INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELASUPERIORDEINGENIERIAMECANICAYELECTRICA JOSÉ CARILLO YÁÑEZ JESÚS ISIDRO ENRIQUE MORALES LÓPEZ

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

  “ESTUDIO PARA LA ELECTRIFICACIÓN CON ENERGÍAS ALTERNATIVAS, UTILIZANDO CELDAS FOTOVOLTAICAS PARA ELECTRIFICAR EL POBLADO DE CAÑADA COLORADA, MUNICIPIO DE APAXCO, ESTADO DE MÉXICO”

       

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  QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTAN:

JOSÉ CARILLO YÁÑEZ JESÚS ISIDRO ENRIQUE MORALES LÓPEZ

ASESORES:

M. EN C. RUBEN ORTÍZ YAÑEZ M. EN C. JUAN DE JESÚS NERI ESCUTIA GÓMEZ

MÉXICO, D.F.

2009

AGRADECIMIENTOS Y DEDICATORIAS Este trabajo representa para nosotros, una de las culminaciones de nuestra vida ya profesional, por lo que agradecemos a aquellas personas que sin ser nombrados oficialmente, participaron en gran medida en la conclusión de este trabajo a nuestros profesores y compañeros. Así mismo, por el significado que tienen en nuestras vidas, dedicamos este trabajo a:

A MIS PADRES: Por toda la ayuda y compresión que con tanto cariño me han brindado a lo largo de mi vida porque sin ellos, no seria lo de hoy. Mil gracias a ustedes y a Dios por permitirme que vivamos juntos esta hermosa realidad.

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

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

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

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

CARRILLO YÁÑEZ JOSÉ.

AGRADECIMIENTOS

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

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

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

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

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

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

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

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

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

A mis asesores que nunca nos dejaron de de apoyar para poder realizar este trabajo ya que si no hubiera sido por ellos no hubiéramos podido realizarlo.

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

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

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

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

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

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

MORALES LÓPEZ JESÚS ISIDRO ENRIQUE.

ÍNDICE

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ………………...……………

1

JUSTIFICACIÓN

………………………………………………………

2

OBJETIVOS ……………………………………………………………..

3

INTRODUCCIÓN ……………………………………………………….

4

CONTENIDO: CAPÍTULO I.- FUNDAMENTOS DE ENERGÍA FOTOVOLTAICA...15 1.1 ENERGÍA RENOVABLE………………………………............ 16 1.2 LA ENERGÍA SOLAR....………………………………………. 17 Aplicaciones de la energía solar ……………………………. 17 Luz …………………………………………………… 17 Calor …………………………………………………. 17 Electricidad ………………………………………….. 17 Tipos de radiación solar ……………………………………. 17 a) La radiación directa

……………………………… 17

b) La radiación difusa

………………………………. 17

c) La radiación reflejada …………………………….

18

1.3 EL EFECTO FOTOVOLTAICO …………………………….... 18 1.4 CELDAS FOTOVOLTAICAS ………………………………... 19 1.4.1 Definición ……………………………………………. 19 a) Colectores de enfoque ……………………………. 20

b) Colectores planos …………………………………. 20 1.4.2 Principio de funcionamiento de una celda fotovoltaica… 20 1.4.3 Componentes Básicos de una Celda Solar ……………. 22 a) Placa de vidrio …………………………………….. 22 b) La capa de semiconductor tipo p ………………….. 22 c) Capa anti – reflectiva ……………………………… 22 d) La capa de semiconductor tipo n ………………….. 22 e) Plancha de semiconductores tipo n y tipo p ………. 22 1.4.4 Características de una Celda Solar …………………… 23 a) Corriente de Corto Circuito ……………………… 23 b) Tensión de Vacío ………………………………… 23 c) Corriente promedio ………………………………. 23 d) Tensión promedio ………………………………… 23 e) Potencia máxima …………………………………. 23 f) Rendimiento ……………………………………… 23 14.5 Ventajas y desventajas de las celdas solares …………... 24 1.5 MÓDULOS Y PANELES SOLARES ………………………... 25 1.5.1 Módulo Solar …………………………………………. 25 1.5.2 Panel Solar ……………………………………………. 25 1.5.2.1

Interconexión de módulos fotovoltaicos …... 26

a) Incrementando el voltaje …………………... 26 b) Incrementando la corriente ………………… 27 -

Precauciones al conectar en serie ………. 28

-

Precauciones al conectar en paralelo …… 29

-

Energía absorbida por las celdas cuando funcionan con carga …………………….. 29

Partes básicas de un panel solar …………… ………… 30 1.6 TIPOS DE MÓDULOS O PANELES FOTOVOLTAICOS ....... 32 1.6.1 Celdas de Silicio Cristalino …………………………… 32 - Silicio Monocristalino ........................................ 32 - Silicio Policristalino ........................................... 33 - Silicio Amorfo ………………………………… 33 1.7 CURVAS CORRIENTE - VOLTAJE (IV)

…..………………. 33

1.8 FACTORES NATURALES INCIDENTES EN UN CAPTADOR SOLAR ………………………………………………………... 35 1.8.1 Insolación o irradiación ……………………………….. 35 1.8.1.1 El efecto de la irradiación sobre el panel solar…. 36 1.8.2.1 Mapa Insolación...……………………………… 38 1.8.2 Ángulo de inclinación de un panel solar ……………… 39 1.8.3 La trayectoria solar …………………………………... 41 1.8.4 La temperatura de trabajo …………………………….. 41 1.8.4.1 Efecto de la temperatura de trabajo en un panel solar …………………………………………………... 43

1.9 APLICACIÓN DE CELDAS FOTOVOLTAICAS …………... 44 CAPÍTULO II.- CONSIDERACIONES TEÓRICAS DE UN SISTEMA. FOTOVOLTAICO ……………………………………………………… 45 2.1 SISTEMA FOTOVOLTAICO ………………………………… 45 2.2 Componentes Principales de un Sistema Fotovoltaico …. 45 2.2.1 Paneles Fotovoltaicos ………………………….. 47 2.2.2 Controlador de carga …………………………... 48 Funcionamiento del controlador de carga ……... 48 2.2.3 Acumuladores o Baterías ……………………… 49 Comportamiento de una batería ………………. 49 Capacidad en Amperes hora …………………... 49 Factores que pueden hacer variar la capacidad de una batería …………………………………………. 50 a) Relación de carga y descarga ………... 50 b) Temperatura. ………………………… 50 c) Profundidad de descarga ……………... 50 2.2.4 Limitador de Tensión …………………………... 53 2.1.5 Inversor ………………………………………… 54 2.3 FUNCIÓN DE LOS DIODOS EN UNA INSTALACIÓN FV... 54 2.3.1 Los diodos de bloqueo ………………………………... 55 Diodos de bloqueo en grupos de paralelo ……………. 55 2.3.2 Los diodos de bypass …………………………………. 56

Utilizando diodos de paso para proteger los paneles … 56 Conectando grupos en paralelo ………………………. 57 Conectando grupos en serie ………………………… 57 2.4 CABLEADO

…………………………………………………. 58

2.5 PROTECCIÓN DE SOBRECORRIENTE Y SOBREVOLTAJE...58 2.5.1 Conexión a tierra ……………………………………… 58 2.6 INSTALACIÓN DE UN SISTEMA FV ……………………… 58 2.6.1 Ubicación de los elementos de un Sistema Fotovoltaico…59 a) El módulo ………………………………………….. 59 b) Soporte de módulos ……………………………….. 59 c) El controlador ……………………………………... 60 d) El acumulador …………………………………….. 60 e) Lámparas ………………………………………….. 60 2.6.2 Interconexiones del sistema fotovoltaico ……………. 61 2.6.3 Operación del sistema fotovoltaico ………………….. 63 Operación diurna …………………………………….. 63 Operación nocturna …………………………………... 63 Corte por alto voltaje ………………………………… 64 Corte por bajo voltaje ………………………………... 64 2.6.4 Problemas y soluciones de un sistema fotovoltaico …. 64

2.6.5 Mantenimiento del sistema fotovoltaico

…………….. 65

2.7 PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS FV.66 2.8 CLASIFICACIÓN DE LAS INSTALACIONES FV …………. 66 - Instalaciones aisladas de la red ………………………….. 67 - Sistemas fotovoltaicos interconectados con la red ……… 67 -

Aplicaciones de sistemas fotovoltaicos interconectados … 67

- Sistemas residenciales …………………………………… 67 2.9 UNA CÉLULA SOLAR TIENE QUE SATISFACER LAS SIGUIENTES CONDICIONES …………………………………... 68 2.10 CAUSAS PRINCIPALES DE LAS PÉRDIDAS DE POTENCIA EN LOS SISTEMAS FV ………………………………………….. 68 2.11 EFECTOS DE LA ENERGÍA SOLAR SOBRE LA NATURALEZA …………………………………………………… 69 CAPÍTULO III.- ENSAYO PARA VERIFICAR LA NECESIDAD DEL SERVICIO DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN CAÑADA COLORADA..70 3. METODOLOGÍA ……………………………………………… 70 3.1 TIPO DE ESTUDIO CORRELACIONAL …………………. 71 3.2 TÉCNICAS, EQUIPOS Y HERRAMIENTAS EMPLEADAS..72 3.2.1 DISEÑO DEL CUESTIONARIO PARA EL ENSAYO EN CAMPO ……………………………………………………... 73 3.2.2 Lista de preguntas ……………………….................... 73

3.3 EQUIPO Y HERRAMIENTAS EMPLEADAS EN EL ENSAYO …………………………………………………… 73

3.4 RECOLECCIÓN DE DATOS EN CAMPO ……………….. 73 3.5 DETERMINACIÓN DE LA MUESTRA ENCUESTADA.... 74 Ubicación de Cañada Colorada ……………………………... 74 3.6. RESULTADOS DE LA APLICACIÓN DE LA ENCUESTA EN LA COMUNIDAD DE CAÑADA COLORADA ………… 75 3.7 ANÁLISIS DE DATOS …………………………………... 77 Análisis cuantitativo de los datos ………………………… 77 3.7.1 Distribución de frecuencias …………………………. 78 3.7.2 Gráficas de la distribución de frecuencias …………. 82 3.8. Interpretación de los datos ……………………………….. 85 Indicador ………………………………………………… 86 Cálculo de los indicadores …………………………….... 86 Índice porcentual…………………………………………. 87 Representación del Indicador en forma porcentual ……... 87 CAPÍTULO IV.-APLICACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO EN LA POBLACIÓN DE CAÑADA COLORADA ............................ 90 4.1 Diseño de la fuente de energía fotovoltaica ………………….. 92 a) Características específicas de la casa rural ……………... 92 b) Descripción de las cargas ………………………………. 92 4.1.2 Cálculos del proyecto ………………………………. 93 a) Energía consumida (W) …………………………. 93

b) Cálculo del arreglo solar (hrs.) …………………... 94 c) Cálculo del ángulo de inclinación de los paneles … 95 d) Calculo del banco de baterías (Wh) ……………… 95 e) Calculo del número de Baterías ………………….. 96 f) Cálculos del controlador de carga. ………………… 97 g) Especificación del Inversor ………………………. 97 h) Calculo del calibre de los conductores ……………. 97 - Entre el panel y el controlador de carga ………. 98 - Entre el controlador de carga y las baterías.….... 98 - Entre el controlador de carga y el inversor……... 99 - Entre el inversor y el interruptor termomagnético. 99 i) Cálculo de las dimensiones del soporte de los paneles .101 4.2 Diseño de la Instalación Eléctrica de la vivienda………………. 105 a) Cálculo de la carga total instalada………………………... 105 b) Cálculo de los conductores de la línea principal…………. 105 c) Cuadro de cargas…………………………………………. 105 d) Cálculo del número de circuitos derivados………………. 106 e) Cálculo de la corriente por circuito derivado…………….. 106 f) Cálculo del calibre de cada circuito………………………. 106 g) Cálculo del Interruptor Principal…………………………. 106

h) Cálculo de la protección de los circuitos derivados………. 107 i) Cálculo del calibre del tubo conduit……………………… 107 j) Diagrama Unifilar………………………………………… 107 CAPITULO V.- EVALUACIÓN DE COSTOS……………………....... 108 CONCLUSIONES………………………………………………………... 119 GLOSARIO TÉCNICO………………………………………………….. 120 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS …………....……………………. 127 FUENTES CONSULTADAS DE INTERNET ………………………… 128 Lista de preguntas Anexo 1………………………………………………... 130 Mapa y Croquis de Cañada Colorada Anexo 2……………………………. 132 Fotos de Cañada Colorada Anexo 3……………………………………….. 133 Norma Mexicana 001 – SEDE – 2005 Anexo 4…………………………... 142 Tabla insolación global de México Anexo 5 ……………………………… 155

ÌNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Localización de Cañada Colorada en el Municipio de Apaxco Estado de México …………………………………………………………………………………................. 5 Figura 2. Centro de Apaxco ……………………………………………………………... 11 Figura 3. Componentes de la radiación solar terrestre.…………………………............... 18 Figura 4. Representación esquemática del efecto fotovoltaico………………………….... 19 Figura 5. Celda Solar.…………………………………………………….…………........ 19 Figura 6. Diagrama de la generación de la energía eléctrica…………………………….. 20 Figura 7. Funcionamiento de una celda solar…..……………………………………....... 21 Figura 8. Partes de una celda solar………………………………………………………. 22 Figura 9. Módulo solar…………………………………………………………………... 25 Figura 10 Panel solar…………………………………………………………………….. 25 Figura 11. Analogía de una conexión en serie entre un sistema eléctrico y un hidráulico ...……………………………………………………………………………..................... 26 Figura 12. Analogía de una conexión en paralelo entre un sistema eléctrico y un hidráulico………………………………………………………………………………... 27 Figura 13. La conexión de módulos fotovoltaicos…….………………………………...

28

Figura 14. Curvas de I – V al conectar los módulos en serie ………………………....... 28 Figura 15. Curvas de I – V al conectar los módulos en paralelo ………………………. 29 Figura 16. Partes de un panel solar ……………………………………………………..

31

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

32

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

34

Figura 19. Irradiancia y horas solares pico durante un día soleado…………………….. 35 Figura 20. Comportamiento de la curva de I-V de un panel solar por efecto de la irradiación……………………………………………………………………………….. 36

Figura 21.La irradiación a nivel mundial………………………………………………... 37 Figura 22. Mapa de insolación anual……………………………………………………. 38 Figura 23. Orientación de una estructura fija para maximizar la captación de radiación solar a lo largo del año………………………………………………………………………… 39 Figura 24. Movimiento aparente del sol en la bóveda celeste en función de la hora del día y la época del año………………………………………………………………………….. 40 Figura 25. Ángulo de inclinación………………………………………………………... 40 Figura 26. Dependencia de la corriente producida en función de la tensión para diferentes intensidades de radiación………………………………………………….…………….. 43 Figura 27. Dependencia de la corriente producida en función de la tensión para diferentes temperaturas de operación………………………………………………………………... 43 Figura 28. Comportamiento de la curva de I – V de un panel solar por efecto de la temperatura……………………………………………………………………………….. 44 Figura 29. Diagrama físico de una instalación fotovoltaica……………………………… 45 Figura 30. Diagrama eléctrico de una instalación fotovoltaica…………………………... 46 Figura 31. Instalación solar fotovoltaica sin inversor…………………………………….. 46 Figura 32. Instalación solar fotovoltaica con inversor…………………………………… 47 Figura 33. Panel fotovoltaico…………………………………………………………….. 47 Figura 34.Controlador de carga………………………………………………………….. 48 Figura 35. Acumulador…………………………………………………………………... 49 Figura 36. Construcción de una batería monoblock……………………………………… 51 Figura 37. Baterías conectadas en paralelo, en serie y en serie – paralelo……………….. 53 Figura 38. Limitador de tensión………………………………………………………….. 53 Figura 39. Inversor……………………………………………………………………….. 54 Figura 40. Esquemas de conexión con diodos…………………………………………… 54 Figura 41. Diodos de bloqueo……………………………………………………………. 55

Figura 42. Diagrama de diodos de bloqueo en paralelo………………………………….. 55 Figura 43. Diodos de paso………………………………………………………………... 56 Figura 44. Conexión de diodos de paso en paralelo…………………………………….... 57 Figura 45. Conexión de diodos de paso en serie…………………………………………. 57 Figura 46. Ubicación del módulo fotovoltaico………………………..………………… 59 Figura 47. Soporte de módulos fotovoltaicos…………………………………………… 59 Figura 48. Ubicación de la batería y del controlador de carga…………………………... 60 Figura 49. Ubicación de las lámparas…………………………………………………… 61 Figura 50. Conexiones de la batería con el controlador…………………………………. 61 Figura 51. Conexión de las terminales del controlador de carga con las del módulo FV… 62 Figura 52. Conexión del controlador de carga con las lámparas y el interruptor……….. 63 Figura 53. Diagrama de instalación de un sistema fotovoltaico………………………… 65 Figura 54. Número total de viviendas en la comunidad de Cañada Colorada…………... 76 Figura 55. Plano eléctrico de casa rural………………………………………………… 93 Figura 56. Cama de hierro donde se colocarán los paneles solares…………………….. 101 Figura 57. Estructura el cual soportara a los paneles solares………………………….... 101 Figura 58. Vista lateral izquierda del bastidor………………………………………….. 102 Figura 59. Bastidor de aluminio para 3 módulos de 200W……………………………... 103 Figura 60. Diagrama físico del proyecto………………………………………………... 103 Figura 61. Diagrama eléctrico del proyecto…………………………………………….. 104 Figura 62. Diagrama unifilar……………………………………………………………. 107 Figura 63. Panel solar…………………………………………………………………… 108 Figura 64. Dimensiones del panel………………………………………………………. 110

Figura 65. Curvas de I – V del panel solar……………………………………………… 110 Figura 66. Batería solar…………………………………………………………………. 111 Figura 67. Gabinete para baterías………………………………………………………. 112 Figura 68. Inversor HP600 – TD – MEX – 0510………………………………………. 112 Figura 69. Controlador de carga………………………………………………………… 114 Figura 70. Bastidor de aluminio para 3 módulos de 200W……………………………... 116 Figura 71. Mapa de Cañada Colorada…………………………………………………… 132 Figura 72. Croquis de Cañada Colorada………………………………………………… 132

INDICE DE TABLAS Tabla 1. Placa del fabricante de un módulo Solarex VLX-53…………………………... 34 Tabla 2. Estado de carga, densidad, voltaje y punto de congelación de un acumulador de plomo – ácido …………………………………………………………………………... 52 Tabla 3. Cuantificación de datos en campo……………………………………………... 75 Tabla 4. Distribución de frecuencias…………………………………………………….. 79 Tabla 5. Indicadores y su tendencia……………………………………………………... 86 Tabla 6. Indicadores con su valor abdimencional e índice porcentual…………………... 87 Tabla 7. Indicadores con su color de identificación……………………………………... 88 Tabla 8. Factores Climáticos…………………………………………………………….. 90 Tabla 9. Características climáticas de Apaxco…………………………………………... 91 Tabla 10. Características climatológicas anuales de Apaxco……………………………. 91 Tabla 11. Cargas utilizadas en la vivienda………………………………………………. 94 Tabla 12. Cuadro de cargas……………………………………………………………… 105 Tabla 13. Costos del proyecto…………………………………………………………… 117

INDICE DE GRÀFICAS

Gráfica 1. Unidades muestrales proyectadas y aplicadas en el campo………………….. 76 Gráfica 2. Resultados de las categorías 1 - 3…………………………………………... 83 Gráfica 3. Resultados de las categorías 4 - 6…………………………………………... 83 Gráfica 4. Resultados de las categorías 7 - 9…………………………………………... 84 Gráfica 5. Resultados de las categorías 10 - 12………………………………………… 84 Gráfica 6. Resultados de las categorías 13 - 15………………………………………… 84 Gráfica 7. Resultados de las categorías 16 – 18………………………………………… 85 Gráfica 8. Resultados de las categorías 19 - 21……………………………………........ 85 Gráfica 9. Porcentaje de los resultados de los indicadores……………………………… 88

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

La inseguridad por falta de una iluminación eficiente. La obtención de agua para riego y para satisfacer las necesidades personales, elementales. La educación a distancia, si no existe otra forma, por la lejanía. La comunicación con las personas de nuestro entorno. La información de lo que ocurre en nuestro alrededor. La conservación de alimentos perecederos. La comodidad de utilizar aparatos eléctricos para realizar tareas domésticas, mejor y más rápidamente.

Las preguntas esenciales de la falta de energía eléctrica en Cañada Colorada, motivo de este estudio son: a) ¿Es factible la aplicación de la energía fotovoltaica para suministrar a una vivienda donde no existe el suministro de energía eléctrica? b) ¿Cómo se puede aplicar un sistema de celdas fotovoltaicas para una instalación eléctrica de una vivienda? c) ¿Cuáles serían los beneficios al aplicar esta tecnología para el suministro de energía en un poblado rural donde se carece de este fluido? La carencia de energía eléctrica en estas comunidades muchas veces es a causa de la situación geográfica y por la falta de presupuesto para realizar una inversión de esta magnitud, como es el caso de la comunidad de Cañada Colorada que esta habitada por una cantidad considerable de familias que se encuentran dispersas en una gran extensión de terreno, en estas condiciones resulta muy caro y problemático plantar postes para cada vivienda, tender cables del calibre adecuado para evitar grandes caídas de tensión (que además les puede ser robado) se ha tratado de obtener energía eléctrica de manera convencional a través de la compañía suministradora y no se ha logrado alguna respuesta positiva. Por tal motivo queremos implementar una solución a este problema por medio de una fuente de energía renovable llamada Energía Fotovoltaica y de un dispositivo llamado Panel Fotovoltaico entre otros, con el objetivo de poder electrificar de forma individual, para evitar que tengan caídas de tensión, las viviendas de las familias de Cañada Colorada solventando así sus necesidades de energía eléctrica.

1

JUSTIFICACIÓN El proyecto de nuestra tesis esta enfocado a electrificar un hogar de tipo rural de la comunidad de Cañada Colorada, que se encuentra ubicada en el Municipio de Apaxco del Estado de México, por medio de celdas o paneles solares se pretende solventar las necesidades principales como son iluminación de la vivienda, refrigeración el cual ayudará a conservar sus alimentos en buen estado, por lo que de esta forma el proyecto podrá beneficiar a cada una de las familias de las comunidades rurales; pues a causa de la difícil geografía de nuestro territorio, la falta de inversión y sobre todo por la falta de tecnología no ha sido posible abastecer a este tipo de comunidades en nuestro país con este importante servicio; como es el de la energía eléctrica, ya que de él dependen otros servicios como son educación, servicios médicos en general y lo mas importante para una mejor calidad de vida. Está tesis presenta el proyecto de electrificar por medio de paneles de energía solar, la comunidad de “Cañada Colorada” que se encuentra en el Municipio de Apaxco en el Estado de México, haciendo el estudio de un modelo típico de vivienda en esta zona, el cual incluye cálculo de la carga promedio en días normales, el nivel de insolación promedio mensual y anual de la región, para determinar los parámetros del sistema de captación, acumulación, conversión, distribución y gasto de la energía eléctrica obtenida. Dichos parámetros se requieren para hacer un presupuesto estimado de la inversión inicial para valorar su conveniencia. Para la realización de este proyecto se necesitaría una gran inversión, pero al compararlo con la inversión que se haría de instalar el servicio eléctrico de forma normal a través de una red, resulta muy económico, por lo que concluimos que sería factible por que se ayudaran a un número de familias las cuales están distantes una de la otra, y parte de esta inversión puede ser absorbida por medio de programas de la SEDESOL y la otra parte correspondería a la comunidad motivo de este estudio.

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OBJETIVOS

-

-

-

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

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

Observar los beneficios proporcionados a la comunidad rural a través de las celdas solares fotovoltaicas.

3

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

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

-

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

-

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

-

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

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

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

Localización del Municipio de Apaxco El territorio municipal de Apaxco se localiza en el extremo meridional del valle de México, entre las coordenadas geográficas extremas: latitud norte en el paralelo 19° 58’ 11”, al paralelo 20° 01’ 51”; y longitud oeste del meridiano de Greenwich 99° 05’ 00”, al meridiano 99° 11’ 52”; se ubica al noreste del Estado de México y al norte de la ciudad de México, D.F. La cabecera municipal se localiza a una distancia aproximada de 82 kilómetros de la ciudad de México. Limita al norte con el estado de Hidalgo, al sur con el municipio de Tequixquiac, al oeste con el estado de Hidalgo y al este con los municipios de Hueypoxtla y Tequixquiac.

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

Orografía El lugar donde se asienta el municipio de Apaxco surgió durante la era Cenozoica, en el periodo Terciario, hace aproximadamente 60 millones de años. En tanto que una franja de la región de Santa María surgió en la era Mesozoica, en el periodo Cretáceo, hace aproximadamente 70 millones de años. Las rocas mesozoicas están constituidas por silicio y cuarzo; también se han encontrado rocas de origen marino de composición carbonatada, las cuales son utilizadas fundamentalmente en la elaboración de cemento y cal; debido a la riqueza mineral que hay a lo largo y ancho del territorio municipal, se le conoce como “la región de las caleras”. Está conformado por llanos ondulados y elevaciones que no exceden los 2,700msnm, se rodea de cerros que lo limitan en casi todos sus extremos, exceptuando la porción sur y oriente por donde se comunica con el valle de México a través de la región de Zumpango. En el extremo norte se encuentra el Cerro del Salto con pequeñas unidades asociadas, dirección este - oeste; al noreste se encuentra el cerro de Los Pechitos, dirección norte-sur; la parte del noroeste la cubre el Cerro Blanco o mejor conocido entre la población apaxquense por la forma que presenta como cerro de “Las Nalgas”, que se extiende a lo largo del límite del municipio con el estado de Hidalgo, alcanzando una elevación de 2,400 msnm; en la parte centro-oeste se encuentra el Cerro de Santa María. Algunas elevaciones con una altura de menor importancia están representadas por el Cerro Pelón, que se localiza al norte con una altura de 2,350 msnm, al sur se encuentra el cerro del Tablón, hacia el este se ubica el Cerro de la Cruz con una altura de 2,200 msnm y al oeste se localizan los cerros del Pixcuay, del Estudiante, Chiquihuite y Grande. Varios de estos cerros en pocos años dejaran de existir, debido a la inmoderada explotación de los minerales que los componen.

13. http://www.inafed.gob.mx/work/templates/enciclo/mexico/mpios/15010a.htm.

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Hidrografía Apaxco pertenece a la Región Hidrológica del Alto Pánuco, la cual abarca una considerable extensión que comprende la porción norte, noreste y noroeste del Estado de México, con una superficie de 7,933.8 kilómetros cuadrados. En esta cuenca se localizan importantes cuerpos de agua destinados al riego principalmente. El municipio también abarca la subcuenca del Río Moctezuma, donde el principal río permanente es el Río Salado que sigue una dirección suroeste-noroeste, al entrar al estado de Hidalgo se une con el Río Tula, el cual después de un recorrido de 174 kilómetros cambia de nombre a Río Moctezuma. De las corrientes intermitentes destacan el arroyo El Zarco con dirección este-oeste, que se localiza en el extremo norte del territorio municipal. En la porción central del municipio se encuentra el arroyo La Noria, el cual alimenta al Río Salado, igualmente el arroyo Treviño que inicia en la parte suroeste y desemboca en el Río Salado al noreste. También existen dos manantiales: uno de aguas termales conocido como Los Bañitos y La Noria. Las aguas subterráneas son explotadas a través de pozos profundos y generalmente se utilizan para la dotación de agua potable a la población.

Clima El clima que predomina en el municipio es el templado semiseco, con lluvia invernal inferior al 5%, y reducida oscilación térmica, la temperatura más elevada se presenta antes del solsticio de verano. Durante la primavera, la temperatura comienza a aumentar considerablemente en casi todo el territorio; los valores más altos se registran en mayo y la temperatura media anual para el municipio es de 14 a 16º C. Las precipitaciones de verano se refuerzan por fenómenos convectivos, es decir, el calor que se encuentra en los principales valles hace que ascienda la humedad, éstas se enfrían y da inicio a la temporada lluviosa alrededor de la segunda quincena de mayo. Después de las primeras lluvias, las temperaturas descienden, lo que genera abundancia de nubosidad y precipitación. Los tipos de nubes característicos en verano son cúmulo, estratos, estratocúmulo y cumulonimbus. La precipitación anual en el municipio oscila entre los 400 a 800 milímetros. Las primeras heladas se originan generalmente después de la segunda quincena de octubre. Y son frecuentes en diciembre, enero y febrero. Los vientos que predominan en el municipio son los alisios, los del oeste y los polares.

