INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS“ ZACATENCO
DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA ÁREAS COMUNES EN UN EDIFICIO EN
HUIXQUILUCAN, ESTADO DE MÉXICO
SEMINARIO
PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO ELECTRISISTA
PRESENTAN
ARROYO CORONA JAIR AXEL RAMIREZ PASARAN JOSE LUIS RIVERA DURAN FRANCISCO USIEL
ASESORES
ING. RAYMUNDO JAVIER VÁZQUEZ DELGADO ING. JOSE LUIS DELGADO MENDOZA
CIUDAD DE MÉXICO, FEBRERO 2020
ii Resumen
La finalidad de este proyecto es la implementación de paneles solares en el Condominio Verona ubicado en el Estado de México y se desarrolla un sistema fotovoltaico interconectado a la red de Comisión Federal de Electricidad, que por una parte amortice los costos de consumo por concepto de uso de equipos de servicios generales como son iluminación de pasillos de tránsito común, alumbrado de estacionamiento, área de entrada exterior al condominio, elevadores y sistema de bombas de cisternas del condominio, además este sistema de energía alternativa y sustentable cumpla con la finalidad de generación de energía eléctrica a través de paneles solares aprovechando la radiación solar que es un recurso que se tiene a disposición, ya que se encuentra en un lugar privilegiado, donde México está situado en una zona de las más viables a nivel mundial para aprovechar este recurso energético renovable e inagotable que se tiene de forma libre y gratuita, el sistema a desarrollar tiene como objetivo principal alimentar la carga eléctrica de usos generales del condominio Verona, se emplean paneles solares de tipo mono cristalino tomando en cuenta la eficiencia de cada panel, así como el aspecto costo beneficio.
Se toma en cuenta todas las adecuaciones y modificaciones del condominio a considerar para la ejecución del proyecto, como lo son gestionar ante Comisión Federal de Electricidad el cambio de medidor de direccional a bidireccional, inspeccionar la zona específica que se asigna para la instalación de los paneles solares tomando en cuenta tamaño de la azotea y la ubicación más eficiente para los paneles solares sin dejar pasar de lado las condiciones de seguridad y fácil acceso para cuestiones de mantenimiento preventivo o correctivo según lo amerite el caso, se debe considerar todos los aspectos importantes que implica las adecuaciones necesarias a realizar como lo son ubicación de puntos de transición del cable de salida de panel a cable THW para alimentar los inversores, montaje y ubicación de inversores con sus respectivas protecciones para la intemperie, así como la ruta más eficiente y viable de la tubería y cableado a la acometida de Comisión Federal de Electricidad, es importante considerar el sistema de tierra el cual debe ser un sistema de tierra aislada ya que se conectan equipos con componentes electrónicos los cuales están expuestos a interferencias electromagnéticas, si en su caso el condominio cuenta con dicho sistema o se tiene que implementar como parte de la adecuación que exige el propio proyecto.
Se debe realizar un presupuesto de equipo y adecuaciones necesarias para ejecutar el proyecto, aunado a esto se debe realizar una proyección del aspecto costo beneficio, también se demuestra la amortización del precio del proyecto a un determinado lapso de tiempo especificando el tiempo de recuperación de la inversión inicial y cuanto tiempo de vida útil tiene el sistema instalado.
iii Índice
Resumen ... ii
Índice ...iii
Índice de figuras ... vii
Índice de tablas ... xi
Abreviaturas ... xii
Planteamiento del problema ... xiv
Objetivo general ... xiv
Objetivos particulares ... xiv
Justificación ... xv
Alcance ... xv
Capítulo 1. Energías sustentables ... 1
1.1 Energías alternativas ... 1
1.2 Desarrollo sustentable ... 3
1.2.2 Protocolo de Kioto ... 4
1.3 Ingeniería verde doce principios para la sostenibilidad ... 6
Capítulo 2. Generalidades de un sistema fotovoltaico. ... 10
2.1 Radiación solar ... 10
2.2 Radiación ... 10
2.2.1 Características de la radiación solar ... 10
2.2.2 Interacción del sol con la tierra ... 12
2.2.3 Radiación solar en México... 13
2.3 Terminología y unidades de medida que se deben de tomar en cuenta para el diseño de un sistema fotovoltaico ... 14
2.3.1 Hora solar pico ... 15
2.3.2 Energía solar ... 17
2.4 El efecto fotovoltaico a través de la historia ... 18
2.4.1 Efecto fotovoltaico ... 19
2.5 Funcionamiento de una celda fotovoltaica... 19
2.5.1 Componentes y estructura de un panel fotovoltaico ... 22
2.5.2 Tipos de celda fotovoltaica ... 22
2.6 Paneles de celdas monocristalinos... 23
2.6.1 Ventajas de los paneles solares monocristalinos ... 23
iv
2.6.2 Desventajas de los paneles monocristalinos ... 23
2.7 Paneles de celdas policristalinos... 24
2.7.1 Ventajas de los paneles solares policristalinos ... 24
2.7.2 Desventajas de los paneles policristalinos ... 24
2.8 Paneles de celdas de capa fina o amorfo ... 25
2.8.1 Ventajas de los paneles solares de capa fina o amorfo ... 25
2.8.2 Desventajas de los paneles solares de capa fina o amorfo ... 25
2.9 Partes de un panel solar fotovoltaico ... 25
2.10 Curva corriente voltaje en un panel fotovoltaico ... 27
2.11 Efecto de la radiación en un panel fotovoltaico ... 28
2.11.1 Efecto de la temperatura en la generación un panel fotovoltaico ... 29
2.12 Tipos de sistemas fotovoltaicos y sus aplicaciones ... 29
2.12.1 Sistema fotovoltaico directo o de uso diurno corriente directa-corriente directa ... 30
2.12.2 Sistema fotovoltaico con almacenamiento de energía ... 30
2.12.3 Sistema fotovoltaico híbrido ... 30
2.12.4 Sistema fotovoltaico interconectado a la red ... 31
2.12.5 Beneficios de un sistema fotovoltaico interconectados a la red ... 32
2.12.6 Componentes de un sistema fotovoltaico interconectados a la red... 32
2.13 Caja combinadora y protecciones DC ... 35
2.13.1 Componentes de una caja combinadora ... 36
2.13.2 Desconectador en CD (corriente directa) ... 38
2.13.3 Inversor fotovoltaico ... 39
2.13.4 Microinversores fotovoltaicos... 44
2.14 Protecciones eléctricas para el sistema fotovoltaico ... 45
2.14.1 Fusibles de protección de línea ... 45
2.14.2 Protecciones contra descargas atmosféricas ... 46
2.14.3 Puesta a tierra del lado corriente directa ... 46
2.14.4 Protección de funcionamiento de isla ... 48
2.14.5 Aislamiento galvánico ... 49
2.14.6 Protecciones en corriente alterna ... 51
2.15 Cables para instalaciones fotovoltaicas ... 52
2.16 Medidor bidireccional ... 53
2.17 Alteraciones a la operación de la red de comisión federal de electricidad ... 56
v
Capítulo 3. Análisis técnico... 58
3.1 Localización del proyecto ... 58
3.2 Condiciones iniciales ... 61
3.3 Recolección de datos ... 61
3.4 Documentación del levantamiento realizado ... 66
3.5 Propuesta de solución con base en marco normativo, en opciones sustentables y con eficiencia energética. ... 68
3.6 Estudios técnicos ... 69
3.7 Análisis comparativo ... 70
