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MANUAL DE IMPLEMENTACION DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

EN VIVIENDAS “ECO”.

VICTOR MANUEL OSPINO

LAURA ISAZA

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE ESPECIALIZACIÓN EN GERENCIA DE OBRAS

BOGOTÁ D.C – 2016

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MANUAL DE IMPLEMENTACION DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

EN VIVIENDAS “ECO”.

VICTOR MANUEL OSPINO

LAURA ISAZA

Trabajo de grado para obtener el título de especialista en Gerencia de

obras.

ASESOR: SIGIFREDO ARCE LABRADA

IQ, II ,MBA,MGP

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE ESPECIALIZACIÓN EN GERENCIA DE OBRAS

BOGOTÁ D.C – 2016

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Nota de aceptación

______________________________________

______________________________________

______________________________________

______________________________________

Presidente del Jurado

______________________________________

Jurado

______________________________________

Jurado

Bogotá D.C.Noviembre 2016.

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TABLA DE CONTENIDO:

1. RESUMEN ................................................................................................................................ 8

1.2 SUMMARY ............................................................................................................................ 10

2. OBJETIVOS ........................................................................................................................... 12

2.1 OBJETIVO GENERAL ........................................................................................................... 12

2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS ................................................................................................... 12

3. MARCOS ................................................................................................................................ 13

3.1 MARCO TEÓRICO ...................................................................................................................... 13

3.2 MARCO JURÍDICO ...................................................................................................................... 13

3.3 MARCO GEOGRÁFICO .............................................................................................................. 14

3.4 MARCO DEMOGRÁFICO ............................................................................................................. 15

3.5 MARCO CONCEPTUAL ............................................................................................................... 15

3.5.1 LA ENERGÍA SOLAR: ............................................................................................................ 15

3.5.2 LOS ORÍGENES DE CELDAS SOLARES: ................................................................................. 15

3.5.3. COLECTOR SOLAR TÉRMICO: .............................................................................................. 16

3.5.4. ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA ........................................................................................ 17

3.5.5. ESTRUCTURA: ..................................................................................................................... 18

3.5.6. USO DE LA ENERGÍA: .......................................................................................................... 18

3.5.7. COSTO DE PANELES: .......................................................................................................... 19

3.5.8. RECICLAJE DE PANELES: .................................................................................................... 19

3.5.8.1. Dos de las soluciones de reciclaje más comunes son: ...................................... 20

4. ESTADO DEL ARTE ............................................................................................................. 21

4.1 LA CASA A LA QUE NO LE PREOCUPA EL APAGÓN ................................................................... 22

4.2 COLEGIO DISTRITAL RAMÓN JIMENO ..................................................................................... 24

4.3 EDIFICIO ALKOSTO DE LA AVENIDA 68 BOGOTÁ D.C. ............................................................ 25

5.METODOLOGIA ..................................................................................................................... 26

5.1 METODOLOGÍA INVESTIGATIVA ............................................................................................... 26

5.2 METODOLOGÍA PRACTICA ....................................................................................................... 27

6

6. MANUAL DE IMPLEMENTACIÓN DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA................. 27

INTRODUCCIÓN: ............................................................................................................................. 27

CAPÍTULO 1 .............................................................................................................................. 34

6.1 COMPONENTES DEL SISTEMA: ................................................................................................. 34

6.1.1- Módulos fotovoltaicos ................................................................................................. 34

6.1.2 - Regulador de carga ................................................................................................... 38

6.1.3- Baterías y sistemas acumuladores solares ............................................................ 40

6.1.4- Inversor o Convertidor DC/AC .................................................................................. 44

CAPÍTULO 2 .............................................................................................................................. 46

6.2- PROCEDIMIENTO PARA EL CÁLCULO DE UNA INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA AISLADA: .......... 46

CAPÍTULO 3 .............................................................................................................................. 61

6.3 MODELO TIPO DE VIVIENDA CON IMPLEMENTACIÓN DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA ...... 61

DATOS DE UBICACIÓN Y ORIENTACIÓN: .......................................................................... 61

CONSUMOS. ............................................................................................................................ 61

CALCULOS DE MODULOS .................................................................................................... 64

CALCULOS REGULADORES .................................................................................................. 65

CALCULO DE BATERIAS ....................................................................................................... 66

INVERSOR –CARGADOR ........................................................................................................ 67

RESUMEN ................................................................................................................................ 68

CAPÍTULO 4 .............................................................................................................................. 69

6.4 COSTOS CASO MODELO .......................................................................................................... 69

7. CONCLUSIONES:.................................................................................................................. 71

8. GLOSARIO ............................................................................................................................. 72

BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................................ 75

TABLA DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1Casa de la familia Serrano Diazgranos ................................................................. 23

7

Ilustración 2Hugo Serrano chequea el sistema de paneles solares ...................................... 23

Ilustración 3 Sistema de almacenamiento de energía .............................................................. 24

Ilustración 4 Colegio Distrital Ramón Jimeno ............................................................................ 25

Ilustración 5Edificio Alkosto de la avenida 68 Bogotá D.C ...................................................... 26

Ilustración 6 Panel solar fotovoltaico Ingemecánica ................................................................. 34

Ilustración 7 Cubierta exterior Ingemecánica ............................................................................. 35

Ilustración 8 Curvas de funcionamiento de módulos fotovoltaicos Ingemecánica ............... 37

Ilustración 9 Curvas I-V y de Potencia Ingemecánica .............................................................. 37

Ilustración 10 Regulador de carga Ingemecánica ..................................................................... 38

Ilustración 11 Batería Ingemecánica ........................................................................................... 41

Ilustración 12 manual calculo fotovoltaico Ingemecánica ................................................................ 41

Ilustración 13 Asociaciones de Baterías manual calculo fotovoltaico Europe sunfield ............ 43

Ilustración 14 Convertidor de corriente DC/AC manual calculo fotovoltaico Europe sunfield . 44

Ilustración 15manual calculo fotovoltaico Europe sunfield ............................................................. 48


Ilustración 17 manual calculo fotovoltaico Europe sunfield ............................................................ 49

Ilustración 18 PVGIS, que es una aplicación online gratuita manual calculo fotovoltaico

Europe sunfield ................................................................................................................................. 50



Ilustración 21 Manual calculo fotovoltaico Europe sunfield ........................................................... 52











Ilustración 32 (PWM) Y (MSW) manual calculo fotovoltaico Europe sunfield ........................... 59


Ilustración 34Manual calculo fotovoltaico Europe sunfield ............................................................ 63




Ilustración 38 Tabla de valores futuros ............................................................................................. 70

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1. RESUMEN

“En Colombia, a finales del siglo XIX se empezó a prestar el servicio de energía

eléctrica, cuando miles de habitantes de la capital del país vieron cómo se esparcía

la luz de un centenar de lámparas que iluminaban las calles de Bogotá. Este hecho

fue el resultado de la iniciativa de inversionistas privados, quienes crearon las

primeras empresas que tenían como finalidad generar, distribuir y vender

electricidad”. (creg, 2016)

Desde entonces, la energía eléctrica ha jugado un papel fundamental en el

desarrollo del país, extendiéndose desde su punto de inicio, el alumbrado público,

hasta los alcances que tiene hoy en día, en hogares, fábricas, y medios de

transporte; Sin ella, la vida no sería como la conocemos en la actualidad.

Desde sus inicios, la forma de obtener energía eléctrica en el país ha evolucionado

constantemente, centrándose principalmente en las fuentes hidroeléctricas, que

actualmente generan el 65% de la energía total de la nación.

A pesar de esto, y de los grandes esfuerzos y proyectos realizados, nuestro país

está hoy lejos de ser uno de los mayores productores de energía eléctrica a nivel

mundial, ocupando, según la CIA World Factbook, el puesto 45, entre 210 países

productores, con una producción anual de 56,900 GWh, y muy por debajo de los

países más productores, como Estados Unidos (4,325,900 GWh), China (4,206,500

GWh), y Japón (1,145,300 GWh). (SEBASTIAN ARISTIZABAL GONZALEZ, 2016)

Por otro lado, de algunos años para acá, y buscando ponerle freno al cambio

climático, las fuentes de energía renovable han tenido un protagonismo importante

a nivel mundial, consolidándose como una nueva alternativa de producción de

energía. Entre este tipo de fuentes se encuentra la energía fotovoltaica, más

conocida como energía solar.

La energía solar fotovoltaica es un tipo de electricidad renovable obtenida

directamente a partir de la radiación solar mediante un dispositivo semiconductor

denominado célula fotovoltaica, o en palabras más sencillas, es la transformación

directa de la radiación solar en electricidad, que se produce en unos dispositivos

denominados paneles fotovoltaicos.

Colombia, a pesar de tener condiciones ideales para la generación de energía por

medio de paneles solares, debido a sus altos niveles de radiación solar, es un país

que todavía no explota de forma adecuada esta tecnología, como si lo están

haciendo ya otros países.

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“La capacidad instalada de energía solar en Alemania es casi el doble a la

capacidad eléctrica total de Colombia.”

Datos como este, demuestran lo atrasado que se encuentra nuestro país con

respecto al tema de la energía fotovoltaica.

En la actualidad, Colombia cuenta con una capacidad instalada de 6MW de energía

solar, de los cuales más del 50% están destinados a llevar energía a las zonas

rurales más apartadas, donde la energía convencional terrestre no ha llegado.

Según cifras del IPSE (Instituto de Planificación y Promoción de Soluciones

Energéticas para las zonas No Interconectadas), a octubre de 2012, las zonas no

interconectadas corresponden al 52% del territorio nacional, 17 departamentos, 5

capitales departamentales, 39 cabeceras municipales, 112 municipios

Son estas zonas rurales, debido a sus condiciones,ven la energía solar como una

solución a sus necesidades energéticas.

Con la aparición de nuevas empresas productoras e importadoras de celdas

fotovoltaicas dentro del país, se puede decir que la energía solar está buscando

expandir su mercado en Colombia, no sólo llegando a zonas rurales apartadas, sino

también buscando llegar a hogares, empresas e industrias cómo una nueva

alternativa de suministro de energía.

Se hace necesario entonces, dar a conocer lo factible que es realizar una instalación

solar fotovoltaica, describir sus componentes y los pasos a seguir para el cálculo de

las mismas, en aras de incentivar la aplicación de estas tecnologías.

(dinero.com, 2016)

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1.2 SUMMARY

"In Colombia, during late 19th century, electricity public service started to being

provided, thousands of capital’s inhabitants saw the light of one hundred lamps that

lit Bogotá´s streets. This was the result of private investors initiative, who created the

first companies, intended to generate, distribute and sell electricity. " (Creg, 2016)

Since then, electricity has played a key role in the country’s development, extending

from its starting point, the public lighting, to reach homes, factories, and

transportation; Without it, life would not be as we know it today.

From the begginig, way to get electricity in the country has constantly evolved,

relying mainly on hydroelectric sources, which currently generate 65% of the total

energy in Colombia.

Despite that, and the great efforts done on implemented projects, our country is still

far from being one of the largest producers of electrical energy worldwide, ranked 45

among 210 producing countries according to the CIA World Factbook, with an annual

output of 56,900 GWh, below the great producers countries including the United

States (4,325,900 GWh), China (4,206,500 GWh), and Japan (1145300 GWh).

(ARISTIZABAL SEBASTIAN GONZALEZ, 2016)

On the other hand, in the last few years, aiming to curb climate change, renewable

energy sources have been playing an important role in the global contex, becoming

a new alternative of energy production. Among such energy sources we can find

photovoltaic, better known as solar energy.

Photovoltaic solar energy is a type of renewable energy directly generated from solar

radiation by a semiconductor device known as photovoltaic cell, or in simpler words,

it is the direct conversion of solar radiation into electricity, which occurs in some

devices called photovoltaic panels.

Colombia, despite having ideal conditions for energy generation through solar

panels, due to its high levels of solar radiation, is a country that still operates properly

this technology, as if they are already doing other countries.

"Installed solar power capacity in Germany is almost twice as the total electric

capacity of Colombia." Such data, demonstrate how slow is our country on

photovoltaics matter.

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Currently, Colombia has an installed capacity of 6MW of solar energy, 50% intended

to bring energy to remote rural areas where conventional terrestrial energy has not

reached capacity. According to figures from IPSE (Institute of Planning and

Promotion of Energy Solutions for non-interconnected zones) in October 2012, non-

interconnected zones correspond to 52% of the national territory, 17 departments,

five departmental capitals, 39 municipal seats, 112 municipalities and 1,441. These

rural áreas área the ones that see solar energy as a solution to its energy needs,

because of their conditions.

With the emergence of new producers and importers of photovoltaic cells within the

country, it can be said that solar energy is looking to expand its market in Colombia,

not only reaching remote rural areas but also seeking to reach homes, businesses

and industries as a new alternative power supply.

It becomes necessary then, to publicize what is likely to make a solar photovoltaic

installation, describe its components and steps for calculating them, in order to

encourage the application of these technologies.

(Dinero.com, 2016)

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2. OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL Desarrollar un Manual técnico que contenga los parámetros de diseño para la

implementación de Energía solar Fotovoltaica en proyectos de vivienda en

Colombia y sus costos en Colombia.

2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS

2.1.1 conocer dentro del contexto el avance de la implementación de la energía

solar fotovoltaica en Colombia a partir de la expedición de la ley 1715 del 13 de

mayo del 2014.

2.2.2 Conocer los componentes de una instalación solar fotovoltaica y realizar el

cálculo de cada uno de estos elementos.

2.2.3 Determinar los costos de inversión de la implementación del sistema de

energía solar fotovoltaica en una vivienda tipo en la ciudad de Bogotá y los costos

de operación y mantenimiento de dicha instalación.

.

13

3. MARCOS .

3.1 Marco teórico La energía solar que recibe nuestro planeta es resultado de un proceso de fusión

nuclear que tiene lugar en el interior del sol. Esa radiación solar se puede

transformar directamente en electricidad (solar eléctrica) o en calor (solar térmica).

El calor, a su vez, puede ser utilizado para producir vapor y generar electricidad.

