INSTITUTO TECNOLÓGICO DE
TLALNEPANTLA
OPCIÓN: TITULACIÓN INTEGRADA
SUBESTACIÓN ELÉCTRICA ABASTECIDA
POR CELDAS SOLARES
T R A B A J O P R O F E S I O N A L
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
I N G E N I E R O S E L É C T R I C O S
P R E S E N T A N:
E D I T H S A A V E D R A R O D R Í G U E Z J O S É L U I S F I G U E R O A O S O R I O J U L I O C E S A R D E S E N A R A M Í R E Z ASESOR: DRA. MARÍA VERÓNICA ESTRELLA SUAREZ TLALNEPANTLA DE BAZ, EDO DE MÉXICO. JUNIO 2011
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ÍNDICE
CONTENIDO PAGINA
I introducción. 1
II Justificación. 2
III Objetivos. 2
Especifico. 2
General. 2
IV Características del área que participo. 3
V Problemas a resolver. 3
VI Alcance del proyecto. 3
VII Descripción de las principales actividades 4
Del área de desarrollo del proyecto.
VIII Cronograma de actividades. 4
IX Fundamento teórico. 5
Generalidades de una subestación eléctrica 5
Localización. 6
Capacidad. 8
Tensión. 8
Las celdas solares. 8
Efecto fotovoltaico. 10
Fenómenos básicos de la celda solar. 14
X Procedimientos y descripción de las actividades realizadas. 17
Factibilidad técnica. 17
Aplicación de la energía fotovoltaica. 18
Vida útil de un panel solar fotovoltaica. 18
Dureza de los módulos solares. 18
Mantenimiento de un sistema fotovoltaico. 19
Potencia pico de un panel. 19
Fabricación de un panel fotovoltaico. 20
La importancia del empleo de un regulador de carga en una 21 Instalación fotovoltaica.
Baterías y reducción de la disponibilidad de carga. 21
Diferencia que existe entre cargas resistivas y cargas inductivas. 21
Tipos de elementos de iluminación que son más adecuados para 22 Instalar con los sistemas solares fotovoltaico.
Factibilidad económica. 23
Problemas a resolver. 23
Beneficios socioeconómicos. 24
Celda solar delgada. 25
Potencial de reducción. 27
Costo de celdas solares. 28
Costo total en el proyecto. 30
Factibilidad ecológica. 33
Impacto ambiental. 35
XI Resultados. 37 Características; 37
Celda solar. 37
Lámpara LED. 39
Baterías. 40
Controlador de carga. 41
Centro de carga. 42
Memoria de cálculo. 43
Conexión de arreglos de celdas solares. 43
XII conclusiones y recomendaciones 45
XIII bibliografía. 46
XIV Anexos. 47
INTRODUCCIÓN
El propósito de este proyecto es utilizar energías alternativas con el diseño
de una subestación solar, con el objeto de renovar los sistemas ya existentes.
Con este gran crecimiento industrial de las últimas décadas se ha originado
un crecimiento paralelo en los sistemas de energía, así como el calentamiento
global de nuestro planeta; por lo tanto urge la utilización de energías
alternativas.
Se introduce los parámetros eléctricos típicos de dos baterías: la usada en
un sistema solar. El significado de estos parámetros es analizado en detalle.
Basados en valores típicos para cada uno de ellos, la segunda sección
establece las diferencias entre los dos diseños. La información en esta sección
incorpora, asimismo, la descripción de dos baterías, una de cada tipo, para
familiarizar al lector con los nuevos diseños en acumuladores de Pb-ácido.
El funcionamiento de un acumulador está basado esencialmente en algún
tipo de proceso reversible; es decir, un proceso cuyos componentes no resulten
consumidos ni se pierdan, sino que meramente se transformen en otros, que a
su vez puedan retornar al estado primero en las circunstancias adecuadas.
Estas circunstancias son, en el caso de los acumuladores, el cierre del
circuito externo, durante el proceso de descarga, y la aplicación de una
corriente, igualmente externa, durante el de carga.
Resulta que procesos de este tipo son bastante comunes, por extraño que
parezca, en las relaciones entre los elementos químicos y la electricidad
durante el proceso denominado electrólisis, y en los generadores voltaicos o
pilas. Los investigadores del siglo XIX dedicaron numerosos esfuerzos a
observar y a esclarecer este fenómeno, que recibió el nombre de polarización.
Un acumulador es, así, un dispositivo en el que la polarización se lleva a sus
límites alcanzables, y consta, en general, de dos electrodos, del mismo o de
distinto material, sumergidos en un electrolito.
JUSTIFICACIÓN
En el Instituto Tecnológico de Tlalnepantla, tiene la necesidad de tener un
servicio de energía eléctrica ininterrumpido, debido a que ofrece un servicio al
turno vespertino con alrededor de 200 alumnos con la luminaria de las aulas.
Observando y analizando dicho problema, se ha elegido llevar a cabo como
proyecto piloto para la implementación de un respaldo de energía abastecida
por celdas solares, lo cual cubrirá esa necesidad en el momento que no haya
suministro de red eléctrica en particular en el edificio H, entrando en forma
automática.
Con este proyecto se actualizarían las subestaciones y así se reduciría el
costo energético por consecuencia se reduciría el calentamiento global del
planeta. Se observara la factibilidad de aplicarse a todos los edificios del
Tecnológico.
De esta manera existirá un beneficio para los alumnos y profesores que
estén en el edificio H.
OBJETIVO GENERAL:
Se realizara este proyecto con el propósito de abastecer el edificio H del
Instituto Tecnológico de Tlalnepantla, mediante una subestación eléctrica
abastecida por celdas solares. Con el fin del ahorro de energéticos utilizando
energías alternativas en este caso las celdas solares, Y así disminuir el costo
por suministro eléctrico del plantel.
OBJETIVO ESPECIFICO:
Abastecer el edificio H de energía eléctrica en el momento en que la
empresa suministradora no cumpla con las necesidades requeridas para
el turno vespertino.
Se harán modificaciones a una planta de emergencia con la adaptación
de celdas solares.
CARACTERÍSTICAS DEL ÁREA QUE PARTICIPO.
DATOS DE LA EMPRESA
NOMBRE:
Instituto Tecnológico de Tlalnepantla.
GIRO Y TIPO DE CAPITAL:
Educación nivel superior.
DIRECCIÓN DE LA INSTITUCIÓN:
Av. instituto tecnológico s/n. col. la comunidad Tlalnepantla, edo. Mex. Cp.540, apartado postal 750.
NOMBRE DEL DEPARTAMENTO DONDE REALIZARA SU PROYECTO:
Ingeniería Eléctrica y Electrónica.
PROBLEMAS A RESOLVER.
La problemática a resolver es el suministro de energía eléctrica que llega
a ocasionar problemas para el turno vespertino para realizar las actividades
con normalidad las cuales incluso llegan a ser suspendidas.
ALCANCE DEL PROYECTO.
Teniendo en cuenta que la realización del proyecto es de nueva
construcción, teniendo en cuenta la descripción, cálculos y diseño de los
equipos de instalación, para poder conseguir la construcción de la misma
subestación transformadora para el edificio H en el ITTLA, buscando con esta
llegar a tener una factibilidad económica, técnica y ambiental.
DESCRIPCIÓN DE LAS PRINCIPALES ACTIVIDADES DEL ÁREA DE
DESARROLLO DEL PROYECTO:
1. Revisión Bibliográfica: se realizara una búsqueda y actualización
bibliográfica.
2. Estudio de mercado.
3. Clasificación del arreglo fotovoltaico.
4. Diseño del prototipo.
5. Elaboración del Prototipo.
6. Elaboración del reporte Técnico (memoria de trabajo).
7. Defensa del proyecto (JUNIO 2009, CONGRESO DE
ESTUDIANTES).
CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
ACTIVIDAD FEBRERO MARZO ABRIL MAYO
1 X X
2 X X
3 X
4 X X
5 X
6 X
7 X
FUNDAMENTO TEÓRICO
Las actividades relacionadas al proyecto se llevaran a cabo en el interior de
la institución.
Datos del protocolo.
Nombre del proyecto:
Subestación eléctrica abastecida con celdas solares.
1.1 GENERALIDADES DE LA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA
Es un conjunto de dispositivos eléctricos, que forman parte de un sistema
eléctrico de potencia; sus funciones principales son: transformar tensiones y
derivar circuitos de potencia [1].
