DIMENSIONAMIENTO DE PARQUE SOLAR FOTOVOLTAICO …
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Universidad Politécnica de Sinaloa Programa de Ingeniería en Energía DIMENSIONAMIENTO DE PARQUE SOLAR FOTOVOLTAICO PARA INSTALACIONES ELÉCTRICAS DE LA EMPRESA HQ FLAVOR PRESENTA: MARA FERNANDA JUÁREZ COTA Tesina presentada como requisito parcial para optar al título de: Licenciado en Ingeniería en Energía Asesores: Asesor Externo: Ing. David Noé Tapia Figueroa Asesor interno: Dr. Miguel Morales Rodríguez Mazatlán, Sinaloa, enero de 2016
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Universidad Politécnica de Sinaloa
Programa de Ingeniería en Energía
DIMENSIONAMIENTO DE PARQUE SOLAR FOTOVOLTAICO PARA
INSTALACIONES ELÉCTRICAS DE LA EMPRESA HQ FLAVOR
PRESENTA:
MARA FERNANDA JUÁREZ COTA
Tesina presentada como requisito parcial para optar al título de:
Licenciado en Ingeniería en Energía
Asesores:
Asesor Externo: Ing. David Noé Tapia Figueroa
Asesor interno:
Dr. Miguel Morales Rodríguez
Mazatlán, Sinaloa, enero de 2016
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DICTAMEN
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Estudia mientras otros están
durmiendo; trabaja mientras otros
están holgazaneando; prepárate
mientras otros están jugando; y sueña
mientras otros están deseando.
William Arthur Ward.
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Agradecimientos
A través de este escrito, manifiesto mi sentir y agradecimiento a aquellas personas
que formaron parte de manera directa e indirecta:
Agradezco a mis padres Alicia Gisela Cota Llamas e Ignacio Juárez Rentería por
todo su apoyo durante cada una de mis etapas de mi educación que no me
dejaron sola en ningún momento, pasando conmigo logros y decepciones.
Apoyándome con su infinito amor, consejos, gran paciencia, motivándome cada
día a superame y ser mejor, como persona y mujer.
A mi hermano Jorge Ulises Cota Llamas que siempre me brindó su mano en
apoyo cuando lo necesité.
A la Universidad Politécnica de Sinaloa y a las autoridades que forman parte de
ella, por la oportunidad dada de un espacio para superarme estudiantil y
profesionalmente, así como también a la dirección del programa de Ingeniería en
Energía por su constante apoyo a cada uno de los que integramos Energía.
A mis profesores que fueron parte de este logro más, que nunca desistieron al
compartirme sus conocimientos, vivencias y consejos, aún sin importar que no
fuera la alumna perfecta y tranquila, y aun así continuaron depositando una
pequeña esperanza en mí y en mi capacidad, en especial al M.C. Eusebio
Guevara Villegas.
Y finalmente a todas aquellas personas que participaron y me ayudaron a que esto
sea posible, y me obsequiaron un aprendizaje y una oportunidad más en mi vida
con el cual me quedare siempre.
Esto no podría ser sin su apoyo y ayuda, infinitas gracias.
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Resumen
El implemento de tecnologías para la generación eléctrica con fuentes renovables
es cada vez mayor, esto por los beneficios en ahorros de energía y económicos,
además de la preocupación del medio ambiente; HQ Flavor no es la excepción,
con el desarrollo de un parque solar interconectado a red que cubra parte de su
demanda eléctrica. El procedimiento se llevó mediante un análisis de consumos,
realizando un levantamiento de las cargas en las zonas beneficiadas por el
sistema, procediendo al cálculo de componentes y diseño del sistema, la
estructura y el arreglo que tendrá, cuidando cada una de las capacidades de los
elementos electrónicos, y finalmente la distribución de la instalación, el arreglo
final y la dimensión que ocupará; el dimensionamiento está basado en ciertas
áreas específicas y considerando dispositivos como luminarias, contactos y aires
acondicionados. Obteniendo una granja compuesta de 400 módulos policristalinos
con una potencia de generación de 500 kW, y con una dimensión de 1500 metros
cuadrados. Esta propuesta y diseño, será la iniciativa y el pie de partida para llevar
a cabo el proyecto de generación de energía limpia en la empresa. Con estas
actividades se espera obtener una propuesta que cumpla las necesidades
requeridas por los servicios de la compañía, y en un futuro hacer un ahorro en
gastos energéticos y financieros para la misma, abriendo paso a nuevas
inversiones. Contribuyendo así con su transición hacia una empresa responsable
con el medio ambiente, se pretende que este trabajo sea terminado entre los años
2016-2017.
Palabras clave: Consumos eléctricos, Dimensionamiento, Arreglos, Parque
fotovoltaico.
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Abstract
The implement of technologies for electricity generation from renewable sources is
growing nowadays, this benefits in energy savings and economic, in addition to
environmental concerns; HQ Flavor is no exception, with the development of an
interconnected grid solar park covering part of its electricity demand. The
procedure was carried through an analysis of consumption, making a lifting of
loads in areas benefiting from the system, proceed to the calculation of
components and system design, structure and arrangement that will, taking care of
every one of the capabilities of the electronics, and finally distribution installation,
and the final arrangement will occupy dimension; sizing is based on specific areas
and considering devices like lights, contacts and air conditioners. Getting a farm
consists of 400 polycrystalline modules with an output of 500 kW generations and
with a size of 1,500 square meters. This proposal and design will be the initiative
and foot starting to carry out the project of clean energy generation in the
company. These activities are expected to obtain a proposal that meets the needs
required by the services of the company, and in the future make savings in energy
and financial expenses for the same, making way for new investments. It thus
contributing to its transition to a responsible company with the environment, it is
intended that this work will be completed at 2016-2017.
Keywords: electricity consumption, Sizing, arrangements, photovoltaic farm.
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Contenido
Dictamen ................................................................................................................ 3
Dedicatoria ............................................................................................................. 5
Agradecimientos ................................................................................................... 6
Resumen ................................................................................................................ 8
Abstract .................................................................................................................. 9
Introducción ......................................................................................................... 14
Capítulo 1 ............................................................................................................. 16
Marco Contextual
1.1. Organismo .......................................................................................... 16
1.2. Problemática ...................................................................................... 16
1.3. Justificación ....................................................................................... 17
1.4. Objetivo General ................................................................................ 18
1.5. Objetivos Específicos ........................................................................ 18
Capítulo 2 ............................................................................................................. 19
Marco Teórico
2.1. El sol y su naturaleza como principio de energía ........................... 19
2.2. Radiación solar: el mundo y México ................................................ 20
2.3. El efecto fotovoltaico ......................................................................... 23
2.4. Tecnología fotovoltaica: celdas, módulos y sistemas fotovoltaicos
.................................................................................................................... 24
2.5. Consideraciones técnicas para el dimensionamiento de un parque
fotovoltaico ............................................................................................... 26
Capítulo 3 ............................................................................................................. 29
Metodología
3.1. Descripción del sistema .................................................................... 29
3.1.1. Características técnicas del sistema ............................................ 30
11
3.2. Emplazamiento................................................................................... 32
3.2.1. Orientación e inclinación ............................................................... 32
3.2.2. Radiación disponible ...................................................................... 33
3.3. Dimensionamiento fotovoltaico........................................................ 34
3.3.1. Estimación de consumos eléctricos ............................................. 34
3.3.2. Cálculo de módulos solares .......................................................... 38
3.3.3. Arreglo fotovoltaico ........................................................................ 39
3.3.4. Cálculo de Inversores ..................................................................... 42
3.4. Determinación de la dimensión del sistema generador ................. 42
3.4.1. Sombras y distancias óptimas ...................................................... 43
3.4.2 Distribución y dimensión del parque solar ................................... 45
Capítulo 4 ............................................................................................................. 47
Resultados y Discusiones
Capítulo 5 ............................................................................................................. 51
Conclusiones y recomendaciones
Bibliografía ........................................................................................................... 53
Anexos ................................................................................................................. 54
12
Índice de figuras
Figura 2.1. Radiación solar mundial ................................................................. 21
Figura 2.2. Radiación solar promedio en México ............................................ 22
Figura 2.3. Climatología estatal Tepic Nayarit ................................................. 22
Figura 2.4. Efecto fotovoltaico en una célula solar ......................................... 23
Figura 2.5. Sistema fotovoltaico interconectado a red ................................... 25
Figura 3.1. Áreas administrativas de HQ .......................................................... 30
Figura 3.2. Áreas productivas y almacén de HQ ............................................. 30
Figura 3.3. Módulo policristalino ...................................................................... 31
Figura 3.4. Inversor trifásico ............................................................................. 32
Figura 3.5. Área designada del parque solar, coordenadas 21.607, -105.276 32
Figura 3.6. Acomodo calculado por inversor. .................................................. 40
Figura 3.7. Arreglo del generador fotovoltaico ................................................ 41
Figura 3.8. Medidas del arreglo fotovoltaico en metros ................................. 43
Figura 3.9. Diagrama de la distancia óptima entre módulos .......................... 43
Figura 3.10. Distribución por grupo de módulos ............................................. 46
Figura 3.11. Esquema del sistema fotovoltaico ............................................... 46
Figura 3.12. Diseño virtual del sistema fotovoltaico ....................................... 46
Figura 4.1. Espacio libre para parque solar ..................................................... 47
Figura 4.2. Diseño virtual del parque solar en HQ Flavor ............................... 48
13
Índice de tablas
Tabla 2.1. Latitudes de San Blas México .......................................................... 27
Tabla 2.2. Ángulos de inclinación óptimos ....................................................... 28
Tabla 3.2. Datos meteorológicos y energía solar para San Blas, Nayarit
México .......................................................................................................................... 33
Tabla 3.3. Consumos por equipos (W y KW) ................................................... 35
Tabla 3.4. Consumos Wh por equipos .............................................................. 36
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Introducción
Las fuentes de energía han tenido un significado importante desde la existencia
del ser humano, usando las causas naturales que proporciona el planeta, es decir
las de origen renovable como: la biomasa de origen orgánico, la primera en ser
utilizada por el hombre, esto para la producción de fuego principalmente (ramas,
arbustos, etc.); el viento para la molienda de granos en molinos y para el uso de
actividades de navegación (pesca y comercio); el sol utilizado por egipcios como
iluminación con la ayuda de espejos, en el secado de alimentos varios y porque no
para secar la ropa (actualmente utilizado).
