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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DEL ESTADO DE
GUERRERO
PROGRAMA ACADÉMICO: INGENIERÍA EN ENERGÍA
INSTALACIÓN Y EVALUACIÓN PRELIMINAR DE UNA
CENTRAL FOTOVOLTAICA DE 5.28 kW CONECTADA A LA
RED ELÉCTRICA
T E S I S QUE PARA OPTAR POR EL GRADO DE:
INGENIERO EN ENERGÍA
P R E S E N T A:
Gloria Alejandra Maldonado Guadarrama
TUTOR (ES):
Dr. Joel Moreira Acosta
Dr. Geovanni Hernández Galvez
Taxco de Alarcón, Guerrero, México
Abril de 2013
PROGRAMA
ACADÉMICO:
INGENIERÍA EN
ENERGÍA
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Resumen
Hoy en día se ha tratado constantemente el tema de la crisis energética. La
cual se debe al aumento considerado de la demanda energética por parte de las
industrias que cada vez consumen más en sus procesos productivos.
El presente trabajo muestra la instalación y evaluación de una central
fotovoltaica de 5.28 kW conectada a la red eléctrica e integrada a la empresa
Rotomoldeo de Tuxtla Gutiérrez Chis. Para cubrir la demanda energética que
tiene la empresa en los procesos de producción. La instalación de la central
fotovoltaica se ha realizado en las instalaciones de la UNICACH.
Teniéndose que la instalación y conexión se realizó en varios días, mientras que
los resultados de la primera evaluación a los 91 días de su puesta en
funcionamiento tienen como objetivo saber cuál es la producción en kW que se
está inyectando a la red
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DEL ESTADO DE
GUERRERO
PROGRAMA ACADÉMICO: INGENIERÍA EN ENERGÍA
INSTALACIÓN Y EVALUACIÓN PRELIMINAR DE UNA
CENTRAL FOTOVOLTAICA DE 5.28 kW CONECTADA A LA
RED ELÉCTRICA
T E S I S QUE PARA OPTAR POR EL GRADO DE:
INGENIERO EN ENERGÍA
P R E S E N T A:
Gloria Alejandra Maldonado Guadarrama
TUTOR (ES):
Dr. Joel Moreira Acosta
Dr. Geovanni Hernández Galvez
Taxco de Alarcón, Guerrero, México
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ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Inicio de instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red eléctrica……..11
Tabla 2. Características del generador………………..……………………………..36
Tabla 3. Descripción del panel solar……………………………………………..…..37
Tabla 4. Descripción del inversor………………………………………………..……42
Tabla 5. Descripción del adquisidor de datos……………………………………….44
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Capacidad instalada con sistemas fotovoltaicos a nivel mundial……..5
Figura 2. Capacidad instalada con sistemas fotovoltaicos en países líderes…..6
Figura 3. Capacidad instalada en energía fotovoltaica………………...………….7
Figura 4. Capacidad instalada y generación de electricidad con sistemas
en México………………………………………………………………….10
Figura 5. Descripción de la radiación de cómo llega a la tierra………...…….…17
Figura 6. Esquema de aplicaciones de un sistema fotovoltaico
conectado a la red…………………………………………..……………22
Figura 7. Componentes de una instalación fotovoltaica conectada a la red…..23
Figura 8. Curva I-V de una celda solar……………………………………...…..…24
Figura 9. Panel fotovoltaico……………………………………………………...….25
Figura 10. Comparaciones de tipos de paneles que existen…………………..…27
Figura 11. Localización donde quedo instalada la central fotovoltaica……….…32
Figura 12. Excavación donde se ubicó un cimiento…………………………….…33
Figura 13. Base para el cimiento………………………………………………….…34
Figura 14. Retiro de bases de madera……………………………………….……..34
Figura 15. Perforando un pilote………………………………………………...……35
Figura 16. Atornillando el soporte……………………………………………...….…35
Figura 17. Atornillado de los ángulo………………………………………….…...…36
Figura 18. Como quedan los ángulos puestos……...………………………..…....36
Figura 19. Instalación de paneles……………………………………………...…….37
Figura 20a. Conexión en serie……………………...…………………...……..……..38
Figura 20b. Conexión en paralelo…………………………………………..……..….38
Figura 21a. Puesta de varilla……………………...…………………….……………..39
Figura 21b. Puesta del cable debajo del panel…………..……………….. ………..39
Figura 22a. Instalación de caja de interruptores……………...……..………………40
Figura 22b. Interruptores………………………………………...……………………..40
Figura 23a. Colocación del tubo pvc con el cable en el interior………..…………41
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Figura 23b. Colocación del tubo pvc con el cable en el interior……..…...…….…41
Figura 24a. Inversor…………………………………………………………...……….43
Figura 24b. Instalación del tubo al vacío…………………………..……..……….…43
Figura 24c. Inversor funcionando……………………………..……………...………43
Figura 25. Conexión a la red del sunny web box……………...…………...………45
Figura 26. Instalación de la central fotovoltaica………….…….…..………..…….45
Figura 27. Representación de los kW/d producidos…………..…...………….….47
Figura 28. Representación semanalmente……………………………………..….48
Figura 29. Producción mensualmente………………………………….………..…49
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Abreviaturas
SEN. Sistema eléctrico nacional.
