T E S I S - DSpace Hometesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/6318/1/ESTUDIO...INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL “Unidad Profesional Adolfo López Mateos” Escuela Superior de Ingeniería

IINNSSTTIITTUUTTOO PPOOLLIITTÉÉCCNNIICCOO NNAACCIIOONNAALL

“Unidad Profesional Adolfo López Mateos”

EEssccuueellaa SSuuppeerriioorr ddee IInnggeenniieerrííaa MMeeccáánniiccaa yy EEllééccttrriiccaa

Departamento de Ingeniería Eléctrica.

“Estudio de factibilidad de la implementación de paneles fotovoltaicos para alimentar un sistema de bombeo de casa habitación”.

T E S I S QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: I N G E N I E R O E L E C T R I C I S T A

P R E S E N T A N: C. JUAN JIMAEL HERNÁNDEZ SUÁREZ

C. VICTOR FLORENTINO MARTÌNEZ MARTÍNEZ

Director de Tesis: Dr. Juan Gabriel Barbosa Saldaña

México, D.F., Noviembre, 2007

DEDICATORIAS Juan

A mis padres, Benjamín Hernández y Guadalupe Suárez

Por su apoyo incondicional, por la gran educación que me dieron, por darme la existencia, por su cariño y amor, muchas gracias y los quiero mucho.

A mis hermanos Carina y Carlos

Porque siempre han estado conmigo, es grande la fortuna de tener unos hermanos como ustedes, los quiero mucho.

A Reyna

Por la fortuna de haberte conocido y de haber compartido tantas cosas durante esta carrera, muchas gracias por todo.

A la Semilla

A los integrantes de todos los tiempos y amigos que nos acompañan, por compartir alegrías y también las tristezas.

Se aproximan negras olas dejando solo destrucción, es hora en que la razón

nos proponga nuevas cosas; por eso entono estas coplas para que tomen conciencia

usando la inteligencia para que el mundo mejore

y antes de que esto empeore, usemos mejor la ciencia.

Víctor

A mi madre

Porque con su ejemplo, consejos, amor y confianza aprendí a fijarme metas y lograrlas, por alentarme día a día, porque con su apoyo he cumplido una de las metas más importantes en mi vida.

A Pedro Martínez

Por compartir conmigo su experiencia y por sus consejos siempre oportunos.

A mis familiares y amigos.

Por brindarme su total e incondicional apoyo en los buenos y malos momentos.

A todos gracias, porque con su ejemplo siempre me enseñaron algo nuevo, porque con su confianza y cariño me ayudaron a superarme día a día.

AGRADECIMIENTOS

Al Instituto Politécnico Nacional y a la ESIME, por ser la cuna donde se forjan los hombres del México del mañana

Agradecemos de forma especial al Dr. Juan Gabriel Barbosa Saldaña por haber dirigido esta tesis.

Dr. Juan Gabriel le agradecemos toda la confianza depositada en nosotros, sus enseñanzas y comentarios, ya que fueron clave para la realización de este trabajo.

Al Ing. Roberto Agustín Alcaraz Rodríguez por compartir su

experiencia en energías renovables y por alentarnos con sus

comentarios.

A profesores, compañeros de clases de la ESIME, familiares y amigos que de cierta manera contribuyeron en este trabajo.

¡MUCHAS GRACIAS!

CONTENIDO

RELACIÓN DE FIGURAS i

RELACIÓN DE TABLAS iii

NOMENCLATURA iv

OBJETIVOS vi

JUSTIFICACIÓN vii

INTRODUCCIÓN viii

CAPITULO 1. LA ENERGÍA SOLAR 1.1. Introducción. 1

1.2. Generalidades. 2

1.3. Antecedentes. 3

1.4. Constante Solar. 5

1.5. Factores que afectan la intensidad de la radiación solar. 7

1.5.1. Factores astronómicos. 7

1.5.2. Factores atmosféricos. 10

1.5.3. Factor de orientación e inclinación. 12

1.6. Día Solar. 14

1.7. Radiación Solar Promedio para la Republica Mexicana. 16

1.8. Análisis de la situación actual. 17 1.9. Aplicaciones. 18

CAPITULO 2. SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS 2.1. Introducción. 20


2.3. Célula solar. 22

2.3.1. Tipos de células solares. 23

2.4. Principio de funcionamiento del proceso fotovoltaico. 26

2.5. Características de los paneles fotovoltaicos. 30

2.6. Clasificación de las instalaciones Fotovoltaicas. 32

2.6.1. Instalaciones aisladas de la red. 32

2.6.2. Instalaciones con conexión a la red. 32

2.6.3. Instalaciones hibridas. 33

2.7. Elementos de una instalación fotovoltaica. 34

2.7.1. Controladores de carga. 36

2.7.1.1. Modos de regulación de carga. 39

2.7.1.2. Configuraciones para la regulación de carga. 40

2.7.2. Baterías para los sistemas fotovoltaicos. 41

2.7.2.1. Especificaciones eléctricas. 45

2.7.3. Inversores. 47

2.7.3.1. Especificaciones eléctricas. 49

2.8. Mantenimiento. 51

CAPÍTULO 3. SISTEMAS DE BOMBEO

3.1. Introducción. 52

3.2. Equipos de Bombeo. 53

3.2.1. Clasificación de las bombas. 53

3.2.2. Bombas centrifugas. 54

3.2.2.1. Motor de arranque con capacitor en bombas centrifugas. 55

3.3. Hidrodinámica. 56

3.3.1. Ecuación fundamental de la Hidrodinámica. 57

3.3.2. Perdidas en conductos cerrados. 58

3.3.2.1. Pérdidas primarias. 60

3.3.2.2. Pérdidas secundarias. 62

3.4. Cálculo de una bomba centrifuga para casa habitación. 64

CAPÍTULO 4. EVALUACIÓN Y DISEÑO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA UN SISTEMA DE BOMBEO

4.1. Introducción. 69


4.3. Datos de la bomba centrifuga. 70

4.4. Análisis para el dimensionamiento del sistema solar fotovoltaico. 71

4.5. Análisis de costos 77

4.5.1. Diagrama de conexiones del sistema 80

4.6. Análisis de factibilidad. 81

CONCLUSIONES 89 RECOMENDACIONES 91

REFERENCIAS 92

GLOSARIO 95

APENDICE A Diagrama de Moody 99

APENDICE B Características de los equipos 100 APENDICE C Variedad de paneles solares y otros equipos 103

i

RELACIÓN DE FIGURAS

Pág.

Capítulo 1

Figura 1.1. Espectro del Sol. 3 Figura 1.2. Radiación Solar en la superficie de la atmósfera a lo largo del año. 6

Figura 1.3. Solsticio de invierno para el hemisferio norte. 8

Figura 1.4. Movimiento de traslación de la Tierra. 9

Figura 1.5. Pérdidas de radiación de la atmósfera al suelo. 11

Figura 1.6. Radiación directa y difusa (atenuación por las nubes y la de Albedo). 11

Figura 1.7. Radiación en el solsticio de invierno en el Trópico de Cáncer en el plano

horizontal y en el plano inclinado. 13

Figura 1.8. Radiación sobre superficies en el plano horizontal y en el plano inclinado. 13

Figura 1.9. Mapa de Irradiación Solar en la República Mexicana. 16

Figura 1.10. Uso de la energía solar en una zona rural. 19

Capítulo 2

Figura 2.1. Diagrama a bloques de la formación de la célula fotovoltaica. 22

Figura 2.2. Panel solar fotovoltaico formado por células monocristalinas. 25

Figura 2.3. Panel solar fotovoltaico formado por células policristalinas. 25

Figura 2.4. Semiconductores extrínsecos con base de silicio tipo P y N. 26

Figura 2.5. Bandas de Bloch. 27

Figura 2.6. Células fotovoltaicas en serie con el diodo de protección. 29

Figura 2.7. Diagrama de bloques de una instalación aislada. 32

Figura 2.8. Diagrama de bloques de una instalación con conexión a la red. 33

Figura 2.9. Diagrama de una instalación aislada híbrida. 34

Figura 2.10. Diagrama de bloques de una instalación aislada con salida de corriente alterna. 35

Figura 2.11. Diagrama de bloques de una instalación con conexión a la red, con controlador e

Inversor. 35 Figura 2.12. Conexión del controlador entre el panel y la carga. 37

Figura 2.13. Configuración para la regulación de carga 40

Figura 2.14. Vaso elemental de plomo acido cargado. 42

Figura 2.15. Batería de ciclo profundo de Acido, libre de mantenimiento. 44

Figura 2.16. Batería de ciclo profundo de Acido. 44

Figura 2.17. Batería de Gel, libre de mantenimiento. 44

Figura 2.18. Diagrama de bloques del inversor DC/AC. 48

ii

Pág. Capítulo 3

Figura 3.1. Esquema de la bomba centrifuga. 55 Figura 3.2. Diagrama esquemático de los devanados del estator de un motor de arranque

con capacitor. 55

Figura 3.3. La energía en el punto 1 es igual a la energía perdida entre el punto 1 y 2 más la

energía en el punto 2. 58

Figura 3.4. En la conducción que une a los recipientes 1 (punto 1) y 2 (punto 2) hay perdidas

primarias y secundarias. 59

Figura 3.5. La presión en punto 2 es menor que en el punto 1. 60

Figura 3.6. Diagrama hidráulico para el cálculo de una bomba centrífuga. 64

Capítulo 4

Figura 4.1. Energía total almacenada en la batería y consumo diario de la bomba. 74 Figura 4.2. Diagrama de conexiones del sistema solar fotovoltaico cuando alimenta

una bomba centrífuga. 80

iii

RELACION DE TABLAS

Pág.

CAPÍTULO 1

Tabla 1.1. Insolación promedio diaria mensual en la Ciudad de México. 14

Tabla 1.2. Horas efectivas del Día Solar Promedio Mensual en la Ciudad de México. 15

CAPÍTULO 2

Tabla 2.1. Características de las diferentes células solares. 24

Tabla 2.2. Características generales de los paneles solares. 30

Tabla 2.3. Especificaciones de los controladores. 38

Tabla 2.4. Baterías para los sistemas fotovoltaicos. 43

Tabla 2.5. Especificaciones técnicas de los inversores. 50

CAPÍTULO 3

Tabla 3.1. Fórmulas para el cálculo del factor λ para el caso de régimen laminar y turbulento. 61

Tabla 3.2. Coeficientes de pérdidas secundarias en la zona de succión. 67

Tabla 3.3. Coeficientes de pérdidas secundarias en la zona de descarga. 67

CAPÍTULO 4

Tabla 4.1. Características del equipo de bombeo y motor. 70

Tabla 4.2. Equipo y costos del sistema solar fotovoltaico. 78

Tabla 4.3. Costo total del sistema solar fotovoltaico, de bombeo y otros accesorios. 80

Tabla 4.4. Cuotas aplicables a la tarifa DAC Vigentes Durante 2002 Región Central. 81





Tabla 4.9. Comparación del pago por año del sistema solar fotovoltaico con el pago a la

compañía suministradora con un incremento de 13.69% anual en la tarifa eléctrica. 86

iv

NOMENCLATURA

..SC = Constante Solar.

dSC .. = Constante solar para la radiación extraterrestre.

21−rH = Altura para perdidas entre dos puntos.

1p , 2p = Presiones entre dos puntos.

21,vv = Velocidades en diferentes puntos.

g = Gravedad.

ρ = Densidad del fluido.

gp

gp

ρρ21 , = Alturas de presión.

21, zz = Alturas geodésicas.

gv

gv

2,

221 = Alturas de velocidad.

rpH = Pérdida de carga primaria.

λ = Coeficiente de pérdida de carga primaria.

L = Longitud de la tubería.

D = Diámetro de la tubería.

V = Velocidad media.

ηρvD = Número de Reynolds.

η = Viscosidad Dinámica

η = Eficiencia

Dk = Rugosidad relativa.

k = Constante de Rugosidad

rsH = Pérdida de carga secundaria.

ζ = Coeficiente de pérdida de carga secundaria.

pP = Potencia de absorción del panel.

v

TP = Potencia total de la bomba centrifuga.

AP = Potencia de arranque de la bomba centrifuga.

OPt = Tiempo de operación de la bomba.

At = Tiempo de arranque.

díaE = Energía acumulada en la batería en un día.

arranquedeconsumo __ = Energía consumida por la bomba al arranque.

operaciondeconsumo __ = Energía consumida durante el tiempo de operación de la

bomba.

bombaconsumo_ = Energía total consumida.

diariosarranques_ = Número de veces que la bomba puede arrancar al día.

díadisponibleE = Energía disponible en la batería des pues de operar la bomba y que

podrá ser consumida en el día.

nochedisponibleE = Energía disponible en la batería des pues de operar la bomba y que

podrá ser consumida en el día.

consumo = Potencia por unidad de tiempo

DíaTotalE = Energía total disponible durante el día

NocheTotalE = Energía total disponible para un arranque en el día y energía disponible

en la noche.

MediaTotalE = Energía media que se dispondrá de la batería al día en el estudio

económico.

ajusteI = Corriente de ajuste para la protección

AFSI = Corriente a Factor de servicio

incrementode __% = Porcentaje de incremento anual de las tarifas eléctricas.

díatotalconsumo _ = Consumo de energía al día para el estudio económico =mediaTotalE .

añototalconsumo _ = Consumo de energía al día para el estudio económico.

anualto _cos =Producto del consumo de energía anual por la tarifa promedio anual.

vi

OBJETIVOS

Objetivo General:

• Realizar un estudio para determinar la factibilidad de la implementación de

paneles fotovoltaicos para la generación de energía eléctrica y esta

utilizarla para alimentar un sistema de bombeo en una casa habitación.

Objetivos Particulares:

• Comparar los costos de inversión inicial de este sistema con el pago por el

consumo del sistema de bombeo durante la vida útil del panel.

• Demostrar que los costos de las tarifas eléctricas incrementaran de tal

manera que hace viable utilizar los paneles fotovoltaicos para generar

energía eléctrica.

• Fomentar una conciencia ambiental y exponer la importancia de la

necesidad de utilizar energías renovables.

vii

JUSTIFICACIÓN

Debido al gran impacto ambiental a consecuencia de un alto consumo de

combustibles fósiles para producir energía eléctrica aunado a la condición finita

que estos tienen, es necesario analizar la factibilidad de utilizar otras alternativas

de generación que no dependan de estos recursos; ya que las reservas de

petróleo están disminuyendo y con esto los costos de generación incrementaran y

consecuentemente las tarifas impuestas por las compañías suministradoras.

México es uno de los países con mayor irradiación solar a nivel mundial, lo

que nos habla de que se puede tener un buen aprovechamiento y mayor eficiencia

en estos sistemas. Así mismo los dispositivos solares presentan características las

cuales contribuyen a que cada vez sean más utilizados, como son: energía de

calidad, ausencia de partes móviles, requieren de poco mantenimiento, soportan

diversos fenómenos climatológicos, entre otros.

Actualmente las aplicaciones con los paneles fotovoltaicos son diversas,

gran parte de ellas están orientadas principalmente a lugares rurales que se

encuentran alejados de las redes eléctricas, por lo que uno de los propósitos

fundamentales es implementar cada vez mas esta tecnología en zonas urbanas,

ya que es donde existe mayor consumo de energía y así reducir la explotación de

los recursos fósiles, la contaminación gradual del planeta, aprovechar las

condiciones de irradiación en México y gozar de una energía de calidad.

Para este caso se pretende analizar la factibilidad de implementar estos

sistemas para alimentar un sistema de bombeo en la Ciudad de México.

viii

INTRODUCCIÓN

En la actualidad existe la preocupación por llevar a cabo acciones que

reduzcan la emisión de compuestos contaminantes al medio ambiente, los cuales

contribuyen al calentamiento gradual del planeta. En el plano energético y

principalmente el eléctrico, se pueden llevar a cabo diversas acciones, lo mas

simple es realizar ahorro de energía eléctrica, pero otra que contribuye más a

favorecer al ambiente, es la generación de energía eléctrica con fuentes alternas

utilizando las energías renovables, las cuales no emiten ningún compuesto

contaminante dentro del proceso de generación, así como día a día se vuelve mas

factible implementar un sistema de generación con estas energías.

Otra preocupación es la cantidad de reservas de combustibles fósiles que

quedan en el planeta, ya que gran parte de la generación de energía eléctrica se

hace por medio de estos, es por esto que se fomenta cada vez más el uso de las

energías renovables, por que en cierto sentido estas son de condición inagotable.

En el presente trabajo se realiza un estudio económico para determinar la

factibilidad de implementar un sistema solar fotovoltaico, el cual servirá como

fuente de alimentación de energía eléctrica para un sistema de bombeo en casa

habitación. Con esto se pretende demostrar que implementar un sistema como

este puede ser de gran utilidad, así como dar beneficios considerables. El

desarrollo de los capítulos de este trabajo es el siguiente.