La energía del sol se transforma en electricidad mediante células fotovoltaicas,

aprovechando las propiedades de los materiales semiconductores. El material base

para la fabricación de la mayoría de las células fotovoltaicas es el silicio. La

eficiencia de conversión de estos sistemas es de alrededor de 15%. Aun así, un

metro cuadrado puede proveer potencia suficiente para operar un televisor

mediano.

Para poder proveer de energía eléctrica en las noches, las celdas fotovoltaicas

requieren de baterías donde se acumula la energía eléctrica generada durante el

día.

En la actualidad se están desarrollando sistemas fotovoltaicos conectados

directamente a la red eléctrica, evitando así el uso de baterías, por lo que la energía

que generan se usa de inmediato. (Energias renovables 316, 2016).

3.2 Marco jurídico

LEY 1715 DE 13 DE MAYO DE 2014, POR MEDIO DE LA CUAL SE REGULA LA

INTEGRACIÓN DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES NO CONVENCIONALES AL

SISTEMA ENERGÉTICO NACIONAL.

Artículo 19. Desarrollo de la energía solar.

1. La energía solar se considerará como FNCR. Se deberá estudiar y analizar las

condiciones propias de la naturaleza de la fuente para su reglamentación técnica

por parte de 1a CREG.

2. El Gobierno Nacional a través del Ministerio de Minas y Energía, Ministerio de

Vivienda y Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible en el marco sus

funciones, fomentarán el aprovechamiento del recurso solar en proyectos de

urbanización municipal o distrital, en edificaciones oficiales, en los sectores

industrial, residencial y comercial.

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3. El Gobierno Nacional él través del Ministerio de Minas y Energía directamente o

a través do la entidad que designe para este fin reglamentará las condiciones de

participación da energía solar como fuente de generación distribuida estableciendo

la reglamentación técnica y de calidad a cumplir por las instalaciones qua utilicen la

energía solar, así como los requisitos de conexión, mecanismos de entrega de

excedentes, y normas de seguridad para las instalaciones.

4. El Gobierno Nacional considerará la viabilidad de desarrollar la energía solar

como fuente de autogeneración para los estratos 1, .2 Y 3 como alternativa al

subsidio existente para el consumo de electricidad de estos usuarios.

5. El Gobierno Nacional, por intermedio del Ministerio de Ambiente, y Desarrollo

Sostenible determinará los parámetros ambientales que deberán cumplir los

proyectos desarrollados con energía solar así como la mitigación de los impactos

ambientales que puedan presentarse en su implementación.

6. El Gobierno Nacional incentivará el uso de la generación fotovoltaica como forma

de autogeneración y en esquemas de GD con FNCER.

7. El Gobierno Nacional a través del Ministerio de Minas y Energía considerará

esquemas de medición para todas aquellas edificaciones oficiales o privadas,

industrias, comercios y residencias que utilicen fuentes de generación solar. El

esquema de medición contemplará la posibilidad de la medición en doble vía

(medición neta), de forma que se habilite un esquema de autogeneración para

dichas instalaciones. (FEDEO, 2016)

3.3 Marco geográfico

La República de Colombia está situada al extremo nor-occidental de América del

Sur, sobre la línea ecuatorial, en plena zona tórrida. Limita al nor-oeste con Panamá,

al sur con Ecuador y el Perú, al sur-oeste con el Brasil y al este con Venezuela.

Tiene una extensión terrestre de 1.141.748 km2, de manera que ocupa el cuarto

lugar entre los países de Sur-América. Cuenta con 2.900 km. de costas, de los

cuales 1600 son riberas del mar Caribe i los 1.300 restantes del océano Pacífico.

Los rayos del sol caen siempre con la misma verticalidad, de manera que no hay

estaciones, y las diferencias climáticas existentes según el piso climático, que

genera excelentes condiciones para la producción de muchas variedades agrícolas

y animales. Los recursos naturales incluyen también una gran riqueza del subsuelo,

donde se realizan explotaciones mineras, petroleras, carboníferas, etc.

Colombia tiene una gran importancia estratégica por encontrarse entre dos grades

océanos, el Pacífico y el Atlántico (mar Caribe o de les Antillas). También

pertenecen los archipiélagos de San Andrés y Providencia, San Bernardo y Rosario

15

y las islas Fuerte, Barú y Tierrabomba, cerca de Cartagena de Indias. En el océano

Pacífico se encuentran las islas de Malpelo, Gorgona y Gorgonilla.

La población es de 45 millones de habitantes, el 80% de los cuales viven en las

ciudades, el 20% en zonas rurales. Las minorías étnicas existentes son 90 grupos

indígenas diferentes y 3 grupos afrocolombianos. (PEACE)

3.4 Marco demográfico Este proyecto es una guía dirigida a las comunidades interesadas en la

implementación de energías renovables dentro de sus proyectos de vivienda, a su

ves a los profesionales de la construcción encargados de formulación,

comercialización y construcción de proyectos de vivienda dentro del territorio

nacional colombiano.

3.5 Marco conceptual El cambio climático está generando una alteración evidente en el comportamiento

de la temperatura en planeta, por lo cual aparece el sol como fuente de energía

inagotable atravez de la transformación, la radiación solar se puede convertir en

energía eléctrica utilizando elementos de silicio.

La energía eléctrica puede tener 2 tipos de fuente, renovables y no renovables, entre

las renovables encontramos la energía solar, la eólica, la hidráulica y por fuentes

no renovables tenemos las que se obtienen del gas, el petróleo y el carbón.

La energía solar producto de fuentes renovables puede sustituir a la energía

eléctrica producida por fuentes no renovables en todas las actividades comerciales

e industriales en las que esta tenga aplicación

3.5.1 La Energía Solar:

Es la energía radiante producida en el Sol, como resultado de reacciones nucleares

de fusión que llegan a la Tierra a través del espacio en paquetes de energía

llamados fotones (luz), que interactúan con la atmósfera y la superficie terrestres.

(Ok solar, 2016)

3.5.2 Los orígenes de celdas solares:

Aunque las celdas solares eficientes han estado disponibles recién desde mediados

de los años 50, la investigación científica del efecto fotovoltaico comenzó en 1839,

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cuando el científico francés, Henri Becquerel descubrió que una corriente eléctrica

podría ser producida haciendo brillar una luz sobre ciertas soluciones químicas.

El efecto fue observado primero en un material sólido (el metal selenio) en 1877.

Este material fue utilizado durante muchos años para los fotómetros, que requerían

de cantidades muy pequeñas de energía. Una comprensión más profunda de los

principios científicos, fue provista por Albert Einstein en 1905 y Schottky en 1930, la

cual fue necesaria antes de que celdas solares eficientes pudieran ser

confeccionadas. Una célula solar de silicio que convertía el 6% de la luz solar que

incidía sobre ella en electricidad fue desarrollada por Chapin, Pearson y Fuller en

1954, y esta es la clase de célula que fue utilizada en usos especializados tales

como satélites orbitales a partir de 1958.

Las celdas solares de silicio disponibles comercialmente en la actualidad tienen una

eficiencia de conversión en electricidad de la luz solar que cae sobre ellas de cerca

del 18%, a una fracción del precio de hace treinta años. En la actualidad existen una

gran variedad de métodos para la producción práctica de celdas solares de silicio

(amorfas, monocristalinas o policristalinas), del mismo modo que para las celdas

solares hechas de otros materiales (seleniuro de cobre e indio, teluro de cadmio,

arseniuro de galio, etc). (Textos cientificos, 2016)

3.5.3. Colector solar térmico:

Un calentador solar de agua usa la energía del Sol para calentar un líquido, el cual

transfiere el calor hacia un compartimento de almacenado de calor. En una casa,

por ejemplo, el agua caliente sanitaria puede ser calentada y almacenada en un

depósito de agua caliente.

Los paneles tienen una placa receptora y conductos por los que circula líquido

adheridos a ésta. El receptor (generalmente recubierto con una capa selectiva

utilizado o almacenado). El líquido calentado es bombeado hacia un aparato

intercambiador de energía (una bobina dentro del compartimento de almacenado o

un aparato externo) donde deja el calor y luego circula de vuelta hacia el panel para

ser recalentado. Esto provee una manera simple y efectiva de transferir y

transformar la energía solar. (hormigasolar.com, 2016)

17

3.5.4. Energía solar fotovoltaica:

Los paneles fotovoltaicos: están formados por numerosas celdas que convierten la

luz en electricidad. Las celdas a veces son llamadas células fotovoltaicas, del griego

"fotos", luz. Estas celdas dependen del efecto fotovoltaico por el que la energía

luminosa produce cargas positiva y negativa en dos semiconductores próximos de

diferente tipo, produciendo así un campo eléctrico capaz de generar una corriente.

Silicio cristalino y arseniuro de galio son la elección típica de materiales para celdas

solares. Los cristales de arseniuro de galio son creados especialmente para uso

fotovoltaico, mientras que los cristales de silicio están disponibles en lingotes

estándar más baratos producidos principalmente para el consumo de la industria

microelectrónica. El silicio policristalino tiene una menor eficacia de conversión, pero

también menor coste.

Cuando es expuesto a luz solar directa, una celda de silicio de 6 cm de diámetro

puede producir una corriente de alrededor 0,5 amperios a 0,5 voltios (equivalente a

un promedio de 90 W/m², en un rango de usualmente 50-150 W/m², dependiendo

del brillo solar y la eficacia de la celda). El arseniuro de galio es más eficaz que el

silicio, pero también más costoso.

Las células de silicio más comúnmente empleadas en los paneles fotovoltaicos se

pueden dividir en tres subcategorías:

Las células de silicio monocristalino están constituidas por un único cristal de silicio.

Este tipo de células presenta un color azul oscuro uniforme.

Las células de silicio policristalino (también llamado multicristalino) están

constituidas por un conjunto de cristales de silicio, lo que explica que su rendimiento

sea algo inferior al de las células monocristalinas. Se caracterizan por un color azul

más intenso.

Las células de silicio amorfo. Son menos eficientes que las células de silicio

cristalino pero también menos costoso. Este tipo de células es, por ejemplo, el que

se emplea en aplicaciones solares como relojes o calculadoras.

Los lingotes cristalinos son cortados en discos finos como una oblea, pulidos para

eliminar posibles daños causados por el corte. Se introducen dopantes (impurezas

añadidas para modificar las propiedades conductoras) dentro de las obleas, y se

depositan conductores metálicos en cada superficie: una fina rejilla en el lado donde

da la luz solar y usualmente una hoja plana en el otro. Los paneles solares son

construidos con estas celdas cortadas en forma apropiada. Para protegerlos de

daños en la superficie frontal causados por radiación o por el mismo manejo de

éstos se los enlaza en una cubierta de vidrio y se cimentan sobre un sustrato (el

cual puede ser un panel rígido o una manta blanda). Se realizan conexiones

eléctricas en serie-paralelo para determinar el voltaje de salida total. La cimentación

18

y el sustrato deben ser conductores térmicos, ya que las celdas se calientan al

absorber la energía infrarroja que no es convertida en electricidad. Debido a que el

calentamiento de las celdas reduce la eficacia de operación es deseable

minimizarlo. Los ensamblajes resultantes son llamados paneles solares o grupos

solares.

3.5.5. Estructura:

Las estructuras para anclar los paneles solares son generalmente de de aluminio

con tornillería de acero inoxidable para asegurar una máxima ligereza y una mayor

durabilidad en el tiempo. Las estructuras pueden ser estándares para las medidas

más habituales (superficie, orientación e inclinación -tanto en horizontal, como en

vertical.

La estructura suele estar compuesta de ángulos de aluminio, carril de fijación,

triángulo, tornillos de anclaje (triángulo-ángulo), tornillo allen (generalmente de

tuerca cuadrada, para la fijación del módulo) y pinza zeta (para la fijación del módulo

y cuyas dimensiones dependen del espesor del módulo.

3.5.6. Uso de la energía:

Deben su aparición a la industria aeroespacial, y se han convertido en el medio más

fiable de suministrar energía eléctrica a un satélite o a una sonda en las órbitas

interiores del Sistema Solar, gracias a la mayor irradiación solar sin el impedimento

de la atmósfera y a su alta relación potencia a peso.

En el ámbito terrestre, este tipo de energía se usa para alimentar innumerables

aparatos autónomos, para abastecer refugios o casas aisladas de la red eléctrica y

para producir electricidad a gran escala a través de redes de distribución. Debido a

la creciente demanda de energías renovables, la fabricación de células solares e

instalaciones fotovoltaicas ha avanzado considerablemente en los últimos años.

Entre los años 2001 y 2012 se ha producido un crecimiento exponencial de la

producción de energía fotovoltaica, doblándose aproximadamente cada dos años.

Si esta tendencia continúa, la energía fotovoltaica cubriría el 10% del consumo

energético mundial en 2018, alcanzando una producción aproximada de 2.200 TWh,

y podría llegar a proporcionar el 100% de las necesidades energéticas actuales en

torno al año 2027.

Experimentalmente también han sido usados para dar energía a vehículos solares,

por ejemplo en el World Solar Challenge a través de Australia o la Carrera Solar

Atacama en América. Muchos barcos y vehículos terrestres los usan para cargar

sus baterías de forma autónoma, lejos de la red eléctrica.

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Programas de incentivos económicos, primero, y posteriormente sistemas de

autoconsumo fotovoltaico y balance neto sin subsidios, han apoyado la instalación

de la fotovoltaica en un gran número de países, contribuyendo a evitar la emisión

de una mayor cantidad de gases de efecto invernadero.

A finales de 2013 había instalados en el mundo aproximadamente 96,5 GW de

energía solar fotovoltaica, según un informe dado a conocer por la Agencia

Internacional de la Energía.

3.5.7. Costo de paneles:

El coste de los paneles fotovoltaicos se ha reducido de forma constante desde que

se fabricaron las primeras células solares comerciales38 y su coste medio de

generación eléctrica ya es competitivo con las fuentes de energía convencionales

en un creciente número de regiones geográficas, alcanzando la paridad de red.

Hasta 2005 el problema más importante con los paneles fotovoltaicos era el costo,

que estaba bajando hasta 3 o 4 dólares por vatio. El precio del silicio usado para la

mayor parte de los paneles tuvo una breve tendencia al alza en 2008, lo que hizo

que los fabricantes comenzaran a utilizar otros materiales y paneles de silicio más

delgados para bajar los costes de producción. Debido a economías de escala, los

paneles solares se hacen menos costosos según se usen y fabriquen más. A

medida que ha aumentado la producción, los precios han continuado bajando y

todas las previsiones indican que lo seguirán haciendo en los próximos años.