3.8 Análisis y selección de materiales y equipo ... 73
Capítulo 4. Análisis económico ... 77
4.1 Estructura del estudio económico ... 77
4.2 Determinación de costos ... 77
4.3 Programación de obra. ... 82
4.4 Evaluación económica. ... 83
4.5 Tiempo de recuperación. ... 87
4.5.1 Mantenimiento... 88
4.6 Punto de equilibrio. ... 90
4.7 Análisis de factibilidad. ... 91
Conclusiones ... 92
Glosario ... 93
Referencias ... 94
Anexo 1. Memoria de cálculo... 101
Anexo 2. Radiación promedio mensual en el sitio de instalación de paneles fotovoltaicos ... 110
Anexo 3. Características técnicas del inversor marca Sunny Boy modelo 7.7-US... 111
Anexo 4. Características técnicas del panel fotovoltaico marca Sun Power modelo X21-470 ... 112
Anexo 5. Características eléctricas del inversor marca Sunny Boy modelo 7.7-US... 114
Anexo 6. Características eléctricas del panel fotovoltaico marca Sun Power modelo X21-470 ... 115
Anexo 7. Corriente máxima de salida del inversor marca Sunny Boy modelo 7.7-US ... 116
Anexo 8. Valores de ampacidad permisibles en cables marca Viakon ... 117
Anexo 9. Trayectorias de tubería acometida-inversores-paneles fotovoltaicos ... 118
Anexo 10. Valores de ampacidad permisibles en cables marca Viakon ... 119
Anexo 11. Características de selección de interruptores termomágneticos atornillables. ... 120
vi
Anexo 12. Características eléctricas centro de carga QO312L125G ... 121
Anexo 13. Norma oficial mexicana NOM-001-SEDE-2012 artículo 250-122 ... 122
Anexo 14. Norma oficial mexicana NOM-001-SEDE-2012 artículo 250-122 inciso f) ... 123
Anexo 15. Norma oficial mexicana NOM-001-SEDE-2012 artículo 225-6 inciso 1) ... 124
Anexo 16. Norma oficial mexicana NOM-001-SEDE-2012 artículo 690-8 inciso b apartado 1) ... 125
Anexo 17. Características eléctricas de los fusibles fotovoltaicos serie PV-A10 ... 126
Anexo 18. Características eléctricas de los portafusibles tipo CHPV... 127
Anexo 19. Norma oficial mexicana NOM-001-SEDE-2012 artículo 250-112 inciso f. ... 128
Anexo 20. Características eléctricas del panel fotovoltaico marca Suntech ... 129
Anexo 21. Eficiencias del panel fotovoltaico marca Suntech ... 130
Anexo 22. Características eléctricas del panel fotovoltaico marca Solarhome ... 131
Anexo 23. Características técnicas del panel fotovoltaico marca Solarhome ... 132
Anexo 24. Diagrama unifilar del sistema fotovoltaico interconectado a la red. ... 133
Anexo 25. Diagrama unifilar del sistema fotovoltaico interconectado a la red. ... 134
Anexo 26. Diagrama unifilar del sistema actual de servicios generales. ... 135
vii Índice de figuras
Figura 1. Países que integran el protocolo de Kioto. 5
Figura 2. Radiación solar. 10
Figura 3. Espectro de luz solar. 11
Figura 4. Tipo de radiación. 12
Figura 5. Movimiento de traslación y rotación. 12
Figura 6. Ángulo de declinación solar y movimiento anular de la tierra alrededor del sol.
13
Figura 7. Mapa de la radiación solar en México. 14
Figura 8. Radiación emitida hacia la tierra. 15
Figura 9. Representación de la hora solar. 16
Figura 10. Gráfica que indica la potencia que se da por hora del día. 16
Figura 11. Central fotovoltaica. 18
Figura 12. Red cristalina del silicio. 20
Figura 13. Dopaje semiconductor tipo N y P. 20
Figura 14. Corriente de huecos. 21
Figura 15. Zona de deflexión. 21
Figura 16. Generación fotovoltaica. 22
Figura 17. Panel solar de celdas monocristalinas. 23
Figura 18. Panel solar de celdas policristalinas. 24
Figura 19. Panel solar de celdas de capa fina o amorfo. 25
Figura 20. Partes de un panel solar fotovoltaico. 26
Figura 21. Curva de corriente voltaje en un panel fotovoltaico. 28 Figura 22. Efecto de la radiación en un panel fotovoltaico. 29 Figura 23. Efecto de la temperatura en el panel fotovoltaico. 29 Figura 24. Sistema fotovoltaico directo o de uso diurno DC-DC. 30 Figura 25. Sistema fotovoltaico con almacenamiento de energía. 30
Figura 26. Sistema fotovoltaico híbridos. 31
Figura 27. Sistema fotovoltaico interconectado a la red. 31
viii
Figura 28. Símbolo eléctrico de un panel. 32
Figura 29. 3 Paneles Solares de 200W a 12V y 11.13A de corriente. 33 Figura 30. 3 Paneles Solares de 320W y 24V (Vmp: 36.8V y 8.7A).La serie produce
960W a 110.4V y 8.7A. Para la limitación en el inversor hay que tener en cuenta el Voc que es de 45.3V por panel. La serie genera 135.9V.
33
Figura 31. 4 Paneles solares de 320W, 24V y 8.7ª. 34
Figura 32. Diodo de bloqueo. 35
Figura 33. Caja combinadora marca Conermex. 36
Figura 34. Partes de una caja combinadora. 36
Figura 35. Supresor de picos de voltaje. 37
Figura 36. Porta fusibles seccionables. 37
Figura 37. Conectores MC4, entrada de cadenas de paneles fotovoltaicos. 38
Figura 38. Desconectadores de Corriente Directa (CD). 39
Figura 39. Símbolo eléctrico del inversor monofásico y trifásico. 39 Figura 40. Arreglos de los paneles solares de diferentes formas 40
Figura 41. Eficiencia máxima a una potencia del 50%. 42
Figura 42. Eficiencia de inversor SPT2500TL-30 a diferentes valores de alimentación de corriente directa.
42 Figura 43. Tensión de voltaje en bornes de inversor con y sin trasformador. 43
Figura 44. Microinversor. 45
Figura 45. Conexión de puesta a tierra 47
Figura 46. Sistemas de puesta a tierra. 48
Figura 47. Esquema de funcionamiento normal de la instalación fotovoltaica. 49
Figura 48. Inversor con aislamiento galvánico. 50
Figura 49. Inversores con trasformador de aislamiento galvánico y sin trasformador TL (transformerless).
51
Figura 50. Interruptor termomagnético. 51
Figura 51. Interruptor diferencial. 52
Figura 52. Medidor bidireccional 54
Figura 53. Tipos de redes generales de distribución. 55
Figura 54. Planta azotea localización del proyecto 58
ix
Figura 55. Fachada principal localización del proyecto 59
Figura 56. Orientación de planta loza 104° Noreste medición tomada en sitio a) Medición por una brújula física
b) Medición tomada por una aplicación de un teléfono celular.
59
Figura 57. Diagrama de flujo del procedimiento de ejecución del proyecto. 60 Figura 58. Área asignada para instalar paneles fotovoltaicos. 62 Figura 59. Planta azotea área asignada para instalar los paneles fotovoltaicos 62 Figura 60. Inclinación de loza 14° con respecto a la horizontal 63 Figura 61. Orientación planta azotea 104° noreste tomada en sitio 63
Figura 62. Sitio para instalar equipos inversores 64
Figura 63. Acometida CFE servicios usos generales . 64 Figura 64. Trayectoria de tubería de acometida CFE a equipos inversores a través de la
vertical del edificio
65 Figura 65. Plano isométrico trayectoria medidor-interruptor-acometida eléctrica -equipo
inversor – paneles fotovoltaicos.
65 Figura 66. Recibo de energia electrica condominio verona av.club de golf N°187 66
Figura 67. Programación de la obra por tiempo. 83
Figura 68. Gráfica energía producida por el sistema fotovoltaico y demandada por la carga.
87 Figura 69. Gráfica años de vida estimados del proyecto contra ahorro acumulado en
pesos.
