ESTUDIO PARA LA ELECTRIFICACION CON ENERGIAS ALTERNATIVAS, UTILIZANDO CELDAS FOTOVOLTAICAS PARA ELECTRIFICAR EL POBLADO DE CANADA COLORADA, MUNICIPIO DE APAXCO, ESTADO DE MEXICO

175  20  Descargar (1)

Texto completo

(1)

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

 

       

       ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA         UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS” 

   

      

      

 

“ESTUDIO PARA LA ELECTRIFICACIÓN CON ENERGÍAS ALTERNATIVAS, UTILIZANDO CELDAS FOTOVOLTAICAS PARA ELECTRIFICAR EL

POBLADO DE CAÑADA COLORADA, MUNICIPIO DE APAXCO, ESTADO DE MÉXICO”

 

     

T E S I S

 

 

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTAN: JOSÉ CARILLO YÁÑEZ

JESÚS ISIDRO ENRIQUE MORALES LÓPEZ

ASESORES:

M. EN C. RUBEN ORTÍZ YAÑEZ

M. EN C. JUAN DE JESÚS NERI ESCUTIA GÓMEZ

(2)

AGRADECIMIENTOS Y DEDICATORIAS

Este trabajo representa para nosotros, una de las culminaciones de nuestra vida ya profesional, por lo que agradecemos a aquellas personas que sin ser nombrados oficialmente, participaron en gran medida en la conclusión de este trabajo a nuestros profesores y compañeros.

Así mismo, por el significado que tienen en nuestras vidas, dedicamos este trabajo a:

A MIS PADRES: Por toda la ayuda y compresión que con tanto cariño me han brindado a lo largo de mi vida porque sin ellos,

no seria lo de hoy. Mil gracias a ustedes y a Dios por permitirme que vivamos juntos esta hermosa realidad.

A MIS ABUELOS: Por todo el amor y la gran fuerza que me dieron para evadir los grandes obstáculos de la vida.

A MI ESPOSA: Por todo el apoyo y amor que me brindas cada Momento de mi vida y de hacerme tan feliz para Cumplir mis objetivos en mi vida.

A MI HIJO: Que en el momento que llegues a mi vida eres mi gran motivación como lo has sido estos meses para lograr todo lo imposible en posible

ESIME: Por habernos dado el apoyo necesario en la terminación de mis estudios y carrera.

(3)

AGRADECIMIENTOS

Realizar esta tesis no ha sido fácil para mi compañero y para mí, pero ha sido gratificante haber terminado este trabajo, el cual ha estado acompañado de grandes experiencias y retos, que hemos ido superando uno a uno y al concluirlo esperamos beneficiar a toda una comunidad.

Doy gracias a DIOS porque de ÉL he recibido un sin fin de bendiciones: el don de la vida, unos padres y hermanos maravillosos.

A mis padres, Estela y Enrique por el invaluable apoyo que me han dado en mi vida.

A mis hermanos, Gemma y Felipe, de los que estoy muy orgulloso y quiero mucho, porque cada uno ha ido cumpliendo sus objetivos y me han alentado para alcanzar el mío.

A mis abuelitos, por haberme acompañado siempre en cada uno de mis logros.

A mis tíos, por todos los consejos y muestras de cariño que recibido de ellos.

A mis primos, por todas las alegrías y tristezas en que siempre me han acompañado.

A mis padrinos, por todo el apoyo incondicional que han tenido con mi familia y conmigo en las muchas ocasiones en los que hemos llorado y reído juntos.

A mis profesores del INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL a los que agradezco por haberme inculcado los conocimientos necesarios para que yo pudiera llegar a terminar mi carrera de ingeniero.

(4)

Al Ingeniero Antonio Urbano Castelán y a su grupo de colaboradores por sus atenciones e información que me proporcionaron para que pudiera avanzar en el capítulo de cálculos técnicos sin el cual, este trabajo estaría incompleto.

A mis compañeros de la carrera de ingeniería eléctrica de la generación 2002 - 2007 de ESIME ZACATENCO.

A todos mis amigos alos que conocí en el transcurso de mi carrera, por todos sus consejos y muestras de apoyo que me han dado y lo más importante por haberme brindado su amistad.

Al 4º regidor Enrique Gutiérrez Castro del municipio de Apaxco del Estado de México por darnos el permiso y apoyo para poder realizar este trabajo ya que sin él no hubiera sido posible lograrlo.

Al señor Fabián López Chávez y a los habitantes de las viviendas de la comunidad de Cañada Colorada, por todas las atenciones que nos brindaron a mi compañero y a mí.

Y a ti mi compañero y gran amigo José que fuiste tú el que me animó a que trabajáramos juntos para realizar este proyecto.

(5)

ÍNDICE

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

………...……… 1

JUSTIFICACIÓN

……… 2

OBJETIVOS

……….. 3

INTRODUCCIÓN

………. 4

CONTENIDO:

CAPÍTULO I.- FUNDAMENTOS DE ENERGÍA FOTOVOLTAICA

...15

1.1 ENERGÍA RENOVABLE………... 16

1.2 LA ENERGÍA SOLAR....………. 17

Aplicaciones de la energía solar ………. 17

Luz

……… 17

Calor

………. 17

Electricidad

……….. 17

Tipos de radiación solar ………. 17

a) La radiación directa ……… 17

b) La radiación difusa ………. 17

c) La radiación reflejada ………. 18

1.3 EL EFECTO FOTOVOLTAICO ……….... 18

1.4 CELDAS FOTOVOLTAICAS ………... 19

1.4.1 Definición ………. 19

(6)

b)

Colectores planos ………. 20

1.4.2 Principio de funcionamiento de una celda fotovoltaica… 20

1.4.3 Componentes Básicos de una Celda Solar ………. 22

a) Placa de vidrio ……….. 22

b) La capa de semiconductor tipo p ……….. 22

c) Capa anti – reflectiva ……… 22

d) La capa de semiconductor tipo n ……….. 22

e) Plancha de semiconductores tipo n y tipo p ………. 22

1.4.4 Características de una Celda Solar ……… 23

a)

Corriente de Corto Circuito ……… 23

b)

Tensión de Vacío ……… 23

c)

Corriente promedio ………. 23

d)

Tensión promedio ……… 23

e)

Potencia máxima ………. 23

f)

Rendimiento ……… 23

14.5 Ventajas y desventajas de las celdas solares …………... 24

1.5 MÓDULOS Y PANELES SOLARES ………... 25

1.5.1 Módulo Solar ………. 25

1.5.2 Panel Solar ………. 25

(7)

a)

Incrementando el voltaje ………... 26

b)

Incrementando la corriente ……… 27

-

Precauciones al conectar en serie ………. 28

-

Precauciones al conectar en paralelo …… 29

-

Energía absorbida por las celdas cuando

funcionan con carga ……….. 29

Partes básicas de un panel solar ……… ………… 30

1.6 TIPOS DE MÓDULOS O PANELES FOTOVOLTAICOS ... 32

1.6.1 Celdas de Silicio Cristalino ……… 32

-

Silicio Monocristalino ... 32

-

Silicio Policristalino ... 33

-

Silicio Amorfo ……… 33

1.7 CURVAS CORRIENTE - VOLTAJE (IV) …..………. 33

1.8 FACTORES NATURALES INCIDENTES EN UN CAPTADOR

SOLAR ………... 35

1.8.1 Insolación o irradiación ……….. 35

1.8.1.1 El efecto de la irradiación sobre el panel solar…. 36

1.8.2.1 Mapa Insolación...……… 38

1.8.2 Ángulo de inclinación de un panel solar ……… 39

1.8.3 La trayectoria solar ………... 41

1.8.4 La temperatura de trabajo ……….. 41

(8)

1.9 APLICACIÓN DE CELDAS FOTOVOLTAICAS …………... 44

CAPÍTULO II.- CONSIDERACIONES TEÓRICAS DE UN SISTEMA.

