1 UNIVERSIDAD AUTNOMA DE QUERTARO FACULTAD DE INGENIERA IMPLEMENTACIN DE UN SISTEMA DE CELDAS FOTOVOLTAICAS PARA EL ALUMBRADO DEL LABORATORIO DE AUTOMATIZACIN DE LA FACULTAD DE INGENIERA DE LA UAQ TESIS QUE COMO PARTE DE LOS REQUISITOS PARA OBTENER EL GRADO DE: INGENIERO EN AUTOMATIZACININSTRUMENTACIN Y CONTROL DE PROCESOS PRESENTA JULIA MARCELA MARTNEZ ROBLES

DIRIGIDA POR: M.C. JOS LUIS AVENDAO JUREZ C.U. SANTIAGO DE QUERTARO, QRO. MARZO DE 2014 2 Universidad Autnoma de Quertaro Facultad de Ingeniera Ingeniera en Automatizacin Instrumentacin y Control de Procesos Implementacin de un sistema de celdas fotovoltaicas para el alumbrado del Laboratorio de Automatizacin de la Facultad de Ingeniera de la UAQ TESIS Que como parte de los requisitos para obtener el ttulo de Ingeniero en AutomatizacinInstrumentacin y control de Procesos Presenta: Julia Marcela Martnez Robles Dirigido por: M.C. Jos Luis Avendao Jurez SINODALES M.C. Jos Luis Avendao Jurez_________________ Asesor Firma Dr. Gonzalo Macas Bobadilla _________________ Sinodal Firma Dr. Jess Roberto Millan Almaraz _________________ Sinodal Firma Dr. Genaro Martn Soto Zaraza _________________ Sinodal Firma Ing. Roberto Garca Romero_________________ Sinodal Firma

____________________________ Dr. Aurelio Domnguez Gonzlez Director de la Facultad Centro Universitario Santiago de Quertaro, Qro. Marzo 2014 Mxico 3 RESUMEN Lasenergasrenovablessonlaalternativadelfuturofrentealasenergas convencionales, debido a que su impacto ambiental es mnimo y porque son una fuentedeenergacontinuaeinagotable.EnMxico,elconsumodeenergticos contribuyeconel61%delasemisionesdegasesdeefectoinvernadero;elpas ocupaellugarnmero13anivelmundialencuantoalasemisionesdeestos gases.El presente trabajo serealiz en el Laboratorio de Automatizacin de la Facultad de Ingeniera (FI) de la Universidad Autnoma de Quertaro (UAQ). El proyecto se enfoc en la implementacin de un Sistema Fotovoltaico (FV) interconectado a la red elctrica. El primer objetivo fue realizar las adecuaciones necesarias para las instalacioneselctricasdelsistemaFotovoltaicoapegndosealaNormaOficial Mexicana Nom-001-SEDE-2012 de Instalaciones Elctricas.ElsistemaFotovoltaicoconstade15panelesFVconectadosenseriecon capacidadde200Wcadauno,conloqueseobtiene3kW depotenciainstalada, as como tambin uninversor de corriente. El sistema FV abastece un 28.2% del consumodelaslmparasinstaladasenellaboratorio,estoenbaseal dimensionamiento del sistema que se realiz con un estudio previo de iluminacin. Elsegundoobjetivofuerealizarunestudiosobrelaenergageneradadelos panelesfotovoltaicosutilizandolaherramientadesoftwarePVsystdondese realizunasimulacinconlaubicacingeogrfica,parmetrosydatosdela ciudad de Quertaro. Adems se realiz un estudio de retorno de la inversin del sistema fotovoltaico y unestudiodelimpactoeconmicoquetendraestetrabajoenlaFacultad Ingeniera de la UAQ. 4 DEDICATORIAS Doy gracias a Dios porque de L eh recibido un sin fin de bendiciones.As mismo, por el significado que tienen en mi vida dedico este trabajo a: A mis padresLupitayPazporelinvaluableapoyoquemehandado, porhabermeacompaadosiempreencadaunodemis logros.Portodalaayudaycomprensinquecontanto cario me han brindado a lo largo de mi vida. A mi hermanoFernandodelqueestoymuyorgullosa,quienpesea tenerdesacuerdosalgunasveces,hasidotambinun gran soporte en mi vida. A mis abuelosIgnacioyJuliaportodoslosconsejosymuestrasde cario que he recibido de ellos. . 5 AGRADECIMIENTOS Estetrabajorepresentaparamunadelasculminacionesdemividaya profesional,porloqueagradezcoaaquellaspersonasquesinsernombrados oficialmente, participaron en gran medida en la conclusin de este trabajo. Al profesor Jose Luis Avendao por su apoyo y orientacin en todo momento para la realizacin de este proyecto y alcanzar este logro ms en mi vida. Amismaestrosyasesores,portodossusconsejosyayudaquemebrindaron para poder realizar este trabajo. ARamnGarcaaquienqueconsiderounagranpersona,porsuapoyo incondicional en este proyecto. A todos mis amigos a los que conoc en el transcurso de mi carrera, por todas sus muestras de apoyo que me dieron. 6 INDICE GENERAL RESUMEN ........................................................................................................................................................ 3 DEDICATORIAS .............................................................................................................................................. 4 AGRADECIMIENTOS ..................................................................................................................................... 5 INDICE GENERAL .......................................................................................................................................... 6 INDICE DE TABLAS ....................................................................................................................................... 8 INDICE DE FIGURAS ..................................................................................................................................... 9 1.INTRODUCCIN .................................................................................................................................. 11 1.1.Justificacin ..................................................................................................................... 13 1.2. Objetivos .............................................................................................................................. 15 1.3. Hiptesis ............................................................................................................................... 15 2.Revisin de Literatura .......................................................................................................................... 16 2.1.Energa solar ................................................................................................................... 19 2.2.Efecto fotovoltaico .......................................................................................................... 20 2.3.Celdas Fotovoltaicas ...................................................................................................... 21 2.3.1.Componentes Bsicos de una Celda Fotovoltaica ........................................... 21 2.3.2.Caractersticas de una celda fotovoltaica ........................................................... 22 2.4.Panel Fotovoltaico .......................................................................................................... 23 2.5.Tipos de Paneles Fotovoltaicos ................................................................................... 24 2.6.Radiacin solar ............................................................................................................... 25 2.7.Orientacin de un Panel Fotovoltaico. ........................................................................ 26 2.8.ngulo de inclinacin de un Panel Fotovoltaico. ....................................................... 28 2.9.Temperatura de un panel Fotovoltaico ....................................................................... 30 2.10.Tipos de Sistemas Fotovoltaicos ............................................................................. 32 2.10.1.Sistema FV autnomo ....................................................................................... 32 2.10.2.Sistemas FV interconectado ............................................................................. 33 2.11.Inversor ........................................................................................................................ 34 2.11.1.Tipos de Inversores ............................................................................................ 35 2.12.Tipos de montaje de paneles Fotovoltaicos ........................................................... 36 2.13.Mantenimiento ............................................................................................................. 38 3.METODOLOGIA.................................................................................................................................... 40 7 3.1.Diseo del sistema fotovoltaico .................................................................................... 40 3.1.1.Caractersticas especficas de la carga del Laboratorio de Automatizacin . 40 3.1.2.Clculo del arreglo de paneles Fotovoltaicos .................................................... 43 3.1.3.Clculo del ngulo de inclinacin de los paneles .............................................. 45 3.1.4.Orientacin .............................................................................................................. 47 3.1.5.Clculo de las dimensiones del de la estructura de los paneles FV .............. 47 3.1.6.Especificacin del inversor .................................................................................... 49 3.1.7.Dimensionamiento de los conductores ............................................................... 51 3.1.8.Clculo de las protecciones-interruptor ............................................................... 53 3.2.Instalacin del sistema fotovoltaico ............................................................................. 55 4.RESULTADOS OBTENIDOS .............................................................................................................. 57 4.1.Energa Producida por el sistema Fotovoltaico ......................................................... 57 4.2.Estudio econmico del Sistema Fotovoltaico............................................................. 60 4.2.1. Costo del Sistema Fotovoltaico ................................................................................. 60 4.2.2. Costo de energa elctrica con el sistema fotovoltaico implementado ............... 61 4.2.3. Retorno de la inversin ............................................................................................... 62 5.CONCLUSIONES ................................................................................................................................. 65 6.Bibliografa ............................................................................................................................................. 66 7.APNDICE ............................................................................................................................................. 68 APNDICE A Hoja de datos tcnicos del Panel Fotovoltaico ......................................... 68 APNDICE B Datos tcnicos generales del Inversor Fronius IG 3000 .......................... 69 APNDICE C Tabla 310-15(b) (16) Capacidad permisible en conductores .................. 70 APNDICE D Recibos de electricidad ................................................................................. 