El costo de las células solares de silicio cristalino ha descendido desde 76,67 $/Wp

en 1977 hasta aproximadamente 0,74 $/Wp en 2013. Esta tendencia sigue la

llamada "ley de Swanson", una predicción similar a la conocida Ley de Moore, que

establece que los precios de los módulos solares descienden un 20% cada vez que

se duplica la capacidad de la industria fotovoltaica.

3.5.8. Reciclaje de paneles:

La mayor parte de los paneles fotovoltaicos puede ser tratada. Gracias a las

innovaciones tecnológicas que se han desarrollado en los últimos años, se puede

recuperar hasta el 95% de ciertos materiales semiconductores y el vidrio, así como

grandes cantidades de metales ferrosos y no ferrosos utilizados en los módulos.

Algunas empresas privadas y organizaciones sin fines de lucro, como por ejemplo

PV CYCLE en la Unión Europea, están actualmente trabajando en las operaciones

de recogida y reciclaje de paneles al final de su vida útil.

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3.5.8.1. Dos de las soluciones de reciclaje más comunes son:

Paneles de silicio: Los marcos de aluminio y las cajas de conexión son

desmantelados manualmente al comienzo del proceso. El panel se tritura y las

diferentes fracciones se separan - vidrio, plásticos y metales. Es posible recuperar

más de 80% del peso entrante y, por ejemplo, el cristal mixto extraído es fácilmente

aceptado por la industria de la espuma de vidrio el aislamiento. Este proceso puede

ser realizado por los recicladores de vidrio plano ya que la morfología y composición

de un panel fotovoltaico es similar al cristal plano utilizado en la industria de la

construcción y del automóvil.

Paneles de otros materiales: Hoy en día contamos con tecnologías específicas para

el reciclaje de paneles fotovoltaicos que no contienen silicio, algunas técnicas

utilizan baños químicos para separar los diferentes materiales semiconductores.

Para los paneles de teluro de cadmio, el proceso de reciclaje empieza por aplastar

el módulo y, posteriormente, separar las diferentes partes. Este proceso de reciclaje

está diseñado para recuperar hasta un 90% del vidrio y 95% de los materiales

semiconductores. En los últimos años, algunas empresas privadas han puesto en

marcha instalaciones de reciclaje a escala comercial.

21

4. ESTADO DEL ARTE

Colombia, a pesar de tener condiciones ideales para la generación de energía por

medio de paneles solares, debido a sus altos niveles de radiación solar, es un país

que todavía no explota de forma adecuada esta tecnología, como si lo están

haciendo ya otros países.

Actualmente se encuentra en vigencia la Ley 1715 de 2014, cuyo objeto

fundamental es “promover el desarrollo y la utilización de las fuentes no

convencionales de energía, principalmente aquellas de carácter renovable, en el

sistema energético nacional, mediante su integración al mercado eléctrico, su

participación en las zonas no interconectadas y en otros usos energético como

medio necesario para el desarrollo económico sostenible, la reducción de emisiones

de gases de efecto invernadero y la seguridad del abastecimiento energético”.

Pese a ello, “la capacidad instalada de energía solar en Alemania es casi el doble a

la capacidad eléctrica total de Colombia.” (Dinero, Energía solar, una opción para

tomar en serio, 2012)

Datos como este, demuestran lo atrasado que se encuentra nuestro país con

respecto al tema de la energía fotovoltaica.

En la actualidad, Colombia cuenta con una capacidad instalada de 6MW de energía

solar, de los cuales más del 50% están destinados a llevar energía a las zonas

rurales más apartadas, donde la energía convencional terrestre no ha llegado.

Según cifras del IPSE (Instituto de Planificación y Promoción de Soluciones

Energéticas para las zonas No Interconectadas), a octubre de 2012, las zonas no

interconectadas corresponden al 52% del territorio nacional, 17 departamentos, 5

capitales departamentales, 39 cabeceras municipales, 112 municipios y 1.441

localidades (Dinero, Energía solar, una opción para tomar en serio, 2012). Son estas

zonas rurales, debido a sus condiciones, las que ven la energía solar como una

solución a sus necesidades energéticas.

Con la aparición de nuevas empresas productoras e importadoras de celdas

fotovoltaicas dentro del país, se puede decir que la energía solar está buscando

expandir su mercado en Colombia, no sólo llegando a zonas rurales apartadas, sino

también buscando llegar a hogares, empresas e industrias cómo una nueva

alternativa de suministro de energía, como son los casos de:

22

4.1 La casa a la que no le preocupa el apagón.

AUTORES: Familia Serrano Diazgranados.

OBJETIVO GENERAL: Instalar en su nuevo hogar una conexión de “alta tecnología”

para la generación de electricidad renovable a partir de la luz solar.

RESULTADOS: Los 210 metros cuadrados que componen el inmueble, ubicado el

condominio Lagos de Caujaral, a tan solo 10 minutos de Barranquilla, en Puerto

Colombia, tiene 14 paneles solares que la alimentan en su totalidad de energía

“limpia”.

APORTE A LA SOCIEDAD: A simple vista parecería que se tratara de una casa

‘futurista’, pero no, es un inmueble común, como cualquier otro, construido de

bloques y cemento, con una red eléctrica interna compuesta por enchufes,

interruptores y cables “normales”.

El costo de la conexión convencional, tenía un costo promedio de 30 millones de

pesos, los trabajos comprendían colocar un transformador, cañuelas, crucetas y

todos los materiales necesarios; además de contratar a todo un equipo que haría

la instalación, sumado a esto tendrían que pagar 500 mil o un millón de pesos al

mes por el resto de la vida o invertir en un sistema y no tener que seguir pagando

nada a nadie, por lo cual la familia Serrano Diazgranados toma la decisión de invertir

en el proyecto de energía solar. Garantizándose a sí mismos la prestación del

servicio de energía las 24 horas del día, con una sola inversión inicial casi

equivalente a una instalación eléctrica conectada a la red y sin importar la

incertidumbre que causaba en el momento la amenaza de un razonamiento de luz

por causa del fenómeno del niño por el que atravesaba el país. (JESUS

BLANQUICET, 2016)

23

Ilustración 1Casa de la familia Serrano Diazgranos

Ilustración 2Hugo Serrano chequea el sistema de paneles solares

24

Ilustración 3 Sistema de almacenamiento de energía

4.2 Colegio Distrital Ramón Jimeno

AUTORES: EPM

OBJETIVO GENEAL: Instalación solar autónoma en una IE.

RESULTADOS: El Distrito invirtió 480 millones de pesos y gracias a la instalación

de paneles solares que funciona autónomamente generando cerca de 21,62 KV.

APORTE A LA SOCIEDAD: Como es bien sabido con este tipo de instalaciones se

disminuye en un gran porcentaje el pago por servicios de energía, ya que se estimó

un ahorro del 71 por ciento en el consumo mensual del servicio gracias a su nueva

iluminación led y se está dejando de emitir cerca de 22 toneladas de CO2.

El colegio Ramón Jimeno es quizás el único en Bogotá con un plan educativo

prioritariamente ecológico: no solo funciona y se abastece con energía proveniente

de los paneles solares que tiene en varios de sus techos y el parqueadero.

También será el primer plantel distrital que recibirá el ‘sello verde’ por eficiencia

energética, al devolver a la red, en los fines de semana y vacaciones, la energía

solar sobrante.

25

Este plantel construido en el barrio La Macarena, en el centro de Bogotá, desde

hace ocho meses funciona con 148 paneles fotovoltaicos de 240 vatios –importados

de Austria– puestos en la zona administrativa del colegio, un sendero y el

parqueadero. (El tiempo, 2016)

Ilustración 4 Colegio Distrital Ramón Jimeno

4.3 Edificio Alkosto de la avenida 68 Bogotá D.C.

AUTORES: Panasonic Colombia

OBJETIVO GENEAL: Energía limpia en Bogotá

RESULTADOS: Generación de 268,5 KWp gracias a sus 1,053 paneles solares

policristalinos instalados.

APORTE A LA SOCIEDAD: Este proyecto posee una capacidad de 268,5 KWp

generados por sus 1,053 paneles solares policristalinos, se estima que reducirá

234.2 toneladas de CO2 al año.

Este sistema está proyectado a 20 años con lo cual se espera que en total se

reduzca aproximadamente 4.684 toneladas de CO2.

Este proyecto posee una capacidad de 268,5 KWp generados por sus 1,053 paneles

solares policristalinos, duró alrededor de dos meses en construcción y se estima

reducirá 234.2 toneladas de CO2 al año. Este sistema on-grid está proyectado a 20

años con lo cual se espera que en total se reduzca aproximadamente 4.684

toneladas de CO2. “La unidad B2B de Panasonic, gana cada vez más confianza en

26

el mercado colombiano gracias al profesionalismo con el que trabajamos y que nos

ha permitido implementar proyectos de energía solar fotovoltaica como el de Alkosto

de Bogotá y Alkosto de Cali, entre otros”. Afirma Marcos Páez, Gerente de Ventas

B2B de Panasonic. (upme, 2016)

Ilustración 5Edificio Alkosto de la avenida 68 Bogotá D.C

5.METODOLOGIA

La metodología se compone de una parte teórica investigativa y una parte práctica,

la cual hace parte de un proyecto de cooperación con la Universidad Católica de

Colombia, en donde se recibe apoyo académico. El componente teórico es el

estudio de diversos aspectos para poder afrontar temas puntuales que se presentan

en el trabajo, por otro lado, el componente práctico es la aplicación de los conceptos

identificados durante la investigación realizada.

A continuación, se explican los procedimientos racionales aplicados en cada uno

de los componentes que ayudan a alcanzar los objetivos planteados en el trabajo

de especialización.

5.1 Metodología investigativa

La metodología investigativa se desarrolla en base a referentes y análisis de la

información recolectada, bases de datos y estudio de datos históricos sobre

producción de energías renovables en Colombia e implementación de energía solar

fotovoltaica, los pasos para realizar dicha investigación son :

a). Búsqueda y recolección de información.

b). Análisis de documentos técnicos.

27

c). Identificación de referentes

5.2 Metodología practica

-Para la obtención de los consumos energéticos en el país y datos históricos de

producción de energía se deberá consultar bases de datos, y demás elementos de

estudios realizados en el país en relación a la producción energética y sus fuentes.

-Establecer claramente cuáles son los lineamientos establecidos por los proyectos

en el país, ya que la mayor parte de la información y diseños implementados es en

base a la normatividad europea.

-Una vez obtenida la información necesaria, se seleccionará de modo que se

aplique en la elaboración del manual toda aquella que nos conlleve aplicar datos

obtenidos de registros locales, como es el caso de la radiación solar en Colombia,

cálculo de orientación de los paneles, factores de seguridad teniendo en cuenta la

posición geográfica del país.

-Elaborar un manual claro, donde se indiquen como se realiza la elección de cada

uno de los elementos que componen una instalación de ESF.

-Con la elaboración de este manual se busca crear conciencia y dar a conocer que

existen alternativas diferentes para la generación de energías limpias en el país.

6. MANUAL DE IMPLEMENTACIÓN DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

Introducción:

Hay un paralelo entre la economía familiar y el clima global. Así como calculamos

la plata para llegar a fin de mes, con la temperatura planetaria se estima la cantidad

de petróleo, gas y carbón que se puede quemar para que el calentamiento no

supere los 2 grados, el límite de adaptación con menos riesgo para la vida. Esto se

llama presupuesto de carbono. Y Thomas Stocker, físico suizo y uno de los autores

del concepto, dice que “ya nos hemos gastado las dos terceras partes. Sólo

permanece un tercio”.

Stocker estuvo en Buenos Aires promoviendo su candidatura a la jefatura del Panel

Intergubenamental de Cambio Climático, el cuerpo científico de las Naciones

Unidas que se encarga de producir la información sobre las transformaciones del

clima. Sus cinco lapidarios informes son la base para las negociaciones que

deberían terminar con un acuerdo en París en diciembre.

Stocker sostiene que la clave es saber “cuán rápido nos vamos a comer ese último

tercio”. Y si seguimos al ritmo actual, ignorando todas las advertencias del clima y

28

de la ciencia, “lo veremos desaparecer dentro de los próximos 20 o 25 años”.

Mañana.

“Necesitamos ser realistas. Si tomamos medidas ahora y desarrollamos tecnologías

que nos permitan tener una infraestructura que no necesite de recursos fósiles y

que esté mayormente descarbonizada a mediados de siglo XXI, tenemos una buena

oportunidad para mantener el clima dentro de los límites de los 2 grados. Pero si

continuamos como lo hemos hecho hasta ahora, ese objetivo se va a perder”, dice.

“La tarea de este siglo es la decarbonización de nuestro sistema industrial”, asegura.

“Lo natural va a ser usar energías renovables. Llegaremos a un punto en que nos

vamos a preguntar por qué alguna vez usamos las fósiles.” (aisen, s.f.)

La Energía Fotovoltáica. El efecto fotovoltaico fue descubierto por el físico francés

Edmound Becquerel en 1839 al observar que ciertos materiales producían

cantidades pequeñas de corriente eléctrica cuando se exponían a la luz. Media

década después Willoughby Smith descubrió el efecto fotovoltaico en sólidos y W.

G. Adams y R.E. Day produjeron la primera célula fotovoltaica de selenio.

Pocos años más tarde, en 1877, El inglés William Grylls Adams profesor de Filosofía

Natural en la King College de Londres, junto con su alumno Richard Evans Day,

crearon la primera célula fotovoltaica de selenio.

Si bien en todos estos descubrimientos la cantidad de electricidad que se obtenía

era muy reducida y quedaba descartada cualquier aplicación práctica, se

demostraba la posibilidad de transformar la luz solar en electricidad por medio de

elementos sólidos sin partes móviles.