Estas fuentes comenzaron a ser olvidadas con el impulso y avance durante la
revolución industrial, esto por el aumento de la necesidad de energía, en hogares,
comunicación y la industria, brotando la importancia del carbón, petróleo y gas.
Con ello fue creciendo de manera acelerada la tecnología, así como una
dependencia por los energéticos fósiles, los cuales han dejado daños graves en la
vida alrededor del planeta de gran relevancia. A causa de los daños generados
por el uso excesivo de estos combustibles y las consecuencias que deja, se ha
regresado a la investigación y la retoma del uso de fuentes renovables,
encontrando grandes beneficios y siendo un foco de investigación vulnerable y de
gran accesibilidad.
El sol se ha convertido en una de las fuentes energéticas preferibles para la
producción de electricidad. La tierra es bombardeada constantemente de energía
procedente del sol y de la cual solo recibe menos de una milmillonésima parte,
bastaría con utilizar solo una pequeñísima parte de ese flujo para lograr cubrir los
requerimientos actuales de demanda eléctrica. A lo largo del tiempo se han
descubierto alternativas para la generación de energía, y es la energía solar una
cuestión prometedora, por su accesibilidad (fácil de encontrar y es gratuita).
Edmund Becquerel, científico francés, se encargó de liderar el estudio del efecto
fotoeléctrico en el año de 1839. Noto que algunos materiales provocaban
pequeñas magnitudes de electricidad cuando sobre estos se emitían rayos de luz.
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Continuando Heinrich Hertz, descubre que la luz ultravioleta corrige el voltaje que
originaba chispas entre los electrodos metálicos en 1887. Pero no fue hasta 1905,
donde Albert Einstein sentó las bases de la naturaleza y comportamiento de la luz
en conjunto con el efecto fotoeléctrico. Con ello hoy en día, tenemos la tecnología
fotovoltaica, dispositivos que al ser impactados con una fuente lumínica (luz
artificial o la natural por el sol), genera una fuerza electromotriz en sus terminales.
Su unidad mínima fundamental, la celda solar. Naciendo el término de energía
solar fotovoltaica.
La alternativa de aplicación y uso de la energía solar, son atractivas para aquellos
que desean ser parte de un movimiento de cuidado del planeta, o que presentan
problemas de accesibilidad a la electricidad, pero más aún por los beneficios en
ahorros financieros que llega a genera. Actualmente HQ Flavor presenta
problemas relacionados con la electricidad, siendo principalmente con problemas
de luz donde presentan cortos por lo menos dos veces al día, por los altos
consumos realizados, retrasando o impidiendo incluso las actividades dentro de la
planta y finalmente se tienen altos gastos financieros por luz. Para reducir y mitigar
estos problemas se ha propuesto realizar una metodología para la aplicación de
energía fotovoltaica interconectada a la red eléctrica, con la instalación de un
parque fotovoltaico, generan ahorros económicos, dando paso además a la
disminución del deterioro del medio ambiente. Esto se delimita a solo poder hacer
un cálculo de la energía consumida para después hacer un dimensionamiento
para una instalación que sea capaz de cubrir esa demanda. Solo se ha considera
el dimensionamiento y los requerimientos por CFE, y no la instalación en este
proyecto, ya que se requiere establecer las zonas y la magnitud que tendrá el
mismo, y conservar una zona para ello para después pasar a su materialización en
un futuro próximo.
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Capítulo 1: Marco Contextual
1.1 Organismo
HQ Flavor se encuentra ubicada en el municipio de San Blas, estado de Nayarit
México, estratégicamente localizado dentro de la región más importante en
producción de frutos tropicales. Siendo una empresa especializada en el
procesamiento de productos derivados del campo, frutas y hortalizas para
deshidratado osmótico y congelado IQF por lecho fluidizado de los mismos
productos. Contando con certificados como: HACCP (Hazard Analysis and Critical
Control Points) y Kosher, a nivel internacional.
HQ Flavor inicio como un proyecto nuevo, cuenta con tan solo un año de
antigüedad, iniciando en abril del 2014 como una pequeña empresa dedicada a la
transformación de productos que son enviados al extranjero. Esta compañía se
crea bajo la colaboración de un grupo de empresarios con amplia experiencia en
diversos sectores productivos y la propuesta nueva de ofertar en un mercado
ascendente por parte del Ing. David Noé Tapia Figueroa (dirección actual), dio
inicios hacia el proyecto que hoy en día se consolida como una compañía en
crecimiento y que va tomando prestigio. En la actualidad es un organismo
conformado por más de 200 empleados; además que actualmente vive un proceso
de transformación y transición, con planes de expansión de planta así como de
sus oficinas. Actualmente se sigue trabajando en la organización dentro de las
planta, principalmente por ser una empresa joven, aún se siguen realizando
cambios para tener una mejor distribución de la misma.
1.2 Problemática
El proyecto inicia principalmente como un compromiso por dirección y el consejo
de la compañía, con la finalidad de ser una empresa comprometida al cuidado del
medio ambiente. Además se ha visualizado una oportunidad enfocada a la
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reducción de gastos financieros, dando un margen para invertir en otras áreas;
esta situación nace principalmente por los altos consumos eléctricos realizados
dentro de la planta, tanto en oficinas administrativas como en áreas de producción.
Principalmente se da, por los altos consumos generados por luminarias,
climatización y contactos de luz, trabajando de 8 a 9 horas diarias por 6 días a la
semana, inclusive muchos de estos dispositivos siguen trabajando durante la
noche.
Se han tomado medidas, haciendo conciencia de optar por una cultura de ahorro
energético dentro de la planta y contar con dispositivos de bajo consumo y control
del mismo, aun así la demanda eléctrica sigue siendo significativa. Problemas
como la suspensión de electricidad por sobre cargas en el sistema, han
perjudicado y se han convertido en problemas diarios deteniendo y obstaculizando
la jornada laboral de toda la planta, especialmente en el área administrativa.
La solución entonces se trata de buscar dentro de la implementación del uso de
energías renovables.