FOTOVOLTAICO

……… 45

2.1 SISTEMA FOTOVOLTAICO ……… 45

2.2 Componentes Principales de un Sistema Fotovoltaico …. 45

2.2.1 Paneles Fotovoltaicos ……….. 47

2.2.2 Controlador de carga ………... 48

Funcionamiento del controlador de carga ……... 48

2.2.3 Acumuladores o Baterías ……… 49

Comportamiento de una batería ………. 49

Capacidad en Amperes hora ………... 49

Factores que pueden hacer variar la capacidad de una

batería ………. 50

a) Relación de carga y descarga ………... 50

b) Temperatura. ……… 50

c) Profundidad de descarga ………... 50

2.2.4 Limitador de Tensión ………... 53

2.1.5 Inversor ……… 54

2.3 FUNCIÓN DE LOS DIODOS EN UNA INSTALACIÓN FV... 54

2.3.1 Los diodos de bloqueo ………... 55

Diodos de bloqueo en grupos de paralelo ………. 55

(9)

Utilizando diodos de paso para proteger los paneles … 56

Conectando

grupos

en

paralelo ………. 57

Conectando grupos en serie ……… 57

2.4 CABLEADO ………. 58

2.5 PROTECCIÓN DE SOBRECORRIENTE Y SOBREVOLTAJE...58

2.5.1 Conexión a tierra ……… 58

2.6 INSTALACIÓN DE UN SISTEMA FV ……… 58

2.6.1 Ubicación de los elementos de un Sistema Fotovoltaico…59

a) El módulo ……….. 59

b) Soporte de módulos ……….. 59

c)

El

controlador ………... 60

d) El acumulador ……….. 60

e)

Lámparas

……….. 60

2.6.2 Interconexiones del sistema fotovoltaico ………. 61

2.6.3 Operación del sistema fotovoltaico ……….. 63

Operación diurna ……….. 63

Operación nocturna ………... 63

Corte

por

alto

voltaje ……… 64

Corte

por

bajo

voltaje ………... 64

(10)

2.6.5 Mantenimiento del sistema fotovoltaico ……….. 65

2.7

PRINCIPALES

CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS FV.66

2.8 CLASIFICACIÓN DE LAS INSTALACIONES FV …………. 66

-

Instalaciones aisladas de la red ……….. 67

-

Sistemas fotovoltaicos interconectados con la red ……… 67

- Aplicaciones de sistemas fotovoltaicos interconectados … 67

-

Sistemas residenciales ……… 67

2.9 UNA CÉLULA SOLAR TIENE QUE SATISFACER LAS

SIGUIENTES

CONDICIONES

………... 68

2.10 CAUSAS PRINCIPALES DE LAS PÉRDIDAS DE POTENCIA

EN LOS SISTEMAS FV ……….. 68

2.11 EFECTOS DE LA ENERGÍA SOLAR SOBRE LA

NATURALEZA

……… 69

CAPÍTULO III.- ENSAYO PARA VERIFICAR LA NECESIDAD DEL

SERVICIO DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN CAÑADA COLORADA

..70

3. METODOLOGÍA ……… 70

3.1 TIPO DE ESTUDIO CORRELACIONAL ………. 71

3.2 TÉCNICAS, EQUIPOS Y HERRAMIENTAS EMPLEADAS..72

3.2.1 DISEÑO DEL CUESTIONARIO PARA EL ENSAYO EN

CAMPO ………... 73

3.2.2 Lista de preguntas ………... 73

3.3 EQUIPO Y HERRAMIENTAS EMPLEADAS EN EL

(11)

3.4 RECOLECCIÓN DE DATOS EN CAMPO ……….. 73

3.5 DETERMINACIÓN DE LA MUESTRA ENCUESTADA.... 74

Ubicación de Cañada Colorada ………... 74

3.6. RESULTADOS DE LA APLICACIÓN DE LA ENCUESTA

EN LA COMUNIDAD DE CAÑADA COLORADA ………… 75

3.7 ANÁLISIS DE DATOS ………... 77

Análisis cuantitativo de los datos ……… 77

3.7.1 Distribución de frecuencias ………. 78

3.7.2 Gráficas de la distribución de frecuencias …………. 82

3.8. Interpretación de los datos ……….. 85

Indicador ……… 86

Cálculo de los indicadores ……….... 86

Índice porcentual………. 87

Representación del Indicador en forma porcentual ……... 87

CAPÍTULO IV.-APLICACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO

EN LA POBLACIÓN DE CAÑADA COLORADA

...

90

4.1 Diseño de la fuente de energía fotovoltaica ……….. 92

a) Características específicas de la casa rural ………... 92

b) Descripción de las cargas ………. 92

4.1.2 Cálculos del proyecto ………. 93

(12)

b)

Cálculo del arreglo solar (hrs.) ………... 94

c)

Cálculo del ángulo de inclinación de los paneles … 95

d)

Calculo del banco de baterías (Wh) ……… 95

e)

Calculo del número de Baterías ……….. 96

f)

Cálculos del controlador de carga. ……… 97

g)

Especificación del Inversor ………. 97

h)

Calculo del calibre de los conductores ………. 97

- Entre el panel y el controlador de carga ………. 98

- Entre el controlador de carga y las baterías.….... 98

- Entre el controlador de carga y el inversor……... 99

- Entre el inversor y el interruptor termomagnético. 99

i) Cálculo de las dimensiones del soporte de los paneles .101

4.2 Diseño de la Instalación Eléctrica de la vivienda………. 105

a)

Cálculo de la carga total instalada………... 105

b)

Cálculo de los conductores de la línea principal…………. 105

c)

Cuadro de cargas………. 105

d)

Cálculo del número de circuitos derivados………. 106

e)

Cálculo de la corriente por circuito derivado……….. 106

f)

Cálculo del calibre de cada circuito………. 106

(13)

h)

Cálculo de la protección de los circuitos derivados………. 107

i)

Cálculo del calibre del tubo conduit……… 107

j)

Diagrama Unifilar……… 107

CAPITULO V.- EVALUACIÓN DE COSTOS

………... 108

CONCLUSIONES

………... 119

GLOSARIO TÉCNICO

……….. 120

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

…………....………. 127

FUENTES CONSULTADAS DE INTERNET

……… 128

Lista de preguntas Anexo 1………... 130

Mapa y Croquis de Cañada Colorada Anexo 2………. 132

Fotos de Cañada Colorada Anexo 3……….. 133

Norma Mexicana 001 – SEDE – 2005 Anexo 4………... 142

(14)

ÌNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Localización de Cañada Colorada en el Municipio de Apaxco Estado de México

………... 5

Figura 2. Centro de Apaxco ………... 11

Figura 3. Componentes de la radiación solar terrestre.………... 18

Figura 4. Representación esquemática del efecto fotovoltaico……….... 19

Figura 5. Celda Solar.……….…………... 19

Figura 6. Diagrama de la generación de la energía eléctrica……….. 20

Figura 7. Funcionamiento de una celda solar…..………... 21

Figura 8. Partes de una celda solar………. 22

Figura 9. Módulo solar………... 25

Figura 10 Panel solar……….. 25

Figura 11. Analogía de una conexión en serie entre un sistema eléctrico y un hidráulico ...………... 26

Figura 12. Analogía de una conexión en paralelo entre un sistema eléctrico y un hidráulico………... 27

Figura 13. La conexión de módulos fotovoltaicos…….………... 28

Figura 14. Curvas de I – V al conectar los módulos en serie ………... 28

Figura 15. Curvas de I – V al conectar los módulos en paralelo ………. 29

Figura 16. Partes de un panel solar ……….. 31

Figura 17. Tipos de paneles solares……….. 32

Figura 18. Curvas de I-V y P-V para un módulo fotovoltaico………. 34

Figura 19. Irradiancia y horas solares pico durante un día soleado……….. 35

(15)

Figura 21.La irradiación a nivel mundial………... 37

Figura 22. Mapa de insolación anual………. 38

Figura 23. Orientación de una estructura fija para maximizar la captación de radiación solar a lo largo del año……… 39

Figura 24. Movimiento aparente del sol en la bóveda celeste en función de la hora del día y la época del año……….. 40

Figura 25. Ángulo de inclinación………... 40

Figura 26. Dependencia de la corriente producida en función de la tensión para diferentes intensidades de radiación……….……….. 43

Figura 27. Dependencia de la corriente producida en función de la tensión para diferentes temperaturas de operación………... 43

Figura 28. Comportamiento de la curva de I – V de un panel solar por efecto de la temperatura……….. 44

Figura 29. Diagrama físico de una instalación fotovoltaica……… 45

Figura 30. Diagrama eléctrico de una instalación fotovoltaica………... 46

Figura 31. Instalación solar fotovoltaica sin inversor……….. 46

Figura 32. Instalación solar fotovoltaica con inversor……… 47

Figura 33. Panel fotovoltaico……….. 47

Figura 34.Controlador de carga……….. 48

Figura 35. Acumulador………... 49

Figura 36. Construcción de una batería monoblock……… 51

Figura 37. Baterías conectadas en paralelo, en serie y en serie – paralelo……….. 53

Figura 38. Limitador de tensión……….. 53

Figura 39. Inversor……….. 54

Figura 40. Esquemas de conexión con diodos……… 54

(16)