71 APNDICE E Artculo expuesto en la VII Conferencia Internacional de Energa Renovable, Ahorro de energa y educacin Energtica. CIER 2011-La Habana, Cuba72 8 INDICE DE TABLAS Tabla 2.6. Inclinacin de acuerdo a la estacin del ao. 10 .................................. 30 Tabla 3.1.2. Descripcin del sistema fotovoltaico. 23 ............................................ 43 Tabla 3.1.3. Caractersticas generales y ubicacin geogrfica Quertaro 25 . ..... 45 Tabla 3.1.3.1. Radiacin solar incidente en Quertaro y ngulo de inclinacin promedio26. .......................................................................................................... 46 Tabla 3.1.5. Dimensiones del panel fotovoltaico ERDM 200S7P/629 ................... 48 Tabla 3.1.6.Men de parmetros eninversor33 ................................................... 50 Tabla 3.1.7. Datos tcnicos del panel Fotovoltaico ERDM SP/6 del sistema. 34 .. 51 Tabla 3.7.1.1. Cdigo de colores del cableado35 ................................................. 52 Tabla 4.1. Datos generales del sistema FV42 ....................................................... 57 Tabla 4.1.1 Energa generada por el sistema FV43 .............................................. 58 Tabla 4.1.1. Comparacin de energa producida a diferente inclinacin46. .......... 59 Tabla 4.2.1 Costo total del Sistema FV47 ............................................................. 60 Tabla 4.2.2. Tarifa HM(CFE) 48[17] .................................................................... 61 Tabla 4.2.2.1 Ahorro de pago de energa elctrica con sistema FV49 .................. 62 Tabla 4.2.3 Retorno de inversin50 ...................................................................... 63

9 INDICE DE FIGURAS Figura 2.1. Produccin de electricidad por energa solar. 1 .................................. 19 Figura 2.2 Efecto Fotovoltaico. 2 ........................................................................... 20 Figura 2.3.1 Componentes Bsicos de una Celda Fotovoltaica. 3 ........................ 22 Figura 2.4. Terminologa Fotovoltaica. 4 ............................................................... 24 Figura 2.5. Tipos de Paneles Fotovoltaicos. 5....................................................... 25 Figura 2.6. Curva de Radiacinsolar y horas solares pico. 6 .............................. 26 Figura 2.7. Inclinacin del sol a lo largo del ao. 7 ................................................ 27 Figura 2.6.1. Orientacin de un arreglo Fotovoltaico para la mxima produccin anual 8 .................................................................................................................. 28 Figura 2.9. Dependencia de la corrienteproducida en funcin del voltaje para diferentes intensidades de radiacin (temperatura constante de 25 C). 11 ......... 31 Figura 2.9.1 Dependencia de la corriente producida en funcin del voltaje para diferentes temperaturas de operacin (radiacin constante 1,000W/m2). 12 ........ 32 Figura 2.10.1 Sistema Autnomo. 13 .................................................................... 33 Figura 2.10.2 Sistema conectado a la red elctrica pblica.14 ............................. 34 Figura 2.11. Inversor marca Fronius. 15 ............................................................... 35 Figura 2.12 Montaje en tierra16 ............................................................................ 36 Figura 2.12.1. Montaje directo. 17 ......................................................................... 37 Figura 2.12.2. Montaje por separado. 18 .............................................................. 37 Figura 2.12.3.Montaje con seguimiento. 19 .......................................................... 38 Figura 3.1.1. Distribucin de las reasdel Laboratorio de Automatizacin20..... 41 Figura 3.1.1.1 Distribucin inicial de lmparas en el Laboratorio de Automatizacin. 21 .......................................................................................................................... 41 Figura 3.1.1.2 Nueva Distribucin de Laboratorio de Automatizacin. 22 ............. 42 Figura 3.1.2. Diagrama unifilar del sistema fotovoltaico.24 ................................... 44 Figura 3.1.3. Inclinacin de los Paneles FV para el Laboratorio de Automatizacin. 27 .......................................................................................................................... 46 Figura 3.1.4. Brjula: sur geogrfico. 28 ............................................................... 47 Figura 3.1.5. Estructura de aluminio30 .................................................................. 48 10 Figura 3.1.6. Inversor Fronius IG 3000-LV31 ........................................................ 49 Figura 3.1.6.1. Instalacin de inversor32 .............................................................. 49 Figura 3.1.7. Cableado del inversor. 36 ................................................................ 53 Figura 3.1.8. Interruptores de DC y AC37 ............................................................. 53 Figura 3.1.8.1. Interruptores de AC38 ................................................................... 54 Figura 3.2. Montaje de sistema Fotovoltaico. 39 ................................................... 55 Figura 3.2.1. Sistema Fotovoltaico. 40 .................................................................. 55 Figura 3.2.2. Canalizacin del cableado. 41.......................................................... 56 Figura 4.1. Energa producida deacuerdo a inclinacin del sistema. 44 ............... 58 Figura 4.1.1. Energa (kWh/da) de cada mes durante un ao45 .......................... 59 Figura 4.2.3.Periodo de retorno de la inversin51 ............................................... 64 Figura 4.2.3.1 Grafica ganancia del sistema. 52 ................................................... 64 11 1.INTRODUCCIN Lasenergasrenovablessonaquellascuyafuenteresideenfenmenosdela naturaleza,procesosomaterialessusceptiblesdesertransformadosenenerga disponibleparalahumanidad,yqueseregenerannaturalmente,porloquese encuentran disponibles de forma continua.La energa solar, elica, biomasa, geotrmica, mareomotriz y la del hidrgeno son algunasdelasfuentesrenovables.Estasenergasnosofrecenalgunasdelas siguientesventajasconrespectoaloscombustiblesfsiles:menorimpacto ambiental,generacinenellugardeconsumo,mnimoriesgoensuobtenciny no requiere complejos sistemas de seguridad.Elconsumodeenergaaumentacadaaoapesardequelosrecursos energticos son limitados. De ah la importancia de potenciar energas renovables comolasolar,quepermitediferentesusosyofrecemuchasaplicacionesy ventajasrespectoalaenergaconvencional.Nuestropasposeeunimportante potencialenlageneracindeestaenerga,debidoasusfavorablescondiciones geogrficas y climticas, ya que tiene una alta incidencia de radiacinsolar en la gran mayora de su superficie.Losusosdelaenergasolarfotovoltaicapuedensernumerosos.Lossistemas aisladosdelaredpuedentenerusoscomoenviviendas,bombeo,etc.,mientras queenlasinstalacionesconectadasalaredelctricapblicasepuedenutilizar tanto para aplicaciones pequeas as como aplicaciones a mayor volumen. El uso desistemasfotovoltaicosinterconectadosalaredelctricapblicaesuna alternativa real para los consumidores de energa elctrica. LaelectricidadgeneradaporEnergasRenovablesenel2013represent aproximadamente un 26% de la generacin total de energa elctrica global (5,640 GW).AlgunosdelosfactoresquehanimpulsadolaindustriadeEnergas Renovables,enespecialenlosnichosdeenergaelicaysolar,hansido:el avance tecnolgico, la disminucin de costos en tecnologas, lapromocin de los gobiernosparaeldesarrollosustentable,entreotrosfactores.[1].Elcrecimiento 12 sostenidodelusodeestossistemasanivelmundialyenespecialdelospases industrializados es prueba de la madurez tecnolgica y su viabilidad econmica.Porotrolado,lasescuelasyuniversidadestienenungranconsumodeenerga elctricayaquesedebetenerunambienteconfortabledetrabajoparalos docentesyalumnos,ascomotambincontarconenergaparaelequipode trabajo. ElLaboratoriodeAutomatizacindelaFacultaddeIngenieradelaUAQ,tiene unaaltademandade electricidad,yaquelamayorpartedeldalaslmparasse encuentranencendidastantoenpasillosyaulas.Seimplementunsistema fotovoltaico interconectado a la redelctrica queabastece el 28.2% del consumo delaslmparasinstaladasenelLaboratorio.Elsistemaconstade15paneles conectados en serie con capacidad de 200W cada uno, con lo cual se produce un total de 3000 W. Eldimensionamiento del sistema se realiz con un previo estudio de iluminacin [2]. La instalacin y clculo del cableado del sistema se implement deacuerdoalaNormaOficialMexicanaNom-001-SEDE-2012,Instalaciones Elctricas.Porotraparteserealizunestudiosobrelaenergageneradadelos panelesfotovoltaicosutilizandolaherramientadesoftwarePVsysttomandolos parmetrosydatosdelaciudaddeQuertaro,dondesesimularlaenerga producida por el sistema. Finalmente,serealizunestudiodelretornodelainversinydelimpacto econmicoquetendrelSistemaFotovoltaico(FV)enelLaboratorioyelahorro que generar durante el tiempo de vida del sistema. 13 1.1.Justificacin Lademandadeenergaaumentacadaaoapesardequelosrecursos energticos son limitados. Hoy en da los sistemas Fotovoltaicos brindan energa a msdeunmillndehogaresentodoelmundocreandomilesdepuestosde trabajo y dando lugar a oportunidades econmicamente sostenibles. EnMxicosehanrealizadodiferentestrabajosrelacionados alaimplementacin desistemasfotovoltaicosyesunodelostemasdeinvestigacinenreade energas que ms ha interesado a la comunidad cientfica del pas. ElmunicipiodeQuertaroesprivilegiadoalrecibirunaradiacinsolarpromedio de 5.9 kWh/m2-da lo que permite que sea una ciudad potencial para uso paneles fotovoltaicos en la generacin de energa elctrica.En particular, el Laboratorio de Automatizacin de la Facultad de Ingeniera (FI) de laUniversidadAutnomadeQuertaro(UAQ),existeunaaltademandade electricidadenelsistemadealumbrado,debidoaquelamayorpartedeldalas lmparasseencuentranencendidastantoenpasilloscomoenlasaulas.Loque trae como consecuencia un alto costo por el pago de la electricidad utilizada. Laimportanciaquetienelaimplementacindeesteproyectoestribaenlos beneficios como se ha dicho sobre la reduccin del consumo de energa elctrica producidaporcombustiblesfsilescontaminantesdelmedioambiente,ascomo por los siguientes aspectos: Es una fuente inagotable de energa Se reduce la dependencia del petrleo y otros combustibles fsiles Bajos costos de mantenimiento Son sistemas silenciosos, limpios y no afectan el medio ambiente Modularidadfotovoltaica:Losmdulospuedenseraadidosgradualmente para incrementar la energa disponible. 14 Cabemencionarquelainversininicialesalgoelevada,perosuretornoesde cortoamedianoplazo,yaquedespusderecuperarloinvertido,elrestodela energa producida se considera como ganancia. 