1.3 Justificación
Cuestiones como problemas y gastos financieros altos, van relacionados a los
altos consumos de energía eléctrica, que igualmente afecta al medio ambiente por
los contaminantes generados para producirla (mediante combustibles fósiles)
creando gases de efecto invernadero y dañando al planeta en su totalidad.
Es por ello que HQ Flavor, se ha comprometido al desarrollo e implementación de
uso de energías renovables, para su consumo, esto mediante una granja solar
fotovoltaica interconectada a la red eléctrica nacional. Siendo así una inversión en
el ahorro gastos en consumos eléctricos, además de poder erradicar los
problemas de electricidad y finalmente dando un impacto positivo en la sociedad y
cumpliendo su compromiso tanto personal como hacia el medio ambiente.
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1.4 Objetivo General
Dimensionar y diseñar un sistema solar fotovoltaico, en base al consumo eléctrico
de luminarias, contactos y climatización, para la cogeneración de energía eléctrica
en áreas administrativas, de producción y almacén de la empresa HQ Flavor,
teniendo un ahorro y disminución de gastos monetarios por electricidad.
1.5 Objetivos Específicos
1. Realizar un análisis y levantamiento de cargas para la determinación de la
demanda eléctrica en áreas administrativas, de almacén y producción.
2. Realizar un dimensionamiento fotovoltaico para interconexión a la red
eléctrica (CFE), bajo la demanda requerida por las instalaciones de la
planta.
3. Diseñar el emplazamiento adecuado del sistema, en base a las
especificaciones de cada uno de los dispositivos electrónicos
4. Calcular el área final a ocupar por el sistema de generación fotovoltaica.
5. Realizar un diseño virtual de la estructura y localización del sistema
diseñado.
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Capítulo 2: Marco Teórico
2.1. El sol y su naturaleza como principio de energía
El universo está compuesto por una cantidad innumerable de estrellas, planetas,
astros, constelaciones y galaxias. El sol es una estrella más que forma parte del
basto universo, es la más cercana y parte fundamental de nuestro sistema
planetario, responsable y generador de la vida en el planeta tierra.
El sol es una estrella con 4650 millones de años de edad (aproximadamente), con
un diámetro de 139200 km y con una temperatura de 5778 grados kelvin. Y que
llega a constituir casi el 99% de toda la masa en nuestro sistema solar. Pero no
solo el sol destaca por su enorme cuerpo, sino que además representa un astro
que constantemente está generando cantidades enormes de energía en todo su
cuerpo.
La energía que produce el sol tiene un origen muy sencillo, se da gracias a las
constantes reacciones de fusión nuclear en su interior (compuesto casi en su
mayoría por hidrógeno elemento de alta volatilidad) los átomos de hidrógeno
reaccionan a las altas temperaturas y se transforman en helio por medio de la
fusión nuclear (unión de núcleos de átomos), el cual da resultado a grandes
cantidades de energía por estos, produciéndose así la energía que irradia.
Se describe como un sol joven, y que aún tiene mucha materia para seguir con
estas reacciones de una manera estable. El sol transforma aproximadamente 700
millones de toneladas de hidrogeno, generando 5 millones de toneladas de
materia de energía.
La energía generada viaja a través del espacio como ondas electromagnéticas
con una gran gama de longitudes de onda (infrarrojas, ultravioletas, etc.), en
diminutos paquetes denominados como fotones a una velocidad constante de
3000000 km/seg, y el cual llega a nuestra superficie en 8 minutos, es decir, si el
sol se apagara, tardaríamos 8 minutos en saberlo. Además se calcula que “la
20
potencia de producción de energía del sol es de 4 × 1023 kW por segundo, unos
780000 veces más que la energía producida a nivel mundial en un año”.
2.2. Radiación solar: el mundo y México
La radiación solar no es más que la energía que surge de los proceso de fusión
presentados en el sol. El conocimiento de este término es fundamental para poder
determinar si nuestra instalación será favorable, ya que la eficiencia de este está
relacionada con la radiación disponible del sitio.
“Radiación, se refiere a un fenómeno físico vibratorio que se representa, mediante
ondas. Se caracteriza por su frecuencia, longitud de onda, entre otras”. [2]
Aquella que es acumulada fuera de la atmosfera sobre una superficie
perpendicular a los rayos solares es denominada como constante solar igual a
1353 W/m2 y donde el valor máximo medido sobre la superficie terrestre es de
1000 W/ m2 aproximadamente en condiciones óptimas de sol a medio día y en un
día de verano despejado. [3]
No toda la radiación llega hasta la superficie de la tierra, la superficie capta una
cantidad casi constante de radiación, se atenúa conforme llega a la atmósfera
terrestre, la cual se va perdiendo en la atmosfera por absorción y por reflexión a
medida de su camino hasta la superficie terrestre, entre 30 y 60 por ciento.
Esta puede ser captada de tres formas: Directa, difusa y reflejada o albedo.
Directa: Recibida directamente del sol, sin la existencia de una dispersión
atmosférica. Llega a producir sombras en días despejados
Difusa: recibida después de ser dispersa por la atmosfera (nubes en su
gran mayoría).
Reflejada o albedo: reflejada por la superficie terrestre, teniendo en cuenta
el coeficiente de reflexión del mismo (tierra, arena, agua, nieve, etc.).
21
El aprovechamiento de la energía del sol está fijado por la intensidad de radiación
que se recibe en la tierra, varía por la altitud del lugar, el momento del día (horas
solar pico), condiciones atmosféricas y climatológicas. En la figura 2.1 se muestra
un mapa ilustrando la distribución y las cantidades de radiación recibida en el
planeta, la barra por colores (de menor a mayor, siendo violeta menos y rojo más)
denota cantidades que van de los 0 watts (por metro cuadrado hasta los 350 w/m2.
Por ejemplo, tenemos a Alemania estando en las zonas azules, donde recibe
menos de 150 w/m2.
México es un país privilegiado, cuando de recurso solar se trata. Como podemos
observar en la figura anterior (2.1), nuestro país se encuentra en un área cercana
al centro del planeta, donde la radiación es mayor. México es uno de los países a
nivel mundial que presenta condiciones ideales para el aprovechamiento masivo
de este tipo de energía (ya sea por fotovoltaica o térmica), lamentablemente no ha
sido así.
En la figura 2.2, podemos observar como es la distribución de radiación a través
del país, teniendo como mayor incidencia en el norte del país (y en el mundo), con
una radiación anual promedio de 5 kW-h/m2.
Figura 2.1. Radiación solar mundial.
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El estado de Nayarit presenta diferentes climas, predominando el cálido
subhúmedo en su 91.5%, después encontramos un clima templado con 6%
presente en las sierras, continuando con clima seco y semiseco con 2% en el sur y
sureste del estado, y finalmente el resto corresponde a un cálido húmedo 0.5%.
La temperatura media anual del estado es de 25° C, las temperaturas mínimas
promedio son alrededor de 12° C durante enero, y las máximas pueden ser 35° C
(o sobre) en meses de mayo y junio.
Teniendo todas estas variaciones, el estado de tepic tambien varia en la radiación
en cada uno de sus municipios.
Figura 2.2. Radiación solar promedio en México.
Figura 2.3. Climatología estatal Tepic Nayarit.
23
2.3. Efecto fotovoltaico
La transformación de la energía solar a eléctrica está dada por el fenómeno
descrito como efecto fotovoltaico. Dada por la interacción de la radiación lumínica
entre los electrones de los materiales semiconductores.
El efecto fotovoltaico se produce cuando el material de la celda solar (de silicio
comúnmente) absorbe parte de los fotones del sol. El fotón capturado libera a un
electrón que se encuentra en el interior de la celda, generando una corriente
eléctrica.
El principio del efecto fotovoltaico esta dado principalmente por los
semiconductores, que posees electrones débilmente ligados ocupando una banda
de energía “banda de valencia”. Cuando se aplica un cuanto de energía por
encima de un cierto valor a un electrón de valencia (un fotón en este caso), el
enlace se rompe y el electrón pasa a una nueva banda de energía “banda de
conducción”. Por consiguiente, en la región de unión se va creando un campo
eléctrico que se hace cada vez mayor a medida que los huecos y los electrones
continúan difundiéndose, y así el proceso sigue hasta que el potencial eléctrico
alcanza un tamaño que impide la posterior difusión.