Las subestaciones se pueden denominar, de acuerdo con el tipo de función
que desarrollan, los grupos:
a) Subestaciones vareadoras de tensión.
b) Subestaciones de maniobra o seccionadora de circuitos.
De acuerdo con la potencia y tensión que manejan las subestaciones, éstas se
pueden agrupar en:
a) Subestaciones de transmisión. Arriba de 230 kv
b) Subestaciones de subtransmisión. Entre 230 kv y 115 kv.
c) Subestaciones de distribución primaria. Entre 115 y 23 kv.
d) Subestaciones de distribución secundaria. Debajo de 23 kv.
[1] ver fuentes de información, página; 46.
1.2 LOCALIZACIÓN DE LA SUBESTACIÓN
El punto de partida para la localización de una subestación se deriva de un
estudio de planeación, a partir del cual se localiza, con la mayor aproximación,
el centro de carga de la región que se necesita alimentar. Un método que se
puede utilizar para localizar una subestación, es la siguiente:
Obtenida la localización del centro de carga, conociendo la capacidad actual
de la subestación necesaria para la instalación de la misma. A continuación, se
produce a la localización de un terreno de área igual o mayor a la requerida y lo
más próximo posible al centro de carga del área.
Una vez localizado el terreno, (En este caso se utilizara la azotea del edificio
H del ITTLA, se debe efectuara un estudio para que no exista dificultad en la
llegada de los circuitos de alimentación de la subestación. La alimentación
podrá efectuarse por medio de líneas de transmisión.
En la siguiente figura 1.2 se muestra el croquis y la fotografía panorámica
del terreno donde se ubicará nuestra subestación (ubicando las celdas solares
en la parte superior del edificio, el centro de cargas se ubicara directamente a
un lado del centro de control de cargas que se encuentra actualmente
trabajando para corriente alterna, así como las baterías de carga que se
colocaran bajo un arreglo futurista. Será bajo una batería de 11 celdas como
las utilizadas en autos para motores de 6 pistones), tomando en cuenta todos
los estudios realizados.
Localizado el terreno necesario, se produce a la obtención de los datos
climatológicos de la región:
a) Temperaturas, máximas y mínima.
b) Nivel sísmico.
c) Grado de contaminación [1].
[1] ver fuentes de información, página; 46.
Figura No. 1.2 Croquis y Fotografía panorámica del terreno.
1.3 CAPACIDAD.
La capacidad de una subestación se fija, considerando la demanda actual de
la zona (edificio H).
En KAV (kW), más el incremento en el crecimiento, obtenido por
extrapolación, durante los siguientes diez años, previniendo el espacio
necesario para las futuras ampliaciones [1].
1.4 TENSIÓN.
Dentro de la gama existente de tensiones normalizadas, la tensión de una
subestación se puede fijar en función de los factores siguientes:
a) Si la subestación es alimentada de forma radial, la tensión se puede fijar en
la función de la potencia de la misma.
b) Si la alimentación proviene de un anillo, la tensión queda obligada por la
misma del anillo.
c) Si la alimentación se toma de una línea de transmisión cercana, la tensión de
la subestación queda obligada por la tensión de la línea citada [1].
LAS CELDAS SOLARES.
La energía solar puede ser convertida directamente en energía: calorífica,
química, electroquímica, biomasa, eléctrica, etc.; un dispositivo que convierte
directamente los fotones de la energía solar en potencia eléctrica, es llamado
celda solar y es la unidad mínima de conversión en los módulos fotovoltaicos.
En la actualidad se dispone comercialmente de tres tipos celdas solares:
Las fabricadas utilizando silicio cristalino y policristalino.
Las preparadas con silicio amorfo hidrogenado,
Las elaboradas con películas delgadas policristalinas (1-100 micras).
[1]; [2]; ver fuentes de información, página; 46.
En los años 70’s los módulos de celdas fotovoltaicas tenían un costo
promedio de $200pesos por watt de electricidad generado hacia la mitad del
día con una irradiación solar sobre el nivel de mar de 1000 W/m2 (Watt-pico,
Wp) [2].
Ahí surge la necesidad de desarrollar tecnologías fotovoltaicas de celdas
solares en película delgada, con la perspectiva de abatir el costo de fabricación
de las celdas solares a través del uso de menos de una centésima de la
cantidad de material semiconductor de las celdas convencionales [2].
Las películas delgadas semiconductoras tienen la ventaja de que estas
pueden depositarse sobre substratos de diferentes características mecánicas
con estabilidades térmicas y químicas, algunos de los materiales
semiconductores estudiados a la fecha para las celdas solares en películas
delgadas policristalinas son: diselenuro de cobre indio (CuInSe2) y el teluro de
cadmio (CdTe).
Las eficiencias reportadas en celdas solares utilizando estos materiales son
>17% para el Cu (In, Ga) Se2 y del 15% para el CdTe.
Los problemas actuales de estas celdas son: la utilización de materiales
precursores costosos (indio, galio), y/o de alta toxicidad (CdTe); y la falta de
reproducibilidad de las características de las celdas solares en áreas grandes y
en consecuencia el alto porcentaje de rechazo de los módulos dadas las
normas de control de calidad [2].
Cu (In, Ga) Se2 - diselenuro de cobre indio. CdTe - teluro de cadmio.
[2]; ver fuentes de información, página; 46.
EFECTO FOTOVOLTAICO.
Dispositivos fotovoltaicos tipo heterounión y multiunión
El efecto fotovoltaico consiste en la conversión directa de energía luminosa
de los fotones en voltajes de corriente directa (cd), desarrollándose
directamente en energía eléctrica. Este fenómeno se lleva a cabo en una
unidad mínima de conversión llamada celda Solar, y forma la base de la
tecnología fotovoltaica (PV), o comúnmente llamada tecnología solar
fotovoltaica (SPV), cuando la fuente de los fotones es la radiación solar.
El efecto puede presentarse en: líquidos o sólidos, en especial en los sólidos
semiconductores. En los sólidos semiconductores se observan eficiencias
aceptables de conversión de energía hasta de un 30% y tienen amplia
aplicación en la conversión de la energía solar a energía eléctrica.
En el proceso fotovoltaico los fotones de la radiación solar incidentes son
absorbidos por el semiconductor que genera portadores de carga eléctrica en
exceso de su concentración en equilibrio, electrones o huecos, llamados
comúnmente portadores de carga fotogenerados.
Estos portadores viajan bajo un gradiente de concentración hacia un campo
eléctrico interno construido por la unión de un semiconductor con diferente
conductividad en un mismo. Semiconductor (homounión), en dos diferentes
semiconductores (hete reunión); u otro tipo de uniones con diferentes
materiales (metal semiconductor, metal-aislante-semiconductor, metal-aislante-
metal) [2].
En la Tabla 1.1 se muestran los aspectos importantes de los diferentes tipos
de celdas solares [2].
[2]; ver fuentes de información, página; 46.
Tabla 1.1, principio de funcionamiento y características de las principales celdas solares [2].
Celda solar Principio de funcionamiento Caracteristicas
Homounion (n-p) Electrones en el lado n que se difunden al lado p forman una red de cargas positivas en lado n y una region de cargas negativas en el lado p.
Es la estructura sencilla, formada por el mismo semiconductor pero con conductividades tipo n y p.
Estructura heteroface (p+/p/n) El principio de funcionamiento es similar a la de la homounion, con la diferencia de que tiene adicionada una capa ventana, que reduce las perdidas por recombinacion en la superficie.
Esta formada por el mismo semiconductor de conductividades tipo n y p, mas un semiconductor tipo ventana, que tiene brecha de energia grande (por ejemplo el CdS CON 2 42 eV)
Heterounion La obsorcion de los fotones sera en el intervalo9 de enrgias menores al Eg del material ventana, pero mayores a la del material absorvedor.
Esta formada por la union de dos semiconductores con diferentes conductividades y brechas de energia.
Metal – semiconductor (MS o Schottky)
La union del semiconductor con algunos de los metales, crean una barrera de potencial y una region de agotamiento con un semiconductor.
Esta formado por la union de un metal semitransparente con un semiconductor las ventajas de esta celda es que requieren tecnologias de baja temperatura tienen aceptabilidad para aplicarse como celdas solares policristalinas de capa delgada.