90 Figura 70. Gráfica amplificada del punto de equilibrio años de vida estimados del
proyecto contra ahorro acumulado en pesos.
91
Figura 71. Radiación solar para la ubicación 19°24´11.9 ´´N, 99°16´52.0 E, °N 19.4 ° E -99.1 corresponde un valor de radiación solar promedio de 5.06 kWh/m²/d.
110 Figura 72. Características técnicas inversor marca SMA Sunny Boy modelo 7.7-US 111 Figura 73. Características técnicas del panel fotovoltaico marca Sunpower X21-470
a) Ficha técnica del panel fotovoltaico.
b) Características de la eficiencia y la degradación del panel fotovoltaico.
112
Figura 74. Características técnicas inversor marca SMA Sunny Boy modelo 7.7-US 114 Figura 75. Características eléctricas del panel fotovoltaico de 470 watts, con un valor de
voltaje a circuito abierto de Voc = 91.5 Corriente de corto circuito Isc= 6.45 A marca Sunpower modelo X21-470.
115
x Figura 76. Corriente máxima de salida de inversor marca SMA Sunny Boy modelo 7.7-
US.
116 Figura 77. Valores de ampacidad característica en cables marca Viakon. 117 Figura 78. Plano isométrico de la trayectoria de medidor-interruptor-acometida eléctrica
-equipo inversor – paneles fotovoltaicos.
118 Figura 79. Valores de ampacidad característica en cables marca Viakon. 119 Figura 80. Interruptores termomagnéticos automáticos atornillables. 120
Figura 81. Centro de carga trifásico QO312L125G. 121
Figura 82. Sección de tabla 250-122.- Tamaño mínimo de los conductores de puesta a tierra para canalizaciones y equipos.
122 Figura 83. Valores de ocupación máxima de conductores en tubo conduit. 123 Figura 84. Sección 225-6 de la NOM-001-SEDE-2012 Tamaño y soporte de los
conductores.
124 Figura 85. Sección 680-8 de la NOM-001-SEDE-2012 dimensionamiento y corrientes de
los circuitos.
125
Figura 86. Selección de fusible de corriente directa protección de circuitos MPPT de los inversores 1 y 2.
126 Figura 87. Portafusiles tipo CHPV ficha del producto (726147) 127 Figura 88. Parte de la tabla C-1 del apéndice C de la NOM-001-SEDE-2012. 128 Figura 89. Características técnicas del panel fotovoltaico Suntech-power. 129 Figura 90. Características técnicas y de eficiencia del panel fotovoltaico Suntech-power. 130 Figura 91. Características eléctricas del panel fotovoltaico Solarhome. 131 Figura 92. Características técnicas del panel fotovoltaico Solarhome. 132 Figura 93. Diagrama unifilar del sistema fotovoltaico interconectado a la red. 133 Figura 94. Diagrama unifilar del sistema fotovoltaico interconectado a la red. 134 Figura 95. Diagrama unifilar servicios generales condominio Av. Club de Golf 187
Fraccionamiento Lomas Country Club.
135
xi Índice de tablas
Tabla 1. Hora solar en los estados de la República Mexicana 17
Tabla 2. Hoja de levantamiento técnico 67
Tabla 3. Comparación de características eléctricas de paneles fotovoltaicos 71 Tabla 4. Comparación de características eléctricas de inversores 71 Tabla 5. Comparación de características del sistema de montaje para paneles solares 72
Tabla 6. Selección de materiales para el proyecto. 73
Tabla 7. Costos de equipo y materiales. 78
Tabla 8. Costos de materiales. 79
Tabla 9. Costo por seguridad social. 80
Tabla 10. Mano de obra para la instalación fotovoltaica. 80
Tabla 11. Concentrado de costos directos e indirectos del proyecto. 80
Tabla 12. Programación de tiempos de ejecución de obra. 82
Tabla 13. Concentrado de datos obtenidos de la evaluación económica. 85 Tabla 14. Resultados evaluación económica, energía producida-energía demandada-
costo.
86
Tabla 15. Costos de producción y ahorro anual y tiempo de recuperación del sistema fotovoltaico.
89
Tabla 16. Rango de operación en voltaje de corriente directa de cada MPPT en los inversores SMA 7.7-US.
103
xii Abreviaturas
CFE Comisión Federal de Electricidad
FV Fotovoltaico
PDBT Pequeña Demanda en Baja Tensión
kWh Kilowatt Hora
GEI Gases de Efecto Invernadero
UE Unión europea
AIE Agencia Internacional de Energía
N Material semiconductor dopado con fosforo, semiconductor tipo N P Material semiconductor dopado con boro, semiconductor tipo P
Nm nanómetros
kWh/m² Kilowatt Hora Metro Cuadrado EVA Etil-Vinil-Acet ileno
GS Constante Solar
kW/m2 Kilowatt metro cuadrado W/m2 Watt metro cuadrado
G Irradiancia
H Irradiación
Wh/m2 (Watt Hora por Metro Cuadrado) HSP Hora Solar Pico
STC (del inglés Standard Test Conditions)
Pmax Potencia maxima
Voc Voltaje a Circuito Abierto
Vmpp Voltaje en el Punto de Máxima Potencia Isc Corriente a Corto Circuito
Impp Corriente en el Punto de Máxima Potencia Vmp Voltaje en Máxima Potencia
Imp Corriente en Máxima Potencia
Mppt Seguidor de Punto de Máxima Potencia CD Corriente Directa
NEC Código Eléctrico Nacional
Strings Cadenas de celdas Diodos
Bypass
Diodos de Derivación
MPP Maximum Power Point (Punto de Máxima Potencia)
MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (Transistor de Efecto de Campo)
L1 Linea 1
L2 Linea 2
L3 Linea 3
xiii
N Neutro
PWM Modulación por Ancho de Pulso SHD Distorsión Armónica Simple CA Corriente Alterna
String Línea de Arreglo Fotovoltaico
AWG American Wire Gauge (calibre de alambre estadounidense) TL (por las siglas en inglés de transformerless)
°C Grados Centígrados
TÜV (Technischer Überwachungs-Verein) organizaciones certificadoras alemanas UL (Underwriters Laboratories)
NVRAM Memoria no volátil
RGD Redes Generales de Distribución
xiv Planteamiento del problema
En la actualidad el incremento en las tarifas de energía eléctrica PDBT tarifa 2 (Pequeña demanda baja tensión hasta 25 kWh mes) de la Comisión Federal de Electricidad han aumentado considerablemente en estos últimos años, por lo cual se ha visto afectado los clientes con altos consumos, por lo cual es necesario buscar alternativas que ayuden a combatir estos altos consumos y a la vez apoyar al medio ambiente.
En este edificio el costo que se tiene por el uso de equipamiento de servicios generales como lo son alumbrado de pasillos de uso general, elevadores, bombas de servicio, alumbrado de estacionamiento y área de entrada exterior al condominio genera un gasto de $16,474.00 bimestral debido a un consumo promedio de 4100.83 kWh por bimestre.
Ya que se encuentra en una tarifa no subsidiada la cual es la PDBT (pequeña demanda en baja tensión) la cual tiene un costo total de $ 3.3187 kWh de energía.
Objetivo general
Diseñar un sistema fotovoltaico empleando energías alternativas económicamente viables, para reducir el costo que genera el consumo de energía eléctrica de áreas comunes en el edificio, además considerando que sea rentable a corto y mediano plazo.
Objetivos particulares
Implementar la tecnología de paneles solares para alimentar el consumo que demanda, así como reducir las emisiones contaminantes al medio ambiente por generación de energía eléctrica tradicional.
Realizar una comparación económica por costos de consumo de energía eléctrica del sistema fotovoltaico contra el sistema eléctrico tradicional.
Contribuir con tecnologías sustentables para preservar el medio ambiente, combatiendo la emisión de dióxido de carbono.