Cuando se alcanza este equilibrio se habrá creado un campo eléctrico
Figura 2.4. Efecto fotovoltaico en una célula solar. [6]
24
2.4. Tecnología fotovoltaica: celdas, módulos y sistemas
Fotovoltaicos
El aprovechamiento de la energía solar fotovoltaica se da por medio de una serie
de dispositivos electrónicos que son los responsables de la transformación directa
de la energía de la luz a electricidad
Célula Solar
La célula solar fotovoltaica es un dispositivo capaz de convertir la luz en energía
eléctrica de una forma directa e inmediata. Formado por una capa muy delgada de
un material semiconductor ya sea de silicio, teluro, cadmio, entre otros.
En el mercado y en la fabricación de estas celdas se es más común utilizar el
silicio en monocristal y policristal. Teniendo rendimientos de 15-17% y 12-14%
respectivamente. También existe una celda llamada amorfa, no tan pura como los
anteriores pero si es funcional solo que su rendimiento es más bajo que los
anteriores con menos de 10%.
Módulo Fotovoltaico
El conjunto de una serie de celdas solares es denominado como módulos
fotovoltaicos, siendo una estructura de mucha mayor potencia que una sola célula,
además de ser sólida, manejable y menos frágil que una célula.
Estos tienen una variedad muy grande de presentaciones, descritos
principalmente por su capacidad en potencia, esto según el tipo y la eficiencia de
las celdas que lo constituyen. Los módulos generan electricidad durante todo el
año, claro mientras estén bajo el suministro de la radiación solar. La vida de estos
está entre los 25 y 30 años; es posible encontrar módulos con garantías de 10, 15
o 20 años, claro su eficiencia llega a disminuir con el paso del tiempo, pero
normalmente esto se presenta pasando los 10 años y solo se presenta una
reducción aproximada de un 10%.
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Sistemas Fotovoltaicos
Una serie de módulos conectados entre sí conforman un sistema fotovoltaico, esto
además aunando componentes mecánicos, eléctricos y electrónicos que
concurren para la captación solar y la transformación de ella en energía útil. Los
dispositivos fotovoltaicos (sistemas), generan energía por medio de la luz y no del
calor. Estos sistemas pueden ser conectados ya sea en serie o en paralelo, y con
la combinación adecuada (por medio de cálculos respectivos con la eficiencia de
sus inversores), es posible obtener la corriente y tensión eléctrica necesaria para
cubrir una determinada demanda.
En el diseño y dimensionamiento de un sistema solar fotovoltaico es importante
tomar en cuenta ciertos aspectos como: potencia pico, carga eléctrica,
características de la zona (conformación de su entorno y arquitectónicas) y latitud
y la radiación disponible en la zona.
Un sistema fotovoltaico se divide en dos categorías: aislado o conectados. Los
sistemas aislados son aquellos que trabaja de una manera independiente, es decir
cuentan con los dispositivos necesarios que captan, almacenan, transforman y
administran la energía hacia los consumidores. Dirigidos a los usuarios con bajas
tarifas de consumo o que se encuentran en zonas aisladas o lejanas de los
suministros de la red eléctrica. Mientras que los sistemas con conexión, están
descritos como aquellos que están permanentemente conectados a la red eléctrica
de suministro nacional, utilizado y recomendado por aquellos con altos consumos,
ya sea en comercios o industrias; comprende una generación que es directamente
emparejada y suministrada a la red (figura 2.3).
Figura 2.5. Sistema fotovoltaico interconectado a red.
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2.5. Consideraciones técnicas para el dimensionamiento
de un parque fotovoltaico.
El dimensionamiento de un sistema de generación eléctrica fotovoltaica, conlleva
una serie de especificaciones y cálculos necesarios para que este esté construido
de una manera adecuada y que pueda tener una funcionalidad correcta.
Existen ciertas características fundamentales, las cuales cada una de ellas esta
correlacionadas entre sí, si una de estas falla el sistema falla.
Disposición de la zona
Uno de los aspectos fundamentales es la consideración y análisis del lugar en el
cual se desea realizar la instalación. Tomando en cuenta el suelo y sus
alrededores. Aspectos como la vegetación, edificaciones, tipo de entorno, las
actividades continuas al sistema, son de gran relevancia para poder elegir la
colocación de este. Estos aspectos determinan la ubicación, la orientación al sur
geográfico, la inclinación sobre la horizontal y las características que tendrán las
estructuras de soporte de todo el sistema.
Demanda eléctrica necesaria
La demanda eléctrica determina la dimensión de nuestro sistema, la potencia de
generación que este tendrá.
La demanda puede ser obtenida directamente de un recibo eléctrico (en donde se
especifican los consumos diarios), y otro método consiste en realizar un
levantamiento y analizar y contar cada uno de los elementos electicos que
componen las zonas que se desean sujetar al sistema. Se realiza un enlistado de
cada uno de los componentes, describiendo el consumo que realiza cada uno, las
horas al día en que está en funcionamiento y se define una cantidad de horas en
las que el sol suministra buena cantidad de radiación. Se denomina “hora solar
pico”.
27
La energía consumida está dada por la cantidad de tiempo en el cual son
utilizadas. Es importante considerar que no todos los aparatos son utilizados al
mismo tiempo, ni en el mismo día, aun así es importante el tomarlos como un
consumo constante.
La energía diaria consumida, es posible obtenerla mediante la multiplicación de las
horas diarias por la potencia consumida (ecs 1.1):
Energíacons
=PTOTAL*Hpromedio [1.1]
Inclinación y orientación
Un panel solar genera electricidad incluso en ausencia de luz solar directa. Por
ende, un sistema solar generará energía aun con cielo nublado. Sin embargo, las
condiciones óptimas de operación implican: la presencia de luz solar plena y un
panel orientado lo mejor posible hacia el sol, con el fin de aprovechar al máximo la
luz solar directa todo el año.
En las latitudes de San Blas, localización de la planta HQ (tabla 2.1), la energía
captada por un panel dependerá de su orientación respecto al sol, la más
adecuado es colocar le módulo hacia el sur geográfico. De la misma forma, la
inclinación óptima dependerá de la latitud del lugar en donde se realizara la
instalación.
Latitud 21.6070
Longitud -105.276
Altitud 4.0
La latitud del sitio define la orientación e inclinación que deberá poseer un sistema
fotovoltaico. El realizar una instalación sobre una superficie horizontal, se
considera conveniente debido a que el montaje puede realizarse sobre estructuras
con condiciones óptimas de orientación e inclinación (tabla 2.2).
Tabla 2.1. Latitudes de San Blas México
28
Inclinación (θ) Tipo
Inclinación = latitud Máxima anual primavera y otoño.
Latitud - 15° Máxima para verano
Latitud + 15° Máxima para invierno
Elección del inversor
El inversor es el dispositivo encargado de convertir la energía de corriente
continua generada en los módulos fotovoltaicos, en corriente alterna. La
importancia de este dispositivo está basada en la funcionalidad que tiene dentro
de todo el sistema en general. Para lograr una interconexión este debe de operar
dentro de los estándares de tensión y frecuencia de la red.
Tabla 2.2. Ángulos de inclinación óptimos [4].
29
Capítulo 3: Metodología
3.1. Descripción del sistema
La instalación generadora fotovoltaica, destinada para los consumos eléctricos de
las instalaciones de la planta, será por conexión a la red eléctrica nacional (CFE).
El conjunto de generación en general esta descrito por 4 etapas; el sistema de
captación y generación de electricidad, está compuesto por un agrupación de
módulos fotovoltaicos conectados todos entre sí (teniendo un acomodo en paralelo
y serie). Están encargados de transformar la energía solar en eléctrica dando a
una corriente directa siendo proporcional a la potencia de irradiación solar
incidente en ellos.
Siguiendo con los inversores, facultados para el acondicionamiento de la energía
generada en la primera etapa; transforma la corriente continua en alterna, con una
onda senoidal y a una frecuencia de 60 Hz. Es importante contar con este
dispositivo, ya que no es posible administrar directamente la energía generada en
los módulos a la red.
La energía originaria de los inversores, puede ser dirigida de manera individual
hacia el medidor bidireccional, siendo el componente encargado de medir y
registrar la energía excedente generada por el sistema fotovoltaico y que no es
consumida en determinado momento del periodo diurno, por tanto los kWh
suministrados a la red son valorados como un crédito temporal, mismo que son
restados del total de su consumo final del bimestre.
