2.2.3. Bases Teórico Científicas

2.2.3.1. Definición de términos en energía

A. Energías renovables

(Muñiz, 2010)

Las energías renovables son aquellas que se producen de manera

continua y son inagotables a escala humana. Además tiene ventaja

adicional de poder complementarse entre sí, favoreciendo la integración

entre ellas.

Son respetuosas con el medio ambiente, y aunque ocasionen efectos

negativos sobre el entorno, son mucho menores que los impactos

ambientales de las energía convencionales como combustibles fósiles

(petróleo, gas y carbón), energía nuclear, etc.

Con las energías renovables se pueden obtener las dos formas de

energía más utilizadas: calor y electricidad.

Ventajas

Son respetuosas con el medio ambiente.

No emiten gases contaminantes.

No generan residuos peligrosos.

Se pueden instalar en zonas rurales y aisladas.

Disminuyen la dependencia de suministros externos.

B. Energía solar (fotovoltaica).

(Villarroel, 2013)

La Energía solar es la energía obtenida mediante la captación de la luz y

el calor emitidos por el sol. La radiación solar que alcanza la Tierra

puede aprovecharse por medio del calor que produce (energía solar

térmica), como también a través de la absorción de la radiación (energía

solar fotovoltaica), por ejemplo en dispositivos ópticos o de otro tipo.

Dicha energía necesita sistemas de captación y de

almacenamiento, la cual aprovecha la radiación del Sol de varias

maneras diferentes:

Utilización directa: mediante la incorporación de acristalamientos y

otros elementos arquitectónicos con elevada masa y capacidad de

absorción de energía térmica, es la llamada energía térmica pasiva.

Transformación en calor: es la llamada energía solar térmica,

que consiste en el aprovechamiento de la radiación que proviene del

Sol para calentar fluidos que circulan por el interior de captadores

solares térmicos. Este fluido se puede destinar para el agua caliente

sanitaria (ACS), dar apoyo a la calefacción para atemperar piscinas, etc.

Transformación en electricidad: es la llamada energía solar

fotovoltaica que permite transformar en electricidad la radiación solar

por medio de células fotovoltaicas integrantes de módulos solares.

Esta electricidad se puede utilizar de mantera directa, se puede

almacenar en acumuladores para un uso posterior, e incluso se puede

introducir en la red de distribución eléctrica.

La energía solar fotovoltaica es una de las llamadas energías

renovables particularmente del grupo no contaminante, conocido

como energía limpia o energía verde ya que los sistemas

fotovoltaicos se caracterizan por reducir la emisión de gases

contaminantes, no necesitar ningún suministro exterior, presentar un

reducido mantenimiento y utilizar para su funcionamiento un recurso, el

sol, que es inagotable.

Un punto importante que debemos destacar es que cada KWh

generado con energía solar fotovoltaica evita la emisión a la

atmosfera de aproximadamente 1kg de CO2, en el caso de

comparar con generación eléctrica con carbón, o aproximadamente

0,4kg de CO2 en el caso de comparar con generación eléctrica con gas

natural. Esto es de gran ayuda para la reducción de emisiones que se

propone en el Protocolo de Kioto.

Aplicaciones de la energía solar fotovoltaica

Aunque la red convencional de suministro eléctrico se encuentra

muy extendida, quedan muchos casos en los que un generador

fotovoltaico puede competir con ella.

La tecnología fotovoltaica permite realizar instalaciones que alimentan

sistemas alejados de la red de distribución, incluso se pueden realizar

sistemas de generación distribuida, de tal forma que se genere la

energía en lugares próximos a los puntos de consumo, mediante la

información de una pequeña red de distribución.

Generalmente es utilizada en zonas excluidas de la red de

distribución eléctrica o de difícil acceso a ella, pudiendo trabajar de

forma independiente o combinada con sistemas de generación

eléctrica convencional. Sus principales aplicaciones son:

Electrificación de: sistemas de bombas de agua, repetidores de TV y

telefonía, etc.