15 1.2. Objetivos - Objetivo General. ImplementarunSistemaFotovoltaicointerconectadoalaredelctrica,que abastezcadeenergaelctricacon15.79kW/hpordaalsistemadeiluminacin del Laboratorio de Automatizacin en la Facultad de Ingeniera de la UAQ para el ahorro de energa. - Objetivos particulares ImplementarunsistemaFotovoltaicoenelLaboratoriodeAutomatizacin de la Facultad de Ingeniera de la UAQ con capacidad para generar 15.79 kW/h por da Realizarlasadecuacionesnecesariasparalasinstalacioneselctricasdel sistema Fotovoltaico. Calcular la energa elctrica producida por sistema Fotovoltaico durante su tiempo de vidaRealizarelanlisisdelretornodelainversinydelahorroeconmicodel sistema Fotovoltaico empleando mediciones y costos del consumo 1.3. Hiptesis MediantelaimplementacindeunSistemaFotovoltaicointerconectadoalared elctricapblicasegenerarunahorroenergticode40.602kW/hporday econmicode$176,345.43durantelos25aosdevidadelsistemaFVenel LaboratoriodeAutomatizacindelaFacultaddeIngenieradelaUniversidad Autnoma de Quertaro; adems de que se puede ayudar a mejorar la calidad de la energa del sistema elctricoen el Laboratorio utilizando energa solar limpia y renovable. 16 2.Revisin de Literatura Elsectorfotovoltaicoseencuentraenestosmomentosalavanguardiadelas EnergasRenovables.Durantelosltimosaosexisteunaconcienciamayordel aprovechamientodelosrecursosnaturalescomofuentedeenergayseha incrementadoeldeseodeutilizarenergasrenovablesparapreservarelmedio ambiente.En la ciudad de Quertaro se tiene queel AeropuertoInternacionales el primero en el Pas y Amrica Latina en utilizar un sistema de generacin de energa solar interconectadoalaredelctrica,quelepermitereducirlautilizacinde combustiblesfsiles.Elsistemafotovoltaicoesdeunacapacidadde475kW/h, interconectado a la red. Adicionalmente, con la instalacin de paneles solares, en promedio el aeropuerto se ahorra alrededor de un milln 600 mil pesos anuales en facturacin elctrica [3]. ActualmenteenlacafeteradelaFacultaddeIngenieradelaUniversidad AutnomadeQuertarocuentaconlainstalacindeunSistemadeControly Monitoreo para Iluminacin Autosustentable y de Alta Eficiencia para la Cafetera delaFI,utilizandoEnergasRenovablesrealizadoporelDr.GonzaloMacas Bobadilla,elcualconsisteeneldiseoeimplementacindeunsistemade monitoreoquepermitedemaneraremotaaccederalestadodeconsumoy generacinpermitiendomodificarlosparmetrosdelsistema,adems,se consider un estudio del impacto de los factores bioclimticos en los generadores fotovoltaicos y elicos [4].Porotroparte,enlaciudaddeMxicosetieneuntrabajoparaelahorrode energa elctrica de los edificios Bernardo Quintana, Valdez Vallejo DIMEI y 12 del InstitutodeIngenieradelaUniversidadNacionalAutnomadeMxico(UNAM), en el cual se remarca la importancia de conocer las condiciones y caractersticas del consumo energtico as como el origen de las diversas perturbaciones que se 17 tienensobrelossistemaselctricos,ydestamanera,contarconlas herramientas fundamentales para lograr una mejor calidad y ahorro de energa [5].LaUniversidadAutnomaMetropolitana(UAM)conlaasesoradelInstitutode InvestigacionesElctricas(IIE),implementunsistemafotovoltaicoconuna potencia de 50 kilowatts para la generacin de electricidad mediante energa solar y con interconexin a la red elctrica nacional.As como tambin, la instalacin e instrumentacindeunaplantaqueproporcionarelectricidadaunedificiodela Unidad Iztapalapa [6]. La informacin que derive del estudio y la evaluacin de su funcionamientoserrelevanteparaelquehacercientfico,queservirparael desarrollo de investigaciones de energas renovables. A nivel internacional instituciones y varias compaas han estado trabajando juntos paraevaluarloslmitesylacompetitividaddelaenergafotovoltaicaenEspaa. Uno de las tareas que han llevado a cabo, ha sido pronosticar futuros escenarios delasconstruccionesdeenergafotovoltaicaconectadaalareddeEspaa, considerandotecnologa,economa,sociedadyaspectosdelmedioambiente. Parafacilitarelanlisisdelosescenariosdelossistemasfotovoltaicosse desarroll como herramienta un software, el cual analiza y compara los diferentes parmetrosdeunsistema[7].MientrasqueenunaPlantadeGeneracin FotovoltaicaubicadaenlaprovinciadeBarcelona,seanalizanlasposibilidades que ofrece una instalacin de energa solar fotovoltaica y se busca la optimizacin delasposibilidadesdelemplazamientoatendiendoaconsideracionestcnicas, econmicas yestticas[8]. En el proyecto se busca la mxima integracin de las instalaciones en el emplazamiento escogido, de manera que su posible afectacin sea mnima.Porotrolado,eldiseodeunacubiertasolarfotovoltaicaconectadaalared elctricaeintegradaeneltallerdeunedificioescolarsituadoenelInstitutode EnseanzaSecundariaFranciscoSalinas,Salamanca,Espaa,hatomadocomo objetodeestudiolascondicionesidneasdeinstalacinencuantoa requerimientosconstructivosprevios,ascomotambincondicionantesde 18 ubicacindeledificio[9].Tambinseevalolasostenibilidadeconmica, medioambiental y social de la instalacin planteada.CabemencionarqueenlaFacultaddeIngeniera,UniversidaddeSanCarlos, Guatemala,utilizandolamodalidaddeGeneradorDistribuidorRenovablese plantea un anlisis sobre las opciones de Instalaciones de Energa Renovable por mediodepanelesfotovoltaicos,paralaalimentacindeenergaelctricaenla iluminacin del Edificio T-6 [10]. Mientras que en la Monash University, Australia, se ha instalado una amplia red de panelessolaresensucampusdeClayton.Elgeneradorfotovoltaicoeselms grande en cualquier universidad de Australia y es capaz de generar alrededor de 100.000kW/hdeelectricidadalao.Cuentacon416panelessolaresinstalados eneltechodelCentrodelCampus,quealbergamuchos delosestablecimientos de comida, tiendas y servicios de apoyo estudiantil [11].TambinenlaUniversidaddeGolfodeFlorida,EstadosUnidos,seimplement uno de los arreglos solares ms grandes en ese pas, con un costo de 19 millones de dlares. El sistema produc 2 Mega watts por da, beneficiando a ms de 2,500 estudiantes, as obteniendo una ganancia de 22 millones de dlares en un periodo de 30 aos. La energa que producen los paneles solares alimenta la red elctrica del campus. [12]. Porloqueeldesarrolloeimplementacindelasenergasrenovableshatrado grandes beneficios no solo en el ahorro de costos sino en contribucin del medio ambiente,cabemencionar,queenlosltimosaossehageneradounintenso inters por las aplicaciones fotovoltaicas en curso, lo que representa una promesa para esta tecnologa de rpido desarrollo. 19 2.1. Energa solar LaenergasolareslapotenciaradianteproducidaporelSol,comoresultadode reaccionesnuclearesdefusin,quelleganalaTierraatravsdelespacioen cuantos de energa. Estos son llamados fotones, que interactan con la atmsfera ylasuperficieterrestre.Estransmitidapormediodeondaselectromagnticas presentesenlosrayossolares,lascualessongeneradasenformacontinuay emitidapermanentementealespacio,estaenergalapodemospercibirenforma de luz y calor. Laenergasolarcumpleunrolfundamentalcomofuentedevidayorigendela mayoradelasformasdeenergaenlatierra,ademsdequeesunafuentede energarenovable,inagotable,limpia,sustentableyqueseencuentraentodoel mundo sin dependencias externas de ningn tipo.Unaimportanteventajadelaenergasolaresquepermitelageneracinde electricidad en el mismo lugar de consumo mediante la integracin arquitectnica, pero para poder producirla se requiere de la utilizacin de dispositivos que capten la energa solar y la transformen en otra energa compatible con la demanda que sepretendesatisfacer.Lasdiferentestecnologasfotovoltaicasseadaptanpara sacar el mximo rendimiento posible de la energa solar (Figura 2.1). Figura 2.1. Produccin de electricidad por energa solar. 1 20 2.2.Efecto fotovoltaico Elefectofotovoltaicoeslabasedelprocesomedianteelcualunacelda fotovoltaica convierte la luz solar en electricidad. La luz solar est compuestapor fotones,opartculasenergticas.Cuandolosfotonesincidensobreunacelda fotovoltaicapuedenserreflejados,absorbidos,opuedenpasaratravsdela celda.nicamentelosfotonesabsorbidosgeneranelectricidad.Unacelda fotovoltaica tpica de silicio, como se muestra en la figura 2.2, se compone de dos partes unidas formando un emparedado. Figura 2.2 Efecto Fotovoltaico. 2 Lapartesuperiordelaceldaesdopadao"contaminada"demaneracontrolada confsforoparadarleuncarcternegativoodenominadotipoN.Laparte posterior es dopada con boro para darle un carcter positivo o denominado tipo P. Esta diferencia de cargas forma un campo elctrico esttico entre ambas capas el cuallellamanunin.Esentoncesquelaluzsolaropartculas,conocidascomo fotones, son absorbidas en la regin de la unin liberando electrones en la celda, quealavezsuperanelcampoelctrico,parapasaratravsdelacelda. Finalmente,estoselectronesrecorrenuncircuitoexternoproduciendoas 21 electricidad.Lasceldasfotovoltaicassonusualmenteinterconectadas elctricamenteparaobtenerelvoltajeycorrientenecesariosparaunaaplicacin dada. 2.3. Celdas FotovoltaicasLasceldasfotovoltaicassondispositivosqueconviertenenergasolaren electricidad,yaseadirectamentevaelefectofotovoltaico,oindirectamente mediantelapreviaconversindeenergasolaracaloroaenergaqumica. Aunquelasceldaspuedenserhechasdediversosmateriales,eselsilicioensu grado de pureza electrnico el ms utilizado en escala comercial. LasceldasFVnotienenpartesmecnicas,estnhechasdedelgadascapasde material semiconductor y son capaces de generar corrientes de 2 a 4 amperes, a un voltaje de 0.46 a 0.48Volts, tienen la propiedad de tener una gran conductividad yunaausenciatotalderesistividadelctrica,estnunidasacontactosdemetal paracompletarelcircuitoelctricoqueseencuentranencapsuladasenvidrioo plstico. Lasceldas se montan en serie sobre paneles solares para conseguir un voltaje adecuado. La capa antirreflejo aumenta la eficacia de la celda. 2.3.1.Componentes Bsicos de una Celda Fotovoltaica Los Componentes bsicos de una celda FVson los siguientes: a) Placa de vidrio. Es aquella que permite ingresar la luz a las celdas y protege a los semiconductores. b)Capaanti-reflectiva.Esaquellaqueestentrelaplacadevidrioyel semiconductor, y tiene la funcin de minimizar la prdida de luz por reflejo. c) La capa de semiconductor tipo n. Es aquella que tiene una concentracin de electrones excitados mayor a la de la capa tipo p, lo cual provoca que las cargas 22 elctricas de esta capa se pasen a la capa de tipo p provocando una diferencia de potencial con la otra capa. d)Planchadesemiconductorestiponytipop.Esaquellaenlaquese encuentrancolocadoslossemiconductorestiponytipopyestnenlazadosa travsdeuncaminoovaqueactacomoconductorporelcualcirculanlos electrones para ir del semiconductor tipo n al tipo p, generando un campo elctrico en este cable. e)Lacapadesemiconductortipop.Esaquellaquetieneunadeficienciade electrones, lo cual atrae a los electrones excitados provenientes de la capa tipo n, provocandoquesegenereunadiferenciadepotencialentreambascapasde semiconductor, mejor conocido como voltaje. La figura 2.3.1 muestra los componentes descritos anteriormente. Figura 2.3.1 Componentes Bsicos de una Celda Fotovoltaica. 