ser utilizados en disposiciones en que los módulos están conectados en serie. Generalmente son utilizados en sistemas fotovoltaicos que funcionan a más de 24 Volts. (Arenas y Zapata, 2011)

En la figura 2.20 se muestra un esquema de conexión de los diodos de bloqueo y bypass.

Figura 2.20. Diodos de protección. (Arenas y Zapata, 2011, p. 35)

2.3.7 Equipos de consumo

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consumir, ya sea diario, mensual, bimestral o anual. Se debe tener en cuenta los consumos mínimos y máximos que puedan existir, es decir, si es una casa para fines de semana, si se consume más en una época determinada, como por ejemplo el riego, etcétera. Esto se hace de acuerdo con los usuarios, porque de respetar estos consumos depende el éxito de la instalación. (García, 1999)

Dependiendo de la utilización y del tamaño de potencia los sistemas fotovoltaicos se pueden clasificar en lo siguiente:

 Sistemas aislados.

 Sistemas fotovoltaicos de conexión a red.  Sistemas híbridos.

2.4 SISTEMA AISLADO

Un sistema aislado es aquel que se lleva a cabo en lugares alejados a la red eléctrica, y en el cual resulta más barato instalar paneles solares que tender una red hasta tal lugar, como ejemplo de este tipo de lugares son, zonas rurales, carreteras, suministro de bombeo de agua, suministro eléctrico en yates.

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Figura 2.21. Sistema fotovoltaico autónomo. Recuperado de: http://econotecnia.com/sistema-solar-conectado-a-la-red.html (2014)

2.4.1 Componentes de un sistema aislado

Un sistema aislado está compuesto por los siguientes elementos:

 Módulos fotovoltaicos: éstos captan los rayos de la energía del sol y los transforman en energía eléctrica.

 Regulador de carga: se encarga de proteger los acumuladores de un exceso de carga, y de la descarga por exceso de uso de la misma.

 Acumulador: este dispositivo se encarga de almacenar energía eléctrica producida por los paneles, es decir la que no se consume inmediatamente, para utilizarla en periodos de baja irradiación solar. La acumulación se hace por medio de baterías, las más usuales son de plomo-ácido. para que pueda ser utilizada en momentos que no haya energía solar, ejemplo en la noche.

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 Elementos de protección del circuito: tienen como misión proteger la descarga y derivación de elementos en caso de una falla o en caso de una sobrecarga.

Existen también aplicaciones aisladas, sin necesidad de baterías, por lo tanto solo funcionan cuando hay presencia de rayos solares. Como ejemplo de esto es un sistema de bombeo de agua.

Para tener un concepto más claro de este tipo de sistema, ver la siguiente figura.

Figura 2.22. Funcionamiento de un sistema fotovoltaico aislado. (Sensstech, 2014)

2.5 SISTEMA FOTOVOLTAICO INTERCONECTADO A LA RED (SFVI)

Este es un tipo de instalación en lugares donde ya se cuenta con redes eléctricas, la función es producir energía eléctrica y venderla a la compañía suministradora, o reducir el costo por el consumo de la energía eléctrica.

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De este modo no es necesario el uso de baterías, las cuales son la parte más cara y compleja de una instalación de este tipo. La energía producida por este sistema será consumida totalmente y la energía sobrante será inyectada a la red para su distribución en otros puntos de consumo. De esta manera se pueden distinguir dos esquemas, la retribución con prima (feed-in tariff) y el balance neto (net-metering).

En el primer esquema, el propietario del SFVI recibe ingresos de la energía total producida. En este caso, el diseño no necesita considerar un consumo a satisfacer. El objetivo principal del diseñador es que la producción anual del sistema sea la máxima posible sin tomar en consideración los consumos cercanos.

El mecanismo de balance neto compensa los saldos de energía eléctrica entre el SFVI y un sistema de consumo asociado. Cuando la producción de los módulos fotovoltaicos es mayor a la energía necesaria, la red eléctrica absorbe la energía excedente, generándose derechos de consumo diferido para el propietario del SFVI, para momentos cuando la producción del SFVI no es suficiente para satisfacer el consumo asociado. (Perpiñán, 2013).

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Figura 2.24. Sistema fotovoltaico interconectado a la red. Recuperado de: http://econotecnia.com/sistema-solar-conectado-a-la-red.html (2014)

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2.5.1 Características de un SFVI sobre suelo y en edificación

Se distinguen dos características de un SFVI, instalados sobre el suelo y en edificación. Dentro de los instalados sobre suelo existen los sistemas estáticos, con una orientación e inclinación fija, y los sistemas de seguimiento que varían la posición del generador a lo largo de día y año para aumentar la radiación efectiva incidente. En el caso de los instalados en edificación se diferencian los sistemas según el grado de integración del sistema con el edificio.