MIS (metal –aislante – s/c)
Es una union inducida en donde la capa compensada es asociada con una de las capas de agotamiento en una homounion contenida en la superficie de una capa aislante delgada.
Esta compuesta por un metal-aislante delgado, del orden de 10-30 A, y un semiconductor (s/c) al incorporar el aislante. El flujo de los electrones puede ser limitada por el tunelage que atraviesa la capa aislante.
MOS (Metal- oxido – s/c)
Su principio de funcionamiento es muy similar al de la estructura MIS, solo que el aislante es una fina capa de oxido que actua como dielectrico.
Con capas de oxidos optimos
se incrementa V hasta en un
50%.
[2]; ver fuentes de información, página; 46.
Para que el efecto fotovoltaico se presente en la celda, tiene que cumplir las
siguientes etapas:
la fotogeneración de los portadores de carga (electrones y huecos) en
exceso, tomando como base la concentración en equilibrio térmico.
la difusión de estos portadores hacia el extremo del semiconductor, a
través de un campo eléctrico interno (potencial de barrera), que
origina que se separen las cargas por un tiempo suficientemente
grande.
Y finalmente son conectadas por las terminales al exterior.
Las características óptimas del semiconductor para su integración en la
estructura de la celda solar se indican en la Tabla 1.2. [2].
[2]; ver fuentes de información, página; 46.
Tabla 1.2, características óptimas que deben satisfacer en un semiconductor para ser
candidato para usar una celda solar [2].
Propiedad Criterio
Brecha de energía del material absorbedor
(Eg menor)
Brecha de energía cercano a 1.4 eV para
maximizar la absorción solar; y a su vez
minimizar la corriente de diodo que limita
Voc. Absorción directa, de modo que los
portadores sean generados ceca de la unión.
Longitud de difusión de los portadores
minoritarios grande.
Brecha de energía del material ventana (Eg
mayor)
Tan grande como sea posible, manteniendo
baja la resistencia serie.
Tipo de conductividad El material absorbedor preferiblemente tipo-n,
por la mayor longitud de difusión de los
electrones.
Electroafinidades Los materiales deben ser escogidos de
manera que no haya barrera de potencial en
la unión para los portadores fotoexcitados.
Voltaje de difusión Tan grande como sea posible, pues el
máximo Voc es proporcional al voltaje de
difusión.
Desacoplamiento de red Tan pequeño como sea posible para
minimizar la densidad de estados de de la
interface y las perdidas por recombinación a
través de tales estados.
Métodos de deposito Los métodos de depósito deben ser
convenientes para la formación y control de
las capas delgadas.
Contactos eléctricos Debe ser posible formar contactos eléctricos
de baja resistencia en ambos materiales
(tipo-n y tipo-p).
Abundancia de materiales El suministro de materiales debe ser
suficiente para permitir la producción de
celdas de área grande.
Costo de materiales El costo de los materiales deben ser baratos
para tener una energía competitiva con los
sistemas alternativos.
Toxicidad de los materiales Los materiales deben ser no tóxicos o debe
ser posible el control de la toxicidad.
Estabilidad y tiempo de vida de la celda La celda debe tener un tiempo de operación
suficiente, de forma que pague los costos
económicos y energéticos requeridos para
producirla.
[2]; ver fuentes de información, página; 46.
FENÓMENOS BÁSICOS DE LA CELDA SOLAR
Los fenómenos básicos que ocurren en una celda solar de tipo homounión
se muestran en la Fig. 1.1 la cual describe los procesos electrónicos que tienen
lugar en las cinco partes principales en que se divide la celda para su estudio:
1) el contacto metálico con el semiconductor tipo-p,
2) la región del semiconductor tipo-p donde se generan los portadores de
carga en exceso (electrón/hueco) por la absorción de los fotones, y
donde además los portadores minoritarios (electrones) son
transportados por difusión y parcialmente perdidos por recombinación,
3) la región de la unión, con sus respectivas áreas de agotamiento, donde
los portadores son separados por el campo electrostático de la unión,
4) la región tipo n, la cual contribuye con la resistencia en serie,
5) el semiconductor tipo-n con el contacto metálico además de la superficie
frontal, en donde se dan las mayores pérdidas por recombinación [2].
Fig. 1.1, Los fenómenos básicos que ocurren en una celda solar de homounión p/n [2].
[2]; ver fuentes de información, página; 46.
Fig. 1.2, curva característica corriente-voltaje de una celda solar en iluminación y oscuridad [2].
Los parámetros fotovoltaicos más importantes que se determinan, para
mostrar el comportamiento de una celda solar en oscuridad e iluminación, son
representados en la Fig. 1.2, donde se definen los parámetros de la corriente
en corto circuito (Ice), el voltaje en circuito abierto (Vea), la potencia máxima de
salida (Pmax). La resistencia-serie (Rs), la resistencia paralelo (Rp), y el factor
de calidad, que comúnmente se llama de llenado (fill- factor, ff), son otros
parámetros importantes.
Las eficiencias de celdas comerciales preparadas por diferentes técnicas, se
presentan en la Tabla 1.4; donde se observa la diferencia entre los valores de
eficiencia de las mejores celdas solares individuales en los laboratorios, de
prototipos de módulos y módulos comerciales en venta.
Las celdas solares de película policristalina de teluro de cadmio y diselenuro
de cobre indio no aparecen a la venta [2].
[2]; ver fuentes de información, página; 46.
Tabla 1.4. Análisis comparativo de varias celdas solares (Fuente: National Renawable Energy
Laboratory (NREL), USA) [2].
PVD: Deposito por vapor físico (Physical vapor Deposition). CVD: Deposito por
vapor químico (Chemical vapor Deposition). GD: Descarga gaseosa (Glow
Dischase).ECD: Deposito electroquímico (Electrochemical - Deposition).
MOCVD: Deposito por vapor químico de metales organicos (Metals Organics
Chemical vapor Deposition). MBE: Epitaxial por haz molecular (Molecular Beam
Epitaxy). LPE: Epitaxial en fase liquida (Liqued Phase Epitaxy).
[2]; ver fuentes de información, página; 46.
Celda Celdas nuevas con
η (%) aproximada
η (%) del modulo
Tiempo de vida
Tecnologías de producción
Producción
(1988)
Costo
(s/w)
Comentarios
Capa activa espesor (μm)
Estabilidad avance
C-Si (SC/poly)(300)
≈24 12-15 ˃20 años
/excelente
Crecimiento del cristal/ tecnología madura
≈125 MW 4 limitaciones de costo
C-Si (hoja o película)
(20-50)
≈12
≈10 (piloto) Grande/
Buena
PVC, CVD / en vía de desarrollo
≈1 MW
(planeado)
˂4 prometedor y viable, necesita mas desarrollo
A-Si-H
(t)
12 7-8
(triple)
Variable/
Arriba de 5 años
GD tecnología madura
≈10 MW 4 Grande rango comercial viabilidad cuestionable, inestabilidad.
CdTe
(1)
≈15.8 9 (piloto) Grande/ en estudio
PVD,ECD/ en via de desarrollo
≈1 MW ˃4 Proceso de simple producción, se tienen problemas con dispositivo y procesos.
Cu-In-Ga-Se (1)
≈18.8 12 (piloto) Algunos años/bueno
PVD,ECD/ en via de desarrollo
≈20 MW ˃4 Proceso de producción complejo, viabilidad cuestionable.
GaAs
(1-5)
≈25 ≈12 (piloto) Algunos años bueno
MOCVDMBE,
LPE/madura
≈10 k W ˃10 Costoso, bueno para aplicaciones espaciales.
PROCEDIMIENTOS Y DESCRIPCIÓN DE LAS ACTIVIDADES
REALIZADAS.
FACTIBILIDAD TÉCNICA
Un sistema fotovoltaico es un dispositivo que obtiene energía eléctrica a
través de la radiación solar. El sistema consta de los siguientes elementos (ver
esquema):
Un generador solar, compuesto por un conjunto de paneles fotovoltaicos que
captan la radiación luminosa procedente del sol y la transforman en corriente
continúa a baja tensión (12 ó 24 V). Un acumulador (en sistemas aislados), que
almacena la energía producida por el generador y permite disponer de corriente
eléctrica fuera de las horas de luz o días nublados.