3 2.3.2.Caractersticas de una celda fotovoltaica a) Corriente de cortocircuito (Icc) Esta magnitud es la intensidad que circula con laceldaencortocircuito,conunailuminacindeterminadayfija.Suvalores directamente proporcional a la energa solar recibida, y por lo tanto a la superficie total y al nivel de iluminacin. b)Voltajedecircuitoabierto(Vco)Estamagnitudesladiferenciadepotencial entre los bornes de la celda en ausencia de consumo, con una iluminacin fija y a 23 una temperatura determinada. Su valor depende del acoplamiento utilizado y vara muy poco con la intensidad luminosa. c) Corriente ptima (Im)Esta magnitud es laintensidad que circula por la celda enelpuntodefuncionamientoptimo,aplicadaunacarga(Rm)devalorptimo, elegida de modo de que la potencia elctrica sea mxima. d)Voltajeptimo(Vm)Estamagnitudeslatensinqueoriginalacorriente ptima, al ser aplicada sobre una carga Rm de valor ptimo, elegida de modo de que la potencia elctrica sea mxima. e)PotenciaMxima(Pmax)Eslamximaenergaqueesentregadaporuna celda FV cuando pasa por un valor mximo para valores determinados de tensin y corriente fijados en funcin de la resistencia optima de carga (Rm). Su unidad de medicin es el Watt. f)Rendimiento()Estamagnitudeslarelacinentrelaenergaelctrica entregadaylaenergaluminosarecibida.Suvalorrondael18%,segnla tecnologa constructiva de la celda. 2.4.Panel Fotovoltaico Un panel fotovoltaico es un conjunto de celdas fotovoltaicas interconectadas entre s.UnpanelfotovoltaicoesusadocomocomponentedeunsistemaFVpara ofrecerelectricidadlimpiayrenovabletantoalaindustriacomercialcomoala residencial.LamayoradelospanelesFVsonrgidos,peroyaexistenpaneles flexiblesbasadosenlasceldassolaresdelgadas.Lasconexioneselctricasson hechasenserieparaalcanzarlasalidadevoltajedeseada,yenparalelopara lograr la cantidad de corriente necesaria. En la figura 2.4 se muestra visualmente la terminologa fotovoltaica. 24 Figura 2.4. Terminologa Fotovoltaica. 4 2.5. Tipos de Paneles Fotovoltaicos Existendistintostiposdepanelesfotovoltaicos,suclasificacindependedesu proceso de fabricacin, ya que tienen diferente rendimiento, aplicacin y precio. -Celdas de Silicio cristalino: Son las celdas que predominan hoy en el mercado mundial. Esto se debe a sus caractersticas: madurez, confiabilidad y larga vida til (de 20 a 30 aos). -SilicioMonocristalino:Estetipodeceldasestnhechasdeunsolocristalde silicio de muy alta pureza. Los mdulos con estas celdas son los ms maduros del mercado, proporcionando con eso confiabilidad en el dispositivo. -SilicioPolicristalino:EstassonfabricadasdeSilicio,mezcladoconArsenioy Galio.Sonmssencillasdeconseguirytienenunrendimientomenorquelas anteriores, pero no son nada despreciable. Son perfectas para lugares en los que lascondicionesambientaleshaganque,laceldanoserompaansiendostas muy duraderas para otras condiciones ambientales. 25 -SilicioAmorfo:Estetipodeceldastienenbajadurabilidadperobajocosto.Su eficienciaesmsbajade6a10%ytiendeaceroconsuenvejecimiento. Proporcionan una cantidad de energa muy baja. La figura 2.5 muestra los diferentes tipos de paneles fotovoltaicos antes descritos Figura 2.5. Tipos de Paneles Fotovoltaicos. 5 2.6.Radiacin solar Eslaenergaradiantequeincideenunasuperficiedereaconocidaenun intervalodetiempodado.SuunidaddemedidaeselWatt-horapormetro cuadrado (Wh/ m2). La radiacin tambin se expresa en trminos de horas solares pico. Una hora de energa es equivalente a la energa recibida durante una hora, a unaradiacinpromediode1,000W/m2esdecir,lapotenciaincidentede1000 Watts por unidad de superficie. La energa til que entrega el panel fotovoltaico es directamenteproporcionalalaradiacinincidente.Paracalcularlasepuede asumir que no hay atmsfera o que se mide en la parte alta de ella y se denomina insolacindiurnaoanualnoatenuada, otraformaes medirenla superficie de la Tierra teniendo en cuenta la presencia de la atmsfera, en este caso se denomina 26 radiacin atenuada siendo ms complejo calcularla. En la figura 2.6 se muestra la radiacin correspondiente a un da, la cual es representada por el rea amarilla en la misma. Figura 2.6. Curva de Radiacinsolar y horas solares pico. 6 Laradiacinesunparmetromuyimportanteeneldiseodesistemassolares. Losfactoresclimticosyelngulodeposicionamientodelpanelconrespectoal sol afectan la radiacin sobre la superficie de captacin. En zonas de poco sol, ya seapornubes,neblinauotrofactor,laradiacinpromedioenunperiodode tiempoesmenor.Endasdeinviernolosnivelesderadiacinpromedioson considerablemente menores en comparacin a los das de verano, esto se da para lugares cuya latitud sea mayor a los 15. 2.7. Orientacin de un Panel Fotovoltaico. Laorientacineinclinacinsonaspectosdeterminantesenlosarreglos fotovoltaicos para su produccin elctrica. La radiacin solar que incide sobre una placa variar con el ngulo que forme la misma con la radiacin. La captacin de energa solar ser mxima cuando la posicin de la placa solar sea perpendicular a la radiacin. La inclinacin de los rayos del sol respecto a la superficie horizontal esvariablealolargodelao(mximaenveranoymnimaeninvierno)ypor tanto,enaquellasinstalacionescuyospanelesestnfijos,existirunngulode 27 inclinacin que optimizar la coleccin de energa sobre una base anual como se muestra en la figura 2.7. Es decir, conviene buscar el ngulo de inclinacin de los panelesrespectoalplanohorizontalquehacemximalapotenciamediaanual recibida.Siseestableceunaorientacinhaciaelsurgeogrficoyunngulode inclinacinigualalngulodelatitud,semaximizalaproduccinentrminos anuales.Puede ocurrir que la instalacin no vaya a usarsetodo el ao sino slo enciertaspocas.Silainstalacinsevaausarpreferentementeenverano convienequelainclinacindelcolectorseamenorquelalatituddellugar, aproximadamenteen15.Evidentemente,lasprdidasdelassuperficies horizontales con respecto a las que estn inclinadas aumentan progresivamente a medidaquenosacercamosalnorte(enelhemisferionorte)oalsur(enel hemisferio sur). En los polos, los planos horizontales son intiles. No obstante, es extremadamentedifcilvalorarlasprdidasenlosclimastempladosyaquela proporcindeluzdifusadelsolesmsgrandedebidoalapresenciadepolvo, vapordeaguaynubes.La orientacinnoofreceningunaventaja encuantoala energarecibidadesdelaradiacinindirecta.Porelcontrario,debidoaquelos panelesinclinadosrecibenlaluzdeunapartedelhemisferio,estosrecogen menos luz difusa que los receptores horizontales. Figura 2.7. Inclinacin del sol a lo largo del ao. 7 LalocalizacinaparentedelsolalEsteuOestedelSurVerdaderosellama azimut, el cual se mide en grados al Este u Oeste del Sur, como hay 360 grados 28 en una circunferencia y 24 horas en un da, el sol parece moverse 15 grados en azimut cada hora (360 grados divididos entre 24 horas). El Sur magntico o el Sur marcado por una brjula se orientan con el campo magntico de la Tierra, el cual no est necesariamente alineado con el eje de rotacin de la Tierra. La desviacin del Sur magntico respecto al Sur geogrfico o Sur verdadero recibe el nombre de declinacin magntica.En la figura2.6.1 se muestrala orientacin de un arreglo FV para la mxima produccin anual. Figura 2.6.1. Orientacin de un arreglo Fotovoltaico para la mxima produccin anual 8 El rendimiento diario puede optimizarse si los colectores montados se fijan frente alSurgeogrfico(verdadero)oconazimut 0grados,que eslamejororientacin genrica. 2.8. ngulo de inclinacin de un Panel Fotovoltaico. Laalturadelsolporencimadelhorizontesellamaaltitud,lacualsemideen gradosporencimadelhorizonte.Cuandoelsolpareceestarsaliendoo ponindose, su altitud es de cero grados. Cuando el sol est al Sur verdadero en el cielo con azimut de cero grados, estar en su altitud mxima para ese da. Ese momento se llama medioda solar. La latitud de una localidad determina cuan alto aparecer el sol por encima del horizonte en el medioda solar a lo largo del ao. Como resultado del movimiento orbital alrededor del sol con un eje inclinado, el sol 29 apareceadiferentes altitudesporencimadelhorizonteamediodaalolargodel ao. Para optimizar el rendimiento de un sistema se deben considerar los cambios estacionalesenlaaltituddelsol.Enlafigura2.8sepuedeapreciarquela elevacin del panel FV es igual a la latitud as como la forma ptima de recepcin de rayos solares. Figura 2.8. Diagrama de inclinacin de Un panel Fotovoltaico forma ptima de recepcin de rayos solares 9

Enlatabla2.6sebosquejaelngulodeinclinacinptimodeunarreglo fotovoltaico para diferentes cargas estacionales. 30 Tabla 2.6. Inclinacin de acuerdo a la estacin del ao. 10 ngulo de inclinacinResultado Latitud del lugar de la instalacin Mxima generacin elctrica anualizada y durante la primavera y el otoo. Latituddellugardelainstalacin menos 15 Mxima generacin elctrica en el verano. Latituddellugardelainstalacin ms 15 Mxima generacin elctrica en el invierno. Losarreglosfotovoltaicostrabajanmejorcuandolosrayosdelsolinciden perpendicularmente(90grados)alasceldas.Comolossistemasacopladosala redtienenalsistemaelctricopblicocomofuentederespaldo,hayms flexibilidad en la ubicacin del arreglo que para los sistemas autnomos. Para un arregloacopladoalared,sinosepuedelograrelnguloptimo,elsistema producirunporcientodelaenergatotaldisponibleyaqueelserviciopblico proveerladiferencia.Comolossistemasacopladosaredcompensaneluso promedioanualdelaenerga,(enlugardealimentardirectamentealascargas), losdiseadorespuedenelegirunmontajeempotradodelarregloenlacubierta ms por razones estticas que para lograr los ngulos de inclinacin y orientacin ptimos. 2.9. Temperatura de un panel Fotovoltaico Elaumentodetemperaturaenlasceldassuponeunincrementoenlacorriente, pero al mismo tiempo una disminucin mucho mayor, en proporcin, de la tensin. Elefectoglobalesquelapotenciadelpanelsolardisminuyealaumentarla temperaturadetrabajodelmismo.Tantolacorrientedecortocircuitocomoel voltaje a cortocircuito abierto, se ven afectados por la temperatura detrabajo, as mismocomosumagnitudporcentual,sondistintosparaestosdosparmetros. Cuando la temperatura de trabajo es menor que 25C, el voltaje de circuito abierto 31 crece, y la corriente de cortocircuito disminuye. Para la mayora de los paneles FV cuandolatemperaturadetrabajoaumenta,elvalordelapotenciadesalida disminuye. En la prctica, debido a la disipacin de calor dentro de las celdas del panel,salvoenclimasmuyfros,latemperaturadetrabajoexcedelos25C. Cuando ello ocurre, la potencia de salida nunca alcanza el valor pico especificado porelfabricante.EldiseodeunsistemaFVdebetenerencuentaesta degradacindelpanel,afindeasegurarquelosrequerimientoselctricosdel sistema pueden ser satisfechos durante los das ms calurosos del verano. Para el periodo invernal, si el mnimo para la temperatura promedio es menor a los 25C, no se considera ninguna degradacin para la potencia de salida pico. El funcionamiento del mdulo FV se ve afectado por la intensidad de la radiacin y delatemperatura.Lafigura2.9muestraelcomportamientodelacorriente producida en funcin del voltaje para diferentes intensidades de la radiacin solar. Se presenta un aumento proporcional de la corriente producida con el aumento de la intensidad. Tambin se debe observar que el voltaje a circuito abierto (Vca), no cambi, lo cual demuestra su estabilidad frente a los cambios de iluminacin. Figura 2.9. Dependencia de la corrienteproducida en funcin del voltaje para diferentes intensidades de radiacin (temperatura constante de 25 C). 