Proyecto de diseño e implementación de un sistema fotovoltaico de interconexión a la red eléctrica en la Universidad Tecnológica de Altamira

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(1)CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES AVANZADOS, S.C. POSGRADO. Proyecto de diseño e implementación de un sistema fotovoltaico de interconexión a la red eléctrica en la Universidad Tecnológica de Altamira. Tesis que como requisito para obtener el grado de Maestro en Energías Renovables presentan:. M.C. Luis Guillermo Fernández García Ing. Agustín Cervantes Torres. Director de tesis: Dr. José Alberto Duarte Moller. Altamira, Tam., marzo de 2017.

(2) Agradecimientos. .. A nuestras familias que mostraron paciencia y apoyo en todo momento. A la Universidad Tecnológica de Altamira por darnos esta oportunidad de crecer profesionalmente y prepararnos para ser mejores en nuestra cátedra.. Un agradeciendo muy especial al M.C. Víctor Manuel Ríos Rubio, Director de la Carrera de Mantenimiento Industrial, por habernos brindado todas las facilidades durante el periodo de este proyecto.. Nuestro más sincero reconocimiento y agradecimiento al Dr. José Alberto Duarte Moller por todo el apoyo y por haber compartido sus conocimientos para con nosotros.. i.

(3) ÍNDICE.. Agradecimientos. ............................................................................................................................ i Resumen........................................................................................................................................ 3 Introducción. ................................................................................................................................. 4 Hipótesis. ....................................................................................................................................... 5 Justificación. .................................................................................................................................. 5 Objetivo general. ........................................................................................................................... 5 Objetivos particulares. ................................................................................................................... 5 Metodología. ................................................................................................................................. 6 Cronograma de actividades. ........................................................................................................... 7 CAPÍTULO 1.. MARCO TEÓRICO. ............................................................................................... 8. 1.1 RADIACIÓN SOLAR. ............................................................................................................... 9 1.2 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA......................................................................................... 12 1.3 EFECTO FOTOVOLTAICO. .................................................................................................... 15 1.4 CELDA SOLAR FOTOVOLTAICA. ........................................................................................... 16 1.5 MÓDULO FOTOVOLTAICO. ................................................................................................. 23 1.6 PANEL FOTOVOLTAICO ....................................................................................................... 28 1.7 ARREGLO FOTOVOLTAICO. ................................................................................................. 28 1.8 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ................................................................................................ 29 1.9 SISTEMA FOTOVOLTAICO INTERCONECTADO A LA RED....................................................... 30 1.10 DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. ......................................................................... 34 1.11 TARIFA HM ....................................................................................................................... 42 1.12 CABLEADO ELÉCTRICO PARA USO SOLAR .......................................................................... 49 1.13 FABRICANTES NACIONALES DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS ............................................. 50 1.14 POTENCIA ELÉCTRICA ....................................................................................................... 51 CAPÍTULO 2.. METODOLOGÍA. ................................................................................................ 61. 2.1. ANÁLISIS DE LA FACTURACIÓN DEL CONSUMO ANUAL DE ENERGÍA ELÉCTRICA. ........... 62. 2.2. DETERMINAR SITIOS PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. ..... 72. 2.3. DIMENSIÓN DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO DE INTERCONEXIÓN A LA RED. .................... 73. 2.3.1 INSTALACIÓN EN POSTE TIPO SEGUIDOR ......................................................................... 77 1.

(4) 2.3.2 INSTALACIÓN EN 2 TECHOS DE EDIFICIOS DE DOCENCIA. ................................................. 80 2.3.3 INSTALACIÓN EN ESTRUCTURA DE ESTACIONAMIENTO. .................................................. 82 2.3.4 INSTALACIÓN DE UNA GRANJA FOTOVOLTAICA. .............................................................. 84 2.4. CÁLCULO DE COSTOS PARA LA IMPLEMENTACIÓN DEL SFVIR PROPUESTO. ................... 87. 2.5. PROYECCIÓN DE LOS BENEFICIOS DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL SFVIR PROPUESTO. .... 89. 2.6 CAMPAÑA DE CONCIENTIZACIÓN. ...................................................................................... 97 2.6.1. Objetivos estratégicos. .......................................................................................... 98. 2.6.2. Audiencia destinataria. ......................................................................................... 98. 2.6.3. Programa de comunicación. .................................................................................. 98. CAPÍTULO 3. CONCLUSIONES. .................................................................................................... 100 BIBLIOGRAFÍA. ........................................................................................................................... 103 ANEXO 1 RECIBOS DE CFE .......................................................................................................... 104 ANEXO 2 HOJA DE DATOS DEL MÓDULO FOTOVOLTAICO ........................................................... 119 ANEXO 3 HOJA DE DATOS DEL INVERSOR MONOFÁSICO ............................................................ 121 ANEXO 4 HOJA DE DATOS DEL INVERSOR TRIFÁSICO .................................................................. 125 ANEXO 5 CONTRATO DE INTERCONEXION .................................................................................. 129. 2.

(5) Resumen. En este proyecto se presenta la propuesta del diseño e implementación de un sistema fotovoltaico de interconexión a la red eléctrica de CFE en la Universidad Tecnológica de Altamira para disminuir la facturación de energía.. Se presenta un análisis para determinar el mejor de los sitios dentro de la Universidad Tecnológica de Altamira, así como el material necesario para la implementación de este sistema.. El sistema fotovoltaico propuesto consta de la etapa de generación de energía y la proyección con la que contribuirá a la reducción mensual de consumo de energía eléctrica a CFE, así como la disminución del pago de facturación de la misma.. Se busca que todo el sistema fotovoltaico funcione como un laboratorio para algunas materias de las carreras de Mantenimiento Industrial, Mecatrónica y Energías Renovables.. 3.

(6) Introducción.. El uso de las energías renovables se ha vuelto cada vez más amplio debido a la cultura de optimizar recursos y disminuir los contaminantes, lo que provoca la necesidad de establecer proyectos en los cuales se aporte información que conlleve a un mejor funcionamiento o implantación de este tipo de sistemas.. México se caracteriza por un alto nivel de consumo energético en las diferentes áreas de las actividades personales, recreativas, laborales, etc.; cabe mencionar que los sistemas e instalaciones destinados a este fin son determinantes para el ahorro de electricidad y la disminución de las emisiones contaminantes, cuya importancia, justifica la integración de sistemas fotovoltaicos interconectados a la red eléctrica de CFE que permita generar energía eléctrica de manera alterna.. Tamaulipas, y en especial su zona sur, cuenta con un considerable potencial de recurso solar, mismo que puede ser aprovechado para la generación de energía eléctrica y reducir de manera significativa las emisiones contaminantes, así como obtener ahorros importantes en la facturación de la energía eléctrica utilizada.. La Universidad Tecnológica de Altamira está tomando consciencia de esta cultura y necesidad de ahorro energético, por lo que el presente proyecto aporta una solución para aprovechar a través de un sistema de paneles fotovoltaicos la energía brindada por el sol, para producir energía eléctrica en la misma universidad, donde la facturación del consumo mensual es considerable.. En esta propuesta de generación de energía eléctrica se analizarán y compararán los beneficios actuales contra los que se obtendrían al implementarse un sistema fotovoltaico de interconexión a la red eléctrica de CFE, finalmente se hará una relación costo-beneficio y se calculará el tiempo estimado de amortización del proyecto propuesto.. 4.

(7) Hipótesis. Se podrá establecer un diseño metodológico para la implementación de un sistema fotovoltaico de interconexión a la red para así contribuir a la disminución del alto consumo de energía eléctrica a CFE.. Justificación. La alta facturación por el consumo de energía eléctrica, la necesidad de una cultura ecológica y la optimización de recursos son una prioridad en la Universidad Tecnológica de Altamira. La implementación de un sistema fotovoltaico de interconexión a la red eléctrica traerá grandes beneficios energéticos y económicos.. Objetivo general.. Elaborar una propuesta técnica basada en la implementación de un sistema de interconexión a la red, mediante la generación de energía eléctrica con celdas fotovoltaicas.. Objetivos particulares.. •. Realizar análisis de la facturación del consumo anual de energía eléctrica.. •. Determinar sitios para la implementación de un sistema fotovoltaico.. •. Dimensionar el sistema fotovoltaico de interconexión a la red.. •. Calcular los costos para la implementación del SFVIR propuesto.. •. Proyectar los beneficios de la implementación del SFVIR propuesto.. 5.