Finalmente la energía, es dirigida a la red electica y al consumo solicitado por la
planta.
El sistema fotovoltaico se enfoca a la alimentación de las instalaciones eléctricas
(luces, contactos y aire acondicionado), de ciertos espacios seleccionados en
base a las funciones que realiza y las necesidades de estos. En las siguientes
30
figuras (3.1 y 3.2) se observa por medio de un plano arquitectónico, aquellas
zonas en las cuales se realizara la evaluación y análisis de consumos eléctricos.
La figura 3.1 se observan los espacios de las áreas administrativas (compras,
ventas, contaduría, sala de juntas, dirección, así como parte de sanidad (aduana
I), baños, ropería, control y vestidores.
Mientras que en la figura 3.2, es posible ver la parte de producción de HQ, a
comparación de con la primera imagen, en esta observamos que no todas las
zonas están seleccionadas, aquí solo se tomaran en cuenta pasillos, laboratorio y
oficinas de producción, así como parte de almacenamiento, proceso de tratado y
limpia de frutos. Además de los talleres aledaños (almacén y mantenimiento).
3.1.1. Características técnicas del sistema
El sistema de generación eléctrica para el parque fotovoltaico, está diseñado en
base a los datos de los componentes proporcionados por la compañía Global
Figura 3.1. Áreas administrativas de HQ.
Figura 3.2. Áreas productivas y almacén de HQ.
31
solare, proveedor seleccionado para la instalación del proyecto principal. Siendo
esta relación de trabajo y negocio, se ha hecho considerando una futura
instalación con interconexión a la red eléctrica nacional.
Modulo fotovoltaico
La selección del módulo está en base a la eficiencia y potencia. Se ha
seleccionado un módulo constituido por 60 células de silicio policristalino cuadrado
(156 mm x 156 mm) de alta eficiencia marca YINGLI. Línea YGE 60 CELL
SERIES 2, de 250 Watts de potencia, las dimensiones del módulo son de 1640
mm de longitud, 990 mm de ancho y 35 mm de alto, con un peso de 18.5 kg por
unidad (figura 3.3). Siendo el mejor en su tipo para el tipo de sistema planeado
(interconexión a red). Más datos del módulo fotovoltaico se muestran en anexo 1.
Inversor
El inversor a seleccionar debe proporcionar la potencia que pueda estar conectada
al sistema y las características de la instalación (monofásica, trifásica) en donde e
caso más crítico es cuando todas las cargas están en conexión al sistema en
general, así como cada uno de los parámetros de entrada del inversor. Se ha
seleccionado el inversor SUNNY TRIPOWER 24000TL-US, ideal para plantas de
gran tamaño, y posee un rendimiento del 98%, con una potencia máxima de
164
0 m
m
990 mm
Figura 3.3. Módulo policristalino
32
salida de 24 kW y con una tensión nominal AC de 480/277 V de corriente alterna,
3 fases, 3 hilos (figura 3.4); las características se muestran en el anexo 2.
3.2. Emplazamiento
El proyecto del sistema fotovoltaico se ubicara dentro de la planta de HQ-Flavor,
localizándose en (figura 3.5):
Coodenadas geograficas: 21.607, -105.276
Kilómetro 2.5, Carretera San Blas, Ejido de Chacalilla, Municipio de San
Blas, C.P. 63745
3.2.1. Orientación e inclinación
La inclinación y orientación del sistema, está basado en el uso que se le dará,
considerando que el sistema es para uso anual constante durante todo el año y fijo
(sin seguidores solares). Por ello estará acomodado conforme a los meses con
menor radiación en el año (invierno), con la finalidad de tener mayor seguridad de
Figura 3.4. Inversor trifásico.
Figura 3.5. Área designada del parque solar, coordenadas 21.607, -105.276
33
producción del sistema. Utilizando la ecuación 3.1, calculamos la inclinación
adecuada.
θ= latitud + 15° [3.1]
θ=21.60+15°
La instalación se encontrara con dirección hacia el sur y la inclinación tomada será
de 36.60° (sobre la horizontal) y con una ligera inclinación de 5° (sobre la vertical),
teniendo beneficio en la captación solar con respecto a la trayectoria del sol.
3.2.2. Radiación disponible
Las características climatológicas son variadas en todo el estado de Nayarit, es
por ello que la radiación en algunas partes del mismo es variada. La tabla 3.2
representa datos promedios anuales presentados en el municipio sector del
emplazamiento del sistema.
SAN BLAS, NAYARIT MÉXICO
MES Temperatura del aire
Humedad Relativa
Radiación solar diaria-horizontal
Presión atmosférica
Velocidad del Viento
Temperatura de la tierra
Calefacción grados-día
Enfriamiento grados-día
°C % kWh/m2
/d kPa m/s °C °C-d °C-d
Enero 21.2 55.60% 4.64 95.6 3 22.4 0 361
Febrero 21.2 53.90% 5.64 95.5 3.1 23 0 328
Marzo 21.4 51.40% 6.82 95.5 3.5 23.9 0 363
Abril 22.7 51.70% 7.43 95.4 3.3 25.77 0 388
Mayo 24.2 56.10% 7.83 95.3 2.9 25.5 0 448
Junio 24.7 72.60% 7.35 95.3 2.2 27.3 0 449
Julio 24.8 78.50% 6.5 95.5 2.1 26.7 0 465
Agosto 24.9 79.00% 6.13 95.4 1.9 26.7 0 472
Septiembre 24.8 79.30% 5.5 95.3 2.3 26.3 0 453
Octubre 24.2 74.00% 5.58 95.4 2.5 25.6 0 453
Noviembre 23.1 64.30% 5.02 95.5 2.7 24.2 0 409
Diciembre 22.3 56.60% 4.32 95.6 2.9 23.4 0 395
ANUAL 23.29 64.42% 6.06 95.44 2.7 25.06 0 4984
Tabla 3.2. Datos meteorológicos y energía solar para San Blas, Nayarit México. [5]
34
En base a la tabla de la radiación disponible en San Blas, para la zona de la
instalación, podemos hacer un cálculo correspondiente a un promedio con los
valores más bajos. Es de considerar que la instalación será fijo durate todo el año
de igual modo que su uso, esto para brindar más confiabilidad al sistema.
La radiación solar anual promedio es de 6.06 kWh/m2, donde la máxima se
presenta en el mes de mayo con 7.83 kWh/m2 y la mínima en diciembre con 4.32
kWh/m2. El promedio será basado con las 3 radiaciones más bajas del año, las
cuales corresponden al mes de diciembre, enero y noviembre.
Por ello el promedio será:
Pradiación=4.32
KWh
m2 +4.64KWh
m2 +5.02KWh
m2
3
Pradiación=4.66≅5.0 KWh m2⁄
Por lo tanto se trabajara bajo la condición de radiación de 5.0 kWh/m2, para todo el
año, ya que este sistema estará de manera estática (sin sistemas de seguimiento
solar).
3.3. Dimensionamiento fotovoltaico
El dimensionamiento consiste principalmente en los cálculos de la construcción del
sistema, la cantidad y el arreglo de los elementos electrónicos que lo componen.
3.3.1. Estimación de consumos eléctricos
El sistema está diseñado para ser utilizado durante todo el año; un consumo
constante por los usuarios. Limitado hacia tres puntos específicos: luminarias,
contactos y climatización.
35
EQUIPOS TIPO CONSUMO POR UNIDAD
(W) CONSUMO X UNIDAD (KW)
LUMINARIAS
Fluorescente
DE 32 lineal 64 0.064
DE 60 lineal 120 0.12
DE 28 lineal 56 0.056
DE 75 lineal 150 0.15
DE 38 lineal 76 0.076
LED
DE 35 70 0.07
DE 10 10 0.01
Aditivos metálicos
DE 400 400 0.4
DE 1000 1000 1.00
Vapor sodio alta presión 150 0.15
Wall pack 150 0.15
Inducción 100 0.1
Incandescente 60 0.06
CLIMATIZACIÓN
Mini Split
1 ton 1200 1.2
1.5 ton 1700 1.7
2 ton 2280 2.28
3 ton 3400 3.4
CONTACTOS
Contactos
Sencillo 300 0.3
Dúplex
DE 250 250 0.25
DE 300 300 0.3
DE 500 500 0.5
DE 900 900 0.9
Tabla 3.3. Consumos por equipos (W y KW).