11 32 Enlafigura2.9.1semuestraelefectoqueproducelatemperaturasobrela produccindecorrienteenelmdulo.Elefectosemanifiestaenelvoltajedel mdulo.Lapotencianominalsereduceaproximadamente0.5%porcadagrado centgrado por encima de 25 C. Figura 2.9.1 Dependencia de la corriente producida en funcin del voltaje para diferentes temperaturas de operacin (radiacin constante 1,000W/m2). 12 2.10.Tipos de Sistemas Fotovoltaicos 2.10.1.Sistema FV autnomo Los sistemas autnomos son los que estn conectados a bateras que permiten el suministroelctricoenperiodosdepocoonuloaprovechamientodelaradiacin solar.Estosasuvez,puedendiferenciarseporelconsumoalqueestn conectados: as pueden haber sistemas autnomos con elementos de consumo en corriente alterna o elementos de consumo de corriente continua , como se muestra en la figura 2.10.1. 33 Figura 2.10.1 Sistema Autnomo. 13 2.10.2. Sistemas FV interconectado Sonsistemasquenecesitandeconexinconlaredelctricaconvencional.Son los sistemas en los que la energa generada por el campofotovoltaico se entrega directamente a la red general de distribucin como se muestra en la figura 2.10.2. Lasinstalacionesconectadasalarednoposeenbaterasnireguladores, componindosenicamentedelosmdulosfotovoltaicosydelinversor.Los mdulosfotovoltaicossonlosmismosqueparalasinstalacionesaisladasdela red,sinembargo,losinversoresdebendisponerdeunsistemademedidadela energa consumida y entregada, ser capaz de interrumpir o reanudar el suministro enfuncindelestadodecampodepanelesyadaptarlacorrientealterna producida en el inversor a la fase de la energa de la red. 34 Figura 2.10.2 Sistema conectado a la red elctrica pblica.14 2.11. Inversor Elinversoresunconvertidorelectroestticoquepormediodelusode componenteselectrnicosdepotenciaconviertenlacorrientedirectaencorriente alterna. Estos inversores generan variedad de ondas en su salida, dependiendo de losofisticadoqueseaelequipo.Elpropsitofundamentaldelinversordeun sistemaFVescambiarlacorrientedirectadelosmdulosfotovoltaicos(cuando estconectadaconlaredelctricapblica)ylasbateras(enlossistemas autnomosoacopladosalaredelctricapblicaconrespaldodebateras)a corrientealterna,yfinalmenteparaalimentarlascargasdecorrientealterna.Los inversorestambinpuedenalimentaralaredconelectricidad.Losinversores diseados para acoplarse con la red elctrica son llamados inversores conectados alalneaoinversoresconectadosalservicioelctricocomosemuestraenla figura 2.11. TABLERO 35 Figura 2.11. Inversor marca Fronius. 15 2.11.1. Tipos de Inversores Existen tres categoras de inversores:-Inversorconectadoalared:Losinversoresconectadosalareddeservicio pblico,usalaenergadelserviciocomounabateradealmacenaje.Cuandoel sol est brillando, la electricidad es abastecida del arreglo fotovoltaico a travs del inversor.SielarregloFVestproduciendomsenergadelaqueseest utilizando,elexcesoseconducehacialaredelctricapblica.Siseutilizams energadelaquepuededarelsistemaFV,laredelctricaleproporcionarala diferencia.Tambin,enlanocheoduranteundanublado,todalaenergaes suministrada por la red elctrica pblica. -Inversor autnomo: Un inversor autnomo necesita ser verstilpara cuantificar de manera continua el ritmo de demanda, la entrada del generador, las cargas de bateras y las cargas de sobrecorriente. -Inversorconectadoalaredconrespaldodebateras:Eltipodeinversores conrespaldodebaterassonmscomplejosquelosinversoresinterconectados sinbateras,porquenecesitanvenderlaenergaalaredelctricapblica, suministrar energa a las cargas de respaldo durante unla interrupcin imprevista delaenergaelctrica(incluyendosubidasbruscasdelatensinelctrica)y 36 cargarlasbaterasdesdelaredelctricapblicadespusdeuncorteelctrico. Estosinversoresdebentenercaractersticassimilarestantoparauninversor interconectadosinbaterascuandobrindaenergaalaredelctricacomoaun inversor independiente cuando est alimentando las cargas de respaldo durante la interrupcin imprevista de la energa elctrica pblica. 2.12.Tipos de montaje de paneles Fotovoltaicos Para montar los mdulos se deben considerar muchos factores para seleccionar el sitio apropiado. La ubicacin de los paneles debe ser orientada al sol y estar libre deobstculosquenoarrojensombraatravsdelastrayectoriasdiariasy estacionalesdelsol.Elsitiodebeestarenlacercanadelcentrode acondicionamiento para minimizar las prdidas en las lneas. Una vez que se haya determinadoellugardondeserpuesto,sepuededeterminareltipodesistema demontajequemejorseadecuealsitioytambindeacuerdoalademandadel sistema. -Montajeentierra:Laestructuradeapoyodelarreglomontadoentierrausaun marco atornillado directamente a bases preparadas. A este marco se le atornillan soportestransversalesparaincrementarelapoyoestructurallateralyprevenir daosporelviento.Loscimientosdebenresistirlosefectosdelelevadory cortante (movimiento lateral) del viento, como se muestra en la figura 2.12. Figura 2.12 Montaje en tierra16-Montajedirecto:Enestesistemalosmdulosfotovoltaicosestnmontados directamente sobre los materiales convencionales que cubren el tejado y eliminan 37 lanecesidaddeunaestructuradesoporteyrielesdemontaje.Losmdulosno debenperturbarlaintegridaddelaimpermeabilizacindelacubiertadeltechoy debe quedar bien sellado utilizando el selladoradecuado, como se muestra en la figura 2.12.1 Figura 2.12.1. Montaje directo. 17 -Montajeporseparado:Lossistemasdemontajeporseparadositanalos mdulosparalelosaltechoconunaseparacinentrelasdossuperficiespara permitirunflujodeaireadecuadoentrelosmdulos.Losmdulossesitanen carrilesacanaladosalosquesonfijadoscongrapasqueagarranelmarcode aluminio. Estos rieles se fijan al techo con patas de montaje, como se muestra en la figura 2.12.2. Figura 2.12.2. Montaje por separado. 18 38 -Montajeconseguimiento:Elmontajede losarreglosfotovoltaicosquesiguen alsoldurantesutrayectoriadiurnaporelcieloconstituyeunaalternativa econmicaparaalgunasinstalaciones.Lasunidadesdeseguimientopasivasno tienenmotores,controlesoengranajesyusanelcambiodepesodeun refrigerantedentrodetubosselladosparaseguiralsol.Laluzsolaractivaal refrigerante y el marco en su conjunto se mueve por gravedad o accionado por un pistn. Pueden ser ajustados estacionalmente paraoptimizar el ngulo de altitud. Losseguidoresactivosusanmotoresalimentadosporpequeossistemas fotovoltaicosintegradosalsistemaparamoverelarreglo.Losseguidoressolares que siguen el azimut solar pero no su altitud reciben el nombre de seguidores de un solo eje o de simple eje. En general, las unidades de seguimiento incrementan elrendimientoanualdeunsistemaentre25%y30%,peropuedenincrementar significativamente el costo del sistema, como se muestra en la figura 2.12.3. Figura 2.12.3.Montaje con seguimiento. 19 2.13.Mantenimiento Elmantenimientodelsistemafotovoltaicoesmuybajocomparadoconotros sistemas energticos. Si el sistema est en un entorno cuyo clima es polvoriento y con poca lluvia, el arreglo debe ser limpiado peridicamente. El mantenimiento de lospanelesfotovoltaicosesmnimo,notienepartesmvilessometidasa desgaste,norequierecambiodepiezas(salvoquerompanporalguna circunstancianoprevista)olubricacin.Setienequetenerencuentapara 39 asegurarqueningnobstculohagasombrasobrelospanelesymantenerlos limpios donde la lluvia se encarga de realizar la limpieza de los mismos. Los principales puntos a revisar: -Inspeccin visual de residuos -Limpieza de paneles -Inspeccin del cableado de los paneles -Control de caractersticas del panel fotovoltaico -Inspeccin de la estructura metlica -Efecto sombra Estos pasos de mantenimiento se deben realizar al menos una vez al ao. -MantenimientoPreventivo:comoprincipalobjetivotieneelprevenirel funcionamiento ineficiente de un sistema -MantenimientoCorrectivo:enestemantenimientoesfundamentaleltiempode respuesta, teniendo en cuenta que el tiempo perdido en la reparacin repercute en la produccin del sistema fotovoltaico. La pronta deteccin de la falla, es un punto fundamentalenelmantenimientocorrectivo.Despusdedetectarlafallael siguiente paso es solucionarlo y si se requiere hacer un anlisis. -MantenimientoPredictivo:lospasosarealizarescontrolarlasoperacionesde arranqueyparodelossistemas,inversores,lavigilanciaysupervisindela adecuadaoperacindeproduccin,elanlisisdelasseales,alarmasy parmetros del sistema fotovoltaico. 40 3.METODOLOGIA 3.1.Diseo del sistema fotovoltaico El sistema Fv se dise en funcin de la potencia requerida por las luminarias en elLaboratoriodeAutomatizacindelaUniversidadAutnomadeQuertaro,con locualsepretendeelaprovechamientoptimodelaenergaproducidaporel sistema FV. Como aspecto principal hay que tener en cuenta la disposicin de los paneles fotovoltaicos con respecto al sol,por lo que se pretendiinstalarlo en un lugar donde se aprovechara la mayor cantidad de radiacin solar. Para el lugar de instalacinsetuvoencuentalossiguientesfactoresbsicos:elespacio,la orientacin, la inclinacin y las posibles sombras. Para la instalacin del sistema Fotovoltaico se eligi la Direccin (edificio A) de la Facultad de Ingeniera, aprovechando as el espacio del techo de este edifico, por encontrarselibredesombrasyporsufcilaccesoalsistema,comoparasu mantenimiento. 3.1.1.Caractersticas especficas de la carga del Laboratorio de Automatizacin ElLaboratoriodeAutomatizacinselocalizaenlaFacultaddeIngenieradela Universidad Autnoma de Quertaro. El Laboratorio de Automatizacin cuenta con una superficie de 576 m2 en el cual se subdivide en cuatro laboratorios (L1, L2, L3 y L4), cinco cubculos (1, 2, 3, 4 y proyectos), tres pasillos, un almacn, y un rea libre que funciona como laboratorio como se muestra en la figura 3.1.1.Las caractersticas de su sistema del alumbrado y consumo energtico se explican ms a detalle en los siguientes apartados. 41 Figura 3.1.1. Distribucin de las reasdel Laboratorio de Automatizacin20 [2]. El Laboratorio presta servicio de las 7:00 a las 22:00hrs por lo que existen reas quesemantieneniluminadasduranteelhorarioantesdescritoyotrasporperiodosdemenostiempo.Cuentaconuntotalde128lmparasinstaladas (Figura 3.1.1.1). Cada lmpara tiene un consumo de 56 W. Figura 3.1.1.1 Distribucin inicial de lmparas en el Laboratorio de Automatizacin. 