La posibilidad de una aplicación práctica del fenómeno no llegó hasta 1953 cuando

Gerald Pearson de Bell Laboratories, mientras experimentaba con las aplicaciones

en la electrónica del silicio, fabricó casi accidentalmente una célula fotovoltaica

basada en este material que resultaba mucho más eficiente que cualquiera hecha

de selenio. A partir de este descubrimiento, otros dos científicos también de Bell,

Daryl Chaplin y Calvin Fuller perfeccionaron este invento y produjeron células

solares de silicio capaces de proporcionar suficiente energía eléctrica como para

que pudiesen obtener aplicaciones prácticas de ellas. De esta manera empezaba la

carrera de las placas fotovoltaicas como proveedoras de energía.

Pese a los avances técnicos alcanzados en el aumento del rendimiento de las

células, los costes eran excesivamente altos y limitaban enormemente su aplicación

práctica.

Mientras que en 1956 el coste del vatio de electricidad producido por centrales

convencionales rondaba los 50 céntimos de dólar, el producido por paneles

29

fotovoltaicos llegaba los 300 dólares lo que descartaba el uso de esta tecnología

como suministrador de grandes cantidades de electricidad.

La demanda de paneles solares sólo venia de la industria juguetera, que los

empleaba para suministrar potencia a pequeños artefactos como maquetas de

aviones y coches, o de la industria electrónica, para aplicarlos en pequeños

aparatos eléctricos sencillos como radios para la playa. Esta situación limitaba

mucho el desarrollo de esta tecnología ya que eran muy reducidos los ingresos que

se generaban haciéndose muy difícil destinar cantidades de dinero importantes a

su desarrollo.

Por fortuna se encontró una aplicación ideal para el estado del desarrollo de los

paneles solares fotovoltaicos en aquel momento; la alimentación del equipo de los

satélites espaciales en la incipiente carrera espacial. El costo no fue un factor

limitante ya que los recursos dedicados en la carrera del espacio eran enormes.

Primaba la capacidad de proveer energía eléctrica de manera fiable en áreas de

muy difícil acceso. En eso la energía solar fotovoltaica resultaba muy competitiva.

Pese a la desconfianza y a las reticencias iniciales de algunos dirigentes de la

NASA, la tecnología fotovoltaica acabó por ganarle el pulso a las otras dos

tecnologías que se barajaron para alimentar los satélites; las baterías químicas y la

energía nuclear. Las baterías una vez agotadas inutilizaban todo el equipo mientras

que la energía nuclear ofrecía muchas complejidades y apenas fue utilizado en unos

pocos proyectos. Los paneles solares por el contrario eran capaces de suministrar

energía de manera fiable por muchos años sin grandes complicaciones.

Así, en 1955, se le asigna a la industria en EEUU el encargo producción de paneles

fotovoltaicos para aplicaciones espaciales. Esto significó sin duda un importantísimo

impulso que permitió un crucial desarrollo tecnológico del sector. Como ejemplo

cabe citar que la empresa Hoffman Electrónic ofreció, en 1955, células de 14 mW

con un rendimiento del 3% a un costo de 1500$/W. Dos años después esta misma

empresa desarrolla células solares ya con un rendimiento del 8%.

El 17 de Marzo de 1958, finalmente, se lanza el Vanguard I, el primer satélite

alimentado con paneles solares fotovoltaicos. El satélite llevaba 0,1W en una

superficie aproximada de 100 cm2 para alimentar un transmisor de 5 mW. Si bien

en este satélite los paneles solares eran solo la fuente de energía de respaldo,

acabaron por convertirse en la fuente principal cuando las baterías consideradas

fuente de alimento principal se agotaron en tan sólo 20 días. El equipo estuvo

operativo con esa configuración por 5 años.

30

La fiabilidad que habían demostrado los paneles solares fotovoltaicos propició su

empleo sistemático en gran número de misiones espaciales y supuso un enorme

impulso para la industria fotovoltaica. Sin lugar a dudas la carrera espacial tal como

la conocemos no hubiera sido posible sin la existencia de los paneles solares

fotovoltaicos. De igual manera se puede afirmar que el actual desarrollo de los

paneles solares fotovoltaicos y su importante proyección de futuro hubieran sido

muy difíciles sin el impulso que le dio la carrera espacial.

No sólo Estados Unidos utilizó esta tecnología, La Unión Soviética también empleó

sistemáticamente los paneles solares fotovoltaicos para alimentar sus satélites.

Pese al gran éxito de la tecnología fotovoltaica en el espacio, el costo de los paneles

solares seguía siendo demasiado alto para hacerlo competitivo en aplicaciones

terrestres.

Esta situación cambió cuando a principios de los años 70 el Dr. Elliot Berman con

la ayuda financiera de EXXON consiguió crear una célula solar mucho más barata

que reducía el coste por vatio de 100 $ a 20$. Para ello empleo un silicio con un

grado de pureza menor y unos materiales encapsulantes más baratos.

Esta importante rebaja de los costos cambio totalmente la situación e hizo posible

que el empleo de paneles fotovoltaicos empezara a ser económicamente viable en

instalaciones aisladas de la red eléctrica. Empezó a resultar más barato instalar

células solares que trazar toda una línea de cableado o que realizar un

mantenimiento periódico que cambiase las baterías gastadas por otras cargadas.

Las aplicaciones prácticas de la energía solar fotovoltaica empezaron entonces a

multiplicarse: electricidad para la protección contra la corrosión de oleoductos y

gaseoductos, iluminación de boyas marinas y faros, repetidores de sistemas de

telecomunicaciones, sistemas de iluminación en líneas férreas. Para todas estas

finalidades, la instalación de paneles solares resultaba mucho más rentable

económicamente y más eficiente en su labor.

Tal fue el impulso que esta tecnología recibió que en el año 1975 las aplicaciones

terrestres habían ya superado a las espaciales.

Poco a poco, en las siguientes décadas, se fueron encontrando nuevas aplicaciones

para la energía solar fotovoltaica que siguieron desarrollando el uso de esta

tecnología.En los años 70 del S XX, surgió la idea de potenciar las bombas de

extracción de agua con paneles solares. De esta manera se hacia viable la

obtención de agua de acuíferos en zonas rurales sin acceso a la electricidad. Esta

aplicación se ha extendido enormemente por todo el mundo desde entonces, incluso

31

en zonas electrificadas, y ha sido especialmente beneficioso en las zonas

empobrecidas del planeta.

En la década de los 80 surgieron con fuerza las iniciativas para electrificar las

sociedades de los países empobrecidos. En estas sociedades la electrificación no

podía basarse en el modelo energético usado de los países enriquecidos de

grandes centrales y un sistema de distribución. Resultaba excesivamente costoso

instalar toda una red eléctrica en unas sociedades en las que gran parte de la

población estaba distribuida de manera muy dispersa en asentamientos rurales. Por

estas razones se optó por sistemas de generación eléctrica en el mismo lugar de

consumo y entre ellos por los paneles solares fotovoltaicos.

Los paneles solares ofrecían grandes ventajas frente a otras opciones empleadas

como los generadores de queroseno. Una vez comprado el panel ya no era

necesario la adquisición cada poco tiempo de combustible para hacerlo funcionar lo

que suponía un menor grado dependencia del exterior (la batería seguía siendo

necesario importarlas). Por otro lado, buena parte de las sociedades empobrecidas

del planeta se encuentran en zonas tropicales y subtropicales con abundante y

potente sol lo que facilita y favorece el empleo de la energía solar. Además, los

paneles se adaptan muy bien a unas demandas energéticas reducidas que se tiene

en estas sociedades. Numerosos han sido los proyectos que se han llevado a cabo

(y que se siguen llevando) en este sentido y muchas son las familias que disfrutan

de electricidad solar en varios países empobrecidos del mundo

También a partir de los años 80 aparecen las primeras casas con electrificación

fotovoltaica en los países desarrollados. Este concepto propone establecer un

sistema de provisión de energía descentralizado en el que cada hogar se genera su

propia energía en vez de establecer una gran central y un sistema de distribución

de la misma.

El apoyo institucional parece que puede ser decisivo. La UE aprobó en 2008 la

llamada normativa 20-20-20 que además de obligar a la reducción del 20% de las

emisiones de CO2 para el 2020, obliga a que al menos el 20% de la energía de la

Unión Europea provenga de fuentes renovables.

Por su parte EEUU, tras la subida al poder de Barack Obama, ha anunciado su

decisión de apostar fuerte por las energías renovables en unos objetivos de

implantación semejantes a los de la Unión Europea para así reducir el impacto en

el medio ambiente y la dependencia de ese país al petróleo extranjero.

Es difícil y arriesgado tratar de predecir el futuro exacto de la energía fotovoltaica.

Existen muchos intereses creados en torno a un sector tan estratégico como es el

32

energético, pero parece asegurado, como poco, un mínimo sustancial para el

desarrollo de las energías renovables en el cual la fotovoltaica, sin duda, se llevará

una parte del pastel. (sitisolar, s.f.)

En la actualidad, la energía fotovoltaica se utiliza de forma aislada para generar

pequeñas cantidades de electricidad en zonas alejadas de la red de transporte, o

directamente como elementos de generación de energía eléctrica inyectada a red.

Dependiendo del tipo de aplicación, se utilizan distintos materiales como el silicio

amorfo o monocristalino, el teluro de cadmio o CIGS, y se sigue investigando en

materiales y configuraciones que aumenten el rendimiento de la célula. Típicamente

las células se suelen agrupar por paneles que se emplazan en el lugar deseado.

Existen distintas configuraciones en función del emplazamiento y la ubicación.Para

instalaciones domésticas, se suele utilizar una configuración fija orientada en

dirección norte-sur. Para aplicaciones industriales o de generación, se puede

mantener esta configuración. Sin embargo existen cada vez más, disposiciones de

paneles sobre una estructura que rota alrededor de uno o dos de sus ejes. De esta

forma se intenta aumentar el rendimiento de cada panel, maximizando la incidencia

normal de la radiación solar sobre la célula.

En el caso de Colombia, “La generación de electricidad con energía solar

empleando sistemas fotovoltaicos ha estado siempre dirigida al sector rural, en

donde los altos costos de generación originados principalmente en el precio de los

combustibles, y los costos de Operación y Mantenimiento en las distantes zonas

remotas, hacen que la generación solar resulte más económica en el largo plazo y

confiable. Estas actividades surgieron con el Programa de Telecomunicaciones

Rurales de Telecom a comienzos de los años 80, con la asistencia técnica de la

Universidad Nacional. En este programa se instalaron pequeños generadores

fotovoltaicos de 60 Wp (Wp: vatio pico) para radioteléfonos rurales y ya en 1983

habían instalados 2 950 de tales sistemas. El programa continuó instalando estos

sistemas y pronto se escaló a sistemas de 3 a 4 kWp para las antenas satelitales

terrenas. Muchas empresas comenzaron a instalar sistemas para sus servicios de

telecomunicaciones y actualmente se emplean sistemas solares en repetidoras de

microondas, boyas, estaciones remotas, bases militares, entre otras aplicaciones.

Estos sistemas son hoy esenciales para las telecomunicaciones rurales del país.

Según un estudio realizado, entre 1985 y 1994 se importaron 48 499 módulos

solares para una potencia de 2.05 MWp [2]. De estos 21 238 módulos con una

potencia de 843.6 kW en proyectos de telecomunicaciones y 20 829 módulos con

953.5 kWp en electrificación rural. El estudio anterior también indicó, sobre una

muestra de 248 sistemas (con 419 módulos), que 56% de los sistemas funcionaban

sin problemas, 37% funcionaban con algunos problemas y 8% estaban fuera de

servicio. Como principal fuente de problemas se encontraron la falta de mínimo

mantenimiento, suministro de partes de reemplazo (reguladores y lámparas) y

33

sistemas sub-dimensionados. Estos problemas, que se suelen repetir aún hoy en

día, indican la importancia que tiene el asegurar la sostenibilidad del suministro del

servicio de energía. (scielo.org.co, s.f.)

34

Capítulo 1

6.1 componentes del sistema:

6.1.1- Módulos fotovoltaicos

Los módulos o paneles fotovoltaicos están formados por la interconexión de células

solares dispuestas en serie y/o en paralelo de manera que la tensión y corriente que

finalmente proporcione el panel se ajusta al valor requerido.

Ilustración 6 Panel solar fotovoltaico Ingemecánica

La conexión entre células puede ir en serie y/o en paralelo, para adaptar el panel a

los niveles de tensión y corriente requeridos. Cada célula de las que compone un

panel fotovoltaico es capaz de ofrecer una tensión del orden de 0,5 voltios y una

potencia eléctrica alrededor de los 3 watios, aunque este valor dependerá de la

superficie que mida la célula. De esta manera la potencia que pueda ofrecer un

módulo dependerá del número de células que posea, estando diseñado para el

suministro eléctrico en corriente continua (directa, DC), a un determinado voltaje

(normalmente 12 ó 24 V).

La tensión e intensidad de corriente que es capaz de ofrecer un panel fotovoltaico

dependerá del número de células que disponga y el tipo de conexión entre células.

Como norma general, los paneles solares se fabrican disponiendo primero las

células necesarias en serie hasta que se alcance la tensión que se desee a la salida

35

del panel, y a continuación, estos ramales de células se asocian en paralelo hasta

alcanzar el nivel de corriente deseado.

Por otro lado, al sistema completo formado por el conjunto de módulos o paneles

fotovoltaicos dispuestos o conexionados en serie y/o en paralelo se le suele

denominar generador fotovoltaico. Con el fin de poder ofrecer la potencia eléctrica

deseada, así como de la tensión e intensidad de corriente a la salida del generador,

los distintos módulos o paneles serán distribuidos en serie y/o en paralelo, según

convenga.

Para formar un panel o módulo fotovoltaico, las células conectadas unas con otras

se dispondrán encapsuladas y montadas sobre una estructura soporte o marco,

conformando el llamado módulo fotovoltaico.

Los elementos que componen un módulo fotovoltaico son los siguientes:

- Una cubierta exterior transparente realizado en vidrio templado de unos 3 ó 4 mm

de espesor, con su cara exterior texturada de modo que mejore el rendimiento

cuando la radiación solar ocurre a bajo ángulo de incidencia, así como para

absorber mejor la radiación solar difusa del ambiente.

Ilustración 7 Cubierta exterior Ingemecánica

Un material de relleno interior, que funciona de encapsulante, hecho a base de vinilo

de acetato etileno (EVA), que sirve para recubrir las células fotovoltaicas dentro del

módulo, protegiéndolas de la entrada de aire o humedad, y evitando así que se

produzca la oxidación del silicio que conforma las células, dado que de producirse

dejarían de funcionar.