(8) Metodología. Se comenzó con el análisis de los recibos de facturación de energía eléctrica de la Universidad Tecnológica de Altamira; se analizaron los consumos de doce meses, comprendidos de agosto de 2014 a julio de 2015. Esta información nos revela el comportamiento de los consumos de energía en los diferentes periodos que tiene la tarifa HM; con esta información se toma la decisión del porcentaje de ahorro deseado, así como el tamaño del SFVIR necesario para este ahorro. Se realizó una evaluación de los posibles sitios dentro de la universidad para verificar la idoneidad para la captación del recurso solar, analizando las ventajas y desventajas que tendría la instalación del SFVIR en los rubros de instalación, seguridad, impacto ambiental e impacto social que tendría; como resultado de esta evaluación se eligió el sitio más idóneo, lo que nos da la pauta para el tipo de instalación a implementarse en el SFVIR. Se determina la marca y modelo de módulos FV e inversor que se utilizarán; se procede a realizar los cálculos para determinar el número de módulos FV y de inversores a utilizar, el calibre del cableado, diseño de los herrajes, y el tipo de canalización. Se realizan las estimaciones del material y equipo a necesitar tanto para el SFVIR como para la instalación del mismo; se realiza un cronograma de actividades que incluye el tiempo necesario para la compra de los equipos y material, el tiempo de instalación del sistema, y el tiempo de respuesta por CFE para el convenio correspondiente; esto nos determina el tiempo total necesario para la implementación del SFVIR. Por último, se realiza un análisis de la proyección de la generación de energía del SFVIR mes a mes para determinar el comportamiento de la facturación; se calcula el retorno de inversión del sistema; se determina el impacto económico, ambiental y social del sistema.. 6.

(9) Cronograma de actividades.. MES ACTIVIDADES. 2016. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. SEMANAS 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4. INVESTIGACIÓN BIBLIOGRÁFICA ACERCA DE LAS CARACTERÍSTICAS DE UN SFVIR. ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ELÉCTRICO. E R E R. ANÁLISIS SITIO E IMPACTO AMBIENTAL. E. R DIMENSIONAR ARREGLO FV, INVERSORES, CABLEADO Y CANALIZACIÓN INVESTIGAR NORMATIVIDAD, SEGURIDAD Y TRÁMITES ESTIMAR COSTO DEL SFVIR, DE LA INSTALACIÓN Y TIEMPO DE IMPLEMENTACIÓN ANÁLISIS ENERGÉTICO CON SFVIR, RETORNO DE INVERSIÓN, IMPACTO AMBIENTAL. CONCLUSIONES. E R E R E R E R E R. REDACCIÓN DE TESIS. 7.

(10) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO..

(11) 1.1 RADIACIÓN SOLAR.. Es un fenómeno físico debido a la emisión de energía por parte del Sol en forma de radiaciones electromagnéticas. Estas radiaciones pueden ser cuantificadas y se expresan en unidades de irradiación, una unidad que refleja su potencia por unidad de superficie. Una característica particular de la radiación es que se trata de una forma de energía que puede ser transmitida en el vacío, lo cual hace que sea capaz de atravesar el espacio. La cantidad de radiación solar que llega a nuestro planeta depende de factores como la distancia entre la Tierra y el Sol, la dirección o el ángulo en que estas radiaciones entran a la atmósfera y los movimientos que normalmente tiene la Tierra de rotación y traslación.. Estas radiaciones electromagnéticas son ondas que se originan por la aceleración de las cargas eléctricas; una vez que llegan a la Tierra, se estima que sólo el 50% logra alcanzar la superficie terrestre, bien sea de forma directa o al ser dispersada por la atmósfera. El resto de las radiaciones son absorbidas o dispersadas por elementos terrestres, o bien, se pierden en el espacio. Uno de los componentes atmosféricos relacionados con la absorción de estas radiaciones, especialmente en el espectro ultravioleta, es el ozono. La parte superior de la atmósfera recibe una cantidad de energía solar equivalente a 1,367 W/m2, parámetro que se conoce como insolación o constante solar. La energía solar incidente en una superficie terrestre se manifiesta de cuatro maneras diferentes como se muestra en la figura 1.1.. 1. Radiación directa: como su propio nombre indica, la que proviene directamente del sol.. 2. Radiación difusa: es aquella recibida de la atmósfera como consecuencia de la dispersión de parte de la radiación del sol en la misma. Esta energía 9.

(12) puede suponer aproximadamente un 15% de la radiación global en los días soleados, pero en los días nublados, en los cuales la radiación directa es muy baja, la radiación difusa supone un porcentaje mucho mayor. Por otra parte, las superficies horizontales son las que más radiación difusa reciben, ya que "ven" toda la semiesfera celeste, mientras que las superficies verticales reciben menos porque sólo "ven" la mitad de la semiesfera celeste.. 3. Radiación reflejada: es aquella radiación reflejada por la superficie terrestre. La cantidad de radiación depende del coeficiente de reflexión de la superficie, por otra parte, las superficies horizontales no reciben ninguna radiación reflejada, porque no "ven" la superficie terrestre, mientras que las superficies verticales son las que más reciben. 4. Radiación global: del total de radiación que procede del Sol una parte se recibe directamente (directa); y otra, proviene de la difusión y de las múltiples reflexiones que sufre la radiación a su paso por la atmósfera (difusa). Se llama radiación global a la suma de estas dos: la radiación directa, Q, y la difusa, q:. Radiación global = Q + q. Bajo cielo claro, la radiación difusa es debida exclusivamente a la reflexión y dispersión provocada por las moléculas de aire, afectando en especial a las longitudes cortas (el cielo presenta un color azul). Cuando la atmósfera se presenta cargada de aerosoles o moléculas de vapor de agua (por ejemplo una nube), la reflexión y dispersión es mayor, afectando al conjunto de las radiaciones del espectro electromagnético visible (el cielo pierde su color azul característico y adopta una tonalidad blanquecina).. 10.

(13) Figura 1.1 Componentes de la radiación solar.. El aprovechamiento de la energía del Sol está condicionado por la intensidad de radiación que se recibe en la Tierra. La radiación varía según la latitud del lugar, el momento del día, las condiciones atmosféricas y climatológicas. La unidad métrica utilizada para la radiación es el W/m2 que expresa la cantidad de energía que llega a un área de un metro cuadrado. En la figura 1.2 se muestra la cantidad aproximada de W/m2 irradiados a nivel mundial.. 11.

(14) Figura 1.2 Intensidad de radiación solar a nivel mundial por año.. 1.2 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA.. Ésta se basa en la captación de energía solar y su transformación en energía eléctrica por medio de módulos fotovoltaicos.. La capacidad energética del Sol, la cual perdurará durante millones de años, así como la privilegiada ubicación de México en el globo terráqueo, provoca que el territorio nacional destaque en el mapa mundial de territorios con mayor promedio de radiación solar anual, con índices que van de los 4.4 kWh/m2 por día en la zona centro, a los 6.3 kWh/m2 por día en el norte del país (figura 1.3). 12.

(15) Figura 1.3 Cantidad de kilowatts hora por metro cuadrado diarios en la República Mexicana.. Teniendo esto como referencia, si enfocamos la atención a nuestra zona metropolitana,. según. datos. proporcionados. por. la. página. de. internet. http://www.enair.es/appen el tema de energías renovables, en Tampico la cantidad de recurso de energía solar es de 5.21 kW/h diarios, tal como se puede apreciar en la. figura. 1.4;. En. la. página. http://suncalc.net/#/22.4352,-. 97.8897,17/2015.06.19/15:18, figura 1.5, podemos apreciar la trayectoria del recurso solar en la Universidad Tecnológica de Altamira.. 13.

(16) Figura 1.4 Potencial energético solar de la Universidad Tecnológica de Altamira.. Figura 1.5 Trayectoria del recurso solar en la Universidad Tecnológica de Altamira.. 14.