LAERFTE. Ley para el aprovechamiento de las energías renovables y
el financiamiento de la transición energética.
IIE Instituto de Investigaciones Eléctricas
CRE Comisión Reguladora de Energía
CFE Comisión Federal de Electricidad
CERTE Centro de Tecnología Eólica
UNICACH Universidad de Ciencias y Artes de Chiapas
A Amper
W Watt
W/m2 Watt por metro cuadrado
kW kilo- Watt
MW Mega-Watt
TMCA Tasa de crecimiento anual
GW Giga-Watt
SFV Sistema fotovoltaico
MWp Mega Watt pico
MW-h Mega Watt hora
UV Ultra violeta
IR Radiaciones infrarrojas
CO2 Dióxido de Carbono
Isc Corriente cortó circuito
Voc Voltaje circuito abierto
Pm Potencia máxima
Vm Voltaje máximo
DC Corriente Directa
AC Corriente alterna
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Contenido
Lista de tablas
Lista de figuras
Símbolos y abreviaturas
Resumen
Capítulo 1. Introducción………………………………………..…………………………1
1.1. Antecedentes………………………….………………………………….......3
1.1.1. Energía solar fotovoltaica……………………….……………………………4
1.2. Uso de sistemas fotovoltaicos instalados en la República Mexicana..….9
1.3. Situación actual en México…………………………………….………….. 10
1.4. Sistemas fotovoltaico conectados a la red en México…………………...11
1.5. Problemática………………………………………………………………….13
1.6. Objetivo general………………………………………………….…………..14
1.7. Objetivo específico……………………………………………….………….14
1.8. Justificación…………………………………………………………………..14
Capítulo 2. Marco teórico
2.1. Radiación solar………………………………………………………………15
2.1.1. Radiación directa……………………………………………………...…..16
2.1.2. Radiación difusa……………………………………………………………..16
2.1.3. Radiación reflejada o albedo…………………………………………….16
2.2. Efecto fotovoltaico…………………………………………………….……..17
2.3. Sistemas fotovoltaicos………………………………………………………18
2.4. Aplicaciones de la energía solar fotovoltaica……………………………..18
2.5. Sistemas fotovoltaicos aislados o autónomos……………………………18
2.5.1. Elementos que conforman el sistema……………………………………..19
2.6. Algunas de sus aplicaciones……………………………………….………19
2.7. Sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica………………..…..20
2.7.1. Componentes del sistema……………………………………………….….20
2.8. Aplicaciones de los sistemas………………………………………….……21
2.9. Descripción general de una instalación fotovoltaica……………………..22
2.10. Parámetros eléctricos de una célula fotovoltaica………………………...23
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2.11. Panel fotovoltaico……………………………………………………………25
2.12. Tipos de paneles…………………………………………………………….26
2.13. Marco legal, regulatorio, normativo para la conexión a red………...…27
Capítulo 3. Resultados
3.1. Resultados y discusiones……………………………………………..........31
3.2. Fase de instalación…………………………………………………...……..32
3.3. Evaluación………………………………………………………………..…..46
3.4. Conclusiones…………………………………………………………………50
Bibliografía……………………………………………………………..……………..…61
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En esta época de cambios radicales, los que aprenden son los que
heredan el futuro los que lo saben todos, suelen estar equipados para un
mundo que ya no existe.
Eric Hoffer.
Te daras cuenta que lo que simboliza un sacrificio terminara
siendo el mayor logro de tu vida
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CAPITULO 1
INTRODUCCIÓN
El consumo de energía es uno de los grandes medidores del progreso y bienestar
de una sociedad. Pero el uso desmedido de los combustibles fósiles en
actividades humanas ha generado cambios drásticos que afectan nuestro planeta.
El concepto de crisis energética aparece cuando las fuentes de energía de las que
se abastece la sociedad se agotan. Ante este escenario, se han buscado
oportunidades y la mejor opción que tenemos es el uso de energías renovables
para satisfacer la demanda energética que se necesita.
En la actualidad el uso de energías renovables ha tomado un auge muy
importante ya que estas son la mejor solución para detener el calentamiento
global y tener un mundo más ecológico.