Electrificación de edificaciones aisladas: alumbrado, pequeños

electrodomésticos, pequeños consumos no destinados a calentamientos.

Alumbrado público aislado: aparcamientos, áreas de descanso, etc.

Balizado y señalización: marítimos, viales, antenas, etc.

Ilustración 1 Esquema de las aplicaciones de la energía solar fotovoltaica

Ventajas e inconvenientes de la energía fotovoltaica.

Las ventajas de la energía solar fotovoltaica son las siguientes:

Es una energía descentralizada que puede ser captada y utilizada

en todo el territorio, con lo cual se puede aprovechar en zonas donde

no llega la electricidad y/o el tendido eléctrico es de difícil acceso.

La energía solar proviene de una fuente de energía inagotable a escala

humana.

Dicha energía no emite gases contaminantes perjudiciales para la salud

humana ya que no usa combustibles, aparte de no emitir gases de

efecto invernadero que contribuyen al cambio climático.

Los costos de operación y transporte son muy bajos (el material

es práctico de transportar) y una vez instalada tiene un coste

energético nulo.

El mantenimiento y riesgo de avería es muy bajo.

Los módulos, aparte de ser muy manejables en cuanto a diseño,

tienen una longevidad muy elevada

El tipo de instalación es fácilmente modulable, con lo que se

puede aumentar o reducir la potencia instalada fácilmente según las

necesidades.

Se trata de una tecnología en rápido desarrollo que tiende a

reducir el coste y aumentar el rendimiento.

A medida que las tecnologías avanzan, su instalación es más

económica, al contrario de lo que pasa con los combustibles fósiles,

que cada vez tienen un coste más elevado.

Los paneles fotovoltaicos son limpios y silenciosos.

Es un método de obtener energía idóneo para aquellos lugares

donde el tendido eléctrico es de difícil acceso.

No daña a la flora y fauna a excepción de las instalaciones que

requieren una gran cantidad de terreno.

Una vez finalizada su explotación, no deja prácticamente ningún tipo de

huella.

Se puede instalar sin partes móviles, evitando así su desgaste o fallo.

Los inconvenientes de la energía solar fotovoltaica son las siguientes:

Condicionantes económico-financieros, se necesita hacer una inversión

inicial elevada. El período de amortización de la inversión es largo,

entre 5 y 12 años, normalmente.

En algunos casos la falta de espacio puede ser un inconveniente

a la hora de la instalación ya que para recolectar una gran

energía se requiere de grandes extensiones de terreno.

El rendimiento de las células es bastante reducido, el aprovechamiento

de éstas está entre un 15 % - 20 % de la energía lumínica que reciben,

aparte de depender de la zona en la que se ubica, el momento del día,

del año y de la latitud.

El propietario corre a cargo del mantenimiento y las averías.

Se debe instalar en zonas donde la radiación sea elevada, normalmente

son zonas desérticas y alejadas de las ciudades.

La mecánica es más compleja que otros sistemas de aprovechamiento

de energías.

Tiene peligro por las altas temperaturas que se puedan alcanzar.

Falta de elementos almacenadores de energía económicos y fiables.

Posee ciertas limitaciones con respecto al consumo ya que no

puede utilizarse más energía de la acumulada en períodos en donde no

haya sol.

C. Energía eléctrica

(Coyote, 2014)

Definimos energía eléctrica como la forma de energía que resulta de la

existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos. Cuando

estos dos puntos se los pone en contacto mediante un conductor

eléctrico obtenemos una corriente eléctrica.

Aspectos físicos de la energía eléctrica

Desde el punto de vista físico, la energía eléctrica son cargas eléctricas

negativas (electrones) que se mueven a través del conductor eléctrico,

generalmente metálico, debido a la diferencia de potencial entre sus

extremos. El motivo por el que se suelen utilizar conductores de origen

metálico es porqué disponen de mayor cantidad de electrones libres.

Las cargas eléctricas que se desplazan a través del conductor forman

parte de los átomos de las sustancias del propio conductor.