La función principal de un diseño con SFVI sobre el suelo, es maximizar la producción energética anual del sistema con el menor coste y la menor ocupación de terreno posible. Se tienen dos clasificaciones: los sistemas estáticos, y los de seguimiento. Los sistemas estáticos son aquellos cuya inclinación y orientación permanece inalterable, y los sistemas de seguimiento.

Son mejor los sistemas de seguimiento, porque la radiación incidente aumenta al seguir al Sol; además las pérdidas por reflexión disminuyen si el apuntamiento al Sol mejora. Lo único que se debe lograr es reducir el ángulo formado entre la línea que une el generador con el Sol. (Perpiñán, 2013).

El diseño de un SFVI en edificación es más difícil de instalar, ya que la integración del sistema fotovoltaico con el edificio exige tener en cuenta muchos factores que condicionan la ubicación y la configuración del generador. La orientación e inclinación del generador fotovoltaico ya no puede ser elegida para optimizar la producción energética si no que las características propias del edificio y de los elementos que alberga obligan a optar por ángulos que difieren del óptimo.

2.5.2 Beneficios de la interconexión a la red

 La energía es generada por un recurso gratis e interminable, el Sol.

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 Al no almacenar la energía en baterías hay menos pérdidas de energía y por lo tanto son sistemas altamente eficientes.

 Ahorro considerables en la facturación.

 Es ecológico, no contamina al planeta. Recuperado de http://www.saycemx.com/archivos/interconexion/interconexion-a-cfe.pdf (2014)

2.5.3 Partes de un sistema conectado a la red

La instalación de un sistema conectado a la red, contiene los mismos elementos que un sistema aislado. La única diferencia es que no cuenta con acumuladores o baterías.

a). Generador fotovoltaico: es elemento captador de energía, se encarga de recoger la radiación solar para transformarla en energía eléctrica. Está constituido por un conjunto de paneles o módulos fotovoltaicos conectados en serie o paralelo, para proporcionar la energía necesaria. Debido a que la irradiación solar es variable por las condiciones climatológicas, si se requiere disponer de energía eléctrica en cualquier instante, es necesario tener un acumulador de energía. (Perpiñán, 2013)

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b). Inversor. La energía producida por los paneles fotovoltaicos es en corriente continua, pero la mayoría de los aparatos funcionan en corriente alterna. Por ese motivo es necesaria la participación de un inversor DC/AC. Su función es transformar la corriente continua (DC) en corriente alterna (AC) y decide el momento de introducirla a la red.

b.1) Tipos de inversores. Los inversores pueden agruparse en tres categorías.

 Inversor central. Es un único inversor, dedicado a todo el generador.

 Inversor orientado a rama. Es un inversor dedicado únicamente a una rama del generador fotovoltaico.

 Modulo AC. Es un inversor dedicado a un módulo del generador.

Para elegir uno de estos inversores se debe saber en dónde se llevan a cabo. Por ejemplo los inversores orientados a rama son particularmente útiles en sistemas de integración arquitectónica, ya que se adaptan mejor con orientaciones e inclinaciones diversas. Los inversores centrales se recomiendan para instalaciones de medio o gran tamaño, reducen costes de instalación, adquisición y mantenimiento.

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Figura 2.27. Inversor de interconexión a la red. Recuperado de

http://articulo.mercadolibre.com.mx/MLM-445024311-inversor-interconexion-1000w-red-cfe-105-28vcd-panel-solar-_JM (2014)

Generalmente, los inversores tienen capacidad para soportar una mayor potencia que la nominal durante ciertos intervalos de tiempo, el cual corresponde con el pico de consumo que se puede producir en el arranque de ciertos electrodomésticos (motores).

c). Medidor bidireccional. Dado el intercambio de energía eléctrica que se tiene en el Punto de Acoplamiento común, entre el SFV-usuario y la red y a la cual está interconectado el SFV, es necesario contabilizar de manera separada tanto la energía que se demanda de la red como aquella que es vertida del SFV a ella por un superávit en la generación FV. Esta medición se debe realizar mediante un solo equipo, el cual debe ser del tipo estado sólido. El cual se denomina medidor bidireccional. (especificación CFE G0100-04, 2008)

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temporal, mismos que se restan del total de su consumo al final del bimestre. La medición de la energía demandada de la red, como la vertida de SFV a esta, es responsabilidad de la compañía suministradora. (Especificación CFE G0100-04, 2008).

El Sistema solar fotovoltaico debe estar dimensionado para generar energía eléctrica de acuerdo al promedio anual de tal residencia o instalación, con el objetivo de pagar la menor cantidad en la facturación de energía eléctrica. (Elirmex, energía limpia y renovable de México, recuperado de: http://www.elirmex.com.mx/, 2014)

Figura 2.28. Medidor bidireccional digital. Recuperado de: http://www.elirmex.com.mx/medidor-bidireccional.html (2014)

d). Elementos de protección del circuito: se encargan de proteger la descarga y derivación de elementos en caso de fallo o situaciones de sobrecarga.

2.6 SISTEMA HÍBRIDO