Para el capítulo uno se habla acerca del desarrollo y aprovechamiento de la

energía solar, mencionando los aspectos relacionados a la radiación solar, así

como los factores que intervienen para su disposición en la superficie terrestre.

Este capitulo presenta los valores de la radiación solar correspondiente a un día

solar promedio en la Ciudad de México, ya que es el lugar de estudio para este

trabajo. Finalmente se menciona dentro de un análisis de la situación actual, la

ix

necesidad de utilizar energías alternas de generación de energía eléctrica,

principalmente la energía solar.

Dentro del capítulo dos se presenta el principio de funcionamiento de los

paneles solares fotovoltaicos y se mencionan los dispositivos necesarios para

llevar a cabo el proceso de generación de energía eléctrica, ya sea en corriente

directa o corriente alterna. También se muestran los diferentes tipos de

configuraciones que se pueden establecer en un sistema fotovoltaico dependiendo

de su aplicación. Finalmente se mencionan algunos aspectos generales así como

el mantenimiento que este tipo de sistemas requiere.

El capítulo tres presenta una clasificación general de bombas, así como una

descripción de las bombas centrifugas las cuales son utilizadas en el hogar. Se

presentan los conceptos básicos de la hidrodinámica y la mecánica de fluidos en

una tubería cerrada para realizar el cálculo que determina la potencia de una

bomba centrifuga.

Finalmente el último capítulo se muestra el desarrollo que se realizó para

dimensionar los elementos del sistema solar fotovoltaico, el cual habrá de

alimentar al sistema de bombeo calculado en el capítulo tres. Así mismo, se

compara el costo de consumir la energía generada por el sistema solar pagándole

a la compañía suministradora con el costo del sistema solar fotovoltaico, esta

comparación es a lo largo de 25 años que son lo que normalmente tienen de vida

útil los paneles solares. Finalmente viene la determinación de factibilidad de

implementar paneles solares para la generación de energía eléctrica así como los

beneficios que este involucra.

1.1. Introducción

En este capítulo se comenta acerca del desarrollo que ha tenido el

aprovechamiento de la energía solar; además se mencionan algunos aspectos

relacionados a la radiación solar, así como los factores que intervienen para su

disposición en la superficie terrestre. También se presentan los valores de la

radiación solar correspondiente a un día solar promedio en la Ciudad de México,

así como los valores de radiación solar incidente en la República Mexicana.

Finalmente se muestra un análisis de la situación energética actual enfatizando la

necesidad de utilizar energías alternas, principalmente la energía solar y se dan a

conocer algunas de las aplicaciones del uso de la misma, así como la

investigación que se esta llevando a cabo en México para optimizar su

aprovechamiento.

La Energía Solar

2

1.2. Generalidades

El planeta Tierra gira alrededor de una gran estrella a la cual se le llama Sol

que se encuentra aproximadamente a 149 597 870 km. de distancia de la Tierra.

El diámetro del Sol es de 1 391 000 km. y tiene una masa de 30102x kg. La

temperatura de este gran astro va desde 15000273º K en su parte mas interna

hasta llegar a los 6000º K en su superficie. [1,2]

En el interior del Sol se llevan a cabo reacciones de fusión nuclear, en este

tipo de reacciones se unen átomos de elementos ligeros como hidrógeno y helio

para formar átomos mas pesados y durante este proceso se liberan enormes

cantidades de energía. Por lo tanto la energía que nos envía el Sol es de origen

nuclear.

El Sol irradia la energía proveniente de la fusión de los núcleos atómicos

que lo componen y como lo hace en todas direcciones, una parte nos llega a la

Tierra. El Sol existe desde hace unos 4600 millones de años y astrónomos dicen

que este seguirá viviendo durante un periodo similar, por lo que para cualquier fin

práctico, el Sol es una fuente inagotable de energía.

La radiación que emite el Sol corresponde a una parte del espectro

electromagnético. Cada cuerpo, según sus características intrínsecas, emite una

forma de radiación característica, que puede identificarse dentro del espectro

electromagnético. La radiación electromagnética no es otra cosa que el tipo de

partículas o de ondas que nos llega de un cuerpo, en el caso de la radiación solar

la radiación proviene del Sol. Los rayos del Sol están compuestos por diminutas

partículas llamadas fotones que viajan a la velocidad de la luz; además existen

diversas formas en que se pueden apreciar las formas de la radiación

electromagnética proveniente del Sol, para nosotros lo más común es la luz

visible, pero también llegan los rayos ultra violeta y los rayos infrarrojos. El

espectro de la radiación solar se muestra en la figura 1.1, en la cual se observa

La Energía Solar

3

que el espectro de la radiación solar va desde el orden de cero hasta 2 mµ y que

se divide en espectro ultravioleta, espectro visible y espectro infrarrojo. [1]

Figura 1.1. Espectro del Sol. [1,3]

Fuera de la atmósfera, la radiación solar esta constituida por 7% de rayos

ultravioleta, 47% de radiación visible y 46% de rayos infrarrojos. En la superficie,

en condiciones ideales a cielo despejado y a nivel del mar, los porcentajes son:

4% de ultravioleta, 46% de visible y 50% de infrarroja, la capa externa de ozono

absorbe gran parte de los rayos ultravioleta.

1.3. Antecedentes

El desarrollo que ha tenido el aprovechamiento de la energía solar o de la

radiación que el Sol emite y llega hasta la Tierra ha tenido dos variantes a lo largo

de la historia, el primero el de aprovecharla como energía térmica y el otro el de

aprovecharla como energía fotovoltaica. A continuación se muestra el desarrollo

que han tenido ambas, haciendo énfasis en el aspecto fotoeléctrico.

La Energía Solar

4

El aprovechamiento de la energía solar en forma de energía térmica data

desde la aparición del ser humano, ya que se tiene información que utilizó los

rayos del sol para secar sus ropas, deshidratar alimentos, etc. Los primeros datos

de una aplicación con fines de ingeniería o tecnológicos datan del año 212 a.C.,

cuando Arquímedes utilizo varios espejos para quemar las naves romanas que

sitiaban la ciudad de Siracusa, también Euclides, en sus trabajos de óptica

mencionó que es posible obtener temperaturas elevadas mediante un espejo

cóncavo. Durante el renacimiento, el ingeniero francés Salomón de Cauce

construyo una bomba cuya fuerza motriz provenía de vapor calentado por los

rayos del Sol. En los siglos XVII y XVIII se construyeron los primeros hornos

solares en Alemania. Cerca de 1774 Lavoisier construyó un horno solar que

alcanzaba temperaturas de 1700º C.

Durante el siglo XIV se siguió experimentando con la producción de calor

por medio de los rayos solares y fue para 1839 en que Edmund Becquerel

mientras trabajaba con celdas electrolíticas observó que al iluminar uno de los

electrodos se producía un voltaje, así fue como se descubrió el efecto fotovoltaico,

es decir la conversión directa de luz en electricidad. Cincuenta años más tarde, en

1889, W. Smith encontró que el selenio tenía propiedades fotovoltaicas para que

Charles Fritts construyera la primera celda solar de selenio. Para 1905, Albert

Einsten partiendo del concepto de Cuanto, propuso que la luz esta compuesta de

Cuantos o paquetes de energía y explicó satisfactoriamente otro efecto llamado

fotoeléctrico que se presenta en los metales. El efecto fotoeléctrico se refiere a

que cuando la luz llega a metales como el Platino o el Cesio, los electrones

pueden empezar a moverse y si los fotones de los rayos de luz tienen frecuencias

y energía apropiadas, hacen saltar a los electrones de la superficie iluminada

generando así una corriente eléctrica.

Sin embargo, durante muchos años nadie se ocupo de mejorar las celdas

solares. Para 1954 investigadores de los laboratorios telefónicos Bell descubrieron

las celdas de unión p-n con silicio como solución para tener una fuente de energía

La Energía Solar

5

en las instalaciones telefónicas de las áreas rurales. Por otro lado cuando se

empezaban a olvidar las celdas solares, a la NASA se le ocurrió que la fuente mas

indicada para los satélites espaciales serian las celdas solares y dedicó mucho

tiempo y dinero para perfeccionarlas y producirlas.

Sus principales características como: simplicidad, bajo peso, confiabilidad y

ausencia de partes móviles, las hicieron ideales para el suministro de energía en

el espacio exterior. A la fecha las celdas fotovoltaicas han alcanzado mayor

desarrollo y cada vez tienen más aplicaciones, las celdas de silicio cristalino son la

tecnología que predomina en el mercado mundial debido a su madurez,

confiabilidad en su aplicación y sobre todo, a su vida útil que va de los 20 a los 30

años. [1]

Como se mencionó anteriormente, lo que se aprovecha del Sol es la

radiación que este emite, con fines prácticos es necesario saber que cantidad de

esta radiación podemos utilizar en nuestro planeta Tierra y mas específicamente,

en la superficie terrestre.

1.4. Constante Solar

La radiación solar incidente, que equivale a la radiación que se recibe en el

límite superior de la atmósfera terrestre, se estima que es de:

..SC = 2367.1mkW

Lo que quiere decir que en el borde de la atmósfera, a cada metro cuadrado

le llegan 1.367 kW de potencia solar. Sin embargo, este valor no es constante

durante el año debido al movimiento de traslación de la Tierra. El valor de la

constante cambia y se puede estimar por medio de la ecuación 1.1 en función del

día del año. [1,2]

La Energía Solar

6

2365360cos033.01....

mkWnSCSC d ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+= (1.1)

Donde: dSC .. = La radiación extraterrestre.

..SC = Constante Solar promedio.

n = enésimo día del año.

En la figura 1.2 se observa la variación que tiene el valor de radiación solar

en la superficie de la atmósfera.

Figura 1.2. Radiación Solar en la superficie de la atmósfera a lo largo del año.

La Energía Solar

7

1.5. Factores que afectan la intensidad de la radiación solar

La radiación solar que llega sobre una superficie plana que se encuentra

sobre la superficie terrestre tiene variaciones, estas variaciones se deben

básicamente a tres factores: [1,2]

a) Factores astronómicos.

b) Factores atmosféricos.

c) Factores de orientación y alineación.

A continuación se hace una descripción de cada uno de ellos.

1.5.1. Factores astronómicos

La tierra gira alrededor del sol en un movimiento llamado movimiento de

traslación. Dicho movimiento tarda 1 año terrestre que es igual a 365.25 días, la

trayectoria que describe nuestro planeta es una elipse que se acerca a una

trayectoria circular, como el sol esta en uno de los focos de la elipse, nuestro

planeta esta mas cerca del sol en una época y mas lejos en otra. La tierra alcanza

su máxima aproximación al sol cuando se encuentra a km81045.1 × , posición

llamada perihelio, a la que llega aproximadamente el 4 de enero de cada año y

alcanza la posición mas separada, su afelio, a km81054.1 × de distancia hacia

aproximadamente el 5 de julio. Pero la Tierra no solo se mueve alrededor del Sol,

también tiene un movimiento de rotación sobre un eje imaginario que forma un

ángulo de 0º hasta ( )̀27º23º5.23 ±± con respecto a la normal al plano de la orbita

terrestre. Si se mide el ángulo que forman lo trópicos de Cáncer y de Capricornio

con respecto al Ecuador, desde el centro de la Tierra, el primero será de +23.45º y

el segundo de -23.45º. Esta inclinación del eje de la tierra con respecto al plano de

la eclíptica es lo que ocasiona las estaciones del año y, por lo tanto la cantidad de

radiación que recibimos del Sol.

La Energía Solar

8

En el solsticio de invierno (aproximadamente el 21 de diciembre, puede

haber hasta 3 días de variación), los rayos solares llegan al Hemisferio Norte

durante menos tiempo, por que es el día mas corto del año, y el Sol se encuentra

al medio día en el punto mas bajo del cielo; en consecuencia, en el día el

soleamiento es mínimo (Figura 1.3). En el Hemisferio Sur ocurre lo contrario.

Figura 1.3. Solsticio de invierno para el hemisferio norte.

Posteriormente, para el día 21 de marzo, en el equinoccio de primavera,

cuando el día y la noche duran lo mismo, el soleamiento es igual en ambos

hemisferios. En el Solsticio de verano, que ocurre el 22 de junio, los rayos solares

llegan al Hemisferio Norte durante más tiempo, porque es el día mas largo del año

y el Sol alcanza el punto mas alto en el cielo, este es el caso de México.

Finalmente, el 22 ó 23 de septiembre, en el equinoccio de otoño, se repite la

misma situación que en el equinoccio de primavera, día y noche duran lo mismo

en ambos hemisferios y el soleamiento es intermedio entre los puntos máximos y

mínimos. [1,2,3]

La Energía Solar

9

En la Figura 1.4 se puede observar el movimiento de traslación de la Tierra,

las estaciones del año y ver de qué manera incide la radiación en el planeta.

Figura 1.4. Movimiento de traslación de la Tierra

(1 UA (Unidad Astronómica) =149 597 870 km.)

Cuando los rayos de Sol llegan perpendicularmente a una superficie es

cuando puede aprovecharse la mayor cantidad de radiación; por eso, la cantidad

de radiación que recibe nuestro planeta depende de la inclinación de los rayos

solares, esta radiación es variable y dichos cambios deben conocerse para saber

la cantidad de radiación que puede aprovecharse en cada lugar del planeta. En

otras palabras, la radiación solar no es constante y cambia según las estaciones

del año.

La Energía Solar

10

1.5.2. Factores atmosféricos

La tierra tiene una atmósfera cuyo límite se fija convencionalmente a dos

mil kilómetros de altura sobre la superficie y está compuesta de diferentes capas

como son la troposfera, estratosfera, ionosfera y exosfera. Ésta funciona como un

gran invernadero que guarda parte del calor proveniente del Sol.

El Sol emite una radiación caracterizada por el espectro solar, esta

radiación es absorbida por el sistema atmósfera-tierra. Dicho sistema absorbe una

radiación de onda corta, se calienta y a su vez emite una radiación de

características diferentes; es decir se transforma en onda larga. Para saber cual

es la cantidad de radiación que llega a la superficie de nuestro planeta y no solo a

la frontera de la atmósfera, debe hacerse un análisis global de los diferentes

procesos físicos y químicos que tienen lugar desde que la radiación solar atraviesa

la atmósfera hasta que llega a la superficie terrestre; a este proceso se le llama

balance energético de la Radiación Solar.

Hacer un balance preciso de la radiación solar resulta una tarea compleja,

hasta ahora solo se han hecho aproximaciones ya que la radiación solar que

recibe cada punto de la tierra varia, dependiendo de la radiación directa y difusa.

Sin embargo, se tienen estimaciones de la radiación solar y de su balance.

La radiación solar que no puede ser aprovechada tiene las siguientes

estimaciones: 23% se va al espacio exterior por reflexión en la capa superior de la

atmósfera, 6% se pierde por difusión de aerosoles, 17% lo absorben las distintas

capas de la atmósfera y el 7% que se refleja en el suelo terrestre. La suma de

estas perdidas da un total de 53%, por lo que solo el 47% de la radiación total

llega a la superficie terrestre o podría ser aprovechada. Tales estimaciones se

muestran en la figura 1.5. [1]

La Energía Solar

11

Figura 1.5. Pérdidas de radiación de la atmósfera al suelo.

Del 47% de la radiación que se encuentra en la superficie terrestre se divide

en un 31% como radiación directa y el 15% como radiación difusa o indirecta y

esta última puede ser por atenuación por causa de las nubes y por la reflexión del

suelo a la nube y nuevamente a la superficie terrestre, conocida como radiación de

Albedo. Del 47% de la radiación se le tiene que restar 18% de radiación que es

convertida en onda larga y esta sale de la atmósfera, por lo que finalmente queda

solo 29% de la radiación total. [1]

Figura 1.6. Radiación directa y difusa (atenuación por las nubes y la de Albedo)

La Energía Solar

12

1.5.3. Factor de Orientación e Inclinación

Debido a que la radiación solar es un fenómeno natural y los factores

astronómicos y atmosféricos no pueden ser controlados, la única opción para

lograr un máximo aprovechamiento de la energía solar disponible en un plano es

la orientación y la inclinación del mismo. Estudios sobre la disponibilidad de este

recurso han mostrado que la orientación mas adecuada para captar la energía

solar si el dispositivo a utilizar es un colector solar plano, es la orientación norte-

sur si la localidad donde se requiere hacer uso de la radiación solar esta en el

Hemisferio Norte el colector deberá orientarse hacia el sur geográfico y viceversa.