Presentar la proyección de costo beneficio del proyecto específicamente en cuanto tiempo la inversión inicial es recuperada y el tiempo de vida de operación del sistema.
xv Justificación
Instalar tecnologías limpias y sustentables específicamente paneles fotovoltaicos con la finalidad de generar energía eléctrica para las áreas comunes del condominio por ende esto impacta directamente en la reducción de consumo de energía eléctrica y a su vez representa un ahorro económico a los condóminos.
Es una tecnología que debido a la comercialización a nivel global es de un desarrollo tecnológico acelerado y por ello que los precios del equipo tienden a ser más rentables y recuperar en poco tiempo el costo de la inversión.
Es una tecnología que ofrece un beneficio inmediato, recibiendo ahorro directo en el costo de la energía eléctrica ya que se puede utilizar de forma eficaz para su instalación, pero sobre todo por su fácil disposición en el mercado.
Alcance
En este momento es necesario implementar energías limpias, renovables y sustentables con la finalidad de hacer conciencia, cuidar el medio ambiente y evitar el calentamiento global ya que existen problemas muy serios de cambios climáticos muy extremos y catástrofes naturales, pero también que la implementación de tecnologías limpias y sustentables representen un ahorro en el costo de la energía eléctrica a corto y mediano plazo.
Es por esta razón que la implementación de un sistema fotovoltaico interconectado a la Comisión Federal de Electricidad para reducir los costos que implica la utilización de los equipos de uso general del edificio Verona como son iluminación de pasillos de tránsito común, alumbrado de estacionamiento y área de entrada exterior al condominio elevadores, y sistema de bombas de cisternas del condominio, se plantea esta tecnología sustentable como mejor solución.
1 Capítulo 1. Energías sustentables
1.1 Energías alternativas
¿Qué se piensa cuando se escucha el término energías alternativas?, por lo general la palabra alternativa lleva a pensar en una opción diferente a la que se está acostumbrado a tomar.
Se define como energías alternativas las que también se les conoce como energías renovables.
¿Pero energías alternativas, a qué? En lo que refiere a la generación de energía eléctrica, es la alternativa a la contaminante energía nuclear o a las que consumen combustibles fósiles y emiten gases contaminantes en el proceso de la obtención de la energía eléctrica. En la década de los 70 el mundo empezó a darse cuenta del poder destructivo que tiene la nueva tecnología y de cuanto se necesita de los procesos biológicos. De esta manera es como la naturaleza dejó de convertirse un simple objeto para convertirse en un sujeto de deberes y derechos, sosteniendo valores que todos estamos obligados a respetar.
Las energías alternativas ofrecen un reto y una oportunidad para el futuro del planeta que ya sufre bastante a manos del hombre con las emisiones de CO2 de una manera desmedida y sin control a la atmósfera y como consecuencia de ello el calentamiento global, causantes del cambio climático;
son una oportunidad para enmendar, o al menos frenar, el daño hecho y son, sobre todo, una oportunidad para dejar a las generaciones futuras un mundo sostenible que no se autodestruya.
¿Qué son las energías alternativas?
Energía alternativa es un sinónimo para energía limpia, energía verde o energía renovable. Se consideran alternativas todas aquellas energías que provienen de recursos naturales y de fuentes inagotables, todas aquellas que, al producirlas, no contaminan ni emiten emisiones de CO2.
¿Qué tipos de energía alternativa existen?
Existen diferentes tipos de energías alternativas o renovables. Se parte de la base de que se puede obtener energía de muchas maneras, sólo hay que transformarla, en este caso, en energía eléctrica.
En la naturaleza se encuentra una variedad de fuentes inagotables de las que se extrae energía, como el viento, el agua o el sol, la geotérmica, hidroeléctrica, entre otras.
Energía hidroeléctrica
La energía hidroeléctrica o hidráulica es otra de las energías alternativas más conocidas. Utiliza la fuerza del agua en su curso para así poder generar la energía eléctrica. Esta se produce normalmente en represas las cuales se encausan para mover las turbinas de las centrales hidroeléctricas.
Energía eólica
La energía eólica es la que se emplea como medio motriz, la fuerza del viento el cual mueve las aspas de los aerogeneradores y produce energía eléctrica aprovechando la fuerza del viento, estos aerogeneradores se ven cientos de veces cuando se viaja en coche se sitúan en los llamados parques eólicos que transforman la energía producida cuando el viento hace girar sus aspas en energía eléctrica.
2 Energía a partir de biomasa
Esta energía alternativa es una de los métodos más económicos y ecológicos de generar energía eléctrica en una central térmica. Consiste en la combustión de residuos orgánicos de origen animal y vegetal. Con desechos exclusivamente biodegradables, como serrín, cortezas y todo aquello que pueda ir a los desperdicios orgánicos, se prensa para usarse como un combustible que prenda el fuego a modo de yesca, siendo sustituible así el carbón por este producto y, a gran escala, pudiendo ser utilizado para la producción de energía de forma renovable.
Energía a partir de biogás
El biogás es una energía alternativa que se produce biodegradando materia orgánica, mediante microorganismos, en dispositivos específicos sin oxígeno denominados biodigestores entre otros equipos utilizados para tal fin, así se genera un gas combustible que se utiliza para producir energía eléctrica.
Energía mareomotriz
La energía mareomotriz es la que se obtiene aprovechando el movimiento de las mareas y las holas, mediante su acoplamiento a un alternador se puede utilizar el sistema para la generación de energía eléctrica, transformando así la energía mareomotriz en energía eléctrica, una forma energética más útil y aprovechable. Es un tipo de energía renovable y limpia. La energía marítima tiene la cualidad de ser renovable, en tanto que la fuente de energía primaria no se agota por su explotación, y es limpia, ya que en la transformación energética no se producen subproductos contaminantes gaseosos, líquidos o sólidos. Sin embargo, la relación entre la cantidad de energía que se puede obtener con los medios actuales y el costo económico y ambiental de instalar los dispositivos para su proceso han impedido una proliferación notable de este tipo de energía.
Energía geotérmica
La energía geotérmica es una de las de energía renovable a escala humana que se obtiene a partir del calor del interior de la Tierra. Esta energía térmica se puede obtener sin la combustión de ningún material, es por tanto, una forma de energía limpia sin emisiones de dióxido de carbono. Para aprovechar esta energía geotérmica se pasa un fluido por la zona caliente, que lo calienta suficientemente para convertirlo en vapor. Este vapor, con una elevada temperatura interna, y muy alta presión se puede aprovechar para transformarlo en energía mecánica mediante una turbina la cual mueve el rotor de un generador y como consecuencia la generación de energía eléctrica a partir de una energía alternativa.
Energía solar.
El término energía solar se define como el aprovechamiento de la energía que proviene del Sol. Se trata de un tipo de energía renovable y limpia. La energía contenida en el Sol es tan abundante que se considera inagotable. El Sol lleva 5 mil millones de años emitiendo radiación solar y se calcula que todavía no ha llegado al 50% de su vida.
La energía solar, además de ser inagotable es abundante: la cantidad de energía que el Sol vierte diariamente sobre la Tierra es diez mil veces mayor que la que se consume al día en todo nuestro
3 planeta. La radiación recibida se distribuye de una forma más o menos uniforme sobre toda la superficie terrestre, lo que dificulta su aprovechamiento.
La energía solar, además de ser una fuente de energía renovable, es una energía limpia y supone una alternativa a otros tipos de energía no renovables como la energía fósil o la energía nuclear.
La energía solar es la energía concentrada en la radiación solar que es transformada mediante los correspondientes dispositivos, en forma de energía térmica o energía eléctrica, para su consumo posterior donde se requiera.