En sistemas interconectados no se requiere de un acumulador, en este caso,
la red sirve como respaldo. Un regulador de carga, cuya misión es evitar
sobrecargas o descargas excesivas al acumulador, además de asegurar que el
sistema trabaje siempre en el punto de máxima eficiencia [3].
Fig. 1 Una instalación solar fotovoltaica sin inversor, utilización a 12Vcc [3].
[3]; ver fuentes de información, página; 46.
Una vez almacenada la energía eléctrica en el acumulador hay dos
opciones: sacar una línea directamente de éste para la instalación y utilizar
lámparas y elementos de consumo de 12 ó 24 Vcc.
Aplicación de la energía solar fotovoltaica
Cualquier aplicación que necesite electricidad para funcionar, se puede
alimentar con un sistema FV adecuadamente dimensionado. Las limitaciones
es el costo del equipo y en otras ocasiones el tamaño de los paneles, no
obstante, en lugares alejados de la red de distribución eléctrica, esta tecnología
suele ser más económica de implementar como un sistema aislado.
Rentabilidad de la energía solar fotovoltaica, Varía mucho del lugar del
mundo donde vivamos, por ejemplo una gran parte de la humanidad en los
países en desarrollo, no tiene acceso a la electricidad por falta de una
infraestructura eléctrica básica. En estos países la energía solar fotovoltaica
resulta ser la fuente mas rentable para obtener electricidad, en otros lugares
viene siendo la única [3].
Vida útil de un panel solar fotovoltaico
Un panel carece de partes móviles. Las celdas y contactos van
encapsulados con resina sintética, permitiendo una larga vida útil del orden de
30 años o más. Otra ventaja que tiene es que si una de las celdas falla no
afecta al funcionamiento de las demás y la intensidad y voltaje producidos
pueden ser fácilmente ajustados añadiendo o suprimiendo celdas [3].
Dureza de los módulos solares
Los paneles van protegidos en su cara exterior con vidrio templado, que
permite aguantar condiciones meteorológicas muy duras tales como el hielo, la
abrasión, cambios bruscos de temperatura, o los impactos producidos por el
granizo. Una prueba estándar para su homologación consiste en lanzar (con un
cañón neumático) una bola de hielo de dimensiones y consistencia
preestablecidas al centro del cristal [3].
[3]; ver fuentes de información, página; 46.
Mantenimiento de un sistema fotovoltaico.
Las instalaciones fotovoltaicas requieren un mantenimiento mínimo y
sencillo, que se reduce a las siguientes operaciones. Paneles; requieren un
mantenimiento nulo o muy escaso, debido a su propia configuración, no tienen
partes móviles y las celdas y sus conexiones internas están encapsuladas en
varias capas de material protector.
Es conveniente hacer una inspección general 1 ó 2 veces al año: asegurarse
de que las conexiones entre paneles y al regulador están bien ajustadas y
libres de corrosión.
En la mayoría de los casos, la acción de la lluvia elimina la necesidad de
limpieza de los paneles; en caso de ser necesario, simplemente utilizar agua y
algún detergente no abrasivo [3].
Regulador: la simplicidad del equipo de regulación reduce sustancialmente el
mantenimiento y hace que las averías sean muy escasas. Las operaciones que
se pueden realizar son las siguientes: observación visual del estado y
funcionamiento del regulador; comprobación del conexionado y cableado del
equipo; observación de los valores instantáneos del voltímetro y amperímetro
(dan un índice del comportamiento de la instalación [3].
Potencia pico de un panel
Es la potencia de salida, en Watt, que produce un panel fotovoltaico en
condiciones de máxima iluminación solar, con una radiación de
aproximadamente 1 kW/m2 (la que se produce en un día soleado al mediodía)
[3].
[3]; ver fuentes de información, página; 46.
Fabricación de un panel fotovoltaico
Un panel fotovoltaico está formado por un conjunto de células solares
conectadas eléctricamente entre sí en serie y paralelo hasta conseguir el
voltaje adecuado para su utilización [3].
Fig. 4 Corte transversal de un panel fotovoltaico [3].
Este conjunto de celdas está envuelto por unos elementos que le confieren
protección frente a los agentes externos y rigidez para acoplarse a las
estructuras que los soportan.
Los elementos son los siguientes:
Encapsulante, constituido por un material que debe presentar una buena
transmisión a la radiación y una degradabilidad baja a la acción de los
rayos solares.
Cubierta exterior de vidrio templado, que además de facilitar al máximo
la transmisión luminosa, debe resistir las condiciones climatológicas más
adversas y soportar cambios bruscos de temperatura.
Cubierta posterior, constituida normalmente por varias capas opacas que
reflejan la luz que ha pasado entre los intersticios de las células, haciendo que
vuelvan a incidir otra vez sobre éstas.
[3]; ver fuentes de información, página; 46.
Marco de metal, normalmente de aluminio, que asegura rigidez y
estanqueidad al conjunto, y que lleva los elementos necesarios
(generalmente taladros) para el montaje del panel sobre la estructura
soporte.
Caja de terminales: incorpora los bornes para la conexión del módulo [3].
La importancia del empleo de un regulador de carga en una instalación
fotovoltaica
La función primaria de un regulador de carga en un sistema fotovoltaico es
proteger a la batería de sobrecargas o descargas excesivas. Cualquier
instalación que utilice cargas impredecibles, intervención del usuario, sistema
de acumulación optimizado (para minimizar inversión inicial), o cualquier otra
característica que pueda sobrecargar o descargar excesivamente la batería,
requiere un regulador de carga. La falta del mismo puede ocasionar una
reducción de la vida útil de la batería [3].
Batería y una reducción de la disponibilidad de carga.
Los sistemas con cargas pequeñas, predecibles y continuas pueden
diseñarse para funcionar sin necesidad de regulador. Si el sistema lleva un
acumulador sobredimensionado y el régimen de descarga nunca va a superar
la profundidad de descarga crítica de la batería, [3].
Diferencia que existe entre cargas resistivas y cargas inductivas
Una carga es cualquier dispositivo que absorbe energía en un sistema
eléctrico. Los electrodomésticos y aparatos eléctricos en general, se dividen en
dos grandes grupos de cargas: resistivas e inductivas. Las cargas resistivas
son simplemente aquellas en las que la electricidad produce calor y no
movimiento. Típicas cargas de este tipo son las lámparas incandescentes o los
radiadores eléctricos.
[3]; ver fuentes de información, pág. 46.
Las cargas inductivas generalmente son aquellas en las que la electricidad
circula a través de bobinas. Normalmente son motores, tales como ventiladores
o frigoríficos; o transformadores, que se encuentran en la mayoría de los
aparatos electrónicos, tales como televisores, ordenadores o lámparas
fluorescentes [3].
Tipos de elementos de iluminación que son los más adecuados para
instalar con los sistemas solares fotovoltaicos.
Dadas las características de los sistemas fotovoltaicos, en los que la
capacidad de acumulación de energía es limitada, los equipos de iluminación
han de ser de elevado rendimiento y bajo consumo para aprovechar al máximo
esa energía. Las más idóneas son las lámparas electrónicas (led), que dan las
mismas prestaciones luminosas que las bombillas convencionales pero ahorran
aproximadamente un 80% de energía y tienen una duración 8 veces superior.
Esto se debe a que el 95% de la energía que consumen las lámparas
incandescentes se transforma en calor y no en luz, mientras que las
electrónicas irradian mucho menos calor y transforman un 30% de la energía
que consumen en luz. También pueden utilizarse equipos fluorescentes
convencionales pero siempre con reactancia electrónica (LED).
En conclusión, la instalación y el mantenimiento que se requiere para este
proyecto que es subestación con alimentación con celda solar, no requiere de
mucho recurso para su mantenimiento [3].
[3]; ver fuentes de información, página; 46.
FACTIBILIDAD ECONÓMICA
Esta es la parte final de toda la secuencia de análisis de la factibilidad de
este proyecto con el estudio de la evaluación económica.
En este proyecto no han existido contratiempos por lo tanto, se sabe en este
punto que existe un mercado potencial atractivo; se determinó un lugar óptimo
para la localización del proyecto y el tamaño más adecuado para este último,
de acuerdo con las restricciones del medio; se conocerá y dominara el proceso
de producción, así como todos los costos en que se incurrirá en la etapa
productiva; además, se habrá calculado la inversión necesaria para llevar a
cabo el proyecto.
Antes de presentar los métodos, se intentara describir brevemente cual es la
base de su funcionamiento.