Figura 42. Diagrama de diodos de bloqueo en paralelo……….. 55

Figura 43. Diodos de paso………... 56

Figura 44. Conexión de diodos de paso en paralelo……….... 57

Figura 45. Conexión de diodos de paso en serie………. 57

Figura 46. Ubicación del módulo fotovoltaico………..……… 59

Figura 47. Soporte de módulos fotovoltaicos……… 59

Figura 48. Ubicación de la batería y del controlador de carga………... 60

Figura 49. Ubicación de las lámparas……… 61

Figura 50. Conexiones de la batería con el controlador………. 61

Figura 51. Conexión de las terminales del controlador de carga con las del módulo FV… 62 Figura 52. Conexión del controlador de carga con las lámparas y el interruptor……….. 63

Figura 53. Diagrama de instalación de un sistema fotovoltaico……… 65

Figura 54. Número total de viviendas en la comunidad de Cañada Colorada…………... 76

Figura 55. Plano eléctrico de casa rural……… 93

Figura 56. Cama de hierro donde se colocarán los paneles solares……….. 101

Figura 57. Estructura el cual soportara a los paneles solares……….... 101

Figura 58. Vista lateral izquierda del bastidor……….. 102

Figura 59. Bastidor de aluminio para 3 módulos de 200W………... 103

Figura 60. Diagrama físico del proyecto………... 103

Figura 61. Diagrama eléctrico del proyecto……….. 104

Figura 62. Diagrama unifilar………. 107

Figura 63. Panel solar……… 108

(17)

Figura 65. Curvas de I – V del panel solar……… 110

Figura 66. Batería solar………. 111

Figura 67. Gabinete para baterías………. 112

Figura 68. Inversor HP600 – TD – MEX – 0510………. 112

Figura 69. Controlador de carga……… 114

Figura 70. Bastidor de aluminio para 3 módulos de 200W………... 116

Figura 71. Mapa de Cañada Colorada……… 132

(18)

INDICE DE TABLAS

Tabla 1. Placa del fabricante de un módulo Solarex VLX-53………... 34

Tabla 2. Estado de carga, densidad, voltaje y punto de congelación de un acumulador de plomo – ácido ………... 52

Tabla 3. Cuantificación de datos en campo………... 75

Tabla 4. Distribución de frecuencias……….. 79

Tabla 5. Indicadores y su tendencia………... 86

Tabla 6. Indicadores con su valor abdimencional e índice porcentual………... 87

Tabla 7. Indicadores con su color de identificación………... 88

Tabla 8. Factores Climáticos……….. 90

Tabla 9. Características climáticas de Apaxco………... 91

Tabla 10. Características climatológicas anuales de Apaxco………. 91

Tabla 11. Cargas utilizadas en la vivienda………. 94

Tabla 12. Cuadro de cargas……… 105

(19)

INDICE DE GRÀFICAS

Gráfica 1. Unidades muestrales proyectadas y aplicadas en el campo……….. 76

Gráfica 2. Resultados de las categorías 1 - 3………... 83

Gráfica 3. Resultados de las categorías 4 - 6………... 83

Gráfica 4. Resultados de las categorías 7 - 9………... 84

Gráfica 5. Resultados de las categorías 10 - 12……… 84

Gráfica 6. Resultados de las categorías 13 - 15……… 84

Gráfica 7. Resultados de las categorías 16 – 18……… 85

Gráfica 8. Resultados de las categorías 19 - 21………... 85

(20)

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Hoy en día nos parece difícil la vida, tal como la conocemos, sin la energía eléctrica y sin embargo existen muchas comunidades rurales de nuestro país que carecen de este importante recurso y enfrentan problemas de los que, nosotros ni siquiera tenemos consciencia:

• La inseguridad por falta de una iluminación eficiente.

• La obtención de agua para riego y para satisfacer las necesidades personales, elementales.

• La educación a distancia, si no existe otra forma, por la lejanía.

• La comunicación con las personas de nuestro entorno.

• La información de lo que ocurre en nuestro alrededor.

• La conservación de alimentos perecederos.

• La comodidad de utilizar aparatos eléctricos para realizar tareas domésticas, mejor y más rápidamente.

Las preguntas esenciales de la falta de energía eléctrica en Cañada Colorada, motivo de este estudio son:

a) ¿Es factible la aplicación de la energía fotovoltaica para suministrar a una vivienda donde no existe el suministro de energía eléctrica?

b) ¿Cómo se puede aplicar un sistema de celdas fotovoltaicas para una instalación eléctrica de una vivienda?

c) ¿Cuáles serían los beneficios al aplicar esta tecnología para el suministro de energía en un poblado rural donde se carece de este fluido?

La carencia de energía eléctrica en estas comunidades muchas veces es a causa de la situación geográfica y por la falta de presupuesto para realizar una inversión de esta magnitud, como es el caso de la comunidad de Cañada Colorada que esta habitada por una cantidad considerable de familias que se encuentran dispersas en una gran extensión de terreno, en estas condiciones resulta muy caro y problemático plantar postes para cada vivienda, tender cables del calibre adecuado para evitar grandes caídas de tensión (que además les puede ser robado) se ha tratado de obtener energía eléctrica de manera convencional a través de la compañía suministradora y no se ha logrado alguna respuesta positiva.

Por tal motivo queremos implementar una solución a este problema por medio de una fuente de energía renovable llamada Energía Fotovoltaica y de un dispositivo llamado

(21)

JUSTIFICACIÓN

El proyecto de nuestra tesis esta enfocado a electrificar un hogar de tipo rural de la comunidad de Cañada Colorada, que se encuentra ubicada en el Municipio de Apaxco del Estado de México, por medio de celdas o paneles solares se pretende solventar las necesidades principales como son iluminación de la vivienda, refrigeración el cual ayudará a conservar sus alimentos en buen estado, por lo que de esta forma el proyecto podrá beneficiar a cada una de las familias de las comunidades rurales; pues a causa de la difícil geografía de nuestro territorio, la falta de inversión y sobre todo por la falta de tecnología no ha sido posible abastecer a este tipo de comunidades en nuestro país con este importante servicio; como es el de la energía eléctrica, ya que de él dependen otros servicios como son educación, servicios médicos en general y lo mas importante para una mejor calidad de vida.

Está tesis presenta el proyecto de electrificar por medio de paneles de energía solar, la comunidad de “Cañada Colorada” que se encuentra en el Municipio de Apaxco en el Estado de México, haciendo el estudio de un modelo típico de vivienda en esta zona, el cual incluye cálculo de la carga promedio en días normales, el nivel de insolación promedio mensual y anual de la región, para determinar los parámetros del sistema de captación, acumulación, conversión, distribución y gasto de la energía eléctrica obtenida. Dichos parámetros se requieren para hacer un presupuesto estimado de la inversión inicial para valorar su conveniencia.

(22)

OBJETIVOS

-

Conocer las características principales y beneficios que puede aportar la energía fotovoltaica, como fuente de energía alternativa.

-

Aplicar la tecnología fotovoltaica para resolver la problemática de electrificación en comunidades rurales.

(23)

INTRODUCCIÓN

En el municipio de Apaxco, Estado de México, carecen de electricidad algunas comunidades por diversas causas como son:

- El presupuesto que se le asigna a este municipio no es suficiente para electrificar a cada una de las colonias del mismo.

- Por cuestión política cada vez que hay elecciones el gobierno, electrifica una comunidad mientras que las demás que están en una lista deben esperar a que halla un programa de electrificación o a las otras elecciones

- El costo de electrificación para una comunidad por parte de la compañía que suministra el servicio eléctrico llega a ser alto y esto es porque en algunas comunidades no se han colocado postes de luz, como se observa en las fotografías 11, 12, 13 y 14 del anexo 3.

- Algunas comunidades si tienen luz, pero es porque se enlazan a las líneas o al transformador provocando variaciones de tensión y además con el riesgo de producir una sobrecarga en las líneas o en el transformador.

Entre las comunidades que no cuentan con el servicio de energía eléctrica está la comunidad rural llamada Cañada Colorada del municipio de Apaxco la cual consta de aproximadamente 60 viviendas de las cuales 28 no cuentan con energía eléctrica como se puede observar en las fotografías 1, 2, 3 y 4 del anexo 3.

1.

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE APAXCO

Extensión

Actualmente ocupa una extensión territorial de 80.34 kilómetros cuadrados, que representa el 0.37% del territorio estatal y el 4.44% de la subregión de Zumpango.

Localización del Municipio de Apaxco

(24)

Figura 1. Localización de Cañada Colorada en el Municipio de Apaxco, Estado de México.13

Orografía

El lugar donde se asienta el municipio de Apaxco surgió durante la era Cenozoica, en el periodo Terciario, hace aproximadamente 60 millones de años. En tanto que una franja de la región de Santa María surgió en la era Mesozoica, en el periodo Cretáceo, hace aproximadamente 70 millones de años. Las rocas mesozoicas están constituidas por silicio y cuarzo; también se han encontrado rocas de origen marino de composición carbonatada, las cuales son utilizadas fundamentalmente en la elaboración de cemento y cal; debido a la riqueza mineral que hay a lo largo y ancho del territorio municipal, se le conoce como “la región de las caleras”.