(17) 1.3 EFECTO FOTOVOLTAICO.. El efecto fotovoltaico es la base del proceso mediante el cual una célula fotovoltaica convierte la luz solar en electricidad. La luz solar está compuesta por fotones, o partículas energéticas. Estos fotones son de diferentes energías, correspondientes a las diferentes longitudes de onda del espectro solar. Cuando los fotones inciden sobre una célula fotovoltaica, pueden ser reflejados, absorbidos, o pueden pasar a través de él. Únicamente los fotones absorbidos generan electricidad. Cuando un fotón es absorbido, la energía del fotón se transfiere a un electrón de un átomo de la célula.. Con esta nueva energía, el electrón es capaz de escapar de su posición normal asociada con un átomo para formar parte de una corriente en un circuito eléctrico. A continuación, se ilustra este efecto para su mayor comprensión (figura 1.6).. Figura 1.6 Efecto fotovoltaico.. 15.

(18) 1.4 CELDA SOLAR FOTOVOLTAICA.. Las celdas fotovoltaicas son elementos que producen electricidad al incidir la luz sobre su superficie; la fuente de luz utilizada generalmente es el sol. Estas celdas también son conocidas como baterías solares, fotopilas o generadores helio voltaico. Dado que cada elemento puede generar una cantidad reducida de electricidad, en sus orígenes se destinaron a alimentar consumos pequeños con requerimientos particulares, como los de la exploración espacial.. Las partes más importantes de la celda solar son las capas de semiconductores, ya que es donde se crea la corriente de electrones. Estos semiconductores son especialmente tratados para formar dos capas diferentemente dopadas (tipo p y tipo n) para formar un campo eléctrico, positivo en una parte y negativo en la otra, en la figura 1.7 se ilustran los componentes de una celda fotovoltaica. Cuando la luz solar incide en la celda, se liberan electrones que pueden ser atrapados por el campo eléctrico formando así una corriente eléctrica. Es por ello que estas celdas se fabrican a partir de este tipo de materiales, es decir, materiales que actúan como aislantes a bajas temperaturas y como conductores cuando se aumenta la energía. Desafortunadamente no hay un tipo de material ideal para todos los tipos de celdas y aplicaciones.. Figura 1.7 Célula solar fotovoltaica.. 16.

(19) Además de los semiconductores, las celdas solares están formadas por una malla metálica superior u otro tipo de contrato para recolectar los electrones del semiconductor y transferirlos a la carga externa, y un contacto posterior para completar el circuito eléctrico. También en la parte superior de la celda hay un vidrio u otro tipo de material encapsulante transparente para sellarla y protegerla de las condiciones ambientales, y una capa antireflexiva para aumentar el número de fotones absorbidos.. TIPOS DE CELDAS FOTOVOLTAICAS. Celda de silicio monocristalina. La fabricación de esta celda consiste en lo siguiente: Al enfriarse, el silicio fundido se solidifica formando sólo un único cristal de grandes dimensiones. Luego se corta el cristal en delgadas capas que dan lugar a las celdas. Estas celdas generalmente son un color azul uniforme como se aprecia en la figura 1.8.. Ventajas: •. Buen rendimiento de 14% al 16.5%.. •. Buena relación Wp m² (~150 WC/m², lo que ahorra espacio en caso necesario).. •. Número de fabricantes elevado.. Inconvenientes •. Costo elevado. Figura 1.8 Celda monocristalina.. 17.

(20) Celda de silicio policristalina. Una celda fotovoltaica basada en silicio policristalino, en su fabricación, el silicio en bruto se funde y se vierte en un molde cuadrado. La fotocelda es de aspecto azulado, pero no es uniforme, se distinguen diferentes colores creados por los diferentes cristales, como se aprecia en la figura 1.9.. Ventajas: •. Celdas cuadradas (con bordes redondeados en el caso de monocristalino) que permite un mejor funcionamiento en un módulo.. •. Eficiencia de conversión óptima, alrededor de 100 Wp/m², pero un poco menor que en el monocristalino.. •. Lingote más barato de producir que el monocristalino.. Desventajas •. Bajo rendimiento en condiciones de iluminación baja.. Figura 1.9 Celda policristalina.. 18.

(21) Celda de silicio amorfo Estas celdas son manufacturadas mediante la colocación de una fina capa de amorfo (no cristalino) de silicio sobre una amplia variedad de superficies. Estas son las menos eficientes y menos costosas de producir; debido a la naturaleza amorfa de la capa fina, es flexible, y si se fabrica sobre una superficie flexible, el panel solar entero puede ser flexible. Una característica de las celdas solares amorfas es que su potencia se reduce con el tiempo, especialmente durante los primeros meses, después de los cuales son básicamente estables. En la figura 1.10 podemos apreciar una celda de este tipo.. Ventajas: •. Celdas flexibles.. •. Bajo costo de producción.. •. Ligeras.. Desventajas •. Baja eficiencia.. •. Baja potencia.. Figura 1.10 Celda amorfa.. 19.

(22) Celda tándem. Apilamiento monolítico de dos celdas individuales. Mediante la combinación de dos celdas (capa delgada de silicio amorfo sobre silicio cristalino, por ejemplo) que absorben en el espectro al mismo tiempo se solapan, mejorando el rendimiento en comparación con las células individuales separadas, sean amorfas, monocristalinas o policristalinas.. Ventajas: •. Alta sensibilidad en un amplio rango de longitudes de onda. Excelente rendimiento.. Desventajas: •. El costo es alto debido a la superposición de dos celdas.. Figura 1.11 Celda tándem.. 20.

(23) VARIABLES ELÉCTRICAS DE LA CELDA FOTOVOLTAICA.. Como ya se mencionó anteriormente, la forma de generación de energía de este tipo de elementos es mediante la incidencia de luz, esto a su vez produce un potencial y una circulación de corriente. Debido a esta razón se presentan los siguientes conceptos.. POTENCIA ELÉCTRICA. Potencia es la velocidad a la que se transforma la energía. Si la energía fuese un líquido, la potencia sería los litros por segundo que vierte el depósito que lo contiene. La potencia se mide en joule por segundo (J/seg) y se representa con la letra “P”.. Un J/seg equivale a 1 watt (W), por tanto, cuando se consume 1 joule de potencia en un segundo, estamos gastando o consumiendo (transformando) 1 watt de energía eléctrica. La unidad de medida de la potencia eléctrica “P” es el “watt”, y se representa con la letra “W”.. VOLTAJE. La diferencia de potencial entre dos puntos de una fuente de Fuerza Electromotriz (FEM) se manifiesta como la acumulación de cargas eléctricas negativas (iones negativos o aniones), con exceso de electrones en el polo negativo (–) y la acumulación de cargas eléctricas positivas (iones positivos o cationes), con ausencia de electrones en el polo positivo (+) de la propia fuente de FEM.. CORRIENTE. La corriente eléctrica que se genera en una celda es proporcional al área de la superficie en la cual incidirá la radiación solar.. 21.

(24) TEMPERATURA DE OPERACIÓN NOMINAL DE LA CELDA SOLAR.. Temperatura de operación nominal de la celda, definida como la temperatura que alcanzan las células solares cuando se somete al módulo a una irradiación de 800 W/m2 con distribución espectral AM 1,5 G, la temperatura ambiente es de 20 °C y la velocidad del viento de 1 m/s.. Influencia de la temperatura en los parámetros básicos de una célula fotovoltaica: Al aumentar la temperatura de la célula empeora el funcionamiento de la misma:. ➢ Aumenta ligeramente la Intensidad de cortocircuito. ➢ Disminuye la tensión de circuito abierto, aprox: -2.3 mV/ºC ➢ El Factor de Forma disminuye. ➢ El rendimiento decrece.. Figura 1.12 Gráfica de relación del rendimiento con temperatura.. 22.

(25) Las celdas fotovoltaicas convierten pues, la energía de la luz en energía eléctrica. El rendimiento de conversión es la proporción de luz solar que la celda convierte en energía eléctrica, es fundamental en los dispositivos fotovoltaicos, ya que el aumento del rendimiento hace de la energía solar fotovoltaica una energía más competitiva con otras fuentes (por ejemplo, la energía de origen fósil).. La fiabilidad de las celdas solares es muy grande y no necesitan mantenimiento. Son bastante insensibles a las variaciones climáticas y a los agentes atmosféricos, salvo, como es lógico, los que impiden la llegada de la luz.. Estas células, conectadas unas con otras en disposiciones serie-paralelo, encapsuladas y montadas sobre una estructura soporte o marco, conforman un módulo fotovoltaico.. 1.5 MÓDULO FOTOVOLTAICO.. Los módulos están diseñados para suministrar electricidad a un determinado voltaje (normalmente 12 ó 24 V). La corriente producida depende del nivel de insolación. La estructura del módulo protege a las células del medioambiente y son muy durables y fiables. Aunque un módulo puede ser suficiente para muchas aplicaciones, dos o más módulos pueden ser conectados para formar un generador fotovoltaico. Los generadores o módulos fotovoltaicos producen corriente continua (CC) y pueden ser conectados en serie y/o paralelo para producir cualquier combinación de corriente y tensión.. 23.