21 Posteriormenteserealizunestudiodeiluminacinsegnlanorma(NOM025-STPS-2008),ycomoresultadoseobtuvounexcesodeiluminacinenalgunas reasdelLaboratorio,porloquesepropusounnuevosistemadeluminarias, 42 reduciendo a un total de 75 lmparas (Figura 3.1.1.2), 53 lmparas menos que el sistema original [2]. Figura 3.1.1.2 Nueva Distribucin de Laboratorio de Automatizacin. 22 Unodelosdatosmscrticoseslapotenciaquelascargasaconectarse requieren del sistema. Junto a este dato, es necesario especificarel tiempo diario deusodelacargarespectiva.Almultiplicarelnmerodehorasporlapotencia utilizada, se obtiene la energa necesaria para alimentar las luminarias, expresada enkiloWatt-horadiarios(kW/h).Tomandocomoreferenciaelnuevosistemade iluminacin que se propuso e implement, en la tabla 3.1.1 se muestra el consumo de cada rea y el consumo total en kW/h del Laboratorio. Tabla 3.1.1. Consumo total del sistema de iluminacin del Laboratorio.1 reaNmero de lmparas Consumo (kW)Horas encendido Consumo (kW/h) L612672138.736 L58448135.824 L3739262.352 L43168132.184 L110560137.28 Cubculo 4211280.896 Cubculo 3316881.344 Cubculo 1211280.896 43 Proyectos211260.672 Almacn10560158.4 Pasillo105602413.44 rea Libre4224153.36 Cubculo 2211291.008 Total75420056.392 3.1.2.Clculo del arreglo de paneles Fotovoltaicos Medianteelestudiopreviorealizadoytomandoencuentaelnuevosistemade luminariaspropuesto,sediseaunsistemaFotovoltaicointerconectadoalared elctrica pblica, con el cual se alimentar un 28.2% de la energa consumida por el sistema de alumbrado del Laboratorio [2].El sistema se compone de un arreglo de 15 paneles FV conectados en serie. Los panelesqueseutilizaronparalainstalacinsonpanelesfotovoltaicos policristalinosmarcaERDM200SP/6conpotenciamximacadaunode200W, voltajenominalde25.98ycorrientenominalde8.26A,enelApndiceAse muestran la hoja de datos del panel FV. Enlatabla3.1.2semuestraenresumenlosdatostcnicosdelsistema fotovoltaico instalado. Tabla 3.1.2. Descripcin del sistema fotovoltaico. 23 DescripcinCantidad Nmero de panales:15 Potencia de cada panel (W):200 Voltaje nominal de cada panel (VDC):24Corriente nominal de cada panel (A):8.26 Potencia Instalada (W):3000 Horas solares pico en Quertaro (h):5.9 Consumo de energa del Laboratorio kW/h56.392 44 La Figura 3.1.2 muestra el diagrama unifilar del sistema FV. El beneficio de ser un sistema FV interconectado a la red es que no se necesita un controlador de carga nibaterasparaalmacenarlaenerga,ascomotambinsinoseproducela suficienteenergaporelsistemaFV,setieneelrespaldodelsistemaelctrico convencional.La desventaja de un sistema Fotovoltaico interconectado a la red es que en caso dequeelsuministrodeenergaelctricaporpartedelacompaageneradora falle, el sistema FV no podr alimentar las cargas del laboratorio. Figura 3.1.2. Diagrama unifilar del sistema fotovoltaico.24 45 3.1.3.Clculo del ngulo de inclinacin de los paneles Paradeterminarelngulodeinclinacinalcualdebenestarlospaneles fotovoltaicos,seutilizaelvalordelalatituddellugargeogrficodelaciudadde Quertaro donde se instalar el sistema, ya que es el ngulo de inclinacin para la mxima generacin elctrica anualizada y durante la primavera y el otoo. LaCiudaddeQuertarodondeseencuentraelLaboratoriodeAutomatizacin tienecomocoordenadasgeogrficaslatitud 20.61yLongitud-100.407[13].En la tabla 3.1.3 se muestran las caractersticas generales y ubicacin geogrficade la ciudad de Quertaro. Tabla 3.1.3. Caractersticas generales y ubicacin geogrfica Quertaro 25 [13]. UnidadClima Local LatitudN20.61 LongitudE-100.407 Elevacinm2094 Temperatura promedio de la TierraC16.29 Para el caso del sistema FV del Laboratorio de Automatizacin interconectado a la red, los mdulos fotovoltaicos estn propuestos a una inclinacin fija a lo largo de todo el ao, como es este caso, el criterio a seguir para obteneruna optimizacin del sistema consiste en dar un grado de inclinacin tal que permita recibir la mayor cantidad de energa en el todo el ao. Deacuerdoalatabla3.1.3.1deradiacinsolarincidentesobresuperficies inclinadasorientadasalsurparalaCiudaddeQuertaro,sepromediaron,yla inclinacinquepermiterecibirmayorcantidaddeenergaeslade21(Figura 3.1.3)sobrelahorizontal,yaqueeslaptimaparalapocademayorradiacin solar del ao, adems es igual a la latitud. 46 Tabla 3.1.3.1. Radiacin solar incidente en Quertaro y ngulo de inclinacin promedio26[13]. Latitud 20.61EneFebMarAbrMayJunJulAgosSepOctNovDicAnual Longitud -100.4 Promedio Horas solar pico 4.85.96.87.06.86.46.16.15.55.35.14.65.9 Difusa1.11.11.31.72.12.22.32.12.01.61.11.01.6 Directa7.07.98.47.76.85.95.55.65.36.17.26.86.7 Inclinacin 0 4.85.86.76.96.86.36.15.95.45.25.14.45.8 Inclinacin 5 5.26.16.97.06.76.46.25.95.55.45.44.86.0 Inclinacin 20 6.06.87.26.86.36.36.15.75.65.86.25.66.2 Inclinacin 35 6.57.17.16.45.56.05.75.35.35.96.66.06.1 Inclinacin 90 5.24.83.72.31.82.62.41.92.63.75.14.83.4 ptimo6.67.17.27.06.86.46.25.95.65.96.76.26.5 ptimo ANG 48.038.024.08.00.010.08.02.016.032.045.048.021.1 Figura 3.1.3. Inclinacin de los Paneles FV para el Laboratorio de Automatizacin. 27 47 3.1.4.Orientacin LaciudaddeQuertaroselocalizaen elhemisferioNorteporlotantoelsistema FotovoltaicoseorientahaciaelSurgeogrfico,caberecordarqueelsur geogrficonoeselmismoqueelsurmagntico,elcualesmarcadoporuna brjula. (Figura 3.1.4). Para la orientacin se requiri una brjula la cual se coloc sobreunasuperficieplanadeltechodelaDireccindelaFacultaddeIngeniera (Edificio A), para posteriormente fijar las estructuras con los paneles Fotovoltaicos segndeacuerdoalaorientacinsealada.Despusse fijaronlasestructurasal techo con la orientacin que marco la brjula hacia el sur. Figura 3.1.4. Brjula: sur geogrfico. 28 3.1.5.Clculo de las dimensiones del de la estructura de los paneles FV UnodeloselementosmsimportantesentodainstalacinFotovoltaicapara aseguraruncompletoaprovechamientodelaradiacinsolareslaestructurade soporte.Lasdimensionesdelaestructuradelospanelesencuantoalturae inclinacinsecalcularontomandoencuentalosgradosdelalatitud(21),los cualesindicanelngulodeinclinacinquedebetenerlaestructura,ascomo tambin las dimensiones que tienen los paneles fotovoltaicos como se muestra en la tabla 3.1.5 (Apndice A). El clculo se hizo con teorema de Pitgorastomando las dimensiones del panel FV. 48 Tabla 3.1.5. Dimensiones del panel fotovoltaico ERDM 200S7P/629 Caractersticas del panel Especificacin Largo1481mm Ancho991mm Alto50 mm Clculo de A (Altura) ()()Clculo de B (Largo) ()( ) EnlaFigura3.1.5semuestraeldiseodelbastidordealuminiodelaestructura para el sistema. Figura 3.1.5. Estructura de aluminio30 La estructura para el montaje de los paneles, se hizo con perfil de aluminio de 3 x 1.5yperfildex1.Cadaestructurasehizoparacuatropaneles,ycomoel sistema se conforma por 15 paneles, por lo tanto se hicieron cuatro estructuras. 49 3.1.6.Especificacin del inversor El inversor utilizado de acuerdo a los requerimientos del diseo del sistema FV, es uninversorparainstalacinfotovoltaicaacopladoalared,marcaFroniusIG 3000-LV.Elcualtieneparaunamximapotenciainstaladade3000Wp(Watts pico)yunatensinmximade500VDC(Voltajedecorrientedirecta)(Figura 3.1.6). Figura 3.1.6. Inversor Fronius IG 3000-LV31 LosdatostcnicosgeneralesdelinversorFroniusIG300semuestranenel Apndice B.El inversor se instal cerca del sistema de paneles fotovoltaicos para disminuirlascadas detensinenDCpor elcableado, porloqueelinversorse coloc en una caja que tambin es ecolgica hecha de PET reciclado que lodel sol y de la lluvia y que cuenta con un vidrio en la ventana para poder visualizar los datos que marca el inversor, como se muestra en la figura 3.1.6.1 Figura 3.1.6.1. Instalacin de inversor32 50 En el inversor se puede ver los siguientes datos del men a travs de la pantalla LCD, como se muestra en la tabla 3.1.6 Tabla 3.1.6.Men de parmetros eninversor33 Estas pantallas son los principales pero se pueden ver ms detalles en el men especfico del inversor. [14] 51 3.1.7.Dimensionamiento de los conductores ElclculoparaeltamaodelcableadosebasadeacuerdoalaNormaOficial Mexicana NOM-001-SEDE-2012, la cual exige que la corriente de cortocircuito del mdulo, se multiplique por el 125% y el resultado otra vez por 125%, que conlleva aunfactordemultiplicacindecorrientedecortocircuitode156%,estoconla finalidad de que el conductor nunca lleve ms del 80% de su capacidad nominal. Enlatabla3.1.7semuestranlosdatostcnicosdelospanelesfotovoltaicos,en loscualessebasanelclculoutilizadoseldimensionamientodelcableadopara este sistema. (Ms detalle vase apndice A) Tabla 3.1.7. Datos tcnicos del panel Fotovoltaico ERDM SP/6 del sistema. 34 CaractersticasERDM 200SP/6 Voltaje de Circuito Abierto (Voc)32.99 V Voltaje de Operacin ptimo (Vmp)25.98 V Corriente de Cortocircuito (Isc)8.26 A Corriente de Operacin optima(Imp)7.75 A Potencia Mxima en STC (Pmax)200 W Temperatura de operacin (C)-40 a 90 Tolerancia de Potencia+/- 3% La conexin de los paneles Fotovoltaicos es en serie, por lo que la corriente de DC eslamisma,lacualesde8.26A.ConformealaNormamultiplicamosporlos factores(1.25)(1.25)paratenerencuentalacorrientepotencialenexceso producida por el arreglo fotovoltaico en condiciones de alta insolacin . ( )()() Y el voltaje total es el voltaje de operacin por la cantidad total de paneles (15 paneles). ( )( )52 Conreferenciaalatabla310-15(b)(16)(NOM-001-SEDE-2012)(ApndiceC) paraelcableadodeDCtomandolacorrientetotaldelsistema,delasterminales del arreglo de los paneles a la entrada del inversor se instala un cable calibre #10 AWGtipoTHHWqueesresistentealcalorytermoplsticoretardartedelfuego, con aislamiento de 90 C. Paraelcableado de AClamximacorrientedesalidadelinversoresde10.4A. TomandoestedatoyconformealaNormamultiplicamosporelfactor1.56para tener en cuenta la corriente potencial en exceso. Se sobre dimension el cable ya queenelsistemalacadadetensindebesermenoral2%enlongitudesmuy grandes. ( )() Se utilizar el calibre #10 THHW, que resistente al calor y termoplstico retardarte del fuego, con aislamiento de 90 C. Paralaeleccindeloscoloresdelcableadosehizodeacuerdoalcdigode colores de la Norma. (Artculo 250.119.NOM-001-2012) Tabla 3.7.1.1 Tabla 3.7.1.1. Cdigo de colores del cableado35 Cdigo de colorEspecificacin RojoFases L1 y L2 BlancoNeutro Verde/DescubiertoTierra Enlafigura3.1.7semuestranlosconductoresconectadosalinversor,tantode corriente AC as como de DC de los paneles FV al inversor, as como de inversor a la carga. 53 Figura 3.1.7. Cableado del inversor. 36 3.1.8.Clculo de las protecciones-interruptor Elprincipalobjetivodelinterruptortermomagnticoesprotegerelalambradode sobrecargas y la potencial provocacin de un incendio. Para su dimensionamiento el interruptor debe ser menor o igual a la capacidad de corriente del cable usado, siemprequepermitaelpasodelacorrientetotaldelafuentedeenergaoel consumo de las cargas, con los factores de seguridad incluidos. El inversor incluye losinterruptorestantoparacorrienteACyDC.ComosemuestraenlaFigura 3.1.8, lo cual ayuda a tener un mejor manejo de apago y encendido del sistema.