Generación de energía eléctrica

La energía eléctrica apenas no se puede encontrar de forma libre en la

naturaleza de una forma que pueda ser aprovechable. Se puede

observar en las tormentas eléctricas pero la dificultad de almacenar y

controlar tal cantidad de energía las hace en prácticamente no

aprovechables.

Existen varias formas de generar energía eléctrica que podemos

clasificar en renovables o no-renovables. Las formas de generar energía

eléctrica renovables son aquellas en que no se utiliza combustible o el

combustible es inagotable (energía solar, energía eólica, energía

hidroeléctrica, energía geotérmica, etc.). Por otra parte las formas de

generar energía eléctrica no-renovable requieren de un combustible que

por abundante que sea tiende a agotarse como la energía nuclear,

energía térmica (carbón, petróleo, gas…), etc.

Uso de la energía eléctrica

La energía eléctrica se puede transformar en muchos otros tipos de

energía como energía mecánica (motores, máquinas…), en energía

calorífica (calefactores, estufas…) o en energía lumínica (luz). La gran

ventaja que nos da la energía eléctrica es la facilidad de transporte.

2.2.3.2. La radiación Solar

El Sol es una estrella que se encuentra a una temperatura media de

5.500ºC, en cuyo interior tienen lugar una serie de reacciones que

producen una pérdida de masa que se transforma en energía. Esta

energía liberada del Sol se transmite al exterior mediante la denominada

radiación solar.

La radiación en el sol es 63.450.720 W/m2. Si suponemos que el Sol

emite en todas direcciones y construimos una esfera que llegue hasta la

atmósfera terrestre, es decir, que tenga un radio de la distancia de 149,6

millones de Km podremos determinar cuál es la radiación en este punto.

Este valor de la radiación solar recibida fuera de la atmósfera sobre una

superficie perpendicular a los rayos solares es conocida como constante

solar (1.353 W/m2) (el cual corresponde a un valor máximo en el

perihelio de 1395 W/m2y un valor mínimo en el afelio de 1308 W/m2),

variable durante el año un ±3% a causa de la elipticidad de la órbita

terrestre.

A la tierra sólo llega aproximadamente 1/3 de la energía total

interceptada por la atmósfera, y de que ella el 70% cae en el mar. Aun

así, es varias miles de veces el consumo energético mundial.

Tipos de radiación solar

En función de cómo inciden los rayos en la Tierra se distinguen

tres componentes de la radiación solar:

a. Directa. Es la recibida desde el Sol sin que se desvíe en su paso por

la atmósfera.

b. Difusa. Es la que sufre cambios en su dirección principalmente

debidos a la reflexión y difusión en la atmósfera.

c. Albedo (reflejada). Es la radiación directa y difusa que se recibe por

reflexión en el suelo u otras superficies próximas.

Ilustración 2 Tipos de radiación solar.

Aunque las tres componentes están presentes en la radiación total

que recibe la Tierra, la radiación directa es la mayor y más importante

en las aplicaciones fotovoltaicas.

Cuando la radiación directa no puede incidir sobre una superficie debido

a un obstáculo, el área en sombra también recibe radiación gracias a la

radiación difusa.

Las proporciones de radiación directa, difusa y albedo que recibe una

superficie dependen de:

Condiciones meteorológicas: en un día nublado la radiación es

prácticamente difusa, mientras que en uno soleado es directa.

Inclinación de la superficie respecto al plano horizontal: una

superficie horizontal recibe la máxima radiación difusa y la mínima

reflejada.

Presencia de superficies reflectantes: las superficies claras son

las más reflectantes por lo que la radiación reflejada aumenta en

invierno por el efecto de la nieve.

La difusión que se produce debido a la presencia de polvo y a la

contaminación del aire depende, en gran medida, del lugar donde se

mida, siendo mayor en lugares industriales y en los lugares más

poblados. Los efectos meteorológicos locales tales como nubosidad,

lluvia o nieve afectan también a la irradiancia solar que llega a un

determinado lugar.