(26) Un módulo o generador fotovoltaico por sí mismo no bombea agua o ilumina una casa durante la noche. Para ello es necesario un sistema fotovoltaico completo que consiste en un generador fotovoltaico junto a otros componentes, conjuntamente conocidos como "resto del sistema" o BOS (del inglés balance of system). Estos componentes varían y dependen del tipo de aplicación o servicio que se quiere proporcionar. Los sistemas fotovoltaicos se pueden clasificar como autónomos o conectados a la red eléctrica, o según el tipo de aplicación como:. ➢ Electrificación rural (lugares de difícil emplazamiento y acceso, viviendas de uso temporal, refugios de montaña). ➢ Electrificación urbana (alumbrado de vías urbanas y de edificios públicos como museos o colegios). ➢ Electrificación doméstica (todo uso eléctrico en viviendas unifamiliares, comunidades y cooperativas). ➢ Telecomunicaciones terrestres (telefonía terrestre y móvil, comunicación para navegación aérea y marítima, repetidores y reemisores de radio y televisión, radioteléfonos, etc.). ➢ Telecomunicaciones espaciales (los paneles solares de los satélites les dan una autonomía indefinida). ➢ Seguridad y señalización (dispositivos de alarma, señalización, faros, pasos de trenes, aeropuertos, autopistas, etc.).. 24.

(27) Figura 1.12 Componentes principales de un módulo fotovoltaico.. Las características eléctricas principales de un módulo fotovoltaico son las siguientes: ➢ Potencia pico: potencia suministrada por el módulo en condiciones normalizadas de prueba. ➢ Radiación solar. ➢ Temperatura: ➢ Corriente nominal: Corriente máxima suministrada por el módulo. ➢ Tensión nominal: Tensión máxima suministrada por el módulo.. Los módulos tienen una potencia según el tipo y la eficiencia de las celdas que lo componen. Los efectos del viento se suponen en algunos casos una carga adicional. Si los módulos se instalan en tejados y terrazas, el peso de los módulos no suele representar ningún problema, pero siempre es recomendable consultar la normativa vigente de edificación, aunque raramente habría que reforzar las estructuras.. 25.

(28) En el caso de edificios nuevos o de reformas importantes, el módulo fotovoltaico se puede integrar en el edificio facilitando su instalación, optimizando su rendimiento y reduciendo costos.. Los módulos fotovoltaicos generan electricidad durante todo el año, mientras se tenga radiación solar. Normalmente en verano es cuando más electricidad genera, debido a la mayor duración del tiempo soleado, aunque la inclinación de los módulos también es importante. En los días nublados también se genera electricidad, aunque el rendimiento energético se reduce proporcionalmente a la reducción de la intensidad de la radiación. La vida de los módulos fotovoltaicos está entre 20 y 25 años; en el mercado se tienen módulos con garantías de 10 años. Estos componentes nunca dejan de generar electricidad, aunque por lo menos en 10 años las celdas fotovoltaicas reducen su potencia en un 10%.. FACTORES DE EFICIENCIA DE UN MÓDULO FOTOVOLTAICO.. Punto de máxima potencia Un módulo puede operar en un amplio rango de voltajes e intensidades de corriente. Esto puede lograrse variando la resistencia de la carga en el circuito eléctrico, por una parte, y por la otra variando la impedancia de la celda desde el valor cero (valor de cortocircuito) a valores muy altos (circuito abierto) y se puede determinar el punto de potencia máxima teórica, es decir, el punto que maximiza V y tiempo frente a I, o lo que es lo mismo, la carga para la cual el módulo puede entregar la máxima potencia eléctrica para un determinado nivel de radiación.. 26.

(29) El punto de potencia máxima del módulo varía con la iluminación incidente. Para sistemas bastante grandes se puede justificar un incremento en el precio con la inclusión de dispositivos que midan la potencia instantánea por medida continua del voltaje y la intensidad de corriente (y de ahí la potencia transferida), y usar esta información para ajustar, de manera dinámica, y en tiempo real, la carga para que se transfiera, siempre, la máxima potencia posible, a pesar de las variaciones de luz, que se produzcan durante el día.. Eficiencia en la conversión de energía. La eficiencia de un módulo ( , "eta"), es el porcentaje de potencia convertida en energía eléctrica de la luz solar total absorbida, cuando éste está conectado a un circuito eléctrico. Este término se calcula usando la relación del punto de potencia máxima, Pm, dividido entre la luz que llega al módulo, irradiación (E, en W/m²), bajo condiciones estándar (STC) y el área superficial de la célula solar (Ac en m²).. =. 𝑃𝑚 𝐸 𝑥 𝐴𝑐. Factor de llenado. Otro término para definir la eficacia de un módulo es el factor de llenado o fill factor (FF), que se define como la relación entre el máximo punto de potencia dividido entre el voltaje en circuito abierto (Voc) y la corriente en cortocircuito Isc:. 𝐹𝐹 =. 𝑃𝑚 𝑥𝐴𝑐 𝑥 𝐸 = 𝑉𝑜𝑐 𝑥 𝐼𝑠𝑐 𝑉𝑜𝑐 𝑥 𝐼𝑠𝑐. 27.

(30) 1.6 PANEL FOTOVOLTAICO. Un panel fotovoltaico es la agrupación de dos o más módulos conectados en serie y/o paralelo y que están montados en una misma estructura, normalmente conectados a un mismo inversor central (también pudiendo tener un microinversor cada módulo del panel).. Figura 1.13 Panel fotovoltaico.. 1.7 ARREGLO FOTOVOLTAICO.. En ocasiones el área requerida para la instalación del sistema fotovoltaico está dispersa por las instalaciones, entonces se tendrán que instalar sistemas fotovoltaicos que generen energía eléctrica para un mismo fin. Un arreglo fotovoltaico no es más que la agrupación de paneles fotovoltaicos trabajando para un mismo fin, un mismo proyecto.. 28.

(31) 1.8 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS. Los sistemas fotovoltaicos son plantas generadoras de electricidad que sirven para generar energía eléctrica por medio de la radiación proveniente del sol. Están compuestos de varios elementos dependiendo del tipo de sistema, sin embargo, todos los sistemas fotovoltaicos tienen en común que requieren de módulos fotovoltaicos para convertir la radiación del sol en energía eléctrica (comúnmente conocidos como paneles solares). Básicamente son tres sistemas fotovoltaicos:. Sistemas interconectados a la red. Estos sistemas son los más económicos, no obstante, forzosamente deben estar conectados a la red eléctrica nacional (CFE). Estos sistemas requieren muy bajo mantenimiento. En la mayoría de los casos, el mantenimiento requerido se limita a la limpieza de los paneles solares para eliminar la suciedad y el polvo.. Sistemas isla. Son una buena opción cuando CFE no provee servicio en la zona, sin embargo, al tener más partes que los sistemas interconectados, éstos requieren mayor inversión y mantenimiento que los anteriores. Estos sistemas cuentan con paneles solares, inversores que trabajan en isla (desconectados de CFE), baterías para almacenar la energía, controladores de carga y sistemas de montaje.. Sistemas híbridos. Son una combinación de los dos tipos anteriores. Pueden funcionar tanto interconectados a CFE como en modo isla.. 29.