Figura 3.1.8. Interruptores de DC y AC37 Fase L2 DC+ DC- Tierra AC Fase L1 Neutro Interruptor DC Fusible Interruptor AC Tierra DC 54 Para clculo de la dimensionamiento del interruptor de AC que se coloc cerca del tablero de cargas, se toma como referencia la corriente nominal AC de salida del inversorqueesde10.4A,conformealaNorma(NOM-001-2012)multiplicamos por el factor 1.56 para tener en cuenta la corriente potencial en exceso. ( )() En la figura 3.1.8.1 se muestra la instalacin del interruptor cerca del tablero de cargas para un mejor acceso. Figura 3.1.8.1. Interruptores de AC38 55 3.2.Instalacin del sistema fotovoltaico Enlainstalacinserealizcomoprimerpasolaorientacinporloqueseutiliz unabrjula,lacualsecolocsobreeltechoenunasuperficieplanaparauna orientacin correcta de las estructuras hacia el sur. Elarreglodelos15panelesFotovoltaicosenseriesefijenlaestructurade aluminio(Figura3.2).Parasufijacinseutilizarontornillosdeysepusieron cuatroencadapanel,cadaunoencadaunoencadaesquinadelpanel, sujetndose a la estructura. Se colocaron 4 paneles en cada estructura, por lo que fue un total de cuatro estructuras. Figura 3.2. Montaje de sistema Fotovoltaico. 39 El inversor se instal junto al sistema fotovoltaico para disminuir todas las prdidas por la distancia que hay del sistema FV al sistema de iluminacin (Figura 3.2.1). 56 As mismo se aterrizaron todas las estructuras de aluminio y el inversor Figura 3.2.1. Sistema Fotovoltaico. 40 Lacanalizacindelsistemaelctricodesdeelsistemafotovoltaicohastael sistemadeiluminacindelLaboratoriosehizoatrevesdetuberaconduit galvanizadode1pulgada,paraprotegerelcableadodelaexposicindelmedio ambiente. Se fij al piso con abrazaderas para su adecuado funcionamiento como se muestra en la figura 3.2.2. Figura 3.2.2. Canalizacin del cableado. 41 EnelinteriordelLaboratorioelcableadosehizoatravsdemangueraconduit naranja flexible, para su mayor facilidad de movimiento. 57 4.RESULTADOS OBTENIDOS 4.1. Energa Producida por el sistema Fotovoltaico LamayorparteenergaproducidaporelsistemaFVestenfuncindela radiacin y depende de la potencia y del rendimiento de la misma. TodoslossistemasFotovoltaicostienenprdidasenergticasoriginadaspor distintosfactores.stostienenqueverenladisminucindelaenergasolar incidente con respecto a la real generada por el sistema FV e inyectada al sistema elctrico. LaenergaquesegenerarporestesistemaFotovoltaicodurantelavidatilde los paneles, que es de 25 aos, que son los aos de rendimiento del sistema. La energa que se generar se calcula tomando como referencia los datos de la tabla 4.1

0.88 =Factor de reduccin de capacidad normal, considera otras prdidas del sistema (Incluyendo tolerancia de produccin el mdulo, acoplamiento deficiente entre los mdulos, prdidas en el cableado o alambrado, prdidas por polvo, manchas, etc.) [15] Tabla 4.1. Datos generales del sistema FV42 Datos del sistema FV Nmero de panales:15 Potencia mxima de cada panel (W):200 Horas solares pico en Quertaro (h):5.9 Sustituimos los datos en la ecuaciny obtenemos:

58 Laenergatotalgeneradadurantelosaosdevidatildelsistemaesde142, 131kW/h.Enlatabla4.1.1seresumelaenergaproducidaanual,mensualydiariaque producir el sistema FV. Tabla 4.1.1 Energa generada por el sistema FV43 SeutilizelprogramaPVSYST[16]parahacerunasimulacin,dondese ingresaron los datos de los paneles fotovoltaicos y del inversor, as como los de la ciudad de Quertaro. Como resultado de la simulacin en el programa se muestra la comparacin entre la radiacin de la ciudad de Quertaro (Global horizontal 5.9 kWh/m2.d) y la radiacin optimizada con la inclinacin de la latitud (Global on tilted plane 6.1 kWh/m2.da) de las cuales se puede observar en que meses del ao es ms elevada la energa producida por el sistema FV, como se muestra en la figura 4.1. Figura 4.1. Energa producida deacuerdo a inclinacin del sistema. 44 Energa generadaAnual 5685.24 kW/h Mensual473.77 kW/h Diaria15.79 kW/h 59 La siguiente simulacin tambin se hizo en el programa y se obtuvo la produccin deenerga(kWh/da) decadamesdurante unaocomose muestraenla figura 4.1.1. Figura 4.1.1. Energa (kWh/da) de cada mes durante un ao45 Latabla4.1.1resumelosresultadosobtenidosporlasimulacinenprograma PVSYST, donde nos muestra Gl. horiz. que es cuando el sistema est puesto con lainclinacindelaaltituddellugar,mientrasqueColl.Plane,muestralosdatos comosisetuvieraunseguidorsolarparasiempreobtenerlamejorcapturade radiacin en el sistema. En este caso el sistema esta con estructuras fijas pero se puedeobservarunadiferenciapequeaenlaenergatotal,ascomolas diferenciasdeproduccindurantetodoelao,resumiendoencualesmesesse producira ms o se reducira la generacin de electricidad. Tabla 4.1.1. Comparacin de energa producida a diferente inclinacin46. 60 Losresultados obtenidoscon elsistemaPVSYSTes unaproximadodeloqueel sistema FV generar y puede variar deacuerdo diversos factores tales como clima, mantenimiento, desgaste, etc. 4.2.Estudio econmico del Sistema Fotovoltaico 4.2.1. Costo del Sistema Fotovoltaico Un sistema fotovoltaico se demuestra rentable a partir del hecho de que la energa del sol es gratuita. El nico costo es: la inversin inicial y el mantenimiento.. Pararealizarelestudioeconmico,setomaencuentaelcostototaldelmaterial utilizado en el sistema FV (Tabla 4.2.1). Tabla 4.2.1 Costo total del Sistema FV47 EquipoCantidadPrecio unitario M.N. Total M.N. Mdulo FV de 200W154,682.7570,241.23 Inversor Fronius IG3000125,183.3425,183.34 Estructuras de Aluminio44001,600 Cableado y material auxiliar -5,0005,000 Total102,024.57 De este modo el costo total aproximado del sistema fotovoltaico es de ciento dos mil veinticuatro punto cincuentaisiete pesos M.N 61 4.2.2. Costo de energa elctrica con el sistema fotovoltaico implementado El tipo de tarifa que se tiene es HM deacuerdo al recibo de CFE de la Facultad de Ingeniera de la UAQ (Tabla 4.2.1), para el clculo se tom la tarifa de energa en punta que es de $1.9588. Se calcul el costo que se tiene diario de pago de electricidad sin sistema FV y se obtuvo lo siguiente. Datos: -Energa consumida por el sistema de iluminacin: 56.39 kW/h Tabla 4.2.2. Tarifa HM(CFE) 48[17] Tarifa HMCosto Energa en base (kW/h)$0.9780 Energa en intermedia (kW/h)$1.1753 Energa en punta (kW/h) $1.9588 Costo de pago de electricidad del sistema de iluminacin por da ()() Ahora se calcul el costo que se tiene con el sistema FV implementado. Datos: -Energa consumida por el sistema de iluminacin: 56.39 kW/h -Energa producida diaria por el sistema FV: 15.79 kW/h ()() En la tabla 4.2.2.1 se muestra los resultados en resumen del ahorro que se gener en los costos de pago en electricidad. 62 Tabla 4.2.2.1 Ahorro de pago de energa elctrica con sistema FV49 Luminarias sin sistema FVLuminarias con sistema FV DescripcinCostoDescripcinCosto Costo diario del sistemade iluminacin sin Sistema Fotovoltaico $116.33Costo diario del sistemade iluminacin con sistema Fotovoltaico $85.40 Costo Bimestral$6,979.8Costo Bimestral$5,124 Anual$41,878.8Anual$30,744 El ahorro que se obtendr anualmente es de: ()4.2.3. Retorno de la inversin El siguiente estudio de viabilidad se extiende solo a los 25 aos de vida pues son los aos en los que el rendimiento de los mdulos solares es mayor y porqueun perodo de estudio superior provocara una mayor incertidumbre. Hay que tomar en cuenta que los primeros aos son el tiempo de la recuperacin de la inversin del sistema. A continuacin se muestra el resultado del primer ao encostodelsistema,semuestraennegativoyaqueeslarecuperacindelo invertido. Datos: -Costo del sistema FV: $102,024.57 -Ahorro anual con sistema FV: $11,134.8 ( ) Enlatabla4.2.3semuestralasprdidasdelosprimerosaosderetornodela inversinascomolasgananciasdespusdehaberrecuperadoloinvertido durante los 25 aos de la vida til del sistema. 63 Tabla 4.2.3 Retorno de inversin50 AoInversin/Ganancia ($) 1-90,889.77 2-79,754.97 3-68,620.17 4-57,485.37 5-46,350.57 6-35,215.77 7-24,080.97 8-12,946.17 9-1,811.37 109,323.43 1120,458.23 1231,593.03 1342,727.83 1453,862.63 1564,997.43 1676,132.23 1787,267.03 1898,401.83 19109,536.63 20120,671.43 21131,806.23 22142,941.03 23154,075.83 24165,210.63 25176,345.43 Deacuerdoalafigura4.2.3tomandoencuentalainversininicialyelahorro generadoporelsistema fotovoltaico,se proyectaque elperiodo deretornodela inversinseren9aosporloqueelrestantedevidadelospanelesserde ganancia. 64 Figura 4.2.3.Periodo de retorno de la inversin51 Porloqueapartirdelnovenoaosonaosdegananciaparaelsistema. Tomando de la tabla 4.2.3 la ganancia total del sistema es de $ 176,345.43. En la figura 4.2.3.1 se grafica la ganancia total del sistema a partir del noveno ao. Figura 4.2.3.1 Grafica ganancia del sistema. 52 -150000-100000-500000500001000001500002000001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25-150000-100000-500000500001000001500002000002500001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25Aos Aos de ganancia Recuperacin de la inversinAhorro 9 aos Inversin Ganancia $ 65 5.CONCLUSIONES Enelpresentetrabajoserealizlametodologaeimplantacindeunsistema fotovoltaico, para uso en luminarias del Laboratorio de Automatizacin de la FI. El Sistema FV cumple con una generacin de energa elctrica limpia, elmximo aprovechamientodelaradiacinsolarascomounahorroeconmico considerable durante un periodo de tiempo. Paralarealizacindelosclculosdelsistemasebasenunestudiopreviode iluminacin del Laboratorio de Automatizacin, el cual tiene un consumo de 56.39 kW/h.ascomotambinconsiderandolosdatosgeogrficosdelaciudadde Quertaroparalaorientacineinclinacindelasestructurasdelospaneles fotovoltaicos. Partiendo de estos datos se dise e instal el sistema Fotovoltaico interconectadoalaredelctricapblica,conunequivalenteaunconsumode 28.2%porpartedelasluminariasdellaboratorio;estesistemasemuestraenla figura 3.1.2, el cual se compone de 15 paneles y un inversor, con una capacidad instalada de 3 kW. Los clculos para el cableado y las protecciones se calcularon tomando en cuenta losdatos tcnicos delospanelesfotovoltaicosascomo delinversor,basndose en la norma NOM-001-SEDE-2012.El costo total del sistema fotovoltaico fue de $102,024.57 MN., del cual, el retorno deinversinseproyectaen9aos,porloqueelrestodeltiempodevidadel sistemaesganancia.Segenerarunahorrode$176,345.43.MN.despusdel retorno de la inversin Elsistemaconelmantenimientocorrectomantendrunbuenresultadoenla produccindeenerga.Cabemencionarquelaimportanciaquetienela implementacindeesteproyectoesquesereducirelconsumodeenerga elctrica producida por restos fsiles que contaminan, y se utilizar energa limpia y renovable del sol. 66 6.Bibliografa [1] Lozano Wendy (2013, Mayo). Energas Renovables, ProMxico, extrado el 15 de Julio de 2013 desde http://mim.promexico.gob.mx/work/sites, Mxico. [2]AguirreHumbertoetal.,(2011,junio),AhorrodeEnergaBasadoenelEstudiode Iluminacin de un Laboratorio Escolar, Universidad Autnoma de Quertaro. 