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Principales Ecosistemas Flora La vegetación original se ha visto perturbada, por lo que presenta varios tipos secundarios como el Bosque cultivado: Pino (Pinus sp.), eucalipto (Eucalypthus sp.), cedro (Cupressus sp.) y pirúl (Schinus molle). En el estrato arbustivo: Loeselia mexicana, brogniarta intermedia y maguey (Agave sp.). En el estrato herbáceo se pueden identificar: Muhlembergia emersley, M. dubia, Agrastia avenae, boutelova gracilis (navajita) y zacate bermuda (Cynodon dactylon). Matorral Crasicaule con fisonomía nopalera: Nopal tapón (Opuntia sp.), nopal cardón (O. Streptacatha), vara dulce (Eysenhardtia polystachya) y tepozán (Budleia sp.). El estrato medio (1.2 metros de altura, está compuesto por limpia tuna (Zaluziana augusta), huizache (Mimosa biunficefa) y nopal cardenche (opuntia imbricada). El estrato inferior (0.3 metros de altura) se integra por pastos Boutelova triaena, B. hirsuta, Buchloe dactyloidos y Muhlembergia rígida, algunas de estas plantas pueden observarse en las fotografías 11, 12, 13 y 14 del anexo 3. Entre las plantas de ornato que podemos encontrar en el municipio están: amor de hombre (Tradescantia), begonias (Begonia), belladona (Atropa belladona), azalea (Loiseleuria procumbens), azucena (Lilium), camelia (Camelia japonica), crisantemo vulgar (Chrysanthemum vulgare), culantrillo (Asplenium rutamuraria), dalia (Dahlia variabilis), espárrago (Asparagus), flor de mayo (Majanthemum bifolium), geranios (Geranium), gladiolos (Gladiolus), Chícharo o guisante (Pisum), helechos (Tilicineas), hortensias (Hydrangea), jacintos (Hyacinthus), junco (Juncus), laureles (Laurus), lirios (Iris), flor de loto (Nelumbo), magnolias (Magnolia), maravillas (Ornithogalum), margaritas (Bellis perimis), menta (Mentha), narcisos (Marcissus), pasionaria (Passiflora), pensamiento (Viola), petunias (Petunia), retama (Lygos monosperma), rosa (Rosáceas), tulipán (Tulipa), violetas (Viola) y otras más. De las plantas medicinales que se encuentran en el municipio está el toronjil silvestre (Melittis meliossophyllum), ajenjo (Artemisia absinthium), anís común (Pimpinella anisum), árnica (Arnica montana), cóleo (Coleus), madreselva (Lonicera). Los principales frutales son: higo (Ficus carica), tejocote (Crataegus mexicana), capulín (Karwinskia sp.), durazno, granada (Punica granatum).

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Fauna La fauna del municipio es quizá la que ha sufrido en mayor medida los cambios producidos por la acción del hombre. En áreas menos perturbadas aún es posible encontrarse las siguientes aves: águilas (Aquila), búhos (Strigidae), canarios (Serinus canarius), cardenal (Paroaria), chuparrosa o colibrí (Macroglossa stellatarum), gangas (Pteroclidae), gorriones (passer), lechuzas (Estrigidas), palomas (columbidae), tórtola común (Streptopelia turtur), tordos, chillones, piruleros, zopilotes y correcaminos. Insectos y arácnidos como: abejas (Apis mellifera), variedad de arañas, moscas, mosquitos, libélulas, catarinas, chapulín, escarabajos, gorgojo, grillos, hormigas, luciérnagas, mariposa, pinacates, orugas y garrapatas. Aún en los cerros podemos encontrar roedores, como la rata vulgar (Rattus norvegicus), ratones (Muridae), ardillas (Sciurus vulgaris), conejos (Oryctolagus caniculus), además de coyotes, gato montés, liebres (Lepus) y tuza. Entre los colúbridos podemos encontrar a las serpientes de cascabel, variedades de serpientes, culebras de agua, escorpión, lagarto, lagartija, ciempiés, lombriz y caracol. De los animales acuáticos tenemos a las ranas y a los sapos.

Recursos Naturales Recordemos que el municipio se encuentra asentado en una zona rica en minerales conocidas desde la época prehispánica como “región de las caleras”, nombre designado por la abundancia de cal. La industria calera en Apaxco comienza en 1911, año en que el ingeniero Luis Espinoza decide instalar los primeros hornos y dar inicio a la compañía abastecedora de cal de Apaxco. Posteriormente, en 1934 fue constituida la compañía de Cementos Apaxco S. A., siendo el iniciador de esta empresa el ingeniero Landa, quien forma una sociedad con varios profesionistas, entre ellos encontramos como principal accionista al ingeniero Federico García Cuéllar; en el año de 1936 surge la Compañía de Cementos de Apaxco, S. A., iniciando una nueva fuente de trabajo para los habitantes de Apaxco. Entre los minerales que obtienen de los cerros encontramos: caliza, mármol, dolomita, sílica, feldosyato, calcita, sílice, yeso, calcedonia y cuarzo.19

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Características y Uso del Suelo Los suelos que encontramos en los terrenos del municipio son los siguientes: feozem y vertisol. Los primeros son suelos ricos en materia orgánica y nutrientes. Se encuentran desde zonas semiáridas hasta templadas o tropicales como se observa en las fotografías 7, 8, 13 y 14 del anexo 3. En condiciones naturales tienen casi cualquier tipo de vegetación, desarrollándose desde los terrenos planos hasta los montañosos; su susceptibilidad a la erosión depende del terreno en donde se encuentran. Así, los feozems (suelos ricos en materia orgánica y nutrientes) profundos y situados en terrenos planos se utilizan con éxito en la agricultura de riego o de temporal, mientras que los ubicados en laderas o pendientes se emplean en la ganadería, con resultados aceptables. En cuanto al segundo, es un suelo arcilloso frecuentemente negro, gris o rojizo, pegajoso cuando está húmedo, muy duro y agrietado cuando está seco; en general se erosionan poco y a veces son salinos. En el estado se encuentran en zonas de clima templado y cálido, por lo que su vegetación natural es muy variada. Su uso agrícola es diverso y productivo, pues son casi siempre muy fértiles, aunque presentan ciertos problemas para su manejo debido a su dureza.

2. INFRAESTRUCTURA SOCIAL Y DE COMUNICACIONES Educación De acuerdo con los datos estadísticos registrados por el INEGI, en los resultados definitivos de 1995, el analfabetismo en Apaxco es bajo, ya que de la población de seis a 14 años, 427 no saben leer y escribir, de los cuales 227 son hombres y 200 mujeres. La población de seis a 14 años que sabe leer y escribir suma un total de 3,964, de éstos, 2,004 son hombres y 1,960 mujeres. En lo que respecta al equipamiento educativo, en la actualidad existen dos escuelas privadas, una cubre desde preescolar hasta secundaria y la otra sólo de preescolar a primaria. Se registran 10 escuelas de nivel preescolar, 11 primarias, tres secundarias oficiales, dos telesecundarias y una secundaria técnica; el nivel medio superior esta cubierto por una preparatoria oficial incorporada a la Universidad Autónoma del Estado de México y una preparatoria abierta de la Secretaría de Educación Pública. El municipio cuenta además con un Centro de Atención Múltiple y un Centro de Educación para los Adultos (CEPLA).

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Salud El número de personas derechohabientes de instituciones públicas de Seguridad Social, registradas en Apaxco, en 1996, era de 6,721, de las cuales 6,063 están afiliadas al Instituto Mexicano del Seguro Social y los restantes, 658, al Instituto de Seguridad Social del Estado de México y Municipios; además, un total de 6,477 personas reciben asistencia social por parte del Instituto de Salud del Estado de México. El municipio cuenta con una Clínica del Seguro Social y tres centros de salud pertenecientes al ISEM; el equipamiento con el que cuentan los centros es muy limitado, por lo que sólo ofrecen servicios de primer y segundo nivel. El personal médico con que cuenta el IMSS es de 11 y se asigna un médico pasante para cada centro de salud.

Abasto Las redes de comercialización, abasto de alimentos y otros productos de consumo popular, se sustentan en 51 giros comerciales y de servicios, los cuales se distribuyen de la siguiente manera: 278 comercios fijos, de los cuales el 40% son misceláneas, 25% son papelerías y el restante 35% se reparte entre carnicerías, bares, billares, estéticas, farmacias, fondas, estudios fotográficos, florerías, funerarias, molinos de especias y de nixtamal, tiendas de regalos, establecimientos de lubricantes, talacherías, tortillerías, tlapalerías, paleterías, purinas, rosticerías, videoclubes y zapaterías. El comercio semifijo se compone de 325 puestos, perteneciente a la unión de tianguistas “Benito Juárez, A.C”, distribuidos en los siguientes giros comerciales: abarrotes, artículos electrónicos, artículos de fantasía, carnicerías, puestos de calzado, ferreterías, frutas y legumbres, hortalizas, pescaderías, puestos de ropa, entre otros. Complementa la infraestructura comercial dos tiendas campesinas y dos lecherías LICONSA.

Vivienda En 1995 se registró un total de 4,120 viviendas habitadas, 4,118 eran particulares y dos colectivas. De las 4,113 viviendas que cuentan con registro, cada una cuenta con un promedio de 5.1 habitantes por vivienda. Los materiales que predominan en las construcciones son el cemento, tabique, block, ladrillo o piedra y adobe, entre otros como se puede observar en las fotografías 1, 2, 3, 4, 9 y 10 del anexo 3. Los materiales predominantes en los pisos 10

de las viviendas particulares son: el firme de tierra, cemento, madera, mosaico y otros. Cabe señalar, que en el año 2000, de acuerdo a los datos preliminares del Censo General de Población y Vivienda, efectuado por el INEGI, hasta entonces, existían en el municipio 5,046 viviendas en las cuales en promedio habitan 5 personas en cada una. De acuerdo a los resultados que presentó el II Conteo de Población y Vivienda en el 2005, en el municipio cuentan con un total de 5,699 viviendas de las cuales 5,517 son particulares.

Servicios Públicos La cobertura de servicios públicos en las viviendas del municipio es de la siguiente manera: el 90% dispone de agua entubada, de los cuales, 1,952 disponen de agua entubada dentro de la vivienda, 1,746 fuera de la vivienda pero dentro del terreno, 11 la obtienen de la llave pública y 404 carecen del servicio de agua entubada. El 98% de las viviendas del municipio disponen de energía eléctrica, 4,031 cuentan con el servicio y las restantes, que son 82, carecen del servicio, como son las que se pueden observar en las fotografías 1, 2, 3 y 4 del anexo 3. Además, el 60% de viviendas disponen de drenaje, lo que quiere decir que 2,928 cuentan con este servicio de las cuales: 2,458 viviendas tienen servicio de drenaje conectado a la red pública, 400 están conectadas a la fosa séptica, 23 tienen desagüe al río y 47 a barranca, en tanto que las restantes 1,185 carecen de servicio. Por otro lado el 60% de las vías de comunicación están pavimentadas.

Figura 2. Centro de Apaxco.

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13. http://www.inafed.gob.mx/work/templates/enciclo/mexico/mpios/15010a.htm.

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Medios de Comunicación Al municipio llegan desde temprana hora los periódicos de circulación nacional como: La Afición, La Crónica, El Demócrata, El Diario, Diario Amanecer, Esto, Excélsior, El Financiero, El Heraldo de México, La Jornada, El Nacional, Novedades, Ovaciones, La Prensa, El Reforma y el 8 Columnas. Al municipio llegan las señales de las estaciones de radio que tienen cobertura nacional, tanto las de frecuencia modulada (FM), como las de amplitud modulada (AM). La recepción de los canales de televisión es buena, ya que se captan casi todos los de cobertura nacional: 2, 4, 5 y 9 de Televisa, 7 y 13 de Televisión Azteca; en los últimos años se ha incrementado el servicio de televisión privada como el sistema SKY y DIRECTV. El municipio cuenta con una agencia de correos en la cabecera municipal y cinco expendios ubicados en puntos estratégicos del territorio municipal; el correo llega por vía terrestre y el código postal es 55660. La red de líneas telefónicas existentes en el municipio es de 355, con un total de 655 aparatos, incluye telefonía local y de larga distancia automática (LADA 599); se cuenta con una caseta de larga distancia ubicada en la cabecera municipal. El servicio telegráfico se presta por medio de la oficina de Ferrocarriles Nacionales, ubicada en la cabecera municipal.

Vías de Comunicación Las diferentes líneas de transporte foráneo son: Líneas Unidas, S.A. (LUSA), que cumple el itinerario de México a Ixmiquilpan, Hidalgo; la México-ZumpangoApaxco, de México a Progreso Hidalgo y la Melchor Ocampo, de México a Cuautitlán y de ahí a Zumpango y Apaxco. El servicio de transporte urbano está cubierto por el servicio colectivo de combis, las cuales pertenecen a la empresa de transportes de Apaxco, S.A. y los diferentes sitios de taxis. La red carretera se encuentra bajo la responsabilidad y cuidado del Estado, tiene una longitud de 26.33 kilómetros, de los cuales 24.13 son pavimentados y 2.20 kilómetros están revestidos. La red ferroviaria tiene una extensión de 16 kilómetros en el territorio municipal, cruza desde México hasta Nuevo Laredo, y ofrece el servicio de pasajeros y carga.

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Perfil sociodemográfico Grupos Étnicos En 1995, el número de personas mayores de cinco años que hablan alguna lengua indígena en el municipio de Apaxco es de 21, de las cuales ocho hablan otomí, cuatro náhuatl, tres zapoteco, uno mixe, uno mazahua, y uno ocuiteco. De acuerdo a los resultados que presento el II Conteo de Población y Vivienda en el 2005, en el municipio habitan un total de 53 personas que hablan alguna lengua indígena.

Evolución Demográfica El Conteo de población y vivienda de 1995, nos indica que Apaxco cuenta con 21,134 habitantes, distribuidos en zonas urbanas y rurales de la municipalidad. La densidad de población por kilómetro cuadrado en 1970 era de 114 habitantes, en 1980 de 195, para 1990 de 232 y en 1995 de 297 habitantes. El número de nacimientos registrados en 1995 fue de 597; el lugar donde más se registraron nacimientos fue en la cabecera municipal con un total de 573, de los cuales 257 fueron mujeres y 316 fueron hombres. El promedio de miembros por familia es de cuatro a cinco, es decir, la madre y dos o tres hijos. El número de defunciones en el municipio durante 1995 fue de 72, de los cuales 33 correspondieron a mujeres y 39 a hombres. Nueve de los 72 resultaron menores de un año, siendo cuatro mujeres y cinco hombres. La tasa de migración registrada por el INEGI en 1990 para el municipio de Apaxco es mínima, si consideramos que del total de población, que es de 18,500, solamente 2,770 provienen de otra entidad, principalmente del estado de Hidalgo (1,456), Distrito Federal (512), y de Querétaro (219). Es importante señalar que para el año 2000, de acuerdo con los resultados preliminares del Censo General de Población y Vivienda efectuado por el INEGI, para entonces existían en el municipio un total de 23,718 habitantes, de los cuales 11,656 son hombres y 12,062 son mujeres; esto representa el 49% del sexo masculino y el 51% del sexo femenino. De acuerdo a los resultados que presentó el II Conteo de Población y Vivienda en el 2005, el municipio cuenta con un total de 25,738 habitantes.

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3. ACTIVIDAD ECONÓMICA Principales Sectores, Productos y Servicios Agricultura Se práctica en el 48.5% de la superficie territorial de Apaxco, lo que representa 3,893 hectáreas, de las cuales, 3,500 son de temporal y 393 de riego. La producción agrícola del municipio se basa principalmente en el cultivo de forraje (alfalfa y avena), en segundo término está el cultivo de cereales (maíz, trigo y frijol) y una mínima producción de durazno como se observa en las fotografías 14, 17 y 18 del anexo 3.

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

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

Población económicamente activa por sector La población económicamente activa ocupada en el sector primario, para 1990 representó el 10%; en el secundario el 52% y en el terciario del 36%. De esta manera, en el municipio hay 4,977 habitantes con empleo lo que equivale al 27% de la población total y para el año 2000 se estima que esta sea de 6,395 habitantes.

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CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE LA ENERGÍA FOTOVOLTAICA El aprovechamiento de la energía solar requiere de la utilización de dispositivos que capten la energía proveniente del sol y la transformen en otra forma de energía compatible con la demanda que se pretende satisfacer. Es preciso señalar que existen algunos problemas que debemos afrontar y superar. Aparte de las dificultades que una política energética solar avanzada conllevaría por si misma, hay que tener en cuenta que esta energía esta sometida a continuas fluctuaciones y a variaciones más o menos bruscas, Por ejemplo, la radiación solar es menor en invierno, precisamente cuando más la necesitamos; por lo tanto es de vital importancia proseguir con el desarrollo de la incipiente tecnología de captación, acumulación y distribución de la energía solar, para conseguir las condiciones que la hagan definitivamente competitiva, a escala planetaria y en tanto aplicarla para solucionar el problema de la falta de energía eléctrica en las regiones rurales.

EL SOL FUENTE DE ENERGÍA ALTERNA La energía, como problemática, ha sido percibida desde distintos puntos de vista dependiendo del momento histórico. Desde los inicios del siglo hasta principios de los años setenta, el crecimiento económico de los países industrializados se fundamentó en la disponibilidad de una fuente de energía barata y abundante: el petróleo. A partir de la Segunda Guerra Mundial, tanto la producción mundial de petróleo como la demanda industrial de energía se han duplicado cada diez años. Las previsiones sobre la evolución del consumo de energía en el mundo, muestran un crecimiento similar en los próximos años. Aunque al final de los sesenta ya el crecimiento energético no se podía mantener indefinidamente, fue hasta la primera Crisis del Petróleo que la sociedad empezó a concientizarse del problema de la limitación de las reservas de combustibles fósiles, de las cuales sólo hay para 50 años de petróleo y 200 años de carbón si se mantiene el ritmo de consumo actual. En México el petróleo ha permitido impulsar la industria con los recursos obtenidos de su explotación y generar electricidad, pero en la actualidad México enfrenta un gran reto debido a que el petróleo en el futuro se ira agotando poco a poco. Las únicas posibilidades de mantener un crecimiento económico sostenible, garantizando un suministro energético a largo plazo, son el incremento de su eficiencia y la búsqueda de fuentes de energía alternativas que puedan sustituir al petróleo.

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Una de las principales fuentes de energía que podría sustituir al petróleo es la del sol, pues nuestro planeta recibe una cantidad de energía anual de aproximadamente 1,6 millones de KWH, de los cuales sólo un 40% es aprovechable, una cifra que representa varios cientos de veces la energía que se consume actualmente en forma mundial; es una fuente de energía descentralizada, limpia e inagotable. El Sol, como fuente de vida y origen de las demás formas de energía que el hombre ha utilizado desde los albores de la historia, puede satisfacer todas nuestras necesidades, si aprendemos cómo aprovechar de forma racional la luz que continuamente derrama sobre el planeta. Sería algo irracional no intentar aprovechar esta fuente energética gratuita, limpia e inagotable, que puede liberarnos definitivamente de la dependencia del petróleo o de otras alternativas poco seguras o, simplemente, contaminantes. Por ello en este trabajo se plantea aprovechar esta energía alterna, como solución a un problema de falta de energía eléctrica como sucede en el poblado de Cañada Colorada del Municipio de Apaxco, Estado de México.

1.1 ENERGÍA RENOVABLE La energía renovable es aquella que se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables, esto es por la inmensa cantidad de energía que contienen y porque son capaces de regenerarse por medio naturales. Algunas de las formas de energía renovable son: -

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

-

Eólica. Es aquella que proviene del viento.

-

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

-

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

-

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

Éstas son formas de energía que se originan a partir de la energía del sol, siendo ésta el resultado de un proceso de fusión nuclear que tiene lugar en su interior. De toda la energía producida, nuestro planeta recibe menos de una millonésima parte, es una cantidad enorme en proporción al tamaño de nuestro planeta y los requerimientos de energía, basta decir que la energía diaria proporcionada por el sol a la tierra es aproximadamente igual al consumo mundial de energía en 27 años. Al llegar esta energía a la superficie terrestre se pude transformar en calor útil, electricidad, o usarse para producir un combustible.

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Existen cuatro tecnologías fundamentales que nos ayudan en aprovechar la energía del sol, en beneficio del hombre sin afectar el medio ambiente, éstas son: 1. 2. 3. 4.

Calentamiento de agua doméstica. Obtención de vapor. Calentamiento especial activo. Conversión directa (solar / electricidad).

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

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

-

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

-

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

La radiación solar tiene tres tipos: -

Radiación directa Radiación difusa. Radiación reflejada

a) La radiación directa. Es la que llega directamente del foco solar, sin reflexiones o refracciones intermedias, esta puede reflejarse y concentrarse para su utilización. Para captar mejor la radiación directa se pueden utilizar unos mecanismos llamados seguidores que sirven para orientar el sistema receptor hacia el sol. b) La radiación difusa Es la emitida por la bóveda celeste diurna gracias a los múltiples fenómenos de reflexión (es el cambio en la dirección de un rayo de luz cuando este no logra traspasar la interfaz entre dos medios) y refracción solar en la atmosfera (es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro), en las nubes, y el resto de elementos atmosféricos y terrestres, en este tipo de radiación no es posible concentrar la luz difusa que proviene de todas direcciones.

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

Figura 3. Componentes de la radiación solar terrestre total. 6 Una importante ventaja de la energía solar es que permite la generación de energía en el mismo lugar de consumo mediante la integración arquitectónica. Así podemos dar lugar a sistemas de generación distribuida en los que se eliminen casi por completo las pérdidas relacionadas con el transporte que en la actualidad suponen aproximadamente el 40% del total de la energía generada. Las diferentes tecnologías fotovoltaicas se adaptan para sacar el máximo rendimiento posible de la energía que recibimos del sol.

1.3 EL EFECTO FOTOVOLTAICO El fenómeno fotovoltaico fue descubierto en 1839 y las primeras celdas solares de selenio fueron desarrolladas en 1880. Sin embargo, no fue sino hasta 1950 que se desarrollaron las celdas de silicio monocristalino que son las más utilizadas en la industria fotovoltaica. A finales de la década de los setentas las celdas fotovoltaicas comenzaban a ser utilizadas en aplicaciones terrestres como electrificación de pequeñas instalaciones (varios Watts de potencia) en sistemas de telecomunicación, televisión rural, entre otras. En la actualidad las instalaciones con capacidades de uno a diez celdas están siendo utilizadas de forma común alrededor del mundo para aplicaciones agroindustriales como el bombeo de agua, refrigeración, preservación de productos perecederos o desalación de agua. El efecto fotovoltaico es la propiedad que tienen algunos materiales como es el de la celda solar de absorber fotones de luz y emitir electrones. Esto consiste en que cuando los rayos solares (fotones de luz) inciden sobre la superficie del arreglo fotovoltaico, el cual está compuesto por dos delgadas láminas de silicio u obleas, P y N separadas por un semiconductor, al entrar en contacto con las partículas de luz y la superficie de la capa P se provoca una reacción (liberación de electrones de los átomos de silicio los cuales se encuentran en movimiento y pasan a través del semiconductor hasta la capa N) dando como

6. http://www.monografias.com/trabajos61/sistema-hibrido-eolico-fotovoltaico/Image28031.jpg

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

Figura 4. Representación esquemática del Efecto Fotovoltaico. 7

1.4 CELDAS FOTOVOLTAICAS 1.4.1 Definición Las celdas solares fotovoltaicas son dispositivos electrónicos que tienen la función de transformar la luz solar directamente en energía eléctrica sin pasar antes por un estado de energía térmica.

Figura 5. Celda Solar.

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Las celdas solares no tienen partes mecánicas, están hechas de delgadas capas de material semiconductor (es aquel que conduce la electricidad en determinadas condiciones ), usualmente están elaboradas a base de silicio puro, y son capaces de generar corrientes de 2 a 4 amperes, a un voltaje de 0.46 a 0.48Volts utilizando como fuente la radiación luminosa, tienen la propiedad de tener una gran conductividad y una ausencia total de resistividad eléctrica, están unidas a contactos de metal para completar el circuito eléctrico que se encuentran encapsuladas en vidrio o plástico. 7. http://saecsaenergiasolar.com/fotovoltaico/introduccion/fotos/f1.gif 16. http://podersolarmx.tripod.com/id11.html

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Las células se montan en serie sobre paneles o módulos solares para conseguir un voltaje adecuado. Parte de la radiación incidente (que llega a la tierra) se pierde por reflexión (rebota) y otra por transmisión (atraviesa la célula). El resto es capaz de hacer saltar electrones de una capa a la otra creando una corriente proporcional a la radiación incidente. La capa antirreflejo aumenta la eficacia de la célula. Las celdas fotovoltaicas (FV) individuales tienen una producción eléctrica limitada, la cual puede ser utilizada para operar equipos pequeños tales como juguetes, relojes y calculadoras de bolsillo. Para incrementar la salida (voltaje y amperaje) de una fuente FV, las celdas individuales se unen eléctricamente en diferentes formas. a) Colectores de enfoque. Semejantes a los planos, estos colectores poseen partes móviles para seguir el movimiento del sol, puesto que absorben solo la radiación directa. b) Colectores planos: Dispositivos de captación solar, generalmente fijos, que aprovechan la radiación solar directa y difusa. La parte colectora puede estar formada por una o más hojas de vidrio o plástico.

1.4.2 Principio de funcionamiento de una celda fotovoltaica

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

2. http://www.textoscientificos.com/energia/celulas.

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

Figura 7. Funcionamiento de una Celda Solar. 2 La forma más común de las celdas solares se basa en el efecto fotovoltaico, en el cual la luz que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas produce una diferencia de potencial o fotovoltaje entre las capas. Esta tensión es capaz de conducir una corriente a través de un circuito externo de modo de producir trabajo útil

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

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

2. http://www.textoscientificos.com/energia/celulas.

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1.4.3 Componentes Básicos de una Celda Solar

Figura 8. Partes de una Celda Solar.

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Toda celda solar moderna consta usualmente de los siguientes componentes:

Componentes básicos de una celda solar: a) Placa de vidrio. Es aquella que permite ingresar la luz a las celdas y protege a los semiconductores en la celda de los elementos.

b) Capa anti – reflectiva. Es aquella que esta entre la placa de vidrio y el semiconductor, y tiene la función de minimizar la pérdida de luz por reflejo.

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

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

e) La capa de semiconductor tipo p. Es aquella que tiene una deficiencia de electrones, lo cual atrae a los electrones excitados provenientes de la capa tipo n, provocando que se genere una diferencia de potencial entre ambas capas de semiconductor, mejor conocido como voltaje. 16. http://podersolarmx.tripod.com/id11.html

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1.4.4 CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE UNA CELDA SOLAR a) Corriente de cortocircuito (Icc) Esta magnitud es la intensidad que circula con la celda en cortocircuito, con una iluminación determinada y fija. Su valor es directamente proporcional a la energía solar recibida, y por lo tanto a la superficie total y al nivel de iluminación.

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

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

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

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

e) Temperatura límite de funcionamiento (oC) Esta magnitud ronda los 100 grados centígrados.

f) Rendimiento (ή) Esta magnitud es la relación entre la energía eléctrica entregada y la energía luminosa recibida. Su valor ronda el 18 %, según la tecnología constructiva de la celda.