Hay que tener en cuenta que España se sitúa en un sitio privilegiado

respecto a Europa en cuanto a situación geográfica y climatológica, ya

que tiene más horas de sol que otros países más nórdicos. Esto hace

que España sea uno de los países con más vías de desarrollo y

aprovechamiento de esta fuente de energía.

Ilustración 3 Tipos de radiación solar.

2.2.3.3. Movimiento del Sol.

Dependiendo la estación del año en la que nos encontremos, el Sol

tendrá un grado de inclinación sobre el suelo terrestre diferente.

En el periodo de invierno el grado de inclinación respecto al suelo es

menor que en el de verano, lo que hace que las sombras sea diferentes

en unas estaciones y en otras.

Ilustración 4 Posición del sol respecto al suelo terrestre.

Con el fin de conocer el movimiento del Sol, a continuación se

utilizará un sistema de coordenadas con dos ángulos, que permite

saber en cada momento donde se encuentra.

Altura solar: es el ángulo formado por la posición aparente del Sol en el

cielo con la horizontal del lugar.

Ilustración 5 Altura solar.

Azimut solar: es el ángulo horizontal formado por la posición del Sol y la

dirección del verdadero sur.

Ilustración 6 Altura y azimut solar.

Para obtener el azimut y la altura solar, se utilizan unas tablas que

definen dichas coordenadas en función del día del año, de la hora

solar y de la latitud, con las que se pueden saber la posición del

Sol en cada momento, lo que permite calcular las sombras que producen

los objetos en determinados momentos, o puede ayudar a programar un

sistema de seguimiento solar.

Para conseguir la mayor producción de una instalación interesa que los

paneles solares estén en todo momento perpendiculares a los rayos

solares, para lo que el sistema deberá tener dos grados de libertad.

2.2.3.4. Descripción de los sistemas fotovoltaicos

(Muñiz, 2010)

Un sistema fotovoltaico es el conjunto de componentes mecánicos,

eléctricos y electrónicos que concurren para captar la energía solar

disponibles y transfórmala en utilizable como energía eléctrica.

El componente principal es uno o varios paneles fotovoltaicos quienes

cumplen el objetivo de transformar la radiación solar en electricidad. La

electricidad generada es corriente continua (CC). Dependiendo del panel

o de su método de conexión el voltaje oscila entre 5 y 900 voltios.

La energía producida puede utilizarse como tal (CC) o transformarse en

Corriente Alterna (110 a 220 voltios) para ser utilizada por artículos

eléctrico tradicionales.

Dependiendo de cada aplicación o necesidad se obtiene un sistema

diferente, con componentes diferentes. Los diferentes sistemas son los

siguientes:

Generador fotovoltaico: encargado de captar y convertir la radiación

solar en corriente eléctrica mediante módulos fotovoltaicos.

Baterías o acumuladores: almacenan la energía eléctrica producida

por el generador fotovoltaico para poder utilizarla en períodos en los

que la demanda exceda la capacidad de producción de generador

fotovoltaico.

Reguladores de carga: encargado de proteger y garantizar el correcto

mantenimiento de la carga de la batería y evitar sobretensiones que

puedan destruirla.

Inversor o acondicionador de la energía eléctrica: encargado de

transformar la corriente continua producida por el generador

fotovoltaico en corriente alterna, necesaria para alimentar algunas

cargas o para introducir la energía producida en la red de distribución

eléctrica.

Elementos de protección del circuito: como interruptores de

desconexión, diodos de bloqueo, etc., dispuestos entre diferentes

elementos del sistema, para proteger la descarga y derivación de

elementos en caso de fallo o situaciones de sobrecarga.

Ilustración 7 Elementos de protección del circuito.

Puede haber la necesidad de un generador auxiliar para complementar

la energía del generador fotovoltaico cuando éste no pueda mantener la

demanda y ésta no pueda ser interrumpida.

2.2.3.5. Diseño del sistema fotovoltaico fijo.

A. Estudio de la necesidad energética

Para saber qué dimensiones debe tener su panel solar fotovoltaico antes

tiene que determinar sus necesidades energéticas. 