(32) 1.9 SISTEMA FOTOVOLTAICO INTERCONECTADO A LA RED.. A raíz de la entrada en vigor de la Ley para el Aprovechamiento Sustentable de la Energía en noviembre de 2008, la CFE permite la interconexión de sistemas de energía renovable al Sistema Eléctrico Nacional (SEN). Para hacer uso de las ventajas que ofrecen estos sistemas, la CFE a través de un contrato de cogeneración para fuentes renovables de energía, permite la instalación de fuentes de energía renovable tanto en pequeña escala (potencia máxima instalada <= 30 kW) como en mediana escala (potencia máxima instalada > 30 kW) para aplicaciones de autoabastecimiento de energía eléctrica en las instalaciones particulares de los usuarios.. Los sistemas interconectados a la red requieren necesariamente interconexión con la red eléctrica nacional para operar; una ventaja de estos sistemas es no requerir el uso de baterías (o acumuladores) para funcionar, lo cual los vuelve la alternativa más económica y con los requerimientos de mantenimiento más bajos de todos los sistemas. Estos sistemas únicamente operan cuando la irradiación solar incide sobre los paneles fotovoltaicos con suficiente intensidad para que estos generen la energía eléctrica necesaria para arrancar el sistema.. Es importante señalar que estos sistemas, por su diseño y características, no operan como fuentes de respaldo de energía, por lo cual no pueden abastecer sus cargas cuando falla el suministro eléctrico en la red. Durante los periodos nocturnos y de baja recepción de irradiación solar (un día muy nublado, por ejemplo), la energía eléctrica es suministrada por CFE, lo cual garantiza el abastecimiento continuo de energía eléctrica. Estos sistemas tienen una vida útil de por lo menos 25 años.. 30.

(33) Figura 1.14 Sistema interconectado a la red.. Los sistemas de energía solar interconectados a la red eléctrica (figura 1.14) son la mejor alternativa cuando se cuenta con el servicio de energía eléctrica de CFE como sucede en la mayoría de las ciudades de nuestro país.. Los principales componentes que forman un sistema fotovoltaico interconectado a la red son: ➢ Módulos fotovoltaicos. ➢ Inversor para la conexión a red. ➢ Dispositivo de intercambio con la red eléctrica. ➢ Contador de energía bidireccional.. 31.

(34) Los módulos fotovoltaicos para un sistema de conexión a la red están disponibles en capacidades de 100 Wp a 300 Wp nominales. Esta potencia corresponde a condiciones normalizadas con radiación solar de 1,000 W/m2, temperatura de módulo de 25ºC y sin viento.. Las tensiones nominales de módulos y arreglos en sistemas autónomos pueden ser de 12, 24 y 48 V, convenientes para acoplarse a bancos de baterías, sin embargo, en sistemas conectados con la red se configuran tensiones más elevadas, típicamente de 90 a 600 V. Determinada la energía consumida, ésta tiene que ser suministrada por una fuente y es representada por un panel de módulos fotovoltaicos conectados entre sí, de tal forma que son capaces de suministrar la energía necesaria para alimentar la carga eléctrica. Por lo tanto, no sólo deben ser capaces de suministrar la energía que se consume a lo largo del día, sino estar un poco sobredimensionados como lo muestra la siguiente ecuación:. M=. 𝐸𝑐 𝐸𝑔𝑚 𝑥 𝑁𝑠𝑖𝑠. Donde: M= Número de módulos fotovoltaicos, sin unidades. EC= Energía consumida diariamente, W-h. Egm= Energía generada diariamente por cada módulo, W-h. Nsis= Eficiencia combinada de los controladores, baterías e inversores.. Como cada fabricante suministra la eficiencia de sus equipos electrónicos, el término Nsis se puede obtener multiplicando la eficiencia de cada uno de los 32.

(35) elementos (controlador de carga, inversor, etc.). No obstante, la ecuación anterior no. contempla. los. parámetros técnicos de los módulos,. un. factor de. sobredimensionamiento, ni el nivel de radiación en el área de estudio, por lo que la ecuación anterior se modifica a la siguiente ecuación. M=. 𝐸𝑐 𝑉𝑚 𝑥 𝐼𝑚 𝑥 ℎ𝑝. Donde: M= Número de módulos fotovoltaicos, sin unidades. Ec= Energía consumida diariamente, W-h. Vm= Tensión máxima del módulo. Im= Corriente máxima del módulo. Hp= Radiación en la localidad, hp.. 33.

(36) 1.10 DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO.. Cálculo de la energía consumida diariamente. Un método de cálculo consiste en obtener mediante tablas adecuadas las horas equivalentes del lugar considerado y la inclinación deseada de los módulos fotovoltaicos. Se define como “hora equivalente u hora pico solar” el período de tiempo en el que la radiación solar toma un valor igual a 1,000 W/m2.. Para lograr el cálculo de consumo diario se utilizarán las siguientes ecuaciones, tomando como base la tarifa de cobro de un recibo de Comisión Federal de Electricidad, así como los kilowatts promedio consumidos mensualmente:. PKB=. 𝑘𝑊ℎ 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑀𝑇. Donde: PKB= Promedio Kilowatts mensuales. kWh total= Kilowatts hora totales. MT= Meses totales.. PCD=. 𝑃𝑘𝐵 𝐷𝐵. Donde: PCD= Promedio consumo diario. PKB= Promedio Kilowatts mensuales. DM= Cantidad de días de un mes (30 días).. 34.

(37) Verificación de la idoneidad del lugar. Un aspecto fundamental en la localización de los módulos es asegurar que no existen obstáculos que puedan dar sombra, al menos durante las horas centrales del día (vegetación, nieve, edificios, elementos constructivos, otros módulos, etc.); estas características determinan la ubicación del sistema fotovoltaico, su exposición respecto al sur geográfico, la mayor inclinación sobre el plano horizontal, y las características de las estructuras de soporte.. La integración de módulos fotovoltaicos en la edificación siempre debería tener en cuenta adicionalmente los criterios de la arquitectura bioclimática y atender a las características particulares de cada climatología, de manera que se asegure que la temperatura de los módulos no se incremente sustancialmente, ya que disminuiría su eficacia. Además, ayudaría a evitar que se produzcan acumulaciones de calor en el edificio que pudieran forzar un aumento significativo del consumo de energía para el acondicionamiento de aire.. La superficie que ocupa este tipo de instalación depende de la potencia a instalar y del tipo de módulos utilizados, pero en general se considera que se debe contar con que cada kW-pico de módulos ocupa una superficie comprendida entre 7 m2 y 11 m2. Por lo tanto, es fácil encontrar una superficie disponible en la mayoría de los edificios.. Elección de la inclinación de los módulos La inclinación óptima de los módulos fotovoltaicos depende de la latitud del lugar donde se van a instalar. La inclinación normalmente tiene que ser igual a la latitud del lugar, lo que es posible siempre que no haya exigencias de tipo arquitectónico. 35.

(38) que lo impidan. La latitud del sitio define la orientación e inclinación que deberá poseer un sistema fotovoltaico.. Los techos horizontales son convenientes para la instalación de un sistema fotovoltaico, debido a que el montaje puede realizarse en estructuras con condiciones óptimas de orientación e inclinación ya que son aspectos determinantes para su producción eléctrica.. Si se establece una orientación hacia el sur geográfico y un ángulo de inclinación igual al ángulo de latitud, se maximiza la producción en términos anuales, la inclinación se selecciona para aumentar la captación del mes con menos radiación; el ángulo es tal que el mínimo anual una vez inclinado sea el máximo respecto a las otras inclinaciones, por lo que se mejora la captación en una época y se desfavorece en otra. Es usual que la inclinación óptima equivalga a un ángulo respecto a la horizontal dado por la ecuación: Inclinación = Latitud + 10°.. Figura 1.15 Orientación optima del módulo para máxima generación anual. 36.

(39) Ángulo de. Resultado. inclinación Latitud. Generación máxima anualizada, durante la primavera y el otoño.. Latitud – 10°. Generación máxima en verano.. Latitud + 10°. Generación máxima en invierno.. Tabla 1.1 Posición refiriéndose a la latitud en diferentes estaciones del año. En cualquier caso, es recomendable una inclinación superior a 10º para permitir que el agua de la lluvia escurra; y donde nieva con cierta frecuencia es recomendable una inclinación superior a 45º, para favorecer el deslizamiento de la nieve. No obstante, se debe procurar acercarse lo más posible a las condiciones óptimas de instalación. En caso de que los techos ya posean cierta inclinación, su orientación deberá ser preferentemente hacia el sur geográfico y en ningún caso al norte, si el montaje es horizontal, la ganancia energética es menor, pero puede ser aceptable estimándose una reducción en la producción del 10%.. Evaluación de las pérdidas de sistema. Es necesario tener en cuenta las pérdidas/caídas de tensión introducidas por los componentes que forman el sistema (inversor, cables de conexión, etc.), suponiendo que las pérdidas totales del sistema sean aproximadamente del 30%, entonces es necesario aumentar en el mismo porcentaje la potencia pico del sistema fotovoltaico.. 37.