PROBLEMAS A RESOLVER CON SU RESPECTIVA PRIORIZACIÓN
Con este proyecto un objetivo es el ahorro óptimo de energía y también el
costo del material que se utiliza para el proyecto no es caro en cuestión de
costos, prueba de ello que dentro del mismo proyecto nos hemos atrevido a
meter los precios cotizados por cada elemento que se necesite dentro de la
instalación.
De igual manera se ha estudiado y analizado la vida útil de los elementos, y
son mejores que los utilizados comercialmente, todos estos datos están
reportados en el proyecto, si se desea de mayor estudio.
Entonces este proyecto es de beneficio para ahorro óptimo de energía y por
lo tanto de costos económicos para apoyos de viviendas, oficinas, industrias y
en este caso del edificio H del ITTLA.
[4]; ver fuentes de información, página; 46.
BENEFICIOS SOCIOECONÓMICOS
Diversificación y aseguro del suministro de energía, aumento de las
posibilidades de la estabilidad del precio.
Provisión de oportunidades de trabajo en áreas rurales.
Promoción de la descentralización de los mercados energéticos.
Aceleración de la llegada de electricidad a comunidades rurales en países en
desarrollo.
Ante el incremento de los costos de la generación de energía eléctrica por
medios tradicionales, y la búsqueda por disminuir los daños al medio ambiente,
diversos sectores de la sociedad, entre los que se incluye al sector público de
varios países, han buscado fomentar el desarrollo de métodos alternativos para
la generación de energía.
Un número considerable de expertos han comentado que la energía solar, a
pesar de los problemas asociados con su generación, como la alta inversión
inicial requerida y la pobre eficiencia de conversión ofrecida actualmente (hasta
el momento no mayor del 20%), es una de las alternativas más atractivas para
generar electricidad.
De hecho, algunos estudios revelan que esta industria ha registrado un
incremento de alrededor del 20% anual, principalmente en Japón y algunos
países europeos, como Alemania.
Las principales ventajas ofrecidas por este método son su bajo impacto
ambiental y el poco mantenimiento necesario para su operación, lo que se
traduce en un ahorro económico a largo plazo.
[4]; ver fuentes de información, página; 46.
Además, esta tecnología permite eliminar los problemas actuales de
abastecimiento de recursos, ya que las plantas de energía solar no utilizan
recursos no renovables.
La energía fotovoltaica tiene muchísimas aplicaciones, en sectores como las
telecomunicaciones, automoción, náuticos, parquímetros. También podemos
encontrar instalaciones fotovoltaicas en lugares como carreteras, ferrocarriles,
plataformas petrolíferas o incluso en puentes, gaseoductos y oleoductos. Tiene
tantas aplicaciones como pueda tener la electricidad.
Algunos usos:
Electrificación de viviendas rurales
Suministro de agua a poblaciones
Bombeo de agua / riegos
Naves ganaderas
Pastores eléctricos
Telecomunicaciones: repetidores de señal, telefonía móvil y rural
Tratamiento de aguas: desalinización, cloración
Señalizaciones (marítima, ferroviaria, terrestre y aérea) y alumbrado
público
Conexión a la red
Protección catódica
Sistemas de telecontrol vía satélite, detección de incendios
CELDA SOLAR DELGADA, ECONÓMICA Y MAS ACCESIBLES
Fabricar los paneles solares más económicos se ha convertido en el santo
grial de la industria solar, casi desde que ésta tuvo su origen.
Los paneles solares de película delgada, producidos ahora por muchas
compañías, parece que han resuelto los problemas de la costosa y difícil
instalación de los sistemas solares tradicionales. Pero esto ha sido posible a
costa de la eficiencia; mientras que las celdas solares tradicionales logran
eficiencias de 16%, la eficiencias promedio en sus paneles de película delgada
de alrededor de 10.6%. Esta menor eficiencia podría esfumar el ahorro en los
costos del panel.
[4]; ver fuentes de información, página; 46.
VENTAJAS ECONÓMICAS
ENERGÍA SOLAR ELECTRIFICACIÓN CONVENCIONAL
• No requiere instalación de transformador, ni
red primaria, ni cable pre ensamblado
• Necesariamente se debe instalar red
primaria, transformadora y tendida secundaria
con cable pre ensamblado.
• La cantidad de materiales es bajo (celdas
fotovoltaicas, banco de baterías, regulador,
lámparas y cable eléctrico)
• El listado de materiales es extenso
• El costo de instalación es muy económico • El costo de instalación es alto, debido al
tendido de las líneas y la hincada de postes.
• Los costos de mano de obra son muy
puntuales.
• El costo de instalación por kilómetro de línea
es considerable y más aún en zonas de
condiciones adversas.
• El proyecto no necesita pago de trámites de
derecho ante ninguna entidad.
• Como cualquier proyecto eléctrico
convencional requiere del pago de derechos
por trámites ante la empresa electrificadora.
• El costo del transporte de materiales es
mínimo debido a la cantidad de los mismos.
• El costo de transporte se incrementa
considerablemente por lo robusto y pesado de
los materiales.
• No necesita instalación de acometida ni
contador de energía.
• Es obligatorio el uso del contador de energía
y de su respectiva acometida, cuyos costos
deben ser asumidos por el usuario.
• No requiere cobro de facturación posterior a
la instalación de la celda debido a que la
fuente de la energía es el sol.
• Después de instalado el contador el usuario
asume los costos por el cobro de facturación.
• El tiempo de garantía de la celda fotovoltaica
es de 25 años.
• El tiempo de garantía de la red es de 15
años (máximo).
• No requiere estudios de factibilidad ni planos
topográficos, debido a que la instalación es
domiciliaria.
• Requiere estudios de factibilidad y planos
topográficos, debido a las condiciones
accidentales de los terrenos.
Tabla 1.1 ventajas y desventajas económicas sobre las celdas solares y el tipo de energía
convencional.
[4]; ver fuentes de información, página; 46.
EL POTENCIAL DE REDUCCIÓN.
Virtualmente, cualquier necesidad de energía eléctrica puede satisfacerse
mediante un adecuado diseño del sistema de energía fotovoltaica. Esto incluye
energía para iluminación, bombeo, radiocomunicación, electrificación
doméstica, protección catódica, etc. La única limitación es el costo del equipo y
ocasionalmente el tamaño del arreglo fotovoltaico, aunque éste raramente es
un factor problema.
El costo de esto depende directamente de la aplicación, a rasgos generales,
los sistemas que contengan 100watts o más de energía fotovoltaica, tienen un
costo que ronda entre los $7 y $10 pesos por watt .
Cada watt del arreglo fotovoltaico produce entre 4 y 6 watts-hora (en México)
de energía por día, dependiendo de la temporada y de la localización.
En condiciones muy nubladas u oscuras (invierno) se producirá menos
energía y en condiciones más iluminadas se producirán más energía que la del
promedio estimado.
Usando costos típicos de amortización y vida del equipo, el costo del ciclo de
día generado mediante energía fotovoltaica generalmente anda en rangos de
$50 pesos Kwh. Ocasionalmente, aplicaciones de baja potencia pueden ser de
costo-efectivo solamente a unos pasos de la línea de energía.
La energía solar no es difícil de usar, aunque las celdas fotovoltaicas y los
módulos requieren de avanzada tecnología, su uso es muy simple. Los
módulos solares generan bajo voltaje (no obstante, arreglos de módulos
solares pueden interconectarse para altos voltajes) sin partes móviles o
desmontables.
Una vez instalado un arreglo fotovoltaico, generalmente no requiere otro
mantenimiento más que una limpieza ocasional (no indispensable).
[4]; ver fuentes de información, página; 46. Bióxido de carbono CO2.
COSTOS DE CELDAS SOLARES
Ahorro de Luz
En este proyecto encontraremos algunas soluciones que nos permitirá
generar ahorros de luz en los procesos de iluminación, emitidas por lámparas
LED para ahorro óptimo de energía, en las cuales se colocaran en puntos
estratégicos para ahorrar lámparas y de igual forma el ahorro de luz en la
cual se tendrá una iluminación adecuada, exacta en el aula. Se trabajara con
elementos de alta tecnología y eficiencia energética. Así mismo, se trabajara
con paneles solares fotovoltaicos.