36
La tabla 3.4 es un acumulado de las potencias consumidas de cada uno de los
artefactos que se encuentran en las áreas beneficiadas con el sistema FV
CARGAS ELÉCTRICAS
TIPO UNIDAD Unidades
V (volts) A
Consumo (W)
CONSUMO X UNIDAD
(KW) Consumo
(KW) HORA POTENCIA
KWH
LUMINARIAS
Fluorescente 234
DE 32 lineal Gabinete 158 127 0.504 64 0.064 10.112 7 70.784
DE 60 lineal Gabinete 28 127 0.945 120 0.12 3.36 8 26.88
DE 28 lineal Gabinete 40 127 0.441 56 0.056 2.24 6 13.44
DE 75 lineal Gabinete 3 127 1.181 150 0.15 0.45 8 3.6
DE 38 lineal Gabinete 5 127 0.598 76 0.076 0.38 8 3.04
LED 37
DE 35 Gabinete 33 127 0.551 70 0.07 2.31 7 16.17
DE 10 Pieza 4 127 0.079 10 0.01 0.04 7 0.28
Aditivos metálicos 4
DE 400 pieza 3 220 1.818 400 0.4 1.2 8 9.6
DE 1000 pieza 1 220 4.545 1000 1.00 1 8 8
Vapor sodio alta presión Pieza 4 220 0.682 150 0.15 0.6 8 4.8
Wall pack Pieza 8 220 0.682 150 0.15 1.2 8 9.6
Inducción Pieza 2 220 0.455 100 0.1 0.2 7 1.4
Incandescente Pieza 1 127 0.472 60 0.06 0.06 7 0.42
CLIMA
Mini Split 19
1 ton Pieza 12 220 5.455 1200 1.2 14.4 8 115.2 1.5 ton Pieza 1 220 7.727 1700 1.7 1.7 8 13.6
2 ton Pieza 5 220 10.364 2280 2.28 11.4 8 91.2
3 ton Pieza 1 220 15.455 3400 3.4 3.4 4 13.6
CONTACTOS Contactos 108
Sencillo Pieza 7 127 2.362 300 0.3 2.1 8 16.8
Dúplex 101
DE 250 Pieza 3 127 1.969 250 0.25 0.75 8 6 DE 300 Pieza 62 127 2.362 300 0.3 18.6 8 148.8
DE 500 Pieza 21 127 3.937 500 0.5 10.5 8 84
DE 900 Pieza 15 127 7.087 900 0.9 13.5 8 108
Tabla 3.4. Consumos Wh por equipos
37
(fotovoltaico), el cual especifica los voltajes y corrientes, así como las horas que
están en uso (jornada laboral de 8 horas.
La carga final de todas las zonas favorecidas, está dada por la sumas de cada
consumo por todas unidades en kW (ecs. 3.2):
PTOTAL= ∑ Consumo (kW) [3.2]
Es posible calcular un promedio de uso en general (ecs. 3.2), sumando todas las
horas que se encuentran descritas en la tabla 3.4, después siendo dividido entre el
número de los tipos de dispositivos.
HPromedio=∑ horas
N° tipos de dispositivos [3.3]
HPromedio=165
21=7.85≅8 horas
Tenemos que hay un total de 7.85 horas, siendo cercano a las 8 horas en las
cuales conlleva a una jornada laboral, es decir que es la cantidad de horas
promedio que es necesaria la electricidad para cada una de las zonas por día
(ecs. 1.1).
Energíacons
=(99502 W)(8 h)=796.016 kW-h
El requerimiento para alimentar las áreas, demandan de una potencia de 796.016
kW (gran escala), esto suponiendo que se tiene un uso constante de todas las
instalaciones al día durante 8 horas.
En base a ciertos requerimientos solicitados por la empresa HQ Flavor y con
respecto a situaciones legales actuales, la capacidad instalada será menor a la
calculada, siendo de 500 kW de potencia instalada; El dimensionamiento será en
base a la potencia solicitada.
38
3.3.2. Cálculo de módulos solares
Para un dimensionamiento del generador fotovoltaico, es iniciado una vez
conocido la demandad requerida hacia el sistema, así como de la energía solar
disponible para alimentarlo.
La fórmula 3.4, permite conocer la cantidad de paneles necesarios para cubrir la
demanda necesaria; siendo el total de consumo eléctrico en kWh/día, entre la
energía del panel (o potencia pico), corresponde a la potencia máxima entregada
bajo condiciones estandarizadas (STC- Standard Test Condition).
N°panel=Energía Consumo
Pmódulo= [3.4]
Sin embargo, la energía entregada real del panel, está dada por la acción de la
potencia del módulo, de las horas de sol pico del mes (o meses) promedio y
finalmente por el factor de forma. Recordando, el sistema es fijo, y por tanto
consideramos los meses con menos radiación, por tanto la energía del panel será
diferente (ecs. 3.5).
Pmódulo=Vmpp* Impp * hrs [3.5]
Vmpp: Voltaje de funcionamiento óptimo
Impp: Corriente de funcionamiento óptimo.
hrs: horas solar disponible (ecs. 3.6).
Hrs=Irradiación prom.
1000W
m2
= [3.6]
5000 WH/m2
1000W/m2=5 hrs
Aplicando la ecuación 3.5, podremos calcular el número de módulos requeridos:
N°panel=500 000 WH
29.8*8.39*5=399.96 =400 módulos
39
De acuerdo al cálculo final, concluimos que son necesarios 400 módulos
fotovoltaicos para generar la energía deseada.
3.3.3. Arreglo fotovoltaico
Para el arreglo que tendrá la instalación de las filas y columnas que tendrá entre
sí, (ecs. 3.7 y 3.8).
N° FVserie=VInv
VFV [3.7]
N°FVparalelo=IInv
IFV [3.8]
Siendo la ecuación 3.7 para el número de filas de módulos en serie que se van a
conectar para un inversor y ecuación 3.8 para el número de arreglo en paralelo.
Los cálculos del acomodo del sistema de generación, es determinado con los
datos técnicos de entrada del inversor y los de salida del módulo fotovoltaico, en el
caso de los datos para el inversor, se tomaran aquellos referentes al MPPT
nominal, marcando en ellos un promedio de trabajo.
Dónde:
VInv: Tensión de entrada del inversor.
VFV: Tensión de salida del módulo fotovoltaico.
IInv: Corriente de entrada del inversor.
IFV: Corriente de salida módulo fotovoltaico.
Siendo por lo tanto:
1. Módulos en serie
Vinv=450+800
2=625 V
40
N°FVserie=625
29.8= 20.97≅21
∴19 módulos en serie
2. Módulos en paralelo
El inversor presenta dos valores correspondiente a la corriente, la máxima y la
MPP tracker (Punto de máxima potencia de entrada de seguimiento, anexo 2).
Para ello tomaremos un promedio ente ellos como anteriormente se realizó con su
tensión, por tanto tenemos.
Iprom.inv=66+33
2=49.5 A
N° FVparalelo=49.5
8.39=5.89≅6 módulos en paralelo
El resultado, nos ofrece un arreglo compuesto por de 21 módulos en serie y 6 en
paralelo, teniendo 126 módulos por grupo (por inversor). Para asegurar que el
cálculo fue correcto, aseguramos que la tensión de los 21 módulos no rebase la
tensión de entrada del inversor, esto mediante la siguiente la siguiente
formulación:
Multiplicando la cantidad de módulos por el voltaje de salida de los mimos:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
2
3
4
5
6
Filas
Figura 3.6. Acomodo calculado por inversor.
Co
lum
na
s
41
(21 módulos)(29.8)=625.8
Obtenemos como resultado que la tensión se encuentra dentro del rango en el que
trabaja el inversor que va 450-800 V, siendo el arreglo correcto.
Del mismo modo que en el acomodo en serie, se hace una comprobación para los
que están en paralelo:
Multiplicando la cantidad de módulos por la corriente de salida del mismo:
(6 módulos)(8.39)=50.34
El valor de la corriente se encuentra acorde a la capacidad del inversor, que va de
66-33 A.