(40) Selección del inversor. El inversor es uno de los componentes más importantes en los sistemas conectados a red, ya que maximiza la producción de corriente del dispositivo fotovoltaico y optimiza el paso de energía entre el módulo y la carga. Es un dispositivo que transforma la energía de corriente continua producida por los módulos (12, 24, 48 V) en energía alterna (generalmente 220 V), para alimentar el sistema y/o introducirla en la red con la que trabaja en régimen de intercambio. Existen diferentes tipos de inversores, pero se recomienda seleccionarlo en función del tamaño de la instalación que se pretende realizar. El inversor se instala entre el sistema fotovoltaico y el punto de conexión a la red.. En el mercado también se encuentran inversores incorporados a los módulos fotovoltaicos, formando un único sistema compacto que se puede conectar directamente a las cargas, debe proporcionar la potencia que pueda estar conectada, ya sea así el caso más crítico es cuando todas las cargas están conectadas al sistema (. ).. Así que el tipo que hay que utilizar se puede identificar una vez decidida la potencia del sistema fotovoltaico y por lo tanto el número de módulos fotovoltaicos.. Medidor bidireccional. Este tipo de medidor, además de poder medir el consumo de energía eléctrica de la compañía girando en el sentido normal, puede girar de manera contraria, haciendo posible que la CFE (Comisión Federal de Electricidad) reste a nuestro recibo la energía que estamos generando y sume a nuestro favor la energía de exceso, lo que evitaría la instalación de un almacén de electricidad.. 38.

(41) Un medidor bidireccional funciona de la siguiente forma: durante el día producimos energía eléctrica con nuestros paneles solares fotovoltaicos, el medidor se encarga de calcular esta energía y restarla al consumo del servicio de luz. Cuando la energía resulta en excedente podemos utilizarla por la noche o en caso contrario de haber utilizado más energía de la producida, puedes volverte a conectar al servicio de la comisión de electricidad. Y en el mejor de los casos, al fin de mes haber producido un excedente de energía que se podrá utilizar en los próximos 12 meses.. Un medidor bidireccional es la mejor opción para las personas que quieren comenzar a utilizar la energía fotovoltaica como fuente de electricidad, pues es la manera más práctica de conocer el ahorro económico de la energía solar y obtener una bonificación tangente del provecho que se le está dando a los módulos. Aunque la CFE no proporciona el medidor bidireccional, éstos pueden conseguirse por alrededor de 2 mil pesos con los diferentes distribuidores.. COSTOS DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. Existen dos conceptos de costo que se debe tomar en cuenta al considerar la adquisición de un sistema fotovoltaico: el costo de inversión y el costo de energía. El costo de inversión de un sistema fotovoltaico depende de diversos factores, como son: ➢ La capacidad del sistema. ➢ La preparación y ejecución del proyecto, lo que incluye diseño, instalación, conexión y puesta en marcha del sistema. ➢ Las características tecnológicas y económicas de los componentes, principalmente de los módulos y el inversor. ➢ Si el sistema se instala en el techo o a nivel de piso, o bien, si será un elemento integral de techos y fachadas.. 39.

(42) El costo de energía se refiere al costo por cada kW-h de electricidad producida por el sistema fotovoltaico. En el ámbito técnico se denomina costo nivelado de energía y se puede comparar directamente contra el precio de electricidad de la red. En su determinación intervienen los siguientes factores:. ➢ El monto de la inversión. ➢ La eficiencia con la cual se estará efectuando la conversión de energía solar a eléctrica. ➢ La localidad donde se instalará el sistema. ➢ La afectación por sombras. ➢ La vida útil del sistema.. Los sistemas fotovoltaicos requieren una importante inversión de capital inicial, pero dependen de las condiciones locales como, la normatividad, radiación solar, espacio disponible, impacto ambiental y su vida útil entre 20 y 25 años. En algunos casos, la inversión inicial se amortiza sólo por el hecho de que el costo para electrificar la zona es superior al de la instalación de un sistema fotovoltaico.. En muchas ocasiones el sistema fotovoltaico presenta un costo por kW-h producido notablemente superior al costo del kW-h comprado de la red eléctrica. Por ello, la rentabilidad de la instalación depende mucho de los incentivos por parte de las administraciones públicas.. 40.

(43) CONTRATO DE CONEXIÓN A LA RED. Los requisitos para realizar un contrato de conexión a la red en pequeña escala con CFE, son:. ➢ Que se tenga un contrato de suministro normal en tensión baja. ➢ Que las instalaciones cumplan con las Normas Oficiales Mexicanas y con las especificaciones de CFE. ➢ Que la potencia de la fuente no sea mayor de 10 kW si la instalación es en domicilio o de 30 kW si la instalación es en negocio.. Para realizar un contrato de conexión a la red en media escala, son:. ➢ Que se tenga un contrato de suministro normal en media tensión. ➢ Que las instalaciones cumplan con las Normas Oficiales Mexicanas y con las especificaciones de CFE. ➢ Que la potencia de la fuente no sea mayor de 500 kV.. La duración del contrato es indefinida y puede terminarse cuando se desee, avisando a CFE 30 días antes.. 41.

(44) 1.11 TARIFA HM La tarifa Horaria en Media Tensión está designada a usuarios con su propio transformador, que toman la energía en media tensión con una demanda de 100kW o más. Los cargos asociados a esta tarifa son diferentes a los cargos de las tarifas sin transformador, inclusive diferente a la tarifa OM, que ya cuenta con su propio transformador. En la página de CFE encontramos la siguiente información: Tarifa horaria para servicio general en media tensión, con demanda de 100 kW o más 1.- Aplicación Esta tarifa se aplicará a los servicios que destinen la energía a cualquier uso, suministrados en media tensión, con una demanda de 100 kilowatts o más.. 2.- Cuotas aplicables en el mes de. de 2014.. Se aplicarán los siguientes cargos por la demanda facturable, por la energía de punta, por la energía intermedia y por la energía de base.. REGIÓN. CARGO POR KILOWATT DE DEMANDA FACTURABLE. CARGO POR KILOWATT - HORA DE ENERGÍA DE PUNTA. CARGO POR CARGO POR KILOWATT - KILOWATT HORA DE ENERGÍA HORA DE INTERMEDIA ENERGÍA DE BASE. Baja California. $ 259.37. $ 2.2905. $ 1.2452. $ 0.9780. Baja California Sur $ 249.29. $ 1.8377. $ 1.7275. $ 1.2226. Central. $ 179.73. $ 2.1951. $ 1.3786. $ 1.1526. Noreste. $ 165.24. $ 2.0276. $ 1.2800. $ 1.0485. Noroeste. $ 168.74. $ 2.0395. $ 1.2702. $ 1.0642. Norte. $ 166.01. $ 2.0422. $ 1.2924. $ 1.0507. Peninsular. $ 185.71. $ 2.1473. $ 1.2953. $ 1.0668. Sur. $ 179.73. $ 2.1500. $ 1.3173. $ 1.0960. 42.

(45) 3.- Mínimo mensual El importe que resulta de aplicar el cargo por kilowatt de demanda facturable al 10% de la demanda contratada. 4.- Demanda contratada La demanda contratada la fijará inicialmente el usuario; su valor no será menor del 60% de la carga total conectada, ni menor de 100 kilowatts o la capacidad del mayor motor o aparato instalado.. En el caso de que el 60% de la carga total conectada exceda la capacidad de la subestación del usuario, sólo se tomará como demanda contratada la capacidad de dicha subestación a un factor de 90%. 5.- Horario Para los efectos de la aplicación de esta tarifa, se utilizarán los horarios locales oficialmente establecidos. Por días festivos se entenderán aquellos de descanso obligatorio, establecidos en el artículo 74 de la Ley Federal del Trabajo, a excepción de la fracción IX, así como los que se establezcan por Acuerdo Presidencial. 6.- Periodos de punta, intermedio y base Estos periodos se definen en cada una de las regiones tarifarias para distintas temporadas del año, como se describe a continuación. Región Baja California Del 1º de mayo al sábado anterior al último domingo de octubre DÍA DE LA SEMANA. BASE. INTERMEDIO. PUNTA. lunes a viernes. 0:00 - 14:00 18:00 - 24:00. 14:00 - 18:00. Sábado. 0:00 - 24:00. domingo y festivo. 0:00 - 24:00. 43.