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1.4.5 Ventajas y Desventajas de las Celdas Solares Ventajas • • • • • • • • • • • • • • • • •

Las celdas solares son confiables y silenciosas, no tienen partes móviles y duran 30 años o más si se las recubre con vidrio o plástico. Pueden ser instaladas rápida y fácilmente, necesitan poco mantenimiento. No producen dióxido de carbono durante su uso y la contaminación de agua y aire durante su operación es baja y la contaminación de aire durante su manufactura también. La producción de energía neta útil es elevada. Una vez hecha la inversión inicial, no se originan gastos posteriores. El consumo de energía eléctrica es gratuito. Resistentes a las condiciones climatológicas más adversas: Lluvia, nieve, viento, etc. No contaminan (ni siquiera acústicamente, ya que no producen ningún ruido). Se dice que no produce desechos, residuos ni basura ni olores, ni vapores, ni ningún tipo de impacto ambiental. No "descompone el paisaje" con torres, postes o líneas eléctricas. La electricidad que se obtiene es de corriente continua y generalmente a bajo voltaje, con lo que se evitan los accidentes tan peligrosos que ocurren actualmente con las líneas eléctricas. No consumen combustible. No necesitan radiación solar directa (funcionan también en días nublados). La electricidad se produce en el mismo lugar donde se consume. No necesita transformadores, canalizaciones subterráneas ni redes de distribución a través de las calles. Aplicación potencial (posibilidades) enorme. Son de alta confiabilidad. Bajos costos de operación.

Desventajas •

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

•

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

•

La ausencia de un control eficaz de la contaminación podrían permitir la producción de niveles moderados de la contaminación del agua por desechos químicos introducidos en el proceso de manufactura.

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1.5 MÓDULOS Y PANELES SOLARES 1.5.1 Módulo Solar El módulo FV es el conjunto básico de celdas fotovoltaicas, que viene encapsulado en cristal y en plástico para protegerlo del ambiente y la instalación. El módulo puede incluir desde menos de una docena hasta cerca de 100 celdas.

Figura 9. Módulo Solar.

3

1.5.2 Panel o Arreglo Solar Un panel o arreglo FV es un conjunto de módulos conectados eléctricamente en serie o paralelo como se observa en la figura 10. Las características eléctricas del arreglo son análogas a la de módulos individuales, con la potencia, corriente y voltaje modificados de acuerdo al número de módulos conectados en serie y/o paralelo. La forma más popular de arreglo FV está hecha de paneles planos y puede responder a la luz difusa (es aquella que proporciona una iluminación homogénea desde múltiples ángulos) de todo el cielo (esto es, puede producir electricidad aún en días nublados). Los paneles FV planos pueden estar fijos en un soporte o moverse para seguir la trayectoria del sol.

Figura 10. Panel Solar. 3

3. http://ciencia.nasa.gov/headlines/y2002/solarcells_spanisha.htm.

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1.5.3 Interconexión de las celdas y módulos fotovoltaicos Para alcanzar la potencia deseada normalmente se necesitan varios paneles. Estos paneles se conectan en serie y en paralelo para alcanzar el voltaje deseado. Al diseñar este arreglo se deben tomar en cuenta algunas reglas. a) La suma de potencia de todos los paneles debe ser igual o mayor que la potencia deseada. b) La suma de los voltajes de los paneles en serie debe ser igual al voltaje deseado para el panel. c) La suma de las corrientes de los paneles en paralelo debe ser igual a la corriente en paralelo del sistema.

a) Incrementando el voltaje Los módulos solares se conectan en serie para obtener voltajes de salida más grandes. El voltaje de salida, Vs, de módulos conectados en serie esta dado por la suma de los voltajes generados por cada módulo. V = V1 + V2 +V3 +… Una forma fácil de entender el concepto de sistemas conectados en serie, es mediante la analogía presentada en la Figura 11 entre un sistema hidráulico y un eléctrico. Como se puede observar en el sistema hidráulico (izquierda) el agua que cae desde cuatro veces la altura de 12 metros produce una caída de agua con cuatro veces la presión a la misma tasa de flujo, 2 L/s. La cual se puede comprar con los 48 voltios que el sistema eléctrico (derecha) alcanza al pasar una corriente de 2 amperios por cuatro módulos conectados en serie. La corriente se compara con el flujo ya que ambas permanecen constantes en el circuito, y el voltaje es análogo al papel de la presión en el sistema hidráulico.

Figura 11. Analogía de una conexión en serie entre un sistema eléctrico y un hidráulico. 10 10. http://solar.nmsu.edu/wp_guide/energia.html

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b) Incrementando la corriente Los módulos solares o paneles se conectan en paralelo para obtener corrientes generadas más grandes. El voltaje del conjunto es el mismo que el de un módulo (o un panel); pero la corriente de salida, Is, es la suma de cada unidad conectada en paralelo. IT = I1 + I2 + I3 +. De manera similar al sistema conectado en serie, los sistemas conectados en paralelo también pueden ser comparados en un sistema hidráulico, tal y como se muestra en la Figura 12. En el sistema hidráulico (arriba) el agua que cae de la misma altura, da la misma presión que cada bomba individual, pero el flujo es igual al total de los flujos de todas las bombas. Entonces en el sistema eléctrico, el voltaje permanece constante y la corriente de salida de los cuatro módulos es sumada, produciendo 8 amperes de corriente a 12 voltios.

Figura 12. Analogía de una conexión en paralelo entre un sistema eléctrico y un hidráulico. 10 Para evitar el flujo de corriente en la dirección opuesta se utilizan diodos de bloqueo. Y los diodos de paso, proporcionan un camino de alivio para evitar que circule corriente por un panel o un módulo sombreado (sombra de nubes o de objetos). Un módulo sombreado no genera energía, por lo cual, los demás módulos lo verán como un punto de resistencia. En consecuencia, fluirá corriente hacia él convirtiéndose en un punto caliente del arreglo. Aumentará su temperatura y se degradará aceleradamente.

10. http://solar.nmsu.edu/wp_guide/energia.html.

27

En la Figura 13 se muestra un ejemplo de módulos conectados en serie y en paralelo. En ella también se muestra la posición de los diodos de paso y el diodo de bloqueo. Este último debe ser calculado tomando en consideración la máxima corriente que generará el arreglo fotovoltaico en condiciones de corto circuito. La norma internacional dice que el valor de la corriente que soporta el diodo debe ser por lo menos 1.56 veces el valor de la corriente circuito del arreglo de corto.

Figura 13. La conexión de módulos fotovoltaicos.

10

Precauciones al conectar en serie •

Los paneles que se conectan en serie deben tener las mismas corrientes. En el caso de que no lo sean, la más pequeña limitará la corriente y se convertirá en carga, pudiendo llegar hasta la destrucción.

Figura 14. Curvas de I – V al conectar los módulos en serie 17 10. http://solar.nmsu.edu/wp_guide/energia.html. 17. http://inter.andresdiaz.net/Solar/Cap3.Efectos_sobre_la_Irradiacion_Proteccion.ppt#262,4.

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Precauciones al conectar en Paralelo • •

Los paneles que se conectan en paralelo deben tener el mismo voltaje. En caso de que no sea así el voltaje del más pequeño dominará y se podría convertir en una carga, en el sistema absorbiendo la energía que las otras celdas producen, llegando hasta la destrucción.

Figura 15. Curvas de I – V al conectar los módulos en paralelo. 17

Energía absorbida por las celdas cuando funcionan como carga •

Aunque se trate de evitar conectar paneles en serie con diferentes características de corriente y paneles en paralelo con diferentes características de voltaje, estas pueden convertirse en carga por el efecto de una sombra en algunos de ellos.

•

Para evitar la destrucción de los paneles debemos evitar que éstos alcancen la temperatura conocida como punto caliente. La corriente continua produce un flujo de corriente en una sola dirección, mientras que la corriente alterna cambia rápidamente la dirección del flujo de corriente de una parte a otra.

17. http://inter.andresdiaz.net/Solar/Cap3.Efectos_sobre_la_Irradiacion_Proteccion.ppt#262,4.

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1.5.4 Partes básicas de un Panel solar -

Salida de aire caliente

-

Filtro de aire

-

Panel aislante

-

Cámara ventilada

-

Persiana veneciana

-

Doble Cristal aislante

-

Cristal exterior fotovoltaico antitransparente

-

Ventilación por efecto forzada

-

Entrada de aire

30

Figura 16. Partes de un Panel solar. 18 18. http://www.institucio.org/mestral/tecnotreball/centrasol.htm

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1.6 TIPOS DE MÓDULOS O PANELES FOTOVOLTAICOS Existen distintos tipos de paneles fotovoltaicos. Su clasificación depende de su proceso de fabricación, ellos tienen diferente precio, rendimiento y aplicación.

Monocristalino

Policristalino

Amorfo

Figura 17. Tipos de Paneles Solares.

1.6.1 Celdas de Sicilio cristalino Son las celdas que predominan hoy en el mercado mundial. Esto se debe a sus características: madurez, confiabilidad y larga vida útil (de 20 a 30 años). Dentro de ellas se distinguen distintos tipos.

-

Silicio Monocristalino Este tipo de celdas están hechas de un solo cristal de silicio de muy alta pureza. La eficiencia de estos módulos ha llegado hasta el 17%. Los módulos con estas celdas son los más maduros del mercado, proporcionando con esto confiabilidad en el dispositivo de tal manera que algunos fabricantes los garantizan hasta por 25 años. Son bastante caras y difíciles de conseguir. Son escasas. Algunas marcas dan muy buenos rendimientos – mejores que cualquier otro tipo de célula - superiores al 30%.

23. http://www.ebayanuncios.es/panel-solar-120w-monocristalino-para-12v/633124 24. 24. http://www.erpt.net/tienda/c147.html 25. http://spanish.alibaba.com/product-gs/solar-panels-amorphous-solar-panel-amorphous-solar-modules-.html

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-

Silicio Policristalino Estas son fabricadas de Silicio, mezclado con Arsenio y Galio. Son más sencillas de conseguir y tienen un rendimiento menor que las anteriores, pero nada despreciable, de un 15% aproximadamente. No duran tanto tiempo como las anteriores, pero son perfectas para lugares en los que las condiciones ambientales hagan que, por muy duradera que sea la célula, se rompa igual… la alta montaña o el desierto son ejemplos.

-

Silicio Amorfo Este tipo de celdas tienen baja durabilidad, pero “bajo costo”. Son las más baratas, pero las menos duraderas y rendidoras. Su eficiencia es de un 6 a 10% y tiende a cero con su envejecimiento. Proporcionan una cantidad de energía muy baja. Se construyen a base de evaporar encima de un cristal el material semiconductor o por medio foto reactivo y colocar un par de electrodos en cada una de las unidades correspondientes. La garantía del producto puede ser hasta por 10 años dependiendo del fabricante.

1.7 LAS CURVAS DE CORRIENTE VOLTAJE (IV) El comportamiento eléctrico de los módulos está dado por las curvas de corriente contra voltaje (curva IV) o potencia contra voltaje (curva PV) que los caracteriza. La curva de potencia se genera multiplicando la corriente y el voltaje en cada punto de la curva IV. La Figura 18 muestran curvas IV y PV para un módulo fotovoltaico típico. Bajo condiciones estándares de prueba (irradiancia de 1kW/m2 y temperatura de celda de 25°C), cada modelo de módulo tiene una curva IV (o PV) característica. En la curva de potencia contra voltaje, la potencia máxima (Pp) es la capacidad nominal o tamaño del módulo. La corriente y el voltaje en el punto de máxima potencia (Ip y Vp) corresponden a la corriente nominal y voltaje nominal del módulo, respectivamente. Otros parámetros de importancia son la corriente de corto circuito (Icc) y el voltaje de circuito abierto (Vca). Es importante notar que cuando el módulo opera lejos del punto de máxima potencia, la potencia entregada se reduce significativamente. La potencia máxima o tamaño de los módulos comerciales varía entre 25 y 300Watts. El voltaje nominal de la mayoría de los módulos fluctúa entre los 16 y 17.5 voltios

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Figura 18. Curva IV y PV para un módulo fotovoltaico típico a 1,000 W/m2 y 25 °C. 10 La potencia máxima o tamaño de los módulos comerciales varía entre 25 y 300Watts. El voltaje nominal de la mayoría de los módulos fluctúa entre los 16 y 17.5 voltios Cada módulo tiene en su parte posterior una placa del fabricante con el modelo y las especificaciones eléctricas como se muestra en la tabla 1 Modelo

VLX-53

Pp

53 W

Vp

17.2 V

Ip

3.08 A

Vca

21.5 V

Icc

3.5 A

Condiciones

1000 W/m2 25 °C

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

10

El módulo FV es el componente más confiable del sistema. Es la calidad de la instalación, especialmente de las interconexiones entre los módulos, la que determina la confiabilidad del arreglo FV en su conjunto. Finalmente, la potencia nominal del arreglo es la suma de la potencia nominal de cada módulo. 10. http://solar.nmsu.edu/wp_guide/energia.html

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1.8 FACTORES NATURALES INCIDENTES EN UN CAPTADOR SOLAR – – – – – – – –

Insolación o Irradiación Angulo de Inclinación La Trayectoria del Sol La Temperatura Humedad Las sombras (montañas, edificios o árboles) Condiciones Climatológicas (días lluviosos o nublados) Contaminación ambiental (el polvo y los agentes corrosivos)

1.8.1 Insolación o Irradiación La Insolación es la cantidad de energía en forma de radiación solar que llega a un lugar de la Tierra en un día concreto (insolación diurna) o en un año (insolación anual). Puede calcularse asumiendo que no hay atmósfera o que se mide en la parte alta de la atmósfera y se denomina insolación diurna o anual no atenuada o que se mide en la superficie de la Tierra para lo cual hay que tener presente la atmósfera y que en este caso se denomina atenuada siendo su cálculo mucho más complejo. La insolación también es conocida como la energía radiante que incide en una superficie de área conocida en un intervalo de tiempo dado. Este término tiene unidades de energía por área, comúnmente Watts hora por metro cuadrado (W-h/m2). Generalmente se reporta este valor como una acumulación de energía horaria, diaria, estacional o anual. La insolación también se expresa en términos de horas solares pico. Unas horas de energía es equivalente a la energía recibida durante una hora, a una irradiancia promedio de 1,000 W/m2 como se observa en la Figura 19. La energía útil que produce el arreglo fotovoltaico es directamente proporcional a la insolación que recibe.

Figura 19. Irradiancia y horas solares pico (insolación) durante un día soleado. 10 10. http://solar.nmsu.edu/wp_guide/energia.html

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La insolación es un parámetro clave en el diseño de sistemas solares. Los factores principales que afectan la insolación sobre una superficie captadora son las condiciones climáticas y el ángulo de la superficie captadora con respecto a la posición del sol. En lugares donde los días nublados son relativamente más frecuentes, la insolación promedio es menor. Cuando la latitud del lugar sobrepasa los 15o, los días de invierno son apreciablemente más cortos que los días de verano. Esto resulta en una mayor insolación promedio en el verano. Por ejemplo, en las regiones lluviosas del sur de México, la insolación horizontal alcanza 4 kW-h/m2 por día en el invierno, 5.2 kW-h/m2 por día en el verano y 4.5 kW-h/m2 por día como promedio anual. En las regiones áridas del norte de México, la insolación horizontal alcanza 5 kW-h/m2 por día en el invierno, 8 kW-h/m2 por día en el verano y 6.5 kW-h/m2 por día como promedio anual. Debido a que la insolación depende del ángulo del arreglo con respecto a la posición del sol, se usa la insolación horizontal para referirse al potencial solar del lugar. A partir de la insolación horizontal se puede estimar la insolación a un azimut y elevación determinado. Existen tablas y mapas de insolación horizontal para diferentes regiones y épocas del año provenientes de varias fuentes. En el anexo 5 se puede observar la información de insolación para diferentes regiones de México. Apéndice A: Insolación global en México

1.8.1.1 El efecto de la irradiación sobre el panel solar: Los valores de Isc, Voc y curva característica cambian con el nivel de intensidad de la luz recibida (irradiancia E). La corriente, voltaje y potencia pico aumentan con la irradiancia. El cambio más significativo ocurre en la corriente, ya que el voltaje no se produce un gran cambio. Por lo general este cambio en la corriente es directamente proporcional, por lo que si conocemos la corriente a una irradiancia

Figura 20. Comportamiento de la curva de voltaje – corriente de un panel solar por efecto de la irradiación. 17 17. http://inter.andresdiaz.net/Solar/Cap3.Efectos_sobre_la_Irradiacion_Proteccion.ppt#262,4.

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Figura 21. La irradiación a nivel mundial.

15

La irradiación máxima corresponde a las zonas de color anaranjado en donde se reciben más de 2.250 Kwatios/m2 año El sol emite constantemente enormes cantidades de energía; una fracción de ésta alcanza la tierra. La cantidad de energía solar que recibimos en un solo día resulta más que suficiente para cubrir la demanda mundial de todo un año. Sin embargo, no toda la energía proveniente del sol puede ser utilizada de manera efectiva. Parte de la luz solar es absorbida en la atmósfera terrestre o, reflejada nuevamente al espacio. La intensidad de la luz solar que alcanza nuestro planeta varía según el momento del día y del año, el lugar y las condiciones climáticas. La energía total registrada se denomina "radiación" e indica la intensidad de dicha luz. La radiación se expresa en Watios hora /m² y por día. Con el fin de simplificar los cálculos, la energía solar se expresa en equivalentes a horas de luz solar plena. La luz solar plena registra una potencia de unos 1,000 Watios /m². Ésta es, aproximadamente, la cantidad de energía solar registrada durante un día soleado de verano, con cielo despejado, en una superficie de un metro cuadrado, colocada perpendicular al sol. La radiación varía según el momento del día. Sin embargo, también puede variar considerablemente de un lugar a otro, especialmente en regiones montañosas. La radiación fluctúa entre un promedio de 1,000 kWh/m² al año, en los países del norte de Europa (tales como Alemania), y 2,000 a 2,500 kWh/m² al año, en las zonas desérticas. Estas variaciones se deben a las condiciones climáticas y a la diferencia con respecto a la posición relativa del sol en el cielo (elevación solar), la cual depende de la latitud de cada lugar. 15. http://www.fondear.org/infonautic/Equipo_y_Usos/Electricidad_Energia/Paneles_Solares/Paneles_Solares.htm

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1.8.2.1 Mapas de Insolación Son aquellos que indican el nivel de radiación que hay en una localidad dependiendo del mes y de la ubicación de ésta, estos valores son utilizados para determinar el tipo de panel solar que se debe instalar en ese lugar. Para trazar un mapa de radiación solar de una cierta extensión de terreno, se deberá conocer la radiación solar en gran cantidad de puntos de la zona donde se va a realizar dicho mapa. Como ya se ha mencionado repetidas veces, esa información no está disponible generalmente. Ni siquiera se suele contar con otra información relacionada con la radiación solar como podría ser el número de horas solares, la nubosidad, precipitaciones, etc., por lo que, en principio, ninguno de los métodos clásicos servirá para generar secuencias de radiación que posteriormente permitan elaborar los mapas solares. Se hace necesario intentar encontrar otro tipo de información adicional para la generación de series sintéticas de radiación en aquellos lugares donde se va a trazar el mapa solar, que no dispongan de ninguna referencia sobre radiación solar. Además, interesa que dicha información sea un rasgo distintivo y diferenciador de cada lugar seleccionado.

Figura 22. Mapa de Insolación Anual. 13 1. Se toma el mapa de la zona o localidad donde se va a colocar el panel solar y se cuadricula siguiendo las líneas de latitud y longitud (paralelos y meridianos terrestres). La distancia elegida entre latitudes y longitudes es 5 minutos. Cada cuadrícula equivale a unos 9 kilómetros de lado. 2. Para cada uno de estos puntos se generan secuencias horarias de radiación solar con la red que ha sido entrenada con datos de las localidades. 3. Con todos esos datos de radiación a escala horaria se está en disposición de obtener las medias mensuales en cada punto de la cuadrícula, que eran los que se utilicen para elaborar los mapas. Así pues, se debe conseguir, para cada lugar geográfico elegido, obtener 12 valores medios mensuales derivados de 5 años de radiación solar horaria. 13. http://www.foroconsultivo.org.mx/eventos_realizados/6o_innovacion/ponencias/rodolfo_martinez.pdf

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1.8.2 Ángulo de inclinación de un panel solar El ángulo de inclinación es el que nos indica la forma en que se debe colocar el panel o paneles para obtener el mejor rendimiento de este dispositivo a través de los rayos del sol y se encuentra entre el plano horizontal y el panel solar. El sol se desplaza en el cielo de este a oeste. Los paneles solares alcanzan su máxima efectividad cuando están orientados hacia el sol, en un ángulo perpendicular cuando esté a mediodía. Por lo general, los paneles solares son colocados sobre un techo o sobre una estructura y tienen una posición fija; no pueden seguir la trayectoria del sol en el cielo. Por lo tanto, no estarán orientados hacia el astro con un ángulo óptimo (90 grados) mientras sea de día. La recomendación del proveedor de CONERMEX nos indicó como determinar el ángulo de inclinación, se hace tomando en cuenta la latitud del lugar en el que se va a colocar el panel o paneles más 5° grados, según sea el caso, además hay que tomar en cuenta que al instalarlos hay que orientarlos hacia el sur geográfico como se observa en la figura 23. Esto se debe principalmente a que con esta inclinación, el panel solar tendrá un mejor rendimiento anual, la orientación del sol varía según la hora del día y también de acuerdo al día del año.

Figura 23. Orientación de una estructura fija para maximizar la captación de radiación solar a lo largo del año. 10 Debido al movimiento terrestre alrededor del sol, existen también variaciones estacionales. Esto quiere decir que en invierno, el sol no alcanzará el mismo ángulo que en verano. Idealmente, en verano los paneles solares deberían ser colocados en posición ligeramente más horizontal para aprovechar al máximo la luz solar. Sin embargo, los mismos paneles no estarán, entonces, en posición óptima para el sol del invierno.

http://solar.nmsu.edu/wp_guide/energia.html

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Figura 24. Movimiento aparente del sol en la bóveda celeste en función de la hora del día y la época del año. 10 La máxima energía se obtiene cuando los rayos solares llegan perpendiculares a la superficie del captador. En el caso de arreglos fotovoltaicos la perpendicularidad entre las superficies de los módulos y los rayos solares solo se puede conseguir si las estructuras de montaje del arreglo se mueven siguiendo al Sol. Con el propósito de alcanzar un mejor rendimiento anual promedio en los paneles solares, existen estructuras de soporte del arreglo que ajustan automáticamente el azimutal y/o la elevación. Estas estructuras de montaje se llaman seguidores. Generalmente el ángulo de elevación del arreglo es fijo. En algunos casos se usan seguidores azimutales. Dependiendo de la latitud del lugar, los seguidores azimutales pueden incrementar la insolación promedio anual en un 15-25%. En el caso de que no se tenga un seguidor solar, y se desea conseguir el máximo rendimiento, en las instalaciones fotovoltaicas que se encuentran en el hemisferio norte, los distribuidores de paneles solares recomiendan que el arreglo se monte en una estructura fija orientada hacia el sur con un ángulo de inclinación, que a causa de que el ángulo de elevación del Sol cambia durante el año los paneles solares deberán ser instalados en un ángulo fijo, determinado en algún punto entre los ángulos óptimos para el verano y para el invierno, como se muestra en la figura 25, de otra forma el soporte donde van a ir colocados los panales deberían tener la facilidad de poder cambiar el ángulo de inclinación, dependiendo de la estación del año, recomendado que estos ángulos sean entre 30° y 45° para invierno y de 55° a 60° para verano

El sol en invierno (1) se levanta mucho menos que en verano (2). Por ello debemos ajustar además el ángulo azimut del panel. Figura 25. Angulo de Inclinación. 8 10. http://solar.nmsu.edu/wp_guide/energia.html. 8. http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/meie/martinez_h_d/capitulo2.pdf

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Se ha visto que la energía que entrega un módulo o arreglo fotovoltaico depende de la irradiancia y la temperatura. Es posible estimar la energía eléctrica (en kWh/día) que se espera de un arreglo de cierta potencia nominal utilizando las siguientes aproximaciones: 1. Los módulos fotovoltaicos instalados en una estructura anclada al suelo trabajan aproximadamente a 55°C durante el día, 30°C por encima de las condiciones estándares de prueba (25°C). Esto significa que la capacidad real del arreglo es aproximadamente 15% menor que su potencia nominal. Es decir, su capacidad real es 85% de la capacidad nominal. 2. La energía eléctrica (kWh) esperada es el producto de la capacidad real del arreglo (en kW) por la insolación (en horas solares pico) al ángulo de elevación del arreglo. La energía fotovoltaica generada varía con la época del año, de acuerdo a los cambios en los niveles de insolación. 3. Si se usa un seguidor azimutal, la energía disponible se aumenta entre un 15 y 25%.

1.8.3 La Trayectoria solar Además de las condiciones atmosféricas hay otro parámetro que afecta radicalmente a la incidencia de la radiación sobre un captador solar, este es el movimiento aparente del sol a lo largo del día y a lo largo del año. Se dice "aparente" porque en realidad la Tierra es la que está girando y no el Sol. La Tierra tiene dos tipos de movimientos: uno alrededor de su propio eje (llamado movimiento rotacional) el cual da lugar al día y la noche y el otro; es alrededor del sol (llamado movimiento traslación) siguiendo una trayectoria elíptica, el cual da lugar a las estaciones del año. Un arreglo fotovoltaico recibe la máxima insolación cuando se mantiene apuntando directamente al sol. Esto requeriría el ajuste de dos ángulos del arreglo: el azimut para seguir el movimiento diario del sol de este a oeste, y el ángulo de elevación para seguir el movimiento anual de la trayectoria solar en la dirección norte-sur.

1.8.4 La temperatura de trabajo Es un hecho que los paneles fotovoltaicos son enemigos del calor, la potencia del panel esta especificada en base a unas condiciones de prueba estándar, (Irradiancia 100mW/cm2, temperatura de la célula 25ºC, masa de aire de 1,5, etc.). En la vida real, la temperatura de la célula es muchísimo más elevada, con lo cual la eficiencia de las células cae al aumentar la temperatura, reduciendo la potencia del panel aproximadamente un 15%. (TK=-0.44% ºC) El rendimiento de las células fotovoltaicas que se comercializan en la actualidad está comprendido entre un 15% y un 25%, es decir, que sólo una pequeña parte de la energía lumínica se aprovecha realmente en forma de energía eléctrica. Este rendimiento es menor mientras más alta es la temperatura.

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El aumento de temperatura en las células supone un incremento en la corriente, pero al mismo tiempo una disminución mucho mayor, en proporción, de la tensión. El efecto global es que la potencia del panel solar disminuye al aumentar la temperatura de trabajo del mismo. Una radiación de 1.000 W/m2 es capaz de calentar un panel al menos 30 grados por encima de la temperatura del aire circundante, lo que reduce la tensión en 2 mV/ (célula*grado) * 36 células * 30 grados = 2,16 Voltios y por tanto la potencia en un 15%. Tanto la corriente de cortocircuito como el voltaje a circuito abierto, se ven afectados por la temperatura de trabajo, pero el tipo de variación, así como su magnitud porcentual, son distintos para estos dos parámetros. Si tomamos como referencia los valores a 25°C, la corriente de cortocircuito aumenta moderadamente (+ 1,6% a 50°C; + 3,3% a 75°C), mientras que el voltaje a circuito abierto disminuye sensiblemente (- 9,5% a 50°C; - 16,7% a 75°C). Es por ello que los fabricantes tratan de ofrecer un voltaje de circuito abierto elevado a 25°C, de manera que el incremento en la temperatura de trabajo no impida el proceso de carga de las baterías. Cuando la temperatura de trabajo es menor que 25°C, el voltaje de circuito abierto crece, y la corriente de cortocircuito disminuye. Para la mayoría de los paneles FVs, cuando la temperatura de trabajo aumenta, el valor de la potencia de salida disminuye. En la práctica, debido a la disipación de calor dentro de las celdas del panel, salvo en climas muy fríos, la temperatura de trabajo excede los 25°C. Cuando ello ocurre, la potencia de salida nunca alcanza el valor pico especificado por el fabricante. El diseño de un sistema FV debe tener en cuenta esta degradación del panel, a fin de asegurar que los requerimientos eléctricos del sistema pueden ser satisfechos durante los días más calurosos del verano. Para el período invernal, si el mínimo para la temperatura promedio es menor a los 25°C, no se considera ninguna degradación para la potencia de salida pico. La degradación puede ser calculada usando los valores dados por las curvas IV a alta temperatura, pero este proceso es tedioso e impreciso, dada la pobre resolución de las curvas publicadas por los fabricantes. Por ello es mucho más conveniente usar factores de degradación dados en forma porcentual con relación a la potencia pico El funcionamiento del módulo fotovoltaico se ve afectado por la intensidad de la radiación y de la temperatura. La Figura 26 muestra el comportamiento de la corriente producida en función del voltaje para diferentes intensidades de la radiación solar. Se presenta un aumento proporcional de la corriente producida con el aumento de la intensidad. También se debe observar que el voltaje a circuito abierto Vca, no cambió lo cual demuestra su estabilidad frente a los cambios de iluminación.