Cabe mencionar que el arreglo calculado no es el que obligatoriamente debe ser
implementado (figura 3.6), solamente es un cálculo referente a las conexiones
para tener las condiciones necesarias para el desempeño adecuado del inversor,
es decir, podemos tener un acomodo en serie de 21 o menos y en paralelo puede
ser de 6 o menos. Por cuestiones de seguridad, consideramos un acomodo menor
al calculado. El arreglo final para nuestro sistema de generación estará compuesto
por 5 filas de 16 módulos en serie como se muestra en la figura 3.7.
Comprobando nuevamente:
(16 módulos)(29.8)=476.8
(5 módulos)(8.39)=41.95
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
2
3
4
5
Figura 3.7. Arreglo del generador fotovoltaico.
42
Los valores se encuentran dentro de los puntos de trabajo del inversor, teniendo
márgenes entre su punto de máximo trabajo, pero manteniéndonos dentro de su
corriente MPP.
Cada grupo es conformado por 80 módulos solares para cada inversor.
3.3.4. Cálculo de inversores
La cantidad de inversores en nuestro sistema (ecs 3.9) es calculada en base a la
cantidad total de módulos con los que está conformado nuestro sistema y el
número de paneles que hay en el arreglo.
N°Inversor=N°panel
N° de módulos en arreglo [3.9]
N°Inversor=400
80=5
Obtenemos 5 inversores como resultado; es importante asegurar que se cubre la
potencia que se desea cubrir, por tanto:
Multiplicamos la cantidad de inversores por la potencia de salida del mismo,
teniendo:
(5 inversores)(24.5 kW)=122.5 kW
Tenemos una potencia entregada de 122.5 kW, siendo mayor a la potencia total
de la carga calculada de 99.502 kW, siendo la cantidad de inversores adecuada
para el sistema de generación eléctrica fotovoltaica.
3.4. Determinación de la dimensión del sistema
generador
43
Es posible hacer un dimensionamiento de una variedad de formas, esto
dependiendo del área disponible, en este caso no se cuenta con un área
específica. En base a las dimensiones del panel dadas por la ficha técnica del
módulo (anexo 1), se optara por 5 grupos de 16 x 5 módulos (figura 3.8), teniendo
finalmente un aglomerado de 400 paneles. En este arreglo tenemos las
condiciones de entrada de cada uno de los inversores.
3.4.1. Sombras y distancias óptimas
La distribución de los paneles es fundamental, cuidando la posición adecuada
para no causar sombras entre ello y no afectar el sistema. Se tiene que acomodar
de tal manera que al medio día, la sombra del borde superior el módulo se
proyecte, como máximo sobre el borde inferior del panel siguiente (figura 3.9).
Dónde:
16 m
8.2
m
Figura 3.8. Medidas del arreglo fotovoltaico en metros.
Figura 3.9. Diagrama de la distancia óptima entre módulos.
44
𝐷𝑚𝑖𝑛: Distancia optima mínima entre bordes de módulos
L: Longitud del panel (m)
h: Altura solar a medio día (m).
β: Grado de inclinación del módulo respecto a la horizontal.
θ: Ángulo de inclinación del módulo respecto a la horizontal.
a: Distancia del borde inferior del panel al borde inferior del otro (m).
b: Distancia del borde inferior del panel al borde superior del mismo
respecto a la horizontal (m).
Recordando las características de nuestro sistema:
Modo de rastreo solar Fijo
Inclinación 37°
Periodo de uso Todo el año
Dimensiones del panel fotovoltaico.
Longitud (m) 1.64
Ancho (m) 0.99
Alto (m) 0.035
En base a los datos base, se procede a calcular la altura solar al medio día (ecs.
3.10):
h= sin β *L= [3.10]
h= ( sin 37°)(1.64 m) =0.986 m
Con los mismo datos, se calcula la distancia b (ecs. 3.11).
b= cos β *L= [3.11]
b=( cos 37°) (1.64 m)=1.309 m
45
Considerando el ángulo de inclinación del panel (37°) y los ángulos rectos que se
forman, se obtiene el ángulo faltante, determinando que el ángulo 𝜃 corresponde a
53°. Continuando con el cálculo de la distancia a:
a=h
tan θ= [3.12]
a=0.986
tan 53°=0.743
Sumando por ultimo las distancias calculadas, para la distancia total mínima
requerida, con el fin de evitar sombras entre ellos.
Dmin=a+b=
Dmin=1.309+0.743=2.053 m
Por tanto, debe de existir una distancia igual o mayor a 2.053 metros entre los
bordes inferiores de cada módulo. La distancia que debe de haber entre el inicio y
el final de cada panel es igual a la distancia mínima calculada menos la longitud
del módulo.
Dmod.FV=Dmin-L=2.053-1.64=0.413 m
Por tanto, la distancia puede ser igual o mayor a la calculada, en este caso se
tomara un margen mayor de 0.7 metros entre ellos.
3.4.2. Distribución y dimensión del parque solar
La distribución del sistema está compuesto por 5 grupos (inversores) con 80
paneles cada uno, tomando en cuenta las medidas normales de cada uno de los
módulos por series (filas) así como la distancia óptima entre columnas (paralelo),
se tiene un acomodo final por grupa como se muestra en la figura 3.10.
46
Se considera aplicar una distancia entre paneles de 0.5 m en las filas, con la
finalidad de tener una mejor comodidad de caminar y acceso a los módulo para
mantenimiento. Aplicando además una inclinación de 5 grados, así teniendo un
beneficio mayor de captación considerando el recorrido solar que este astro tiene.
Se tendrá un área de 263.2 m2 (para 80 paneles). Por tanto considerando que se
tienen 5 grupos en total el arreglo del sistema de generación final quedará
compuesto como se muestra en la figura 3.11.
El sistema de generación final compuesto por 400 módulos, necesitando un
área total de 1567.5 m2.
23.5 m
11.2
m
Figura 3.10. Distribución por grupo de módulos.
Figura 3.11. Esquema del sistema fotovoltaico.
47
Para una visualización más cercana y real, se realizó un diseño virtual por
medio del programa SketchUp (figura 3.12), en el cual se construyó con
medidas reales del diagrama de la figura 3.11
.
Figura 3.12. Diseño virtual del sistema fotovoltaico.
48
Capítulo 4: Resultados y Discusiones
El sistema fotovoltaico ha sido dimensionado bajo las especificaciones por petición
de la dirección general de HQ Flavor, Se realizó un dimensionamiento de una
planta solar fotovoltaica de 500 kW de potencia, con una conformación de 400
módulos de 250 watts de potencia, que tendrá un área de ocupación de 1567.5
m2.
Las especificaciones por la empresa se basaron principalmente para que el
parque pueda cubrir una demanda en áreas administrativas y en ciertas zonas de
producción, calculada en un poco más de 700 kW, pero en base a las
especificaciones de CFE para un contrato de mayor capacidad instalada (Anexo
3), es necesario tramitar otro tipo de contrato y una petición. El Ing. David Tapia,
requirió que el sistema sea diseñado para que el contrato sea sencillo de tramitar,
ya la empresa aún sigue en procesos fiscales de la adquisición de la misma,
manteniendo una dimensión de media escala.
El diseño del sistema consistió básicamente en solo el dimensionamiento teórico
que podría ser el futuro parque solar; la dimensión y el lugar a ocupar en la planta.
Esto para poderla conservar y dar inicio a la limpia de la zona, la cual solo requiere
un arreglo del nivel del suelo, ya que toda la zona es espacio libre (Figura 4.1).
Figura 4.1. Espacio libre para parque solar.
49
Dicha área será conservada y adecuada, esto después de la remodelación y
expansión que se realizará el siguiente (2016). Para una mejor percepción del
proyecto se realizó un diseño virtual en SketchUp 2015, mostrando donde y como
sería la localización y orientación del parque con respecto al sur (figura 4.2).
Figura 4.2. Diseño virtual del parque solar en HQ Flavor.
50
Sin embargo este estudio es solo una idea y propuesta para el proyecto real a
realizar, ya que el proyecto será desarrollado por la empresa Global Solare, quien
llevará la batuta para la materialización de este parque fotovoltaico y que además
será el responsable de las solicitudes de la interconexión con CFE y seguir los
requerimientos de seguridad y construcción con FIRCO.