- Una cubierta posterior realizada normalmente a base de fluoruro de polivinilo

(PVF), que además de sus propiedades como aislante dieléctrico, ofrece gran

36

resistencia a la radiación ultravioleta, contribuyendo a servir de barrera a la entrada

de humedad y ofreciendo una gran adhesión al material del que está hecho el

encapsulante interior.

- Las propias células fotoeléctricas, ya estudiadas en apartados anteriores.

- Elementos de conexión eléctrica entre células, para establecer el circuito eléctrico.

- Una caja estanca de conexiones, dotada de bornes de conexión normalizados y

con grado de protección IP65, de donde parte el cableado exterior del módulo para

su conexión con otros módulos que conforman el sistema completo de generación

fotovoltaica. En dicha caja se incluyen los diodos de protección cuya misión es la de

reducir la posibilidad de pérdida de energía debido a un mal funcionamiento por

sombreados parciales de paneles y de evitar la rotura del circuito eléctrico por este

efecto. Ello es así porque cuando se produce una sombra parcial sobre un panel,

éste deja de generar corriente y se convierte en absorbedor de energía, lo que

produciría un recalentamiento excesivo del mismo que podría dañarlo.

- El marco estructural realizado generalmente en aluminio anodizado que ofrece

resistencia mecánica y soporte al conjunto. Se deberá comprobar en las

especificaciones del fabricante del módulo su resistencia mecánica frente al viento

y cargas de nieve, de manera que el conjunto se adecue a las condiciones

ambientales del lugar donde se instalen.

Las prestaciones de los módulos que aparecen en la información técnica que

proporciona cualquier fabricante están obtenidas sometiendo a los módulos a unas

Condiciones Estándar de Medida (CEM) de irradiancia y temperatura, que son

siempre las mismas y son utilizadas universalmente para caracterizar células,

módulos y generadores solares. Estas condiciones son las siguientes:

- Irradiancia solar: 1000 W/m2;

- Distribución espectral: AM 1,5 G;

- Temperatura de célula: 25 °C.

No obstante, las condiciones reales de operación de los módulos serán distintas a

los estándares anteriores, por lo que habrá que aplicar los correspondientes

coeficientes correctores a los procedimientos de cálculos que se realicen.

Según se indican en las siguientes gráficas de la ilustración 7, donde se define el

funcionamiento de un módulo fotovoltaico, el valor de corriente generado por el

módulo crece con la intensidad de radiación solar, mientras que la tensión que

ofrece cae conforme aumenta la temperatura alcanzada en las células del módulo.

37

Ilustración 8 Curvas de funcionamiento de módulos fotovoltaicos Ingemecánica

Cuando se habla de temperatura alcanzada en las células del módulo, se entiende

que es la temperatura que tiene la superficie del panel fotovoltaico, que

evidentemente no tiene que ser igual a la de la temperatura ambiente, puesto que

la superficie del módulo se calienta por la radiación solar que recibe.

Un módulo fotovoltaico suele trabajar dentro de un rango determinado de valores

de intensidad y voltaje, dependiendo de la intensidad de radiación solar recibida, de

la temperatura alcanzada en su superficie o el valor de la carga eléctrica que

alimenta.

En la siguiente figura se representa esquemáticamente en línea continua la curva

intensidad-tensión (I-V) de un módulo fotovoltaico cualquiera, mientras que en línea

discontinua se representa la potencia entregada por el módulo, para dos situaciones

de trabajo (A y B) distintas.

Ilustración 9 Curvas I-V y de Potencia Ingemecánica

38

En resumen, en función de la radiación solar, la temperatura de las células del

módulo (que dependerá a su vez de la temperatura ambiente, humedad, velocidad

del viento, material de fabricación del módulo, etc.) y de la carga eléctrica que

alimente, el módulo fotovoltaico generará una determinada intensidad de corriente

(I) a una determinada tensión (V), y cuyo producto marcará la potencia eléctrica (P)

generada por el módulo.

6.1.2 - Regulador de carga

Un regulador de carga, cuyo emplazamiento se indica con la letra B en la figura

adjunta, es un equipo encargado de controlar y regular el paso de corriente eléctrica

desde los módulos fotovoltaicos hacia las baterías.

Ilustración 10 Regulador de carga Ingemecánica

Por lo tanto, estos dispositivos funcionan como un cargador de baterías, evitando

además que se produzcan sobrecargas y a la vez limitan la tensión de las baterías

a unos valores adecuados para su funcionamiento.

De este modo, un regulador de carga se encarga de controlar la forma de realizar

la carga de las baterías cuando los paneles solares están recibiendo radiación solar

evitando que se produzcan cargas excesivas.

Y a la inversa, esto es, durante el proceso de descarga de las baterías destinado al

consumo de electricidad en la vivienda, el regulador evita igualmente que se

produzcan descargas excesivas que puedan dañar la vida de las baterías.

De un modo sencillo, un regulador se puede entender como un interruptor colocado

en serie entre paneles y baterías, que está cerrado y conectado para el proceso de

carga de las baterías, y abierto cuando las baterías están totalmente cargadas.

39

Asimismo, en la actualidad la mayoría de los reguladores de carga disponen de una

función que permite maximizar la energía capturada por el generador fotovoltaico

mediante el uso de una tecnología específica de seguimiento y búsqueda del punto

de máxima potencia de funcionamiento del generador (MPP, Maximum Power

Point), también llamado MPP-tracking ó MPPT (del inglés, track: seguir, rastrear).

El regulador de carga se seleccionará para que sea capaz de resistir sin daños unos

valores de tensión nominal e intensidad máxima de acuerdo a la configuración del

sistema de generadores fotovoltaicos instalados. De esta manera, éste debe estar

dimensionado para soportar la intensidad máxima de corriente generada en el

sistema, tanto en la línea de entrada al regulador procedente de los generadores

fotovoltaicos, como en la línea de salida hacia las cargas que alimenta.

En este sentido, la corriente máxima prevista por la línea de entrada al regulador

desde los generadores fotovoltaicos es la correspondiente a la corriente de

cortocircuito (ISC) del generador fotovoltaico más un margen de seguridad

(generalmente un 25%), para tener en cuenta los posibles picos de irradiancia o los

cambios de temperatura.

Por otro lado, la corriente máxima prevista por la línea de salida viene dada por el

consumo de las cargas del sistema (aparatos eléctricos, electrodomésticos, etc.)

también incrementada en un 25% (Isalida). La elección del regulador será aquel que

soporte la mayor de las dos anteriores corrientes eléctricas, como se verá más

adelante en este tutorial.

Como ya se ha visto, el regulador actuará interrumpiendo el suministro de

electricidad desde las baterías de acumulación hacia la instalación interior de la

vivienda cuando el voltaje de las baterías quede por debajo del umbral de

funcionamiento, con objeto de evitar su descarga total que pueda provocar daños

en las baterías.

Igualmente, durante los periodos de insolación donde los paneles solares están

generando electricidad y el voltaje de las baterías llegue a un valor límite máximo,

el regulador interrumpirá la conexión entre los módulos fotovoltaicos y las baterías,

o bien actuará reduciendo gradualmente la corriente media entregada por los

paneles.

Por lo tanto, a la hora de seleccionar el regulador más idóneo, se deberá tener en

cuenta que la tensión de desconexión de la carga de consumo del regulador deberá

elegirse para que la interrupción del suministro de electricidad a las cargas se

produzca cuando la batería haya alcanzado la profundidad máxima de descarga

permitida, según indique las especificaciones del fabricante de la batería.

40

Todo regulador de corriente instalado deberá estar convenientemente protegido

frente a cortocircuitos que se produzcan en la línea de consumo de la vivienda,

además de contra la posibilidad de poder producirse una desconexión accidental de

la batería mientras los paneles están generando energía.

Las caídas internas de tensión del regulador entre sus terminales de generador y

acumulador serán inferiores al 4% de la tensión nominal (0,5 V para 12 V de tensión

nominal), para sistemas de menos de 1 kW, y del 2% de la tensión nominal para

sistemas mayores de 1 kW, incluyendo los terminales. Asimismo, las caídas internas

de tensión del regulador entre sus terminales de batería y consumo serán inferiores

al 4% de la tensión nominal (0,5 V para 12 V de tensión nominal), para sistemas de

menos de 1 kW, y del 2 % de la tensión nominal para sistemas mayores de 1 kW,

incluyendo igualmente los terminales.

En todo caso, las pérdidas de energía diarias causadas por el autoconsumo del

regulador en condiciones normales de operación deberán ser inferiores al 3 % del

consumo diario de energía.

Por último, indicar que todo regulador que se emplee en la instalación deberá estar

etiquetado con al menos la siguiente información:

- Tensión nominal (V)

- Corriente máxima (A)

- Fabricante (nombre o logotipo) y número de serie

- Polaridad de terminales y conexiones

6.1.3- Baterías y sistemas acumuladores solares

Las baterías, también llamado acumuladores solares o fotovoltaicos, se utilizan para

almacenar la energía eléctrica generada por el sistema de generadores

fotovoltaicos, con objeto de disponer de ella en periodos nocturnos o en aquellas

horas del día que no luzca el sol.

41

Ilustración 11 Batería Ingemecánica

No obstante, también pueden desempeñar otras funciones, como elementos que

sirven para estabilizar el voltaje y la corriente de suministro, o para inyectar picos

de corriente en determinados momentos, tales como en el arranque de motores.

Las baterías se componen básicamente de dos electrodos que se encuentran

sumergidos en un medio electrolítico. Los tipos de baterías más recomendadas para

uso en instalaciones fotovoltaicas son las de tipo estacionarias de plomo ácido y de

placa tubular, compuestas de un conjunto de vasos electroquímicos interconectados

de 2V cada uno, que se dispondrán en serie y/o paralelo para completar los 12, 24

ó 48 V de tensión de suministro y la capacidad de corriente en continua que sea

adecuado en cada caso.

Generalmente a la asociación eléctrica de un conjunto de baterías se le suele llamar

sistema acumulador o simplemente acumulador.

En la siguiente tabla se indica el nivel del voltaje del módulo fotovoltaico en función

de las necesidades de consumo de potencia que se demande.

Tabla 1. Tensión de trabajo del sistema fotovoltaico

Potencia demandada (en W) Tensión de trabajo del sistema fotovoltaico (en V)

< de 1500 W 12V

Entre 1500 W y 5000 W 24V ó 48V

> 5000 W 120V ó 300V

Ilustración 12 manual calculo fotovoltaico Ingemecánica

La capacidad de una batería se mide en amperios-hora (Ah), unidad de carga

eléctrica que indica la cantidad de carga eléctrica que pasa por los terminales de

una batería. Indica la cantidad de electricidad que puede almacenar durante la carga

la batería, para después devolverla durante su descarga.

42

No obstante, el tiempo invertido en la descarga de la batería influye de manera

decisiva en su capacidad de almacenaje. De esta forma, conforme más rápido se

realice la descarga de la batería su capacidad de suministro disminuye, debido a

que más energía se pierde por la resistencia interna, y a la inversa, conforme el

tiempo de descarga aumenta y se realiza de forma más lenta, entonces la capacidad

de la batería aumenta.

Capacidad nominal, C20 (Ah): es la cantidad de carga eléctrica que es posible

extraer de una batería en 20 horas, medida a una temperatura de 20 °C, hasta que

la tensión entre sus terminales llegue a 1,8V/vaso.

- Régimen de carga (o descarga): es un parámetro que relaciona la capacidad

nominal de la batería y el valor de la corriente a la cual se realiza la carga (o la

descarga). Se expresa normalmente en horas, y se representa como un subíndice

en el símbolo de la capacidad y de la corriente a la cual se realiza la carga (o la

descarga). Por ejemplo, si una batería de 100 Ah se descarga en 20 horas a una

corriente de 5 A, se dice que el régimen de descarga es 20 horas (C20 = 100 Ah) y

la corriente se expresa como I20 = 5 A.

- Profundidad de descarga (PD ó DOD): se define como el cociente entre la carga

extraída de una batería y su capacidad nominal, expresándose normalmente en %.

- Profundidad de descarga máxima (PDmáx): en este caso se define como el nivel

máximo de descarga que se le permite a la batería antes que se produzca la

desconexión del regulador, con objeto de proteger la durabilidad de la misma. Las

profundidades de descarga máximas que se suelen considerar para un ciclo diario

(profundidad de descarga máxima diaria) están en torno al 15-25%. Para el caso de

un ciclo estacional, que es el número máximo de días que podrá estar una batería

descargándose sin recibir los módulos radiación solar suficiente, está en torno a los

4-10 días y un profundidad de descarga del 75% aproximadamente. En todo caso,

para instalaciones fotovoltaicas no se recomiendan descargas agresivas, sino más

bien progresivas, por lo que las baterías a utilizar suelen ser con descarga de 100

horas (C100), pues cuanto más intensa y rápida es la descarga de una batería,

menos energía es capaz de suministrarnos.

- Capacidad útil: es la capacidad disponible o utilizable de la batería y se define

como el producto de la capacidad nominal por la profundidad máxima de descarga

permitida.

- Estado de carga: se define como el cociente entre la capacidad residual de una

batería, en general parcialmente descargada, y su capacidad nominal.

43

En la mayoría de las ocasiones, los sistemas de acumulación de energía estarán

formado por asociaciones de baterías, que estarán conectadas en serie o en

paralelo, para satisfacer las necesidades, bien de tensión, o bien de capacidad que

sean demandadas.

Mediante las asociaciones en serie de baterías se consigue aumentar el voltaje final

respecto a la tensión de servicio que cada batería por sí sola puede ofrecer. En el

conexionado en serie de varias baterías se debe conectar el borne negativo de cada

batería con el positivo de la siguiente, y así sucesivamente. La tensión o voltaje que

proporciona el conjunto es igual a la suma de las tensiones de cada una de las

baterías individuales.

Por el contrario, mediante las asociaciones en paralelo de baterías se consigue

aumentar la capacidad de suministro del conjunto, es decir, su autonomía, sumando

las capacidades nominales de cada batería y manteniendo el mismo voltaje de cada

batería individual.