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Figura 26. Dependencia de la corriente producida en función del voltaje para diferentes intensidades de radiación (temperatura constante de 25 °C). 10 En la Figura 27 se muestra el efecto que produce la temperatura sobre la producción de corriente en el módulo. Esta vez, el efecto se manifiesta en el voltaje del módulo. La potencia nominal se reduce aproximadamente 0.5% por cada grado centígrado por encima de 25 ° C.

Figura 27. Dependencia de la corriente producida en función del voltaje para diferentes temperaturas de operación (irradiancia constante 1,000W/m2). 10

1.8.3.1 El efecto de la temperatura de trabajo en un panel solar • • • •

La temperatura afecta gradualmente al funcionamiento de la célula El factor que más afecta es el de voltaje en circuito abierto que disminuye cuando aumenta la temperatura. En general la energía eléctrica generada por el panel y por tanto la eficiencia disminuyen con la temperatura. La temperatura final de las celdas dependerá más de los factores ambientales.

10. http://solar.nmsu.edu/wp_guide/energia.html.

43

Figura 28. Comportamiento de la curva de voltaje – corriente de un panel solar por efecto de la temperatura. 17

1.8 APLICACIÓN DE CELDAS FOTOVOLTAICAS Las aplicaciones agrícolas son muy amplias. Con invernaderos solares pueden obtenerse mayores y más tempranas cosechas; los secaderos agrícolas consumen mucha menos energía si se combinan con un sistema solar y, por citar otro ejemplo, pueden funcionar plantas de purificación o desalinización de aguas sin consumir ningún tipo de combustible. Las "células solares", dispuestas en paneles solares, ya producían electricidad en los primeros satélites espaciales. Actualmente se perfilan como la solución definitiva al problema de la electrificación rural, con clara ventaja sobre otras alternativas, pues, al carecer los paneles de partes móviles, resultan totalmente inalterables al paso del tiempo, no contaminan ni producen ningún ruido en absoluto, no consumen combustible y no necesitan mantenimiento. Además, y aunque con menos rendimiento, funcionan también en días nublados, puesto que captan la luz que se filtra a través de las nubes. La electricidad que así se obtiene puede usarse de manera directa (por ejemplo para sacar agua de un pozo o para regar, mediante un motor eléctrico), o bien ser almacenada en acumuladores para usarse en las horas nocturnas. Incluso es posible inyectar la electricidad sobrante a la red general, obteniendo un importante beneficio. Si se consigue que el precio de las células solares siga disminuyendo, iniciándose su fabricación a gran escala, es muy probable que, para principios de siglo, una buena parte de la electricidad consumida en los países ricos en sol, tenga su origen en la conversión fotovoltaica. La energía solar puede ser perfectamente complementada Con otras energías convencionales, para evitar la necesidad de grandes y costosos sistemas de acumulación. Así, una casa bien aislada puede disponer de agua caliente y calefacción solares, con el apoyo de un sistema convencional a gas o eléctrico que únicamente funcionaría en los periodos sin sol. El coste de la "factura de la luz" sería sólo una fracción del que alcanzaría sin la existencia de la instalación solar.

17. http://inter.andresdiaz.net/Solar/Cap3.Efectos_sobre_la_Irradiacion_Proteccion.ppt#262,4.

44

CÁPITULO II CONSIDERACIONES TEÓRICAS DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO 2.1 SISTEMA FOTOVOLTAICO Definición. Un sistema fotovoltaico es el conjunto de dispositivos cuya función es transformar la energía solar directamente en energía eléctrica, acondicionando esta última a los requerimientos de una aplicación determinada.

2.2 COMPONENTES PRINCIPALES DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. Consta principalmente de los siguientes elementos: a) Paneles Fotovoltaico b) Estructura y cimientos del arreglo c) Reguladores de voltaje d) Controlador de carga de batería e) Inversor de corriente cd/ca o un rectificador ca/cd f) Baterías de almacenamiento eléctrico y recinto para ellas g) Instrumentos h) Cables e interruptores i) Red eléctrica circundante j) Cercado de seguridad sin incluir las cargas eléctricas

Figura 29. Diagrama Físico de una Instalación Fotovoltaica. 4 4.

http://www.portalsolar.com/energia-solar-paneles-solares.html.

45

Un sistema fotovoltaico no siempre consta de la totalidad de los elementos arriba mencionados. Puede prescindir de uno o más de éstos, dependiendo del tipo y tamaño de las cargas a alimentar, el tiempo, hora y época de operación y la naturaleza de los recursos energéticos disponibles en el lugar de instalación Los componentes de un sistema fotovoltaico dependen del tipo de aplicación que se considere y de las características de la instalación. Para el caso de un sistema autónomo, los componentes necesarios para que funcione correctamente y tenga una elevada fiabilidad son:

Figura 30. Diagrama Eléctrico de una instalación fotovoltaica. 27

Figura 31. Una instalación solar fotovoltaica sin inversor, utilización a 12V C.C. 27. http://genc.iie.org.mx/genc/fotovoltaico/pdfs/Especificaciones%20tecnicas%20CFE.pdf 11. http://www.iie.org.mx/proyectofotovoltaico/preguntas.php#preg2

46

11

Figura 32. Una instalación solar fotovoltaica con inversor, utilización a 127 V C.A.

11

2.2.1 Paneles fotovoltaicos El conjunto de paneles fotovoltaicos que puedan captar el sol es parte de la instalación a la que se le llama generador. Son un conjunto de placas fabricadas a partir del silicio, que captan la radiación luminosa procedente del sol y la transforman en corriente continua, a baja tensión (12 ó 24 V) especificadas por el fabricante. Para su mejor aprovechamiento se busca orientarlas (teniendo en cuenta la ubicación y latitud) con el fin de obtener un mayor rendimiento.

Figura 33. Panel Fotovoltaico. 8

11. http://www.iie.org.mx/proyectofotovoltaico/preguntas.php#preg2 8. http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/meie/martinez_h_d/capitulo2.pdf

47

Controlador de carga Es aquel que tiene la función de proteger a la batería contra las sobrecargas y contra las descargas, excesivas al acumulador que le pudieran producir daños irreversibles asegurando que el sistema trabaje con mayor eficiencia. Además se emplea para proteger a las cargas en condiciones extremas de operación. Los paneles fotovoltaicos pueden producir más electricidad de la que las baterías pueden almacenar, sobrecargar las baterías aumenta la pérdida del electrólito, disminuyendo así la vida útil de las baterías además de que es peligroso.

Figura 34. Regulador de carga. 9

Funcionamiento del controlador de carga Los reguladores de carga son de dos tipos serie o shunt. Ambos reguladores tienen un circuito de censor y regula la corriente hacia la batería cuando la tensión excede un umbral determinado. Los reguladores en serie desconectan la batería de los módulos si la tensión se eleva por encima del umbral. Cuando la batería se descarga el regulador conecta nuevamente los módulos. Estos reguladores son simples pero tiene el problema que no toda la energía generada es empleada. Los reguladores shunt funcionan desviando la potencia hacia otra carga, Si la carga es una simple resistencia, estos reguladores disipan la energía lo cual es mejor que sobrecargar la batería o destruir la electrónica. Pero es también posible emplear esta energía excedente en otros usos.

9. http://www.alternativasolar.com/catalog/product_info.php?products_id=223

48

2.2.3 Acumuladores o Baterías Son el almacén de la energía eléctrica generada, permitiendo disponer de la energía eléctrica fuera de las horas de luz o días nublados. En este tipo de aplicaciones normalmente se utilizan baterías estacionarias, las que tienen como característica de operación más importante al ciclado; durante un ciclo diario, la batería se carga durante el día y se descarga durante la noche; sobrepuesto al ciclado diario hay un ciclo estacional, que está asociado a períodos de reducida disponibilidad de radiación.

Figura 35. Acumulador. 12

2.2.3.1. Comportamiento de una batería. Se determina el comportamiento de una batería fundamentalmente por dos factores: la capacidad en Amperes hora y la profundidad de la descarga.

2.2.3.2. Capacidad en Amperes hora. Los Amperes hora de una batería son simplemente el número de Amperes que proporciona multiplicado por el número de horas durante las que circula esa corriente. Sirve para determinar, en una instalación fotovoltaica, cuánto tiempo puede funcionar el sistema sin radiación luminosa que recargue las baterías. Esta medida de los días de autonomía es una de las partes importantes en el diseño de la instalación. 12. http://sustainable-tech.inf.um.es/informacion.html

49

Por ejemplo Una batería de 200 Ah puede suministrar 200 A durante una hora, ó 50 A durante 4 horas, ó 4 A durante 50 horas, o 1 A durante 200 horas No obstante esto no es exactamente así, puesto que algunas baterías, como las de automoción, están diseñadas para producir descargas rápidas en cortos períodos de tiempo sin dañarse. Sin embargo, no están diseñadas para largos períodos de tiempo de baja descarga. Es por ello que las baterías de automoción no son las más adecuadas para los sistemas fotovoltaicos.

2.2.3.3. Factores que pueden hacer variar la capacidad de una batería a) Relación de carga y descarga Si la batería es cargada o descargada a un ritmo diferente al especificado, la capacidad disponible puede aumentar o disminuir. La batería se descarga a un ritmo más lento, su capacidad aumentará ligeramente. Si el ritmo es más rápido, la capacidad se reducirá.

b) Temperatura Otro factor que influye en la capacidad es la temperatura de la batería y la de su ambiente. El comportamiento de una batería se cataloga a una temperatura de 27 grados. Temperaturas más bajas reducen su capacidad significativamente. Temperaturas más altas producen un ligero aumento de su capacidad, pero esto puede incrementar la pérdida de agua y disminuir el número de ciclos de vida de la batería.

c) Profundidad de descarga La profundidad de descarga es el porcentaje de la capacidad total de la batería que es utilizada durante un ciclo de carga/descarga. Las baterías de "ciclo poco profundo" se diseñan para descargas del 10 al 25% de su capacidad total en cada ciclo. La mayoría de las baterías de "ciclo profundo" fabricadas para aplicaciones fotovoltaicas se diseñan para descargas de hasta un 80% de su capacidad, sin dañarse. Los fabricantes de baterías de Níquel-Cadmio aseguran que pueden ser totalmente descargadas sin daño alguno. La profundidad de la descarga, no obstante, afecta incluso a las baterías de ciclo profundo. Cuanto mayor es la descarga, menor es el número de ciclos de carga que la batería puede tener.

50

Por ejemplo, las baterías solares de Plomo-ácido, se componen de varias placas de plomo en una solución de ácido sulfúrico. La placa consiste en una rejilla de aleación de Plomo con una pasta de óxido de Plomo incrustada sobre la rejilla. La solución de ácido sulfúrico y agua se denomina electrolito.

Figura 36. Construcción de una batería monoblock. 20 El material de la rejilla es una aleación de plomo porque el plomo puro es un material físicamente débil y podría quebrarse durante el transporte y servicio de la batería. Cuanto mayor es la densidad específica del electrolito, mayor es el estado de carga. El voltaje de cada vaso y por tanto el de la batería, es también mayor. La medida de la densidad durante el proceso de descarga dará una buena indicación del estado de carga. Durante el proceso de carga, la densidad retrasará la medida del estado de carga debido a que la mezcla completa del electrolito no se producirá hasta el comienzo de la gasificación, cerca del final del período de carga. En todo caso, esto no debe ser considerado como una medida absoluta de la capacidad de la batería y debe ser combinado con otras técnicas. 20. http://saecsaenergiasolar.com/fotovoltaico/introduccion/

51

Además, puesto que los acumuladores de Plomo-ácido utilizan un electrolito que lleva agua, pueden llegar a congelarse. Sin embargo, el ácido sulfúrico que lleva actúa como un anticongelante. Cuanto mayor es el porcentaje de ácido en el agua, más baja es la temperatura de congelación. No obstante, incluso un acumulador plenamente cargado a una temperatura extremadamente baja se congelará. Según se muestra en la tabla adjunta, un acumulador de plomo-ácido, al 50% de carga, se congelará a una temperatura de unos 25 grados. Como se puede observar, el acumulador debe mantenerse por encima de -10 grados, si va a estar totalmente descargado. Si no se va a poder mantener a una temperatura más elevada, deberá mantenerse el estado de carga a un nivel lo suficientemente alto para evitar la congelación. Esto se puede conseguir de forma automática con un regulador de carga capaz de desconectar el consumo cuando la tensión de la batería cae por debajo de un nivel preestablecido.

Estado

Densidad

Volts/vaso

Volts/conjunto

Congelación

Cargada

1,265

2,12

12,70

-57ºC

Cargada 75%

1,225

2,10

12,60

-38ºC

Cargada 50%

1,190

2,08

12,45

-25ºC

Cargada 25%

1,155

2,03

12,20

-16ºC

Descargada

1,120

1,95

11,70

-10ºC

Tabla 2. Estado de carga, densidad, voltaje y punto de congelación de un acumulador de Plomo-ácido. 20

20. http://saecsaenergiasolar.com/fotovoltaico/introduccion/

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Las baterías pueden conectarse de diferentes formas, como se muestra en la figura 37:

Figura 37. Baterías conectadas en paralelo, en serie y en serie paralelo.

20

2.2.4 Limitador de Tensión Es aquel dispositivo que tiene la función es de evitar que las baterías se descarguen por debajo de ciertos niveles. Para ello hay que tener en cuenta el factor de fondo de las baterías empleadas. Para baterías estacionarias de plomo – ácido el mínimo de carga permisible es de un 20% sobre su capacidad nominal.

Figura 38. Limitador de Tensión. 19. http://es.wikipedia.org/wiki/limitador 20. http://saecsaenergiasolar.com/fotovoltaico/introduccion/

53

19

2.2.5 Inversor Dispositivo electrónico que tiene la función de transformar la corriente continua (de 12, 24 o 48 V) generada por las placas fotovoltaicas y es acumulada en las baterías para que después sea entregada, en corriente alterna (127 V y 60 Hz) a los aparatos eléctricos que la necesitan.

Figura 39. Inversor. 21

2.3

FUNCIÓN DE LOS FOTOVOLTAICA.

DIODOS

EN

UNA

INSTALACIÓN

Los diodos son componentes electrónicos que permiten el flujo de corriente en una única dirección. En los sistemas fotovoltaicos generalmente se utilizan de dos formas: como diodos de bloqueo y como diodos de bypass.

Figura 40. Esquemas de conexión con diodos. 20 20. http://saecsaenergiasolar.com/fotovoltaico/introduccion/ 21. http://www.conermex.com.mx/files/file/HojasTecnicas/04_Inversores/ 54

2.3.1 Diodos de bloqueo Son aquellos que impiden que la batería se descargue a través de los paneles fotovoltaicos en ausencia de luz solar. Evitan también que el flujo de corriente se invierta entre bloques de paneles conectados en paralelo, cuando en uno o más de ellos se produce una sombra. Además del diodo de paso se utiliza un diodo en serie con los terminales del sistema, para impedir que la celda durante la noche descargue la batería.

Figura 41. Diodos de bloqueo. 17

2.3.1.1 Diodos de bloqueo en grupos en paralelo La misma idea de bloquear la corriente al panel completo se puede usar para bloquear grupos grandes que podrían absorber corriente de los otros grupos cuando se conectan en paralelo.

Figura 42. Diagrama de diodos de bloqueo en paralelo.

17. http://inter.andresdiaz.net/Solar/Cap3.Efectos_sobre_la_Irradiacion_Proteccion.ppt#262,4

55

17

2.3.2 Los diodos de bypass “de paso” Son aquellos que protegen individualmente a cada panel de posibles daños ocasionados por sombras parciales. Deben ser utilizados en disposiciones en las que los módulos están conectados en serie. Generalmente no son necesarios en sistemas que funcionan a 24 V o menos. Mientras que los diodos de bloqueo evitan que un grupo de paneles en serie absorba flujo de corriente de otro grupo conectado a él en paralelo, los diodos de bypass impiden que cada módulo, individualmente, absorba corriente de otro de los módulos del grupo si en uno o más módulos del mismo se produce una sombra

2.3.2.1Utilizando diodos de paso para proteger los paneles Para evitar que un panel se convierta en carga absorbiendo la energía que producen los otros, se colocan cada cierto grupo de celdas en serie un diodo en inverso. Cuando el voltaje y/o la corriente de las otras celdas ejercen un voltaje negativo entre sus terminales, el diodo conduce reduciendo el voltaje máximo negativo a 0.7 Volts.

Figura 43. Diodos de paso.

17

17. http://inter.andresdiaz.net/Solar/Cap3.Efectos_sobre_la_Irradiacion_Proteccion.ppt#262,4

56

a) Conectando grupos en paralelo Si tenemos un grupo de paneles que hay que colocar en serie y paralelo, se pueden agrupar primero los grupos en paralelo y luego los grupos en serie. En este caso los diodos tienen que soportar mayor corriente.

Figura 44. Conexión de diodos de paso en paralelo.

17

b) Conectando grupos en serie Si hacemos la conexión en serie y luego en paralelo, hay que colocar más diodos. Sin embargo si los paneles vienen con un diodo de paso, este será suficiente y no se necesitará ninguno externo.

Figura 45. Conexión de diodos de paso en serie.

17

17. http://inter.andresdiaz.net/Solar/Cap3.Efectos_sobre_la_Irradiacion_Proteccion.ppt#262,4

57

2.4 CABLEADO •

El cable que se utiliza para interconectar celdas debe ser resistente a la luz solar.

•

Los cables que bajan hacia las baterías deben estar cubiertos para la intemperie y deben ser de aislante de incombustible.

•

Deben ser resistente a la corrosión y humedad.

•

En caso de enterramiento deben estar a 41cm de profundidad.

•

La caída de voltaje entre las celdas y el resto de los componentes del sistema debe ser menor de 1% del voltaje total

2.5 PROTECCIÓN DE SOBRE CORRIENTE Y SOBRE VOLTAJE •

Par evitar que una corriente excesiva dañe los cables y el resto de los componentes se deben instalar fusibles.

•

Además se contará con un interruptor que desconectara las celdas, para proteger el personal de excesivo voltaje cuando se requiera mantenimiento.

2.5.1 Conexión a tierra • •

Toda parte metálica que pueda ser tocada por el personal técnico o usuario debe ser conectada a tierra. Se pueden usar dispositivos como varistores para prevenir que un voltaje más alto del esperado aparezca en el bus C.D. que hay en el panel.

2.6 INSTALACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO Las celdas fotovoltaicas deberán ser colocadas sobre el panel de montaje en una configuración rectangular simple. En el hemisferio norte, los paneles se montan orientados hacia el sur geográfico con una inclinación con respecto al horizonte, que corresponde al ángulo indicado para obtener la máxima ganancia durante el invierno. Los paneles pueden montarse sobre el techo de una casa o sobre cualquier estructura adecuada. El lugar que se escoja, debe estar libre de cualquier sombra por pequeña que esta sea. Esto disminuiría ostentosamente el rendimiento del panel. Come regla general, se orientan los paneles de manera tal que la superficie colectora se encuentre perpendicular al sol del mediodía para el mes en el cual se desea la máxima ganancia. 58

Los paneles deben montarse con una distancia mínima de cualquier superficie, de aproximadamente 5 cm. para permitir la adecuada circulación del aire por su lado inferior, lo que evitará que se caliente en exceso y esto disminuya su rendimiento. Para que un sistema fotovoltaico realmente pueda prestar un servicio confiable durante toda su vida útil, es necesario darle una gran importancia al correcto montaje del sistema. Cualquier defecto puede inducir a una reducción ostensible de su eficiencia y de su vida útil, que normalmente debiera ser de entre 20 y 30 años.

2.6.1 Ubicación de los elementos de un sistema fotovoltaico a) El módulo Localice un sitio despejado que este libre de objetos o árboles que puedan provocar sombras, lo más cerca al lugar donde desean instalar su sistema (lámparas o aparatos), puede ser sobre un poste metálico o de madera o sobre el techo de la casa, si éste lo permite.

Figura 46. Ubicación donde se va a colocar el módulo fotovoltaico. 26

b) Soporte de módulos Su función es la de sujetar al módulo, colocando el módulo orientado hacia el sur, esto permite que los rayos del sol choquen sobre la superficie del módulo la mayor parte del día, y se obtiene así la mayor generación de energía del módulo fotovoltaico.

Figura 47. Soporte de módulos fotovoltaicos. 26. http://www.epsea.org/esp/pdf2/Capit12.pdf

59

26

c) El controlador El controlador debe estar colocado en un lugar protegido de la intemperie (de preferencia dentro de la casa), procure que la distancia entre éste y el módulo sea menor de 5 metros y la distancia entre el controlador y el acumulador sea menor de 1.5m (para el tendido del cable), de esta forma se minimizara las pérdidas de energía en el cable haciendo más confiable y eficiente su sistema.

d) El acumulador Busque un lugar protegido de la intemperie (puede ser dentro de la casa), con buena ventilación, para evitar la acumulación de gases generados por el acumulador. Coloque la batería de preferencia sobre una tarima de madera, protéjala de los niños tome en cuenta las limitantes de distancia en el cable mencionadas en el controlador. Nunca coloque el acumulador directamente sobre el piso.

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

26

e) Lámparas Distribuya uniformemente las lámparas así como sus respectivos interruptores, en el lugar donde las desea instalar, de tal manera que obtenga la mayor iluminación, procure que el tendido del cable del controlador a cada una de las lámparas sea de al menos 8 metros. Fíjelas en los lugares elegidos.

26. http://www.epsea.org/esp/pdf2/Capit12.pdf

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Figura 49. Ubicación de las lámparas.

26

2.6.2 Interconexiones del sistema fotovoltaico Después de haber definido la ubicación de cada una de las partes del sistema es hora de realizar las interconexiones de acuerdo de la siguiente secuencia.

Figura 50. Conexiones de la batería con el controlador.

26

1. Tienda un par de cables (cordón uso rudo calibre 2 X 10) desde el controlador hacia la batería. 2. Tienda un par de cables (cordón uso rudo 2 X 10) desde el controlador hacia el módulo. 3. Tienda el cable POT calibre 12 desde el controlador hacia la ubicación de cada una de las lámparas. 26. http://www.epsea.org/esp/pdf2/Capit12.pdf

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4. Tienda cable POT calibre 12 desde cada una de las lámparas hacia donde estarán instalados sus respectivos interruptores. 5. Identifique las terminales positiva (+) y la negativa de la batería en el bloque de terminales del controlador (BAT+, BAT-). Utilizando el cable tendido de batería a controlador tome el color negro y conéctelo en la terminal BAT-, tome el rojo conéctelo en la terminal BAT+. 6. Tome los extremos del cable que van a la batería y conecte el color negro a la terminal negativa de la batería, haga lo mismo con el cable rojo en la terminal positiva de la batería.

Figura 51. Conexión de las terminales del controlador de carga con las del módulo FV. 26 7. En este momento el controlador se activa, iluminando sus leds y mostrando el estado de operación del sistema. 8. Identifique las terminales positiva (+) y negativa (-) del panel en el bloque de terminales del controlador (panel+, panel-). Utilizando el cable tendido de modulo a controlador, tome el color negro y conéctelo a la terminal panel -, tome el rojo y conéctelo en la terminal panel+. 9. Haga lo mismo que en el punto 6 en las terminales del módulo fotovoltaico. 10. Hecho ésto, el controlador detectara actividad solar (si es de día y está soleado) para el módulo y conectará el circuito de recarga al acumulador. 11. Identifique la línea corrugada como positiva y la línea lisa como negativa del cable POT calibre 12, tendido de lámpara a interruptor. Conecte un cable en ambas terminales del interruptor. Repita el proceso en cada uno de los interruptores. 26. http://www.epsea.org/esp/pdf2/Capit12.pdf

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12. Del extremo del cable que va del interruptor a lámpara conecte la línea lisa a la terminal positiva de lámpara y la línea corrugada del cable procedente del controlador a la alampara, el cable negativo de lámpara conéctelo a la línea corrugada del cable procedente del controlador a lámpara. Repita el proceso en cada uno de los interruptores.

Figura 52. Conexión del controlador de carga con las lámparas y el interruptor. 26 13. Asegúrese que los interruptores de las lámparas estén en estado de apagado. 14. Conecte los cables de las lámparas a las terminales de la carga (+) y carga (-) de controlador en el siguiente orden. La línea lisa negativa (-) conéctela a la terminal de carga – del controlador, haga lo mismo con la línea corrugada de lámpara en la terminal + del controlador 15. Pruebe con el interruptor que cada una de las lámparas enciendan.

2.6.3 Operación del sistema fotovoltaico a) Operación Diurna Durante el día el módulo fotovoltaico genera energía eléctrica, la cual es conducida hacia el acumulador y éste a su vez alimenta las cargas (lámparas), el conductor maneja toda la operación. Mediante sus leds indicadores muestra el voltaje de batería, panel conectado y disponibilidad de carga.

b) Operación nocturna Durante la noche el controlador detecta que no existe generación del módulo fotovoltaico y abre el circuito Panel – Batería, con esto se elimina un posible regreso de energía. Normalmente durante la noche el controlador monitorea el voltaje de la batería tomando la acción que se requiera. 26. http://www.epsea.org/esp/pdf2/Capit12.pdf

63

c) Corte por alto voltaje El controlador tiene preestablecido un voltaje de máxima carga en la batería, cuando esta llega al voltaje máximo (14.7Volts), el controlador censa y desconecta el circuito Panel – Batería. Después de un tiempo el voltaje de la batería tiende a disminuir cuando este voltaje es igual al de conexión de recarga (13.5Volts) el controlador vuelve a cerrar el circuito Panel – Batería este proceso suele repetirse varias veces durante días soleados. En este estado siempre existe disponibilidad de energía para las aplicaciones.

d) Corte por bajo voltaje Normalmente ocurre cuando se presentan varios días nublados continuos. Las aplicaciones siguen activas, el módulo fotovoltaico no es capaz de generar energía suficiente, y el voltaje de la batería tiende a disminuir, cuando éste llega al voltaje mínimo (10.5Volts) preestablecidos en el controlador, se abre el circuito Batería – Carga, desactivando todos los aparatos que en ese momento se encuentran conectados. Con esto se evitan daños irreversibles a la batería. Cuando se vuelve a tener un día soleado el voltaje en la batería se recupera hasta llegar al voltaje de reconexión de carga (13.2Volts), en este estado nuevamente se cuenta con energía disponible para las aplicaciones.

2.6.4 Problemas y soluciones de un sistema fotovoltaico Cuando una lámpara no enciende se recomienda retirar el tubo y probarlo con la balastra de otra de sus lámparas, si se activa, probablemente la balastra este dañada, sino es así el tubo es el dañado. Llame a su representante más cercano para su reposición. Verifique los leds de voltaje en el controlador, muestran un voltaje menor 13 volts SI: Tal vez la batería solo requiera recarga, permita que el módulo lo provea. NO: Llame a su representante más cercano, probablemente el controlador este dañado.

64

Figura 53. Diagrama de Instalación de un Sistema Fotovoltaico.