La generación de la electricidad solar depende de la conversión fotovoltaica
o de la concentración de luz solar directa. La conversión fotovoltaica funciona,
en días nublados, con una eficacia menor, mientras que el sistema de
concentración de luz solar directa se puede lograr sin semiconductores. En
ambos casos, no se requiere mucho material, y los diseños mecánicos pueden
ser sencillos y relativamente fáciles de mantener.
COSTO TOTAL DEL PROYECTO.
Costo del proyecto por aula. Costo Total en Edificio H
Lámpara (10 lámparas por aula) $3000MN Total de Lámparas $21000MN
Controlador de carga $1172MN Total de Controladores
$8204MN
Soporte de montaje $120MN Total de Soportes $840MN
Batería de ciclo profundo 12 vdc $900MN Total de Baterías $6300MN
Kit de cableado eléctrico $1200MN Total Kit de cableado $14000MN
Banco de baterías y Regulador $2000MN Total del Banco y Regulador
$14000MN
Instalación $3000MN Total de Instalación $21000MN
Costo de celd : $ 9600MN Total de celda $ 67200MN
Total $19792.00MN Total $152544.00MN
[4]; ver fuentes de información, página; 46.
SUBESTACIÓN ABASTECIDA POR CELDA SOLAR
COSTO DE LA INVERSIÓN POR AULA
APARATOS COSTOS
Lámpara (10 lámparas por aula) $3,000MN
Controlador de carga $1,172MN
Costo de celda: $ 9,600MN
Batería de ciclo profundo 12 vdc $900MN
Kit de cableado eléctrico $1,200MN
Banco de baterías y Regulador $2,000MN
Instalación $3,000MN
Soporte de montaje $120MN
Total $19,792.00MN
[4]; ver fuentes de información, página; 46.
COSTO DE LA INVERSIÓN TOTAL EN EDIFICIO H
APARATOS COSTOS
Total de Lámparas $21,000MN
Total de Controladores $8,204MN
Total de Soportes $840MN
Total de Baterías $6,300MN
Total Kit de cableado $14,000MN
Total de Instalación $21,000MN
Total de celda $ 67,200MN
Total del Banco y Regulador $14,000MN
Total $152,544.00MN
COSTO-BENEFICIO
BENEFICIO EN UN
AÑO
COSTO DE LA
INVERSIÓN
Mes 1 $12,712MN
Mes 2 $12,712MN
Mes 3 $12,712MN
Mes 4 $12,712MN
Mes 5 $12,712MN
Mes 6 $12,712MN
Mes 7 $12,712MN
Mes 8 $12,712MN
Mes 9 $12,712MN
Mes 10 $12,712MN
Mes 11 $12,712MN
Mes 12 $12,712MN
TOTAL $152,544MN
FACTIBILIDAD ECOLÓGICA.
INTRODUCCIÓN
Todas las personas conscientes de que las fuentes tradicionales de energía
ocasionan daños al ambiente, y que la población humana crece día a día, con
el consecuente aumento del consumo de energía, creemos que la obtención de
energía por fuentes renovables es la única alternativa a una crisis energética
futura.
Es evidente que las fuentes renovables de energía son mucho más benignas
que las tradicionales pero como toda actividad humana, generan un impacto
ambiental perceptible [5].
El principal beneficio ambiental de las energías renovables es que reducen
las emisiones gaseosas provenientes de la combustión de residuos fósiles.
Actualmente hacen que, 1500 millones de toneladas de dióxido de carbono no
lleguen a la atmósfera y también producen una reducción no cuantificada de los
gases promotores de la lluvia ácida: dióxidos de azufre y nitrógeno.
Como las fuentes renovables de energía tienen la característica de estar
muy distribuidas en diferentes regiones, ya que cada región tiene
características ambientales diferentes y por ende diferentes recursos
energéticos para aprovechar, esto hace que se reduzca la necesidad de
desarrollo de nuevos sistemas de distribución de energía eléctrica y la
construcción de nueva infraestructura para transportar dicha energía,
reduciendo relevantemente los impactos ambientales negativos de la
distribución de energía.
Los principales recursos energéticos que se utilizan (el carbón, el petróleo, el
gas natural y el uranio) son limitados y, por lo tanto, pueden agotarse. Además,
su utilización provoca un gran impacto ambiental en la biosfera al contaminar el
aire, el agua y el suelo [5].
Estos hechos han generado un interés creciente por el desarrollo de nuevas
tecnologías para la utilización de fuentes de energía renovables alternativas
que, aunque actualmente son poco rentables, tienen la ventaja de ser poco
contaminantes.
Actualmente de la subestación eléctrica abastecida por celdas solares, su
instalación tendría como objeto el beneficio y no la destrucción de nuestro
medio ambiente, A continuación se muestran las ventajas en el uso de celdas
solares y desventajas de la energía convencional [5].
VENTAJAS AMBIENTALES.
ENERGÍA SOLAR ELECTRIFICACIÓN CONVENCIONAL
• El impacto ambiental es nulo, ya que la
instalación es domiciliaria.
• El impacto ambiental es considerable
por la poda de árboles y vegetación para
el tendido.
• No necesita certificado de la corporación
autónoma regional, debido a que la
instalación se realiza en el mismo predio.
• Por ser un proyecto que tiene impacto
sobre el ecosistema, requiere de licencia
ambiental expedida por la corporación
autónoma regional.
• La continuidad del servicio de energía
es constante, porque se depende
exclusivamente de la fuente solar.
• El servicio de energía depende de la
empresa comercializadora
TABLA 1. Ventajas ambientales en el uso de celdas solares en el medio ambiente [5].
IMPACTO AMBIENTAL DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
La energía solar fotovoltaica, al igual que otras energías renovables,
constituye, frente a los combustibles fósiles, una fuente inagotable, contribuye
al autoabastecimiento energético nacional y es menos perjudicial para el medio
ambiente, evitando los efectos de su uso directo (contaminación atmosférica,
residuos, etc.) y los derivados de su generación (excavaciones, minas,
canteras, etc.) [5].
Los efectos de la energía solar fotovoltaica sobre los principales factores
ambientales son los siguientes:
Clima: la generación de energía eléctrica directamente a partir de la luz solar
no requiere ningún tipo de combustión, por lo que no se produce polución
térmica ni emisiones de CO2 que favorezcan el efecto invernadero.
Geología: Las celdas fotovoltaicas se fabrican con silicio, elemento obtenido
de la arena, muy abundante en la naturaleza y del que no se requieren
cantidades significativas. Por lo tanto, en la fabricación de los módulos
fotovoltaicos no se producen alteraciones en las características litológicas,
topográficas o estructurales del terreno.
Suelo: al no producirse ni contaminantes, ni vertidos, ni movimientos de
tierra, la incidencia sobre las características físico-químicas del suelo o su
erosionabilidad es nula.
Aguas superficiales y subterráneas: No se produce alteración de los
acuíferos o de las aguas superficiales ni por consumo, ni por contaminación por
residuos o vertidos.
Flora y fauna: la repercusión sobre la vegetación es nula, y, al eliminarse los
tendidos eléctricos, se evitan los posibles efectos perjudiciales para las aves.
Paisaje: los paneles solares tienen distintas posibilidades de integración, lo
que hace que sean un elemento fácil de integrar y armonizar en diferentes tipos
de estructuras, minimizando su impacto visual. Además, al tratarse de sistemas
autónomos, no se altera el paisaje con postes y líneas eléctricas.
Ruidos: el sistema fotovoltaico es absolutamente silencioso, lo que
representa una clara ventaja frente a los generadores de motor en viviendas
aisladas.
Medio social: El suelo necesario para instalar un sistema fotovoltaico de
dimensión media, no representa una cantidad significativa como para producir
un grave impacto. Además, en gran parte de los casos, se pueden integrar en
los tejados de las viviendas.
Por otra parte, la energía solar fotovoltaica representa la mejor solución para
aquellos lugares a los que se quiere dotar de energía eléctrica preservando las
condiciones del entorno; como es el caso por ejemplo de los Espacios
Naturales Protegidos [5].
La utilización de las celdas solares Colabora con la protección del medio
ambiente, dado que más del 50% de la electricidad en California proviene de
plantas de carbón o gas natural, al adquirir estos sistemas usted puede reducir
el impacto que causa al medio ambiente por su consumo de electricidad al
sustituirlo por un sistema eléctrico de energía solar. Con los 121400 kWh
producidos en los 30 años de vida del sistema, los beneficios al medio
ambiente son los siguientes:
Equivalente de barriles de petróleo que no se queman: 200 Barriles.