Ilustración 13 Asociaciones de Baterías manual calculo fotovoltaico Europe sunfield

En otro orden de cosas, la capacidad nominal de los sistemas acumuladores

empleados (medido en Ah) no excederá en 25 veces la corriente (en A) de

cortocircuito en CEM del generador fotovoltaico seleccionado.

La vida de un acumulador o batería, definida como la correspondiente hasta que la

capacidad residual caiga por debajo del 80% de su capacidad nominal, deberá ser

superior a 1000 ciclos, cuando se descarga el acumulador hasta una profundidad

del 50% a 20 °C.

Aunque siempre se seguirán las recomendaciones de los fabricantes, durante la

instalación de un sistema acumulador solar se deberá asegurar que:

- el acumulador o baterías se sitúen en lugares ventilados y de acceso restringido;

44

- se adoptarán las medidas de protección necesarias para evitar el cortocircuito

accidental de los terminales del acumulador, por ejemplo, mediante cubiertas

aislantes.

Toda batería empleada en los sistemas acumuladores solares deberá estar

etiquetada, al menos, con la siguiente información:

- Tensión nominal (V);

- Polaridad de los terminales;

- Capacidad nominal (Ah);

- Fabricante (nombre o logotipo) y número de serie.

6.1.4- Inversor o Convertidor DC/AC

El convertidor de corriente DC/AC, también llamado inversor u ondulador, es un

dispositivo electrónico de potencia encargado de convertir la corriente continua (DC)

proveniente de los generadores fotovoltaicos en corriente alterna (AC) para su

consumo en la vivienda. Además sincroniza la frecuencia de la corriente inyectada

con la de la red, adaptándola a las condiciones requeridas según el tipo de carga,

garantizando así la calidad de la energía vertida en la instalación eléctrica de la

vivienda.

Ilustración 14 Convertidor de corriente DC/AC manual calculo fotovoltaico Europe sunfield

Los inversores vienen caracterizados principalmente por la tensión de entrada

desde las baterías, la potencia máxima que puede proporcionar y su eficiencia o

rendimiento de potencia. Este último se define como la relación entre la potencia

eléctrica que el inversor entrega para su uso (potencia de salida) y la potencia

45

eléctrica que extrae del sistema de baterías o de los generadores fotovoltaicos

(potencia de entrada).

En general, los inversores en las instalaciones fotovoltaicas deben cumplir las

siguientes exigencias:

- Deberán ofrecer una eficiencia lo más alta posible que minimice las pérdidas. El

rendimiento de potencia de los inversores (cociente entre la potencia activa de

salida y la potencia activa de entrada), oscila entre el 90% y el 97%. El valor del

rendimiento depende mucho de la potencia de entrada, que deberá ser lo más

cercana, o incluso tratar que sea igual a la nominal de funcionamiento del inversor,

dado que si varía mucho entonces el rendimiento del inversor disminuye

sensiblemente.

Disponer de elementos que incorporen el rearme y desconexión automática del

inversor.

- Poder admitir demandas instantáneas de potencia mayores del 150% de su

potencia máxima o nominal, con objeto de hacer frente a los picos de arranque que

originan muchos electrodomésticos, como frigoríficos, lavadoras, etc., que van a

demandar mayor potencia que la nominal en el momento de su puesta en marcha

o arranque de sus motores.

- Ofrecer una baja distorsión armónica y bajo autoconsumo.

- Disponer de aislamiento galvánico.

- Disponer de sistema de medida y monitorización.

- Incorporar controles manuales que permitan el encendido y apagado general del

inversor, y su conexión y desconexión a la interfaz AC de la instalación.

Volviendo a las protecciones que deben incorporar en sus funciones los inversores

de corriente, éstas deberán ser las siguientes:

- Protección contra sobrecargas y cortocircuitos, que permitirá detectar posibles

fallos producidos en los terminales de entrada o salida del inversor.

- Protección contra calentamiento excesivo, que permitirá desconectar el inversor si

la temperatura del inversor sobrepasa un determinado valor umbral, y mantenerse

desconectado hasta que el equipo no alcance una temperatura inferior

preestablecida.

- Protección de funcionamiento modo isla, que desconectará el inversor en caso que

los valores de tensión y frecuencia de red queden fuera de unos valores umbrales

que permitan un funcionamiento correcto.

46

- Protección de aislamiento, que detecta posibles fallos de aislamiento en el

inversor.

- Protección contra inversión de polaridad, que permite proteger el inversor contra

posibles cambios en la polaridad desde los paneles fotovoltaicos.

Por último, la envolvente o carcasa que protege el dispositivo inversor ofrecerá un

grado de aislamiento de tipo básico clase 1 y un grado de protección mínima IP20

para aquellos inversores instalados en el interior de edificios y sean lugares

inaccesibles, de IP30 para inversores situados en el interior de edificios y lugares

accesibles, y con grado de protección mínima de IP 65 para inversores instalados a

la intemperie. (Ingemecanica, 2016)

Capítulo 2

6.2- Procedimiento para el cálculo de una instalación fotovoltaica aislada:

En primer lugar se debe introducir un concepto fundamental, el de las “Horas de Sol

Pico” o HPS [horas]. Se puede definir como el número de horas en que disponemos

de una hipotética irradiancia solar constante de 1000 W/m2. Es decir, una hora solar

pico “HPS” equivale a 1Kwh/m2 o, lo que es lo mismo, 3.6 MJ/m2. Dicho en otras

palabras, es un modo de contabilizar la energía recibida del sol agrupándola en

paquetes, siendo cada “paquete” de 1 hora recibiendo 1000 watts/m2.

En este punto, hay que hacer un apunte importante:

– Irradiancia: Es la magnitud que describe la radiación o intensidad de iluminación

solar que llega hasta nosotros medida como una potencia instantánea por unidad

de superficie, W/m2 o unidades equivalentes.

– Irradiación: Es la cantidad de irradiancia recibida en un lapso de tiempo

determinado, es decir, la potencia recibida por unidad de tiempo y por unidad de

superficie. Se suele medir en Wh/m2 o, en caso de un día, en Wh/m2/día o unidades

equivalentes.

47

Para calcular entonces el valor de HPS se debe dividir el valor de la irradiación

incidente entre el valor de la potencia de irradiancia en condiciones estándar de

medida (STC), pues es en esas condiciones donde se cumplen las características

eléctricas de los módulos fotovoltaicos. Ese valor de irradiancia en condiciones

estándar de medida es de 1000 watts/m2. Es decir, si se dispone de los datos de

irradiación solar de un determinado día y se divide entre 1000, se obtienen las HSP.

Por ejemplo, si tenemos una irradiación de 3.800 Wh/m2, para pasarla a HSP, se

divide entre 1.000W/m2, con lo que obtenemos 3.8 HPS.

Los pasos a seguir siempre para dimensionar el sistema fotovoltaico

autónomo son siempre:

1- Estimación del consumo. Aquí siempre es fundamental los datos aportados por

el consumidor, y deben ser siempre lo más realistas posibles para evitar

desviaciones en el dimensionamiento. Si la instalación se realizara para una

vivienda de uso diario todo el año, se escogerá el valor medio de todo el año. Si la

instalación se realizara para el uso ocasional, por ejemplo en verano, hay que

escoger los valores de los meses de verano.

2- Datos del lugar donde se realizará la instalación para saber la irradiación de la

que dispondremos.

3- Dimensionado del generador fotovoltaico (número de paneles necesarios).

4- Dimensionado del sistema de acumulación (número de baterías).

Para el dimensionado del sistema de acumulación es muy importante tener en

cuenta los días de autonomía que se van a otorgar a la instalación, para proyectos

domésticos se suelen tomar entre 3 y 5 días de autonomía, 6 o 7 días en caso de

tratarse de zonas con baja irradiación donde pueden producirse periodos de varios

días en condiciones de poca luz. Para sistemas remotos suelen tomarse 7 y 10 días

de autonomía.

5- Dimensionado del regulador.

48

6- Dimensionado del inversor.

Una vez definidos los pasos, exponemos el método de cálculo.

Suponemos un consumo para una vivienda con uso diario durante todo el año, como

por ejemplo:

Unidades Carga

Potencia

Unitaria

(Watt)

Horas de

funcionamiento

al Día

Total

Energía

necesaria

(wh)

Total Energía

necesaria (wh)

* Margen

Seguridad 20%

5 Lámparas

(DC) 15 5 375 450

1 Lavadora

(AC) 350 1.5 525 630

1 Calefacción

(AC) 110 10 1.100 1.320

TOTAL 2.000 Wh /

día 2.400 Wh / día

Ilustración 15manual calculo fotovoltaico Europe sunfield

Con los datos de esta “Tabla de Consumos” obtenemos el consumo medio diario de

la instalación al que se le ha aplicado un 20% como margen de seguridad

recomendado. Debemos también tener en cuenta que en la instalación habrá

pérdidas por rendimiento de la batería y del inversor y esto influye en la energía

necesaria final. Generalmente, para el buen dimensionamiento, tomaremos un

rendimiento de la batería de un 95%, del inversor un 90% y de los conductores un

100%.

Así pues para el cálculo de los consumos medios diarios (Lmd) consideramos la

siguiente expresión:

49


Siendo (Lmd) el consumo medio de energía diario, (Lmd,DC) el consumo medio de

energía diario de las cargas en continua y (Lmd,AC) el de las cargas en alterna.

O bien, si lo queremos expresar como el consumo de energía medio en Ah/día:

Ilustración 17 manual calculo fotovoltaico Europe sunfield

Como era de esperar, el consumo medio diario real es ligeramente superior al

nominal, pues como se mencionaba, hemos tomado en cuenta las pérdidas que se

pueden producir en algunos de los elementos de la instalación y el margen de

seguridad del 20%.

Como dato adicional, podríamos calcular el consumo total anual (LT) y medio anual

(Lma):

LT = Lmd * 365 días = 1.005.575 Wh/año

Lma = LT/365 = 2.755 Wh/día (En este caso coincide con el medio diario, pues el

consumo que se ha estimado es constante todo el año, no sucedería así si hubiera

variaciones de consumos estacionales).

50

Cálculo de los paneles solares necesarios:

Una vez calculado el consumo, buscamos los datos de radiación solar global en el

sitio de emplazamiento o ubicación del sistema, utilizando, por ejemplo, el PVGIS,

que es una aplicación online gratuita:

Tendremos una pantalla tal como esta:

Ilustración 18 PVGIS, que es una aplicación online gratuita manual calculo fotovoltaico Europe sunfield

Una vez hechos los cálculos, obtendremos la siguiente “Tabla de Radiaciones“

(Wh/m2/dia) según las inclinaciones que queramos ir estudiando:

Mes Inclinación 30º Inclinación 40º Inclinación 50º Inclinación 60º

Enero 3.240 3.240 3.400 3.480

Febrero 3.630 3.830 3.930 3.940

Marzo 4.860 4.960 4.940 4.800

Abril 5.250 5.160 4.950 4.630

51


Mayo 5.680 5.430 5.070 4.600

Junio 6.120 5.770 5.300 4.730

Julio 6.320 5.990 5.540 4.960

Agosto 5.990 5.830 5.530 5.100

Septiembre 5.360 5.410 5.320 5.100

Octubre 4.200 4.390 4.460 4.420

Noviembre 3.100 3.330 3.470 3.530

Diciembre 2.780 3.040 3.220 3.320


Calculamos ahora la inclinación óptima para nuestra instalación, para ello aplicamos

el Criterio del Mes Crítico, así pues, se ha de preparar a partir de la tabla de

radiaciones, la “Tabla de Cocientes Consumo / Radiación” que es la que se muestra

a continuación:


Enero 850,31 850,31 810,29 791,67

Febrero 758,95 719,32 701,02 699,24

Marzo 566,87 555,44 557,69 573,96

Abril 524,76 533,91 556,57 595,03

Mayo 485,04 507,37 543,39 598,91

Junio 450,16 477,47 519,81 582,45

Julio 435,92 459,93 497,29 555,44

52


Agosto 459,93 472,56 498,19 540,20

Septiembre 513,99 509,24 517,86 540,20

Octubre 655,95 627,56 617,71 623,30

Noviembre 888,71 827,33 793,95 780,45

Diciembre 991,01 906,25 855,59 829,82


Para cada inclinación buscamos el mayor valor de todos los cocientes de cada

columna, pues se corresponderán con el momento del año donde la relación entre

el consumo de energía y la irradiación disponible será mayor, con lo que habrá que

asegurar el suministro de energía sobre todo en ese momento aunque eso implique

un sobredimensionamiento para los otros meses, como por ejemplo, los de verano,

donde habrá excedente de energía. Como se puede comprobar, puesto que en este

caso el consumo es constante todo el año, esos valores coinciden con el mes de

diciembre, que es cuando hay menos radiación solar.

Una vez que se conocen esos valores se elige a continuación el menor de todos

ellos que en este caso corresponde al valor de 829,82 y 60 º de inclinación (señalado

en negrita y celda gris oscuro). Es decir, nuestra instalación deberá disponer de una

inclinación de 60º.

Procedemos ahora con el cálculo del número total de módulos necesarios:

Ilustración 21 Manual calculo fotovoltaico Europe sunfield

53

Así pues, serían 6 Paneles (Este número podría cambiar).

Siendo:

Lmdcrit el consumo medio diario mensual para el mes crítico, “Tabla de

Consumos”, (en este caso, es siempre el mismo [2.755 wh/dia], pues el consumo

diario es constante todo el año).

PMPP la potencia pico del módulo en condiciones estándar de medida STC, en este

caso, estamos utilizando el modelo SW180 del fabricante SolarWorld, con 180

wattios de potencia pico en STC.

HPScrit son las horas de sol pico del mes crítico calculado a partir de la “Tabla de

Radiaciones”, es decir: Irradiación del mes crítico (Diciembre 60º) / 1000 W/m2 =

3,32 HPS.

PR el factor global de funcionamiento que varía entre 0.65 y 0.90. Usaremos 0.90

por defecto.

Respecto a la conexión de los módulos calculados en serie o paralelo, teniendo en

cuenta que el SW180 de SolarWorld tiene una Vmax=36,55 Volt., hacemos:


Así pues, conectaríamos 6 ramas en paralelo con un panel por rama.