Con respecto a la inclinación del plano receptor, la cual se ve afectada por el

ángulo de declinación del eje terrestre, se recomienda colocar el colector a una

inclinación equivalente a º10± la latitud del lugar en cuestión. [2]

El ángulo de declinación solar es el ángulo que se forma por la inclinación

del eje de rotación de la Tierra con respecto a un eje imaginario normal al plano de

la orbita terrestre. El ángulo de declinación varia desde +23.5º a -23.5º en el

transcurso del año. La ecuación 1.2 permite el cálculo del ángulo de declinación

en función del día del año:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=365

28436045.23 nsenδ (1.2)

Donde: δ = ángulo de declinación.

n = día enésimo del año.

La Energía Solar

13

Para comprender mejor la necesidad de colocar cualquier superficie

receptora de radiación solar con cierta inclinación, se considera por ejemplo al

Trópico de Cáncer en invierno. Como se mencionó, en el solsticio de invierno en el

Hemisferio Norte es cuando menor radiación se puede recibir, es por esto que es

necesario inclinar la superficie de colección de radiación para que esta llegue lo

mas perpendicularmente posible al colector y así tener un mayor aprovechamiento

de la misma; además que en esta posición se puede captar una mayor cantidad

de radiación difusa que si estuviera en el plano horizontal.

Figura 1.7. Radiación en el solsticio de invierno en el Trópico de Cáncer en el plano horizontal y

en el plano inclinado.

Figura 1.8. Radiación sobre superficies en el plano horizontal y en el plano inclinado.

La Energía Solar

14

1.6. Día Solar

El Día Solar (DS) representa el valor promedio de horas, del total de horas

entre el amanecer y el anochecer, durante el cual un sol “equivalente” (con

radiación constante de 1 2m

kW ) es capaz de generar la misma cantidad de energía

que el sol verdadero entrega, en promedio, en esa locación, para esa época del

año. Como ejemplo, supongamos que en una locación el valor de insolación

estacional promedio es de 5 kWh / 2m /día. Desde el punto de vista energético

(potencia por tiempo) podemos asumir un DS de 5horas, con una irradiación

constante de 12m

kW , ya que el producto 5hrs/día x 12m

kW representa el mismo valor

energético de insolación.

Para México y particularmente para el Distrito Federal el Observatorio de

Radiación Solar del Instituto de Geofísica de la Universidad Nacional Autónoma de

México (UNAM), realizo un estudio para encontrar el valor de insolación promedio

que se tienen al día durante todo el año. [4]

Tabla 1.1. Insolación Promedio Diaria Mensual en la Ciudad de México

MES kWh / 2m /día MES kWh / 2m /día

Enero 4.861 Julio 5.472

Febrero 5.333 Agosto 5.305

Marzo 6.166 Septiembre 4.611

Abril 6.25 Octubre 4.527

Mayo 6.055 Noviembre 4.472

Junio 5.277 Diciembre 4.305

Promedio anual 5.2195 kWh / 2m /día

La Energía Solar

15

Si a la tabla anterior cada valor de insolación se dividiera entre el valor de

un Sol (12m

kW ), el valor que resultaría serían horas, interpretando este resultado,

nos indica que son el numero de horas efectivas que se pueden aprovechar desde

el amanecer hasta el anochecer.

Tabla 1.2. Horas efectivas del Día Solar Promedio Mensual en la Ciudad de México

MES Horas MES Horas

Enero 4.861 Julio 5.472

Febrero 5.333 Agosto 5.305

Marzo 6.166 Septiembre 4.611

Abril 6.25 Octubre 4.527

Mayo 6.055 Noviembre 4.472

Junio 5.277 Diciembre 4.305

Para dejar mas clara la idea en los párrafos anteriores, se considerará un

ejemplo práctico. En la actualidad los equipos receptores de radiación ya están

fabricados con una potencia de absorción, por ejemplo 100W y sea el caso de que

se requiera almacenar la energía de un día de marzo en buenas condiciones, la

tabla 1.2. dice que el día Solar es de 6.166 horas, o sea que en realidad desde

que amanece hasta que anochece se convierten en 6.166 horas de absorción

efectivas y no las aproximadamente 12 horas que podría involucrar desde el

amanecer hasta el anochecer y esto debido a que la radiación que incide en la

superficie terrestre es diferente las diferentes horas del día normal. Esto ocurre

siempre y cuando las superficies de captación sean menores al metro cuadrado.

Promedio anual 5.2195

La Energía Solar

16

1.7. Radiación Solar Promedio para la Republica Mexicana

Con la finalidad de conocer la radiación por día en México en el Instituto de

Geofísica de la UNAM se dieron la tarea de realizar estudios para determinar el

mapa de insolación promedio diaria mensual en la República Mexicana, estudio

que involucra parámetros tales como latitud del lugar, longitud promedio del día,

numero de días lluviosos en el mes y humedad relativa promedio. [4]

Figura 1.9. Mapa de Irradiación Solar en la República Mexicana.

Del mapa se observa que para el Distrito Federal se tiene una radiación

diaria promedio entre 5.0 y 5.5 kWh / 2m /día, también se observa que hay otros

estados con muy buenas condiciones de radiación solar que están entre los 6 y 7

kWh / 2m /día como son Baja California, Baja California Sur, Durango, Zacatecas,

San Luís Potosí, ente otros. Algunos estados con menor radiación como en

Veracruz, Oaxaca y Nuevo León con valores de 4.0 y 5.0 kWh / 2m /día. Sin

embargo aún los valores más bajos en el país, están por encima de la radiación

que pudieran recibir algunos países Europeos, motivo por el cual el uso de este

recurso natural debe ser aprovechado para diversos fines.

La Energía Solar

17

1.8. Análisis de la situación actual

Los combustibles fósiles son recursos finitos que sin duda van a agotarse.

Por fortuna, existen también las Energías Renovables (ER) o energías

alternativas, esto engloba una serie de fuentes energéticas que en teoría no se

agotarían con el paso del tiempo. Estas fuentes serian una alternativa a otras

tradicionales y producirían un impacto ambiental mínimo. Las ER comprenden: la

energía solar, la eólica, la biomasa, la geotérmica y la mareomotriz.

En los últimos diez años se ha potenciado el desarrollo de las ER como

consecuencia del constante aumento del precio del petróleo, de la incertidumbre

política en los países productores de hidrocarburos y por la sensibilidad al medio

ambiente. Hoy en día se están llevando a cabo grandes esfuerzos por parte de

organismos públicos y privados para conseguir el mejor aprovechamiento de las

ER y con ello disponer de energías alternativas a las de origen fósil. En México, no

obstante el gran potencial de ER con que cuenta, de 1993 al 2003 los

hidrocarburos mantuvieron la mayor participación en la producción de energía

primaria, mientras que las ER tuvieron una contribución marginal. Sin embargo

para el periodo 2005-2014 se esperan incrementos importantes, impulsados por la

Secretaria de Energía (SENER) y la Comisión Federal de Electricidad (CFE).

Dentro del apartado de “Energía, Electricidad e Hidrocarburos” del Plan

Nacional de Desarrollo (PND) que presentó el presidente de la República

Mexicana este 2007, destacan indicaciones sobre la urgencia de inversiones, falta

de tecnología, altos precios de los energéticos y electricidad. El diagnostico del

petróleo muestra que las reservas alcanzan para 9.3 años y 9.7 de gas natural,

por supuesto hay mas hidrocarburos, pero estas reservas se encuentran en aguas

profundas lo que demanda tecnología avanzada que México no tiene y por tanto

una dependencia tecnológica. Los elevados precios del petróleo de entre tantas

cosas provocan el encarecimiento del suministro eléctrico, también se están

teniendo alzas en los precios debido a la importación de gas natural y por si fuera

La Energía Solar

18

poco la calidad de la energía es mala. Debido a tales motivos, es necesario

considerar las ER y aprovechar las buenas condiciones con que México cuenta

para que estas sean aprovechadas. [5,6]

En México específicamente dentro del plano de la energía solar, existen

diversos organismos que están encargados del desarrollo en el aprovechamiento

de la radiación que llega por parte del Sol. La investigación ha fijado su atención

en dos puntos, el aspecto fototérmico y el fotovoltaico, la investigación en el

aspecto fotovoltaico no es tan amplia como el caso del aspecto fototérmico y las

instituciones dedicadas a este aspecto son pocas entre las que se encuentran el

Instituto de Investigaciones Eléctricas, el Centro de Investigaciones y Estudios

Avanzados del IPN, el Instituto de Investigaciones en Materiales de la UNAM entre

otros pocos más. [1]

1.9 Aplicaciones

La mayoría de las aplicaciones que existen actualmente en el país, están

orientadas a las zonas rurales que se encuentran alejadas de las redes de

distribución de energía eléctrica. El presente trabajo busca determinar la

factibilidad de implementar una aplicación de un sistema solar fotovoltaico dentro

de una zona urbana como la ciudad de México, para este estudio sirven de

referencia las aplicaciones ya existentes. A continuación se presentan algunas

aplicaciones con sistemas solares fotovoltaicos. [7]

ELECTRIFICACION RURAL

• Viviendas fuera del alcance de las líneas eléctricas de distribución.

• Viviendas de fin de semana, refugios de montaña y similares.

La Energía Solar

19

APLICACIONES AGRÍCOLAS Y GANADERAS

• Iluminación de invernaderos.

• Iluminación de granjas.

• Bombeo de agua.

• Sistemas de riego.

• Electrificación de cercas

• Alimentación de sistemas de termocontrol en las autovías y similares.

COMUNICACIONES

• Alimentación de repartidores de telefonía, radio y televisión.

• Alimentación de sistemas de telemetría.

• Alimentación de sistemas telefónicos rurales.

SEÑALIZACION

• Iluminación de vallas publicitarias.

• Radiofaros y radiobalizas.

• Señalización en autopistas.

• Estaciones meteorológicas.

Figura 1.10. Uso de la energía solar en una zona rural.

2.1. Introducción

En este capítulo se presentan los fundamentos teóricos sobre el principio de

funcionamiento de los paneles solares fotovoltaicos, así como su clasificación, tipo

de instalaciones eléctricas y los elementos que las constituyen. También se

muestran los diferentes tipos de configuraciones que se pueden establecer en un

sistema fotovoltaico dependiendo de su aplicación. Finalmente se incluyen las

características más generales e importantes de los elementos que conforman las

instalaciones eléctricas fotovoltaicas y se muestran los aspectos más relevantes

para el mantenimiento de este tipo de sistemas.

Sistemas Solares Fotovoltaicos

21

2.2. Generalidades

Los sistemas solares fotovoltaicos convierten directamente parte de la

energía de la radiación solar en electricidad. Las celdas fotovoltaicas se fabrican

principalmente con Silicio, el segundo elemento más abundante en la corteza

terrestre (arena de los mares). Cuando al silicio se le agregan otros materiales de

ciertas características, obtiene propiedades eléctricas únicas en presencia de

radiación solar. [7]

Los electrones son excitados por la radiación y se mueven a través del

Silicio produciendo una corriente eléctrica, debido a que los fotones de la radiación

solar interactúan de modo directo sobre los electrones del captador fotovoltaico

este efecto es conocido como el efecto fotovoltaico.

El componente básico de este modo directo de conversión es la célula

solar, con la que se construyen los paneles solares, los cuales proporcionan una

corriente eléctrica de valor dependiente de la energía solar que incide sobre su

superficie.

Un conjunto de componentes complementarios al panel permiten acumular

la energía eléctrica para utilizarla en tiempos diferentes a los de su obtención,

cambiarla de forma a corriente alterna para alimentar electrodomésticos u otros

equipos, y adaptarla para su inyección a las redes publicas de distribución de

energía eléctrica, operación que requiere de el proceso de sincronización de fase.

Cabe resaltar que las celdas fotovoltaicas no tienen partes móviles, son

virtualmente libres de mantenimiento y tienen una vida útil de entre 20 y 30 años,

además poseen la ventaja de que no contaminan, lo cual contribuye a atenuar las

emisiones contaminantes, consecuentemente surgen como una importante

alternativa para reducir la dependencia del petróleo en la generación de energía

eléctrica, además de que las energías alternativas son energías inagotables.


22

2.3. Célula solar

La energía solar fotovoltaica corresponde un sistema directo de conversión,

ya que los fotones de la radiación solar interactúan de modo directo sobre los

electrones del captador fotovoltaico para dar lugar al efecto fotoeléctrico y de esta

manera a la generación de corriente eléctrica. [7]

El componente básico de este modo directo de conversión de la energía es

la denominada célula solar, con la que se construyen los paneles o módulos

solares, los cuales proporcionan una corriente eléctrica de valor dependiente de la

energía solar que incide sobre la superficie.

La celula solar está basada en el Silicio el cual se extrae de la arena común

(SiO2 dioxido de Silicio).

Para la produccion de la celula fotovoltaica, es necesario procesar la arena

(SiO2) para llevarla a su forma final y comercial de la celda capaz de proporcionar

energia electrica, este proceso se describe en la figura 2.1:

Figura 2.1. Diagrama a bloques de la formación de la célula fotovoltaica.


23

2.3.1. Tipos de células solares

Se pueden considerar tres tipos de células disponibles para formar paneles

fotovoltaicos comerciales, que son: [7]

• Silicio Monocristalino. Este modelo fue el primero de las células solares

en 1954. Se recurre para su obtención al método de crecimiento de los

cristales denominado CZCHRALSKY, lo que se consigue mediante Silicio

puro fundido al que se le agrega boro. Se distinguen a los paneles que

incorporan estas células por su color azul homogéneo.

• Silicio Policristalino. Las células están compuestas por pequeños cristales

elementales que presentan diferentes tonalidades del azul. Sus células

tienen menor espesor, que las Monocristalinas, pero el material

semiconductor tiene menos pureza por lo tanto ofrece menos rendimiento.

• Silicio Amorfo. Esta célula es de capa delgada y de bajo costo, lo cual

permite realizar módulos fotovoltaicos flexibles y presentan un color marrón

homogéneo.


24

La siguiente tabla indica las características para los diferentes tipos de células

solares.

Tabla 2.1. Características de las diferentes células solares.

TIPO DE CELULA RENDIMIENTO CARACTERISTICAS

Monocristalino

15-18%

• Cristal único

• Buen rendimiento

• Color azul homogéneo

Policristalino

12-14%

• Diferentes cristales elementales

• Precio inferior al del anterior

• Diferentes tonalidades de azul

Amorfo

<10%

• Capa delgada

• Células flexibles en forma de laminas

• Color marrón homogéneo


25

Figura 2.2. Panel solar fotovoltaico formado por células monocristalinas.

Figura 2.3. Panel solar fotovoltaico formado por células policristalinas.


26

2.4. Principio de funcionamiento del proceso fotovoltaico

Como ya se menciono anteriormente, las celdas solares convierten

directamente la radiación solar en electricidad, debido al efecto fotovoltaico, cuyo

principio físico es la separación de los electrones de valencia de los átomos y de

su material semiconductor con la energía de los fotones de la luz solar que incide

sobre la superficie del dispositivo. Los fotones tienen diferentes valores de

energía. Cuando un fotón con energía suficiente choca con un átomo de algún

material, en este caso el silicio dopado, el átomo absorbe la energía del fotón y un

electrón del material queda en un estado excitado por la energía absorbida, lo que

permite, en algunos casos, que se mueva libremente. Si en lugar de uno son

varios los electrones que circulan libremente, puede producirse una corriente

eléctrica bajo ciertas condiciones y, por lo tanto, generarse electricidad a partir de

energía solar.

Para producir el efecto fotovoltaico se utilizan materiales semiconductores

extrínsecos, los cuales son del tipo N y P, teniendo ambos en común su base de

silicio (grupo IV A). La región N se consigue dopando el Silicio con alguno de los

elementos del grupo V A de la tabla periódica y que puede ser el Fósforo o

Arsénico y al tipo P dopando al Silicio con algún elemento del grupo III como

puede ser el Boro, Galio o el Indio, quedando de esta manera un hueco (falta de

un electrón) en el octeto del tipo P y por eso su nombre tipo P porque queda

cargado positivamente, en cambio el tipo N tiene un electrón de mas en su octeto

quedando cargado negativamente y de ahí su nombre.

Figura 2.4. Semiconductores extrínsecos con base de silicio tipo P y N.


27

En los materiales semiconductores existe una región que se denomina

banda prohibida y de valencia; en la cual los electrones están ligados al núcleo

atómico, de la banda de conducción por la cual los electrones pueden circular

libremente. En los materiales aislantes la banda prohibida es mayor a 5eV

mientras que en los semiconductores como el Silicio, es de 1.1eV. Para lograr la

conducción se requiere que los electrones de la banda de valencia pasen a la de

conducción, y una forma de lograrlo es que los fotones de los rayos solares

proporcionen la energía que se requiere para que los electrones salten a la banda

prohibida. Cuando se hace impuro al Silicio (dopaje), se puede conseguir que se

tenga un electrón de más o de menos en la banda de valencia.