El elemento encargado de captar la radiación solar y transformarla en energía eléctrica es el panel solar. Los paneles solares pueden ser de distintos tipos dependiendo del mecanismo escogido para el aprovechamiento de la energía solar:
a) Empleando captadores solares térmicos (energía solar térmica) b) Instalando módulos fotovoltaicos (energía solar fotovoltaica) c) Sin ningún elemento externo (energía solar pasiva)
En la actualidad existen básicamente tres formas para aprovechar la energía solar. Las cuales son.
Energía solar pasiva, energía solar fotovoltaica y energía solar térmica.
Energía solar pasiva es el método más antiguo de aprovechamiento de la radiación solar. Se trata del sistema que ya utilizaban las culturas antiguas este sistema consiste en aprovechar la radiación solar sin la utilización de ningún elemento o aparato intermedio, solo valiéndose de la adecuada ubicación, diseño y orientación de los edificios, empleando correctamente las propiedades de los materiales y los elementos arquitectónicos de los mismos edificios: aislamientos, tipo de cubiertas, protecciones, etc. Aplicando criterios de arquitectura bioclimática se puede reducir significativamente la necesidad de climatizar los edificios y de iluminación interna.
La energía solar fotovoltaica aprovecha el efecto fotovoltaico para generar una corriente eléctrica.
La corriente que generan los paneles es corriente continua, la cual con ayuda de equipos especializados se trasforma en energía de corriente alterna se puede utilizar para suministrar electricidad en instalaciones autónomas o se puede utilizar para la cogeneración e inyectarla directamente a la red eléctrica.
Otra forma de aprovechamiento muy conocida y económica se trata de la energía solar térmica. Su funcionamiento se basa en el aprovechamiento de la radiación solar para calentar agua empleando colectores solares. Los colectores solares aumentan la temperatura del fluido en la gran mayoría de los casos agua aumentando su energía interna. De esta forma es fácil transportar la energía térmica generada y utilizarla donde se necesite: se podrá utilizar para obtener agua caliente sanitaria o para la calefacción de una vivienda.
1.2 Desarrollo sustentable
Se considera un desarrollo sustentable como el resultado de una acción consensuada de las naciones para impulsar un modelo económico que esté en estricta armonía con la conservación del medio ambiente y con la equidad social y que además tome en cuenta un desarrollo socialmente
4 justo y abarca las estrategias para el uso sostenido y una convivencia armoniosa de los seres humanos entre sí y el medio ambiente, además de encontrar el justo equilibrio entre el crecimiento económico y los recursos naturales y la sociedad moderna del bienestar común.
Un desarrollo sustentable radica en el crecimiento de toda la población, es un sistema en el cual se evoluciona constantemente para que el individuo se sienta seguro con su entorno en un sistema sustentable uno de los conceptos importantes a tomar en cuenta es el ganar ganar. En un desarrollo sustentable el principal objetivo es obtener un crecimiento que permita solucionar las necesidades de la actual población sin sacrificar las posibilidades y el bienestar de las futuras generaciones, de tal manera lograr un desarrollo económico y material sin comprometer el medio ambiente los recursos naturales o la calidad de vida de los seres humanos y las demás especies del planeta.
Para lograr un correcto desarrollo sustentable es preciso tomar en cuenta tres factores fundamentales, es importante que las actividades y proyectos sean socialmente justos y abiertamente correctos y económicamente viables a medida que se logran estos tres factores teniendo un desarrollo sustentable:
Factor número uno, el aspecto económico de todo negocio debe ser viable y rentable para permitir la reinversión y su crecimiento sostenido y permanente.
Factor número dos, denominado medio ambiente, la sustentabilidad ecológica exige un desarrollo en comunión con la biodiversidad y los recursos naturales para esto es muy importante que ningún recurso renovable debe utilizarse a un ritmo superior al de su generación y ningún contaminante debe producirse a una velocidad superior al que pueda ser tratado y/o neutralizado o en su defecto absorbido por el medio ambiente.
Factor número tres, la sociedad requiere que como condición inicial se fortalezca la identidad de las poblaciones y comunidades, además lograr un equilibrio demográfico erradicando la pobreza, la rentabilidad nunca debe de depender de salarios indignos o de la evasión de impuestos.
1.2.2 Protocolo de Kioto
En los últimos años existe la creciente sensibilización respecto del impacto medioambiental de las actividades humanas que se concretan en el efecto que se provoca al medio ambiente y al cambio climático debido al uso irracional y excesivo de los recursos naturales. Para dar respuesta a esta problemática y marcar una ruta sostenible surge como consecuencia de esa conciencia medio ambiental el Protocolo de Kioto.
El Protocolo de Kioto es el resultado más tangible del esfuerzo colectivo y global de las naciones que lo componen para buscar un marco conjunto que permita luchar contra el cambio climático. El Protocolo de Kioto establece objetivos y principios que comprometen a lograr objetivos individuales y jurídicamente vinculantes para limitar o reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero. De esta manera se establecen unos límites cuantificados y obligatorios de emisión de Gases de Efecto Invernadero (GEI) para los países que lo ratifican, y que son jurídicamente vinculantes para éstos, dicho acuerdo ha sido ratificado por 192 países y por la Unión Europea (UE).Para el caso de Estados Unidos firmó el acuerdo pero se niega a ratificarlo.
5 Fig. 1. Países que integran el protocolo de Kioto [1]
Bajo este acuerdo y estando estrictamente obligados, 37 economías industrializadas (denominados países de la imagen 1) se comprometieron a reducir las emisiones totales de los seis gases principales de efecto invernadero en al menos 5 % para el 2012, en comparación a 1990.
Dióxido de carbono (CO2) Metano (CH4)
Óxido nitroso (N2O)
Hidrofluorocarbonos (HFC) Perfluorocarbonos (PFC) Hexafluoruro de azufre (SF6)
Los países denominados en vías de desarrollo no quedaron vinculados a un compromiso cifrado de reducción de gases, limitándose a un compromiso general para acabar con la contaminación, bajo el principio de que son los países ricos los responsables, históricamente, del calentamiento global.
Las 37 economías industrializadas que pueden cumplir sus objetivos de la manera que les convenga, incluso mediante el intercambio de carbono. El Protocolo de Kioto también posee dos instrumentos específicos y propios, conocidos como el Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL) y la Implementación Conjunta.
Al desarrollar e invertir en proyectos y tecnología limpia en las economías en desarrollo o en el ex bloque soviético, las economías avanzadas obtienen créditos de carbono que pueden vender, o ser compensadas por sus cuotas de emisiones.
Países que no llegan a establecer sus objetivos de Emisiones deben compensar por la diferencia, además de que se les asigna una penalidad de 30 %, en cualquier segundo periodo de compromiso.
Para el 2009, las emisiones de dióxido de carbono (CO2) por países integrados en el protocolo de Kyoto se encontraban 6,5 % por debajo de su nivel en 1990, de acuerdo a la Agencia Internacional de Energía (AIE). Pero esta cantidad oculta grandes diferencias dentro del grupo. Canadá en particular registra una emisión de carbono mucho mayor que la de su objetivo establecido.
Lo incierto del protocolo de Kioto plantea que a los países en vías de desarrollo les conviene Kioto por sus cláusulas estrictas de parcialidad, conformidad y verificación, además de las «diferenciadas» distribuciones de cargas entre los países altamente industrializados y países
6 en vías de desarrollo. Pero en los países altamente desarrollados, el apoyo a Kioto se ha agotado después de la Cumbre de Copenhague en diciembre del 2009, la cual estableció compromisos voluntarios con el fin de limitar el calentamiento del planeta a sólo 2°C.
Muchos críticos del tratado indican que el tratado de Kioto es anticuado, y con deficiencias y que es injusto, porque no impone un estricto ni un control de emisiones a China y Estados Unidos, quienes juntos representan el 41 % de las emisiones mundiales de CO2. Por su parte Brasil, India e Indonesia, grandes emisores en desarrollo, tampoco tienen dicho control estricto.