54

Si no se va a instalar un regulador con seguimiento de punto de máxima potencia

MPPT se debe utilizar otro criterio, el Criterio de Amperios-Hora, pues será entonces

la batería la que marque la tensión del sistema (12, 24, 48 Volt.) y rara vez se

alcanzará el punto de máxima potencia de los módulos empleados. Tenemos

inicialmente el consumo de energía medio en Ah/día calculado anteriormente:

Tenemos inicialmente el consumo de energía medio en Ah/día calculado

anteriormente:


Así pues, la corriente que debe generar el campo de captación fotovoltaico (el total

de los paneles instalados) en las condiciones de radiación solar del mes crítico

sería:


Siendo:

(IGFV,MPP) la corriente generada por el campo de captación fotovoltaico (el total

de placas solares instaladas).

Si la dividimos entre la corriente unitaria de cada módulo fotovoltaico (IMOD,MPP)

que en el caso del SW180 es Imax=4,90 Amp., obtendremos el total de módulos

necesarios conectados en paralelo:

55


Así pues, finalmente son 7 ramas en paralelo con 1 módulo por rama las necesarias

para cubrir las necesidades del sistema, si no usamos un regulador MPPT (lo

recomendable es usarlo).

Cálculo de las baterías solares necesarias para nuestro proyecto fotovoltaico:

Pasamos ahora al cálculo de las baterías recordando que los dos parámetros

importantes para el dimensionado de la batería son la máxima profundidad de

descarga (estacional y diaria) y el número de días de autonomía. Como norma

general, tomaremos estos parámetros:

Profundidad de Descarga Máxima Estacional (PDmax,e) = 70% = 0,7

Profundidad de Descarga Máxima Diaria (PDmax,d) = 15% = 0,15

Número de días de Autonomía (N) = 6

Calculamos entonces ahora la capacidad nominal necesaria de las baterías en

función de la profundidad de descarga estacional y diaria. La mayor de ellas será la

que seleccionemos, pues de lo contrario podríamos incurrir en una insuficiencia

estacional o diaria.

Capacidad nominal de la batería en función de la descarga máxima diaria (Cnd):


56


Así pues escogeríamos la mayor, es decir la capacidad nominal de las baterías

sería, como mínimo, C100=984Ah. Usaríamos entonces baterías solares

estacionarias.

Nota respecto al cálculo de baterías:

En el caso de que tengamos que dimensionar un sistema que se utiliza solamente,

por ejemplo, los fines de semana, se puede considerar un consumo diario

equivalente, que sería como si fuera una instalación con un consumo diario menor

pero igual en el cómputo general, y podríamos hacerlo con:

Consumo diario equivalente = Consumo diario (cuando hay uso, los fines de

semana) x Días de uso (2 o 3 días) / 7 días.

Esto se aplicaría tanto al consumo global de la instalación, como al particular de

cada elemento. El dimensionado del subsistema de generación se realizaría en

función de este nuevo consumo diario equivalente.

Otro apunte importante para baterías, para asegurar la carga de la batería, debemos

siempre tener que la corriente de cortocircuito (Amperios) del sistema de generación

(el grupo de paneles), sea mayor o igual a la Capacidad de la Batería en C20 (Ah),

dividido entre 30. Y también no superar la corriente de carga máxima recomendada

por el fabricante.

Cálculo del regulador/controlador de carga:

Procedemos ahora al cálculo del regulador, (!! ánimo que ya estamos acabando !!),

para ello debemos calcular cual es la máxima corriente que debe soportar el

regulador, a su entrada pero también a su salida.

57

Para calcular la corriente de entrada al regulador hacemos el producto corriente de

cortocircuito de un módulo, en este caso la del SW180 de SolarWorld es de Isc =

5,30 Amp., y multiplicamos por el número de las ramas (la corriente de cada rama

en paralelo será aproximadamente la misma) en paralelo calculado anteriormente:


Siendo:

(IMOD,SC) la corriente unitaria del módulo fotovoltaico en condiciones de

cortocircuito, en este caso, para el SW180, es de Isc = 5,30 Amp. Se usa la corriente

de cortocircuito para el cálculo de la corriente de entrada al regulador por que será

la máxima corriente que podría ser generada por el módulo fotovoltaico y ha de ser

esa la que tengamos en cuenta para evitar pérdidas de rendimiento.

(NP) el número de ramas en paralelo, en este caso, 7.

1,25 es un factor de seguridad para evitar daños ocasionales al regulador.

Para el cálculo de la corriente de salida hemos de valorar las potencias de las

cargas DC y las cargas AC:


Siendo:

(PDC), potencia de las cargas en continua.

(PAC), potencia de las cargas en alterna.

(ninv), rendimiento del inversor, en torno a 90-95%.

58

Así pues, el regulador de carga debería soportar una corriente, como mínimo de 47

Amp. a su entrada y 26 Amp. a su salida.

Cálculo de inversor para nuestro proyecto fotovoltaico aislado:

Por último, para el cálculo del inversor para solar aislada, únicamente hemos de

calcular la suma de las potencias de las cargas de alterna. En nuestro caso, sería

la lavadora (350W) y la calefacción (110W) y aplicar un margen de seguridad del

20%. Así pues:


Así pues, será necesario un inversor de 550W aproximadamente.

Ahora bien, debemos tener en cuenta algo importante a la hora de seleccionar

nuestro inversor. Muchos de los electrodomésticos y aparatos con motor utilizados

tienen “picos de arranque”, como los frigoríficos, lavadoras etc, lo que supone que

para su arranque van a demandar mayor potencia que la nominal, en ocasiones

hasta 4 o 5 veces más de la potencia nominal prevista. Es por esta razón que, para

evitar problemas y deficiencias en el correcto funcionamiento de nuestra instalación,

es recomendable hacer un sobredimensionamiento que contemple los picos de

arranque:


Es decir, nuestro inversor debería cubrir, al menos, 1.812W de demanda para tener

bien cubiertas las necesidades de la vivienda, incluso los picos de demanda por

arranque del motor de la lavadora.

Por último, para seleccionar nuestro inversor, sabemos que en el mercado podemos

encontrar inversores de onda senoidal pura (PWM) y de onda senoidal modificada

59

(MSW). Mi recomendación es utilizar, siempre que sea posible, los de onda senoidal

pura pues aunque son algo más caros, nos evitarán más de un problema que nos

podrían ocasionar los de onda modificada con aparatos con motores.

Ilustración 32 (PWM) Y (MSW) manual calculo fotovoltaico Europe sunfield

Los inversores de onda senoidal pura modificada (PWM) pueden alimentar a la

mayoría de electrodomésticos actuales, sin embargo, pueden ocasionarnos

problemas con aparatos con cargas inductivas, como son los motores. Los

inversores de onda senoidal pura (PWM), “imitan” la forma de onda que de la red

eléctrica y en consecuencia es la mejor opción la alimentar los equipos eléctricos y

electrónicos actuales.

Esta ha sido, de un modo general, la explicación de qué es una instalación

fotovoltacia autónoma, qué elementos la componen y cómo se realiza un cálculo

típico, todo ello realizado por José A. Alonso Lorenzo.

60

Resumen del cálculo en Excel:

1.) HOJA E DATOS DE CONSUMO, CLACULO DE LA EMANDA

MES

EQUIPO No DE PTOS POTENCIA (w)

TIEMPO DE

UTILIZACIÓN

(h/d)

CONSUMO DIARIO

(wh/d)

Total Energía

necesaria (wh) *

Margen

Seguridad 20%

Lámparas 5,00 15,00 5,00 375,00 450,00

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -

375,00 450,00

EQUIPO No DE PTOS POTENCIA (w)

TIEMPO DE

UTILIZACIÓN

(h/d)

CONSUMO DIARIO

(wh/d)

Lavadora 1,00 350,00 1,50 525,00 630,00

Calefacción 1,00 110,00 10,00 1.100,00 1.320,00

- -

- -

- -

- -

- -

- -

1.625,00 1.950,00

2.000,00 2.400,00 CONSUMO TOTAL DIARIO

CORIENTE CONTINUA

PROYECTO DE UNA INSTALACIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA

CONSUMO TOTAL EN C.C. (wh/d)

CORIENTE ALTERNA

CONSUMO TOTAL EN C.A. (wh/d)

61

Consumo

electrodomesticos (día) Horas Energía Total

Televisor 6 70 W 420

Wh Frigorifico 24 195 W 4680

Wh Microondas 0.3 800 W 240

Wh Computadora 3 300 W 900

Wh Plancha 0.3 1000 W 300

Wh Lavadora 1 500 W 500

Wh 7040

Wh/d

Capítulo 3

6.3 Modelo tipo de vivienda con implementación de energía solar fotovoltaica

DATOS DE UBICACIÓN Y ORIENTACIÓN:

La instalación esta situada : Cra. 49a #93-39, Bogotá, Colombia

En las coordenadas :4.681237, -74.0625

El campo fotovoltaico estará dispuesto con las siguientes características:

- Inclinación :6 º

- Desorientación respecto al Sur :0 º

CONSUMOS.

Consumo por

Iluminación (día) Nº Hora

s

Energía Tot

al

Lámpara

fluorescente

6 5 11

W

330

Wh Lámpara

incandescente

2 5 60

W

600

Wh Tubo fluorescente 2 5 30

W

300

Wh Otros 1 1 100

W

100

Wh 1330

Wh/d

Total energía teórica diaria 8370 WH/DIA

62

Para cálculo del rendimiento (performance Ratio) se han utilizados los siguientes parametros:

Coeficiente perdidas en batería 5 %

Coeficiente autodescarga batería 0.5 %

Profundidad de descarga batería 100 %

Coeficiente perdidas conversión DC/AC 5 %

Coeficiente perdidas cableado 5 %

Autonomía del sistema 3 d

Rendimiento General 83.73

%

TOTAL ENERGIA REAL DIARIA (WH/DIA): 9996.42

Se trata de una (vivienda de uso habitual con los siguientes consumos distribuidos por meses a lo largo del año)

Ene Feb Mar Abl May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

% mes 100

%

100

%

100

%

100

%

100

%

100

%

100

%

100

%

100

%

100

%

100

%

100

% Consumos

(W)

9996 9996 9996 9996 9996 9996 9996 9996 9996 9996 9996 9996

HORAS SOL PICO

Para el calculo de las hora son pico, se ha utilizado la base de datos NREL-NASA,

contemplando la inclinación y orientación elegidas, así como los datos de

localización del lugar.

La declinación solar se ha calculado con la siguiente formula:


63

Se ha elegido un día de cada més, que viene a coincidir con un día a mediados de

mes. Para el calculo de la elevación solar se han tomado los valores:

Para determinar la inclinación optima se han utilizado las siguientes premisas:

Para la estimación del parametro rad_glo_op, se ha usado la siguiente fórmula:

Finalmente las horas del pico (HSP) es el resultado de multiplicar la radiación

global optima (Ga(ßopt)) por el factor de irradiación (FI)


Días mes 31 28 31 30 31 30 31 31 30 31 30 31

Declinació

n

-

21.27

º

-

13.62

º

-

2.02º

9.78º 19.26

º

23.39

º

21.18

º

13.12

º

1.81º -

10.33

º

-

19.6º

-23.4º

Nº

día/año

15 45 76 106 137 168 198 229 259 290 321 351

Elevación

solar

64.05

º

71.7º 83.3º 95.1º 104.5

8º

108.7

1º

106.5

º

98.44

º

87.13

º

74.99

º

65.72

º

61.92º

nclinación

optim

a

25.95º

18.3º 6.7º 5.1º 14.58

º

18.71

º

16.5º 8.44º 2.87º 15.01

º

24.28

º

28.08º rad_glo_h

or

5.18 5.15 5.11 4.78 4.84 5.02 5.17 5.22 5.31 4.91 4.82 4.91

rad_glo_o

p

5.7 5.41 5.15 4.81 5 5.28 5.38 5.28 5.32 5.08 5.24 5.49

FI 0.95 0.98 1 1 0.99 0.98 0.99 1 1 0.99 0.96 0.94

HSP/dia 5.42 5.3 5.15 4.81 4.95 5.18 5.33 5.28 5.32 5.03 5.04 5.16

HSP/mes 168.0

2

148.

4

159.6

5

144.

3

153.4

5

155.

4

165.2

3

163.6

8

159.

6

155.9

3

151.

2

159.96

Temp dia

max

21.92

º

22.62

º

22.57

º

22.14

º

21.73

º

21.31

º

21.38

º

22.25

º

22.6º 21.74

º

21.31

º

21.36º

Consu/HSP

día

1844.

36

1886.

12

1941.

05

2078.

26

2019.

48

1929.

81

1875.

5

1893.

26

1879.

03

1987.

36

1983.

42

1937.2

9 Ilustración 34Manual calculo fotovoltaico Europe sunfield

64

CALCULOS DE MODULOS

Para el cálculo del campo fotovoltaico se ha tenido en cuenta la inclinación y

orientación elegidas, las HSP, el ratio de aprovechamiento del regulador de

carga y las temperaturas medias mensuales diurnas del lugar elegido. Dando

los siguientes valores:

* El mes más desfavorable según consumos: Abril

* Inclinación optima anual: 6.93º

* Inclinación optima anual por consumos: 15.38º

* Inclinación elegida: 6º

* Azimut módulos: 0º

* Temperatura media mensual máxima diaria (3 meses): 22.15º

* Horas Sol Pico en meses más desfavorables: 4.81 HSP

* Energía Real Diaria desde módulos: 9996.42 Wh/d

* Ratio de aprovechamiento regulador: 1

* Potencia pico módulos calculada: 2320 Wp

La elección del módulo, tiene en cuenta los distintos parámetros eléctricos, que

determinan el rendimiento, las unidades necesarias y su acoplamiento con el

regulador y batería. A continuación se observan los detalles del módulo y los

cálculos elegidos.