Dispositivos

( Carga )

Potencia

(W )

Cantidad Potencia

Instalada

(W )

Horas/día Consumo

( Wh/día)

B. Capacidad y cantidad del panel fotovoltaico

Un módulo fotovoltaico se caracteriza por su potencia pico expresada en

Watt Pico (Wp).

Esta es la salida máxima de un panel fotovoltaico bajo condiciones

estándar que son: temperatura 25ºC y 1000 W/m2 de radiación.

Para dimensionar el tamaño del panel fotovoltaico (Ar) se utilizara la

siguiente formula:

Ar=1200∗EdId

Dónde:

Ar: Tamaño del panel (Wp)

Ed: Demanda de electricidad (Kwh/día)

Id: Radiación (Kwh/m2 por día)

C. Cantidad de números de paneles fotovoltaicos.

Para cubrir la demanda se instalaran ciertos N° de módulos fotovoltaico.

El número de paneles (N°p) se utilizara la siguiente formula:

N ° p= ArCp

Dónde:

N°p: Numero de paneles

Ar: Tamaño del panel (Wp)

Cp: Capacidad del panel (Wp)

D. Capacidad y números de las baterías

Para dimensionar el módulo de almacenamiento se utilizara la siguiente

formula:

Tamaño= AUT∗EdREND∗DESC

Dónde:

Tamño:Wh

AUT (Autonomía-días sin brillo solar)

Ed = Demanda de electricidad (Kwh/día)

REND (eficiencia de la batería)

DESC (descarga de la batería)

Para el cálculo del número de baterías se contara con la siguiente

información:

Numero de baterias=TamañoAh∗V

2.2.3.6. Sistemas de seguimiento solar.

(Castejon, 2010)

En los sistemas fotovoltaicos vistos hasta hora, la superficie del

generador fotovoltaico mantiene una posición fija que se determina en

función del uso que se hace de la instalación. Sin embargo, resulta

evidente que si la superficie del generador pudiese seguir la trayectoria

del sol y mantenerse perpendicular a su dirección la energía recolectada

seria máxima. Este es el objetivo de los sistemas de seguimiento solar,

aumentar la energía recibida por el generador utilizando mecanismos de

movimiento que lo orienten en la dirección adecuada. Lo sistemas de

seguimiento más habituales se clasifican en cuatro tipos en función del

tipo de seguimiento que realizan mediante el uso de uno o dos ejes de

movimiento:

Dos ejes. Un eje gira modificando la inclinación β y otro eje gira

modificando el acimut α del generador fotovoltaico de forma que la

superficie se mantiene siempre perpendicular al sol. Es el único sistema

que es capaz de efectuar un seguimiento óptimo del sol. Dependiendo

de la latitud, la energía recibida puede aumentar hasta un 40% respecto

una superficie fija. También reciben el nombre de helióstatos.

Ilustración 8 Sistema de seguimiento de dos ejes.

Un eje polar. Un eje de giro, inclinado un ángulo constante β igual a la

latitud del lugar, mantiene a la superficie del generador fotovoltaico

orientada hacia el Sur siguiendo un ángulo α para que la superficie se

mantenga perpendicular a la dirección del sol. La velocidad de giro es

constante de 15° por hora. Es un sistema bastante utilizado que

consigue un incremento en la energía recibida en el generador de un

30% respecto a una superficie fija.

Ilustración 9 Sistema de seguimiento de un eje polar.

Un eje azimutal. La superficie gira sobre un eje vertical siguiendo un

ángulo α. La superficie del generador se mantiene un ángulo β de

inclinación constante igual a la latitud. El giro de la superficie se regula

para que la perpendicular a la superficie coincida en todo momento con

el meridiano local que contiene al sol. La velocidad de giro es variable a

lo largo del día. El incremento de energía recibida es muy parecido al de

un eje polar con la ventaja de la mayor sencillez y económica de la

estructura.

Ilustración 10 Sistema de seguimiento de un eje azimutal.