Equivalente en árboles plantados: 413.
Gasolina de miles de autos: 215.500 millas.
Reducción de emisiones de smog: 400 libras.
Reducción de emisiones que causan lluvia acida: 900 libras.
Reducción de gases de invernadero y sus efectos: 172.400 libras [5].
RESULTADOS.
CARACTERÍSTICAS DE CELDA SOLAR UTILIZADA:
Modulo si monocristalino figura 1.1.
Las celdas están hechas de un solo cristal de silicio de muy alta
pureza.
La eficiencia alcanzada es del 17%.
Es la tecnología más desarrollada.
Estos módulos están garantizados por 25 años aproximadamente.
Figura 1.1. Modulo si monocristalino.
CANTIDAD DE CELDAS SOLARES A UTILIZAR.
Con base en el estudio técnico realizado podemos sugerir el número de
celdas que se necesitan para nuestra iluminación deseada.
Una típica celda solar de silicio monocristalino produce 75 watt, por lo tanto
si la carga total de nuestro circuito será:
Carga total; 140 W.
Entonces se ocuparan dos celdas de silicio monocristalino.
Tabla. 1.2 Características de celda.
Tabla. 1.2 continuación.
DIMENSIONES.
LARGO 1.20 mts.
ANCHO. 52.7 cm.
PROFUNDIDAD. 3.4 cm.
PESO. 7.6 kg.
TIPO DE CONDUCTOR.
THW (75)
Secciones; 2,5 a 10 mm² o 14 a 8 AWG.
Normas; NTP 370.250, NTP 370.253.
PROPIEDADES ELÉCTRICAS.
Potencia pico típica. 75 W.
Voltaje Pmax [Vp]. 17.0 V
Corriente Pmax [Ip]. 4.4 A
Corriente de corto circuito [Icc]. 4.8 A
Voltaje a circuito abierto [Vca]. 21.7 V
COEFICIENTES DE TEMPERATURA.
Vca. -0.77 Volts/°C
Icc. +2.06 Ma/°C
GARANTIA 25 años.
PRECIO. USA $450.00
CARACTERÍSTICAS DE LÁMPARA LED UTILIZADA:
Figura 1.2, imagen de la lámpara LED.
Tensión alimentación 11 a 14 vdc. Intensidad luminosa 100 – 120 im. Peso 454 grs. Temperatura color 3500k. Componentes 70 leds. Potencia consumida 2 w aprox. Luz blanca calida. Casquillo par 38 e27. Equivalente en w 35 w. Información
LÁMPARAS TECNOLOGÍA LED A 12 V Y BAJO CONSUMO PARA APLICACIONES SOLARES.
Muy bajo consumo. Con muy poca potencia pueden alimentarse
simultáneamente diversas lámparas LED.
No emiten calor. Son ideales parea iluminar pequeños espacios y
objetos sensibles a la temperatura. No cargan el ambiente.
No hay radiación UV (ultravioleta), ni IR (infrarroja). No perjudican la
salud de personas ni animales, ni decoloran pinturas ni tintes.
Insensibles a vibraciones y sacudidas.
Iluminación para ambientes acogedores. Nuevos LED´s de luz blanca y
calida.
Vida útil ˃ 50.000 horas. LEDs blancos espesiales cuya luminosidad tan
solo merman un 5% a las 1.000 horas de uso. Los LEDs blancos
standard, en el mismo periodo, suelen disminuir su brillo mas del 60%.
BATERÍAS DEEP CYCLE
El término Deep cycle se refiere en general a las baterías que tienen la
capacidad de descargarse completamente cientos de veces. La diferencia
principal de las baterías deep cycle y la de un automóvil convencional es que la
batería del automóvil está hecha para proveer una rápida cantidad de energía
miles de veces en su tiempo de vida, mientras que solamente es capaz de
descargarse completamente menos de 50 veces durante su vida y las baterías
deep cycle están hechas para descargarse cientos de veces.
Una batería deep cycle marina puede ser usada en varias aplicaciones, como
en lanchas, casas móviles, energía solar, casas de campaña, etc.
Figura 1.3, Imagen de Batería a Utilizar. PC – 12750. 80Ah - 395 Ah / 6V - 12v
El DOD de las baterías (en porcentaje) es lo contrario al estado de carga de
las baterías. Por ejemplo si la batería tiene un 70 % de carga, la profundidad de
descarga es el 30% siendo que el total debe ser igual a 100%. (Ver figura 2).
La forma más eficiente para determinar el estado de carga de una batería en
baterías con tapas removibles es usando un hidrómetro. En baterías libres de
mantenimiento, el mejor método es usando un buen voltímetro.
CARACTERÍSTICAS DEL CONTROLADOR DE CARGA UTILIZADO:
Figura 1.4 controlador de carga sunkeeper 6AMP, 12 V $1,172.8
El controlador de carga solar SunKeeper de Morningstar provee una salida
regulada de bajo costo, directamente del módulo solar, para maximizar la vida
de la batería en aplicaciones solares de poca potencia. El SunKeeper está
encapsulado en epoxi y su especificación permite el uso en exteriores. Al
montarse directamente en el módulo de caja de empalme y cablearse a través
de las aberturas troqueladas, la conexión es a prueba de clima.
El controlador de carga SunKeeper está disponible en versiones de 6 A y 12
A (ambos de 12VCC). Para soportar las altas temperaturas en el módulo solar,
el controlador ha sido diseñado usando electrónica de potencia
extremadamente eficiente y está especificado para 70ºC. El SunKeeper
también está certificado para uso en ubicaciones peligrosas Clase 1, División 2,
convirtiéndose así en un controlador ideal para aplicaciones en petróleo/gas
alimentadas con energía solar.
CARACTERÍSTICAS DEL CENTRO DE CARGAS UTILIZADO:
Centros de Carga tipo QO
Los Centros de Carga Tipo QO. De Square D, se han clasificado en primer
lugar, por ser la marca de preferencia de los contratistas eléctricos.
Esto se debe a que cada producto que desarrollamos esta diseñando para
proporcionarle al usuario un valor agregado, una protección insuperable, alto
desempeño y confiabilidad. Para lograr este diseño, nuestros centros de Carga
QO. Clase 1130 están fabricados de acuerdo a normas de calidad.
Los centros de carga QO cuentan con las siguientes características:
2 hasta 42 circuitos
Monofásico y Trifásico
Tipo NEMA1 y NEMA 3R
Neutro dividido caracterizando 3 terminaciones de 1/0.
Alimentación por arriba o por abajo.
Cubierta de ajuste de nivel automático.
Páneles adaptables en campo:
Convertible de interruptor principal a zapatas.
Capacidad de cortocircuito estándar con interruptor principal 22kA.
Capacidad de cortocircuito estándar con zapatas principales 65kA.
Estas y otras características hacen de los centros de carga QO la mejor
elección para su instalación eléctrica.
Figura: 1.5, centro de carga.
MEMORIA DE CÁLCULO. MEMORIA DE CÁLCULO
ARREGLO DE CONEXIONES DE CELDAS ES EL SIGUIENTE:
Se cuenta con 2 celdas solares, cada celda proporciona un voltaje de
17volts, una potencia de75W, y una corriente de 4.4A.se hace un arreglo de
celdas ambas en paralelo, como se muestra en la siguiente figura.
Este circuito me da un voltaje de salida de: 17V
Soporta una corriente de: 8.8A
(2 celdas)(4.4A) = 8.8A
Nos soporta una potencia de: 150W
75W (G1) + 75W (G2) = 150W
Por lo tanto se realiza el comparativo entre la carga y la capacidad de las
celdas
VALORES DADOS POR EL
DISEÑO DEL CIRCUITO
NECESIDAD DELA
DEMANDA DE CARGA
DEL EDIFICIO
Voltaje: 17V Voltaje: 12V
Potencia: 150W Potencia: 140W
Corriente: 8.8A Corriente: 7A
CUADRO DE CARGAS DESGLOSADO
AULAS No. DE
LÁMPARAS
LED
POTENCIA
(W)
CORRIENTE VOLTAJES
AULA 1 4 20w 1A 12V CD
AULA 2 4 20w 1A 12V CD
AULA 3 4 20w 1A 12V CD
AULA 4 4 20w 1A 12V CD
AULA 5 4 20w 1A 12V CD
AULA 6 4 20w 1A 12V CD
AULA 7 4 20w 1A 12V CD
TOTALES 28 140w 7A 12V CD
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
Este trabajo tiene como objetivo dar una recopilación de conceptos básicos,
para lograr obtener factibilidades ergonómicas, ambientales y técnicas, para el
proyecto de Subestación Eléctrica Abastecida por Celdas Solares, enfocado al
edificio H del Instituto Tecnológico de Tlalnepantla.