Según cifras actualizadas de la ONU, los países en desarrollo representan 54% de emisiones totales de CO2, responsables del calentamiento de la superficie de la tierra, y Estados Unidos el 18 %. Los países restantes que conforman el protocolo de Kioto representan sólo el 28 %.
1.3 Ingeniería verde doce principios para la sostenibilidad
Cuando se habla de ingeniería verde se refiere al diseño comercialización y uso de procesos y productos técnicamente y económicamente viables, que tiene como característica implícita minimizar la generación de contaminación en origen y el riesgo que representa para la salud y el medio ambiente.
Como consecuencia de este planteamiento se generan doce principios dirigidos a construir un criterio base y además utilizable como manual de las buenas practicas los cuales se mencionan a continuación.
Principio 1.- El área de diseño encargada debe garantizar que todas las entradas y salidas de materia prima y energía que se empleen en el proceso de fabricación sean tan inherentemente inocuas como sea posible.
En la industria de proceso las consecuencias negativas del uso de sustancias intrínsecamente peligrosas pueden neutralizarse con la implementación de plantas de tratamiento lo que conlleva a la inversión de tiempo dinero materia y energía para poder neutralizar dichas sustancias
Se puede argumentar que este principio coincide con el dicho “evitando la ocasión se evita el riesgo´´, para esto se tiene que considerar, no emplear sustancias químicas en lo absoluto, de no ser así se tiene que seleccionar los materiales menos peligrosos y hacer un esfuerzo por seleccionar sustancias de manejo más seguro y controlable.
Un aspecto también muy importante a considerar dentro de este principio hace referencia a la cantidad de energía que podría generarse violentamente en el área designada para el diseño de equipo y los sistemas de protección. De tal manera el ingeniero en todo momento se debe tomar en cuenta e implementar soluciones y procesos en donde considere condiciones de trabajo que minimicen dicha energía liberada durarte el proceso.
Principio 2.- Es mejor prevenir la contaminación que tratar o limpiar el residuo ya producido Este principio hace referencia a la más reciente legislación medioambiental europea dirigida a la industria, nuevamente recurrimos a un lenguaje más digerible y lo traduciríamos como “la mejor forma de limpiar es no manchar “
Principio 3.-Las operaciones de separación y purificación deberán diseñarse para minimizar el consumo de energía y el uso de materiales.
7 Este principio se enfoca principalmente en diseñar e implementar procesos en los cuales el contaminante o residuo peligroso se separe inmediatamente después de ser generado ayudando a minimizarlo o incluso eliminarlo o neutralizarlo o incluso eliminar procesos de separación posteriores.
Principio 4.- Los productos, procesos y sistemas deberán diseñarse para la maximización de la eficiencia en el uso de materia, energía y espacio.
Puntualmente este principio enfoca a la rentabilidad económica de los procesos y las operaciones, en lo que corresponde al aumento de la eficiencia en la utilización de la materia prima y la energía se puede dar por sentado que existe una práctica bien establecida en diversos sectores que ya está bien definida, como economizador energético, sin embargo dichos procesos e implementaciones deberán estar actualizadas para seguir ofreciendo la máxima eficiencia en los procesos ya que se van deteriorando con el paso del tiempo y la implementación de nuevos procesos. El aumento de la eficiencia del espacio comprende al diseño y operación de equipos de mucho menor volumen para la misma capacidad de procesamiento y es bien conocido como intensificación del proceso.
Principio 5.- Los productos, procesos y sistemas deberían estar orientados hacia la “producción bajo demanda” “output pulled” más que hacia el “agotamiento de la alimentación” “input pushed”.
En el ámbito de producción esto es traducido como, deberá haber una tendencia a la producción bajo pedido, con aprovisamiento “just in time” y reducción máxima de almacenamiento. Esta postura se contrapone con la necesidad de reducir y asegurar plazos de entrega reducidos.
Con la implementación de este principio se garantiza un sobre exceso de producción el cual conlleva a un aumento del nivel de emisiones contaminantes.
Principio 6.- La entropía y las complejidades inherentes deben ser consideradas como una inversión al elegir entre reutilizar, reciclar o rechazar como residuo final.
Este principio indica que, ante un material aparentemente “al final de su vida útil” aún es prioritario justificar si dicho material puede ser reutilizado, reciclado o bien finalmente desechado como residuo final.
Siempre deberá anteponerse el reutilizar y reciclar antes que considerarlo como desecho final por el simple hecho que destinar uno de estos materiales directamente como residuo final es haber desperdiciado todas las inversiones en materia y energía.
Principio 7.- Diseñar para la durabilidad, no para la inmortalidad.
En este principio podría expresarse más claramente como “diseñar para la biodegradabilidad al final de su vida útil”.
Se puede coincidir en que aquellos materiales que específicamente ya no puedan ser aprovechados mediante la reutilización, el reciclado o destinados para otro proceso, y aún así son persistentes, planteando de otro modo son altamente no biodegradables con seguridad acaba siendo un problema para el medio ambiente y para la salud.
8 Un producto o proceso bajo este principio será aquel que conserve sus habilidades para el que fue diseñado y destinado a un nivel óptimo hasta el final de su vida útil y después de ello es
´´neutralizado ´´ fácilmente por el medioambiente.
Principio 8.-Satisfacer la necesidad minimizar el exceso.
Este principio dicta los tradicionales factores de corrección (“contingency factors”) y nos indica tener cuidados y especial atención a la hora de diseñar para lo que se conoce como “peor escenario posible” en este sentido hay un acuerdo dentro de la profesión de que el principio de precaución los hace imprescindibles, y de tal manera, ningún ingeniero admitirá los resultados de diseño que no incluyan márgenes de seguridad, sin embargo es bien cierto que al estar basados solamente en la experiencia, no siempre resultan justificables, En específico se pueden presentar dos causas para utilizar estos factores de seguridad indebidamente altos los cuales conducen a un sobredimensionamiento.
Lo cual lleva invariablemente a un gasto innecesario y excesivo de materia y energía empleada en el proceso.
Principio 9.- Minimizar la diversidad de materiales.
Un producto fabricado con una sola materia prima o un mecanismo de reacción simple aminora la dificultad para reciclarlo y favorece a su biodegradabilidad al final de su vida útil.
Principio 10.- Cerrar los ciclos de materia y energía del proceso tanto como sea posible.
En este principio en el uso de materia, existen dos áreas en las que existe una experiencia relativamente asentada, uno de ellos es el cierre de circuitos de agua que ha vuelto a la actualidad como consecuencia de la escasez de recursos hidráulicos con los cuales pueden conseguirse grandes ahorros de agua.
La otra área considerada comprende el aprovechamiento de energías generadas como consecuencia del proceso de producción, implementar esquemas de aprovechamiento energético como por ejemplo de las instalaciones de desalación por osmosis inversa o la cogeneración que se puede implementar en el contenido energético de una corriente de gas caliente para la producción de calor y electricidad aprovechando ese recurso en el proceso de producción existente y que además se encuentra presente sin aprovechar.
Principio 11.- Diseñar para la reutilización de componentes tras el final de la vida útil del producto.
En este principio se considera que una unidad de producto haya cumplido el final de su vida útil no se traduce como que todos sus componentes de igual manera lo hayan hecho. Dichos componentes deben de ser recuperados para satisfacer una función por sí mismos o reutilizados en otro producto.
Principio 12.- Las entradas de materia y energía deberán ser renovables.
Este principio es muy claro y está definido por la sustentabilidad que se debe de garantizar fuentes renovables y el suficiente suministro de ellas para generaciones futuras, hoy es tiempo de actuar y tener un consumo responsable y razonable de los recursos renovables y hacer conciencia de lo que significa renovable, ya que sin duda lo que lo vuelve no renovable es el ritmo de ese consumo en relación con la velocidad de regeneración por la naturaleza.