(46) Del último domingo de octubre al 30 de abril DÍA DE LA SEMANA. BASE. INTERMEDIO. lunes a viernes. 0:00 - 17:00 22:00 - 24:00. 17:00 - 22:00. Sábado. 0:00 - 18:00 21:00 - 24:00. 18:00 - 21:00. domingo y festivo. 0:00 - 24:00. PUNTA. Región Baja California Sur Del primer domingo de abril al sábado anterior al último domingo de octubre DÍA DE LA SEMANA. BASE. INTERMEDIO. PUNTA. lunes a viernes. 0:00 - 12:00 22:00 - 24:00. 12:00 - 22:00. Sábado. 0:00 - 19:00 22:00 - 24:00. 19:00 - 22:00. domingo y festivo. 0:00 - 24:00. Del último domingo de octubre al sábado anterior al primer domingo de abril DÍA DE LA SEMANA. BASE. INTERMEDIO. lunes a viernes. 0:00 - 18:00 22:00 - 24:00. 18:00 - 22:00. Sábado. 0:00 - 18:00 21:00 - 24:00. 18:00 - 21:00. domingo y festivo. 0:00 - 19:00 21:00 - 24:00. 19:00 - 21:00. PUNTA. Regiones Central, Noreste, Noroeste, Norte, Peninsular y Sur Del primer domingo de abril al sábado anterior al último domingo de octubre DÍA DE LA SEMANA. BASE. INTERMEDIO. PUNTA. lunes a viernes. 0:00 - 6:00. 6:00 - 20:00 22:00 - 24:00. 20:00 - 22:00. Sábado. 0:00 - 7:00. 7:00 - 24:00. domingo y festivo. 0:00 - 19:00. 19:00 - 24:00. 44.

(47) Del último domingo de octubre al sábado anterior al primer domingo de abril DÍA DE LA SEMANA. BASE. INTERMEDIO. PUNTA. lunes a viernes. 0:00 - 6:00. 6:00 - 18:00 22:00 - 24:00. 18:00 - 22:00. Sábado. 0:00 - 8:00. 8:00 - 19:00 21:00 - 24:00. 19:00 - 21:00. domingo y festivo. 0:00 - 18:00. 18:00 - 24:00. 7.- Demanda facturable La demanda facturable se define como se establece a continuación: DF = DP + FRI × max (DI - DP,0) + FRB × max (DB - DPI,0) Donde: DP es la demanda máxima medida en el periodo de punta DI es la demanda máxima medida en el periodo intermedio DB es la demanda máxima medida en el periodo de base DPI es la demanda máxima medida en los periodos de punta e intermedio FRI y FRB son factores de reducción que tendrán los siguientes valores, dependiendo de la región tarifaria: REGIÓN. FRI. FRB. Baja California. 0.141. 0.070. Baja California Sur. 0.195. 0.097. Central. 0.300. 0.150. Noreste. 0.300. 0.150. Noroeste. 0.300. 0.150. Norte. 0.300. 0.150. Peninsular. 0.300. 0.150. Sur. 0.300. 0.150. En las fórmulas que definen las demandas facturables, el símbolo "max" significa máximo, es decir, que cuando la diferencia de demandas entre paréntesis sea negativa, ésta tomará el valor cero.. 45.

(48) Las demandas máximas medidas en los distintos periodos se determinarán mensualmente por medio de instrumentos de medición, que indican la demanda media en kilowatts, durante cualquier intervalo de 15 minutos del periodo en el cual el consumo de energía eléctrica sea mayor que en cualquier otro intervalo de 15 minutos en el periodo correspondiente.. Cualquier fracción de kilowatt de demanda facturable se tomará como kilowatt completo.. Cuando el usuario mantenga durante 12 meses consecutivos valores de DP, DI y DB inferiores a 100 kilowatts, podrá solicitar al suministrador su incorporación a la tarifa O-M. 8.- Energía de punta, intermedia y de base Energía de punta es la energía consumida durante el periodo de punta. Energía intermedia es la energía consumida durante el periodo intermedio. Energía de base es la energía consumida durante el periodo de base. 9.- Depósito de garantía Será de 2 veces el importe que resulte de aplicar el cargo por demanda facturable a la demanda contratada.. En el recibo de facturación de CFE encontramos la siguiente información: 1.- Periodo y medidor. Encontrarás el periodo de consumo y el número de tu medidor.. 2.- Consumos de energía. En tarifa HM existen tres periodos que definen el cargo que se aplica. El horario base, el horario intermedio y el horario punta. Los totales se muestran en este apartado. 46.

(49) 3.- Demandas medidas. Son las demandas máximas en cada uno de los periodos horarios. Sirven para determinar la demanda facturable.. 4.- Factor de Potencia. El factor de potencia es la relación promedio entre la energía real y energía reactiva usada en el periodo. Un valor inferior a 0.9 genera un recargo y un valor superior a 0.9 genera una bonificación.. 5.- Tarifa. La tarifa HM es de uso general para cargas mayores a100kW. En media tensión (Entre 1 y 35 kV).. 6.- Carga. La carga conectada es la suma de las potencias de cada uno de los equipos instalados. Se toman en cuenta contactos, motores, computadoras, iluminación, etc.. 7.- Demanda. La demanda contratada es un porcentaje de la carga conectada con un valor entre el 60 y 100%.. 8.- Multiplicador. El multiplicador es un factor de conversión entre las lecturas del medidor, y el dato real.. 9.- Demanda Facturable. Es la demanda utilizada para establecer la factura de energía eléctrica y se obtiene de la combinación de las demandas máximas de cada periodo horario.. 47.

(50) 10.- Datos Históricos. Muestra los datos de consumo, demanda máxima y factor de potencia de los últimos 13 meses.. 11.- Estado de cuenta. Muestra los cargos por concepto de energía, demanda facturable y factor de potencia.. Figura 1.16 Recibo de CFE en tarifa HM. 48.

(51) 1.12 CABLEADO ELÉCTRICO PARA USO SOLAR. Los cables eléctricos son parte importante en un proyecto de instalación solar fotovoltaica. Los dos materiales conductores comunes utilizados en instalaciones solares residenciales y comerciales son cobre y aluminio. Cobre: El cobre tiene una conductividad mayor que el aluminio, por lo tanto se usa más que el aluminio con el mismo tamaño. Aluminio: puede ser debilitado durante la instalación, especialmente durante la flexión, pero es menos costoso que los alambres de cobre. No se utiliza (no permitido) para el hogar en interior de cableado; se utilizan en calibres más grandes para las entradas de servicio subterráneo o aéreo y operaciones comerciales. Sólido o trenzado: El cable puede ser sólido o trenzado, donde consisten en muchos pequeños alambres trenzados que permiten al cable ser flexible. Este tipo se recomienda para tamaños más grandes. La corriente tiende a fluir en el exterior del cable, por lo tanto, cables trenzados tienen conductividad un poco mejor ya que hay más superficie del alambre. Aislamiento: El aislamiento que cubre el alambre puede proteger el cable del calor, humedad, luz ultravioleta o químicos. •. THHN se utiliza comúnmente en lugares secos, interiores.. •. THW, THWN y TW pueden utilizarse en interiores o para aplicaciones húmedas al aire libre en el conducto.. •. UF y uso son buenos para aplicaciones húmedas o subterráneas.. •. El Cable PV, USE-2 cables RHW-2 puede ser utilizado en condiciones húmedas al aire libre donde su cableado externo es UV y resistente a la humedad. Deben ser resistentes a la luz del sol.. Color: El aislamiento del alambre eléctrico es un color codificado para designar su función y uso; para la reparación y solución de problemas, la comprensión de la 49.