65

CALCULOS REGULADORES

Para la elección del regulador se tienen en cuenta los valores de tensión del

sistema, los parametros de los módulos fotovoltaicos, lo que nos aporta un

determinado grado de optimización. Ver a continuación:

* Tensión sistema: 48 V

* Tensión modulos Circuito abierto: 37 V

* Tensión modulos maxima potencia : 29.8 V

* Corriente de cortocircuito modulo: 8.22 A

* Corriente a potencia máxima modulo: 7.73 A

* Nº de módulos serie instalar: 2

* Nº de módulos paralelo instalar: 5

* Total modulos instalar: 10

* Intensidad modulo a tensión sistema (abierto): 8.22 A

* Intensidad modulo a tensión sistema (cerrado) : 7.73 A

* Intensidad total sistema (abierto) : 49 A

La elección del regulador ha sido la siguiente:


66

CALCULO DE BATERIAS

Para el calculo de la bateria, se ha tenido en cuenta, la energía necesaria, la

tensión del sistema, ási como la

profundidad de descarga y la autonomía de dicho sistema en días.

* Tensión nominal de baterías: 48 V

* Profundidad de descarga de baterías: 100 %

* Autonomía del sistema: 3 días

* Energía Real Diaria: 9996 Wh/día

* Capacidad útil baterías calculada: 625 Ah

* Capacidad real baterías calculada: 625 Ah

De lo que se desprende, que, adaptándonos al fabricante, utilizaremos una

batería con 24 vasos en serie de 1 series en

paralelo de 1082 Ah en C100 , por serie, dando un total de 1082 Ah en C100 y

48 V. Con esta acumulación se tendría

la capacidad de almacenamiento de 3 días, con los consumos teóricos.


67

INVERSOR –CARGADOR

Para el dimensionado del inversor-cargador se han utilizado los siguientes datos:

* Tensión sistema DC: 48 V

* Tensión salida AC: 12 V

* Potencia máxima:3211 W

* Coeficiente Simultaneidad: 1

* Potencia mínima necesaria: 3211 W

* Factor de seguridad: 1

* Potencia de calculo : 3211 W

La elección del inversor-cargador ha sido la siguiente:

68

RESUMEN

Resumen de los elementos resultantes del cálculo:

Unidade

s

Elementos

10 Modulo tipo -LUXOR Eco line 60/230 W Policristalino

1 Regulador tipo - MORNINGSTAR TRISTAR 60A PWM

24 Bateria tipo - ECOSAFE TYS-7 TUBULAR-PLATE

1 Inversor tipo -VICTRON MULTIPLUS C 48/5000/70-50

Con los elementos de consumos seleccionados y los componentes de las

instalación calculados, obtenemos la siguiente comparativa de consumos y

productos estimados a lo largo del año.


Consumo 31

0

280 310 300 310 300 310 310 300 310 300 310

Producció

n

34

6

306 329 297 316 320 340 337 329 321 312 330

69

Capítulo 4

6.4 costos caso modelo

Los elementos necesarios para la implementación del sistema solar fotovoltaico

son los siguientes:

UNIDADES ELEMENTOS VALOR UNITARIO

VALOR TOTAL

10 Modulo tipo -LUXOR Eco line 60/230 W Policristalino

$ 1,150,500.00

$ 11,505,000.00

1 Regulador tipo - MORNINGSTAR TRISTAR 60A PWM

$ 640,000.00

$ 640,000.00

24

Bateria tipo - ECOSAFE TYS-7 TUBULAR-PLATE

$ 638,000.00

$ 15,312,000.00

1 Inversor tipo -VICTRON MULTIPLUS C 48/5000/70-50

$ 900,000.00

$ 900,000.00

Inversión inicial materiales:

$ 28,357,000.00

Mano de obra: $ 5,671,400.00

Total: $ 34,028,400.00

Ilustración 38 Tabla presupuestos (fuente elaboración propia)

El consumo de la familia de caso de estudio es de $ 165.933.60 por lo cual

realizamos una proyección a 30 años que es el tiempo de vida útil del panel solar

solar fotovoltaico, dándonos un ahorro en el consumo a 30 años de $

112,050,338.25

Es importante denotar que se requiere realizar cambio de baterías cada 10 años

(contando con baterías de ultima tecnología),de inversor cada 10 años y de

regulador de voltaje cada 10 años también.

Teniendo en cuenta que en el mercado existen baterías de ciclo profundo con una

vida útil de 10 años a 20 grados Celsius, por lo cual solo se requerirían durante el

periodo de vida útil del proyecto dos cambios de baterías permitiendo un ahorro

frente a las baterías convencionales.

70

Tabla de ahorro en valor futuro a 30 años de vida útil del proyecto

AÑO $ Facturas/Años

Costo/Mantenimiento Costo Rep/Equipos 5%

1 $ 1,991,203.20 $ 344,727.00 $ 34,028,400.00

2 $ 2,091,161.60 $ 362,032.30

3 $ 2,196,137.91 $ 380,206.32

4 $ 2,306,384.04 $ 399,292.67

5 $ 2,422,164.51 $ 419,337.17

6 $ 2,543,757.17 $ 440,387.89

7 $ 2,671,453.78 $ 462,495.36

8 $ 2,805,560.76 $ 485,712.63

9 $ 2,946,399.91 $ 510,095.41

10 $ 3,094,309.19 $ 535,702.19 $ 16,852,000.00

11 $ 3,249,643.51 $ 562,594.44

12 $ 3,412,775.62 $ 590,836.69

13 $ 3,584,096.95 $ 620,496.69

14 $ 3,764,018.62 $ 651,645.62

15 $ 3,952,972.35 $ 684,358.23

16 $ 4,151,411.56 $ 718,713.01

17 $ 4,359,812.43 $ 754,792.41

18 $ 4,578,675.01 $ 792,682.99

19 $ 4,808,524.49 $ 832,475.67

20 $ 5,049,912.42 $ 874,265.95 $ 16,852,000.00

21 $ 5,303,418.03 $ 918,154.10

22 $ 5,569,649.61 $ 964,245.44

23 $ 5,849,246.02 $ 1,012,650.56

24 $ 6,142,878.17 $ 1,063,485.62

25 $ 6,451,250.66 $ 1,116,872.60

26 $ 6,775,103.44 $ 1,172,939.60

27 $ 7,115,213.63 $ 1,231,821.17

28 $ 7,472,397.36 $ 1,293,658.59

29 $ 7,847,511.71 $ 1,358,600.25

30 $ 8,241,456.79 $ 21,555,278.56

TOTALES $ 132,748,500.53 $ 21,555,278.56 $ 89,287,678.56

Costos implementación sistema vs. Ahorro en pagos de factura $ 43,460,821.97

Ilustración 39 Tabla de valores futuros (fuente elaboración propia)

El valor total de la implementación del sistema es de $ 89,287,678.56 y se realiza un ahorro de $ 43,460,821.97 lo que corresponde a un 32.74 % ,además el

71

valor de la inversión inicial se recupera a los 13 años de instalado el sistema solar fotovoltaico.

7. CONCLUSIONES:

-Como procede de una fuente de energía renovable, sus recursos son ilimitados

-Su producción no produce ninguna emisión, es decir, es una energía muy

respetuosa con el medio ambiente.

-Los costos de operación son muy bajos

-El mantenimiento es sencillo y de bajo costo.

-Los módulos tienen un periodo de vida de hasta 30 años

-El costo disminuye a medida que la tecnología va a avanzando

-Es un sistema de aprovechamiento de energía idóneo, para zonas donde no llega

la electricidad

-Los paneles fotovoltaicos son limpios y silenciosos, es decir que pueden

instalarse en cualquier parte sin provocar molestias auditivas.

-para su implementación se requiere una inversión inicial la cual se amortiza mes

a mes con el pago de las facturas de servicios públicos.

-Colombia cuenta con una legislación vigente que permite la implementación de

este tipo de energías. (ley 1715 del 2014)

-La implementación de la energia solar fotovoltaica es mas rentable en zonas

rurales no interconectadas que en zonas urbanas conectadas a la red.

72

8. GLOSARIO

• Acumulador: Elemento de instalación capaz de almacenar la energía eléctrica,

transformándola en energía química. Se compone de diversas baterías

conectadas entre sí en serie o en paralelo.

• Amperio-hora: Unidad usada para especificar la capacidad de una batería.

• Balance of System (BOS): Representa el resto de componentes del sistema,

añadidos a los módulos fotovoltaicos.

• Baterías: Acumulan la energía que reciben de los paneles. Cuando hay

consumo, la electricidad la proporciona directamente la batería y no los paneles.

• Diodo de bloqueo: Diodo que impide que se invierta la corriente en un circuito.

Normalmente es usado para evitar la descarga de la batería.

• Caja de Conexiones: Elemento donde las series de módulos fotovoltaicos son

conectados eléctricamente, y donde puede colocarse el dispositivo de protección,

si es necesario.

• Célula Fotovoltaica: Unidad básica del sistema fotovoltaico donde se produce la

transformación de la luz solar en energía eléctrica.

• Central Fotovoltaica: Conjunto de instalaciones destinadas al suministro de

energía eléctrica a la red mediante el empleo de sistemas fotovoltaicos a gran

escala.

• Concentrador: Dispositivo que mediante distintos sistemas, concentra la

radiación solar sobre las células fotovoltaicas.

• Contador: Un contador principal mide la energía producida (kWh) y enviada a la

red, que pueda ser facturada a la compañía a los precios autorizados. Un contador

secundario mide los pequeños consumos de los equipos fotovoltaicos (kWh) para

descontarlos de la energía producida.

• Controlador de Carga: Componente del sistema fotovoltaico que controla el

estado de carga de la batería.

• Convertidor Continua - Continua: elemento de la instalación encargado de

adecuar la tensión que suministra el generador fotovoltaico a la tensión que

requieran los equipos para su funcionamiento.

• Dimensionado: Proceso por el cual se estima el tamaño de una instalación de

energía solar fotovoltaica para atender unas necesidades determinadas con unas

condiciones meteorológicas dadas.

73

• Integración en edificios (BIPV): Término que se refiere al diseño e integración

fotovoltaica en el desarrollo de edificios, normalmente reemplazando los

materiales que convencionalmente se emplean en los edificios.

• Efecto Fotovoltaico: Conversión directa de la energía luminosa en energía

eléctrica.

• Eficiencia: En lo que respecta a células solares es el porcentaje de energía solar

que es transformada en energía eléctrica por la célula. En función de la tecnología

y la producción técnica, éste varía entre un 5% y un 30%.

• Electrolito: En el caso de las baterías empleadas en sistemas fotovoltaicos, es

una solución diluida de ácido sulfúrico en la que se verifican los distintos procesos

que permiten la carga y descarga de la batería.

• Fotón: Cada una de las partículas que componen la luz.

• Fotovoltaico (FV): Relativo a la generación de fuerza electromotriz por la acción

de la luz.

• Generador: Conjunto de todos los elementos que componen una instalación

fotovoltaica, necesarios para suministrar energía a las distintas aplicaciones.

Transforma la energía del Sol en energía eléctrica y carga las baterías.

• Inclinación: Ángulo que forma el panel fotovoltaico con una superficie

perfectamente horizontal o a nivel.

• Inversor: Transforma la corriente continua que suministran las baterías o los

paneles en corriente alterna para su uso en diferentes electrodomésticos o

aplicaciones, tanto en sistemas aislados como en sistemas conectados a red.

• Kilovatio (kW): Unidad de potencia equivalente a 1000 vatios.

• Módulo o Panel Fotovoltaico: Es el conjunto formado por las distintas células

fotovoltaicas interconectadas, encapsuladas y protegidas por un vidrio en su cara

anterior y por un marco por los laterales. El módulo está provisto de terminales

para su conexión a la instalación.

• Nominal Operating Cell Temperature (NOCT): Temperatura a la que trabaja

una célula en un módulo bajo las Condiciones de Operación Estándar, que es de

20º Centígrados de temperatura ambiente, irradiación de 0.8 kW/m2 y velocidad

media del viento de 1 m/s, con el viento orientado en paralelo al plano de la

estructura y todos los lados de la estructura totalmente expuestos al viento.

• Orientación: Ángulo de orientación respecto al Sur Solar de la superficie de un

panel. El Sur geográfico (o real) no debe confundirse con el magnético, que es el

que señala la brújula, aunque en el caso de España la diferencia no suponga

grandes desviaciones.

74

• Punto de máxima potencia de un Panel: Potencia que suministra un panel

fotovoltaico cuando el producto de la tensión por la intensidad es máximo.

• Radiación Solar: Cantidad de energía procedente del sol que se recibe en una

superficie y tiempo determinados.

• Regulador: Véase Controlador de Carga.

• Rendimiento: Es la relación que existe entre la energía que realmente

transforma en energía útil y la que requiere un determinado equipo para su

funcionamiento.

• Silicio: Elemento químico del que básicamente se componen las células de un

panel solar. Es de naturaleza prácticamente metálica, gris oscuro y de excelentes

propiedades semiconductoras.

• Sistema Aislado o Remoto: Sistema fotovoltaico autónomo, no conectado a

red. Estos sistemas requieren baterías u otras formas de acumulación. Suelen

utilizarse en lugares remotos o de difícil acceso.

• Sistema Conectado a Red: Sistema fotovoltaico en el que actúa como una

central generadora de electricidad, suministrando energía a la red.

• Sistema Híbrido: Sistema fotovoltaico que incluye otras fuentes que generan

electricidad, tales como generadores eólicos o grupos electrógenos.

• Tensión de un Circuito Abierto: Es la diferencia de potencial medida entre dos

extremos de un circuito eléctrico, cuando éste está abierto y sin carga.

• Tensión Nominal: Diferencia de potencial específica, para la que se diseña un

equipo o una instalación. Se llama nominal porque la tensión puede variar por

distintas circunstancias durante la operación.

• Vatio (W): Unidad de potencia eléctrica, que equivale a un julio por segundo.

• Vatio Pico: Unidad de potencia que hace referencia al producto de la tensión por

la intensidad (potencia pico) del panel fotovoltaico en unas condiciones estándares

de medida (STC).

• Voltaje: Anglicismo del término Tensión.

• Voltio (V): Unidad de potencial eléctrico y fuerza electromotriz, equivalente a la

diferencia de potencial que hay entre dos puntos de un conductor cuando al

transportar entre ellos un coulomb, se realiza el trabajo de un julio.

(grupojomar, 2016)

75

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bogot%C3%A1

Wikipedia. (s.f.). Obtenido de wikipedia.org:

https://es.wikipedia.org/wiki/Panel_solar

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