26

2.6.5 Mantenimiento del sistema fotovoltaico Es recomendable hacer por lo menos 3 revisiones periódicas en un sistema fotovoltaico por año, así se pueden detectar y corregir pequeños problemas, antes que lleven a una falla total en la operación del sistema, por esto se dice que el mantenimiento preventivo es el mejor mantenimiento. Es indispensable revisar el sistema cuando está funcionando correctamente y no esperar a que la falla ocurra, es importante aprender del equipo y saber que se espera de él cuando está funcionando correctamente, de hecho se puede hacer la mayor parte de la revisión, con un multímetro y algo de sentido común. Muchas fallas son evitables si se hacen inspecciones y se toman acciones correctivas antes que el problema cause fallas en la operación del sistema. Esto es más fácil aún siguiendo la rutina básica: 1. Revise las conexiones del sistema, las conexiones de las baterías puede limpiarse y tratarse periódicamente, con anticorrosivos de uso común en la industria de autopartes. 2. Examine el nivel de densidad específica del electrolito (ácido) en la batería que esté de acuerdo con las recomendaciones del fabricante, este chequeo debe hacerse después de una recarga completa al banco de baterías, con el nivel de electrólito de acuerdo a las especificaciones por el proveedor. 3. Tome muestras del voltaje de cada batería cuando éstas estén bajo carga, si el voltaje de alguna difiere más de un 10% del promedio de los voltajes de las demás, indica que existe un problema con esa batería. Consulte al fabricante o a su distribuidor más cercano. 26. http://www.epsea.org/esp/pdf2/Capit12.pdf

65

4. Haga un reconocimiento en el sistema de cableado, si el cableado ha estado expuesto al sol o a la corrosión durante algún tiempo, es posible que se puedan formar grietas en la cubierta de éste, esto provocará pérdidas de energía. Aísle lo mejor posible todos los conductores de energía para evitar este tipo de fallas. 5. Registre que todas las cajas de conexiones estén correctamente selladas, incluyendo las del panel, controladores, etc., puntos de interconexiones, así mismo cerciórese si existe corrosión o daños causados por el agua. Si tienen componentes electrónicos montados dentro de un gabinete asegúrese que tengan buena ventilación. 6. Inspeccione las piezas de la estructura soportante de los módulos. Al mover suavemente algún módulo del arreglo, vea si existe alguna pieza floja o suelta que pueda causar problemas. 7. Revise la operación de los interruptores y fusibles, asegúrese que el movimiento del interruptor sea sólido, vea si existe corrosión tanto en los contactos como en los fusibles.

2.7 PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS FOTOVOLTAICOS • • • • • • •

DE

LOS

SISTEMAS

Simplicidad Son livianos y pequeños. Sus dimensiones son muy reducidas y se pueden instalar fácilmente sobre el tejado de las viviendas, entre otros lugares. Eficiencia Ausencia de partes móviles (es por esto y por el hecho de que se limpian por la lluvia que...) No exigen mantenimiento. Si aumentan las exigencias de consumo, basta con aumentar el número de paneles sin necesidad de intervención de especialistas. Inalterables al paso del tiempo

2.9 CLASIFICACIÓN DE LAS INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS Las instalaciones fotovoltaicas se dividen en dos grandes grupos en función del objetivo de la mismas: instalaciones aisladas de la red, cuya finalidad es satisfacer total o parcialmente la demanda de energía eléctrica convencional residencial o de una comunidad, y las instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red, que tienen como objetivo fundamental entregar la energía a la red eléctrica pública; ésta última, de gran superficie, se está utilizando como superficie de terminación e imagen en el edificio.

66

-

Instalaciones aisladas de la red Se emplean en localidades lejanas, que no tienen acceso a la red pública: instalaciones rurales, iluminación de áreas aisladas, telecomunicaciones, balizas o boyas de señalización y bombeo de agua. Estas instalaciones posibilitan dos tipos de suministros según sea el tipo de distribución

-

Sistemas fotovoltaicos interconectados con la red Un sistema fotovoltaico interconectado con la red es aquel que opera en paralelo con ella. Normalmente existe una carga local que puede recibir energía de la red y del sistema FV o de uno solo de ellos, dependiendo de los valores instantáneos de carga y generación fotovoltaica. Una instalación de este tipo también se puede denominar sistema fotovoltaico interactivo con la red o sistema fotovoltaico conectado en paralelo con la red.

-

Aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos interconectados Las aplicaciones actuales de los sistemas FV interconectados con la red eléctrica se pueden agrupar en cuatro áreas: sistemas residenciales, estaciones centrales, estaciones de apoyo a la red y sistemas integrados en edificios.

-

Sistemas residenciales En el contexto de la búsqueda de fuentes alternas de energía en países industrializados, se ha estudiado la viabilidad técnica y económica de aplicaciones fotovoltaicas terrestres. En muchos de estos países, el nivel de electrificación es cercano al 100%, por lo que los sistemas autónomos (no conectados a la red) tienen poca aplicación. Por otra parte, la tierra disponible es escasa y costosa. Estos dos factores llevaron al desarrollo del concepto de sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica instalados en techos de casas habitación, así como en techos y fachadas de edificios. Este tipo de instalaciones ha tenido gran auge desde finales de la década pasada en Europa y Japón y, en menor escala, en Estados Unidos. Estos sistemas no forman parte del esquema convencional de generación centralizada. Son generadores dispersos de pequeña capacidad (1-10 kW) instalados en inmuebles residenciales, comerciales o institucionales. La interconexión puede ser monofásica o trifásica y se realiza con el sistema de distribución, normalmente, en el punto de la acometida eléctrica.

67

2.10 UNA CÉLULA SOLAR TIENE QUE SATISFACER LAS SIGUIENTES CONDICIONES 1. El rendimiento de conversión energética tiene que ser lo más elevado posible, es decir que es necesario que la célula pueda generar una densidad de corriente de corto circuito y un voltaje de circuito abierto elevados y al mismo tiempo con un factor lo más próximo posible a la unidad. 2. La célula tiene que poder suministrar una potencia suficiente a una carga. 3. Las resistencias en serie de la propia célula deben tener un valor débil para que la caída de potencial que significan, represente una pequeña parte del potencial salida. 4. La absorción óptica del semiconductor tiene que ser suficiente en la mayor parte posible del espectro solar. Así se considera que un buen coeficiente de absorción tiene que ser 104cm-1 en la región del espectro visible. 5. Los electrodos de cada cara del semiconductor de las células tienen que captar eficazmente los electrones y los huecos fotocreados. La longitud de difusión de los portadores minoritarios tiene que ser del mismo orden que el espesor de la película.

2.11 Causas Principales de las Pérdidas de Potencia Entre las principales causas de que los rendimientos de conversión tengan valores no superiores al 15% en la práctica, cabe citar las siguientes: - Reflexión en la cara anterior de la célula solar. Para una célula de silicio desnuda es del 30% por lo que normalmente se las recubre de una capa antirreflejante que disminuye “r” en un factor 10. - Diferencia entre el rectángulo sombreado de potencia útil y el área total del 4º cuadrante - Pérdidas en las resistencias parasitas serie y paralelo debidas a la fabricación y la especial geometría del dispositivo. - Recombinación de portadores en el volumen semiconductor en las zonas “n” y “p” en el interior de la zona de transición, en la superficie y en el contacto óhmico de la cara no iluminada. - Fotones no absorbidos y energía de los fotones por encima de Eg que no se traduce en potencia útil en la carga.

68

2.12 Los efectos de la energía solar fotovoltaica sobre los principales factores ambientales son los siguientes: - Clima: La generación de energía eléctrica directamente a partir de la luz solar no requiere ningún tipo de combustión, por lo que no se produce contaminación térmica ni emisiones de CO2 que favorezcan el efecto invernadero. - Geología: Las células fotovoltaicas se fabrican con silicio, elemento obtenido de la arena, muy abundante en la Naturaleza y del que no se requieren cantidades significativas. Por lo tanto, en la fabricación de los paneles fotovoltaicos no se producen alteraciones en las características litológicas, topográficas o estructurales del terreno. - Suelo: Al no producirse ni contaminantes, ni vertidos, ni movimientos de tierra, la incidencia sobre las características físico-químicas del suelo o su erosionabilidad es nula. - Aguas superficiales y subterráneas: No se produce alteración de los acuíferos o de las aguas superficiales ni por consumo, ni por contaminación por residuos o vertidos. - Flora y fauna: La repercusión sobre la vegetación es nula y, al eliminarse los tendidos eléctricos, se evitan los posibles efectos perjudiciales para las aves. - Paisaje: Los paneles solares tienen distintas posibilidades de integración, lo que hace que sean un elemento fácil de integrar y armonizar en diferentes tipos de estructuras, minimizando su impacto visual. Además, al tratarse de sistemas autónomos, no se altera el paisaje con postes y líneas eléctricas. - Ruidos: El sistema fotovoltaico es absolutamente silencioso, lo que representa una clara ventaja frente a los generadores de motor en viviendas aisladas. - Medio social: El suelo necesario para instalar un sistema fotovoltaico de dimensión media, no representa una cantidad significativa como para producir un grave impacto. Además, en gran parte de los casos, se pueden integrar en los tejados de las viviendas. Por otra parte, la energía solar fotovoltaica representa la mejor solución para aquellos lugares a los que se quiere dotar de energía eléctrica preservando las condiciones del entorno; como es el caso por ejemplo de los Espacios Naturales Protegidos.

69

CAPÍTULO III ENSAYO PARA VERIFICAR LA NECESIDAD DEL SERVICIO DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN CAÑADA COLORADA 3. METODOLOGÍA 1 El estudio de campo para confirmar la necesidad del servicio de energía eléctrica y su requerimiento por parte de las familias de la comunidad de Cañada Colorada se efectúa con el planteamiento de la metodología 1 siguiente: METODOLOGÍA

ESTUDIO: TIPO CORRELACIONAL

TÉCNICAS Y HERRAMIENTAS

SELECCIÓN DE LA MUESTRA

RECOLECCIÓN DE DATOS EN CAMPO

ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE DATOS

RESULTADOS a.

Rubén Ortiz Yáñez, Tesis: “La necesidad de incluir la educación CTS (Ciencia Tecnología y Sociedad en Nivel Medio Superior del I. P. N., Instituto de Ciencias, Humanidades y Tecnológicas de Guanajuato, 2005, México.

70

Como se observa en este planteamiento es una metodología científica y lo que procede a continuación es efectuar el ensayo en campo con el propósito fundamental de recopilar información directa sobre la necesidad de energía eléctrica en la comunidad de Cañada Colorada esto permitirá tener una afirmación del problema mencionado y además un acercamiento a la realidad de esta comunidad.

3.1 TIPO DE ESTUDIO CORRELACIONAL 2 Considerando el estudio tipo correlacional el cual tiene como finalidad “evaluar la relación que existe entre dos variables o más y de acuerdo al planteamiento, sin llegar a establecer una hipótesis; se propone de acuerdo a esto una variable independiente; que es la “ENERGÍA ELÉCTRICA” y una variable dependiente que es: “NECESIDAD DE ENERGIA ELECTRICA POR LA COMUNIDAD”; lo anterior implica: X 

Variable independiente  = ENERGÍA ELÉCTRICA 

                                         Y                Variable dependiente  =  NECESIDAD DE ENERGÍA                                                                   ELÉCTRICA    Interpretando la finalidad de este estudio, significa que tiene que existir una relación entre las dos variables; representando esquemáticamente lo anterior:

y

X ENERGÍA ELÉCTRICA

Necesidad de energía eléctrica por la comunidad

La relación entre estas dos variables significa la “Causalidad” que produce la variable independiente (X) sobre la variable (Y); es decir; ENERGÍA ELÉCTRICA causa la “NECESIDAD DE ESTE SERVICIO EN LA COMUNIDAD DE CAÑADA COLORADA”.   Por lo tanto:    

                                           CAUSA                                                                                      ENERGÍA ELÉCTRICA (X)                                           NECESIDAD DE ENERGÍA ELÉCTRICA                                                                                             EN COMUNIDAD.

2. Roberto Hernández Sampieri, Carlos Fernández Collado, Pilar Bautista Lucio, Metodología de la Investigación, Mc Graw Hill Interamericana, 2002, México.

71

La aplicación del estudio correccional cuantitativo es importante por que a través de este se puede medir el grado de relación entre las dos variables (X, Y) y con ello se puede predecir o establecer la tendencia de la variable dependiente (Y), “necesidad de la energía eléctrica por parte de la comunidad,” dicho de otra forma: “Demostrar el requerimiento del servicio de energía eléctrica por la comunidad de cañada colorada.”

3.2 TÉCNICAS, EQUIPOS Y HERRAMIENTAS EMPLEADAS Teniendo en cuenta que para hacer cualquier estudio de investigación existen tres tipos y estas son: - Conceptos generales sobre investigación - Investigación documental - Investigación de campo De los anteriores en el presente estudio se aplican las dos últimas es decir la investigación documental con la cual se establece el marco contextual y marco teórico en el capítulo I y II; y la investigación de campo, entendiéndose ésta como: “La que se realiza directamente en el medio donde se presenta el fenómeno o el problema de estudio” Las técnicas para efectuar este tipo de investigación son varias como, la experimentación, levantamiento de datos por medio de cuestionarios, entrevistas y encuestas o por observación controlada. La técnica empleada para el ensayo que permita el levantamiento de datos con los cuales efectuar los análisis e interpretación para afirmar “la necesidad de energía eléctrica” en la comunidad de cañada colorada; es la del cuestionario, con la cual se procede a efectuar el levantamiento de datos directamente del campo y con ellos determinar las tendencias de la variable “dependiente (Y), “ necesidad de energía eléctrica” en función de la variable independiente (X), energía eléctrica y “confirmar esta necesidad para plantear una solución, como es la aplicación de la Tecnología de celdas solares y poder electrificar dicho poblado que es la finalidad de este estudio.

72

3.2.1 Diseño del Cuestionario para el Ensayo en Campo A partir de la “Técnica del cuestionario” se diseña el instrumento para el ensayo en campo bajo la modalidad de encuestas, para que permita obtener un análisis cuantitativo. El cuestionario se estructura de la forma siguiente: Primero:

Con una finalidad para presentarlo al encuestado.

Segundo:

Se estructura con preguntas abiertas, cerradas y dicotómicas, éstas últimas ofrecen solamente una respuesta que puede ser “si” o “no”.

Tercero:

Las preguntas se elaboran considerando las variables propuestas (X, Y).

3.2.2 Lista de preguntas (Anexo 1) 3.3 EQUIPO Y HERRAMIENTAS EMPLEADAS EN EL ENSAYO El equipo y herramientas empleadas en ensayo en las siguientes: - Computadora - Impresora - Vehículo - CD’S - Software - Internet - Libros - Manuales - Otros

3.4 RECOLECCION DE DATOS EN CAMPO La recolección de datos se efectúa directamente en la comunidad de Cañada Colorada a través de la encuesta las cuales se realizaron adecuadamente como se indica a continuación.

73

3.5 DETERMINACION DE LA MUESTRA ENCUESTADA La encuesta (ver anexo 1) se aplica al total de viviendas por lo tanto se establece que el 100% de viviendas fue encuestada: INDICADOR

PARÁMETROS

No. DE VIVIENDAS ENCUESTADAS POBLACION (MAGNITUD).

___ 28_viviendas ___60_personas__

PORCENTAJE _ 100%__ __100%___

Ubicación de Cañada Colorada La ubicación de las viviendas en la comunidad se presenta en el anexo 2 donde se muestra en un croquis. De acuerdo a lo anterior se establece que el tamaño de la muestra será igual al 100%

MUESTRA N = %100

N=28

Donde N= viviendas N= muestra de la población 100%

74

3.6 RESULTADOS DE LA APLICACIÓN DE LA ENCUESTA Considerando que una vez contestado el cuestionario por el sujeto de la vivienda, este se convierte en unidad muestral, luego es necesario clasificarlas y ordenarlas como se presenta en la siguiente tabla. FOLIO

VIVIENDA

CUESTIONARIOS APLICADOS CONTESTADOS

NO CONTESTADOS

TOTAL UNIDAD MUESTRA

01

FABIÁN LÓPEZ CHÁVEZ

1

0

1

02

MARCO LÓPEZ HERNÁNDEZ

1

0

1

03

LORENA ACEBÉDO MARTÍNEZ

1

0

1

04

SAVINO MARTÍNEZ

1

0

1

05

DOMINGA LÓPEZ IBARRA

1

0

1

06

ALEJANDRA RAMÍREZ MONROY

1

0

1

07

CRISPIN REYES NAVARRO

1

0

1

08

SANTIAGO HERNÁNDEZ SÁNCHEZ

1

0

1

09

ELIGIO VARGAS

1

0

1

10

DELFINO GUERRERO

1

0

1

11

GABRIELA PEÑA

1

0

1

12

JAVIER LÓPEZ CHÁVEZ

1

0

1

13

JUSTINO SALINAS HERNÁNDEZ

1

0

1

14

ENRIQUE CRUZ

1

0

1

15

TIMOTEO CHÁVEZ GARCÍA

1

0

1

16

JESÚS ACEVEDO GARCÍA

1

0

1

17

JUAN ARCE HERNÁNDEZ

1

0

1

18

JOSÉ DE JESÚS NAVARRO

1

0

1

19

JULIO HERNÁNDEZ

1

0

1

20

MAXIMÍNO PÉREZ HIDALGO

1

0

1

21

DANIEL AMBROSIO CASTAÑEDA

1

0

1

22

GUADALUPE HERNÁNDEZ

1

0

1

23

SEVERIANO YÁÑEZ

1

0

1

24

ALEJANDRA AGUILLÓN HERNÁNDEZ

1

0

1

25

MARTA MENESES VÁZQUEZ

1

0

1

26

ANGÉLICA MEJÍA RODRÍGUEZ

1

0

1

27

MAGALI MARTÍNEZ

1

0

1

28

MARÍA DE LA PAZ ÁVILA

1

0

1

Tabla 3. Cuantificación de datos en campo.

75

Lo anterior significa que la vivienda encuestada se convierte en unidad muestral. Las gráficas de los resultados muestrales de la encuesta, se presenta a continuación:

76

3.7 Análisis de Datos Con la aplicación del instrumento del ensayo (cuestionario) en el campo se obtiene la unidad muestral y a partir de ésta, la información deseada, con lo cual se pretende comprobar que la comunidad de Cañada Colorada tiene la necesidad de energía eléctrica. Además la clasificación y cuantificación de las unidades muestrales, implica que se ha efectuado la reducción de datos en campo; tanto que es factible iniciar el proceso de análisis e interpretación de datos.

Análisis Cuantitativo de los Datos Recolectados 3 Esto es posible a través de la aplicación de un programa específico en computadora en función de una base de datos y con ello establecer procedimientos para clasificar, calcular, graficar y resumir información numérica sistematizada, la cual es un proceso estadístico para obtener los resultados presentados en un análisis cuantitativo deseado. El concepto anterior implica la aplicación de un proceso informático a partir de los datos obtenidos en el campo; éste se presenta en una forma esquemática a continuación. Toma de decisión respecto al al. análisis respecto por realizar.

Tabla de datos obtenidos en campo (Matriz)

Obtención del análisis cuantitativo

Selección del programa para el análisis cuantitativo (Hoja de Cálculo) Excel

Aplicación del programa Excel en P.C.

INTERPRETACION 3. (Rubén Ortiz Yáñez Tesis. “La necesidad de incluir la educación CTS (Ciencia Tecnología y Sociedad en Nivel Medio Superior del I. P. N., Instituto de Ciencias, Humanidades y Tecnológicas de Guanajuato, 2005, México. Análisis Cuantitativos de los Datos Recolectados, Pág.164

77

A partir del esquema anterior se procede a obtener el análisis cuantitativo pretendido y considerando información obtenida a través de las unidades muestrales, se aplica el análisis conocido como: “ESTADÍSTICA DESCRIPTIVA PARA LAS VARIABLES O BIEN PARA VARIABLES TOMADAS INDIVIDUALMENTE.” Este tipo de análisis consiste en describir los datos, valores o las puntuaciones, las cuales se denominan frecuencias y son obtenidas para cada variable involucrada en el estudio; además deben ser distribuidas y ordenadas con su respectiva categoría, para este estudio las categorías son las 21 preguntas y las respuestas de las 28 unidades muestrales que integran la encuesta aplicada en el campo y las puntuaciones se forman con las respuestas afirmativas negativas y las no contestadas; si así se presenta en el caso. Las respuestas de las unidades muestrales se codifican a través de un sistema binario (código) de (1) y (0), tomando el “uno” para representar la respuesta afirmativa elegida dentro de las opciones ofrecidas por el cuestionario y “cero” para el resto de respuestas (negativas, etc.), con esto es posible hacer el conteo y la agrupación de los datos para ingresarlos (capturarlos ) en un sistema informático que permita la organización tabular de la información capturada a partir de los cuestionarios.

3.7.1 Distribución de Frecuencias 4 La distribución de frecuencias puede complementarse agregando las frecuencias relativas, frecuencias acumuladas; agregadas a la frecuencia absoluta. Son los porcentajes de las unidades puntuables de cada categoría formada por preguntas y respuestas del cuestionario

a) FRECUENCIA ABSOLUTA

Son las que se van acumulando desde la más baja hasta la más alta.

b) FRECUENCIA RELATIVA

Son las que se van acumulando desde la más baja hasta la más alta.

c) FRECUENCIA ACUMULADA

4. Rubén Ortiz Yáñez, Tesis: “La necesidad de incluir la educación CTS (Ciencia Tecnología y Sociedad en Nivel Medio Superior del I. P. N., Instituto de Ciencias, Humanidades y Tecnológicas de Guanajuato, 2005, México.

78

A continuación se elaboran y presentan las tablas de frecuencias para cada variable. Tabla 4. Distribución de Frecuencias. VARIABLE : ENERGÍA ELÉCTRICA FRECUENCIA FRECUENCIA

ITEM 1*

2

3

4

5

6

CATEGORÍAS ¿Tiene energía eléctrica? Afirmativo Negativo No Contestó ¿Les han ofrecido energía Eléctrica? Afirmativo Negativo No Contestó ¿Utilizan velas para iluminarse en la Oscuridad? Afirmativo Negativo No Contestó ¿Utiliza lámparas de pilas para iluminarse en la oscuridad? Afirmativo Negativo No Contestó ¿Mantienen los alimentos frescos con hielo? Afirmativo Negativo No Contestó Si tuvieras energía eléctrica ¿Utilizarías lámparas? Afirmativo Negativo No Contestó

FRECUENCIA

CÓDIGOS

ABSOLUTA

RELATIVAS

ACUMULADA

1 0 0

8 20 0

28.57% 71.42% 0

20 28 28

1 0 0

18 10 0

64.28% 35.71% 0

18 28 28

1 0 0

22 6 0

78.57% 21.42% 0

22 28 28

1 0 0

17 11 0

60.71% 39.28% 0

17 28 28

1 0 0

5 23 0

17.85% 82.14% 0

23 28 28

1 0 0

26 2 0

92.85% 7.14% 0

26 28 28

79

VARIABLE : ENERGÍA ELÉCTRICA FRECUENCIA FRECUENCIA ITEM

CATEGORÍAS

7

Si tuvieras energía eléctrica ¿Utilizarías plancha? Afirmativo Negativo No Contestó Si tuvieras energía eléctrica ¿Utilizarías refrigerador? Afirmativo Negativo No Contestó Si tuvieras energía eléctrica ¿Utilizarías televisión? Afirmativo Negativo No Contestó Si tuvieras energía eléctrica ¿Utilizarías radio? Afirmativo Negativo No Contestó Si tuvieras energía eléctrica ¿Utilizarías bomba de agua? Afirmativo Negativo No Contestó Si tuvieras energía eléctrica ¿Utilizarías licuadora? Afirmativo Negativo No Contestó ¿Cuenta con energía eléctrica temporal? Afirmativo Negativo No Contestó

8

9

10

11

12

13

CÓDIGOS

FRECUENCIA

ABSOLUTA

RELATIVAS

ACUMULADA

1 0 0

8 20 0

28.57% 71.42% 0

8 28 28

1 0 0

26 2 0

92.85% 7.14% 0

26 28 28

1 0 0

25 3 0

89.28% 10.71% 0

25 28 28

1 0 0

15 13 0

53.57% 46.42% 0

15 28 28

1 0 0

11 17 0

39.28% 60.71% 0

11 28 28

1 0 0

10 18 0

35.71% 64.28% 0

10 28 28

1 0 0

8 1 19

28.57% 3.57% 67.85%

8 9 28

80

VARIABLE : ENERGÍA ELÉCTRICA FRECUENCIA ITEM

14

15

16

17

18

19

CATEGORÍAS

¿La luz es suministrada por intervalos de tiempo? Afirmativo Negativo No hay energía ¿El servicio eléctrico es Interrumpido frecuentemente? Afirmativo Negativo No hay energía ¿Cuando el servicio eléctrico es interrumpido tarda mucho en regresar? Afirmativo Negativo No hay energía ¿Cuando regresa la luz Llega con mucha intensidad? Afirmativo Negativo No hay energía ¿Han tenido variaciones de luz? Afirmativo Negativo No hay energía ¿Ha llegado a utilizar lámparas ahorradoras? Afirmativo Negativo No hay energía

FRECUENCIA

FRECUENCIA

RELATIVAS

ACUMULADA

CÓDIGOS

ABSOLUTA

1 0 0

4 5 19

14.28% 17.85% 67.85%

4 9 28

1 0 0

8 1 19

28.57% 3.57% 67.85%

8 9 28

1 0 0

7 2 19

25% 7.14% 67.85%

7 9 28

1 0 0

7 2 19

25% 7.14% 67.85%

7 9 28

1 0 0

6 3 19

21.42% 10.71% 67.85%

6 9 28

1 0 0

6 3 19

21.42% 10.71% 67.85%

6 9 28

81

VARIABLE : ENERGÍA ELÉCTRICA ITEM

CATEGORÍAS

20

¿Obtienen energía eléctrica por algún otro medio? Afirmativo Negativo No Hay Energía En caso de no contar con energía eléctrica, ¿Le gustaría tenerla? Afirmativo Negativo No Contesto

21

FRECUENCIA

FRECUENCIA

FRECUENCIA

CÓDIGOS

ABSOLUTA

RELATIVAS

ACUMULADA

1 0 0

8 1 19

28.57% 3.57% 67.85%

19 28 28

1 0 0

25 3 0

89.28% 10.71% 0

25 28 28

Nota: Las categorías que presenten un asterisco indican que las respuestas que sean afirmativas se interpretan de forma negativa para el proyecto. El “1” indica que la pregunta es afirmativa El “0” indica que la pregunta es negativa Las respuestas que indican que “no hay energía” se interpretan como una necesidad de energía eléctrica para estas viviendas “Las categorías que tienen un asterisco, nos indica que las preguntas negativas tienen una respuesta afirmativa con respecto a la encuesta realizada”.

3.7.2 Gráficas de la Distribución de Frecuencias Las frecuencias relativas plasmadas en las tablas anteriores se calculan de la manera siguiente: Si:

fr = son las Frecuencias relativas NAB = Son las frecuencias absolutas NAC = Son las frecuencias acumuladas

Esto implica: %fr = NAB/NAC (100), abdimensional. Este cálculo se efectúa automáticamente con el programa Excel y con ello se obtiene las tablas anteriores, ejemplo:

% fr =

21 X 100 = 75% 28

Este resultado nos indica que el 75% de la comunidad no tiene energía eléctrica. 82

Con las tablas de frecuencias se construyen las gráficas (Histogramas) en función de las frecuencias para cada categoría (pregunta del cuestionario); considerando respuestas afirmativas, negativas y no contestadas las graficas están dispuestas en función del ITEM y estás muestran el resultado general del ensayo en campo a través de las respuestas afirmativas. Es decir en los Histogramas se muestra objetivamente el análisis cuantitativo del ensayo efectuado en el campo y donde se observan las tendencias de “la necesidad de energía eléctrica. A continuación se presentan los histogramas

Gráfica 2. Resultados de las categorías 1- 3.

Gráfica 3. Resultados de las categorías 4 – 6.

83

Gráfica 4. Resultados de las categorías 7 - 9.

Grafica 5. Resultados de las categorías 10 – 12.

Gráfica 6. Resultados de las categorías 13 – 15. 84

Gráfica 7. Resultados de las categorías 16 – 18.

Gráfica 8. Resultados de las categorías 19 – 21.