(52) codificación es esencial. La etiqueta de cableado difiere según alterna o corriente continua, como se muestra en la tabla 1.2 Corriente alterna (CA). Corriente directa (DC). Color. Aplicación. Color. Aplicación. Negro, azul, rojo u otro Color. Fase. Rojo. Positivo. Blanco. Neutro. Blanco. Conductor conectado a tierra o negativo. Verde o desnudo. Tierra de equipos. Verde o desnudo. Tierra de equipos. Tabla 1.2 Código de colores de cableado. Los conectores MC4 son utilizados como el estándar en la industria para las conexiones fotovoltaicas. Presentan las siguientes características: •. Corriente Máxima 36A. •. Voltaje Máximo 1000V. •. IP68. •. Resistencia Típica 0.25 mΩ. •. Apto para cable 10-14 AWG. •. T° Operación de -40°C a 90°C. 1.13 FABRICANTES NACIONALES DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS. En México existen dos empresas nacionales especializadas en la fabricación de módulos fotovoltaicos: Solartec y ERDM. La empresa Solartec se encuentra ubicada en Irapuato, Guanajuato; la empresa ERDM se encuentra ubicada en San Andrés Tuxtla, Veracruz.. 50.

(53) 1.14 POTENCIA ELÉCTRICA. De acuerdo con la Ley de Ohm, para que exista un circuito eléctrico cerrado tiene que existir: 1.- Una fuente de fuerza electromotriz (FEM) o diferencia de potencial, es decir, una tensión o voltaje (V) aplicado al circuito. 2.- El flujo de una intensidad de corriente ( I ) fluyendo por dicho circuito. 3.- Una carga, consumidor o resistencia conectada al mismo. Sin embargo, un circuito eléctrico puede contener uno o varios tipos diferentes de cargas conectadas, entre las que se encuentran: • Carga resistiva activa (R) • Reactancia inductiva o inductancia (XL) • Reactancia capacitiva o capacitiva (XC). Resistencia activa (R). - Es la oposición que ofrecen las bombillas incandescentes y halógenas, los calentadores eléctricos con resistencia de alambre nicromo, las resistencias de carbón de los circuitos electrónicos, etc., al flujo de la corriente eléctrica por un circuito cerrado cualquiera. La resistencia activa representa lo que se denomina una “carga resistiva”. Reactancia inductiva (XL). - La reactancia inductiva es la oposición o resistencia que ofrecen al flujo de la corriente por un circuito eléctrico cerrado las bobinas o enrollados hechos con alambre de cobre, ampliamente utilizados en motores eléctricos, transformadores de tensión o voltaje y otros dispositivos. Esta reactancia representa una “carga inductiva” para el circuito de corriente alterna donde se encuentra conectada.. 51.

(54) Reactancia capacitiva (XC). - La reactancia capacitiva es la oposición o resistencia que ofrecen al flujo de la corriente eléctrica los capacitores o condensadores. Esta reactancia representa una “carga capacitiva” para el circuito de corriente alterna donde se encuentra conectada. En la foto de la derecha podemos ver varios capacitores (o condensadores) y filtros conectados en la placa de un circuito electrónico en función de cargas capacitivas. Intensidad de la corriente en fase con el voltaje. - La corriente ( I ) que fluye por un circuito eléctrico de corriente alterna, así como la tensión o voltaje (V) aplicado al mismo, se puede representar gráficamente por medio de dos sinusoides, que sirven para mostrar cada una de las magnitudes. Para un circuito cerrado con una carga resistiva conectada al mismo, tanto la sinusoide de la corriente como la del voltaje aplicado al circuito, coincidirán tanto en fase como en frecuencia.. Figura 1.17 Corriente en fase con el voltaje. 52.

(55) Intensidad de la corriente atrasada con relación al voltaje. - Cuando la carga conectada en el circuito de corriente alterna es inductiva, como la de los motores y transformadores, por ejemplo, la sinusoide de la corriente (I) se atrasa o desfasa en relación con la tensión o voltaje (V). Es decir, cuando el voltaje ya ha alcanzado un cierto valor en la sinusoide, superior a “0” volt, en ese preciso instante y con cierto retraso la intensidad de la corriente comienza a incrementar su valor, a partir de “0” amperios.. Figura 1.18 Corriente atrasada con el voltaje. 53.

(56) Intensidad de la corriente adelantada con relación al voltaje. -Si lo que se conecta al circuito de corriente alterna es una carga capacitiva, como un capacitor o condensador, por ejemplo, entonces ocurrirá todo lo contrario al caso anterior, es decir, la sinusoide que representa la intensidad "I" de la corriente se desfasará ahora también, pero en esta ocasión en sentido contrario, es decir, adelantándose a la tensión o voltaje. Por tanto, en este caso cuando la corriente alcanza un cierto valor en la sinusoide, superior a “0” ampere, entonces en ese momento el voltaje comienza a aumentar su valor partiendo de “0” volts.. Figura 1.19 Corriente adelantada con el voltaje. 54.

(57) DIFERENTES TIPOS DE POTENCIAS Del mayor o menor retraso o adelanto que provoque un equipo eléctrico cualquiera en la corriente (I) que fluye por un circuito, en relación con el voltaje o tensión (V), así será el factor de potencia o Cos ⱷ que tenga dicho equipo. En un circuito eléctrico de corriente alterna se pueden llegar a encontrar tres tipos de potencias eléctricas diferentes: • Potencia activa (P) (resistiva) • Potencia reactiva (Q) (inductiva) • Potencia aparente (S) (total). Potencia activa o resistiva (P). Cuando conectamos una resistencia (R) o carga resistiva en un circuito de corriente alterna, el trabajo útil que genera dicha carga determinará la potencia activa que tendrá que proporcionar la fuente de fuerza electromotriz (FEM). La potencia activa se representa por medio de la letra (P) y su unidad de medida es el watt (W). Los múltiplos más utilizados del watt son: el kilowatt (kW) y el megawatt (MW) y los submúltiplos, el miliwatt (mW) y el microwatt (µW). La fórmula matemática para hallar la potencia activa que consume un equipo eléctrico cualquiera cuando se encuentra conectado a un circuito monofásico de corriente alterna es la siguiente:. P = V * I * Cos ⱷ Donde: P = Potencia de consumo eléctrico, expresada en watt (W). I = Intensidad de la corriente que fluye por el circuito, en ampere (A). Cos ⱷ = Valor del factor de potencia o coseno de “fi”.. En los dispositivos que poseen solamente carga resistiva, el factor de potencia es siempre igual a “1”, mientras que en los que poseen carga inductiva ese valor será siempre menor de “1”..

(58) Potencia reactiva o inductiva (Q). Esta potencia la consumen los circuitos de corriente alterna que tienen conectadas cargas reactivas, como pueden ser motores, transformadores de voltaje y cualquier otro dispositivo similar que posea bobinas o enrollados. Esos dispositivos no sólo consumen la potencia activa que suministra la fuente de FEM, sino también potencia reactiva. La potencia reactiva o inductiva no proporciona ningún tipo de trabajo útil, pero los dispositivos que poseen enrollados de alambre de cobre, requieren ese tipo de potencia para poder producir el campo magnético con el cual funcionan. La unidad de medida de la potencia reactiva es el volt-ampere reactivo (VAR). La fórmula matemática para hallar la potencia reactiva de un circuito eléctrico es la siguiente:. Q = √ (S2 – P2) Donde: Q = Valor de la carga reactiva o inductiva, en volt-ampere reactivo (VAR). S = Valor de la potencia aparente o total, expresada en volt-ampere (VA). P = Valor de la potencia activa o resistiva, expresada en watt (W).. Potencia aparente o total (S). La potencia aparente (S), llamada también "potencia total", es el resultado de la suma geométrica de las potencias activa y reactiva. Esta potencia es la que realmente suministra una planta eléctrica cuando se encuentra funcionando al vacío, es decir, sin ningún tipo de carga conectada, mientras que la potencia que consumen las cargas conectadas al circuito eléctrico es potencia activa (P). La potencia aparente se representa con la letra “S” y su unidad de medida es el volt-ampere (VA). La fórmula matemática para hallar el valor de este tipo de potencia es la siguiente:. S=V*I Donde: S = Potencia aparente o total, expresada en volt-ampere (VA). V = Voltaje de la corriente, expresado en volt. I = Intensidad de la corriente que fluye por el circuito, en ampere (A). 56.