9 Cuando se tenga la capacidad de acelerar los mecanismos y procesos naturales de biodegradación y regeneración de los recursos naturales para el ritmo desmedido de consumo se puede hablar de un verdadero desarrollo sustentable.
10 Capítulo 2. Generalidades de un sistema fotovoltaico.
2.1 Radiación solar
La radiación solar es la energía radiante emitida en el espacio interplanetario del Sol. Esta radiación es generada a partir de las reacciones termonucleares de fusión que se produce el núcleo solar y que producen la radiación electromagnética en varias frecuencias o longitudes de onda, que se propaga en el espacio a las velocidades típicas de estas ondas. Esta propagación permite llevar energía solar con ellas y hacerlas llegar hasta la superficie terrestre.
La radiación solar es medida por una constante solar la cual es la cantidad de energía recibida en forma de radiación solar por unidad de tiempo y unidad de superficie, medida en la parte externa de la atmósfera terrestre en un plano perpendicular a los rayos del Sol. Los resultados de esta medición por satélites dan un valor promedio de 1366 W/m2, y la magnitud que mide la radiación solar que llega a la tierra es la irradiancia, que es la encargada de medir la potencia que por unidad de superficie alcanza a la tierra y su unidad es el W/m2
Esta energía es la principal fuente energética del planeta, por tanto, el motor que mueve el entorno y medio ambiente. La energía solar que se recibe mediante la radiación solar es responsable directamente o indirectamente de aspectos tan imprescindibles para la vida como la fotosíntesis, el mantenimiento de una temperatura adecuada para el planeta y con una relación de equilibrio con las formas de vida. La energía solar que se recibe en la superficie terrestre es 10,000 veces mayor que la energía consumida actualmente por toda la humanidad debido a ello es importante considerarla como una fuente renovable y a gran escala que se debe aprovechar.
2.2 Radiación
La radiación es definida como la trasferencia de energía que utiliza ondas electromagnéticas como medio de trasferencia y propagación esta radiación se produce desde la fuente hacia fuera y en todas las direcciones. Estas ondas no necesitan un medio material para propagarse, pueden atravesar el espacio interplanetario y llegar desde el Sol a la tierra. La longitud de esta onda y la frecuencia de las ondas electromagnéticas, son importantes para determinar su energía, su visibilidad y su poder de penetración. Todas las ondas electromagnéticas tienen la característica y propiedad de desplazarse en el vacío a una velocidad de 299.792 km/s.
2.2.1 Características de la radiación solar
La radiación solar no sólo se concentra en una sola frecuencia, sino que se distribuye en un amplio espectro de amplitud no uniforme con la forma típica de una campana como se muestra en la figura 2:
Fig. 2. Radiación solar [2]
11 La banda de radiación fotosintéticamente activa oscila entre 400 y 700 nm (nanómetros), corresponde a la radiación visible y equivale al 41% de la radiación total la cual se distribuye como sigue, y se muestra en el espectro de luz solar de la figura 3:
Azul-vio leta (400-490 nm)
Verde (490-560 nm)
Amarillo (560-590 nm)
Ro jo anaranjado (590-700 nm)
Fig. 3. Espectro de luz solar [3]
Además de la radiación visible, un componente energéticamente mínimo, pero sin embargo digno de mención por sus efectos es el infrarrojo y, sobre todo, los rayos ultravioletas. La radiación solar al cruzar la atmósfera se somete a fenómenos de reflexión, refracción, absorción y difusión debido a los diversos gases atmosféricos en un grado variable en función de la frecuencia, de modo que el suelo del espectro solar es irregular en comparación con la detectada en los umbrales externas de atmósfera. La energía que genera el Sol, de forma directa o indirecta, es el origen de todas las energías renovables, exceptuando la energía mareomotriz y la geotérmica. La energía del Sol viaja a través del espacio en forma de radiación electromagnética, hacia todas direcciones, llegando una parte de esta energía a la atmósfera. De esta energía que llega a la atmósfera, una parte es absorbida por la atmósfera y por el suelo, y otra parte de ella es reflejada directamente al espacio desde el suelo. Es por esto por lo que menos de la mitad de la radiación solar llega eficientemente a la superficie terrestre, siendo esta parte la que se puede utilizar con fines energéticos en el planeta.
La radiación solar llega al planeta de tres formas diferentes.
• Radiación directa: es la radiación que llega directamente del Sol; sin haber incidido con nada por su trayecto y, por tanto, sin haberse desviado ni cambiado de dirección. Esta radiación es la que produce las sombras. Es el tipo de radiación predominante se presenta en un día soleado.
• Radiación difusa: es aquella radiación que llega después de haber incidido con cualquier elemento presente en la atmósfera (polvo, nubes, contaminantes, etc.), y por lo tanto ha cambiado de dirección. Es el tipo de radiación es característica en un día nublado.
• Radiación reflejada o albedo: es la radiación reflejada por la superficie terrestre; cobra gran importancia en las zonas con nieve, con agua (como montanas cubiertas de nieve, cerca del mar o de una presa,) o cualquier otra zona donde la reflexión sea notoria.
• La radiación global: es el resultado de sumar la radiación directa y la radiación difusa.
Estos tipos de radiaciones antes mencionados se representan esquemáticamente en la figura 4:
12 Fig. 4. Tipos de radiación [4]
2.2.2 Interacción del sol con la tierra
La tierra orbita alrededor del sol con dos movimientos al mismo tiempo, dichos movimientos son traslación y rotación.
La traslación es el movimiento en forma de elíptica que hace la Tierra alrededor del Sol, en sentido oeste-este, al contrario de las agujas del reloj, Ahora bien, la órbita terrestre es elíptica y como el eje terrestre está inclinado 23,5° sobre ella, esto ocasiona que los rayos solares lleguen con una inclinación diferente a cada hemisferio de la Tierra, por lo que se producen las estaciones del año y que los polos tengan largos periodos de oscuridad y de luz.
La rotación es el movimiento continuo de la Tierra sobre un eje imaginario denominado eje terrestre o eje polar, que es una línea imaginaria que va desde el Polo Norte hasta el Polo Sur. El movimiento de rotación dura 24 horas. Como la Tierra es de forma esférica, durante el movimiento de rotación los rayos del Sol solo pueden iluminar una parte de la Tierra mientras otra queda oscura, por ello, cuando en una zona caen los rayos solares es de día, pero en otra es de noche, y así se repite durante todo el movimiento, representado en la figura 5:
Fig. 5. Movimiento de traslación y rotación [5]
13 El plano de la órbita de la Tierra alrededor del Sol es denominado como plano de la eclíptica. La Tierra por su parte rota sobre sí misma alrededor del eje polar, formando un ángulo de 23.5° con la perpendicular al plano de la eclíptica durante todo el año. La rotación de la Tierra alrededor de su eje produce cambios diurnos en la radiación. La posición del eje con relación al Sol produce cambios estacionales en la radiación solar. El ángulo formado por la línea que une los centros del Sol y la Tierra y el plano ecuatorial cambia constantemente. Este ángulo se denomina declinación solar.
La declinación solar varía continuamente a lo largo del año. Es máxima en los solsticios y nula en los equinoccios. En los solsticios aunque es máxima (23,5º a efectos prácticos) es de signo contrario en cada solsticio. En el solsticio de junio los rayos del Sol inciden sobre el plano del Ecuador “por la parte de arriba”, mientras que en el verano lo hacen “por la parte de abajo” y también con igual magnitud. (23,5º).