3.8 Interpretación de Datos La interpretación de los resultados del análisis estadístico elaborados en el punto anterior (capítulo 7), se efectúa con el enfoque de análisis de indicadores, por comprobar la relación de la s variables planteadas (x, y) y su causalidad. Lo anterior implica que la construcción de indicadores debe estar basada en la identificación de los datos que sean representativos del problema que se estudia; es decir la necesidad de energía eléctrica en la comunidad de Cañada Colorada, por lo tanto: 85

Indicador Es el elemento de una situación significativa que auxilia a definir y explicar un problema o fenómeno, permitiendo establecer provisiones (tendencias) sobre su evolución y matemáticamente es la relación cuantitativa entre dos cantidades que corresponden a un mismo problema o fenómeno. El indicador permite una generación de juicios a valor sobre un hecho, aportando información para la toma de decisiones sobre el hecho o problema. Calculo de los indicadores Para calcular el indicador (IN) se procede a efectuar la sumatoria de las frecuencias absolutas y se divide entre el total de frecuencias acumuladas; esto implica:

∑ (f = ∑ (f n

IN

1 n

1

AB1

+ ... + f ABn )

AC1 + ... + f ACn )

, Ab dim ensional

Donde: IN = Es el indicador fAB = Es la Frecuencia Absoluta fAC = Es la Frecuencia Acumulada Análogamente se calcula cada indicador y a continuación se presentan en forma de tablas indicadores con sus tendencias y categorías respectivamente. NUMERO INDICADOR I1 I2 I3

I4 I5 I6 I7 I8

TENDENCIA NO, TIENE ENERGIA ELECTRICA UTILIZA ALGÚN MEDIO PARA ILUMINARSE ARTIFICIALMENTE MANTIENE ALIMENTOS FRESCOS CON ALGÚN MEDIO DE CONTAR CON ENERGÍA ELÉCTRICA UTILIZARÍA LÁMPARAS Y APARATOS DOMÉSTICOS CUENTA CON ENERGÍA ELÉCTRICA TEMPORAL TIENE DEFICIENCIAS CON LA ENERGÍA TEMPORAL A UTILIZADO LÁMPARAS AHORRADORAS DE ENERGÍA LE GUSTARÍA CONTAR CON ENERGÍA ELÉCTRICA

Tabla 5. Indicadores y su tendencia.

86

CATEGORIAS 1,2

3,4

5

6,7,8,9,10,11,12 13,14,15,16,17,20 18

19 21

Con la tabla de indicadores se procede a calcular su valor y su índice Valores de los indicadores para cada tendencia Parámetros e Índices VALOR NÚMERO INDICADOR TENDENCIA ABDIMENCIONAL NO TIENE ENERGÍA ELÉCTRICA 0.6785 I1 UTILIZA ALGÚN MEDIO PARA ILUMINARSE ARTIFICIALMENTE 0.6964 I2 MANTIENE ALIMENTOS FRESCOS CON ALGUN MEDIO 0.1785 I3 DE CONTAR CON ENERGÍA ELÉCTRICA UTILIZARIA LÁMPARAS Y APARATOS DOMÉSTICOS 0.6785 I4 CUENTA CON ENERGÍA ELÉCTRICA TEMPORAL 0.6785 I5 TIENE DEFICIENCIAS CON LA ENERGÍA TEMPORAL 0.2142 I6 A UTILIZADO LÁMPARAS AHORRADORAS DE ENERGÍA 0.2142 I7 LE GUSTARÍA CONTAR CON ENERGÍA ELÉCTRICA 0.8928 I8

INDICE % 67.85%

69.64%

17.85%

67.85% 25% 21.42%

21.42%

89.28%

Tabla 6. Indicadores con su Valor Abdimensional e Índice (%).

Índice Porcentual Es la cuantificación y expresión matemática de los indicadores y establece las variaciones de un determinado fenómeno o problema y se representa en forma porcentual.

Representación del indicador en forma porcentual Para el cálculo del índice porcentual de cada indicador se efectúa en la forma siguiente: % I N = I N X 100 Ejemplo: Análogamente se colocan los índices de los indicadores para este problema y a continuación se presentan: % I N = I N X 100 % I N = (0.57)(100) % I N = 57% 87

Enseguida se representa gráficamente los índices de los indicadores del problema en cuestión

Tabla 7. Indicadores con su color de identificación. 88

Con respecto a los resultados de la grafica de indicadores se obtuvieron las siguientes conclusiones: Indicador 1 (I1) La tendencia que nos expresa I1 gráficamente, es que más del 60% de la comunidad de Cañada Colorada que no tiene energía eléctrica. Indicador 2 (I2) La tendencia que nos expresa I2 gráficamente, es que más del 60% de las familias utilizan algún medio para iluminarse artificialmente. Indicador 3 (I3) La tendencia que nos expresa I3 gráficamente, es que menos del 20% de las familias mantiene sus alimentos frescos en hielo. Indicador 4 (I4) La tendencia que nos expresa I4 gráficamente es que, más del 60% le gustaría tener alumbrado propio y aparatos electrodomésticos. Indicador 5 (I5) La tendencia que nos expresa I5 gráficamente es que más del 20% que tienen energía eléctrica es de forma temporal. Indicador 6 (I6) La tendencia que nos expresa I6 gráficamente, es que de las personas que tienen energía eléctrica, el 20% tiene deficiencias en el suministro eléctrico. Indicador 7 (I7) La tendencia que nos expresa I7 gráficamente, es que el 30% de familias que tienen este servicio eléctrico 20% han utilizado lámparas ahorradoras de energía. Indicador 8 (I8) La tendencia que nos expresa I8 gráficamente es que más del 80% de la comunidad de Cañada Colorada necesita le gustaría tener energía eléctrica.

89

CAPÍTULO IV APLICACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO EN LA POBLACIÓN DE CAÑADA COLORADA La comunidad rural de Cañada Colorada que pertenece al municipio de Apaxco, la cual se encuentra en Edo. de México, latitud norte en el paralelo 19° 58’11”, al paralelo 20° 01’51”; y longitud oeste del meridiano de Greenwich 99° 05’00”, al meridiano 99°11’52”, con aproximadamente 300 habitantes y cuenta con 60 viviendas de las cuales 28 de ellas carecen de energía eléctrica a causa de su situación geográfica, debido a su ubicación geográfica cuenta con un clima templado semiseco, vegetación escasa, presenta una baja precipitación pluviométrica anual, de 600 a 800 mm, con reducida oscilación térmica; la temperatura media anual es de 14 a 16º C, registrándose la temperatura más calida en la estación de verano y la más fría en invierno, con un índice de insolación anual de 4.8 Kwh./m2, palabra clave (NASA surface) http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/RETScreen/

Precipitación Medial Anual 600 - 800 mm Temperatura más cálida

27°C , en Mayo

Temperatura más fría

11°C en Diciembre y Enero

Temperatura media anual

de 14° a 16°C

Índice de insolación anual

De 4.8 Kwh./m2

FUENTE: ESTADÍSTICA BÁSICA, IGECEM 2003 Tabla 8. Factores Climáticos. 5

5. http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/RETScreen/.

90

Características del clima Latitud Longitud Elevación Temperatura de calentamiento designada Temperatura de enfriamiento designada Temperatura promedio de la tierra Días de congelamiento en Apaxco

Unidad °N °E M

Clima Local 19.967 99.083 656

°C

30.78

°C

11.91

°C Días

13.5 0

Tabla 9. Características climáticas de Apaxco.

5

Temp. Del Aire

Humedad Relativa

Radiación Solar mensual – horizontal

°C

%

kWh/m2/d

kPa

m/s

°C

°C-d

°C-d

Enero

17.9

63.4%

4.94

93.7

2.7

18.3

34

246

Febrero

21.5

49.8%

5.67

93.5

2.9

22.8

4

317

Marzo

24.9

48.0%

6.04

93.3

2.8

26.8

2

449

Abril

26.5

55.8%

6.08

93.1

2.4

28.7

0

491

Mayo

25.7

70.6%

5.38

93.0

2.0

27.4

0

483

Junio

24.7

80.4%

4.57

92.9

2.3

25.6

0

437

Julio

24.2

81.4%

4.15

92.9

2.2

24.8

0

442

Agosto

24.0

81.6%

4.11

92.9

2.1

24.5

0

438

Septiembre

23.4

81.6%

4.25

93.2

1.8

23.9

0

406

Octubre

21.7

79.7%

4.27

93.5

2.2

22.0

0

365

Noviembre

19.0

75.4%

4.24

93.7

2.5

19.1

13

273

Diciembre

16.2

71.4%

4.43

93.8

2.5

16.4

65

196

Anual

22.5

69.9%

4.84

93.3

2.4

23.4

118

4543

10.0

0.0

MES

Presión Atmos.

Veloc. del Viento

Temp. Terrestre

Medido en (m)

Tabla 10. Características climáticas anuales de Apaxco. 5 5. http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/RETScreen/.

91

Grado Grado de de Enfr. Calent.

4.1 DISEÑO DE LA FUENTE DE ENERGÍA FOTOVOLTAICA De acuerdo a las características climatológicas y el tipo de índice solar que se presenta en esta región además de los datos recopilados en el proceso del proyecto, presentamos los cálculos que ayudarán a determinar el tipo de sistema fotovoltaico que se instalará en cada una de las viviendas que carecen de energía eléctrica, tomando como referencia la casa del Sr. Fabián López Chávez, que se puede observar en las fotografías 1, 2, 3 y 4 del anexo 3, dado que es una casa estándar promedio de la comunidad de Cañada Colorada donde se efectúa el estudio.

4.1.1 Datos de la vivienda que tomamos como referencia a) Características Específicas de la casa rural Dimensiones 11.20 x 8.40 m2 2 recámaras 1 Lámpara 1 Contacto Sala 1 Lámpara 2 Contactos Cocina 1 Lámpara Parte Exterior 2 Lámparas con sensor Altar 1 Contacto 1 Lámpara

b) Descripción de las cargas 4 Puntos de luz = 20W 2 Punto de luz con sensor = 39W 1 Televisión = 60W 1 Ventilador = 80W 1 Teléfono inalámbrico (antena)= 5W 1 Radio = 10W 1 Refrigerador = 100W

92

Figura 55. Plano Eléctrico.

4.1.2 Cálculos del Proyecto a) Energía Consumida * Ec = ( P1t1 ) + ( P2 t 2 ) + ( P3t 3 ) + ( Pn t n ) + ...Wh ----------------------- 1

P = Potencia de cada una de las cargas (W) t = Tiempo de uso de cada una de las cargas (hrs.)

93

Cantidad A 4 2 1 1 1 1 1

Equipo B Puntos de Luz Punto de luz (sensor) Televisión Ventilador Teléfono inalámbrico Radio Refrigerador Total = W

Potencia(W) C 20W 39W 60W 80W 5W 10W 100W W

Subpotencia (W) D = AXC 80W 78W 60W 80W 5W 10W 100W Total = Wh/d

hrs. E 5 5 4 4 2 2 4

Energía (W/h) F = DXE 400 390 240 320 10 30 400 1790Wh

Tabla 11. Cargas utilizadas en la vivienda. Ec = (4 X 20 X 5) + (2 X 39 X 5) + (60 X 4) + (80 X 4) + (5 X 2) + (10 X 3) + (100 X 4) Ec = 400 + 390 + 240 + 320 + 10 + 30 + 400 Ec = 1790W

b) Cálculo del Arreglo Solar * M =

E C FS I M VM HpN Bat N Inv

---------------------- 2

M = Número de módulos solares Ec = Energía consumida diariamente por las cargas (Whr/día) Fs = Factor de sobre dimensionamiento del Sistema (Se sobre dimensiona 10% a 20% Fs = 1.1 a 1.2). Im = Corriente del módulo solar (máxima insolación 1Kw/m2 ) Vm = Voltaje promedio de operación del módulo solar (No confundirlo con el voltaje de baterías). Hp = Radiación de la localidad en el mes de menor insolación expresada en horas máximas de insolación. NInv. = Eficiencia del inversor CD/CA en caso de que el equipo opere en: C.A. valores típicos 0.8 a 0.9 C.D. valor es de 1 NBat = Eficiencia de carga de la batería 0.87 a 0.9 “0.81” 94

M=

EC FS I M VM HpNBat N Inv

M=

(1790Whr / dia)(1.2) (6.93 Amp)(28.9V )(4.84)(0.81)(0.9)

M = 3.039 ≈ 3 paneles Por lo tanto se utilizarán 3 paneles de 200W, con una tensión de 28.9V y una corriente de 6.93Amp.

c) Cálculo del ángulo de inclinación y del ángulo de orientación 1. Para determinar el ángulo de inclinación de los paneles fotovoltaicos, el proveedor de CONERMEX recomienda que se utilice el valor de la latitud del lugar donde se encuentra localizada la comunidad de Cañada Colorada al cual se le suma 5º

∠ INC = ∠ LAT + 50 ------------------------- 3 ∠ INC = 20 + 5 0 ∠ INC = 25 0

Por lo tanto el ángulo de inclinación en el que se deben de colocar los paneles solares orientados hacia el sur es de 25°

d) Cálculo del Banco de Baterías * CB =

AU E C V B FU F1 N INV

--------------------- 4

CB = Capacidad del banco de baterías Ec = Energía consumida diariamente Au = Autonomía deseada en el banco de baterías (días) varía entre 4 días con buena insolación y hasta 6 días para lugares nublados. VB = Voltaje nominal al cual trabajará el banco de baterías. * Manual para instalar un sistema fotovoltaico 95

FU = Fracción de la capacidad total de la batería que se usa para dar la autonomía de diseño del sistema evitando que las baterías se descarguen totalmente. Fu = 0.5 baterías de placa delgada Fu = 0.8 baterías de placa gruesa Fi = Factor de incremento de la capacidad de la batería respecto a su valor nominal comercial como resultado de una razón (tiempo) de descarga. Este valor varía desde 1.05 en baterías de placa delgada hasta 1.35 en baterías de placa gruesa tipo tabular.

CB =

AU EC VB FU F1 N INV

CB =

(5días)(1790Whr ) (12V )(0.8)(1.35)(0.9)

CB = 767.31Amp − hr

d) Cálculo del Número de Baterías * NB. =

C. R CB

---------------------- 5

NB = Número de baterías que se necesitan CR = Capacidad de energía requerida para funcionar en días nublados (Ah) CB = Capacidad de la batería (Ah)

NB. =

CR CB

767.318 Ah 115 Ah N B = 6.67bat. ≈ 7baterías NB =

96

e) Cálculo del Controlador de Carga * I max = I SC N P --------------------------------- 6 I max = (7.68 A)(3 paneles) I max = 23.04 A

f) Especificación del Inversor * INV = W1 + W2 + W3 + W4 + W5 + W6 + W7 -------------------- 7

INV = Potencia del Inversor (W) W = Potencia de cada una de las cargas (W) INV = W1 + W 2 + W3 + W 4 + W5 + W 6 + W 7 INV = ( 20W )( 4) + (39W )( 2) + 60W + 80W + 5W + 10W + 100W INV = 413W Con respecto al valor calculado se concluye que el tipo de inversor que se necesite es:

Un Inversor de 600 W, Onda Senoidal Modificada, 12VCD - 120VAC. g)

Cálculo el calibre de los conductores de la instalación fotovoltaica (13. Manual Teórico Práctico sobre los sistemas fotovoltaicos) A=

2 ρIl ΔE

---------------------------- 8

A= Es el área del conductor

ρ = Resistividad del cobre 0.01785Ωmm2/m2 I = Corriente del conductor l = Longitud del conductor

ΔE = Caída de tensión (V) e% = Caída de tensión (%) no mayor del 3% V = Tensión (V)

0.85 = Factor de ajuste para conductores expuestos a la radiación solar.

97

i. Entre el panel y el controlador de carga A= Cálculo del ΔE

2 ρIl ΔE

------------------------------ 9

Ve% 100% (28.9)(3%) ΔE = 100% ΔE = 0.867V ΔE =

Sustituimos ΔE en la ecuación 1 2(0.01785)(6.93)(3)(0.85)(10m) 0.867V 2 A = 7.27mm

A=

Por lo tanto de acuerdo con las tablas 310 – 16 de la Norma Mexicana 001- SEDE - 2005, el calibre del conductor THW que le corresponde es del 6 AWG.

ii. Entre el controlador de carga y las baterías 13 Ve% 100% (28.9)(1%) ΔE = 100% ΔE = 0.289V ΔE =

2 ρIl ΔE 2(0.01785)(6.93)(3)(0.85)(3) A= 0.289 2 A = 6.54mm A=

Por lo tanto el calibre del conductor THW es del 8 AWG.

13. Manual Teórico Práctico sobre los sistemas fotovoltaicos

98

iii. Entre el controlador de carga y el inversor 13 Ve% 100% (28.9)(1%) ΔE = 100% ΔE = 0.289V ΔE =

2(0.01785)(6.93)(3)(0.85)(3) 0.289 2 A = 6.54mm

A=

Por lo tanto el calibre del conductor THW es del 8 AWG.

iv. Entre el inversor y el Interruptor termomagnético 13 I=

P V cos θ

----------------------------- 10

600W (220)(0.95) I = 2.87 Amp

I=

Por lo tanto de acuerdo con las tablas 310 – 16 de la Norma Mexicana 001- SEDE - 2005, el calibre del conductor TW que le corresponde es del 12 AWG.

e% = e% = P = l = V= S= σ= ρ =

2 Pl ρVS

---------------------------- 11

Caída de tensión % Potencia total considerada (W) Longitud de la línea (m) Tensión nominal (220V en monofásica y de 380V trifásica) Sección en m2 Resistividad del conductor (0.01785 Ω mm2/m) Conductividad del cobre

ρ=

1

σ

=

1 = 56 ------------------ 12 0.01785

13. Manual Teórico Práctico sobre los sistemas fotovoltaicos

99

e% =

2 Pl ρVS

Despejando “S” nos queda de la siguiente fórmula. 2 Pl ρVe% (2)(600W )(3) S= (56)(220) 2 (0.5)

S=

S = 0.26mm 2 De acuerdo con las normas mexicanas el calibre del conductor tipo TW es del 18 AWG pero por normas se considera que se use del 12 AWG.

Ve% 100% (220)(0.5%) ΔE = 100% ΔE = 1.1V ΔE =

2 ρIl ΔE 2(0.01785)(3.03 A)(3) A= 1.1 2 A = 0.29mm A=

Como se puede observar a través de ambos cálculos el calibre del conductor es el mismo que es del calibre 12 AWG.

13. Manual Teórico Práctico sobre los sistemas fotovoltaicos

100

4.2 CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES DEL SOPORTE DE LOS PANELES Las dimensiones del bastidor fueron determinadas a través de las medidas de los paneles, dejando un espacio de 0.30 m a lo largo y a lo ancho de 0.50 m tratando de colocar entre los paneles una distancia de 1 m, como se observa en la figura siguiente, porque cada uno de estos cuando están en funcionamiento su temperatura aumenta y esto afecta al rendimiento del panel solar.

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

Para determinar el ángulo y las medidas de la estructura donde se apoyan los paneles solares, como se muestra la figura siguiente. El ángulo de inclinación nos lo dio el proveedor de CONERMEX el cual fue de 25°

Figura 57. Estructura el cual soportará a los paneles solares.

Las siguientes medidas las determinamos por medio del Teorema de Pitágoras y de la trigonometría calculamos el cateto adyacente y el cateto opuesto del ángulo por medio de las siguientes fórmulas.

101

a) Cálculo del Cateto Adyacente cos θ =

cat.adyacente ---------------------- 13 hipotenusa

Cat.ady = ( Hipotenusa)(cosθ ) Cat.ady = (2.25m)(cos 25) Cat.ady = 2.03m

b) Cálculo del Cateto Opuesto senθ =

cat.opuesto ------------------------- 14 hipotenusa

Cat.opuesto = ( Hipotenusa)(senθ ) Cat.opuesto = (2.25m)(sen25) Cat.opuesto = 0.95m Como se observa en la siguiente figura la altura a la que va estar el bastidor será de 3m, el cual se propuso para evitar que el panel sea obstruido por sombras de algún árbol o casa el cual afecta al rendimiento del panel solar tanto que puede llegar a descomponerlo. Las dimensiones de la estructura propuesta son las siguientes:

Figura 58. Vista lateral izquierda del bastidor.

102

Por lo tanto las dimensiones del bastidor para colocar los paneles solares son las siguientes

Figura 59. Bastidor de Aluminio Para 3 módulos de 200W.

Figura 60. Diagrama Físico del proyecto.

103

Figura 61. Diagrama Eléctrico del proyecto.

104

4.3 DISEÑO DE LA INSTALACIÓN ELÉCTRICA a) Cálculo de la Carga Total Instalada

Focos = 4 x 20W = 80W Foco con Sensor = 2 de 3 x 13W= 78W Contactos = 5 x 180W = 900W Carga Total Inst. = 80W + 78W + 900W = 1058W b) Cálculo del calibre de los conductores de la línea principal I=

P VnFP

I=

1058W P = = 9.25 Amp. VnFP (127V )(0.9)

------------------------------ 15

Por medio de tablas deducimos que el calibre sería de 14 pero por normas eléctricas el calibre es del THW, 12 AWG

c) Cuadro de cargas

Circuito L = 20W L = 39W C=180W Total C1 4 2 158W C2 5 900W Total 80 W 78W 900 1058W Tabla 12. Cuadro de cargas.

105

I = [A] 1.38Amp. 7.87Amp 9.25Amp

d) Calculo del número de circuitos derivados Por normas eléctricas la carga por circuito derivado no debe sobrepasar de 1500W. Circuito 1: Alumbrado Circuito 2: Contactos

e) Cálculo de la corriente por circuito derivado Por normas eléctricas la carga por circuito derivado no debe sobre pasar de 1500W, por lo que se tiene que el circuito 1 es el del alumbrado general y el circuito 2 es el de los contactos y como se puede observar en el cuadro de cargas la carga de cada circuito esta dentro de la norma

IC =

P (V )( FP)

158W = 1.38 A (127)(0.9) 900W = = 7.87 A (127)(0.9)

I C1 = IC2

f) Cálculo del calibre de cada circuito De tablas se deduce que el calibre C1 y C2 sea del 14 pero, por normas eléctricas se colocara del número 12 AWG.

g) Cálculo del Interruptor Principal

IT =

1379W = 12.06 Amp (127V )(0.9)

Amp = I L 200% = (9.25)(2) = 18.51Amp − − − − − − − − − − − −16 Amp = I L 400% = (9.25)(4) = 37.02 Amp − − − − − − − − − − − −17

Por lo tanto se deduce que es un interruptor con una capacidad de 30 amperes. 106

h) Cálculo de la protección de los circuitos

Para C1 Amp = I L 150% = (1.38)(1.5) = 2.07 Amp Amp = I L 200% = (1.38)(2) = 2.76 Amp

C1 = 1 X 15Amp

Para C2 Amp = I L 150% = (7.87)(1.5) = 11.80 Amp Amp = I L 200% = (7.87)(2) = 15.74 Amp

C2 = 1 X 20Amp

i) Cálculo del calibre del Tubo Conduit Por tablas se deduce que el calibre del tubo conduit es de 13mm para 6 conductores del calibre 12 AWG

j) Diagrama Unifilar

Figura 62. Diagrama Unifilar.

107

CAPÍTULO V EVALUACIÓN DE COSTOS En este capítulo se presentan los costos de cada uno de los elementos que constituyen un sistema fotovoltaico, (panel solar, baterías, inversor y controlador de carga) a través de diferentes proveedores que venden este tipo de equipo.

Panel Solar (CANADIAN SOLAR/ CONERMEX)

Figura 63. Panel solar. 9

Panel solar CSI (Canadian Solar Inc.) de 200W para aplicaciones de mayor tamaño principalmente interconectadas a la red eléctrica. El módulo Serie CS6P es robusto con 60 celdas. Estos módulos pueden ser utilizados para energía solar en aplicaciones de la red. Nuestro meticuloso diseño y técnicas de producción garantizan un alto rendimiento a largo plazo de cada módulo producido. Nuestro riguroso control de calidad y las pruebas en nuestras instalaciones de Canadian Solar garantizan los más altos estándares de calidad posible.

Características: Marco fuerte, pasando la prueba de carga mecánica 5400Pa, en lugar de las normales 2400Pa, para soportar la carga más pesada de nieve y vientos superiores • • •

Líderes en la industria de energía tolerancia: ± 5 W (± 2,5%) 25 años de garantía de rendimiento El primer fabricante en la industria de fotovoltaica en la aplicación de la norma ISO TS 16949 (Sistemas de Administración de Calidad Automotriz) en la producción de módulos.

9. http://www.alternativasolar.com/catalog/product_info.php?products_id=500

108

Garantías y certificados Calificado ISO17025 en las pruebas de laboratorio del fabricante, y estándares IEC, TUV, UL. IEC 61215, IEC 61730, TUV Safety Class II, UL 1703, CE ISO9001:2000: Standards for quality management systems ISO/TS16949:2002: The automotive quality management system QC080000 HSPM: The Certification for Hazardous Substances Regulations

Especificaciones: Datos técnicos CS6P-200 Potencia máx. (Pmax) según STC1 200 W ± 5 % Tensión MPP (Vmpp) 28.9 V Corriente MPP (Impp) 6.93 A Tensión en circuito abierto (Voc) 36.2 V Corriente de cortocircuito (Isc) 7.68 A Temperatura de Operación: -40°C a + 85°C Coeficiente de temperatura (Pmpp) -0,45 %/°C Coeficiente de temperatura (Voc) -0,35% /°C Coeficiente de temperatura (Isc) 0.060% /°C Tensión máx. del sistema 1.000 V

Dimensiones y Peso: Largo: 1638mm, Ancho: 982mm, Grueso: 40mm Peso: 18.5kg (40.8 lbs)

109

Figura 64. Dimensiones del panel solar. 22

Figura 65. Curvas de I – V del Panel Solar. 22

22. http://www.conermex.com.mx/files/file/HojasTecnicas/01_Modulos/CSI-200_cs6p.pdf

110

Batería Sellada (Ca - Le – SOLAR/ CONERMEX) Libre de Mantenimiento 12V 115Ah

Figura 66. Batería solar. 9

La batería CA-LE SOLAR es libre de mantenimiento para aplicaciones de ciclo profundo. Diseñadas específicamente para aplicaciones de almacenamiento de energía.

Información general La orientación de la batería es hacia arriba. Las baterías pueden ser conectadas en serie y paralelo para obtener el voltaje y la intensidad de los requerimientos de descarga. El ciclo de vida depende de los parámetros de carga. (CA-LE puede proporcionar asistencia). La carga de igualación puede ser necesaria en intervalos mensuales si la intensidad de descarga es mayor que el 40 %. Las baterías deben ser protegidas del calor excesivo.

Características: - Plomo calcio en parrilla positiva y negativa. - Placas 13 % más gruesas que dan una mejor resistencia al ciclado. - Pasta positiva de alta densidad para alargar la durabilidad. - Parrillas de metal expandido 11 % más gruesas, forjadas en frío. - Placas encapsuladas con separador de polietileno. - 430 cc de reserva de electrolito por celda. - Caja y tapa de polipropileno de alto impacto. - Arrestador de flama para seguridad. - Terminales roscadas de 3/8” de acero inoxidable.

Especificaciones de la batería Voltaje nominal: 12 V Largo: 330.2 mm (13.0”) Ancho: 172 mm (6.8”) Altura: 217.8 mm (8.6”) Altura total: 240.3 mm (9.5”) Peso: 27.3 Kg. (60.2 lbs) Capacidad: 115 AH a 100 horas de descarga Número de Placas: 17 9. http://www.alternativasolar.com/catalog/product_info.php?products_id=500

111

Parámetros del controlador de carga Fijación del punto de regularización (VR) 14.5 V +/- .2 El voltaje máximo que el controlador permite alcanzar a la batería. Histéresis de regularización (VHR) 13.5 V Capacidad: 600 W

Figura 67. Gabinete para Baterías. 9

Gabinete de plástico profesional para 1 batería, resistente a la corrosión, con salidas de ventilación, salida de cableado, cinto de seguridad, contención de derrames y agarraderas. Garantía de 10 años.

Figura 68. Inversor HP600-TD-MEX-0510. 21

Inversor de corriente de 600 watts de potencia continua y 1.500 watts máximo instantáneo. Cuenta con botón de encendido, luces indicadoras de encendido y falla y cables de conexión a batería. El inversor HP 600 tiene una corriente en espera baja (menor a 0.5 amperes) que ahorra energía al estar en vacío, así como una eficiencia superior al 85 % permitiendo obtener el máximo rendimiento de energía de su sistema. El inversor HP 600 cuenta también con alarma audible de advertencia de batería baja, sobre temperatura y sobrecarga. Se pueden conectar los siguientes aparatos al inversor HP 600 o cualquier otro que sea de un rango de potencia de hasta 600 watts. 9. http://www.alternativasolar.com/catalog/product_info.php?products_id=500 21. http://www.conermex.com.mx/files/file/HojasTecnicas/04_Inversores/

112

1 Televisor B/N o color

1 Reproductor de DVD

1 Computadora portátil

1 Mini-componentes

1 Impresora

1 Ventilador

1 Radio-grabadora

1 Licuadora

1 Reproductor de video

1 Taladro

Datos técnicos de HP600-TD-MEX-0510 Potencia de salida 600 W de potencia continua/1,500 W de potencia máxima Corriente en espera < 0,5 A @12 VDC Voltaje de entrada 10V~15 VDC Voltaje de salida 120 VCA Forma de onda de salida Onda sinusoidal modificada en ancho de pulso Eficiencia Superior al 85 % Autorevisión de encendido Función que autodetecta algún error en batería Regulación de voltaje de salida ± 5 % AVR Inteligente Frecuencia de salida 60 Hz Controlado por cristal Enfriamiento Ventilador con operación automática

Protecciones: Salida Protección de cortocircuito a la salida Batería baja < 10.5 V ± 0.5 V (pre-alarma), < 9.5 V ± 0.5 V (alarma de apagado) Sobretemperatura > 60 ºC con pre-alarma, > 65 ºC Apagado con alarma Sobrecarga > 650 W (pre-alarma), > 700 W Apagado con alarma Protección contra inversión de polaridad Mediante fusible Fusible 12 VCD: 25A x 3 Piezas.

113

Contacto de salida de CA 2 contactos Dimensiones (L x A x A) 190 x 113 x 62 mm Peso neto 1.5 kg

Figura 69. Controlador de Carga (ProStar/CONERMEX). 9

El regulador solar de rango medio ProStar de Morningstar ha demostrado, a lo largo de los años, ser un producto muy conveniente para aplicaciones domesticas y profesionales

Características del producto Versiones disponibles: 15 o 30 A 12/24 V, o 15 A 48 V Tensión de regulación 14.15 V Vida útil estimada de 15 años Carga de la batería por PWM (modulación de la anchura del pulso) Compensación de temperatura Selección de batería: gel, sellada o de plomo ácido Control y medición de alta precisión Jumper para eliminar el ruido de telecomunicación Conexión en paralelo hasta 300 A

9. http://www.alternativasolar.com/catalog/product_info.php?products_id=500

114

Tropicalización: recubrimiento conforme, fijadores de acero inoxidable y disipador de calor de aluminio anodizado Sin conmutación o medición en el ramal puesto a tierra Componentes de 100 % estado sólido Caídas de tensión muy bajas Protección contra descarga profunda (LVD) con compensación de corriente LEDs para estado y fallos de la batería Soporta sobrecargas de 25 % Terminales remotos con sensores de tensión de la batería

Cables de conexión Los cables de conexión para instalar el sistema fotovoltaico son del TIPO THW y TW. Cable THW del calibre 8 de 100m $ 1160.00 Cable TW del calibre 12 de 100m

$ 515.00

Interruptor Termomagnético ($ 252.00) v. 2 polos vi. 2 X 30Amp

Switch para fusibles 30A ($ 446.00) vii. 2 polos viii. 2X 30Amp

Mano de Obra ix. 4 Ingenieros Electricistas x. 4 Técnicos Electricistas

115

Bastidor de Aluminio Para 3 módulos de 200W

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

116

Estudió Económico del Proyecto Elemento Panel solar Canadian / CONERMEX 200W, policristalino Baterías Cale –Solar / CONERMEX 12V, 115Ah Gabinete para Batería CONERMEX Inversores CONERMEX 600W, 12VCD, 120VAC Controlador d e Carga CONERMEX 12/24V, 1A Interruptor Termomagnético SIEMENS 1P, 20A Soportes tubulares de hierro de 2 X 2inch para módulos de 200W puesta en obra Cableado de 100m THW, Cal. 6 IUSA Cableado del TW cal. 12 IUSA Switch para fusibles 30ª Ingeniero electricista

Costo en dólares

Costo en pesos

Cantidad

Costo Total

$ 729.69

$ 9665.47

3 Paneles

$ 28,996.42

$ 109.69

$ 1452.95

7 Baterías

$10,170.67

$15.00

$198.69

7 Gabinetes

$1,390.83

$ 55.29

$ 732.37

1 Inversor

$732.37

$ 82.80

$ 1096.76

1 Controlador de carga

$ 1,096.76

$ 62.95

$ 833.83

1 Interruptor Termomagnético

$ 833.835

$362.37

$4800

1 soporte

$ 4,800.00

$88.00

$1,160.00

Carrete de 100m

$1,160.00

$38.87

$515.00

Carrete de 100m

$515.00

$33.67

$446.00

1

$446.00

$38.00

4

$2,000.00

4

$932.00

Material extra

$6,926.00

Técnico electricista

$18.00

Costos Complementarios Resultado Total

$522.88

$200 a $500 por día $100 a $233 por día $6926.00

$1,634.33

$21,648.33

Tabla 13. Costos del proyecto 117

$60,000.00

Explicación del estudio económico Al observar el estudio económico del trabajo concluimos que es factible llevarlo acabo porque al analizar la situación por la que esta pasando el país con respecto a liquidar a la Compañía de Luz y Fuerza del Centro nos parece muy difícil poder electrificar la comunidad de Cañada Colorada del municipio de Apaxco, Estado de México porque para ello es necesario invertir mucho dinero el cual tiene, por ahora, destinado para otros fines, considerando que esta empresa pudiera retomar sus funciones, para lo cual al menos transcurrirá un largo tiempo. Además se tendría que iniciar la solicitud de suministro de energía ante CFE que también llevaría un tiempo y se repetiría la situación de la incosteabilidad, a causa la gran inversión para el beneficio de pocas familias, lo cual refuerza la viabilidad de nuestro proyecto.

118

CONCLUSIÓN DEL PROYECTO El trabajo realizado consiste en solucionar el problema del suministro de energía eléctrica en la comunidad de Cañada Colorada, que se encuentra localizada en el municipio de Apaxco Estado de México, la cual no cuenta con este fluido en pleno siglo XXI, sinónimo de desarrollo para el hombre. En dicho trabajo se incluyeron los siguientes puntos: a) Conocer las características principales y los beneficios que nos ofrece la energía fotovoltaica. b) Aplicar la energía fotovoltaica para solucionar la necesidad de electrificación en comunidades rurales como Cañada Colorada c) Observar los resultados y beneficios que se obtendrán si se realizara este proyecto en la comunidad mencionada anteriormente, entre los cuales podemos mencionar: seguridad, comunicación, educación, conservación de alimentos y recreación. El estudio, además nos permite visualizar que es posible utilizar con éxito fuentes alternativas de energía eléctrica, para ayudar a la conservación del medio ambiente. Así mismo nos hemos preocupado por efectuar una gestión en SEDESOL con la idea de obtener recursos económicos ($1,300,000.00) para la adquisición del equipo y con ello electrificar inicialmente 28 viviendas del poblado de Cañada Colorada, motivo de este trabajo. A la fecha se espera obtener dichos recursos para aplicar el estudio y con ello electrificar dicha comunidad cabe destacar que el costo total es de $1,680000.00 faltando $368000.00 que se buscaran patrocinar por medio de donativos, asociaciones civiles municipales, personas de la misma comunidad También en esta conclusión deseamos como egresados de la ESIME e INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL manifestar nuestro compromiso social para retribuir a la sociedad el apoyo recibido en nuestra formación profesional, por ello efectuamos este tipo de estudio en beneficio de Cañada Colorada

119

GLOSARIO TÉCNICO Acumulador: Elemento de instalación capaz de almacenar la energía eléctrica, transformándola en energía química. Se compone de diversas baterías conectadas entre sí en serie o en paralelo. Amperio-hora: Unidad usada para especificar la capacidad de una batería. Balance de Sistema (BOS): Representa el resto de componentes del sistema, añadidos a los módulos fotovoltaicos. Baterías: Acumulan la energía que reciben de los paneles. Cuando hay consumo, la electricidad la proporciona directamente la batería y no los paneles. Diodo de bloqueo: Diodo que impide que se invierta la corriente en un circuito. Normalmente es usado para evitar la descarga de la batería. Caja de Conexiones: Elemento donde las series de módulos fotovoltaicos son conectados eléctricamente y donde puede colocarse el dispositivo de protección, si es necesario. Célula Fotovoltaica: Unidad básica del sistema fotovoltaico donde se produce la transformación de la luz solar en energía eléctrica. Central Fotovoltaica: Conjunto de instalaciones destinadas al suministro de energía eléctrica a la red mediante el empleo de sistemas fotovoltaicos a gran escala. Concentrador: Dispositivo que mediante distintos sistemas, concentra la radiación solar sobre las células fotovoltaicas. Contador: El contador principal mide la energía producida (kWh) y enviada a la red, para que pueda ser facturada a la compañía a los precios autorizados. El contador secundario mide los pequeños consumos de los equipos fotovoltaicos (kWh) para descontarlos de la energía producida. Controlador de Carga: Componente del sistema fotovoltaico que controla el estado de carga de la batería. Convertidor Continua - Continua: Elemento de la instalación encargado de adecuar la tensión que suministra el generador fotovoltaico a la tensión que requieran los equipos para su funcionamiento. Dimensionado: Proceso por el cual se estima el tamaño de una instalación de energía solar fotovoltaica para atender unas necesidades determinadas con unas condiciones meteorológicas dadas.

120

Integración en edificios: Término que se refiere al diseño e integración fotovoltaica en el desarrollo de edificios, normalmente reemplazando los materiales que convencionalmente se emplean en los edificios. Efecto Fotovoltaico: Conversión directa de la energía luminosa en energía eléctrica. Eficiencia: En lo que respecta a células solares, es el porcentaje de energía solar que es transformada en energía eléctrica por la célula. En función de la tecnología y la producción técnica, ésta varía entre un 5% y un 30%. Electrolito: En el caso de las baterías empleadas en sistemas fotovoltaicos, es una solución diluida de ácido sulfúrico en la que se verifican los distintos procesos que permiten la carga y descarga de la batería. Estructura de soporte: Conjunto de elementos sobre los que se fijan mecánicamente los paneles fotovoltaicos para construir una planta fotovoltaica y, cuyas funciones son cargar el peso de los paneles y proporcionar una adecuada orientación e inclinación. Fotón: Cada una de las partículas que componen la luz. Fotovoltaico (FV): Relativo a la generación de fuerza electromotriz por la acción de la luz. Generador: Conjunto de todos los elementos que componen una instalación fotovoltaica, necesarios para suministrar energía a las distintas aplicaciones. Transforma la energía del Sol en energía eléctrica y carga las baterías. Inclinación: Ángulo que forma el panel fotovoltaico con una superficie perfectamente horizontal o a nivel. Inversor: Equipo electrónico que convierte la corriente continua generada por los paneles fotovoltaicos en corriente alterna. Es necesario para conectar una planta fotovoltaica a la red eléctrica de distribución general. Kilovatio (kW): Unidad de potencia equivalente a 1000 vatios. Mantenimiento preventivo: Conjunto de acciones destinadas a prevenir la aparición de fallos que afecten a la producción de energía de la planta fotovoltaica. Mantenimiento correctivo: Conjunto de acciones ejecutadas para subsanar una disfunción o fallo que afecte a la producción de energía de la planta. Módulo fotovoltaico: Conjunto de células fotovoltaicas, generalmente construidas a base de silicio, unidas eléctricamente y encapsuladas en una sola unidad capaz de ser manipulada y conectada a un sistema de generación de energía eléctrica. Nominal Operating Cell Temperature (NOCT): Temperatura a la que trabaja una célula en un módulo bajo las Condiciones de Operación Estándar, que son: 20º Centígrados de

121

temperatura ambiente, irradiación de 0.8 kW/m2 y velocidad media del viento de 1 m/s, con el viento orientado en paralelo al plano de la estructura y todos los lados de la estructura totalmente expuestos al viento. Orientación: Ángulo de orientación respecto al Sur Solar de la superficie de un panel. El Sur geográfico (o real) no debe confundirse con el magnético, que es el que señala la brújula, aunque en el caso de España la diferencia no suponga grandes desviaciones. Panel fotovoltaico: Dispositivo electrónico que transforma la energía solar en energía eléctrica. Punto de máxima potencia de un Panel: Potencia que suministra un panel fotovoltaico cuando el producto de la tensión por la intensidad es máximo. Planta fotovoltaica: En un sentido amplio, es un conjunto de módulos o paneles fotovoltaicos, conectados eléctricamente entre sí, generando energía eléctrica de forma coordinada. En lo concerniente a este contrato, al inyectarse la energía generada por la planta fotovoltaica en la red eléctrica de distribución general, se deben incluir en la definición algunos elementos adicionales. Así pues, planta fotovoltaica se refiere al conjunto de paneles, cables, estructuras de soporte así como todos los equipos electrónicos necesarios para generar energía e inyectarla en la red eléctrica de distribución. Plataforma fotovoltaica: Conjunto de plantas fotovoltaicas, agrupadas en un mismo ámbito geográfico, conectadas a un mismo transformador. Potencia nominal de una planta: La legislación vigente mide la potencia nominal de una planta fotovoltaica en base a la potencia a la que es capaz de operar el inversor que la conecta a la red eléctrica de distribución. Así pues, una planta fotovoltaica con 100 kW de potencia nominal es, a efectos legales, aquella que emplea un inversor de esa potencia. Potencia instalada o pico de una planta: Consiste en la potencia real instalada calculada a partir de la potencia máxima o capacidad de producción máxima de la sumatoria de la totalidad de los paneles solares que la componen, y que generalmente es mayor a la potencia nominal. Radiación Solar: Cantidad de energía procedente del sol que se recibe en una superficie y tiempo determinados. Regulador: Véase Controlador de Carga. Rendimiento: Es la relación que existe entre la energía que realmente transforma en energía útil y la que requiere un determinado equipo para su funcionamiento. Silicio: Elemento químico del que, de forma básica, se componen las células de un panel solar. Es de naturaleza prácticamente metálica, gris oscuro y de excelentes propiedades semiconductoras.

122

Sistema Aislado o Remoto: Sistema fotovoltaico autónomo, no conectado a red. Estos sistemas requieren baterías u otras formas de acumulación. Suelen utilizarse en lugares remotos o de difícil acceso. Sistema Conectado a Red: Sistema fotovoltaico que actúa como una central generadora de electricidad, suministrando energía a la red. Sistema Híbrido: Sistema fotovoltaico que incluye otras fuentes que generan electricidad, tales como generadores eólicos o grupos electrógenos. Tensión de un Circuito Abierto: Es la diferencia de potencial medida entre dos extremos de un circuito eléctrico, cuando éste está abierto y sin carga. Tensión Nominal: Diferencia de potencial específica, para la que se diseña un equipo o una instalación. Se llama nominal porque la tensión puede variar por distintas circunstancias durante la operación. Transformador: Equipo electromagnético que convierte la corriente alterna de baja tensión a media tensión. Es necesario para conectar una planta fotovoltaica a la red eléctrica de media tensión y distribución general. Vatio (W): Unidad de potencia eléctrica que equivalente a un julio por segundo. Vatio Pico: Unidad de potencia que hace referencia al producto de la tensión por la intensidad (potencia pico) del panel fotovoltaico en unas condiciones estándares de medida (STC). Voltaje: Anglicismo del término Tensión. Voltio (V): Unidad de potencial eléctrico y fuerza electromotriz, equivalente a la diferencia de potencial que hay entre dos puntos de un conductor cuando al transportar entre ellos un coulomb, se realiza el trabajo de un julio.

123

Ec = Energía consumida diariamente por las cargas (Whr/día)

Wh/d = Watts hora por día Pn = Potencia de cada una de las cargas (W) t n = Tiempo de uso de un aparato eléctrico (hrs.) Wh = Watts – hora

M = Número de módulos solares Fs = Factor de sobre dimensionamiento del sistema fotovoltaico (Se sobre dimensiona 10% a 20% Fs = 1.1 a 1.2). Im = Corriente máxima del módulo solar (máxima insolación 1Kw/m2) Vm = Tensión máxima de operación del módulo solar (No confundirlo con el voltaje de baterías). Hp o HSP = Radiación de la localidad en el mes de menor insolación expresada horas máximas de insolación. NInv. = Eficiencia del inversor o factor de potencia CD/CA en caso de que el equipo opere en: C.A. valores típicos 0.8 a 0.9, C.D. valor es de 1 NBat = Eficiencia de carga de la batería de 0.87 a 0.9 valor recomendado es de “0.81” CB = Capacidad del banco de baterías Au = Autonomía deseada en el banco de baterías (días) varía entre 4 días con buena insolación y hasta 6 días para lugares nublados. VB = Voltaje nominal al cual trabajara el banco de baterías. FU = Fracción de la capacidad total de la batería que se usa para dar la autonomía de diseño del sistema evitando que las baterías se descargan totalmente. Fu = 0.5 baterías de placa delgada y 0.8 baterías de placa gruesa 124

Fi = Factor de incremento de la capacidad de la batería respecto a su valor nominal NB = Número de baterías que se necesitan CR = Capacidad de energía requerida para funcionar en días nublados (Ah) CB = Capacidad de la batería (Ah) I max = Corriente máxima del controlador de carga (A) I SC = Corriente de corto circuito del panel solar (A) INV = Potencia del inversor (W) VCD = Tensión de corriente directa VAC = Tensión de corriente alterna A = Es el área del conductor (m2)

ρ = Resistividad del cobre 0.01785Ωmm2/m2 I = Corriente del conductor (Amp.) A = Es el número de amperes en el circuito l = Longitud del conductor (m)

ΔE = Caída de tensión (V) e% = Caída de tensión (%) V = Tensión (V)

0.85 = Factor de ajuste para conductores expuestos a la radiación solar.

ρ = Resistividad del cobre 0.01785 Ωmm2/m2 ΔE = Caída de tensión (V) e% = Caída de tensión (%) V = Tensión (V)

AWG = Calibre americano para conductores 125

THW = Tipo de cable que es a prueba de temperatura, humedad y clima se utiliza a altas temperaturas (expuesto al sol). S = Sección transversal del conductor

ρ = Resistividad del conductor de cobre (0.01785 Ω mm2/m) σ = Conductividad del cobre (56) I T = Corriente total (A) I L = Corriente de línea (A) ∠ LAT = Ángulo de inclinación ∠ LAT = Ángulo de latitud

E = Tensión Nominal (V) V = Medida de la tensión F.P. = Factor de Potencia I = Corriente (A) A = Medida de la corriente IC = Corriente de circuito (A) IT = Corriente Total (A) IL= Corriente de línea (A) C1 = Circuito 1 C2 = Circuito 2 ET = Energía Diaria (W)

126

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. GARG, H. P. «Treatise on Solar Energy». Fundamentals of Solar Energy. Vol. 1: John Wiley & Sons, 1982. 2. DUFFIE, J. A. Y W. A. BECKMAN. Solar energy thermal processes. Madrid: Ed. Pergamon Press, 1996. 3. BÉRRIZ, L. «Cálculo de colectores e instalaciones solares». Informe científicotécnico No. 3. Academia de Ciencias de Cuba, 1977. 4. CAÑADA L. Y J. M. PINAZO. Energía solar fototérmica: fundamentos para su aprovechamiento. Tomo 2. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de 5. Valencia. Instituto de Nuevas Energías. Servicio de Publicaciones, España,1980. 6. YÁNEZ PARAREDA, GUILLERMO. Energía solar, edificación y clima (Elementos para la arquitectura solar). Ministerio de Obras y Urbanismo, Servicio de Publicaciones, t. 1, 1982. 7. Manual de Prácticas Recomendadas para proyectos de Sistemas Fotovoltaicos Independientes. Sandia National Laboratories, Nuevo México, E.U. 1990. Energía Solar Fotovoltaica. Ed. Orbis S.A. España, 1986 8. INFRASTRUCTURES DEL LEVANT DE BARCELONA SA, Front LitoralBesos, un nou impuls per Barcelona. Barcelona, 2004, 81 págs. ilustradas color. [Nota: Las fotografías y fotomontaje seleccionados de esta publicación de difusión, se reproducen en Revista Urbanismo digital con fines estrictamente culturales]. 9. JONES, David Lloyd. Arquitectura y entorno. El diseño de la construcción Bioclimática. 1ª edición en español. Editorial Blume, 2002. 256 págs. ISBN 8495939010. 10. THOMAS, Randall; FORDHAM, Max, Photovoltaics and Architecture. 1ª edición, Nueva York, Editorial Spon Press, imprint Taylor & Francis. March, 2001, 155 págs. ISBN 0415231825. 11. SARMIENTO, Pedro, Energía Solar. En arquitectura y construcción. 1ª edición, Viña del Mar. Ediciones Ingesol Ltda. 1999. 315 págs. Nº Inscripción 110682. 12. SARMIENTO, Pedro, Energía Solar. Aplicaciones e ingeniería. 3ª edición, Valparaíso. 1995. Ediciones Universitarias de Valparaíso de la Universidad Católica de Valparaíso. 261 págs. ISBN 956-17-0280-0 13. MANUAL TEÓRICO PRÁCTICO SOBRE LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS, HECTOR L. GASQUET, octubre del 2004.

127

FUENTES CONSULTADAS DE INTERNET 1. [email protected] 2. http://www.textoscientificos.com/energia/celulas 3. http://ciencia.nasa.gov/headlines/y2002/solarcells_spanisha.htm 4. http://www.portalsolar.com/energia-solar-paneles-solares.html 5. http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/RETScreen/ 6. http://www.monografias.com/trabajos61/sistema-hibrido-eolico-fotovoltaico /Image28031.jpg 7. http://saecsaenergiasolar.com/fotovoltaico/introduccion/fotos/f1.gif 8. http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/meie/martinez_h_d/capitulo2.pdf 9. http://www.alternativasolar.com/catalog/product_info.php?products_id=500 10. http://solar.nmsu.edu/wp_guide/energia.html 11. http://www.iie.org.mx/proyectofotovoltaico/preguntas.php#preg2 12. http://sustainable-tech.inf.um.es/informacion.html 13. http://www.foroconsultivo.org.mx/eventos_realizados/6o_innovacion/ponencias/rod olfo_martinez.pdf 14. http://www.inafed.gob.mx/work/templates/enciclo/mexico/mpios/15010a.htm 15. http://www.fondear.org/infonautic/Equipo_y_Usos/Electricidad_Energia/Paneles_S olares/Paneles_Solares.htm 16. http://podersolarmx.tripod.com/id11.html 17. http://inter.andresdiaz.net/Solar/Cap3.Efectos_sobre_la_Irradiacion_Proteccion.ppt# 262,4, 18. http://www.institucio.org/mestral/tecnotreball/centrasol.htm - 72k 19. http://es.wikipedia.org/wiki/limitador.html 20. http://saecsaenergiasolar.com/fotovoltaico/introduccion/ 21. http://www.conermex.com.mx/files/file/HojasTecnicas/04_Inversores/

128

22. http://www.conermex.com.mx/files/file/HojasTecnicas/01_Modulos/CSI200_cs6p.pdf 23. http://www.ebayanuncios.es/panel-solar-120w-monocristalino-para-12v/633124 24. http://www.erpt.net/tienda/c147.html 25. http://spanish.alibaba.com/product-gs/solar-panels-amorphous-solar-panelamorphous-solar-modules-220318870.html 26. http://www.epsea.org/esp/pdf2/Capit12.pdf 27. http://genc.iie.org.mx/genc/fotovoltaico/pdfs/Especificaciones%20tecnicas%20CFE .pdf 28. http://www.tecnicaindustrial.es/TIFrontal/a-2654-Calculo-instalacion-solarfotovoltaica-autonoma.aspx 29. http://www.enalmex.com/docpdf/libro/ch04a.pdf.pdf 30. http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia12/HTML/articulo06.htm 31. http://www.ieslacostera.org/electricitat/ISVE/Documents/Comunes/PROCESO%20 AISLADAS.pdf 32. http://feedjit.com/stats/solartronic.com/map/?x=30&y=38&w=160&h=94 33. http://www.minem.gob.pe/minem/archivos/file/Electricidad/eficiencia%20energetic a/guia%20de%20instalacion%20de%20sistemas%20fotovoltaicos%20dom.pdf 34. http://www.electricasas.com/electricidad/energia-solar/fotovoltaica-energia-solarelectricidad/calculos-para-un-sistema-basico-fotovoltaico-ejemplo/ 35. http://www.angelfire.com/electronic2/electronicaanalogica/celda.html 36. http://www.energiasrenovables.ciemat.es/?pid=2000&id_seccion=2 37. http://www.anes.org/publicaciones/informes/informe2005.pdf 38. http://www.censolar.es/Pareja Aparicio Miguel, energía solar fotovoltaica cálculo de una instalación aislada, Ed. Marcombo 2008 39. http://www.geaconsultores.com/documentos/energiaF/FV_Anexo1.pdf (DICCIONARIO EN INGLES)

129

Anexo 1. Lista de preguntas

1.- ¿Tienen Energía Eléctrica?

Si ( ) Pasar a la pregunta 2

NO ( ) Continuar con la encuesta

a)¿Por qué no tienen energía eléctrica?______________________________________________

b) ¿Les han ofrecido energía eléctrica?

Si ( )

NO ( )

c) ¿Qué problemas tienen al no tener este servicio? Anote tres problemas

_________________________________________________________

_________________________________________________________

_________________________________________________________

d) ¿Utilizan velas para iluminarse en la oscuridad?

Si ( )

NO ( )

e) ¿Cada cuándo tienen que comprar velas? _________________________________________

f) ¿Cuánto gastan frecuentemente a la semana en velas? ______________________________

g) ¿Utiliza lámparas de pilas para iluminarse en la oscuridad?

Si ( )

NO ( )

h) ¿Cada cuándo tienen que comprar pilas para las lámparas? ___________________________

i) ¿Cuánto gastan frecuentemente a la semana en pilas?_______________________________

j) ¿De qué forma mantienen los alimentos frescos? ____________________________________

k) ¿Mantienen frescos los alimentos con hielo?

Si ( )

l) ¿De qué forma se encuentran comunicados con el municipio para alguna emergencia? ____________________________________________________

130

NO ( )

m) Aparatos que utilizarían si se les suministrara el servicio de energía eléctrica: -

Lámparas

Si ( )

NO ( )

-

Plancha

Si ( )

NO ( )

-

Refrigerador

Si ( )

NO ( )

-

Televisión

Si ( )

NO ( )

-

Radio

Si ( )

NO ( )

-

Bomba de agua

Si ( )

NO ( )

-

Licuadora

Si ( )

NO ( )

2.- ¿Cuenta con energía eléctrica temporal

Si ( )

NO ( )

a) ¿La luz es suministrada por intervalos de tiempo?

Si ( )

NO ( )

b) ¿El servicio eléctrico es interrumpido muy frecuentemente?

Si ( )

NO ( )

c) ¿Cuándo el servicio eléctrico es interrumpido tarda mucho en regresar?

Si ( )

NO ( )

d) ¿Cuándo regresa la luz, llega con mucha intensidad?

Si ( )

NO ( )

f) ¿Ha tenido variaciones de luz?

Si ( )

NO ( )

g) ¿Ha llegado a utilizar lámparas ahorradoras?

Si ( )

NO ( )

h) ¿Cuánto tiempo les duran las lámparas funcionando?________________________________________

i) ¿Cuánto gastan en lámparas al año?_____________________________________________________

j) ¿Qué aparatos electrodomésticos utilizan con mayor frecuencia?

____________________________________________________________________________________ 3.- ¿Obtienen energía eléctrica por algún otro medio?

Si ( )

NO ( )

4.- ¿Cual es? _________________________________________________________________________

5.- En caso de no contar con energía eléctrica ¿le gustaría tenerla?

131

Si ( )

NO ( )

Anexo 2. Mapa y Croquis de Cañada Colorada 1

Figura 1. Mapa de la Comunidad Cañada Colorada (Google Earth.com, 2009) Nota. Los puntos rojos indica la localización de cada una de las casas de las familias de Cañada Colorada las cuales necesitan electricidad identificándolas con el nombre de la persona quien habita la casa.

Figura 2. Croquis de Cañada Colorada 1 1. [email protected]

132

ANEXO 3 FOTOGRAFÍAS DEL PROYECTO

Fotografía 1. Casa estándar de Fabián López

Fotografía 2. Parte trasera de la casa estándar. 133

Fotografía 3. Parte interior de la casa.

Fotografía 4. Parte interior de la casa.

134

Fotografía 5. Fuente de energía eléctrica.

Fotografía 6. Medio de iluminación. 135

Fotografía 7. Ing. Enrique Morales.

Fotografía 8. Ing. José Carrillo.

136

Fotografía 9. Casa rural de Timoteo Chávez.

Fotografía 10. Casa rural de Crispín Reyes.

137

Fotografía 11. Flora de Cañada Colorada.

Fotografía 12. Viviendas aisladas. 138

Fotografía 13. Camino de la Esperanza.

Fotografía 14. Suelos semiáridos.

139

Fotografía 15. Vegetación.

Fotografía 16. Nopaleras.

140

Fotografía 17. Sembradíos.

Fotografía 18. Cultivos de maíz. 141

Anexo 4

NORMAS MEXICANAS 001- SEDE- 2005 ARTICULO 690-SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS A. Disposiciones generales 690-1. Alcance. Lo dispuesto en este Artículo se aplica a sistemas eléctricos de energía fotovoltaica incluyendo circuitos del sistema, unidades de acondicionamiento de potencia y controladores para tales sistemas. Los sistemas solares fotovoltaicos cubiertos por este Artículo pueden ser interactivos con otras fuentes de producción de energía eléctrica o autónomos, con o sin almacenamiento de energía eléctrica, como baterías. Estos sistemas pueden tener salidas para utilización en C.A. o C.C. A: Medios de desconexión requeridos en 690-13. B: Equipo permitido que debe estar en el lado de la fuente fotovoltaica de los medios de desconexión de dicha fuente, según se indica en la excepción 2 de 690-14. Véase 690-16

FIGURA 690-1 Sistema solar fotovoltaico (Diagrama simplificado, no se muestra el circuito de puesta a tierra del sistema)

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690-2. Definiciones Celda solar fotovoltaica: El dispositivo fotovoltaico básico que genera energía eléctrica cuando es expuesto a la luz solar. Circuito de la fuente fotovoltaica: Los conductores entre módulos y desde los módulos hasta el o los puntos de conexión común del sistema de C.C. Véase la Figura 690-1. Circuito de salida fotovoltaica: Los conductores del circuito entre el o los circuitos de la fuente fotovoltaica y el inversor o el equipo de utilización de C.C. Véase la Figura 690-1. Controlador de carga: Dispositivo que controla el régimen y la condición de carga de las baterías, protegiéndolas contra sobrecargas y descargas que excedan sus límites de operación normal. Diodo de bloqueo: Un diodo usado para impedir el flujo inverso de corriente eléctrica hacia el circuito de la fuente fotovoltaica. Fuente de energía fotovoltaica: Un sistema o agregado de sistemas, los cuales generan energía en C.C. a la tensión y corriente eléctricas del sistema. Inversor: Equipo que es usado para cambiar el nivel de tensión eléctrica de la energía, su forma de onda o ambos. Usualmente un inversor (también conocido como unidad de acondicionamiento de potencia o sistema de conversión de potencia) es un dispositivo que cambia una entrada de C.C. a una salida de C.A. Los inversores en sistemas autónomos pueden incluir también cargadores de baterías que toman la C.A. de una fuente auxiliar, como un generador, y la rectifican a C.C. para cargar baterías. Inversor: Circuito de entrada: Los conductores entre el inversor y las baterías en un sistema autónomo o los conductores entre el inversor y los circuitos de salida fotovoltaica en sistemas interconectados a la red. Inversor: Circuito de salida: Los conductores entre el inversor y el tablero de cargas de C.A. en un sistema autónomo, o los conductores entre el inversor y el equipo de acometida u otra fuente de producción de energía eléctrica tal como la compañía suministradora, en sistemas interconectados a la red. Véase la Figura 690-1. Módulo: El ensamble completo más pequeño de celdas solares, protegido del ambiente, con su óptica y otros componentes excluyendo el dispositivo de seguimiento, diseñado para generar C.C. por la acción de la luz solar. Panel: Un conjunto de módulos unidos mecánica y eléctricamente, diseñado para manejarse como una unidad instalable en campo.

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Sistema: Un ensamble mecánicamente integrado de módulos o paneles con una estructura soporte y cimentación, seguimiento solar, control térmico, y otros componentes, según se requieran para formar una unidad de producción de energía en C.C. Sistema autónomo: Un sistema solar fotovoltaico que abastece energía en forma independiente de otras fuentes de energía. Sistema interactivo: Un sistema solar fotovoltaico que opera en paralelo con otra fuente de producción de energía eléctrica conectada a la misma carga y que puede estar diseñado para entregar energía a dicha fuente. Para el propósito de esta definición, un subsistema de almacenamiento de energía de un sistema solar fotovoltaico, tal como una batería, no es otra fuente de producción de potencia eléctrica. Sistema solar fotovoltaico: El total de componentes y subsistemas que, en combinación, convierten la energía solar en energía eléctrica apropiada para la conexión a una carga de utilización. 690-3. Otros Artículos. Cuando los requisitos de otros Artículos de esta norma y el Artículo 690 difieran, deben aplicarse los requisitos indicados en el Artículo 690. Los sistemas solares fotovoltaicos que operan como fuentes interconectadas de producción de energía deben instalarse de acuerdo a lo dispuesto en el Artículo 705.

690-4. Instalación a) Sistema Fotovoltaico. Se permite que un sistema solar fotovoltaico suministre energía a una edificación u otra estructura, en adición a cualquier acometida de otros sistemas de suministro de energía eléctrica. b) Conductores de Sistemas Diferentes. Los circuitos de la fuente fotovoltaica y los circuitos de salida fotovoltaica no deben estar contenidos en la misma canalización, charola, cables, cajas de salida o cajas de empalme o accesorios similares, junto con los circuitos alimentadores o derivados de otros sistemas. Excepción: Cuando los conductores de diferentes sistemas están separados por una división o se conecten juntos. c) Conexiones de módulos. Las conexiones a un módulo o panel deben estar dispuestas de tal manera que al remover un módulo o panel de un circuito de la fuente fotovoltaica no se interrumpa al conductor puesto a tierra de otro circuito de la fuente fotovoltaica. d) Equipo. Los inversores o motogeneradores deben estar aprobados e identificados para uso en sistemas fotovoltaicos. e) Montaje de Módulos. Cuando la estructura y los materiales de la edificación a la que suministra energía el sistema fotovoltaico no tengan la resistencia mecánica necesaria, los módulos deben montarse en una estructura independiente que les dé el soporte y la

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orientación necesarios, asegurando su adecuada ventilación. En todo caso, el cable de acometida entre el sistema fotovoltaico y la edificación debe quedar adecuadamente protegido contra posible daño físico. 690-5. Detección e interrupción de fallas a tierra. Los sistemas fotovoltaicos montados en techos de casas habitación deben tener protección contra fallas a tierra para reducir el riesgo de incendio. El circuito de protección contra falla a tierra debe ser capaz de detectar una falla a tierra, interrumpiendo la trayectoria de la falla y desconectando el sistema.

B. Requisitos para los circuitos 690-7. Tensión eléctrica máxima a) Capacidad de tensión eléctrica. En una fuente de energía fotovoltaica y sus circuitos de C.C., la tensión eléctrica considerada debe ser la del circuito abierto especificada. Para instalaciones de tres hilos, incluyendo circuitos de dos hilos conectados a sistemas de tres hilos, la tensión eléctrica del sistema debe ser la más alta entre dos conductores. b) Circuitos de utilización de C.C. La tensión eléctrica de los circuitos de utilización de C.C. debe de apegarse a lo indicado en 210-6. c) Circuitos de la fuente y salida fotovoltaica. Se permite operar hasta 600 V los circuitos de la fuente fotovoltaica y los circuitos de salida fotovoltaica que no incluyan portalámparas, ni artefactos para lámparas ni receptáculos. Excepción: Para instalaciones que no sean viviendas para una o dos familias, se permiten sistemas de más de 600 V nominales, de acuerdo con lo indicado en el Artículo 710. d) Circuitos a más de 150 V a tierra. En casas habitación de una o 2 familias, las partes vivas de los circuitos de la fuente fotovoltaica y de los circuitos de salida fotovoltaica a más de 150 V a tierra no deben estar accesibles mientras están energizados, excepto a personal calificado. NOTA - Véase 110-17 para la protección de partes vivas y 210-6 para la tensión eléctrica a tierra y entre conductores. 690-8. Dimensionamiento y capacidad de conducción de corriente eléctrica de los circuitos a) Capacidad de conducción de corriente eléctrica y dispositivos de protección contra sobrecorriente. La capacidad de conducción de corriente eléctrica de los conductores y la especificación o ajuste de los dispositivos de protección contra sobrecorriente en un circuito de un sistema solar fotovoltaico no deben ser menores a 125% de la corriente eléctrica calculada de acuerdo al inciso (b) siguiente.

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La especificación o ajuste de los dispositivos de protección contra sobrecorriente deben estar de acuerdo con lo indicado en 240-3, (b) y (c). Excepción: Los circuitos que contengan un ensamble cuyo conjunto de dispositivos de protección contra sobrecorriente están especificados para operación continua a 100% de su capacidad. b) Cálculo de la corriente eléctrica de los circuitos. La corriente eléctrica para cada circuito individual debe calcularse como sigue: 1) Circuitos de la fuente fotovoltaica. La suma de la corriente eléctrica especificada de corto circuito de los módulos en paralelo. 2) Circuito de salida fotovoltaica. La corriente eléctrica especificada de corto circuito de la fuente de energía fotovoltaica. 3) Circuito de salida del inversor. La corriente eléctrica de salida especificada del inversor o de la unidad de acondicionamiento de potencia. Excepción: Cuando no exista una fuente de energía externa que pueda ocasionar un regreso de corriente eléctrica, la capacidad de conducción de corriente de los conductores del circuito sin dispositivos de protección contra sobrecorriente no debe ser menor que la corriente eléctrica de cortocircuito. 4) Circuito de entrada de un inversor autónomo. La corriente eléctrica especificada de entrada del inversor autónomo cuando el inversor está produciendo su potencia especificada a la menor tensión eléctrica de entrada. c) Sistemas con tensiones eléctricas múltiples de C.C. En una fuente fotovoltaica que tiene múltiples tensiones eléctricas de salida y que emplea un conductor común de retorno, la capacidad de conducción de corriente del conductor de retorno no debe ser menor que la suma de las capacidades de los dispositivos de protección contra sobrecorriente de los circuitos individuales de salida. 690-9. Protección contra sobrecorriente a) Circuitos y Equipos. Los conductores y equipos del circuito de la fuente fotovoltaica, del circuito de la salida fotovoltaica, del circuito de salida de la unidad de acondicionamiento de potencia y del circuito de la batería de almacenamiento deben estar protegidos de acuerdo con los requisitos establecidos en el Artículo 240. Los circuitos conectados a más de una fuente de energía eléctrica deben tener dispositivos de protección contra sobrecorriente localizados de tal manera que brinden protección desde cualquiera de las fuentes. NOTA - Un posible regreso de corriente eléctrica desde cualquiera de las fuentes de alimentación, incluyendo una alimentación a través de la unidad de acondicionamiento de potencia hacia el circuito de salida fotovoltaica y hacia los circuitos de la fuente

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fotovoltaica, deben considerarse para determinar si se está suministrando protección adecuada contra sobrecorriente, desde todas las fuentes hacia los conductores y módulos. b) Transformadores. Se debe suministrar protección contra sobrecorriente para un transformador con una o varias fuentes en cada lado del mismo, de acuerdo con lo indicado en 450-3, considerando como primario primero un lado del transformador y luego el otro lado. Excepción: En un transformador que tenga una corriente eléctrica nominal en el lado conectado hacia la fuente de alimentación fotovoltaica no menor que la corriente eléctrica nominal de corto circuito de salida de la unidad de acondicionamiento de energía, se permite que no tenga protección contra sobrecorriente desde dicha fuente. c) Circuitos de la fuente fotovoltaica. Se permite que los dispositivos de protección contra sobrecorriente de circuitos derivados o suplementarios provean protección en circuitos de la fuente fotovoltaica. Los dispositivos de protección deben ser accesibles pero no es necesario que estén expuestos. d) Capacidad en C.C. Los dispositivos de protección contra sobrecorriente, empleados en cualquier porción en C.C. del sistema de energía fotovoltaica, ya sean fusibles o interruptores automáticos, deben estar aprobados para uso en circuitos de C.C. y deben tener las capacidades apropiadas de tensión y corriente eléctricas y de interrupción. C. Medios de desconexión 690-13. Todos los conductores. Se deben proveer los medios para desconectar todos los conductores que lleven corriente eléctrica de una fuente de energía fotovoltaica de todos los otros conductores en un edificio u otra estructura. Excepción: Cuando una conexión del circuito de puesta a tierra no está diseñada para ser automáticamente interrumpida como parte del sistema de protección contra falla a tierra requerida en 690-5, un desconectador o un interruptor automático usado como medio de desconexión no debe tener un polo conectado al conductor de tierra. NOTA - El conductor de puesta a tierra puede tener algún medio de desconexión para permitir el mantenimiento o reparación por personal calificado. 690-14. Disposiciones adicionales. Las disposiciones establecidas en el Artículo 230, Parte F deben aplicarse a los medios de desconexión de la fuente de alimentación fotovoltaica. Excepción No. 1: No se requiere que los medios de desconexión sean adecuados para equipo de acometida y deben ser especificados de acuerdo con lo indicado en 690-17. Excepción No. 2: Se permiten equipos tales como desconectadores de aislamiento del circuito de la fuente fotovoltaica, dispositivos de protección contra sobrecorriente y diodos de bloqueo en el lado de la fuente de energía fotovoltaica donde están los medios de desconexión de la misma.

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690-15. Desconexión de equipo fotovoltaico. Deben proveerse medios para desconectar equipos tales como inversores, baterías, controladores de carga y similares, de todos los conductores no puestos a tierra de todas las fuentes. Si el equipo está energizado por más de una fuente, los medios de desconexión deben ser agrupados e identificados. 690-16. Fusibles. Deben proveerse medios para desconectar un fusible de todas las fuentes de alimentación si aquél está energizado por ambas direcciones y está accesible a personal no calificado. Dicho fusible, en un circuito de fuente fotovoltaica, debe poder desconectarse independientemente de los fusibles de otros circuitos de la fuente fotovoltaica. 690-17. Desconectadores o interruptores automáticos. Los medios de desconexión para conductores no puestos a tierra consisten de uno o varios desconectadores o interruptores automáticos: (1) localizados en un lugar accesible fácilmente. (2) operables externamente sin exponer al operador al contacto con partes vivas (3) indicando claramente si está en la posición cerrado o abierto, y (4) deben tener una corriente de interrupción suficiente para la corriente y tensión eléctricas que puede estar disponible en las terminales de línea del equipo. Se debe fijar un letrero de precaución adyacente a los medios de desconexión cuando todas sus terminales puedan estar energizadas en la posición de abierto. El letrero de precaución debe ser claramente legible y tener la siguiente leyenda: “PRECAUCION-CHOQUE ELECTRICO-NO TOCAR-TERMINALES ENERGIZADAS EN POSICION DE ABIERTO”. Excepción: Un medio de desconexión localizado en el lado de c.c. puede tener una corriente de interrupción menor que la capacidad de conducción de corriente eléctrica del sistema, cuando el sistema está diseñado de tal manera que el desconectador de C.C. no pueda ser abierto bajo carga. 690-18. Deshabilitación de un sistema. Deben proveerse medios para deshabilitar un sistema o porciones del mismo. NOTA- Los módulos fotovoltaicos están energizados mientras están expuestos a la luz. La instalación, reemplazo o servicio de componentes del sistema mientras uno o varios módulos están siendo irradiados puede exponer a las personas a un choque eléctrico. D. Métodos de alambrado 690-31. Métodos permitidos a) Sistemas de alambrado. Se permiten todos los métodos de canalización y alambrado de cables incluidos en esta norma y otros sistemas de alambrado y accesorios específicamente destinados e identificados para uso en arreglos fotovoltaicos. Cuando se usen dispositivos de alambrado con envolventes integrales, se debe proveer suficiente longitud de cable para facilitar el reemplazo.

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b) Cable con conductor dúplex. Se permite cable tipo TWD-UV en circuitos de la fuente fotovoltaica, cuando se instalen a la intemperie y expuestos a los rayos del Sol. Véanse el Artículo 338 y la Tabla 310-13. NOTA: Para información sobre el uso de cables aislados en circuitos de fuentes fotovoltaicas, véase la nota de 310-13. c) Cables y cordones flexibles. Cuando se usen cables y cordones flexibles para conectar las partes móviles de seguidores solares, se debe cumplir con lo indicado en el Artículo 400 y deben ser cordones para uso extra rudo Tipos ST, SO o W, adecuados para uso en intemperie y resistentes al agua y a la luz del Sol. La capacidad de conducción de corriente debe estar de acuerdo con lo indicado en 400-5.

Para temperaturas ambiente que excedan de 30°C, la capacidad de conducción de corriente debe reducirse con los factores dados en la Tabla 690-31(c). TABLA 690-31(c).- Factores de corrección Temperatura  Ambiente °C  30  31 – 35  36 – 40  41 – 45  46 – 50  51 – 55 

60 ° C  1.0  0.91  0.82  0.71  0.58  0.41 

Temperatura Máxima del Conductor  75 ° C  1.0  0.94  0.88  0.82  0.75  0.67 

90°C  1.0  0.96  0.91  0.87  0.82  0.76 

d) Cables con conductores pequeños. Se permiten cables monoconductores de tamaño nominal de 1,31 mm2 (16 AWG) y 0,824 mm2 (18 AWG) aprobados para uso en intemperie y que sean resistentes a la luz del Sol y al agua, para conexiones de módulos cuando esos cables cumplen con los requerimientos de capacidad de conducción de corriente indicados en 690-8. Se debe referir a 310-15 para determinar la capacidad de conducción de corriente y los factores de corrección por temperatura de los cables. 690-32. Conexión de componentes. Cuando estén aprobados para ese uso, se permiten, accesorios y conectores destinados a quedar ocultos al momento del ensamble en el sitio para la conexión de módulos u otros componentes de los sistemas. Tales accesorios y conectores deben ser adecuados en aislamiento, elevación de temperatura y tolerancia a las corrientes eléctricas de falla al método de alambrado empleado, y deben ser capaces de resistir los efectos del ambiente en que se usen. 690-33. Clavijas o conectores. Los conectores permitidos en 690-32 deben cumplir con lo indicado en los incisos siguientes:

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a) Configuración. Los conectores deben ser polarizados y tener una configuración que no sea intercambiable con receptáculos de otros sistemas eléctricos del usuario. b) Protección. Los conectores deben estar construidos de forma que protejan a las personas del contacto inadvertido con partes vivas. c) Tipo. Los conectores deben ser de tipo de cierre o seguro. d) Elemento de Puesta a Tierra. El elemento de puesta a tierra del conector acoplable debe ser el primero en hacer contacto y el último en romperlo. e) Interrupción del Circuito. Los conectores deben ser capaces de interrumpir la corriente eléctrica del circuito sin peligro para el operador. 690-34. Acceso a cajas. Las cajas de empalme, de paso y de salida localizadas atrás de los módulos o paneles deben instalarse de forma que el alambrado contenido en ellas pueda hacerse accesible directamente o desplazando uno o varios módulos o paneles montados por fijaciones removibles y conectados por un sistema de alambrado flexible. E. Puesta a tierra 690-41. Puesta a tierra del sistema. Para una fuente de energía fotovoltaica, un conductor de un sistema de dos conductores especificado a más de 50 V o un conductor neutro de un sistema de tres conductores, deben ser puestos a tierra sólidamente. Excepción: Se permiten otros métodos que logren un sistema de protección equivalente y que utilicen equipo aprobado e identificado para tal uso. NOTA - Véase la primera nota en 250-1. 690-42. Punto de conexión de la puesta a tierra del sistema. La conexión de puesta a tierra del circuito de c.c. debe hacerse en un solo punto del circuito de salida fotovoltaica. NOTA - El sistema queda mejor protegido contra transitorios de sobretensiones por descargas eléctricas atmosféricas si el punto de conexión de puesta a tierra se localiza tan cerca de la fuente fotovoltaica como sea posible. 690-43. Puesta a tierra del equipo. Las partes metálicas de los marcos de los módulos, del equipo y de las envolventes de conductores que no lleven corriente eléctrica, deben ser puestas a tierra sin importar la tensión eléctrica. 690-44. Sistema de electrodo de puesta a tierra. Debe proveerse un sistema de electrodo de puesta a tierra de acuerdo con lo indicado en 250-81 a 250-86. 690-45. Tamaño nominal del conductor de puesta a tierra del equipo. En sistemas donde la corriente eléctrica de corto circuito disponible de la fuente fotovoltaica sea menor que dos veces la corriente eléctrica especificada del dispositivo de protección contra

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sobrecorriente, el conductor de puesta a tierra del equipo, no debe ser de menor tamaño nominal al requerido para los conductores del circuito. En cualquier otro sistema, el conductor de puesta a tierra debe ser calculado de acuerdo con lo indicado en 250-95. F. Marcado 690-51. Módulos. Los módulos deben marcarse con identificación de las terminales o cables de salida, en cuanto a su polaridad, a la especificación del dispositivo de protección contra sobrecorriente máxima, y con la especificación de: (1) tensión eléctrica de circuito abierto (2) tensión eléctrica de operación (3) tensión eléctrica máxima permisible del sistema (4) corriente eléctrica de operación (5) corriente eléctrica de corto circuito y (6) potencia máxima. 690-52. Fuente de energía fotovoltaica. El instalador debe marcar en el sitio, en un lugar accesible en los medios de desconexión de la fuente de energía fotovoltaica, las especificaciones de: (1) corriente eléctrica de operación (2) tensión eléctrica de operación (3) tensión eléctrica de circuito abierto, y (4) corriente eléctrica de cortocircuito de la misma fuente. NOTA - Cuando se utilicen sistemas reflejantes para aumentar la irradiación se debe considerar en el marcado el incremento resultante de los niveles de corriente eléctrica y potencia de salida. G. Interconexión a otras fuentes de energía 690-61. Pérdida de la tensión eléctrica del sistema. La salida de potencia de la unidad de acondicionamiento de energía en un sistema solar fotovoltaico que es interactivo con otro u otros sistemas eléctricos debe ser automáticamente desconectada de todos los conductores no puestos a tierra de tales sistemas eléctricos al perderse la tensión eléctrica en dichos sistemas y no debe reconectarse a los sistemas eléctricos hasta que aquélla sea restablecida. NOTA - Para otras fuentes interconectadas de producción de energía eléctrica véase el Artículo 705.

Se permite operar un sistema solar fotovoltaico normalmente interactivo como sistema autónomo para suministro de energía eléctrica a una edificación. 690-62. Capacidad del conductor neutro puesto a tierra. Si una unidad de acondicionamiento de energía monofásica, dos hilos, se conecta al neutro puesto a tierra y a un solo conductor de fase de un sistema de tres hilos o a un sistema trifásico estrella de cuatro hilos, la suma de la carga máxima conectada entre el neutro puesto a tierra y cualquier conductor de fase, más la capacidad de salida de la unidad de acondicionamiento de energía, no debe exceder la capacidad de conducción de corriente del conductor neutro puesto a tierra.

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690-63. Conexiones desbalanceadas a) Monofásicas. La salida de una unidad de acondicionamiento de energía monofásica no debe ser conectada a un servicio eléctrico de tres fases, tres o cuatro hilos, derivado directamente de un transformador con conexión delta. b) Trifásicas. Una unidad trifásica de acondicionamiento de energía debe ser desconectada automáticamente de todos los conductores de fase del sistema interconectado cuando se abra una de las fases de cualquier fuente. Excepción para (a) y (b): Cuando el diseño del sistema interconectado es tal que no resulten tensiones eléctricas desbalanceadas significativas. 690-64. Punto de interconexión. La salida de una fuente de producción de energía debe ser interconectada como se específica en los incisos siguientes: NOTA - Para los propósitos de esta Sección una fuente de producción de energía se considera como:

(1) la salida de una unidad de acondicionamiento de energía cuando esté conectada a una fuente de electricidad de c.a. (2) el circuito de salida fotovoltaica cuando sea interactivo con una fuente de c.c. a) Lado del suministro. Se debe interconectar al lado del suministro de los medios de desconexión de la acometida como se permite en la Excepción 6 de 230-82. b) Lado de la demanda. Se debe interconectar al lado de la demanda de los medios de desconexión de la acometida de las otras fuentes, si se cumplen las siguientes condiciones: 1) Cada una de las conexiones de las fuentes deben ser hechas a un interruptor automático o a un medio de desconexión de fusibles destinado para ello. 2) La suma de las capacidades de corriente eléctrica de los dispositivos de protección contra sobrecorriente en los circuitos que suministran energía a una barra de conexiones o a un conductor no debe exceder la capacidad de la barra de conexiones o del conductor. Excepción: Para una casa habitación, la suma de las capacidades de los dispositivos de protección contra sobrecorriente no deben exceder de 120% la capacidad de la barra de conexiones o del conductor. 3) El punto de conexión debe estar en el lado de la línea de todos los equipos de protección contra falla a tierra. Excepción: Se permiten conexiones en el lado de la demanda de la protección contra falla a tierra, si se provee una protección contra falla a tierra para el equipo hacia las posibles fuentes de corriente eléctrica de falla a tierra.

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4) Los equipos que contengan dispositivos de protección contra sobrecorriente en circuitos que suministran energía a una barra de conexiones o a un conductor deben marcarse para indicar la presencia de todas las fuentes. Excepción: Los equipos con energía suministrada desde un solo punto de conexión. 5) Los equipos como interruptores automáticos, si son retroalimentados deben identificarse para tal operación. H. Baterías de acumuladores 690-71. Instalación a) General. Las baterías de acumuladores en un sistema solar fotovoltaico deben instalarse de acuerdo con lo previsto en el Artículo 480. Excepción: Lo previsto en 690-73. b) Casas-Habitación 1) Las baterías para casas-habitación deben tener las celdas conectadas de forma que operen a menos de 50 V. Excepción: Cuando las partes vivas no estén accesibles durante el mantenimiento rutinario de las baterías, se permite una tensión eléctrica del sistema de baterías de acuerdo con lo indicado en 690-7. 2) Las partes vivas de sistemas de baterías para casas-habitación deben estar protegidas para evitar el contacto accidental por personas u objetos sin importar la tensión eléctrica o tipo de batería. NOTA - Las baterías en sistemas solares fotovoltaicos están sujetas a ciclos extensos de carga – descarga y típicamente requieren de mantenimiento frecuente, como la verificación del electrolito y la limpieza de las conexiones. c) Limitación de corriente eléctrica. Se debe instalar un dispositivo adecuado de limitación de sobrecorriente en cada circuito adyacente a las baterías, cuando la corriente eléctrica de cortocircuito de la batería o del banco de baterías exceda la corriente de interrupción o de soporte de otros equipos en dicho circuito. La instalación de fusibles limitadores de corriente eléctrica debe cumplir con lo indicado en 690-16. 690-72. Estado de carga. Debe proveerse equipo para controlar el estado de carga de la batería. Todos los medios de ajuste para controlar el estado de carga de la batería deben ser accesibles solamente a personal calificado.

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Excepción: Cuando el diseño de la fuente de energía fotovoltaica cumple con los requisitos de capacidad de tensión y corriente eléctricas de carga de las celdas de batería interconectadas.

El controlador de carga en los sistemas fotovoltaicos para electrificación de casas habitación debe operar en forma automática. 690-73. Puesta a tierra. Las celdas de baterías interconectadas pueden considerarse puestas a tierra cuando la fuente de energía fotovoltaica se instala de acuerdo a la Excepción de 690-41. 690-74. Conexiones de batería. Se permite el uso de cables flexibles dentro de la envolvente de las baterías, como se identifican en el Artículo 400, de tamaño nominal de 67,4 mm2 (2/0 AWG) y mayores, desde las terminales de la batería a una caja de empalmes cercana, donde deben conectarse por un método adecuado. Se permiten también cables flexibles entre baterías y celdas dentro de la envolvente de baterías. Los cables deben estar aprobados para uso rudo y ser resistentes al ácido y humedad.

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