Figura 2.5. Bandas de Bloch.

El efecto fotovoltaico es cuando los fotones provenientes de la radiación

solar llegan a la celda y la radiación absorbida provocara que en la conexión P-N,

el electrón de sobra en la región N situado en la banda de valencia, salte a la

barrera prohibida produciendo así una conducción cubriendo el hueco de la región

P y generándose de esta manera una corriente eléctrica. [1,8]


28

El proceso descrito es el básico de todos los semiconductores, en los

cuales se produce corriente eléctrica denominada de canal cuando se rompe la

barrera o banda prohibida existente entre sus uniones, lo que se puede conseguir

mediante cuatro procedimientos principales, que son: [7]

• Mediante la aplicación de una corriente eléctrica. Si se aplica el positivo

de una fuente con diferencia de potencial suficiente al electrodo de la región

P y el negativo a la región N, la barrera se rompe y circula corriente por la

combinación que se producen de los pares electrón-hueco.

• Por elevación de la temperatura. Si se eleva sustancialmente la

temperatura se produce circulación eléctrica por el dispositivo (efecto

térmico).

• Mediante la aplicación de un campo magnético. Se aplica un campo

magnético perpendicular a la unión o barrera (efecto Hall) se puede

producir conducción eléctrica.

• Mediante irradiación fotónica. Es la que se aprovecha en las células

fotovoltaicas, dando lugar al ya mencionado efecto fotovoltaico.

Las células solares se agrupan mediante conexión serie-paralelo para formar

los paneles fotovoltaicos. El número de células determina la potencia a obtener del

panel.

Cuando los paneles fotovoltaicos incorporan un elevado numero de células

dispuestas en serie, se puede producir un efecto indeseable que consiste en la

generación de una tensión inversa en alguna célula como consecuencia de la

aparición de sombra sobre ésta, la cual consumirá energía eléctrica de las

restantes y con ello se reduciría el rendimiento del panel. Este efecto, los

fabricantes de paneles le denominan punto caliente, el cual tiene un valor que

depende directamente de la radiación incidente sobre el resto de las células, las


29

que reciben luz. El efecto podría dar lugar, ante un exceso de radiación, a la

destrucción de las células en sombra, como consecuencia de su calentamiento al

circular corriente por ellas.

La solución para evitar el calentamiento de las células en sombra es incorporar

un diodo de protección para eliminar la corriente inversa, tal diodo está situado

generalmente en la caja de conexiones del panel.

Figura 2.6. Células fotovoltaicas en serie con el diodo de protección.


30

2.5. Características de los paneles fotovoltaicos

Los paneles fotovoltaicos se definen por un conjunto de parámetros

expresados en las condiciones denominadas TONC (temperatura de operación

nominal de la célula) o en la SRC (condición de prueba estándar), cuyos valores

diferenciadores característicos se indican en la tabla 2.2. Los datos expresados en

SRC se consideran de ensayo y los dados en TONC son típicos de operación. [7]

Tabla 2.2. Características generales de los paneles solares.

Condiciones TONC SRC

Irradiación 800 W/m2 1000 W/m2

Distribución espectral AM 1.5

Temperatura ambiente 20ºC 25ºC

Velocidad del viento 1 m/s

A continuación se mencionan algunos de los parámetros eléctricos más

importantes para los paneles fotovoltaicos. [7]

• Potencia máxima (Pmax). Indica la potencia máxima obtenida o absorbida

en las condiciones especificadas. Su valor corresponde a los parámetros de

tensión (V) y corriente (I) máximos.

• Tensión de potencia máxima (Vmp). Valor de la tensión cuando el panel

está suministrando la máxima intensidad de corriente.

• Intensidad de potencia máxima (Imp). Corriente suministrada a la potencia

máxima. Se considera este parámetro el representativo de la corriente

nominal.


31

• Corriente de cortocircuito (Isc). Representa la máxima corriente que

puede proporcionar el panel bajo condiciones de tensión cero.

• Corriente a circuito abierto (Voc). Especifica la tensión máxima que puede

proporcionar el panel sin carga.

• Coeficiente de temperatura de Isc. Indica, en porcentaje, la alteración de

este parámetro con la temperatura.

• Coeficiente de temperatura de Voc. Indica, en mV/ºC, la alteración de la

tensión en circuito abierto con la temperatura.

• Coeficiente de la temperatura de la potencia. Indica el signo y valor de la

alteración de la potencia con la temperatura.

Si bien se puede definir un determinado panel por los parámetros dados en las

condiciones de operación TONC o de ensayo SRC, es de considerar la posible

alteración de sus valores ante diferentes condiciones de irradiación, distribución

espectral (AM) o temperatura ambiente, lo que es imprescindible para aproximar

los cálculos de dimensionamiento a las condiciones reales del lugar en el que se

ubican los paneles fotovoltaicos. Tales parámetros son proporcionados por los

diversos vendedores de este tipo de equipos.


32

2.6. Clasificación de las instalaciones fotovoltaicas

Las instalaciones basadas en paneles solares fotovoltaicos están clasificadas

en tres versiones dependiendo de su arquitectura y utilización.

2.6.1. Instalaciones aisladas de la red

Son aquellas destinadas a la obtención de energía eléctrica para cualquier

aplicación, que no tenga ningún punto de conexión a la red pública de distribución

como se ve en la figura 2.7.

Figura 2.7. Diagrama de bloques de una instalación aislada.

2.6.2. Instalaciones con conexión a la red

Corresponden a las que están conectadas a la red pública (figura 2.8) de

distribución para dos finalidades.

a) Venta de la totalidad de la energía eléctrica generada.

b) Venta de la energía eléctrica sobrante con respecto a la necesitada en el

lugar de generación.


33

Figura 2.8. Diagrama de bloques de una instalación con conexión a la red.

2.6.3. Instalaciones híbridas

Son instalaciones que incorporan diferentes fuentes generadoras de

electricidad para la misma aplicación. La finalidad es obtener el máximo

aprovechamiento de los recursos energéticos de cada fuente generadora en todo

momento, son dos las fuentes adicionales que pueden complementar a los

sistemas fotovoltaicos.

a) Aerogeneradores. Cuya energía se suma a la de los paneles

fotovoltaicos en presencia de vientos durante el día y en la noche es

el principal suministrador cuando los paneles cesan su actividad.

b) Generadores. Basados en un motor de combustión, los cuales entran

en funcionamiento automáticamente cuando la energía disponible del

sistema fotovoltaico es inferior a la de la demanda.

El esquema de una instalación hibrida se muestra en la figura 2.9.


34

Figura 2.9. Diagrama de una instalación aislada híbrida.

2.7. Elementos de una instalación fotovoltaica

La energía eléctrica proporcionada por los paneles solares puede tener

forma y nivel diferente del requerido por los dispositivos destinatarios, lo que

requiere la incorporación de equipos complementarios o adicionales para tal

finalidad. El principal equipo adicional que generalmente se encuentra en todas las

instalaciones, es el regulador de carga, dispositivo electrónico que esta destinado

para controlar la carga de corriente de las baterías en correspondencia con la

energía recibida por los paneles solares y del consumo interno producido. [7]

La fuente energética de los dispositivos a alimentar es la batería, en la que

se acumula la energía recibida de los paneles fotovoltaicos. Si los dispositivos a

alimentar requieren corriente alterna, es preciso intercalar entre la batería y ésos

un inversor DC/AC (corriente continua/corriente alterna), con lo que la instalación

del tipo aislado queda configurada conforme se muestra en la figura 2.10. [7]


35

Figura 2.10. Diagrama de bloques de una instalación aislada con salida de corriente alterna.

Sin embargo, si la instalación es del tipo con conexión a red incorporan el

denominado inversor de red, que es el equipo que la adecua a las condiciones

requeridas para su inyección en las redes de distribución, tal como se muestra en

la figura 2.11. [7]

Figura 2.11. Diagrama de bloques de una instalación con conexión a la red, con controlador e

inversor.


36

2.7.1. Controladores de carga

La conexión directa de los paneles fotovoltaicos a las baterías, y éstas a su

vez unidas de modo directo con los dispositivos a alimentar, podría dar lugar a

ciclos de sobrecarga y descarga diferentes a los requeridos razones que llevarían

a un deterioro prematuro tanto de la batería como del panel.

La sobrecarga de las baterías puede ser provocada por la disminución o

anulación del consumo, lo que supone el aumento de la tensión proporcionada por

los paneles solares.

El controlador de carga dispuesto entre el sistema generador y el de

acumulación, del que se toma la energía eléctrica para el consumo, permite

mantener los dos ciclos en correspondencia con las características de

carga/descarga de las baterías utilizadas y, para ello, recurre a dos posibles

sistemas de operación: la aplicación automática de un algoritmo de

carga/descarga adecuado a las baterías conectadas al regulador o bien mediante

programación previa en el equipo de los parámetros de carga/descarga, datos que

proporcionan los fabricantes de baterías.

El primer sistema requiere la introducción de un micro controlador en la

unidad de control del equipo regulador para generar el algoritmo indicado de

carga/descarga en correspondencia con las baterías utilizadas.

Con respecto a los controladores programables, éstos permiten la

introducción de los parámetros específicos de carga/descarga de las baterías

utilizadas, alejándose con ello del algoritmo por defecto de los primeros, cuya

exactitud solo es en aproximación. [7]


37

La conexión del regulador de carga en las instalaciones fotovoltaicas, adopta la

configuración que muestra la figura 2.12.

Figura 2.12. Conexión del controlador entre el panel y la carga.

Como se puede observar, la energía a suministrar al consumo procede

directamente de la batería, la cual carga el regulador con su régimen necesario.

Existe una amplia variedad de controladores de carga, desde los sencillos y

económicos a los complejos con múltiples funciones. Sus funciones más notables

son las siguientes: [7]

• Estado de la batería. Indicación de la tensión de la batería y su estado, tal

como la carga, situación de flotación, etc.

• Corriente. Indicación del valor de corriente generada por los paneles, la del

consumo, la resultante entre generación y consumo, etc.

• Alarmas. Es referido a las funciones automáticas que pueden incorporar los

reguladores de carga, con conexiones de salida para dispositivos externos.


38

Las alarmas pueden activarse ante tensión alta o baja de la batería

conectada al equipo, ante exceso de temperatura, ante el exceso de la energía de

entrada procedente del generador, etc.

Los controladores se definen por especificaciones principales como son: Tabla 2.3. Especificaciones de los controladores.

PARÁMETRO DESCRIPCIÓN

Tensión nominal (V)

Representa el valor de tensión de entrada al

regulador.

Corriente máxima de

generación (Imax)

Indicación de la corriente máxima que puede

proporcionar el generador conectado al

regulador.

Corriente máxima (Imax)

Indicación de la corriente máxima que puede

proporcionar el equipo a la carga o consumo.

Corte alto (Umax)

Indicación del estado de corte de la carga de la

batería cuando ésa alcanza una determinada

tensión máxima.

Corte de flotación (Uflot)

Parámetro que indica el nivel de tensión al que

se produce en el regulador la conmutación al

modo flotante.

Rearme alto (U)

Indicación del nivel de tensión al que se

produce en el regulador rearme.

Rearme de flotación (Uflot)

Indicación del nivel de tensión al que se

produce al rearme del regulador al modo

flotación.

Corte bajo (Umin)

Indicación del estado de corte de la carga de la

batería cuando la tensión en sus bornes

alcanza un mínimo especificado.


39

2.7.1.1. Modos de regulación de carga

En el proceso de regulación de carga se pueden dar cuatro situaciones,

cuya descripción es la siguiente: [7]

• Carga total. Recarga completa de las baterías en las primeras horas de la

luz solar.

• Regulación. Periodo de regulación, generalmente en el modo PWM

(Impulso de anchura variable en función de la carga requerida), para

restaurar la capacidad de las baterías como consecuencia del consumo

producido.

• Flotación. Cuando las baterías están completamente recargadas, el

regulador pasa al modo flotante, estado en el que se mantiene mientras que

no se produzcan cambios significativos en el consumo.

• Ecualización. Proceso de optimización de la carga de las baterías del tipo

de electrolito líquido con una tensión suficientemente alta para que se

produzca gas y remover así el sulfato de plomo de las placas y agitar el

electrolito, el cual tiende a estratificarse en las operaciones normales.


40

2.7.1.2. Configuraciones para la regulación de carga

• Paralelo

• Serie

El modo paralelo, o shunt, está basado en acoplar a la línea de tensión

procedente del generador una carga de absorción de la energía excedente, y el

serie en intercalar una carga de absorción para la misma finalidad.

a) Regulación de carga en paralelo

b) Regulación de carga en serie

Figura 2.13. Configuración para la regulación de carga


41

2.7.2. Baterías para los sistemas fotovoltaicos

La generación de energía eléctrica de origen fotovoltaico en tiempos

diferentes a los de la demanda, da lugar a la necesidad de introducir en las

instalaciones un medio de acumulación. Tal dispositivo de acumulación está

dispuesto, en las aplicaciones prácticas, entre el panel fotovoltaico y la carga o

consumo, de tal modo que se produce acumulación cuando el consumo es inferior

a la energía generada. Sin embargo cuando la demanda es superior a la corriente

generada (para los paneles fotovoltaicos es durante la noche), es la batería la que

abastece el consumo. [7]

El sistema de acumulación empleado en la instalación indicada es la batería

electroquímica, cuyos vasos electroquímicos dispuestos como células de carga de

electricidad, se conecta en serie para formar los denominados acumuladores.

La batería para aplicación en instalaciones fotovoltaicas deben reunir unas

especificaciones muy concretas de capacidad, ciclos de carga/descarga y

autodescarga diferentes a otros usos, lo que ha determinado su elección hacia las

de plomo-ácido, las cuales están compuestas por dos electrodos inmersos en un

electrolito de ácido sulfúrico diluido en agua. Tal electrolito puede estar en el

recipiente en la formas de liquido o gel. La figura 2.14 muestra la disposición

básica de un vaso o célula, de cuyo número en el acumulador depende el voltaje

de salida a obtener. [7]


42

Figura 2.14. Vaso elemental de plomo acido cargado.

Los dos electrodos, que constituyen la salida de corriente del acumulador,

son uno de dióxido de plomo para el ánodo, que corresponde al de la polaridad

positiva, y el otro de plomo para el cátodo, con polaridad negativa.

La carga de energía eléctrica se produce por la aplicación directa o indirecta

(regulador de carga) del generador fotovoltaico, o bien mediante el denominado

cargador de baterías conectados a la red eléctrica. Durante ese proceso, se forma

oxido de plomo en al ánodo y plomo en estado puro en el cátodo, y se libera acido

sulfúrico al electrolito, con lo que se aumenta la concentración en orden creciente

hasta la carga total.

La corriente de carga debe ser controlada para evitar el deterioro prematuro

de la batería. Si estando la carga próxima al 100% se mantiene la corriente, se

produce gasificación por exceso de Oxígeno y los separadores de las células se

oxidan, independientemente de otros efectos perjudiciales. Por tal motivo es

preciso reducir al mínimo la gasificación del electrolito, lo que se consigue

reduciendo la corriente de carga. En la práctica se aplica una tensión de carga de

2.38 V por vaso a una temperatura de 25º C, proporcionando así un aceptable

nivel de gasificación. En conjunto, el proceso de carga/descarga libera gases

formados por Hidrógeno y Oxígeno, lo que da lugar a la necesidad de ventilar el

habitáculo de las baterías. [7]


43

Si bien la mayoría de las baterías empleadas en las instalaciones

fotovoltaicas son del tipo plomo-ácido, la industria fabricante proporciona

diferentes modelos constructivos con esa tecnología para adaptarse a otras tantas

situaciones, especialmente en lo relativo al grado de gasificación y de protección

ante roturas del envase. La tabla 2.4 presenta los modelos comerciales más

significativos. [7]

Tabla 2.4. Baterías para los sistemas fotovoltaicos

TIPO DE BATERÍA DESCRIPCIÓN

Ácido abiertas

Corresponden estas baterías al modelo básico,

con los tapones de rellenado para agua destilada,

lo que constituye su característica diferenciadora.

Acido selladas (herméticas)

Corresponden a las denominadas baterías

estacionarias, sin mantenimiento (no es posible

rellenarlas con agua destilada). Produciendo poco

Oxígeno, por lo que se emplean en habitáculos

cerrados. Estas baterías pueden tener una vida

más corta por la imposibilidad del mantenimiento.