Con los cálculos matemáticos realizados para el circuito y arreglo de las
celdas y el resultado de ellas, se ha analizado que es factible el proyecto, ya
que no se necesita de gastos de mantenimiento en la instalación, y cubrirá una
necesidad para el aprovechamiento de conocimiento con nuestros compañeros
estudiantes.
FUENTES DE INFORMACIÓN.
[1] Diseño de subestaciones eléctricas José Raúl Martínez 2005.
[2] Ingeniería Ambiental en México, Prentice Hall, Henry Uglinn.
[3] Normatividad técnica.
Reglamento técnico especificaciones técnicas y procedimientos de
evaluación del sistema fotovoltaico y sus componentes para electrificación
rural. R.D. N° 003-2007-EM/DGE (2007.02.12)
Norma técnica peruana NTP 399.403.2006: sistemas fotovoltaico hasta 500
W. Especificaciones técnicas y método para la calificación energética de
un sistema fotovoltaico. R.0013-2006/INDECOPI-CRT (2006.03.06).
Código Nacional de electricidad – utilización. R.M. N° 037-2006-MEM/DM
(2006.01.30).
[4] http://www.alegsa.com.mx.
[5] Todo ambiente/empresas ambientes/energeticos.htm
ANEXOS 1. NORMA
Normas; NTP 370.250, NTP 370.253.
REGLAMENTO TÉCNICO CONDUCTORES ELÉCTRICOS
1. OBJETO.- El presente Reglamento Técnico tiene por finalidad establecer
las características técnicas, así como de rotulado y etiquetado, que deben
cumplir los conductores eléctricos de consumo masivo y uso general, con el fin
de que su utilización no sea un peligro para la vida y la seguridad de las
personas.
2. CAMPO DE APLICACIÓN.- Los conductores eléctricos comprendidos en el presente reglamento son los siguientes:
TW-70
TWF-70
THHW-90
THHWF-90
TWT-70
TTR-70
TTRF-70
THW (75)
THWN-2 (90)
XHHW-2 (90)
SPT (60)
3. CONTENIDO TÉCNICO ESPECIFICO DEL REGLAMENTO.- a) Definiciones:
CONDUCTOR (de un cable): Parte de un cable que tiene la función
específica de conducir la corriente eléctrica.
AISLAMIENTO (de un cable): Material aislante incorporado a un cable
con la función específica de soportar la tensión eléctrica. Permite aislar
un conductor de los otros conductores o de partes conductoras o de la
tierra.
SECCIÓN DE UN CONDUCTOR: Es el área de la sección transversal
expresada en milímetros cuadrados.
RESISTENCIA ELÉCTRICA: La oposición del conductor al paso de la
corriente eléctrica y que normalmente es expresada en ohm/km.
RESISTENCIA DE AISLAMIENTO: La oposición del aislamiento al paso
de la corriente eléctrica y que normalmente se expresa en Mega-Ohm-
km.
ESFUERZO A LA TRACCIÓN: Resistencia a la rotura de un material
cuando se le somete a estiramiento en una máquina de tracción,
expresada en N/mm2
ELONGACIÓN: Longitud final que alcanza un material al momento de
romperse cuando se le somete a un ensayo de tracción, expresada en
porcentaje de la longitud inicial.
ENVEJECIDO: Proceso de someter a un material a una temperatura
elevada durante un tiempo determinado establecido por las normas para
simular un envejecimiento acelerado del material.
PAÍS DE FABRICACIÓN: País en que la mercancía ha sido manufacturada.
b) Condiciones Generales:
Los conductores eléctricos comprendidos en el presente reglamento están constituidos de una parte conductora de cobre y un material de aislamiento que puede ser Cloruro de Polivinilo (PVC) ó polietileno reticulado (XLPE).
El cobre debe ser de una pureza tal que posea una conductividad
del 100 %, IACS (International Annealed Cooper Standard) según normas internacionales y de una sección suficiente para que la resistencia eléctrica no sea mayor a la establecida por las normas técnicas indicadas en la referencia.-
El material de aislamiento debe tener propiedades y espesor
suficientes que den garantía de un comportamiento físico y eléctrico
seguros establecido por las normas técnicas indicadas en la referencia.
El presente reglamento comprende los siguientes tipos de conductores:
Tipo de
Conductor Código IEC Secciones Normas
TW-70 60227 IEC 01 1,5 a 10 mm2 ó 16 a 8 AWG
NTP 370.250
NTP 370.252
TWF-70 60227 IEC 02 1,5 a 10 mm2
THHW-90 60227 IEC 07 0,5 a 6 mm2
THHWF-90 60227 IEC 08 0,5 a 6 mm2
TWT-70 - 1,5 a 10 mm2 ó 16 a 8 AWG
TTR-70 60227 IEC 10 1,5 a10 mm2
TTRF-70 60227 IEC 53 0,75 a 6 mm2
THW (75) - 2,5 a 10 mm2 ó 14 a 8 AWG
NTP 370.250
NTP 370.253
THWN-2 (90) - 2,5 a 10 mm2 ó 14 a 8 AWG
XHHW-2 (90) - 2,5 a 10 mm2 ó 14 a 8 AWG
SPT (60) - 0,5 a 6 mm2
c) Características Técnicas
Los conductores eléctricos deberán cumplir los siguientes requisitos
mínimos:
c.1) Todo conductor eléctrico, cualquiera sea su procedencia, deberá
cumplir con el valor de resistencia eléctrica para el tipo de conductor
estipulado, según la NTP 370.250.
c.2) Los tipos de conductores eléctricos comprendidos en el punto b) del
presente Reglamento, deberán cumplir con los requerimientos que están
establecidos en las NTP 370.252 y NTP 370.253 para:
Los espesores de aislamiento La resistencia de aislamiento El esfuerzo a la Tracción y Elongación, antes de envejecer El esfuerzo a la Tracción y Elongación, después de envejecer
d) Requisitos de rotulado y etiquetado del conductor:
d.1) Requisitos de rotulado: Los conductores eléctricos indicados en el
numeral 2 del presente reglamento, que se comercialicen en el
Perú, deberán tener consignados en forma indeleble en la superficie
del conductor, cada 275 mm la siguiente información:
- País de fabricación - Nombre del fabricante - Tipo de conductor - Sección en mm2 ó AWG - Tensión nominal en Volt
d.2) Requisitos de etiquetado del rollo del conductor: Los conductores
eléctricos indicados en el numeral 2, del presente Reglamento, que se comercialicen en el Perú, deberán ser etiquetados. La modalidad de etiquetado queda a elección del fabricante o importador, pudiendo para ello utilizar etiquetas adhesivas, soportes colgantes, etc. La información que debe contener la etiqueta es la siguiente:
- País de fabricación - Nombre del fabricante - Tipo de conductor - Sección en mm2 ó AWG - Tensión nominal en volt - Longitud del conductor expresada en metros - Año de fabricación
e) Referencia:
NTP 370.250 CONDUCTORES ELÉCTRICOS. Conductores para cables aislados. Está basada en la norma IEC 60228 1978 Conductors for insulated cables y en la norma UL 1581:2001 Reference standard for electrical wires, cables and flexible cords. NTP 370.252 CONDUCTORES ELECTRICOS Cables aislados con Cloruro de Polivinilo para tensiones hasta e inclusive 450/750 V. Está basada en la norma IEC 60227 Partes 1 a 5
NTP 370.253 CONDUCTORES ELECTRICOS Cables aislados con compuesto termoplástico y termoestable para tensiones hasta e inclusive 600 V. Está basada en las normas: UL 44: 2002 Thermoset-Insulated wire and cables UL 62: 2001 Flexible cord and fixture wires UL 83: 2001 Thermoplastic insulated wires and cables. UL 1581: 2001 Reference standard for electrical wires, cables and flexible cor
Anexo: