DIMENSIONAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTÁICO AUTONOMO

A TRAVÉS DE VISUAL BASIC.

Héctor García González

Alfonso X. Anzaldo Rodríguez

Asesor: M.C. Luis Alberto Hernández Domínguez.

Carrera: Ing. En Energías Renovables.

Semestre: 3°. Grupo: U

19/SEP/2015

Contenido1

Resumen 4

INTRODUCCIÓN 5

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 6

OJETIVO GENERAL 6

OBJETIVO ESPECIFICO 6

HIPOTESIS 6

MARCO TEORICO 6

DATOS DE RADIACIÓN SOLAR. ÁNGULOS ORIENTACIÓN PANEL 9

DATOS DE RADIACIÓN SOLAR. COMPONENTES IRRADIACIÓN 10

DATOS DE RADIACIÓN SOLAR. HORAS-PICO-SOLAR 10

PASOS PARA DIMENSIONAR UN SISTEMA AUTONOMO 13

METODOLOGIA 18

RESULTADOS Y DISCUSION DE LOS RESULTADOS 22

CONCLUSIONES 22

REFERENCIAS 23

ANEXOS 24

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INDICE DE FIGURAS Y TABLAS

1.0 EJEMPLOS DE COORDENADAS 7

1.1 DATOS OBTENIDOS CON LA LATITUD 8

1.2 RADIACION SOLAR SEGÚN ORIENTACION DEL PANEL 9

1.3 GRAFICA DE RADIACION SOLAR 10

1.4 VALORES MEDIOS DE Hps 11

1.5 ILUSTRACION DE UN SFV AUTONOMO 12

1.6 GRAICA DE CORRIENTES 13

1.7 GRAFICA DE VIDA UTIL DE UNA BATERIA 15

1.8 CARAC. ELECTRICAS DE UN PANEL 17

1.9 EJEMPLO EXCEL 20

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Resumen

En este texto se presenta un programa para calcular las dimensiones de un sistema fotovoltaico autónomo, a través de la herramienta de Excel, Visual Basic, este programa se realizó gracias a los conocimientos adquiridos durante la clase de laboratorio de computo.

La principal problemática con el dimensionamiento fotovoltaico, es que tiene que hacerse normalmente de manera manual, esto impide que las personas que no tienen conocimientos al respecto puedan sacar sus propias conclusiones en cuanto a que cantidad de componentes necesitaran para realizar su proyecto.

Nuestro objetivo es hacer un programa que resulte accesible para cualquier persona que necesite utilizarlo, desde el Ingeniero en Energías Renovables hasta el pequeño empresario.

HIPOTESIS

Se espera que con este programa sucedan las siguientes posibilidades:

Que las personas puedan tener una idea de la cantidad de componentes que requerirán para poder construir su sistema.

Que aumente el número de personas que usen energía fotovoltaica para sus hogares.

El programa cumple con su cometido principal, el cual es dimensionar un sistema fotovoltaico, pero también está diseñado de manera tan accesible que cualquier persona con acceso a una computadora pueda saber la cantidad de componentes que requerirá para poder suministrar energía a su propiedad. Lo único que tienen

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que hacer es ingresar su consumo, la radiación local, y la potencia de las baterías que desean utilizar.

INTRODUCCIÓN

El Sol, fuente de vida y origen de las demás formas de energía que el ser humano 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. Ha brillado en el cielo desde hace unos cinco mil millones de años, y se calcula que todavía no ha llegado ni a la mitad de su existencia. Durante el presente año, el Sol arrojará sobre la Tierra cuatro mil veces más energía que la que vamos a consumir.

Le energía que el sol irradia sobre nuestro es de alrededor de 1366 W/m^2, de la cual en la actualidad utilizamos una parte mínima. Por este motivo es que hemos decidido realizar este trabajo.

Un sistema fotovoltaico puede ser la respuesta a la demanda energética de muchas personas, principalmente si se trata de pequeña escala, sin embargo; debido a la desinformación y falta de conocimientos de la población la energía fotovoltaica no ha tenido el crecimiento que debería.

Con este proyecto buscamos poner al alcance de cualquiera una herramienta para dimensionar un sistema fotovoltaico, este es uno de los pasos que sin conocimientos en la materia no puede llevarse a cabo de manera manual. Para poder llevar este proyecto a cabo, nos vamos a apoyar en la herramienta de Microsoft Office Excel llamada Visual Basic. Visual Basic es una herramienta de desarrollo que permite crear aplicaciones gráficas de forma rápida y muy sencilla. Básicamente se trata de crear ventanas (formularios) y añadir sobre ellas los controles que queramos utilizar. Gracias a ella se facilita el cálculo de las dimensiones del sistema fotovoltaico.

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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El problema principal con el dimensionamiento de un sistema fotovoltaico es que no cualquier persona puede hacerlo; se requiere conocimiento sobre los sistemas y de la relación entre voltaje y corriente que es necesaria para obtener cierta potencia, sin conocer como estos datos se relacionan no se puede diseñar un sistema fotovoltaico. Hasta el momento no hay muchas calculadoras de este tipo.

OJETIVO GENERALRealizar un programa en Visual Basic que sea capaz de realizar los cálculos necesarios para el dimensionamiento de un sistema fotovoltaico con solo los datos de potencia de los aparatos y la radiación local.

OBJETIVO ESPECIFICOEste programa se está haciendo con la finalidad de hacer llegar de manera gratuita una calculadora que permita determinar los materiales necesarios para abastecer de energía eléctrica una casa, negocio o lo que se necesite. Cabe mencionar que este programa no arrojara costos finales del sistema, ya que los componentes y la mano de obra pueden tener un coste variado, dependiendo de la región en donde quiere implementarse el sistema.

HIPOTESISSe espera que con este programa sucedan las siguientes posibilidades:

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Que las personas puedan tener una idea de la cantidad de componentes que requerirán para poder construir su sistema.

Que aumente el número de personas que usen energía fotovoltaica para sus hogares.

MARCO TEORICO

El dimensionado de un sistema fotovoltaico depende de la energía solar disponible en el emplazamiento de la instalación.

Dos cuestiones clave:

1.- Energía solar disponible en el emplazamiento y su variación durante el dia y el año. 2.- Inclinación óptima del panel fotovoltaico para captar la máxima energía solar.

Unidades: Irradiación I: Potencia de la radiación solar (W) por m2: W/m2

Irradiación G: energía solar por m2 durante un tiempo determinado (día, mes, año). Unidades más frecuentes:Escriba aquí la ecuación.

Joule/m2 = W•s/m2 kWh/m2 = 3.6•106 Joule/m2 Langley = 1caloría/cm2 = 41.86•103 Joules/m2

Estos datos para diversos lugares del mundo pueden consultarse en la web:

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

Hay que entrar las coordenadas del lugar (latitud y longitud), que se pueden obtener por ejemplo en:

http://www.world-gazetteer.com

Ejemplos:

Barcelona: 41.40N 2.17E (41.40; 2.17)Puno: 15.84S 70.05º (-15.84; -70.05)Lima: 12.07S 77.05º (-12.07; -77.05)

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Estocolmo: 59.33N 18.07E (59.33; 18.07)Tabla 1.0

Notar en los datos que siguen, las grandes diferencias de energía solar entre los distintos lugares y entre los meses de mayor y menor radiación.

BARCELONA (41.40N; 2.17E)

MonthAir

temperatureRelative humidity

Daily solar radiation - horizontal

Atmospheric pressure

°C % kWh/m2/d kPa

January 9.4 64.3% 2.09 99.0

February 9.7 62.2% 3.13 99.0

March 11.3 61.2% 4.31 98.8

April 13.0 60.5% 5.33 98.5

May 16.3 62.5% 6.00 98.6

June 20.2 58.8% 6.69 98.8

July 22.9 57.7% 6.80 98.8

August 23.2 60.5% 5.81 98.7

September 20.8 59.5% 4.56 98.8

October 17.7 62.9% 3.11 98.8

November 13.2 63.1% 2.14 98.7

December 10.6 64.7% 1.77 99.0

Annual15.7 61.5% 4.31 98.8

Tabla 1.1

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Ilustración 1.2

DATOS DE RADIACIÓN SOLAR. ÁNGULOS ORIENTACIÓN PANEL

La energía captada por un panel dependerá de su orientación respecto del sol. En general los paneles tienen que estar orientados al ecuador:

En hemisferio norte: hacia el sur en hemisferio sur: hacia el norte

La orientación del panel está determinada por dos ángulos (α, β):

α: ángulo que forma el plano perpendicular al panel con la dirección Norte-Sur

β: ángulo que forma el panel con la horizontal

Para el cálculo de la inclinación optima se supondrá que

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Ilustración 1.3

α=0

DATOS DE RADIACIÓN SOLAR. COMPONENTES IRRADIACIÓN

El cálculo de la energía recibida en diferentes inclinaciones se suele realizar por programas de computación que parten de los datos medidos de la irradianción global del lugar y del cálculo de sus componentes directa y difusa de la radiación solar:

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Componente directa Id: parte de la energía que llega a un plano directamente de los rayos del sol.

Componente difusa Dd: parte de la energía que llega a un plano excluyendo la componente directa. Incluye el albedo que procede de reflexión por superficies próximas.

Irradiación global: Gd = Id+Dd

DATOS DE RADIACIÓN SOLAR. HORAS-PICO-SOLAR

Horas Pico Solar (HPS) = duración en horas de un día equivalente que con una irradiación constante de 1 kW/m2 un panel proporcionara la misma energía total que el día considerado.

Notar que si en determinado punto se recibe durante un día una irradiación G en kWh/m2, las HPS de este día tendría el mismo valor numérico que G.

Una vez elegida una inclinación del panel a la vista de la aplicación fotovoltaica concreta, los datos de radiación se concretan en una tabla de valores medios diarios de HPS para los distintos meses del año:

ENE 3.92

FEB 4.20

MAR 4.62

ABR 5.03

MAY 5.13

JUN 5.50

JUL 5.88

AGO

5.56

SEP 4.77

OCT 4.27

NOV 3.59

DIC 2.96

AÑO 1687

Dimensionar un sistema fotovoltaico significa calcular el número de sus componentes y su interconexión, para cumplir unos objetivos determinados que dependen de la aplicación concreta.

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Tabla 1.4

Si se trata de un sistema fotovoltaico conectado a la red su objetivo es generar la máxima electricidad posible.

Si se trata de un sistema fotovoltaico autónomo su objetivo será asegurar la disponibilidad de electricidad durante el máximo tiempo posible.

En el dimensionado, como en todo problema de diseño, hay infinitas soluciones. Y siempre es una solución de compromiso entre diversos factores técnicos, económicos y sociales.

Un sistema autónomo debe generar energía eléctrica y acumularla en baterías para ser utilizada en el momento en que se requiera. Es un sistema más complejo que el conectado a la red.

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Ilustración 1.5

PASOS PARA DIMENSIONAR UN SISTEMA AUTONOMO

Primera parte: Cálculo del consumo diario

Lo primero que debe estimar es cuanta energía va ser necesaria diariamente.).

En un sistema fotovoltaico, pueden existir cargas en corriente continua y en corriente alterna. Cada tipo de carga deberá ser calculado por separado.Ejemplo:

Ilustración 1.6

En el ejemplo, vamos usar 3 lámparas en CC y una TV en CA, totalizando un consumo de 156 Wh en corriente continua (Lcc) y de 48 Wh en alterna (Lca).

Para hallar el consumo total usamos la siguiente relación:

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Asumiendo una eficiencia del inversor del 85% y de las baterías también de 85%, el sistema FV debe satisfacer un consumo eléctrico de 250 Wh.

Segunda parte: Cálculo de la capacidad de las baterías.

Las baterías más utilizadas son las de Plomo-ácido de tipo abierto, aunque hay varias tecnologías que pueden ser utilizadas.

Para calcular el tamaño de nuestro banco de baterías debemos usar la siguiente relación:

El número de días de autonomía es el número de días que el sistema puede continuar a pesar de no tener las condiciones climáticas adecuadas (días nublados). En este caso, vamos usar 2 días de autonomía.

En el caso de las baterías usadas en SFV estas no pueden ser descargadas totalmente porque se malogran. Descargas profundas sólo disminuyen el tiempo de vida de ellas. Por lo tanto el termino Pdmax es la máxima profundidad de descarga que haremos en nuestra batería. En este caso asumiremos un valor de 50%.

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Con esos datos, encontramos que nuestro CB* es 1000 Wh (= 250*2/0,5). 

Para obtener la capacidad del banco de baterías dividimos el valor de CB* por la tensión de trabajo del sistema. Por lo tanto, nuestro valor de CB en Ah es:

CB = 1000 Wh/12V = 83,3 Ah. 

En este caso podríamos escoger una batería (o una asociación de baterías) con capacidad mayor a 83 Ah.

Para saber la profundidad de descarga diaria (Pd) debemos saber cuánta energía vamos extraer de la batería por día. Para eso dividimos el valor de la energía final necesaria (L) por la tensión de trabajo (en este caso 12 V).   

 250 Wh/12V = 20,8 Ah.

Esos 20,8 Ah equivalen al 25% de nuestra capacidad de la batería, por lo tanto, Pd = 25%.

Ese valor nos permitirá saber cuánto tiempo puede durar nuestra batería si conocemos la curva de descarga que muchas veces es proporcionada por el fabricante.

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Ilustración 1.7

Por ejemplo, si nuestra batería tiene la misma curva de descarga mostrada y descargamos ella diariamente el 25% de su capacidad. Esta nos duraría aproximadamente 4500 ciclos, es decir unos 12 años. (Ojo, aquí hemos tomado una curva de batería industrial como imagen ilustrativa, en verdad las baterías solares durante mucho menos que eso, entre 3 a 5 años dependiendo del régimen de descarga).

Tercera parte: Cálculo del generador fotovoltaico

Ahora vamos  dimensionar nuestro generador, para eso necesitamos usar la siguiente relación:

El valor de (HSP) puede ser obtenido de los mapas solares ya presentados en nuestra página, aunque lo ideal es usar el valor de irradiación sobre superficie

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inclinada (generalmente con un valor igual a la latitud del lugar). En este caso asumiremos un valor de irradiación de 4 kWh/m2 por día o de HSP = 4h.

Por lo tanto

P (Wp) = 1,25 x 250 Wh/ 4h = 78 Wp

Eso significa que podemos utilizar un módulo de 80 Wp o más, o un conjunto de módulos que nos den esa potencia.

Cuarta parte: Dimensionamiento del controlador y del inversor

Para proteger nuestras baterías, debemos escoger un controlador de carga. Este lo escogemos conociendo la corriente de salida del módulo, la corriente de consumo y la tensión de trabajo.

Imaginemos que tenemos un módulo de 80 Wp con las siguientes características:

Tabla1.8

De los datos vemos que la corriente de corto circuito es de 5,16 A, por lo tanto la entrada del controlador debe soportar por lo menos 6 A.

Por el lado de las cargas tenemos: 2 lámparas de 12 W =24W y una de 15W lo que totaliza una potencia total en CC de 39 W. Si dividimos ese valor por la tensión de trabajo obtendríamos un valor de corriente de   3,25 A. Para la parte en alterna,

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tenemos un televisor de 24W que es obtenida a través de un inversor de 0,85 de eficiencia. Por lo tanto, la potencia necesaria es de 28 W en continua o de 2,3 A. La corriente total por el lado de la salida es =3,25+2,3 = 5,5 A.

Con esos datos podemos elegir un controlador que trabaje a 12 V y soporte una corriente de entrada y de salida como mínimo de 6 A.

Si tenemos cargas en corriente alterna, vamos a necesitar además un inversor. Este debe tener una tensión igual a la tensión de trabajo en alterna y una potencia que soporte la potencia total de las cargas en corriente continua y la potencia pico que puede consumir un motor al momento del arranque. (Lluís Prat Viñas. (2008). Dimensionado de Sistemas Fotovoltaicos. Universitat Politécnica de Catalunya, Barcelona, España)

METODOLOGIA

Como ha sido mencionado con anterioridad el software a utilizar para realizar estos cálculos será Visual Basic de Excel. A continuación presentamos la metodología para realizar el programa. Para poder utilizar el Visual Basic, no hace falta más que ir a la ventana de Desarrollador y dar clic en el botón Visual Basic, una vez hecho esto volvemos a la hoja y empezamos la construcción del programa.

Para empezar se tiene que realizar una tabla con los factores que vamos a utilizar:

Tabla 1.9

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Luego de esto tendremos que definir una serie de variables en la ventana de Visual basic.

Cada que queremos definir variables escribimos Dim en la ventana de comandos del Visual, después de haber escrito nuestras variables, concluimos la orden escribiendo

As Double.

Ejemplo:

Despues de esto lo que hay que haceres indicar en que celdas se encontraran dichas variables, para hacer esto se utiliza la siguiente secuencia:

Nombre de la variable= Sheets(“nombre de la hoja”).Cells(celdavertical.celda

horizontal)

Ejemplo

Una vez definida la ubicación de nuestras variables lo que prosigue es escribir la fórmula que vamos a usar para obtener nuestro resultado.

Para esto le damos una nomenclatura a la incógnita y usamos las variables previamente definidas para despejarla.

Ejemplo

Después de esto solo queda indicarle al software que imprima el resultado de la formula, a continuación se muestra un ejemplo de como se indica:

Por ultimo cerramos la interacción con el programa con la orden End Sub.

Así se ve la expresión completa:

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Ya que hemos realizado esta pequeña introducción a continuación se presentan las variables que vamos a utilizar (Las variables A, B, C se repiten cuatro veces, agregándoles una numeración porque por la cantidad de celdas que se utilizan para calcular el consumo, por lo tanto solo la escribiremos una vez).

A= Numero de Aparatos

B= Horas de uso

C= Potencia del Aparato en W

Ed = Consumo total (debe expresarse en Wh)

Id = Radiacion local (Debe ser expresada en KWp)

a = Días de autonomía de la batería

n = Eficiencia de la batería (debe ser dada en decimales)

des = Descarga de la batería (debe ser dada en decimales)

vol = Voltaje de la batería

PP= Potencia de paneles

A continuación las incógnitas:

Incógnita Significado FórmulaAr Tamaño del arreglo Ar = (1200 * Ed) / IdNp Número de paneles NP = Ar / PPAb Tamaño Hipotético de la

batería(a * Ed) / (n * des)

K Consumo eléctrico (A*B*C)/1000

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NnB Número real de baterías NnB = Ab / (vol / 10)

Una vez explicado todo esto, podemos proceder a la escritura del programa; para ahorrar ese trabajo al lector, en seguida proporcionamos el programa para copiarlo directamente a la ventana de Visual Basic:

Private Sub CommandButton1_Click() Dim A, B, C As Double

A = Sheets("Consumo").Cells(2, 1)B = Sheets("Consumo").Cells(2, 3)C = Sheets("Consumo").Cells(2, 4)K = (A * B * C) / 1000