Gel selladas (herméticas)

Baterías igualmente sin mantenimiento, en las

que el acido se ha hecho gel, conforme a su

denominación, para evitar el derrame del acido

sulfúrico en caso de rotura del envase.

AGM selladas (herméticas)

Baterías sin mantenimiento en las que el gel está

en forma de masas esponjosas. Incorporan una

válvula de protección. Estas baterías reciben la

denominación de VRLA (“Valve Regulated Lead

Acid” o Baterías de plomo ácido con válvula de

regularización). Su principal característica es que

presentan una vida larga.


44

Figura 2.15. Batería de ciclo profundo de Acido, libre de mantenimiento.

Figura 2.16. Batería de ciclo profundo de Acido.

Figura 2.17. Batería de Gel, libre de mantenimiento.


45

2.7.2.1. Especificaciones eléctricas

Las baterías se definen por un conjunto de especificaciones eléctricas con

las que se indican sus condiciones de trabajo. Las principales son las siguientes:

[7]

• Tensión. Indicación de la tensión de trabajo. Dado que cada vaso de las

baterías proporciona 2 V, y que esos están dispuestos en serie, su número

corresponde al cociente entre la tensión de trabajo y la del vaso.

• Capacidad (CX/Ah). Parámetro que indica la cantidad de carga que se

puede extraer de la batería en un determinado numero de horas, a la

temperatura de 25ºC, y hasta que la tensión en sus bornes alcance el valor

de 1.85 V por vaso o elemento.

• Capacidad útil. Parámetro que indica la capacidad disponible, que

corresponde al producto de la capacidad nominal por la profundidad

máxima de descarga permitida (PD máx.).

• Estado de carga. Parámetro que representa el cociente entre la capacidad

de la batería, generalmente parcialmente descargada, por la capacidad

nominal.

Se significa comúnmente este parámetro con los caracteres SOC, que

representan:

O<SOC<1

Donde: SOC=1 Batería totalmente cargada

SOC=0 Batería totalmente descargada


46

• Profundidad de descarga (PD). Representa el cociente entre la carga

extraída y su capacidad nominal. Este parámetro se cuantifica en (%).

• Régimen de carga o descarga. Parámetro empleado para relacionar la

capacidad nominal y la intensidad de corriente a la que se realiza la carga o

la descarga de la batería. Este parámetro se indica comúnmente en horas,

con un subíndice del signo de capacidad y de la corriente a la que se

realiza el proceso de carga o descarga.

• Ciclos de vida. Indicación que da el fabricante del número de veces que es

posible cargar completamente la batería durante su vida útil. El número de

ciclos de vida depende de la profundidad de descarga a la que trabaja la

batería en el sistema.

• Autodescarga. Es referido a la pérdida de energía que experimentan las

baterías cuando están inactivas. Su valor depende del tipo de batería

empleado y de la temperatura a la que está sometida. Se indica

generalmente en (%) mes.


47

2.7.3. Inversores

La corriente continua procedente de los paneles solares, con salida en las

instalaciones del regulador de carga de los acumuladores, puede ser empleada

para alimentar circuitos de alumbrado y diferentes equipos eléctricos en su

mayoría de corriente alterna. Tal circunstancia da lugar a la incorporación en las

instalaciones fotovoltaicas del denominado inversor, el cual esta configurado como

un convertidor de corriente continua a alterna (DC/AC), con salida de 127 ó 240 V

a 60 Hz, dependiendo de la utilización. [7]

El equipo recibe la corriente continua procedente del acumulador, la cual se

puede emplear, así mismo, para alimentar componentes o equipos de sus mismas

características o para proporcionar a la salida corriente alterna con valores de

tensión y frecuencia en correspondencia con los equipos a alimentar, lo que

constituye la línea de suministro principal, en las instalaciones solares para

aplicación en los hogares o similares. La potencia eléctrica suministrada es una de

las características de más importancia del equipo inversor.

El inversor para la aplicación en las instalaciones fotovoltaicas, está compuesto

por tres bloques de circuitos, tal como lo esquematiza la figura 2.18, cuya

descripción de operación es la siguiente: [7]

• Oscilador. Circuito que genera la frecuencia de la corriente alterna de

salida. Su valor es 60Hz. Esté circuito puede estar configurado mediante un

oscilador con resonador cerámico o similar de frecuencia alta, la cual se

divide por el factor correspondiente hasta obtener el valor requerido. Este

procedimiento proporciona una elevada estabilidad en la frecuencia de

salida.


48

• Convertidor DC/AC. Este circuito corresponde al que recibe la tensión

continua de entrada procedente del acumulador y la frecuencia del

oscilador y genera con ello la corriente alterna de salida. La forma de onda

de salida constituye la diferencia principal entre inversores, ya que puede

ser senoidal pura o semisenoidal.

• Protección. Circuito encargado de la vigilancia del consumo de corriente

alterna para bloquear el convertidor ante un exceso, a modo de protección.

Un led o similar da información del buen funcionamiento o del bloqueo por

un incremento en la corriente.

Cabe destacar que los inversores con tensión de salida semisenoidal son

más económicos que los que dan una forma senoidal, pero no pueden, o no es

recomendable, alimentar con éstos equipos de características inductivas, tales

como motores.

Figura 2.18. Diagrama de bloques del inversor DC/AC


49

Inversores senoidales: Proporcionan ondas senoidales, con esta forma de onda

es posible alimentar equipos con componentes de condición resistiva e inductiva.

Inversores semisenoidales: En estos inversores, la forma de onda es

rectangular, lo que consigue con transistores conmutadores trabajando en régimen

de conmutación, con lo que se obtiene un alto rendimiento.

2.7.3.1. Especificaciones eléctricas

Los inversores DC/AC se definen por un conjunto de especificaciones

técnicas referidas a las tensiones de entrada y salida, potencia suministrada a la

carga, rendimiento que consigue, forma de onda de la corriente alterna de salida,

etc. La tabla 2.5 describe las especificaciones más importantes de los inversores.

[7]


50

Tabla 2.5. Especificaciones técnicas de los inversores.

PARÁMETROS DESCRIPCIÓN

Forma de onda

Referido a la forma de onda de salida, la cual

puede ser senoidal o semisenoidal.

Tensión nominal de entrada

Valor de la tensión continua a la entrada del

inversor

Tensión de operación

Margen de la tensión de entrada que admite el

inversor.

Tensión de salida

Valor nominal de tensión alterna de salida.

Puede indicarse como complemento el

porcentaje de desviación del valor nominal.

Frecuencia

Valor de frecuencia de la corriente alterna a la

salida.

Corriente nominal de entrada

Corriente consumida por el circuito de entrada

a la potencia nominal de salida.

Corriente nominal de salida

Corriente que proporciona el circuito de salida

alterna.

Potencia nominal de salida

Valor de la potencia nominal en régimen de

funcionamiento continuo del circuito de salida

del inversor, el cual corresponde al producto

entre la tensión y la corriente nominal de salida

Rendimiento

Indicación en (%) del rendimiento del inversor,

el cual corresponde al cociente entre las

potencias de salida y entrada.

Potencia de sobrecarga o de pico

Valor de la potencia de salida superior a la

nominal durante un tiempo especificado.

Resistencia al cortocircuito

Indicación del tiempo máximo de cortocircuito

de la tensión de salida que admite el inversor.

Factor de carga

Indicación del cos φ de carga que admite.

Consumo en reposo (“stand by”)

Consumo de corriente del circuito de entrada

con el de salida abierto, sin carga.


51

2.8. Mantenimiento

Los módulos fotovoltaicos requieren poco mantenimiento porque se han

desarrollado para soportar las condiciones atmosféricas mas adversas. No

obstante, un mantenimiento regular mejora sus condiciones y alarga su vida útil.

Aunque las acciones necesarias o sugeridas las marcan los fabricantes de

los paneles, de modo general se pueden considerar las siguientes acciones

correctoras: [7]

• Limpieza periódica del modulo. Es necesaria para que la suciedad

acumulada sobre la superficie, especialmente los excrementos de las aves,

no reduzcan su rendimiento.

• Inspección de la estanqueidad del panel. Asegurar que no entre agua o

polvo a las células. La cubierta puede romperse y con ello entrar agua, lo

que daría lugar a la oxidación de las conexiones eléctricas de las células y

a la destrucción del panel. Así mismo Cualquier alteración de los cables por

efecto de la humedad o similar, provoca pérdidas considerables de energía.

• Estado de las conexiones eléctricas y del cableado. Las conexiones

pueden requerir limpieza y reajuste de presión para asegurar el contacto

eléctrico optimo.

3.1. Introducción

El siguiente capítulo da una breve idea del funcionamiento de un sistema de

bombeo mostrando la clasificación que existe de las bombas, así como una

explicación de las bombas centrifugas y porque son utilizadas en el hogar.

Además se dan los conocimientos básicos de la hidrodinámica para comprender

lo que es la mecánica de fluidos para en una tubería cerrada. Finalmente se

muestra el cálculo para determinar la potencia de una bomba centrifuga de una

instalación hidráulica en una casa habitación.

Sistemas de Bombeo

53

3.2. Equipos de bombeo

Una bomba o equipo de bombeo es un dispositivo que incrementa la

energía mecánica de un fluido para trasladarlo de un punto a otro.

3.2.1. Clasificación de las bombas

Bombas

Rotatorias

Reciprocantes

Desplazamiento Positivo

Pistón Embolo

Diafragma

Doble acción

Simple acción

Doble acción

Simple

Doble Vapor

Rotor simple

Rotor múltiple

Aspas Pistón Miembro flexible Tornillo

Engranes Lóbulos Balancines Tornillos

Dinámicas

Centrifugas

Periféricas

Especiales

Flujo radial Flujo mixto

Simple succión Doble succión

Autocebantes Cebadas p / medios extremos Unipaso Multipaso

Impulsor abierto Impulsor semiabierto Impulsor cerrado

Flujo axial Simple succión

Unipaso Multipaso

Impulsor abierto Impulsor cerrado

Unipaso Multipaso

Autocebantes Cebadas p / medios extremos

Electromagnéticos

Sistemas de Bombeo

54

La clasificación anterior permite apreciar la gran cantidad de tipos de

bombas que existen. Sin embargo, este estudio se dedica a las bombas dinámicas

del tipo centrifugas debido a que son las empleadas en los sistemas de bombeo

de casa habitación. [9]

Algunos factores de importancia que justifican el uso de una bomba

centrífuga son las siguientes:

a) Se pueden mejorar gastos grandes.

b) Se mejoran las presiones reducidas o medianas.

c) Se pueden transportar líquidos de todos tipos, excepto viscosos.

d) No requieren mantenimiento continuo.

e) Son más ligeras y baratas.

3.2.2. Bombas centrífugas

Las bombas centrífugas consisten en un impulsor y una carcasa. El

impulsor consta de una serie de aletas en forma radial, de diversas formas y

curvaturas, y están colocadas en el impulsor. Cuando el impulsor empieza a rotar,

provee energía al fluido por medio de las aletas, provocando que tanto la presión

como la velocidad se incrementen a medida que el fluido avanza del centro hacia

la periferia (fuerza centrifuga, de ahí el nombre a este tipo de bomba). El fluido

sale del impulsor hacia el perímetro de la carcasa, la cual está diseñada para que

la velocidad del mismo vaya disminuyendo (aumentando el área de flujo) a medida

que se aproxima a la descarga de la bomba. De esta manera, al reducirse la

velocidad, aumenta la presión de descarga. Este tipo de bomba se encuentra

esquematizado en la figura 3.1. [10,11]

Sistemas de Bombeo

55

Figura 3.1. Esquema de la bomba centrifuga

Las bombas centrifugas tienen un motor eléctrico de fase partida o bien un

motor de arranque con capacitor, este segundo es el más usado.

3.2.2.1. Motor de arranque con capacitor en bombas centrífugas

Estos son motores monofásicos de Corriente Alterna (CA), cuya capacidad

va desde fracciones de hp hasta 15hp. Se usan ampliamente en muchas

aplicaciones de tipo monofásico. Este tipo de motor es muy parecido a la

construcción del motor de fase partida, excepto que se conecta un capacitor en

serie con el devanado de arranque, como se muestra en la figura 3.2:

Figura 3.2. Diagrama esquemático de los devanados del estator de un motor de arranque con

capacitor.

Sistemas de Bombeo

56

Los motores de arranque con capacitor están equipados también como los

de fase partida, con devanados de arranque y de trabajo, pero el motor tiene un

condensador (capacitor) que permite tener un mayor par de arranque. Como se

muestra en la figura anterior, el capacitor se conecta en serie con el devanado de

arranque y el switch centrífugo.

La corriente en el devanado de arranque que es liberada por el capacitor,

se adelanta al voltaje en el devanado de trabajo, obteniendo de esta manera un

desplazamiento angular mayor entre los devanados. Lo que proporciona un

incremento en el par de arranque del motor. Para tener una idea de la magnitud de

dicho par; un motor de fase partida con capacitor, tiene un par de dos veces mayor

que el motor de fase partida sin capacitor. [12]

Ese gran par de arranque es de gran utilidad en sistemas de bombeo en

donde la altura es considerable y se desea un rápido llenado de algún depósito; de

cualquier modo en el mercado de bombas centrifugas la mayoría utilizan este tipo

de motores ya que no es costoso.

3.3. Hidrodinámica

La hidrodinámica describe la evolución en el tiempo de un sistema físico en

relación a las causas que provocan los cambios de estado de movimiento

(dinámica) de cualquier fluido cuya densidad siempre permanece constante con el

tiempo, y tiene la capacidad de oponerse a la compresión del mismo bajo

cualquier condición (fluidos incompresibles), es decir, dinámica de fluidos. [11]

Para realizar el cálculo de la potencia eléctrica de una bomba, es necesario

comprender algunos conceptos básicos de la hidrodinámica y el movimiento que

tienen los fluidos en el interior de un conducto.

Sistemas de Bombeo

57

3.3.1. Ecuación fundamental de la Hidrodinámica

El estudio del flujo sin fricción a través de un tubo de corriente infinitesimal,

nos proporciona una relación muy utilizada entre presión, velocidad y altura, que

fue obtenida por Daniel Bernoulli y Leonhard Euler en el siglo XVIII.

En un fluido real la viscosidad origina un rozamiento tanto del fluido con el

ducto (tubería, canal, etc.) como de las partículas de fluido entre si, a esto le

llamaremos pérdidas que tiene el fluido en su trayecto por el ducto. Siguiendo la

ley de la conservación de la energía o primera ley de la termodinámica y

considerando la figura 3.3 donde la energía en el punto 1 (o suma de la energía de

posición, de presión y cinética en el punto 1) menos la energía perdida entre el

punto 1 y 2 por rozamiento es igual a la energía en el punto 2 (o suma de energía

de posición, de presión y cinética en el punto 2). El párrafo anterior es el

enunciado de la ecuación de Bernoulli y que matemáticamente se representa en

la ecuación 3.1.

gvz

gpH

gvz

gp

r 222

2

221

2

11

21++=−++

− ρρ (3.1)

Donde: 21−r

H = Altura perdida entre el punto 1 y 2

1p , 2p = Presiones 1 y 2

21,vv = Velocidades

g = Gravedad

ρ = Densidad del fluido

gp

gp

ρρ21 , = Alturas de presión

21, zz = Alturas geodésicas

gv

gv

2,

22

21

2

= Alturas de velocidad

Sistemas de Bombeo

58

Figura 3.3. La energía en el punto 1 es igual a la energía perdida entre el punto 1 y 2 más la

energía en el punto 2.

Las pérdidas se pueden dar según el régimen que el fluido tenga y este

puede ser de dos maneras: Régimen Laminar y Régimen Turbulento. Cuando

es un movimiento ordenado, el fluido se mueve como clasificado en capas que no

se mezclan entre si, podemos decir que hablamos de un movimiento laminar, este

se presenta normalmente en fluidos viscosos y cuando las tuberías son de un

diámetro pequeño; en cambio el régimen turbulento se presenta en fluidos poco

viscosos, su comportamiento es caótico, las partículas se mueven

desordenadamente y las trayectorias de las partículas se entrecruzan formando

pequeños remolinos aperiódicos. [11]

3.3.2. Perdidas en conductos cerrados

Son de dos clases las pérdidas que existen dentro de una tubería cerrada:

primarias y secundarias.

Las pérdidas primarias o de superficie son las que se producen debido al

contacto del fluido con la tubería, rozamientos de unas capas de fluido con otras o

turbulencia en el fluido. Estas se dan en un flujo uniforme, principalmente en los

tramos de sección constante.

Sistemas de Bombeo

59

Las pérdidas secundarias son las pérdidas de forma, es decir cuando la

tubería tiene cambios en la dirección, sección transversal y en todas las

transiciones, por ejemplo: estrechamiento o expansiones de la tubería, codos,

válvulas y cualquier accesorio de tubería.