La energía solar fotovoltaica es una energía limpia y renovable, de fácil instalación
y mantenimiento, además de larga vida útil y alta fiabilidad, ya que a su rápido
desarrollo y su crecimiento significativo, ha tenido un gran auge en los países
desarrollados y el compromiso del cuidado del medio ambiente
Aunque tradicionalmente la energía solar fotovoltaica ha sido en aplicaciones
aisladas de la red eléctrica, desde hace unos años la incorporación de esta
tecnología al entorno urbano está facilitando su difusión y desarrollo. Por lo que es
necesario tener en cuenta que la generación eléctrica a partir de la energía solar
fotovoltaica es la única que puede producir, a partir de una fuente renovable,
electricidad, reduciendo la saturación de las redes y disminuyendo las pérdidas en
el transporte de electricidad. Usarlas puede disminuir considerablemente al año
el recibo de luz. Gracias a las fuentes renovables de energía es posible ser
independiente de las compañías eléctricas.
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La actual disminución de costos de los sistemas hace posible su fácil adquisición
como se ha observado la mayoría de los sistemas fotovoltaicos implementados en
el país mayoría se concentran en la región centro-norte siendo en la zona sur-
sureste una región sin sistemas fotovoltaicos conectados a la red y por lo tanto
poca o nula experiencia en la implementación y operación de dichos sistemas para
satisfacer la demanda energética. Tal es el caso de la empresa rotomoldeo la cual
ha decidido realizar sus producciones de plástico con el menor impacto al medio
ambiente posible, y ha solicitado a la UNICACH el diseño, implementación y
evaluación de una central fotovoltaica que permita en una primera fase el
suministro energético a una de sus máquinas la cual tiene un consumo total
aproximado de 4.7 kW.
Es importante resaltar que esta región es la menos electrificada del país y
paradójicamente con mayor cantidad de recurso de radiación solar para
producción de energía eléctrica
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1.1. Antecedentes
La energía solar es la que se produce en sol debido a la continua reacción
termonuclear que en su interior se lleva a cabo a temperaturas de varios millones
de grados. La reacción básica en el interior del sol es la fusión nuclear en la cual
cuatro protones de hidrogeno se combinan para formar un átomo de helio, como
consecuencia de ello, la masa perdida se convierte en energía en forma de
radiación (energía electromagnética), de acuerdo a la bien conocida teoría de
Einstein.
Este proceso tiene lugar en el núcleo de la esfera solar para luego ser transferida
a la superficie a través de una sucesión de procesos radiacionales y convectivos,
incluidos los fenómenos de emisión, absorción y re-radiación, de tal manera que la
energía solar nos llega a la tierra es radiada por el sol, desde la parte más externa
de la esfera solar llamada la fotosfera, a una razón de 66 MW/m² [1].
1.1.1. Energía solar fotovoltaica
La energía solar fotovoltaica es una forma de energía obtenida del sol a través de
paneles fotovoltaicos, bajo la denominación fotovoltaica se engloban el conjunto
de las tecnologías que permiten la conversión directa de la luz solar en electricidad
mediante un dispositivo llamado celda solar.
Es el año 1839 cuando Alexandre Edmund bequerel (parís. 1820-1891) físico
francés que entonces contaba con 19 años, descubrió el efecto fotovoltaico
mientras experimentaba con una pila electrolítica.
A lo largo del siglo XIX se prosigue en la investigación del efecto fotovoltaico hasta
que en 1877 se produce la primera célula fotovoltaica de selenio. Casi treinta años
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después, en 1904, Albert Einstein público un artículo sobre el efecto fotovoltaico,
junto con otro artículo sobre la teoría de la relatividad. Unos años después se
destaca su servicio a la física teórica y especialmente a su descubrimiento de la
ley del efecto fotovoltaico.
Habría que esperar luego hasta 1954 para que se creara la primera célula de
silicio a manos de investigadores D.M. Chaplin, C.S. Fuller y G.L. Pearson,
haciendo su presentación oficial en Washington ese mismo año. Un año más
tarde, la industria americana recibe el cargo de producir equipos solares
fotovoltaicos para aplicaciones espaciales. La empresa Hoffman Electronic
produce ese año células de un 3% de rendimiento; apenas tres años después las
produciría con un 8% de rendimiento. Finalmente, en 1958 se lanza el Vanguard I,
primer satélite que se nutre de energía solar y que estaría operativo durante 8
años. [2]
En la década de los 90 la mayoría delo sistemas fotovoltaicos eran utilizados en
sistemas aislados o autónomos, la última década del siglo XX fue importante para
su interconexión a la red eléctrica a nivel mundial.