Dim A1, B1, C1 As DoubleA1 = Sheets("Consumo").Cells(3, 1)B1 = Sheets("Consumo").Cells(3, 3)C1 = Sheets("Consumo").Cells(3, 4)K1 = (A1 * B1 * C1) / 1000Dim A2, B2, C2 As DoubleA2 = Sheets("Consumo").Cells(4, 1)B2 = Sheets("Consumo").Cells(4, 3)C2 = Sheets("Consumo").Cells(4, 4)K2 = (A2 * B2 * C2) / 1000Dim A3, B3, C3 As DoubleA3 = Sheets("Consumo").Cells(5, 1)B3 = Sheets("Consumo").Cells(5, 3)C3 = Sheets("Consumo").Cells(5, 4)K3 = (A3 * B3 * C3) / 1000Dim A4, B4, C4 As DoubleA4 = Sheets("Consumo").Cells(6, 1)B4 = Sheets("Consumo").Cells(6, 3)C4 = Sheets("Consumo").Cells(6, 4)K4 = (A4 * B2 * C4) / 1000

Sheets("Consumo").Cells(2, 5) = KSheets("Consumo").Cells(3, 5) = K1Sheets("Consumo").Cells(4, 5) = K2Sheets("Consumo").Cells(5, 5) = K3Sheets("Consumo").Cells(6, 5) = K4

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End Sub

Private Sub CommandButton2_Click()Dim Ed, Id As DoubleEd = Sheets("Consumo").Cells(7, 5)Id = Sheets("Consumo").Cells(2, 7)Ar = (1200 * Ed) / IdSheets("Consumo").Cells(2, 8) = ArEnd Sub

Private Sub CommandButton3_Click()Dim Ar, PP As DoubleAr = Sheets("consumo").Cells(2, 8)PP = Sheets("consumo").Cells(2, 9)NP = Ar / PPSheets("Consumo").Cells(2, 10) = NPEnd Sub

Private Sub CommandButton4_Click()Dim A, Ed, n, des, vol As DoubleA = Sheets("Consumo").Cells(16, 1)Ed = Sheets("Consumo").Cells(7, 5)n = Sheets("Consumo").Cells(16, 3)des = Sheets("Consumo").Cells(16, 4)vol = Sheets("Consumo").Cells(16, 5)

Ab = (A * Ed) / (n * des)NnB = Ab / (vol / 10)

Sheets("Consumo").Cells(16, 6) = NnB

End Sub

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RESULTADOS Y DISCUSION DE LOS RESULTADOS

El programa funciona de forma correcta y arroja los resultados que se le solicitan siempre y cuando se introduzcan de manera correcta las variables, si las variables no son introducidas en las unidades indicadas el programa de todas formas arrojara valores, pero muchas veces serán valores absurdos o irreales.

El programa cumple con su cometido principal, el cual es dimensionar un sistema fotovoltaico, pero también está diseñado de manera tan accesible que cualquier persona con acceso a una computadora pueda saber la cantidad de componentes que requerirá para poder suministrar energía a su propiedad. Lo único que tienen que hacer es ingresar su consumo, la radiación local, y la potencia de las baterías que desean utilizar.

CONCLUSIONES

se recogen en el presente trabajo algunas de las experiencias y conocimientos adquiridos en lo que va del presente curso dedicados al desarrollo de una de las aplicaciones con más futuro, y que más puede contribuir a cambiar el actual carácter, todavía marginal, de la energía solar fotovoltaica: el dimensionamiento de un sistema fotovoltaico autónomo.

Mediante la sistematización de los conocimientos adquiridos se ha desarrollado un procedimiento simple para evaluar el tamaño de un arreglo fotovoltaico, el número de paneles del mismo, la cantidad de baterías que necesita y el cable a utilizar.

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REFERENCIAS

https://manuelberaun.files.wordpress.com/2011/12/dimensionado-de-sfv-autonomos.pdf

http://www.instructables.com/id/Metodo-de-Calculo-Sistemas-Fotovoltaicos-Metodo-d/

http://www.electricidad-gratuita.com/dimensionamiento-fotovoltaico%203.html

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ANEXOS

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