Un eje horizontal. La superficie gira sobre un eje horizontal orientado

en dirección norte-sur siguiendo un ángulo α. El giro se regula para que

la perpendicular a la superficie coincida en todo momento con el

meridiano terrestre que contiene al sol. Consigue un incremento en la

energía recibida en generador de un 20%.

Ilustración 11 Sistema de seguimiento de un eje horizontal.

El movimiento de los ejes de los diferentes tipos de seguidores se

realiza habitualmente con motores eléctricos acoplados a sistemas de

engranajes, aunque también se utilizan actuadores hidráulicos.

El sistema de control de un seguidor incluye, además del control de

posición y velocidad de los motores que se mueven los ejes, medida de

la velocidad del viento que provoca la orientación del generador en una

posición defensiva frente a vientos fuertes, orientación forzada para

operaciones de limpieza, posicionamiento nocturno hacia este para

esperar la salida del sol, etc.

2.2.3.7. Norma técnica de edificación EM080 instalaciones con

energía solar.

Norma Técnica de Edificación IS.010 Instalaciones sanitarias para

edificaciones.

Norma Técnica Peruana NTP 399.482 2007: Sistemas de Calentamiento

de Agua con Energía Solar. Procedimiento para su instalación eficiente.

Norma Técnica Peruana NTP 399.404 2006: Sistemas de Calentamiento

de Agua con Energía Solar. Fundamentos para su dimensionamiento

eficiente.

Norma Técnica Peruana NTP 399.403 2006: Sistemas Fotovoltaicos

hasta 500 Wp. Especificaciones Técnicas y Método para la Calificación

Energética.

Norma Técnica Peruana NTP 399.400 2001: Colectores Solares. Método

de ensayo para determinar la eficiencia de los colectores solares

Resolución Ministerial R.M. Nº 037-2006-MEM/DM Código Nacional de

Electricidad

Resolución Directoral Nº 003-2007-EM/DGE: Reglamento Técnico

Especificaciones Técnicas y Procedimientos de Evaluación del

Sistema Fotovoltaico y sus Componentes para Electrificación Rural.

Resolución Ministerial R.M. Nº 091-2002-EM/VME Norma DGE

Terminología en Electricidad y Símbolos Gráficos en Electricidad.

2.2.3.8. Accionamientos y transmisión

A. Servomotor

(Genaro, 2011)

Un servomotor es un dispositivo actuador que tiene la capacidad de

ubicarse en cualquier posición dentro de su rango de operación, el eje

del servo es capaz de llegar alrededor de los 180 grados. Normalmente,

en algunos llega a los 210 grados, pero varía según el fabricante.”

a.1. Partes de un servomotor

Un servo está formado por un motor de corriente continua, una caja

reductora y un circuito de control tal y como se puede ver en la figura

2.4, además cabe aclarar que su margen de funcionamiento

generalmente es de menos de una vuelta completa. Un servo normal o

Standard tiene 3 kg por cm. de torque que es bastante fuerte para su

tamaño.

A continuación se describen todas las partes que conforman un servo,

con el fin de familiarizarse con estos actuadores que se utilizarán en

este proyecto:

Motor de corriente continua: es el elemento que le brinda movilidad al

servo, cuando se aplica un potencial a sus dos terminales, el motor gira

en un sentido, y si el voltaje se invierte, el sentido de giro también se

invierte.

Engranajes reductores: se encargan de convertir gran parte de la

velocidad de giro del motor de corriente continua en torque.

Circuito de control: este circuito es el encargado de controlar la

posición del motor. Recibe los pulsos de entrada y ubica al motor

en su nueva posición dependiendo de los pulsos recibidos.

a.2 Terminales del servomotor

Terminal positivo: Recibe la alimentación del motor (4 a 8 voltios), el

cable del terminal positivo siempre es rojo.

Terminal negativo: Referencia tierra del motor (0 voltios), el cable del

terminal negativo puede ser marrón o negro.

Entrada de señal: Recibe la señal de control del motor, el cable del

terminal de entrada de señal suele ser de color blanco, naranja o

amarillo.