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69 APNDICE B Datos tcnicos generales del Inversor Fronius IG 3000 70 APNDICE C Tabla 310-15(b) (16) Capacidad permisible en conductores Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-2012 71 APNDICE D Recibos de electricidad 72 APNDICE E Artculo expuesto en la VII Conferencia Internacional de Energa Renovable, Ahorro de energa y educacin Energtica. CIER 2011-La Habana, Cuba Ahorro de Energa Basado en el Estudio de Iluminacin de un Laboratorio Escolar. Martnez Robles, Julia Marcela (1); Aguirre Becerra, Humberto (1); Avendao Jurez, Jos Luis (1), Garca Romero, Roberto (1) (1) Universidad Autnoma de Quertaro, Mxico. luis.avendano@uaq.mx Resumen: EnMxico,laciudaddeQuertaroesprivilegiadaalrecibirunaradiacinsolarpromediode5.9 kWh/m2-daloquepermiteusarpanelesfotovoltaicosparalageneracindeenergaelctrica.El presentetrabajoseimplementenelLaboratoriodeAutomatizacindelaFacultaddeIngeniera delaUniversidad Autnoma de Quertaro, Mxico.El proyecto se enfoc en estudiarun sistema deiluminacinyaestablecidoyenbaseaestoproponerunsistemadepanelesfotovoltaicos.El primerobjetivofuecalcularelconsumototaldeenergaelctricaconsumidaporelsistemade iluminacindellaboratorio,despus;semidilaluminosidadenlasreasdelLaboratorioyse corrobor junto con la Norma vigente en Mxico que se tena un exceso de iluminacin en algunas reas;loanteriorprodujounareduccinenlasluminariasdelsistemadeiluminacin. Posteriormente;serepitielestudioparaverificarlosresultados.Finalmente;serealizaronlos clculosparaunsistemadepanelesfotovoltaicosinterconectadoalaredjuntoconlas adecuacionesalasinstalacioneselctricas,losresultadossecorroboraronenelprograma HOMER. Palabrasclave:Sistemasfotovoltaicos,sistemasinterconectadosalared,ahorrodeenerga, HOMER. Energy Saving Based on a Lighting Study of a School Laboratory Martnez Robles, Julia Marcela (1); Aguirre Becerra, Humberto (1); Avendao Jurez, Jos Luis (1), Garca Romero, Roberto (1) (1) Universidad Autnoma de Quertaro, Mxico. luis.avendano@uaq.mx Abstract: InMxico,QuertaroCityisprivilegedtoreceiveanaveragesolarradiationof5.9kWh/m2-day, allowingtheimplementationofaphotovoltaicelectricitygenerationsystem.Thisworkwas implementedintheAutomationLaboratorylocatedontheEngineeringFacultyoftheUniversidad AutnomadeQuertaro,Mxico.Theprojectfocusedonthestudyofthepre-existinglighting system; and based on this, a photovoltaic panel system will be proposed. The first objective was to calculate the total powerconsumption ofthelaboratory lighting system; then, the measurement of theareasluminosityoftheLaboratorywasmadeanditwascorroboratedwiththeMexicanNorm (NOM025-STPS-2008) that there was an excess of lighting in some areas, resulting in a reduction inthelightingsystem.Subsequently,thelightingstudywasrepeatedtoverifythenewresults. Finally, calculations were done for a grid-connected photovoltaic system along with the adjustments totheelectricalinstallation.TheresultswerecorroboratedinHOMER,aprogramuseforthe economical analysis and electrical design of photovoltaic system. 73 Keywords: Photovoltaic system, grid-connected PV array, energy saving, HOMER 1.INTRODUCCIN. Las fuentes convencionales de energa han creado incontables problemas ambientales tales como elcalentamientoglobal,lluviascidas,smog,contaminacindelagua,vertederosderesiduales, destruccindehbitatsyprdidaderecursosnaturales[4].Enlaactualidad,elusodeenergas alternativaspermiteladisminucindeloscontaminantesproducidosporlageneracinde electricidad.Lossistemasfotovoltaicosproducenelectricidaddirectamentedelaluzsolar, generandoenergalimpiayconfiablesinconsumircombustiblesfsilesysepuedenusarenuna ampliavariedaddeaplicaciones.Unejemplodeestatecnologasonlosarreglosomatricesde sistemas FV para abastecer a los consumidores con electricidad, o como sistema de respaldo para equipo crtico [4]. La capacidad instalada a nivel mundial de sistemas fotovoltaicosen el 2009 fue de 22 GW [3]. EnMxico,laempresaencargadadeproducirenergaelctricaeslaComisinFederalde Electricidad(CFE),lacualproduceun50.11%delamismamedianteelusodehidrocarburosy carbn[1].Unodelosmsgrandesproblemasalosqueseestenfrentandoelpasesla generacindeenerga,debidoaquelosrecursosnorenovablescomoelpetrleoseestn terminando,loqueenunfuturotraerproblemasparaelabastecimientodeelectricidadala poblacin;adems,esimportantemencionarquelafaltadeculturadelosciudadanoseneluso responsabledelaelectricidadtienecomoconsecuenciaeldesperdiciodeesterecursoyla necesidaddegenerarms.LosinvestigadoresenelmundoyMxicohanrealizadograndes esfuerzosparareducirelconsumodeenergaelctricayevitareldesperdiciodelamisma, medianteestudiosypropuestasdeahorro,comoporejemplo:En[5]sepresentaelestudiode calidadyahorrodeenergaelctricaenlasinstalacionesdelosedificiosBernardoQuintana, ValdezVallejoDIMEIy12delInstitutodeIngenieradelaUniversidadNacionalAutnomade Mxico(UNAM)yestablecelaimportanciadeimplementaruoperarprogramasredituablesde energacuyaestrategiacentralseaelahorroylaeficienciadelamisma,teniendoencuentala importancia de conocer el tipo y la cantidad de energa que se utiliza en cada uno de los procesos que conforman la operacin de una organizacin. En [6] se presenta un proyecto para el ahorro de electricidadenunsalndeclasesenelInstitutoPolitcnicoNacional(IPN,Mxico);elobjetivo fundamentaldeesteproyectofuelaimplementacindeunmtodoquegobierneelsistemade alumbradoyque proporcionelailuminacin adecuada al conforthumanoyque genereunahorro en el consumo de electricidad. As mismo, en [7], [11] y [12] se explica el trabajo de la Universidad AutnomaMetropolitanaIztapalapadelaCiudaddeMxicoconlacolaboracindelInstitutode InvestigacinElctrica(IIE)enlaconstruccinunLaboratoriodeEnergaFotovoltaicapara proveerse de 60 KW de electricidad. A nivel internacional, en [8] se habla sobre la implementacin deuno de los arreglos depaneles solares ms grandes en Estados Unidos en la Universidad del GolfodeFloridaqueincluyelapreparacindelterrenoycuyotiempodeinstalacinconstarde menosdeunao;elsistemaproducir2MWpordapreviendoenergaamsde2,500 estudiantes.Adems,laUninEuropeaplaneaenelSalvadorunimpactoeducativomuy importanteconlainclusindelatecnologaenlosprocesosdeenseanza-aprendizaje;el programa se llama Euro-Solar, mediante el cual donarn paneles solares a las escuelas, as como todo el equipo para transformar la energa solar en electricidad. En [9] se plantea un anlisis sobre la opcin de instalar un sistema de Energa Renovable por medio de paneles fotovoltaicos, para la alimentacindeenergaelctricaenlailuminacindelEdificioT-6,delaFacultaddeIngeniera, UniversidaddeSanCarlos,Guatemala,utilizandolamodalidaddeGeneradorDistribuidor Renovable. As mismo, en [10] se presenta la instalacin de una amplia red de paneles solares del campus Clayton de la Monash University de Australia, siendo el generador fotovoltaico ms grande en cualquier universidad de Australia generando alrededor de 100,000 kWh de electricidad al ao; el sistema cuenta con 416 paneles solares instalados en el techo del Centro de Campus. 74 Lamotivacindeestetrabajoespresentarunapropuestadeahorroenlaenergaelctricadel sistema de iluminacin en el Laboratorio de Automatizacin de la Facultad de Ingeniera(FI) de la Universidad Autnoma de Quertaro (UAQ), Mxico. La aportacin principal del trabajo radica en la realizacin de un estudio previo al sistema de iluminacin preestablecido con lo cual se verifica si existe un exceso o una deficiencia en el nmero de lmparas, dicho estudio es til para los casos enloscualeslossistemasdeiluminacinqueseencuentraninstaladosnosondeltima generacin;ysepretendeutilizarpanelesfotovoltaicosparaelahorrodeenergaelctricaenlos sistemas de iluminacin. El estudio puede ayudar para reducir los costos en la implementacin del sistema de paneles y esto se puede verificar a travs de un programa de simulacin, en este caso se us el HOMER para verificar los clculos del sistema propuesto.Eltrabadoestdividodelasiguienteforma:laseccindossedescribeelcasodeestudio,enla parte tres se presenta la metodologa utilizada, los resultadosy conclusiones son discutidos en la seccin cuatro y cinco respectivamente. 2.DESCRIPCIN DEL PROBLEMA. En Mxico, el municipio de Quertaro es privilegiado al recibir una radiacin solar promedio de 5.9 kWh/m2-daloquepermiteusarpanelesfotovoltaicosparalageneracindeenergaelctrica[2]. Uno de los principales problemas que presentan las escuelas en Mxico es el alto desperdicio que setienepormantenersiempreiluminadaslasreasquelascomponen,(salones,reas administrativas, laboratorios, etc.) sin importar si es un rea que tiene iluminacin natural o que no seencuentreenusodurantelargosperiodosdetiempo.Estetipodeproblemasprovocaquela demandadeenergaseaconstanteyqueenmuchasocasionesseamalaprovechada.Porotro lado, en muchas reas que se construyeron hace varias dcadas no se tom en cuenta el uso de laluznaturalparailuminarlasreasduranteeldayocuparlaenergaelctricaslodurantela noche. Lodescritoenelprrafoanteriorhaprovocadoqueenlasinstitucioneseducativasycentrosde investigacin involucrados con la aplicacin de energas alternativas busquen la manera de ahorrar electricidadmediantelaaplicacindeestas.Esporesto,quelosesfuerzosdealgunosdelos investigadoresdelaFIdelaUAQsehayancentradoenlaaplicacindeestasenergas,en particular la energa solar, para la generacin de electricidad y as reducir el gasto por el consumo de este servicio. ElcasodeestudioquesepresentaenestetrabajoeselLaboratoriodelacarrerade AutomatizacindelaFIdelaUAQ[1],quecuentaconunasuperficiede576m2yconla distribucin que se presenta en elelEsquema 1. El Laboratorio presta servicio de las 7:00 a las 22:00 h por lo que existen reas que todo el da se mantienen iluminadas y otras que slo por un periododetiemposemantienenencendidas.EnlaTablaNo.1,sepresentanlosvaloresque correspondenalconsumodeenergaporcadareadellaboratorio,seobservaqueelreaque ms demanda es el pasillo porque se mantiene prendido las 24 hrs. 75 Esquema1.Distribucindelasreasdel laboratorio bajo estudio. TablaNo.1.Consumodelasreasque componen al laboratorio. 3.METODOLOGA. 3.1.Estudio del sistema de iluminacin previo. Una vez identificadas las reas de estudio, se ubicaron las lmparas dentro del laboratorio como lo muestra el Esquema No. 2. Cada lmpara tiene un consumo de 56 W con un factor de potencia de 0.5 y con una alimentacin de 127 VAC [13]; el total de lmparas instaladas en el laboratorio era de 128. El factor de potencia medido de todo el laboratorio fue de 0.63. Posteriormente se eligieron los puntos estratgicos donde se hizo el estudio de iluminacin. Estos puntosfueronescogidosdeacuerdoalniveldeusoyconcurrenciaporpartedelosusuariosdel laboratorio,talcomosemuestraenelEsquema3.Lamedicinfuetomadaa2.45mdelas lmparas (en el suelo del laboratorio), lo que corresponde al mnimo de iluminacin. El instrumento utilizadoparalamedicinfueunluxmetromarcaSAMPOMETER,modeloLX1010BS,elcual tiene una resolucin de un 1 lux, una repetibilidad de 2.0% y un rango de 0 100 000 lux [14]. reaNmero de lmparasHoras encendido Consumo (KWh) L6161311.648 L5161311.648 L31464.704 L46134.368 L1201314.56 Cubculo 4481.792 Cubculo 3481.792 Cubculo 1381.344 Proyectos461.344 Almacn10158.4 Pasillo182424.192 rea Libre8156.72 Cubculo 2592.52 Total128 95.032 76 Esquema 2. Distribucin inicial de lmparas en el Laboratorio de Automatizacin Esquema 3. Puntos de medicin deiluminacin de las reas del Laboratorio de Automatizacin Se tomaron dos tipos de mediciones; la primera fue con todas las