Está conformado por llanos ondulados y elevaciones que no exceden los 2,700msnm, se rodea de cerros que lo limitan en casi todos sus extremos, exceptuando la porción sur y oriente por donde se comunica con el valle de México a través de la región de Zumpango.

En el extremo norte se encuentra el Cerro del Salto con pequeñas unidades asociadas, dirección este - oeste; al noreste se encuentra el cerro de Los Pechitos, dirección norte-sur; la parte del noroeste la cubre el Cerro Blanco o mejor conocido entre la población apaxquense por la forma que presenta como cerro de “Las Nalgas”, que se extiende a lo largo del límite del municipio con el estado de Hidalgo, alcanzando una elevación de 2,400 msnm; en la parte centro-oeste se encuentra el Cerro de Santa María. Algunas elevaciones con una altura de menor importancia están representadas por el Cerro Pelón, que se localiza al norte con una altura de 2,350 msnm, al sur se encuentra el cerro del Tablón, hacia el este se ubica el Cerro de la Cruz con una altura de 2,200 msnm y al oeste se localizan los cerros del Pixcuay, del Estudiante, Chiquihuite y Grande.

Varios de estos cerros en pocos años dejaran de existir, debido a la inmoderada explotación de los minerales que los componen.

(25)

Hidrografía

Apaxco pertenece a la Región Hidrológica del Alto Pánuco, la cual abarca una considerable extensión que comprende la porción norte, noreste y noroeste del Estado de México, con una superficie de 7,933.8 kilómetros cuadrados. En esta cuenca se localizan importantes cuerpos de agua destinados al riego principalmente. El municipio también abarca la subcuenca del Río Moctezuma, donde el principal río permanente es el Río Salado que sigue una dirección suroeste-noroeste, al entrar al estado de Hidalgo se une con el Río Tula, el cual después de un recorrido de 174 kilómetros cambia de nombre a Río Moctezuma.

De las corrientes intermitentes destacan el arroyo El Zarco con dirección este-oeste, que se localiza en el extremo norte del territorio municipal. En la porción central del municipio se encuentra el arroyo La Noria, el cual alimenta al Río Salado, igualmente el arroyo Treviño que inicia en la parte suroeste y desemboca en el Río Salado al noreste. También existen dos manantiales: uno de aguas termales conocido como Los Bañitos y La Noria.

Las aguas subterráneas son explotadas a través de pozos profundos y generalmente se utilizan para la dotación de agua potable a la población.

Clima

El clima que predomina en el municipio es el templado semiseco, con lluvia invernal inferior al 5%, y reducida oscilación térmica, la temperatura más elevada se presenta antes del solsticio de verano. Durante la primavera, la temperatura comienza a aumentar considerablemente en casi todo el territorio; los valores más altos se registran en mayo y la temperatura media anual para el municipio es de 14 a 16º C. Las precipitaciones de verano se refuerzan por fenómenos convectivos, es decir, el calor que se encuentra en los principales valles hace que ascienda la humedad, éstas se enfrían y da inicio a la temporada lluviosa alrededor de la segunda quincena de mayo.

(26)

Principales Ecosistemas

Flora

La vegetación original se ha visto perturbada, por lo que presenta varios tipos secundarios como el Bosque cultivado: Pino (Pinus sp.), eucalipto (Eucalypthus sp.), cedro (Cupressus sp.) y pirúl (Schinus molle). En el estrato arbustivo: Loeselia mexicana, brogniarta intermedia y maguey (Agave sp.). En el estrato herbáceo se pueden identificar: Muhlembergia emersley, M. dubia, Agrastia avenae, boutelova gracilis (navajita) y zacate bermuda (Cynodon dactylon).

Matorral Crasicaule con fisonomía nopalera: Nopal tapón (Opuntia sp.), nopal cardón (O. Streptacatha), vara dulce (Eysenhardtia polystachya) y tepozán (Budleia sp.). El estrato medio (1.2 metros de altura, está compuesto por limpia tuna (Zaluziana augusta), huizache (Mimosa biunficefa) y nopal cardenche (opuntia imbricada). El estrato inferior (0.3 metros de altura) se integra por pastos Boutelova triaena, B. hirsuta, Buchloe dactyloidos y Muhlembergia rígida, algunas de estas plantas pueden observarse en las fotografías 11, 12, 13 y 14 del anexo 3.

Entre las plantas de ornato que podemos encontrar en el municipio están: amor de hombre (Tradescantia), begonias (Begonia), belladona (Atropa belladona), azalea (Loiseleuria procumbens), azucena (Lilium), camelia (Camelia japonica), crisantemo vulgar (Chrysanthemum vulgare), culantrillo (Asplenium rutamuraria), dalia (Dahlia variabilis), espárrago (Asparagus), flor de mayo (Majanthemum bifolium), geranios (Geranium), gladiolos (Gladiolus), Chícharo o guisante (Pisum), helechos (Tilicineas), hortensias (Hydrangea), jacintos (Hyacinthus), junco (Juncus), laureles (Laurus), lirios (Iris), flor de loto (Nelumbo), magnolias (Magnolia), maravillas (Ornithogalum), margaritas (Bellis perimis), menta (Mentha), narcisos (Marcissus), pasionaria (Passiflora), pensamiento (Viola), petunias (Petunia), retama (Lygos monosperma), rosa (Rosáceas), tulipán (Tulipa), violetas (Viola) y otras más.

De las plantas medicinales que se encuentran en el municipio está el toronjil silvestre (Melittis meliossophyllum), ajenjo (Artemisia absinthium), anís común (Pimpinella anisum), árnica (Arnica montana), cóleo (Coleus), madreselva (Lonicera).

(27)

Fauna

La fauna del municipio es quizá la que ha sufrido en mayor medida los cambios producidos por la acción del hombre.

En áreas menos perturbadas aún es posible encontrarse las siguientes aves: águilas (Aquila), búhos (Strigidae), canarios (Serinus canarius), cardenal (Paroaria), chuparrosa o colibrí (Macroglossa stellatarum), gangas (Pteroclidae), gorriones (passer), lechuzas (Estrigidas), palomas (columbidae), tórtola común (Streptopelia turtur), tordos, chillones, piruleros, zopilotes y correcaminos.

Insectos y arácnidos como: abejas (Apis mellifera), variedad de arañas, moscas, mosquitos, libélulas, catarinas, chapulín, escarabajos, gorgojo, grillos, hormigas, luciérnagas, mariposa, pinacates, orugas y garrapatas.

Aún en los cerros podemos encontrar roedores, como la rata vulgar (Rattus norvegicus), ratones (Muridae), ardillas (Sciurus vulgaris), conejos (Oryctolagus caniculus), además de coyotes, gato montés, liebres (Lepus) y tuza.

Entre los colúbridos podemos encontrar a las serpientes de cascabel, variedades de serpientes, culebras de agua, escorpión, lagarto, lagartija, ciempiés, lombriz y caracol. De los animales acuáticos tenemos a las ranas y a los sapos.

Recursos Naturales

Recordemos que el municipio se encuentra asentado en una zona rica en minerales conocidas desde la época prehispánica como “región de las caleras”, nombre designado por la abundancia de cal.

La industria calera en Apaxco comienza en 1911, año en que el ingeniero Luis Espinoza decide instalar los primeros hornos y dar inicio a la compañía abastecedora de cal de Apaxco. Posteriormente, en 1934 fue constituida la compañía de Cementos Apaxco S. A., siendo el iniciador de esta empresa el ingeniero Landa, quien forma una sociedad con varios profesionistas, entre ellos encontramos como principal accionista al ingeniero Federico García Cuéllar; en el año de 1936 surge la Compañía de Cementos de Apaxco, S. A., iniciando una nueva fuente de trabajo para los habitantes de Apaxco.

Entre los minerales que obtienen de los cerros encontramos: caliza, mármol, dolomita, sílica, feldosyato, calcita, sílice, yeso, calcedonia y cuarzo.19

(28)

Características y Uso del Suelo

Los suelos que encontramos en los terrenos del municipio son los siguientes: feozem y vertisol. Los primeros son suelos ricos en materia orgánica y nutrientes. Se encuentran desde zonas semiáridas hasta templadas o tropicales como se observa en las fotografías 7, 8, 13 y 14 del anexo 3. En condiciones naturales tienen casi cualquier tipo de vegetación, desarrollándose desde los terrenos planos hasta los montañosos; su susceptibilidad a la erosión depende del terreno en donde se encuentran. Así, los feozems (suelos ricos en materia orgánica y nutrientes) profundos y situados en terrenos planos se utilizan con éxito en la agricultura de riego o de temporal, mientras que los ubicados en laderas o pendientes se emplean en la ganadería, con resultados aceptables.

En cuanto al segundo, es un suelo arcilloso frecuentemente negro, gris o rojizo, pegajoso cuando está húmedo, muy duro y agrietado cuando está seco; en general se erosionan poco y a veces son salinos. En el estado se encuentran en zonas de clima templado y cálido, por lo que su vegetación natural es muy variada. Su uso agrícola es diverso y productivo, pues son casi siempre muy fértiles, aunque presentan ciertos problemas para su manejo debido a su dureza.

2. INFRAESTRUCTURA SOCIAL Y DE COMUNICACIONES

Educación

De acuerdo con los datos estadísticos registrados por el INEGI, en los resultados definitivos de 1995, el analfabetismo en Apaxco es bajo, ya que de la población de seis a 14 años, 427 no saben leer y escribir, de los cuales 227 son hombres y 200 mujeres.

La población de seis a 14 años que sabe leer y escribir suma un total de 3,964, de éstos, 2,004 son hombres y 1,960 mujeres.

En lo que respecta al equipamiento educativo, en la actualidad existen dos escuelas privadas, una cubre desde preescolar hasta secundaria y la otra sólo de preescolar a primaria.

(29)

Salud

El número de personas derechohabientes de instituciones públicas de Seguridad Social, registradas en Apaxco, en 1996, era de 6,721, de las cuales 6,063 están afiliadas al Instituto Mexicano del Seguro Social y los restantes, 658, al Instituto de Seguridad Social del Estado de México y Municipios; además, un total de 6,477 personas reciben asistencia social por parte del Instituto de Salud del Estado de México.

El municipio cuenta con una Clínica del Seguro Social y tres centros de salud pertenecientes al ISEM; el equipamiento con el que cuentan los centros es muy limitado, por lo que sólo ofrecen servicios de primer y segundo nivel. El personal médico con que cuenta el IMSS es de 11 y se asigna un médico pasante para cada centro de salud.

Abasto

Las redes de comercialización, abasto de alimentos y otros productos de consumo popular, se sustentan en 51 giros comerciales y de servicios, los cuales se distribuyen de la siguiente manera: 278 comercios fijos, de los cuales el 40% son misceláneas, 25% son papelerías y el restante 35% se reparte entre carnicerías, bares, billares, estéticas, farmacias, fondas, estudios fotográficos, florerías, funerarias, molinos de especias y de nixtamal, tiendas de regalos, establecimientos de lubricantes, talacherías, tortillerías, tlapalerías, paleterías, purinas, rosticerías, videoclubes y zapaterías.

El comercio semifijo se compone de 325 puestos, perteneciente a la unión de tianguistas “Benito Juárez, A.C”, distribuidos en los siguientes giros comerciales: abarrotes, artículos electrónicos, artículos de fantasía, carnicerías, puestos de calzado, ferreterías, frutas y legumbres, hortalizas, pescaderías, puestos de ropa, entre otros.

Complementa la infraestructura comercial dos tiendas campesinas y dos lecherías LICONSA.

Vivienda

En 1995 se registró un total de 4,120 viviendas habitadas, 4,118 eran particulares y dos colectivas.

De las 4,113 viviendas que cuentan con registro, cada una cuenta con un promedio de 5.1 habitantes por vivienda.

(30)

de las viviendas particulares son: el firme de tierra, cemento, madera, mosaico y otros.

Cabe señalar, que en el año 2000, de acuerdo a los datos preliminares del Censo General de Población y Vivienda, efectuado por el INEGI, hasta entonces, existían en el municipio 5,046 viviendas en las cuales en promedio habitan 5 personas en cada una.

De acuerdo a los resultados que presentó el II Conteo de Población y Vivienda en el 2005, en el municipio cuentan con un total de 5,699 viviendas de las cuales 5,517 son particulares.

Servicios Públicos

La cobertura de servicios públicos en las viviendas del municipio es de la siguiente manera: el 90% dispone de agua entubada, de los cuales, 1,952 disponen de agua entubada dentro de la vivienda, 1,746 fuera de la vivienda pero dentro del terreno, 11 la obtienen de la llave pública y 404 carecen del servicio de agua entubada.

El 98% de las viviendas del municipio disponen de energía eléctrica, 4,031 cuentan con el servicio y las restantes, que son 82, carecen del servicio, como son las que se pueden observar en las fotografías 1, 2, 3 y 4 del anexo 3.

Además, el 60% de viviendas disponen de drenaje, lo que quiere decir que 2,928 cuentan con este servicio de las cuales: 2,458 viviendas tienen servicio de drenaje conectado a la red pública, 400 están conectadas a la fosa séptica, 23 tienen desagüe al río y 47 a barranca, en tanto que las restantes 1,185 carecen de servicio. Por otro lado el 60% de las vías de comunicación están pavimentadas.

Figura 2. Centro de Apaxco. 13

(31)

Medios de Comunicación

Al municipio llegan desde temprana hora los periódicos de circulación nacional como: La Afición, La Crónica, El Demócrata, El Diario, Diario Amanecer, Esto, Excélsior, El Financiero, El Heraldo de México, La Jornada, El Nacional, Novedades, Ovaciones, La Prensa, El Reforma y el 8 Columnas.

Al municipio llegan las señales de las estaciones de radio que tienen cobertura nacional, tanto las de frecuencia modulada (FM), como las de amplitud modulada (AM). La recepción de los canales de televisión es buena, ya que se captan casi todos los de cobertura nacional: 2, 4, 5 y 9 de Televisa, 7 y 13 de Televisión Azteca; en los últimos años se ha incrementado el servicio de televisión privada como el sistema SKY y DIRECTV.

El municipio cuenta con una agencia de correos en la cabecera municipal y cinco expendios ubicados en puntos estratégicos del territorio municipal; el correo llega por vía terrestre y el código postal es 55660. La red de líneas telefónicas existentes en el municipio es de 355, con un total de 655 aparatos, incluye telefonía local y de larga distancia automática (LADA 599); se cuenta con una caseta de larga distancia ubicada en la cabecera municipal. El servicio telegráfico se presta por medio de la oficina de Ferrocarriles Nacionales, ubicada en la cabecera municipal.

Vías de Comunicación

Las diferentes líneas de transporte foráneo son: Líneas Unidas, S.A. (LUSA), que cumple el itinerario de México a Ixmiquilpan, Hidalgo; la México-Zumpango-Apaxco, de México a Progreso Hidalgo y la Melchor Ocampo, de México a Cuautitlán y de ahí a Zumpango y Apaxco.

El servicio de transporte urbano está cubierto por el servicio colectivo de combis, las cuales pertenecen a la empresa de transportes de Apaxco, S.A. y los diferentes sitios de taxis.

La red carretera se encuentra bajo la responsabilidad y cuidado del Estado, tiene una longitud de 26.33 kilómetros, de los cuales 24.13 son pavimentados y 2.20 kilómetros están revestidos.

La red ferroviaria tiene una extensión de 16 kilómetros en el territorio municipal, cruza desde México hasta Nuevo Laredo, y ofrece el servicio de pasajeros y carga.

(32)

Perfil sociodemográfico

Grupos Étnicos

En 1995, el número de personas mayores de cinco años que hablan alguna lengua indígena en el municipio de Apaxco es de 21, de las cuales ocho hablan otomí, cuatro náhuatl, tres zapoteco, uno mixe, uno mazahua, y uno ocuiteco.

De acuerdo a los resultados que presento el II Conteo de Población y Vivienda en el 2005, en el municipio habitan un total de 53 personas que hablan alguna lengua indígena.

Evolución Demográfica

El Conteo de población y vivienda de 1995, nos indica que Apaxco cuenta con 21,134 habitantes, distribuidos en zonas urbanas y rurales de la municipalidad. La densidad de población por kilómetro cuadrado en 1970 era de 114 habitantes, en 1980 de 195, para 1990 de 232 y en 1995 de 297 habitantes.

El número de nacimientos registrados en 1995 fue de 597; el lugar donde más se registraron nacimientos fue en la cabecera municipal con un total de 573, de los cuales 257 fueron mujeres y 316 fueron hombres. El promedio de miembros por familia es de cuatro a cinco, es decir, la madre y dos o tres hijos.

El número de defunciones en el municipio durante 1995 fue de 72, de los cuales 33 correspondieron a mujeres y 39 a hombres. Nueve de los 72 resultaron menores de un año, siendo cuatro mujeres y cinco hombres.

La tasa de migración registrada por el INEGI en 1990 para el municipio de Apaxco es mínima, si consideramos que del total de población, que es de 18,500, solamente 2,770 provienen de otra entidad, principalmente del estado de Hidalgo (1,456), Distrito Federal (512), y de Querétaro (219).

Es importante señalar que para el año 2000, de acuerdo con los resultados preliminares del Censo General de Población y Vivienda efectuado por el INEGI, para entonces existían en el municipio un total de 23,718 habitantes, de los cuales 11,656 son hombres y 12,062 son mujeres; esto representa el 49% del sexo masculino y el 51% del sexo femenino.

(33)

3. ACTIVIDAD ECONÓMICA

Principales Sectores, Productos y Servicios

Agricultura

Se práctica en el 48.5% de la superficie territorial de Apaxco, lo que representa 3,893 hectáreas, de las cuales, 3,500 son de temporal y 393 de riego.

La producción agrícola del municipio se basa principalmente en el cultivo de forraje (alfalfa y avena), en segundo término está el cultivo de cereales (maíz, trigo y frijol) y una mínima producción de durazno como se observa en las fotografías 14, 17 y 18 del anexo 3.

Ganadería

Para el desarrollo de esta actividad se ocupan 2,511 hectáreas, que representan el 31% del total de la superficie destinada al sector primario. La mayoría de los campesinos poseen unos cuantos animales de especies menores, cuya alimentación es obtenida de las propias cosechas o por pastoreo extensivo. Las especies ganaderas más representativas del municipio son: las aves, el ganado ovino, caprino, porcino y bovino; otras especies existentes en el municipio son los conejos y las colmenas.

Industria

Actualmente la base de la actividad económica del municipio la constituye el sector de la industria manufacturera, particularmente por la importancia de la rama de fabricación de cemento, cal, yeso y otros productos a base de minerales no metálicos. Las dos principales empresas productoras son Cementos Apaxco y Anáhuac, orientadas a satisfacer el mercado nacional e internacional.

Población económicamente activa por sector

(34)

CAPÍTULO I

FUNDAMENTOS DE LA ENERGÍA FOTOVOLTAICA

El aprovechamiento de la energía solar requiere de la utilización de dispositivos que capten la energía proveniente del sol y la transformen en otra forma de energía compatible con la demanda que se pretende satisfacer.

Es preciso señalar que existen algunos problemas que debemos afrontar y superar. Aparte de las dificultades que una política energética solar avanzada conllevaría por si misma, hay que tener en cuenta que esta energía esta sometida a continuas fluctuaciones y a variaciones más o menos bruscas, Por ejemplo, la radiación solar es menor en invierno, precisamente cuando más la necesitamos; por lo tanto es de vital importancia proseguir con el desarrollo de la incipiente tecnología de captación, acumulación y distribución de la energía solar, para conseguir las condiciones que la hagan definitivamente competitiva, a escala planetaria y en tanto aplicarla para solucionar el problema de la falta de energía eléctrica en las regiones rurales.

EL SOL FUENTE DE ENERGÍA ALTERNA

La energía, como problemática, ha sido percibida desde distintos puntos de vista dependiendo del momento histórico. Desde los inicios del siglo hasta principios de los años setenta, el crecimiento económico de los países industrializados se fundamentó en la disponibilidad de una fuente de energía barata y abundante: el petróleo. A partir de la Segunda Guerra Mundial, tanto la producción mundial de petróleo como la demanda industrial de energía se han duplicado cada diez años. Las previsiones sobre la evolución del consumo de energía en el mundo, muestran un crecimiento similar en los próximos años.

Aunque al final de los sesenta ya el crecimiento energético no se podía mantener indefinidamente, fue hasta la primera Crisis del Petróleo que la sociedad empezó a concientizarse del problema de la limitación de las reservas de combustibles fósiles, de las cuales sólo hay para 50 años de petróleo y 200 años de carbón si se mantiene el ritmo de consumo actual.

(35)

Una de las principales fuentes de energía que podría sustituir al petróleo es la del sol, pues nuestro planeta recibe una cantidad de energía anual de aproximadamente 1,6 millones de KWH, de los cuales sólo un 40% es aprovechable, una cifra que representa varios cientos de veces la energía que se consume actualmente en forma mundial; es una fuente de energía descentralizada, limpia e inagotable.

El Sol, como fuente de vida y origen de las demás formas de energía que el hombre ha utilizado desde los albores de la historia, puede satisfacer todas nuestras necesidades, si aprendemos cómo aprovechar de forma racional la luz que continuamente derrama sobre el planeta. Sería algo irracional no intentar aprovechar esta fuente energética gratuita, limpia e inagotable, que puede liberarnos definitivamente de la dependencia del petróleo o de otras alternativas poco seguras o, simplemente, contaminantes. Por ello en este trabajo se plantea aprovechar esta energía alterna, como solución a un problema de falta de energía eléctrica como sucede en el poblado de Cañada Colorada del Municipio de Apaxco, Estado de México.

1.1 ENERGÍA RENOVABLE

La energía renovable es aquella que se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables, esto es por la inmensa cantidad de energía que contienen y porque son capaces de regenerarse por medio naturales.

Algunas de las formas de energía renovable son:

- Nuclear. Esta es generada por medio de la fisión nuclear en el átomo del uranio.

- Eólica. Es aquella que proviene del viento.

- Geotérmica. Es aquella que se genera a partir del calor de la tierra.

- Maremotriz, Es aquella que es a través del movimiento de las olas.

- Hidroeléctrica. Es aquella que se genera por medio de las caídas de agua o cascadas.

(36)

Existen cuatro tecnologías fundamentales que nos ayudan en aprovechar la energía del sol, en beneficio del hombre sin afectar el medio ambiente, éstas son:

1. Calentamiento de agua doméstica. 2. Obtención de vapor.

3. Calentamiento especial activo.

4. Conversión directa (solar / electricidad).

1.2 LA ENERGÍA SOLAR

La energía solar es una fuente de vida y origen de la mayoría de las formas de energía en la tierra como ya se mencionó anteriormente. Este tipo de energía representa el mejor modelo característico de fuente renovable, sin embargo al tomarse directamente de la radiación solar, el aprovechamiento energético no alcanza rendimientos equiparables a los de otras fuentes. La energía solar, como recurso energético terrestre, está constituida simplemente por la porción de la luz que emite el Sol y que es interceptada por la Tierra.

Las aplicaciones que nos puede ofrecer son:

- Luz. Es la energía que recibimos directamente y es llamada energía luminosa.

- Calor. Por medio de colectores térmicos, la energía solar es transformada en energía térmica.

- Electricidad. Se logra a través de las llamadas celdas solares, la energía luminosa puede ser transformada en energía eléctrica.

La radiación solar tiene tres tipos:

- Radiación directa - Radiación difusa. - Radiación reflejada

a) La radiación directa. Es la que llega directamente del foco solar, sin reflexiones o refracciones intermedias, esta puede reflejarse y concentrarse para su utilización. Para captar mejor la radiación directa se pueden utilizar unos mecanismos llamados seguidores que sirven para orientar el sistema receptor hacia el sol.

(37)

c)La radiación reflejada:Es la radiación reflejada por el suelo o por los objetos cercanos.

Figura 3. Componentes de la radiación solar terrestre total.6

Una importante ventaja de la energía solar es que permite la generación de energía en el mismo lugar de consumo mediante la integración arquitectónica. Así podemos dar lugar a sistemas de generación distribuida en los que se eliminen casi por completo las pérdidas relacionadas con el transporte que en la actualidad suponen aproximadamente el 40% del total de la energía generada.

Las diferentes tecnologías fotovoltaicas se adaptan para sacar el máximo rendimiento posible de la energía que recibimos del sol.

1.3 EL EFECTO FOTOVOLTAICO

El fenómeno fotovoltaico fue descubierto en 1839 y las primeras celdas solares de selenio fueron desarrolladas en 1880. Sin embargo, no fue sino hasta 1950 que se desarrollaron las celdas de silicio monocristalino que son las más utilizadas en la industria fotovoltaica. A finales de la década de los setentaslas celdas fotovoltaicas comenzaban a ser utilizadas en aplicaciones terrestres como electrificación de pequeñas instalaciones (varios Watts de potencia) en sistemas de telecomunicación, televisión rural, entre otras. En la actualidad las instalaciones con capacidades de uno a diez celdas están siendo utilizadas de forma común alrededor del mundo para aplicaciones agroindustriales como el bombeo de agua, refrigeración, preservación de productos perecederos o desalación de agua.

El efecto fotovoltaico es la propiedad que tienen algunos materiales como es el de la celda solar de absorber fotones de luz y emitir electrones. Esto consiste en que cuando los rayos solares (fotones de luz) inciden sobre la superficie del arreglo fotovoltaico, el cual está compuesto por dos delgadas láminas de silicio u obleas, P y N separadas por un semiconductor, al entrar en contacto con las partículas de luz y la superficie de la capa P se provoca una reacción (liberación de electrones de los átomos de silicio los cuales se encuentran en movimiento y pasan a través del semiconductor hasta la capa N) dando como

(38)

resultado una diferencia de potencial con respecto a la capa N, generando una corriente eléctrica directa por lo que si a las terminales del dispositivo se les conecta una carga eléctrica, por ejemplo un foco, entonces éste se encenderá debido a la corriente eléctrica que pasa a través de él. Esta es la evidencia física del efecto fotovoltaico. La celda solar representa la unidad mínima de conversión de potencia eléctrica en un generador fotovoltaico como se muestra en la figura 4 que es la representación esquemática del efecto fotovoltaico.

Figura 4. Representación esquemática del Efecto Fotovoltaico.7

1.4 CELDAS FOTOVOLTAICAS

1.4.1 Definición

Las celdas solares fotovoltaicas son dispositivos electrónicos que tienen la función de transformar la luz solar directamente en energía eléctrica sin pasar antes por un estado de energía térmica.

Figura 5. Celda Solar. 16

Las celdas solares no tienen partes mecánicas, están hechas de delgadas capas de material semiconductor (es aquel que conduce la electricidad en determinadas condiciones ), usualmente están elaboradas a base de silicio puro, y son capaces de generar corrientes de 2 a 4 amperes, a un voltaje de 0.46 a 0.48Volts utilizando como fuente la radiación luminosa, tienen la propiedad de tener una gran conductividad y una ausencia total de resistividad eléctrica, están unidas a contactos de metal para completar el circuito eléctrico que se encuentran encapsuladas en vidrio o plástico.

(39)

Las células se montan en serie sobre paneles o módulos solares para conseguir un voltaje adecuado. Parte de la radiación incidente (que llega a la tierra) se pierde por reflexión (rebota) y otra por transmisión (atraviesa la célula). El resto es capaz de hacer saltar electrones de una capa a la otra creando una corriente proporcional a la radiación incidente. La capa antirreflejo aumenta la eficacia de la célula.

Las celdas fotovoltaicas (FV) individuales tienen una producción eléctrica limitada, la cual puede ser utilizada para operar equipos pequeños tales como juguetes, relojes y calculadoras de bolsillo. Para incrementar la salida (voltaje y amperaje) de una fuente FV, las celdas individuales se unen eléctricamente en diferentes formas.

a) Colectores de enfoque. Semejantes a los planos, estos colectores poseen partes móviles para seguir el movimiento del sol, puesto que absorben solo la radiación directa.

b) Colectores planos: Dispositivos de captación solar, generalmente fijos, que aprovechan la radiación solar directa y difusa. La parte colectora puede estar formada por una o más hojas de vidrio o plástico.

1.4.2 Principio de funcionamiento de una celda fotovoltaica

Figura 6. Diagrama de la generación de energía eléctrica por medio de una celda solar.2

(40)

Las células o celdas solares son dispositivos que convierten la energía solar en electricidad, ya sea directamente, a través del efecto fotovoltaico explicado anteriormente, o indirectamente o mediante la previa conversión de energía solar a calor o a energía química.

Figura 7. Funcionamiento de una Celda Solar.2

La forma más común de las celdas solares se basa en el efecto fotovoltaico, en el cual la luz que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas produce una diferencia de potencial o fotovoltaje entre las capas. Esta tensión es capaz de conducir una corriente a través de un circuito externo de modo de producir trabajo útil

Después de dicho proceso esta energía es recogida y conducida hasta un inversor el cual convertirá la corriente de CD en corriente de CA, ya que si no la convirtiéramos su uso seria limitado para algunos aparatos, luego la corriente eléctrica es llevada a un controlador de carga, el cual tiene la función de enviar toda o parte de esta energía hasta el banco de baterías, en donde es almacenada, cuidando que no se excedan los límites de carga y descarga; en algunos diseños, parte de esta energía es enviada directamente a las cargas.

La energía almacenada es utilizada para abastecer las cargas durante la noche o en días de baja insolación, o cuando el arreglo fotovoltaico es incapaz de satisfacer la demanda por sí solo. Si las cargas a alimentar son de corriente directa, esto puede hacerse directamente desde el arreglo fotovoltaico o desde la batería; si, en cambio, las cargas son de corriente alterna, la energía proveniente del arreglo y de las baterías, limitada por el controlador, es enviada a un inversor de corriente, el cual la convierte a corriente alterna.

(41)

1.4.3 Componentes Básicos de una Celda Solar

Figura 8. Partes de una Celda Solar. 16

Toda celda solar moderna consta usualmente de los siguientes componentes:

Componentes básicos de una celda solar:

a)

Placa de vidrio.

Es aquella que permite ingresar la luz a las celdas y protege a los semiconductores en la celda de los elementos.

b)

Capa anti – reflectiva.

Es aquella que esta entre la placa de vidrio y el semiconductor, y tiene la función de minimizar la pérdida de luz por reflejo.

c)

La capa de semiconductor tipo n.

Es aquella que tiene una concentración de electrones excitados mayor a la de la capa tipo p, lo cual provoca que las cargas eléctricas de esta capa se pasen a la capa de tipo p provocando una diferencia de potencial con la otra capa.

d)

Plancha de semiconductores tipo n y tipo p.

Es aquella en la que se encuentran colocados los semiconductores tipo n y tipo p y están enlazados a través de un camino o vía que actúa como conductor por el cual circulan los electrones para ir del semiconductor tipo n al tipo p, generando un campo eléctrico en este cable.

e)

La capa de semiconductor tipo p.

Es aquella que tiene una deficiencia de electrones, lo cual atrae a los electrones excitados provenientes de la capa tipo n, provocando que se genere una diferencia de potencial entre ambas capas de semiconductor, mejor conocido como voltaje.

(42)

1.4.4

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE UNA CELDA SOLAR

a)

Corriente de cortocircuito (Icc)

Esta magnitud es la intensidad que circula con la celda en cortocircuito, con una iluminación determinada y fija. Su valor es directamente proporcional a la energía solar recibida, y por lo tanto a la superficie total y al nivel de iluminación.

b)

Tensión de vació (Vco)

Esta magnitud es la diferencia de potencial entre los bornes de la celda en ausencia de consumo, con una iluminación fija y a una temperatura determinada. Su valor depende de la juntura utilizada y varía muy poco con la intensidad luminosa.

c)

Corriente óptima (Im)

Esta magnitud es la intensidad que circula por la celda en el punto de funcionamiento óptimo, teniendo aplicada una carga (Rm) de valor óptimo, elegida de modo de que la potencia eléctrica sea máxima.

d)

Tensión óptima (Vm)

Esta magnitud es la tensión que origina la corriente óptima, al ser aplicada sobre una carga Rm de valor óptimo, elegida de modo de que la potencia eléctrica sea máxima.

e)

Potencia Máxima (P)

Es la máxima energía que es entregada por una celda solar cuando pasa por un valor máximo para valores determinados de tensión y corriente fijados en función de la resistencia optima de carga (Rm). Su unidad de medición es el Watt.

e) Temperatura límite de funcionamiento (

o

C)

Esta magnitud ronda los 100 grados centígrados.

f)

Rendimiento (

ή

)

(43)

1.4.5 Ventajas y Desventajas de las Celdas Solares

Ventajas

• Las celdas solares son confiables y silenciosas, no tienen partes móviles y duran 30 años o más si se las recubre con vidrio o plástico.

• Pueden ser instaladas rápida y fácilmente, necesitan poco mantenimiento.

• No producen dióxido de carbono durante su uso y la contaminación de agua y aire durante su operación es baja y la contaminación de aire durante su manufactura también.

• La producción de energía neta útil es elevada.

• Una vez hecha la inversión inicial, no se originan gastos posteriores.

• El consumo de energía eléctrica es gratuito.

• Resistentes a las condiciones climatológicas más adversas: Lluvia, nieve, viento, etc.

• No contaminan (ni siquiera acústicamente, ya que no producen ningún ruido). Se dice que no produce desechos, residuos ni basura ni olores, ni vapores, ni ningún tipo de impacto ambiental.

• No "descompone el paisaje" con torres, postes o líneas eléctricas.

• La electricidad que se obtiene es de corriente continua y generalmente a bajo voltaje, con lo que se evitan los accidentes tan peligrosos que ocurren actualmente con las líneas eléctricas.

• No consumen combustible.

• No necesitan radiación solar directa (funcionan también en días nublados).

• La electricidad se produce en el mismo lugar donde se consume.

• No necesita transformadores, canalizaciones subterráneas ni redes de distribución a través de las calles.

• Aplicación potencial (posibilidades) enorme.

• Son de alta confiabilidad.

• Bajos costos de operación.

Desventajas

• Los costos actuales de las celdas fotovoltaicas son elevados, aunque se esperan que sean competitivos en unos 7 a 15 años.

• Podrían haber límites potenciales en su uso debido a una cantidad insuficiente de galio y cadmio

(44)

1.5 MÓDULOS Y PANELES SOLARES

1.5.1 Módulo Solar

El módulo FV es el conjunto básico de celdas fotovoltaicas, que viene encapsulado en cristal y en plástico para protegerlo del ambiente y la instalación. El módulo puede incluir desde menos de una docena hasta cerca de 100 celdas.

Figura 9. Módulo Solar. 3

1.5.2 Panel o Arreglo Solar

Un panel o arreglo FV es un conjunto de módulos conectados eléctricamente en serie o paralelo como se observa en la figura 10. Las características eléctricas del arreglo son análogas a la de módulos individuales, con la potencia, corriente y voltaje modificados de acuerdo al número de módulos conectados en serie y/o paralelo.

La forma más popular de arreglo FV está hecha de paneles planos y puede responder a la luz difusa (es aquella que proporciona una iluminación homogénea desde múltiples ángulos) de todo el cielo (esto es, puede producir electricidad aún en días nublados). Los paneles FV planos pueden estar fijos en un soporte o moverse para seguir la trayectoria del sol.

Figura 10. Panel Solar.3

(45)

1.5.3 Interconexión de las celdas y módulos fotovoltaicos

Para alcanzar la potencia deseada normalmente se necesitan varios paneles. Estos paneles se conectan en serie y en paralelo para alcanzar el voltaje deseado.

Al diseñar este arreglo se deben tomar en cuenta algunas reglas.

a) La suma de potencia de todos los paneles debe ser igual o mayor que la potencia deseada.

b) La suma de los voltajes de los paneles en serie debe ser igual al voltaje deseado para el panel.

c) La suma de las corrientes de los paneles en paralelo debe ser igual a la corriente en paralelo del sistema.

a) Incrementando el voltaje

Los módulos solares se conectan en serie para obtener voltajes de salida más grandes. El voltaje de salida, Vs, de módulos conectados en serie esta dado por la suma de los voltajes generados por cada módulo.

V = V1 + V2 +V3 +…

Una forma fácil de entender el concepto de sistemas conectados en serie, es mediante la analogía presentada en la Figura 11 entre un sistema hidráulico y un eléctrico. Como se puede observar en el sistema hidráulico (izquierda) el agua que cae desde cuatro veces la altura de 12 metros produce una caída de agua con cuatro veces la presión a la misma tasa de flujo, 2 L/s. La cual se puede comprar con los 48 voltios que el sistema eléctrico (derecha) alcanza al pasar una corriente de 2 amperios por cuatro módulos conectados en serie. La corriente se compara con el flujo ya que ambas permanecen constantes en el circuito, y el voltaje es análogo al papel de la presión en el sistema hidráulico.

Figura 11. Analogía de una conexión en serie entre un sistema eléctrico y un hidráulico. 10

(46)

b) Incrementando la corriente

Los módulos solares o paneles se conectan en paralelo para obtener corrientes generadas más grandes. El voltaje del conjunto es el mismo que el de un módulo (o un panel); pero la corriente de salida, Is, es la suma de cada unidad conectada en paralelo.

IT = I1 + I2 + I3 +.

De manera similar al sistema conectado en serie, los sistemas conectados en paralelo también pueden ser comparados en un sistema hidráulico, tal y como se muestra en la Figura 12. En el sistema hidráulico (arriba) el agua que cae de la misma altura, da la misma presión que cada bomba individual, pero el flujo es igual al total de los flujos de todas las bombas. Entonces en el sistema eléctrico, el voltaje permanece constante y la corriente de salida de los cuatro módulos es sumada, produciendo 8 amperes de corriente a 12 voltios.

Figura 12. Analogía de una conexión en paralelo entre un sistema eléctrico y un hidráulico. 10

Para evitar el flujo de corriente en la dirección opuesta se utilizan diodos de bloqueo. Y los diodos de paso, proporcionan un camino de alivio para evitar que circule corriente por un panel o un módulo sombreado (sombra de nubes o de objetos). Un módulo sombreado no genera energía, por lo cual, los demás módulos lo verán como un punto de resistencia. En consecuencia, fluirá corriente hacia él convirtiéndose en un punto caliente del arreglo. Aumentará su temperatura y se degradará aceleradamente.

Figure

Figura 3. Componentes de la radiación solar terrestre total. 6

Figura 3.

Componentes de la radiación solar terrestre total. 6 p.37
Figura 5. Celda Solar. 16

Figura 5.

Celda Solar. 16 p.38
Figura 16. Partes de un Panel solar. 18

Figura 16.

Partes de un Panel solar. 18 p.50
Figura 27.  Dependencia de la corriente producida en función del voltaje para  diferentes temperaturas de operación (irradiancia constante 1,000W/m2)

Figura 27.

Dependencia de la corriente producida en función del voltaje para diferentes temperaturas de operación (irradiancia constante 1,000W/m2) p.62
Figura 26.  Dependencia de la corriente producida en función del voltaje para

Figura 26.

Dependencia de la corriente producida en función del voltaje para p.62
Figura 28. Comportamiento de la curva de voltaje – corriente de un panel solar por efecto de la temperatura

Figura 28.

Comportamiento de la curva de voltaje – corriente de un panel solar por efecto de la temperatura p.63
Figura 34. Regulador de carga. 9

Figura 34.

Regulador de carga. 9 p.67
Figura 35. Acumulador. 12

Figura 35.

Acumulador. 12 p.68
Figura 36. Construcción de una batería monoblock. 20

Figura 36.

Construcción de una batería monoblock. 20 p.70
Figura 38. Limitador de Tensión. 19

Figura 38.

Limitador de Tensión. 19 p.72
Figura 40. Esquemas de conexión con diodos. 20

Figura 40.

Esquemas de conexión con diodos. 20 p.73
Figura 41. Diodos de bloqueo. 17

Figura 41.

Diodos de bloqueo. 17 p.74
Figura 43. Diodos de paso. 17

Figura 43.

Diodos de paso. 17 p.75
Figura 46. Ubicación donde se va a colocar el módulo fotovoltaico. 26

Figura 46.

Ubicación donde se va a colocar el módulo fotovoltaico. 26 p.78
Figura 47. Soporte de módulos fotovoltaicos. 26

Figura 47.

Soporte de módulos fotovoltaicos. 26 p.78
Figura 48. Ubicación de la batería y del controlador de carga. 26

Figura 48.

Ubicación de la batería y del controlador de carga. 26 p.79
Figura 49. Ubicación de las lámparas. 26

Figura 49.

Ubicación de las lámparas. 26 p.80
Figura  51. Conexión de las terminales del controlador de carga con las del

Figura 51.

Conexión de las terminales del controlador de carga con las del p.81
Tabla 4.  Distribución de Frecuencias.

Tabla 4.

Distribución de Frecuencias. p.98
Tabla 5. Indicadores y su tendencia.

Tabla 5.

Indicadores y su tendencia. p.105
Tabla 6. Indicadores con su Valor Abdimensional e Índice (%).

Tabla 6.

Indicadores con su Valor Abdimensional e Índice (%). p.106
Tabla 7. Indicadores con su color de identificación.

Tabla 7.

Indicadores con su color de identificación. p.107
Tabla 10. Características climáticas anuales de Apaxco. 5

Tabla 10.

Características climáticas anuales de Apaxco. 5 p.110
Figura 55. Plano Eléctrico.

Figura 55.

Plano Eléctrico. p.112
Figura 56. Cama de hierro donde se colocarán los paneles solares.

Figura 56.

Cama de hierro donde se colocarán los paneles solares. p.120
Figura 59. Bastidor de Aluminio Para 3 módulos de 200W.

Figura 59.

Bastidor de Aluminio Para 3 módulos de 200W. p.122
Figura 60. Diagrama Físico del proyecto.

Figura 60.

Diagrama Físico del proyecto. p.122
Figura 61. Diagrama Eléctrico del proyecto.

Figura 61.

Diagrama Eléctrico del proyecto. p.123
Figura 2. Croquis de Cañada Colorada 1

Figura 2.

Croquis de Cañada Colorada 1 p.151
FIGURA 690-1 Sistema solar fotovoltaico

FIGURA 690-1

Sistema solar fotovoltaico p.161

Referencias

Actualización...