Si se considera el siguiente esquema de conducción se podrá comprender

mejor las perdidas primarias y secundarias.

Figura 3.4. En la conducción que une a los recipientes 1(punto 1) y 2 (punto 2) hay perdidas

primarias y secundarias.

En los tramos a-b, d-e, f-g, h-i, j-k, l-m, son tramos rectos de tubería de

sección constante, en todos ellos se originan perdidas primarias. En los restantes

tramos hay perdidas secundarias, por decir F es un filtro, F-a desagüe de un

deposito, b-c un codo, c-d un ensanchamiento brusco, e-f otro codo, g-h un

ensanchamiento brusco, i-j un estrechamiento brusco, k-l un medidor de caudal y

m-n desagüe en un deposito. [11]

Sistemas de Bombeo

60

3.3.2.1. Pérdidas primarias

Una tubería horizontal con un diámetro constante D (fig. 3.5) por la que

circula un fluido, cuya velocidad media es V. La energía en el punto 2 es igual a la

diferencia de la energía en el punto 1 menos la energía perdida (pérdida de carga)

entre los puntos 1 y 2.

Figura 3.5. La presión en punto 2 es menor que en el punto 1.

Existe una manera rápida para encontrar las pérdidas primarias, y esto se

puede realizar utilizando la fórmula de Darcy-Weisbach, la cual facilita el cálculo y

está en función de los parámetros básicos de la instalación. [11]

Esta ecuación es de uso universal el empleo de esta se enfoca

principalmente al cálculo de las pérdidas de carga en las tuberías:

gV

DLHrp 2

2

λ= (3.2)

Donde: rpH = Pérdida de carga primaria

λ = Coeficiente de pérdida de carga primaria

L = Longitud de la tubería

D = Diámetro de la tubería

V = Velocidad media

g = Gravedad

Sistemas de Bombeo

61

El factor λ es un valor adimensional, este depende de la velocidad, del

diámetro de la tubería D, de la densidad ρ , de la viscosidad η y de la rugosidad

k y dicha función se puede expresar de la siguiente manera:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

DkvDf ,

ηρλ (3.3)

Donde: ηρvD = Número de Reynolds

Dk = Rugosidad relativa

Una vez encontrados estos valores, se podrá determinar el valor de λ . La

determinación de dicho factor se puede llevar a cabo de dos maneras por medio

del diagrama de Moody o por algunas de las ecuaciones mostradas en la tabla

3.1. [11]

Tabla 3.1. Fórmulas para el cálculo del factor λ para el caso de régimen laminar y turbulento.

Tuberías Régimen Fórmula Autor

Lisas y

rugosas Laminar

Re64

=λ …(3.4) Poiseulle

Lisas

Turbulento

(1)

Re<100 000 4/1Re

316.0=λ …(3.5) Blasius

Lisas

Turbulento

(1)

Re<100 000

( ) 8.0Relog2110 −= λ

λ…(3.6) Kármán-Prandtl

Rugosas

Turbulento

(zona de

transición)

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +−=

λλ Re51.2

7.3/log21

10Dk

…(3.7) Colebrook

Rugosas Turbulento

(zona final) 74.1

2log21

10 +=kD

λ…(3.8) Kármán-Prandtl

Sistemas de Bombeo

62

Diagrama de Moody

El diagrama de Moody es la representación gráfica en escala doblemente

logarítmica del factor de fricción en función del numero de Reynolds (ηρvD , eje x) y

la rugosidad relativa (Dk , eje y) de una tubería (ver en anexos). [11]

Algunas de las ventajas de utilizar el diagrama de Moody son:

• Resuelve todos los problemas de perdidas de carga primarias en tuberías

con cualquier diámetro, cualquier material de tubería y cualquier caudal.

• Puede emplearse con tuberías de sección no circular sustituyendo el

diámetro D por el radio hidráulico.

• Se usa para determinar el coeficiente λ , el cual luego se lleva a la

ecuación de Darcy-Weisbach.

3.3.2.2. Pérdidas secundarias

Las pérdidas secundarias también son llamadas pérdidas de forma, ya que

tienen lugar en los cambios de sección y dirección de la corriente, en las

contracciones, ensanchamientos, codos, diafragmas, válvulas de diferentes tipos,

etc.: en general en todos los accesorios de tuberías. Estos elementos producen

una perturbación de la corriente que origina remolinos y desprendimientos que

intensifican las pérdidas.

Estas pérdidas a pesar de llamarse secundarias, pueden ser más

importantes que las primarias cuando la conducción es relativamente corta, por

ejemplo, una válvula puede ser una pérdida pequeña y despreciable cuando esta

totalmente abierta; sin embargo, cuando está parcialmente abierta puede ser la

pérdida más importante del sistema.

Sistemas de Bombeo

63

Las pérdidas secundarias se pueden calcular de manera similar a las

pérdidas primarias, solo que ahora hay un nuevo factor,ζ , el cual esta en función

de λ , la distancia L y el diámetro D, de esta manera queda:

DLλζ = (3.9)

La longitud que aquí se maneja se refiere a una longitud equivalente del

accesorio que esta causando la pérdida, lo que es más difícil de determinar, por lo

que ya existen tablas que proporcionan el valor del factor ζ según el elemento

hidráulico, entonces la ecuación de Darcy-Weisbach se representa:

gVHrs 2

2

ζ= (3.10)

Donde: rsH = Pérdida de carga secundaria

ζ = Coeficiente de pérdida de carga secundaria

V = Velocidad media

g = Gravedad

La ecuación que involucra todas las pérdidas es la de la energía para el

flujo estacionario entre las superficies de dos depósitos y se representa como:

[10]

∑ −++⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++=++ pmf hhhzv

gpzv

gp

222

121

21

21

ρρ (3.11)

Donde: p1,p2= Presión en los diferentes puntos

v= Velocidad media de cada punto

g= Gravedad

z= Altura en cada punto

ρ= Densidad del liquido

hf, hm, hp,= Pérdidas de altura

Sistemas de Bombeo

64

3.4. Cálculo de una bomba centrifuga para casa habitación

Se propone el siguiente diagrama hidráulico para calcular la potencia de la

bomba centrífuga para subir agua desde la cisterna hasta el contenedor (tinaco).

Figura 3.6. Diagrama hidráulico para el cálculo de una bomba centrífuga

Sistemas de Bombeo

65

A continuación se muestra el cálculo el cual determina la potencia de la

bomba necesaria para el diagrama hidráulico presentado en la figura 3.6.

De la ecuación de la energía para el flujo estacionario entre las superficies

de dos depósitos. [10]

∑ −++⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++=++ pmf hhhzv

gpzv

gp

222

121

21

21

ρρ (3.11)

El termino gpρ

1 y gpρ

2 se eliminan debido a que la presión en estos dos puntos

es la misma en este caso están sometidos a la presión atmosférica. Por otra parte

el término 1z es cero ya que es la altura de referencia y la velocidad en el punto 1

es cero debido a que el liquido esta en reposo.

hp = incremento de carga debido a la bomba. [10]

∑++−= mfp hhzzh 12 (3.12)

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ++−= ∑ζλDL

gvmhp 2

089.62

La velocidad de descarga ( dv ) será la siguiente: [11]

( )

( ) sm

mlt

ms

lt

DQvd 96.2

0254.01000

160min1

min904

42

3

2 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

==ππ

(3.13)

Debido a que el diámetro en la zona de succión es diferente a la de

descarga tenemos que la velocidad de succión sv es:

Sistemas de Bombeo

66

( )

( ) sm

mlt

ms

lt

DQvs 894.1

)25.1)(0254.0(1000

160min1

min904

42

3

2 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

==ππ

( )( )

( )0000393.0,59.72431

0254.000001.0,

100038.10254.096.2, 6

⇒

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

×⇒⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛= −D

kVvD

dλ

Tomando del diagrama de Moody la función 00005.0=Dk , que es la más

cercana debido a que el valor calculado: 0.0000393 no intersecta en el numero de

Reynolds.

Entonces se utiliza la ecuación de Blasius (ec. 3.5) para calcular λ en un

sistema turbulento Re <100000 se tiene:

( )01926.0

54.72431

316.0

Re

316.0

41

41 ===dλ

Ahora se requiere saber el valor de λ para la zona de succión debido a que

el diámetro es diferente al de descarga. Como esperamos un valor parecido a λ de

descarga encontremos primero los Reynolds y nuevamente por Blasius

encontremos el valor de λ para la succión. Entonces queda:

( )( ) 9.59906100038.1

)25.1(0254.0894.1Re 6 =×

== −VvD

s

Y ahora por Blasius:

Sistemas de Bombeo

67

( )0202.0

9.59906

316.0

Re

316.0

41

41 ===sλ

Para las pérdidas secundarias se tienen los siguientes datos:

Tabla 3.2. Coeficientes de pérdidas secundarias en la zona de succión.

ELEMENTO ζ

Metros

m

Pichancha 12.0

Primer válvula 0.8

Codo 90º (normal) 0.5

TOTAL 13.3

Tabla 3.3. Coeficientes de pérdidas secundarias en la zona de descarga.

ELEMENTO

Ζ

Metros

m

Válvula antirretorno 2.0

“T” 0.24

Segunda válvula 0.8

2 codos 45º (suave) 2(0.21)

Codo 90º (normal) 0.5

Ensanchamiento brusco 0.81

TOTAL 4.77

Sistemas de Bombeo

68

Por lo tanto de la siguiente ecuación (ec. 3.12):

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ++−= ∑ζλDL

gvmhp 2

089.62

Pero esta ecuación se debe descomponer de la siguiente manera debido a

la diferencia de diámetros en la succión y en la descarga.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++= ∑∑ d

d

ddd

ss

sssp D

Lgv

DL

gvmh ζλζλ

2289.6

22

Dando valores a cada variable:

( )( )( )( )

( ) ( )( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ++⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++= 77.4

0254.088.10019.0

)81.9(296.23.13

25.10254.076.10202.0

)81.9(2894.189.6

22

mhp

mhp 29.15=

La bomba debe comunicar una potencia de: [10]

pgQhP ρ= (3.14)

Y se tiene densidad del agua a 20°C 32.998mkg

=ρ

La gravedad es: 281.9smg =

El caudal es: smQ

3

0015.0=

Por lo tanto:

( ) Wmsm

sm

mkgpgQhP p 58.22429.150015.081.92.998

3

23 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛==

Tenemos que determinar el valor de P en hp esto es 301.0746

58.224==hp hp

Para tal caso una bomba ½ hp (373W) es de buen tamaño para satisfacer

el sistema hidráulico de la figura 3.6.

4.1. Introducción

En este capítulo se presenta el desarrollo para determinar el panel

necesario para alimentar la bomba que se utiliza en el sistema hidráulico descrito

en el capítulo anterior. Así mismo, se determina el equipo auxiliar necesario para

el funcionamiento del sistema solar fotovoltaico. También se muestra la cotización

de todo el sistema solar y el análisis de la factibilidad de la implementación

realizando una comparación con las tarifas eléctricas de Luz y Fuerza del Centro.

Evaluación y Diseño del Sistema Fotovoltaico para un Sistema de Bombeo

70

4.2. Generalidades

Comúnmente la selección del equipo de bombeo en una casa habitación se

realiza de manera empírica, incurriendo algunas ocasiones en un

sobredimensionamiento del mismo, lo que provoca un mayor consumo de energía

y por ende, un mayor pago de esta. El sistema de la figura 3.6 es un ejemplo de

esta situación, ya que el equipo de bombeo existente tiene una capacidad de ¾hp,

que es mayor a la potencia calculada en la sección 3.4, donde se determinó que la

capacidad requerida es de ½hp. En esta casa habitación se pretende utilizar

medios alternativos de generación de energía eléctrica, lo que permite

implementar paneles fotovoltaicos.

4.3. Datos de la bomba centrífuga

Ya que se calculó la capacidad del equipo de bombeo requerido a

continuación en la tabla 4.1 se dan los datos del fabricante, los cuales serán de

utilidad para dimensionar el sistema solar fotovoltaico. Tabla 4.1. Características del equipo de bombeo y motor.

Marca SIEMENS

Potencia ½ hp

Motor Monofásico de Corriente Alterna

Diámetro de succión 1”1/4

Diámetro de descarga 1”

Tipo 2AN4 254-2YC35

Aislamiento Clase B

Frecuencia 60Hz

Tensión 127V

Corriente 8ª

Factor de Servicio 1.6

Corriente a Factor de Servicio 9.3ª

Velocidad 3540 rpm

Eficiencia 66%


71

Entre otros datos se tiene que este motor tiene un arranque con capacitor y

tiene protección térmica por alguna sobrecarga que se pudiera presentar; además

de la grafica de Altura dinámica del motor (localizada en la placa de datos) se

obtienen los siguientes valores:

Flujo máx.= 120 lpm a 10 m de altura

La altura del sistema hidráulico en estudio es 6.89m (altura de m0.789.6 ≈

de descarga), por lo tanto, se tiene un flujo de 130 lpm, este flujo resulta mayor de

lo que previamente se consideró como caudal de 90 lpm.

4.4. Análisis para el dimensionamiento del sistema solar fotovoltaico

La potencia de la bomba considerando la eficiencia y factor de servicio es:

( )( )( )( ) WSFhpPT 88.3936.166.07465.0.. ==××= η (4.1)

La ecuación 4.1 representa la potencia que desarrollará el motor eléctrico

seleccionado. De acuerdo al cálculo, esta potencia es mayor que la potencia

requerida por el equipo de bombeo, por lo cual se garantiza la correcta operación

del sistema hidráulico con la combinación de la bomba y el motor eléctrico.

Considerando que un motor de arranque con capacitor, al momento de

arrancar demanda una corriente de 3 veces la corriente nominal y debido a que la

potencia eléctrica es directamente proporcional a la corriente, entonces la potencia

TP se multiplica por tres para obtener la potencia de arranque. La potencia de

arranque es entonces:

WPP TA 66.118188.39333 =×== (4.2)


72

Una vez obtenida la potencia de arranque AP y la potencia de operación TP ,

es necesario también conocer el tiempo de operación de esta bomba al día, para

esto se tiene la siguiente información:

Capacidad del deposito = 2500 lt.

Consumo per capita (por persona) día = 364 lt [13]

Personas que habitan la casa 7

Consumo total diario=2548 lt.

Cisterna = 6040 lt.

Entre otros datos se toma en cuenta que el suministro de agua a este hogar

es hasta medio día e inicia aproximadamente a las 5 de la mañana. La presión del

suministro no es la suficiente para que el agua llegue hasta el depósito y solo es

capaz de llenar la cisterna. Se considera que diariamente se tiene que llenar el

depósito con ayuda de la bomba y el tiempo de operación es de:

min23.19

min130

2500____

__===

ltlt

bombalaporadoproporcionflujodepósitodelcapacidadtOP (4.3)

Entonces el tiempo que operará la bomba al día será de 19.23 minutos, lo

que es igual a 19 minutos y 14 segundos.

Por tanto los datos necesarios para dimensionar el panel son:

Potencia de arranque WPA 66.1181= .

Potencia de operación WPT 88.393= .

El tiempo de operación es de min23.19=OPt .

Tiempo de arranque del motor 3 s .3st A =


73

Los paneles solares se determinan en función de la potencia de arranque,

para este caso el valor es de 1181.66W. Actualmente los paneles fotovoltaicos

están fabricados de cierta superficie de captación y con determinada potencia de

absorción, en México no se encuentra disponible algún panel con potencia de

absorción de tal magnitud (1181.66W), para esto es necesario conectar varios

paneles de cierta potencia en paralelo de forma que se pueda satisfacer tal

demanda, esta consideración resultaría demasiado costosa, entonces la mejor

manera de optimizar la cantidad de paneles, es pensar en la acumulación de lo

que el panel pueda absorber al día en una batería solar. Para la zona

metropolitana (D.F. y Edo de Méx.) hay un promedio de 5.2195hr de absorción por

día, entonces si se utiliza un panel de 100W ( pP ) a 12V de corriente directa de y

se almacena durante un día lo absorbido por el panel, al final del día la batería

tendrá el siguiente valor de energía disponible:

WhhWabsorcióndehorasPE pdía 95.5212195.5100__ =×=×= (4.4)

El valor de díaE podría satisfacer el tiempo de operación de la bomba a

plena carga, sin embargo no es suficiente para arrancar la bomba ya que para

lograr esto, se requiere que la magnitud de la energía almacenada sea igual o

mayor que la de arranque. [14]

En base a la condición anteriormente señalada, la única manera en que la

bomba arranque es teniendo almacenada una energía igual o mayor a

1181.66Wh, la batería mas cercana a esta magnitud de almacenamiento es la

batería Cale, de 12V y 115A que puede almacenar 1380Wh y una vez que este

llena podrá satisfacer el arranque y tiempo de operación de la bomba centrifuga,

tal comportamiento se observa en la figura 4.1.


74

Figura 4.1. Energía total almacenada en la batería y consumo diario de la bomba.

En la zona metropolitana y utilizando el panel de 100W de potencia de

absorción, esta batería se llenará en promedio 2.64 días, aproximadamente 3

días. Una vez llena la podemos utilizar para la alimentación de la bomba, pero al

día se pueden alimentar más cargas.

El arranque de la bomba regularmente es en la mañana, anteriormente se

mencionó que para que ésta arranque la energía acumulada en la batería deberá

ser igual o mayor en magnitud a la potencia de arranque, pero la cantidad de

energía que la bomba consume debido al arranque y operación es:

Whs

hsWtParranquedeconsumo AA 9847.03600

1366.1181__ =××=×= (4.5)

WhhWtPoperacióndeconsumo OPT 239.126min60

1min23.1988.393__ =××=×= (4.6)

operacióndeconsumoarranquedeconsumobombaconsumo _____ += (4.7)

WhWhWhbombaconsumo 224.127239.1269847.0_ =+=


75

La energía solar disponible promedio para la Ciudad de México es de

521.95Wh, este valor representa la energía disponible que tendría el sistema

fotovoltaico propuesto.

Si se relaciona el valor de la energía disponible en el sistema con el valor

de la energía consumida por la bomba se tendría:

bombaconsumo

promediodiariaaalamacenadenergíadiariosarranques_

____ = (4.8)

vecesWhWhdiariosarranques 1025.4

227.12795.521_ ==

Esto indica que con el sistema propuesto podría abastecer en el caso ideal

hasta 4.1 la energía requerida o en otras palabras podría soportar hasta 4

periodos de trabajo por día o 4 arranques. Sin embargo, estos cuatro arranques

solo ocurrirían en un caso extraordinario, lo que brinda la alternativa de que la

energía almacenada se utilice para otras aplicaciones. La energía disponible para

otras aplicaciones se calcula por la relación:

WhWhWhbombaconsumoEE díadisponibledía723.394227.12795.521_ =−=−= (4.9)

La ecuación (4.9) representa la energía disponible que deberá utilizarse

durante el día, teniendo cuidado que antes del anochecer quede mas de

1181.66Wh en la batería para arrancar la bomba al día siguiente.

De no utilizarse en el día, parte de la energía almacenada en la batería

podrá utilizarse en la noche. Se sabe que la bomba consume 127.22Wh en la

mañana y que la batería a su máxima capacidad tiene 1380Wh, después de la

operación de la bomba la batería se queda con 1252.78Wh que es la diferencia de

la energía acumulada y el consumo de la bomba, pero durante el día la batería se

volverá a cargar, lo que indica que al anochecer volverán a estar los 1380Wh.


76

Entonces si a este valor se le resta la energía mínima que se necesita para que la

bomba arranque al día siguiente queda:

WhWhWhEEE arranqueparanecesariaalmacenadaTotaldisponiblenoche34.19866.11811380___ =−=−= (4.10)

Para ambos casos permitimos que a la mañana siguiente se pueda dar el

arranque de la bomba.

Al saber que se pueden conectar otras cargas es necesario calcular el

consumo por parte de estas, para esto es necesario saber la potencia del

dispositivo y multiplicar este valor por el tiempo que habrá de utilizarse.

WhPtconsumo == (4.11)

Donde: P=potencia en Watts

t=tiempo en hora

Por ejemplo si es de noche y con las condiciones dadas anteriormente de

energía disponible, se podrían encender 2 lámparas fluorescentes compactas de

23W a los largo de 4 horas o 4 lámparas durante 2 horas. Es importante tener un

control de lo que se consume para permitir el arranque de la bomba al día

siguiente.

Entonces la energía disponible total durante el día sería de:

WhEDíaTotal 95.521=

Si se tuviera el arranque de la bomba de día queriendo usar energía en la

noche, el total disponible diario es de:

WhWhWhbombaconsumoEEnocheNoche disponibleTotal 567.325227.12734.198_ =+=+= (4.12)


77

Para el siguiente estudio de factibilidad, se determina que en algunas

ocasiones se use la energía disponible de día y otras en la noche, por lo tanto, se

usará el valor medio y queda:

kWhWhWhWhEEE NocheDía

media

TotalTotalTotal 423759.0759.423

256.32595.521

2==

+=

+= (4.13)

Otro equipo necesario para regular la carga es el controlador, el cual es el

encargado de conectar al panel y la batería y de esta manera se acumule lo que el

panel vaya captando, para esto será necesario que ambos manejen el mismo

nivel de tensión y para estas condiciones se propone utilizar el controlador

STECA, el cual también brindará protección al modulo fotovoltaico en caso de

cortocircuito, protección a la batería en caso de una descarga profunda e indicará

los niveles de tensión y la cantidad de energía en la batería.

Debido a que la carga por alimentar necesita corriente alterna (CA) es

necesario implementar un inversor de corriente directa (CD) a corriente alterna ,

para las necesidades que se tienen para el sistema de bombeo, el inversor

Inversor Power Master AH-600, satisface las necesidades, ya que trabaja a 600W

con carga de salida constante y puede satisfacer el arranque debido a que puede

operar a 1200W por 5 segundos, la frecuencia que entrega es de 60Hz y puede

convertir los 12 Volts de CD que toma de la batería a 115Volts de CA.

4.5. Análisis de costos

Para el dimensionamiento realizado de todos los elementos del sistema

fotovoltaico, se realizó un estudio de costos y se optó por la combinación de

equipos la cual fuera más económica pero que garantizara un buen

funcionamiento.


78

Para el funcionamiento de este sistema al menos por cinco años, se

recomienda el siguiente equipo (Ver especificaciones en anexos) y que según el

estudio de costos en la actualidad tienen el costo en moneda nacional que se

anexa en la tabla 4.2:

Tabla 4.2. Equipo y costos del sistema solar fotovoltaico.

Equipo Costo

Batería Cale $1,026.00

Panel Solar (100W) $6,278.00

Controlador STECA $1,150.00

Inversor Power Master AH-600 $935.00

Subtotal $9,389.00+IVA

TOTAL $10,797.00

Se estima que la vida útil de una batería de ciclo profundo es de

aproximadamente 5 años, por lo que para el análisis total se consideran 4 baterías

mas, ya que la vida útil de un panel es de entre 20 y 30 años, para este caso se

considera una vida útil de 25 años. El costo de una batería como la que se utiliza

en sistemas fotovoltaicos a medida que pasan los años tiende a decrecer su

precios debido al desarrollo que están teniendo y porque la producción de estas

aumenta día a día. [14]

Considerando que en un futuro el precio de las baterías será igual al

cotizado hoy en día ($1,026.00) y aunque estas 4 baterías extras no se compren

sino hasta que sean necesarias, si serán consideradas desde ahora en la

cotización total, quedando:

4 Baterías Cale: ($1,026.00 x 4) + IVA TOTAL=$4,719.60


79

Se pretende controlar el sistema de arranque con un interruptor

termomagnético, este interruptor servirá también como protección contra corto

circuito y sobrecorriente, para determinar el interruptor se multiplica la corriente

máxima de operación por 1.25 entonces queda:

AAII AFSajuste 625.1125.13.925.1 =×=×= (4.14)

Pero el valor comercial es de 15A, el cual se seleccionará y tiene el

siguiente costo:

Interruptor termomagnético $75.00

Centro de carga $50.00

Subtotal $125.00 + IVA

Total $143.75

El conductor requerido es de calibre 12AWG y serán necesarios 20m, el

precio del cable es de:

1m cable Cal. 12AWG 105ºC 600V $14.00

Subtotal 20m $280.00 + IVA

Total $322.00

Como se mencionó, también se propone realizar el cambio de la bomba

para que el sistema sea más eficiente, el costo de la bomba de ½ hp marca

Siemens propuesta anteriormente es de:

Bomba Marca Siemens 1/2HP $700.00 + IVA

Total $805.00


80

El costo total ya tomado en cuenta el IVA se muestra en la tabla 4.3

Tabla 4.3. Costo total del sistema solar fotovoltaico, de bombeo y otros accesorios.

Concepto Costo

Sistema Solar Fotovoltaico (100W) $10,797.00

4 Baterías Cale (1380Wh) $4,719.60

Interruptor y Centro de Carga $143.75

Cable (12 AWG) $322.00

Bomba Centrífuga ½ hp $805.00

TOTAL $16,787.35

4.5.1. Diagrama de conexiones del sistema En la figura siguiente se muestra la forma que habrá de ser conectado el

sistema solar fotovoltaico cuando alimenta a la bomba de ½ hp.

Controlador STECA

Batería

-

-++

-

+

Inversor Power Master

AH600

Bomba centrifuga SIEMENS

Panel fotovoltaico

Figura 4.2. Diagrama de conexiones del sistema solar fotovoltaico cuando alimenta una bomba

centrifuga.

En el caso de conectar más equipos, se deberán conectar en paralelo a la

salida del inversor.


81

4.6. Análisis de factibilidad

Para determinar la factibilidad de implementar el sistema solar fotovoltaico

con todos los accesorios necesarios, se comparara el costo de dicho sistema con

el posible pago del consumo del sistema de bombeo a lo largo de 25 años. Para

esto se realiza un análisis de las tarifas actuales de uso doméstico, para este caso

se hará el análisis con la tarifa DAC de Luz y Fuerza del Centro que es la

compañía suministradora de la zona metropolitana (se considera la tarifa

doméstica de alto consumo DAC para que sea vea más claro el ahorro que puede

brindar usar paneles fotovoltaicos), ahora se determinará el valor promedio anual

de la tarifa comparándola con el valor de otros años para determinar el incremento

anual de esta.

Se saca el promedio de cargo en pesos por kWh anualmente,

posteriormente se determina el incremento anual, para después sacar el promedio

de incrementos, estudio que se realizará desde el 2002 al 2006.

Tabla 4.4. Cuotas Aplicables a la Tarifa DAC Vigentes Durante 2002 Región Central. [15]

Concepto Desde Feb 8 Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Cargo por consumo de 1 - 500

Kw/h

1.392 1.368 1.381 1.422 1.445 1.490 1.531 1.534 1.548 1.591 1.618

El promedio de cargo por kWh anual es de 1.483


82


Concepto Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic


Kw/h

1.507 1.515 1.544 1.620 1.661 1.656 1.618 1.582 1.594 1.622 1.646 1.650





Kw/h

1.793 1.817 1.822 1.882 1.991 2.049 2.098 2.123 2.162 2.153 2.141 2.185





Kw/h

2.232 2.177 2.158 2.123 2.139 2.161 2.184 2.212 2.216 2.230 2.275 2.368



83


DAC Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic


Kw/h

2.382 2.187 2.356 2.317 2.363 2.459 2.578 2.631 2.622 2.624 2.579 2.565


Los porcentajes de los incrementos de año a año son:

( )n

nn

nnaño

añoañoañoaño ocdepromedio

ocdepromedioocdepromedioincrementode

arg__100arg__arg__

__% 1

1

×−= −

−− (4.15)

( ) %95.7483.1

1001.483601.1__% 20032002 =×−

=−incrementode

( ) %04.26601.1

100601.1018.2__% 20042003 =×−

=−incrementode

( ) %31.9018.2

100018.2206.2__% 20052004 =×−

=−incrementode

( ) %46.11206.2

100206.2459.2__% 20062005 =×−

=−incrementode

El año 2007 no se toma en cuenta debido a que el mes de diciembre no

tiene aun tarifa asignada.

Determinando el consumo, se tienen los siguientes datos:

kWhkWhtotalconsumototalconsumo díaaño 672.154423759.0365_365_ =×=×= (4.16)


84

Se hace la estimación de pago desde el 2007 hasta el 2031 (25 años), para

esto se toma como base el costo anual promedio.

anualconsumopromediotarifaanualto ___cos 2006 ×= (4.17)

33.380$672.154$459.2_cos 2006 =×= kWhkWh

anualto

De la ecuación del interés compuesto se podrá determinar el costo de los

siguientes años, en donde el costo del consumo anual del 2006 es la base. La

ecuación del interés compuesto se expresa de la siguiente manera:

( )nn iPanualto += 1_cos [16] (4.18)

Donde: n=año en el que se quiere saber el costo

P=precio del año base

i=incremento anual promedio del 2002 al 2006

4

20062005200520042004200320032002 −−−− +++=

incrementoincrementoincrementoincrementoi (4.19)

%69.134

%46.11%31.9%04.26%95.7=

+++=i

El calculo del costo anual se hará con un incremento promedio de 13.69%

Los costos del 2007 al 2031 quedan:

( ) 41.432$1369.0134.380$_cos 12007 =+=anualto

( ) 60.491$1369.0134.380$_cos 22008 =+=anualto

( ) 91.558$1369.0134.380$_cos 32009 =+=anualto

( ) 42.635$1369.0134.380$_cos 42010 =+=anualto


85

( ) 41.722$1369.0134.380$_cos 52011 =+=anualto

( ) 31.821$1369.0134.380$_cos 62012 =+=anualto

( ) 74.933$1369.0134.380$_cos 72013 =+=anualto

( ) 57.1061$1369.0134.380$_cos 82014 =+=anualto

( ) 90.1206$1369.0134.380$_cos 92015 =+=anualto

( ) 12.1372$1369.0134.380$_cos 102016 =+=anualto

( ) 97.1559$1369.0134.380$_cos 112017 =+=anualto

( ) 53.1773$1369.0134.380$_cos 122018 =+=anualto

( ) 33.2016$1369.0134.380$_cos 132019 =+=anualto

( ) 36.2292$1369.0134.380$_cos 142020 =+=anualto

( ) 19.2606$1369.0134.380$_cos 152021 =+=anualto

( ) 97.2962$1369.0134.380$_cos 162022 =+=anualto

( ) 61.3368$1369.0134.380$_cos 172023 =+=anualto

( ) 77.3829$1369.01349.380$_cos 182024 =+=anualto

( ) 06.4354$1369.0134.380$_cos 192025 =+=anualto

( ) 14.4950$1369.0134.380$_cos 202026 =+=anualto

( ) 81.5627$1369.0134.380$_cos 212027 =+=anualto

( ) 25.6398$1369.0134.380$_cos 222028 =+=anualto

( ) 18.7274$1369.0134.380$_cos 232029 =+=anualto

( ) 01.8270$1369.0134.380$_cos 242030 =+=anualto

( ) 18.9402$1369.0134.380$_cos 252031 =+=anualto

La tabla 4.9 muestra el pago por año, desglosado el pago del sistema solar

fotovoltaico y el pago a la Compañía de Luz y Fuerza del Centro por 25 años, se

considera el consumo anual de 154.672kWh.


86

Tabla 4.9. Comparación del pago por año del sistema solar fotovoltaico con el pago a la

compañía suministradora con un incremento de 13.69% anual en la tarifa eléctrica.

Año Pago a LyFC Pago del sistema fotovoltaico por

año

2007 $432.41 $671.508

2008 $491.60 $671.508

2009 $558.91 $671.508

2010 $635.42 $671.508

2011 $722.41 $671.508

2012 $821.31 $671.508

2013 $933.74 $671.508

2014 $1061.57 $671.508

2015 $1206.90 $671.508

2016 $1372.12 $671.508

2017 $1559.97 $671.508

2018 $1773.53 $671.508

2019 $2016.33 $671.508

2020 $2292.36 $671.508

2021 $2606.19 $671.508

2022 $2962.97 $671.508

2023 $3368.61 $671.508

2024 $3829.77 $671.508

2025 $4354.06 $671.508

2026 $4950.14 $671.508

2027 $5627.81 $671.508

2028 $6398.25 $671.508

2029 $7274.18 $671.508

2030 $8270.01 $671.508

2031 $9402.18 $671.508

TOTAL $74,922.75 $16,787.70


87

Se observa que al paso de 25 años y pagando por el consumo de energía

eléctrica anual de kWh672.154 a la compañía suministradora, resulta mas caro

pagarle a esta que utilizar el sistema solar fotovoltaico, por lo que se concluye que

es factible el comprar todo lo propuesto dentro de dicho sistema; además que la

cuota $16,787.70 no solo incluye el sistema solar fotovoltaico sino también la

bomba necesaria para el sistema hidráulico.

Considerando el incremento anual de 13.69% en el costo anual por

consumo de energía eléctrica del sistema de bombeo, se puede observar que el

periodo de recuperación de la inversión en el sistema solar fotovoltaicos será de

15 años, ya que al sumar los primeros quince años se supera la inversión inicial

por todo el sistema solar fotovoltaico, esta cantidad es de: $18,484.77.

El porcentaje de incremento anual propuesto (13.69%) probablemente sea

de esta magnitud e incluso mayor, ya que la disminución de las reservas

petrolíferas en México, la importación de gas natural y otros combustibles y la falta

de tecnología para extraer crudo de aguas profundas, supone este hecho; por lo

tanto la recuperación de la inversión en este sistema, pudiera darse en menor

número de años a los presentados en este trabajo.

Aparte de obtener beneficios económicos, también el medio ambiente se ve

beneficiado por emplear este tipo de sistemas, ya que al utilizar energías

renovables, en este caso la energía solar, se evita la emisión de 2CO (bióxido de

carbono), el cual es el principal compuesto que está produciendo el calentamiento

gradual del planeta. En números muy redondeados por 1000kWh que se generen

por una planta termoeléctrica que utiliza combustóleo, se está emitiendo una

tonelada de 2CO , para el caso de este trabajo, si por año se consumen

154.672kWh y son 25 años de estudio, entonces el total de kWh que se dejarán de

generar en una planta termoeléctrica son: [17]


88

kWhañoskWhhoraKiloWatts años 8.386625672.154_25 =×=− (4.20)

Esto quiere decir que por estos 25 años y con el consumo de 3866.8kWh se

están dejando de emitir 3.86 toneladas de 2CO .

El 2CO como ya se mencionó es uno de los compuestos protagonistas para

que se lleve a cabo el calentamiento del planeta y entre los principales impactos

que este fenómeno produce se pueden enunciar: sequías, tormentas,

inundaciones, olas de calor y frio mas fuertes y prolongadas, expansión de las

zonas habitadas por mosquitos que puede resultar en brotes de dengue y

paludismo, enfermedades relacionadas con la falta de agua como cólera, diarrea y

la tifoidea, también provoca la disminución de las capas de hielo y expansión de

los océanos, afecta e incluso pone en peligro de extinción a vegetales y animales,

entre otros daños.

89

CONCLUSIONES

A la culminación de este trabajo se tienen las siguientes conclusiones:

Es necesaria la correcta orientación de los paneles fotovoltaicos, así como

la inclinación correspondiente que estos deben tener respecto al plano horizontal

del lugar en que se encuentran con el fin de obtener mayor captación de la

radiación solar. Para la Ciudad de México con latitud de 19º36`, los paneles se

deben inclinar a 30º orientados al sur.

El conocimiento de la hidrodinámica y de las pérdidas que un liquido tiene

en una tubería cerrada, son de gran utilidad para realizar el correcto

dimensionamiento del equipo de bombeo necesario para suministrar liquido a un

depósito y así tener un sistema de bombeo mas eficiente, lo cual se ve reflejado

en un menor consumo de energía eléctrica.

Dadas las condiciones de consumo en el sistema de bombeo, el sistema

solar fotovoltaico se encuentra limitado en su operación ya que este debe

almacenar energía con un valor igual o mayor a la magnitud de la potencia de

arranque, esto para que el motor de la bomba pueda estar en marcha.

Al realizar el análisis económico cuando se alimenta el motor de una bomba

centrifuga de ½HP, se determinó que el costo total de inversión del sistema solar

fotovoltaico comparado con el pago de energía eléctrica a la compañía

suministradora a lo largo de 25 años, resulta más barato la inversión en el sistema

solar, lo que hace factible la implementación de dicho sistema.

Entre otras ventajas de implementar sistemas solares fotovoltaicos se

encuentran que estos requieren el mínimo mantenimiento y que la instalación de

estos es simple.

90

Implementar este tipo de sistemas que utilizan energías renovables,

además que son económicamente factibles de implementarse, tienen un gran

efecto ambiental, ya que al utilizarlos se deja de emitir grandes cantidades de 2CO

y con esto disminuir los daños que el planeta sufre a causa del efecto invernadero.

91

RECOMENDACIONES

i. Con el fin de obtener resultados aun más favorables en la viabilidad de

implementar sistemas solares fotovoltaicos, se recomienda realizar el

análisis para cargas puramente resistivas, ya que se puede tener un mejor

aprovechamiento de la energía almacenada.

ii. Realizar estudios para cargas que necesiten alimentación con corriente

directa resultaría menos costoso, debido a que el uso del inversor DC a CA

incrementa el valor de la inversión.

iii. Tener un control estricto del uso de la energía almacenada en la batería.

iv. Considerar la posibilidad de conectar el sistema solar a la red ya que esta

podría satisfacer el suministro de energía eléctrica en caso de no tener

energía almacenada en la batería y así tener un suministro continuo.

v. Considerar que las tensiones de operación del panel, controlador e inversor

sean iguales con el fin de abatir costos.

vi. Buscar la cotización adecuada a las necesidades con distintos proveedores

con la finalidad de obtener el mejor equipo al menor costo posible.

vii. Considerar que los sistemas solares fotovoltaicos se pueden conectar a la

acometida que suministra energía eléctrica al hogar, a un generador

alimentado con combustible, entre otros.

viii. Tener un uso racional y eficiente de la energía eléctrica.

92

REFERENCIAS

[1] Tonda Juan; “El Oro Solar y Otras Fuentes de Energía”; Ed. Fondo de Cultura

Económica, 3ra edición, México 2003.

[2] Barbosa Saldaña J. G.; “Método de Diseño de Sistemas Solares para

Calentamiento de Agua”; Tesis de Maestría ESIME-Z Sección de Estudio de

Posgrado e Investigación, México 1999.

[3] “Radiación en la atmósfera”

http://usuario.cicese.mx/~sreyes/Meteo2.pdf

[4] Observatorio de Radiación Solar, Instituto de Geofísica, UNAM.

www.geocities.com/ser1072002/resumenvaldesmexico.doc

[5] “Las señales del PDN” Julio 2007. Revista Energía Hoy. Vol. Año 4 No.40 pp

78 México.

[6] “Energías Renovables para el Desarrollo Sustentable en México” Enero 2006,

Secretaría de Energía, México.

[7] Perales Benito Tomás; “Guía del Instalador de Energías Renovables”; Ed.

Limusa, 1ra edición, México 2007.

[8] Askeland Donald; “La Ciencia e Ingeniería de los Materiales”, Ed. Iberoamérica,

1ra edición, México 1987.

[9] Viejo Zubicaray M.; “Bombas Teoría, Diseño y Aplicaciones”; Ed. Limusa, 2da

edición, México 1990.

93

[10] White Frank; “Mecánica de Fluidos”; Ed. McGraw-Hill, 1ra edición, México

1999.

[11] Mataix Claudio; “Mecánica de Fluidos y Maquinas Hidráulica”; Ed. Alfaomega,

2da edición, México 2006.

[12] Enríquez Harper Gilberto; “El ABC del control electrónico de la maquinas

eléctricas”; Ed. Limusa, 1ra Edición, México 2003.

[13] “Consumo de agua por persona en el Distrito Federal”

http://www.pvem.org.mx/web/index.php?option=com_content&task=view&id=1076

&Itemid=43

[14] AHAU-KINICH Distribuidora de equipo solar fotovoltaico atención con

Ing. Roberto Agustín Alcaraz Rodríguez

e-mail: [email protected]

[15] Tarifa DAC Domestica de Alto Consumo

www.lfc.gob.mx

[16] Bu Coss; “Análisis y Evaluación de Proyectos”; Ed. Limusa, 2da edición,

México 2005.

[17] “¿Sustituyen los bonos de carbono a la política pública para la transición

energética?”

http://www.funtener.org/sustituyen.html

94

REFERENCIAS COMPLEMENTARIAS

• DICCIONARIO DE LA LENGUA ESPAÑOLA

• “El Recurso Solar”

http://www.layerlin.com/ppefotovol.html

• “Sistemas Solares Fotovoltaicos”

http://www.conae.gob.mx/wb/CONAE/CONA_606_fotovoltaica

• “El combustible del futuro”

Ruben Cariño G. 2006. Boletín IIE Vol.30 pp. 111 – 115 Cuernavaca,

Morelos, México

• “Bombeo de Agua con energía solar fotovoltaica”

http://www.teorema.com.mx/articulos.php?id_sec=47&id_art=150&id_ejempl

ar=53

• “Bombeo de agua”

http://www.conae.gob.mx/wb/CONAE/CONA_recomendaciones_bombeo_a gua

• “”Tecnología fotovoltaica aplicada al bombeo de agua”

http://www.uacm.edu.mx/docsucm/articulosucm1.html

95

GLOSARIO

Planear: Hacer planes sobre la manera en que se habrá de llevar a cabo cierto

propósito

Proyecto: Idea que se tiene de algo que se quiere hacer y de cómo hacerlo

Factibilidad: El estudio de factibilidad, es una de las primeras etapas del

desarrollo de un sistema. El estudio incluye los objetivos, alcances y restricciones

sobre el sistema, además de un modelo lógico de alto nivel del sistema actual (si

existe). A partir de esto, se crean soluciones alternativas para el nuevo sistema,

analizando para cada una de éstas, diferentes tipos de factibilidades.

Los tipos de factibilidades básicamente son:

• Factibilidad técnica: si existe o está al alcance la tecnología necesaria

para el sistema.

• Factibilidad económica: relación beneficio costo.

Para cada solución factible, se presenta una planificación preliminar de su

implementación.

Implementar: Establecer o instituir algo.

Sistema: Conjunto de cosas que relacionadas entre sí ordenadamente

contribuyen a determinado objeto.

Eficiencia: La relación de la potencia de salida de una maquina rotatoria en

comparación con su potencia entrada.

Calidad: Propiedad o conjunto de propiedades inherentes a algo, que

permiten juzgar su valor.

Energía: Capacidad para realizar un trabajo.

96

Calidad de la energía eléctrica: Concepto que indica el grado de pureza de la

energía eléctrica, pureza medida según los siguientes parámetros de la señal de

voltaje en cualquier instante de tiempo: continua, senoidal, frecuencia y amplitud

constante.

Análisis: Distinción y separación de las partes de un todo hasta llegar a

conocer sus principios o elementos.

Onda: Forma de propagarse a través del espacio los campos eléctricos y

magnéticos producidos por las cargas eléctricas en movimiento.

Generación de energía eléctrica: La generación de energía eléctrica, en

términos generales, consiste en transformar alguna clase de energía no eléctrica,

sea esta química, mecánica, térmica, luminosa, etc., en energía eléctrica.

Para la generación de energía eléctrica se recurre a instalaciones denominadas

centrales eléctricas, las que ejecutan alguna de las transformaciones citadas y

constituyen el primer escalón del sistema de suministro eléctrico.

Renovable: Que puede renovarse o utilizar.

Energías renovables: son aquellas que utilizamos como energético primario, la

energía eólica, la solar o la energía potencial del agua, cuando el volumen

autorizado por la Comisión Nacional del Agua o el volumen de almacenamiento de

la planta hidroeléctrica no sea mayor al que se pudiera utilizar en la operación de

la planta, durante las horas del pico regional correspondiente a la ubicación de la

misma, a su gasto máximo de diseño.

Energía solar: Es la energía que se puede obtener de la captación y

transformación de la radiación solar, por medio de colectores, espejos y foto

celdas, a energía térmica o eléctrica.

97

Fotovoltaica: Perteneciente o relativo a la generación de fuerza

electromotriz por la acción de la luz.

Energía fotovoltaica. Forma de obtención de energía eléctrica a través de

paneles fotovoltaicos formados por dispositivos semiconductores tipo diodo que, al

recibir radiación solar, se excitan y provocan saltos electrónicos, generando una

pequeña diferencia de potencial en sus extremos.

Panel Fotovoltaico: Los módulos fotovoltaicos o colectores solares fotovoltaicos

(llamados a veces paneles solares, aunque esta denominación abarca otros

dispositivos) están formados por un conjunto de celdas (células fotovoltaicas) que

producen electricidad a partir de la luz que incide sobre ellos. La potencia máxima

que puede suministrar un módulo se denomina potencia pico.

Las placas fotovoltaicas se dividen en:

• Monocristalinas: se componen de secciones de un único cristal de silicio

(reconocibles por su forma circular o hexagonal).

• Policristalinas: cuando están formadas por pequeñas partículas

cristalizadas.

• Amorfas: cuando el silicio no se ha cristalizado.

Distribución: Reparto de un producto, bien o servicio.

Red: Líneas de transmisión y distribución que conforman el Sistema Eléctrico

Nacional, independientemente de que pertenezcan a CFE o LFC.

Maquina: Sistema de piezas mecánicas que se utiliza para hacer un trabajo

determinado, generalmente transformando cierta energía en otra distinta.

Motor: Aparato que genera fuerza o produce movimiento al transformar un tipo de

energía en otro.

98

Bomba de agua: máquina o dispositivo empleado para elevar, transferir o

comprimir líquidos y gases.

Servicio: Conjunto de actividades, equipos, organización y personal que se

dedican a satisfacer necesidades especificas.

Tarifa: Precio fijo o tabla de precios fijos o establecidos que se paga por una

mercancía o un servicio.

Tarifa eléctrica: precio establecido debido al consumo de la energía eléctrica.

Economía: Ciencia que estudia los fenómenos relacionados con la producción,

distribución y consumo de los bienes y los servicios que requiere la satisfacción de

las necesidades

Estudio: Escrito en el que se expone el examen o el análisis de un tema o

proyecto.

Beneficios: resultados favorables que se obtienen después haber invertido,

comprado o adquirido algo.

Costo: Cantidad que se da o se paga por algún servicio o producto.

Estudio beneficio-costo: estudio que requiere que para que se justifique un

proyecto financiado, los beneficios deben exceder sus costos. El análisis de costo-

beneficio es una herramienta de toma de decisiones para desarrollar

sistemáticamente información útil acerca de los efectos deseables e

indispensables de los proyectos.

Medio Ambiente. Conjunto de elementos abióticos (energía solar, suelo, agua y

aire) y bióticos (organismos vivos) que integran la delgada capa de la Tierra

llamada biosfera, sustento y hogar de los seres vivos.

99

APENDICE A Diagrama de Moody

100

APENDICE B Características de los equipos

Inversor Power Master AH600

Características:

- 600W Carga de salida constante (1,200W alto rendimiento para 5 segundos).

- 12 VCD

- Protección de Protección de descarga

- Consumo 0.5 A

- Eficiencia 85%

- Alarma de bajo y sobre voltaje

- Desconexión automática

- Ventilador

- Convierte 12V/24Vdc a 115V/230Vac

- 1 contacto estándar

- Cable con terminales

101

Controlador STECA

102

Batería CALE

103

APENDICE C Variedad de paneles solares y otros equipos

PANELES SOLARES

Potencia ERDM SUNMAX 40W ERDM SUNMAX 45W ERDM SUNMAX 50W ERDM SUNMAX 55W ERDM SUNMAX 60W ERDM SUNMAX 80W ERDM SUNMAX 120W ERDM SUNMAX 150W ERDM SUNMAX 160W ERDM SUNMAX 180W SUNTECH POWER 40W SUNTECH POWER 45W SUNTECH POWER 50W SUNTECH POWER 55W SUNTECH POWER 60W SUNTECH POWER 75W SUNTECH POWER 80W SUNTECH POWER 100W SUNTECH POWER 110W SUNTECH POWER 120W SUNTECH POWER 140W SUNTECH POWER 150W SUNTECH POWER 160W SUNTECH POWER 180W SUNTECH POWER 190W SUNTECH POWER 200W SUNTECH POWER 280W

104

BATERIAS SOLARES SURRETTE SURRETTE T12 136 12V/136A SURRETTE 12CS 11 PS 12V/357A SURRETTE S 460 6V/350A SURRETTE S 530 6V/430A SURRETTE 2 KS 33 PS 2V/1766A

INVERTIDORES DC/AC ERDM POWERMASTER AH-300 300W/12Vdc/110Vac ERDM POWERMASTER AH-600 600W/12Vdc/110Vac ERDM POWERMASTER H-600 600W/12Vdc/110Vac ERDM POWERMASTER H-1000 1000W/24Vdc/110Vac ERDM POWERMASTER H-1500 1500W/24Vdc/110Vac ERDM POWERMASTER H-2000 2000W/24Vdc/110Vac ERDM POWERMASTER H-3000 3000W/24Vdc/110Vac ERDM POWERMASTER SL-1500 1500W/24Vdc/110Vac ERDM POWERMASTER SL-3000 3000W/24Vdc/110Vac

CONTROLADORES SOLARES Morningstar 10A/12V – 24V

XANTREX C40 40A/12/24/48V

XANTREX C60 60A/12/24/48V

XANTREX C40/60 DISPLAY

40A / 60A /24V / 48V

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60A/120V

STECA 10A/12V – 24V

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