Fig. 6. Ángulo de declinación solar y movimiento anular de la tierra alrededor del sol [6]
2.2.3 Radiación solar en México
El aprovechamiento de la energía del sol está directamente condicionado por la cantidad de intensidad de radiación que se recibe en la tierra, o en términos más sencillos: entre más fuerte incide el sol en la tierra, más energía se puede obtener y aprovechar. La potencia de la radiación varía según la latitud y longitud del lugar (ubicación geográfica), un cierto momento del día, las condiciones atmosféricas y climatológicas (por ejemplo nubes y contaminación). La unidad métrica utilizada para medir su potencia es el Watt por metro cuadrado (W/ m²). Para expresar la cantidad de energía recibida se usa kilowatt hora por metro cuadrado por día (kWh/m²); eso es la cantidad de energía (medida en kilowatt horas) que llega al área de un metro cuadrado en un solo día respectivamente y que varía según la hora del día y la estación del año respectivamente.
México por su ubicación geográfica está ubicado en el cinturón solar de la tierra. El país tiene una alta incidencia de energía solar en gran parte de su territorio; la zona norte es de las más soleadas
14 del mundo. Con una irradiación media anual de aproximadamente 5 kWh/m² por día, México es uno de los países a nivel mundial que presenta condiciones privilegiadas a nivel mundial para el aprovechamiento masivo de este tipo de energía. Sin embargo, este potencial no se ha aprovechado ampliamente. Otro aspecto importante a considerar es que a diferencia de otras latitudes, el promedio de horas de luz solar en México es de 11 horas en invierno y de casi 13 horas en verano. Esto implica abundancia de radiación solar durante prácticamente todo el año.
Fig. 7. Mapa de la radiación solar en México [7]
2.3 Terminología y unidades de medida que se deben de tomar en cuenta para el diseño de un sistema fotovoltaico
Para lograr el mejor valor de captación de energía solar fotovoltaica, sin duda es necesario conocer y dominar los conceptos sobre la radiación solar, sus unidades de medida y términos de combinación lo cual conlleva a un mejor diseño del sistema fotovoltaico a implementar, estos conceptos fundamentales se mencionan a continuación:
1.- Constante Solar: GS (constante solar) se define como constante solar a la cantidad promedio de radiación recibida en un punto perpendicular a los rayos del sol, ubicado fuera de la atmósfera terrestre, en la distancia media entre la Tierra y el sol, la cantidad efectiva de radiación solar recibida en la capa exterior de la atmósfera varía ligeramente según la producción de energía del sol y la distancia de la Tierra en relación con el sol. Debido a la excentricidad de la órbita terrestre alrededor del sol, la Tierra se acerca más al sol en enero que en julio. Además, la radiación generada por el sol varía un poco, probablemente en un porcentaje pequeño. Estas ligeras diferencias no afectan la constante solar de manera significativa.
15 Esta constante solar se calcula dividiendo la potencia solar entre el área de la esfera formada entre el sol y la tierra y sus unidades están dadas en watts por metro cuadrado. La cual da como resultado 1,367 watts por metro cuadrado.
Fig. 8. Radiación emitida hacia la tierra. [8]
2.- Irradiancia: G (Irradiancia) término que se emplea para determinar la cantidad de energía que se capta en un área es decir la cantidad de radiación solar que cae en una superficie terrestre la cual se expresa en kilowatt por metro cuadrado (K W/m2) o también en watt por metro cuadrado (W/m2) para un valor constante solar . No hay un valor único de irradiancia debido a que la distancia entre la tierra y el sol no es constante además que la radiación solar disminuye o aumenta como consecuencia del movimiento de traslación de la tierra alrededor del sol.
3.- Irradiación: H (Irradiación) La irradiación solar es la magnitud que mide la energía por unidad de área de radiación solar que incide en una superficie colocada en un lugar y rango de tiempo bien determinado. El valor de la irradiación solar en la superficie depende de la época del año, de la latitud y la longitud geográfica, Las condiciones climatológicas y las horas del día. Y esta expresada en Wh/m2 (watt hora por metro cuadrado) o, kWh/m2 (kilowatt hora por metro cuadrado).
2.3.1 Hora solar pico
HSP (Hora Solar Pico) Los paneles solares fotovoltaicos, no tienen la capacidad de generar su máxima potencia en cualquier condición. Los factores que pueden determinar dicha potencia son de carácter climatológico, de inclinación, de orientación y dependerá las horas de radiación solar de la que dispongan según el lugar dónde serán instalados. La radiación solar es el conjunto de radiaciones electromagnéticas entregadas por el sol. Como es lógico, en un sistema de captación solar fotovoltaico no se necesita todo el espectro de esta radiación, que va desde el ultravioleta hasta el infrarrojo. La magnitud que mide la radiación solar que llega a la tierra es la irradiación, que mide dicha energía por unidad área, que alcanza a la tierra su unidad es el W/m².
Un término muy importante para dimensionar las instalaciones fotovoltaicas es la denominada hora solar pico (HSP) que es un parámetro que expresa el tiempo en horas de una hipotética irradiación solar constante de 1,000 W/m2 sobre un determinado lugar. La hora solar pico equivale, al tiempo teórico diario en el que se considera que incide de forma constante 1 kWh/m2. En todas las fichas técnicas de los paneles fotovoltaicos, por norma debe aparecer las características eléctricas del
16 panel (Pmax, Voc, Vmpp, Isc y Impp) en unas condiciones de medida estandarizadas conocidas como STC (del inglés Standard Test Conditions) o condiciones de prueba estándar. Precisamente en estas condiciones, aparte de otros parámetros, se indica que la irradiancia es de 1.000 W/m², o lo que equivale a una hora solar pico. Llegados a esta conclusión, ya se podría intuir que la irradiancia no es igual en todo el tiempo ni durante el trascurso de la semana ni el año, sino que dicho valor es cambiante. Es importante conocer el concepto de hora solar pico HSP pues de ello depende el éxito del proyecto de la instalación, pues como se sabe la irradiancia no será la misma en ningún mes del año, y para instalaciones dónde su uso sea anual es imposible obtener un resultado satisfactorio calculando en los meses de más alta irradiancia pues de este modo, en los meses de más baja irradiancia, la instalación no cubriría las necesidades reales.
Se puede concluir que, la irradiancia no es la misma a diferentes horas del día, puesto que el sol va incrementando su altura desde el amanecer hasta el mediodía y disminuyendo desde el mediodía hasta el ocaso De la misma forma que tampoco es la misma en el transcurso de las estaciones del año , pues de igual manera este movimiento que crece y decrece durante el año, y durante el día va a determinar la cantidad útil de horas de las que se dispone de irradiancia , que ya se conoce como hora solar pico.
Fig. 9. Representación de la hora solar. [9]
Fig. 10. Gráfica que indica la potencia que se da por hora del día. [10]
17 En la actualidad ya existe un monitoreo puntual que hacen las diferentes dependencias gubernamentales y astronómicas para ofrecernos un valor HSP (Hora Solar Pico) para cada punto geográfico específico y de manera exacta, así como un ángulo de inclinación óptimo. Una forma práctica de obtener la Hora Solar Pico es a partir de las tablas de radiación local la cual se presenta en la tabla 1 para la República Mexicana:
Tabla 1. Hora solar en los estados de la República Mexicana. [11]
2.3.2 Energía solar
Se define como la cantidad de energía solar que llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética (luz, calor y rayos ultravioleta principalmente) provenientes del Sol, en donde ha sido generada por un proceso conocido como fusión nuclear. El aprovechamiento de la energía solar se puede manifestar de dos formas: la primera se define como conversión térmica de alta temperatura (sistema foto térmico) y la segunda forma de energía solar se le conoce como, conversión fotovoltaica (sistema fotovoltaico).
Específicamente la conversión térmica de alta temperatura consiste en transformar la energía solar en energía térmica almacenada en un fluido. Para calentar el líquido se emplean unos dispositivos llamados colectores un ejemplo de esta conversión es un calentador solar, o una estufa solar.
Por otro lado se tiene la conversión fotovoltaica que consiste en la transformación directa de la fotovoltaica (de silicio o de germanio).