Este proyecto es prometedor para HQ, mediante unos cálculos (ecs. 4.1)
determinamos la cantidad y los alcances de los ahorros financieros que se podrán
obtener:
(𝐏𝐨𝐭𝐞𝐧𝐜𝐢𝐚 𝐝𝐞𝐥 𝐬𝐢𝐬𝐭𝐞𝐦𝐚 𝐟𝐨𝐭𝐨𝐯𝐨𝐥𝐭𝐚𝐢𝐜𝐨 (𝐤𝐖 − 𝐡))(𝐇𝐫𝐒) = 𝐗 [4.1]
(𝐗)($𝐤𝐖𝐡 + 𝐈𝐕𝐀)(𝐝𝐢𝐚𝐬 𝐝𝐞 𝐦𝐞𝐬 𝐨 𝐚ñ𝐨) = $ [4.2]
En promedio se consumen poco más de 120 kWh en un mes y con pagos de un
poco más de los 100 mil pesos mensuales. Si aplicamos las formulaciones
anteriores (ecs. 4.1, 4.2)
(𝟏𝟎𝟎 𝒌𝑾𝒉)(𝟓𝒉𝒓𝒔) = 𝟓𝟎𝟎 𝒌𝑾𝒉
(𝟓𝟎𝟎 𝒌𝑾𝒉)(𝟏. 𝟐𝟒 + 𝟎. 𝟏𝟗𝟖)(𝟑𝟎) = $𝟐𝟏, 𝟓𝟕𝟎. 𝟎𝟎 𝑴. 𝑵
Es posible tener ahorros de 20 mil pesos mensuales y que anuales llegan a ser un
poco más de los 258,800.00 mil pesos. Es importante considerar que estos
ahorros y precios están ligados a los costos de los kW que se tienen por mes y
que estos varían en la temporada y así como las nuevas estructuras
constituciones con respecto a los costos de luz.
La aplicación y el interés del desarrollo de proyectos que impulsen el uso de las
energías renovables se puede ver cada día en diferentes sectores y aumentando.
Esto mucho más dentro de la industria, con fines tanto financieros como por
enfoques al cuidado del medio ambiente. Las transiciones a nuevas zonas de
oportunidad en el ámbito energético hacen que la importancia a optar por estas
fuentes crezcan, hoy en día los empresarios ven esto como una oportunidad y una
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gran inversión. HQ ha planteado y visualizado la empresa que desea ser, y su
impacto positivo a la sociedad y el mundo en general.
El desarrollo e instalación de un parque solar, no es suficiente para generar
ahorros energéticos, es recomendable realizar una auditoria principalmente en
áreas administrativas, existen algunos puntos que son posibles mejorar para
reducir aún el consumo, en luminarias y en clima. Ya que presentas puntos de
pérdidas de energía por calor del exterior y mal uso de luz. Es importate que el
movimiento y el desarrollo de vías sustentables con fines energéticos, conllevan
otras actividades adicionales que hacen que el sistema en general tenga una
mejor funcionalidad, ya que el sistema solo no puede trabajar, necesita apoyo por
parte de los usuarios a ser beneficiados. Con esto ayudando a masificar los
resultados deseados.
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Capítulo 5: Conclusiones y Recomendaciones
Los altos gastos monetarios en electricidad en la empresa HQ, han impulsado a la
búsqueda y aplicación de tecnologías que ayuden a encontrar y conseguir un
mejor manejo de sus recursos energéticos, y así tener ahorros financieros
significativos, esto mediante una central fotovoltaica, que cogenere energía
eléctrica para a las instalaciones de su compañía.
La realización de un análisis de cargas, en las instalaciones de las áreas
administrativas y de producción, mediante la potencia de los dispositivos por el
número de horas en uso, arrojaron una demanda mayor de lo esperado (700 kW),
sin embargo esto represento un problema para HQ en relación a contrato de
interconexión, por ello se delimito a que este sea no mayor de 500 kW, dejándolo
a media escala, cubriendo solo un 70% de la demanda real de las instalaciones
selectas.
EL análisis realizado, influyo en la determinación del sistema generador, ya que
definió la cantidad de los dispositivos electrónicos con los cuales estará
compuesta la central, teniendo 400 módulos policristalinos y 5 inversores. EL
diseño de la formación y emplazamiento del sistema propuesto, se debió en base
a las especificaciones de la fase de dimensionado, lo cual implicó los cálculos de
la conexión entre cada dispositivo por sus datos de entrada y salida,
concretándolo en 5 grupos de 80 módulos, pasando a definir su localización final,
la orientación y distribución de sus espacios con respecto al sol, cuidando que se
mantengan en distancias óptimas para no generar sombras que perjudiquen el
sistema en sí.
La estructura general representa la ocupación de una cantidad de espacio
significativo en los terrenos de la empresa, se determinó una ocupación final de
1567.5 m2, esto porque se definió en base a la distribución de los espacios entre
cada grupo y la separación de los módulos entre sí. El diseño de la propuesta se
plasmó por medio de un dibujo virtual, debido a que complementa y ejemplifica
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con una perspectiva más real del impacto visual y de colocación en los entornos
de HQ Flavor.
El diseño y dimensionamiento el parque solar fotovoltaico para HQ, es el método
de conocimiento que representa este proyecto, su formación y la estructura de su
cuerpo; Personifica una vía para conseguir y tener ahorros significativos en los
gastos de electricidad generados por las instalaciones eléctricas de los sectores
de oficinas administrativas, con la construcción y su desarrollo ayudaría a la
disminución mensualmente una pequeña parte de esos gastos, además de
representar mayores ahorros por amortización de la aplicación de estas
tecnologías. Significativamente esto prototipo representa una inversión
aproximada de 3 millones de pesos, teniendo un retorno de la inversión de 10 a 11
años, peor hay que señalar que la vida de estos sistemas llegan atener de un
alcance de 25 años.
El interés del desarrollo de proyectos que impulsen el uso de las energías
renovables se puede ver cada día en diferentes sectores y aumentando, con fines
tanto financieros como por enfoques al cuidado del medio ambiente. Las
transiciones a nuevas zonas de oportunidad en el ámbito energético hacen que la
importancia a optar por estas fuentes crezcan y hoy en día los empresarios ven
esto como una oportunidad. HQ ha planteado el reto de este desarrollo, la
implementación de estos métodos de generación energética para ahorros
financieros, permite y da paso a la inversión en otras áreas, impulsando un
crecimiento y expansión de la empresa misma.
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Bibliografía
[1] Alcor Cabrerizo, Enrique. Instalaciones Solares Fotovoltaicas. 3ª edición.
España: editorial: PROGENSA, Promotora general de estudios, S.A. 2002. pp 271.
[2] N.M Pablo, Aspectos Metodológicos para la Conexión de Generación
Fotovoltaica a las Redes de Distribución. México, D.F. 2009. pp 14, 16,17.
[3] Marco Prosperi, Claudio Minelli. Energía Solar Fotovoltaica, proyecto RES
&RUE Dissemination, Dossier Técnico, Confederación de consumidores y
Usuarios, 2015. [Online] Disponible en:
cecu.es/campanas/medio%20ambiente/res&rue/htm/dossier/2%20fotovoltaica.htm
[4] Guía de Usuario, Sistemas Fotovoltaicos Interconectados con la Red
Aplicaciones de Pequeña Escala. Primera edición, Versión electrónica, México
2010. [Online] Disponible en: ecotec.unam.mx/Ecotec//wp-content/uploads/Guia-
de-Usuario-para-Sistemas-de-Interconexion.pdf
[5] Paul W. Stackhouse, Jr., Ph.D., Charles H. Whithlock, Ph.D., Surface
meteorology and Solar Energy. NASA´s Earth Science Enterprise. Atmospheric
Science Data Center. 2015. [Online] Disponible en:
https://eosweb.larc.nasa.gov/sse/RETScreen/
[6] Asociación de la industria Fotovoltaica. ASIF, Energía solar fotovoltaica en la
comunidad de Madrid, 3ª Edición, Imprenta Modelo, S.L. Madrid España, 2003.
Pp. 21
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Anexos
Anexo 1: Ficha técnica del módulo YINGLI 250 W
56
Anexo 2: Ficha técnica de Inversor SUNNY TRIPOWER
24000TL-US
57
Anexo 3: Conceptos de aplicación de los modelos de contratos de interconexión y de los convenios de servicios de transmisión para fuentes de Energías Renovables o Cogeneración Eficiente.