Esta tendencia se ha mantenido en los años posteriores, de tal forma que en el
periodo 2000 - 2009 la capacidad total instalada mostró una Tasa Media de
Crecimiento Anual (TMCA) de 60%. Así, durante el año 2009 se adicionaron 7
GW, alcanzando un total de 24 GW, de los cuales 21 GW corresponden a
sistemas conectados a la red eléctrica (casi 7% de la capacidad total con energía
renovable, mientras que el resto (3-4 GW) a sistemas aislados. Para el año 2010,
un estimado de 17 GW de capacidad fue adicionado, principalmente conectados a
la red eléctrica, ubicando la capacidad total a nivel mundial en 40 GW. [3]
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Figura 1. Capacidad instalada con sistemas fotovoltaicos a nivel mundial
En 2010, 7 países contaban con una capacidad instalada acumulada superior a 1
GW: Alemania (17.3 GW), España (3.8 GW), Japón (3.6 GW), Italia (3.5 GW),
Estados Unidos (2.5 GW), la República Checa (2 GW) y Francia (1 GW). Estos 7
países representaron el 87% de la capacidad con sistemas FV a nivel mundial
durante ese mismo año. [4]
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Figura 2. Capacidad instalada con sistemas fotovoltaicos en países líderes (2000-
2009).
800 MWp (2000)
3,000 MWp (2004)
40,000 MWp (2010)
Figura 3. Capacidad instalada en energia fotovoltaica GW (2011)
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Alemania e Italia, que en conjunto instalaron el 57% de la nueva capacidad en
2011. Alemania fue el país que mayor crecimiento registró en instalaciones
fotovoltaicas (10.8 GW) alcanzando una capacidad total de 26.2 GW
Otros países fueron China, con 2.1 GW; Estados Unidos, 1.9 GW; Japón, 1.3 GW,
y Australia, 0.8 GW. Japón sigue manteniendo el tercer lugar en capacidad
instalada a nivel mundial. [5]
Los sistemas fotovoltaicos a un enfrentan obstáculos para su aplicación en
interconexiones a red tanto en sistemas aislados como autónomos, algunos de
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ellos pueden ser como financieros, (el capital inicial es elevado, altos costos de
transacción, barreras en los procedimientos administrativos para la interconexión
o para la compra venta de electricidad ),legales( falta de estándares en el
desempeño de la durabilidad y la instalación de sistemas), técnicos( bajo nivel de
desempeño y eficiencia de los sistemas poca flexibilidad en diseño) . Falta de
información (no hay aún suficiente información sobre el mercado de esta
tecnología y al mismo tiempo no se da la suficiente información a los
compradores sobre los beneficios que tendrían al usar esta tecnología, tanto
económicos como ambientales.
Estas barreras se han ido logrando desaparecer mediante estrategias que fueron
implementadas, de forma obligatoria o voluntaria a través de diferentes empresa
suministradoras de electricidad, gobiernos federal, estatal y municipal e
instituciones financieras etc.
1.2. Uso de sistemas fotovoltaicos instalados en la República Mexicana
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En nuestro país aún existen obstáculos que no permiten el desarrollo de esta
tecnología tales como de tipo financieras, técnicas, falta de capacitación e
información. Pero se han desarrollo diversas políticas, leyes, reglamentos y
normatividad para fomentar el uso de fuentes de energía que causan un menor
impacto al medio ambiente, como lo son las energías renovables. Diversos
documentos de planeación energética hechos por centros de investigación y otros
han demostrado que México cuenta con un alto potencial de recurso solar, que
puede ser utilizado como generador de electricidad.
Los sistemas fotovoltaicos conectados a la red son una opción para generar
energía eléctrica que es ya utilizada en varias partes del mundo. Actualmente en
México se permite la conexión de los módulos solares fotovoltaicos a la red
eléctrica Nacional. A través del contrato de interconexión para fuente de energía
solar en pequeña escala, emitido por la comisión Reguladora de Energía; lo que
nos permite a los ciudadanos generar su propio energía y en su caso
intercambiarla con la red eléctrica nacional.
1.3. Situación actual en México
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En el año 2006 la mayor parte de los sistemas fotovoltaicos instalados en México
se encontraban en aplicaciones aisladas a la red eléctrica. Sin embargo en el año
2007 se inician las aplicaciones de sistemas fotovoltaicos interconectados a la red
eléctrica. Esto se ha mantenido en los siguientes años, de tal manera que en el
año 2010, de los 3.5 MWp instalados en ese año, alrededor del 94% fueron
sistemas interconectados a la red eléctrica. [6]
Figura 4. Capacidad instalada y generacion de electricidad con sistemas fotovoltaicos en mexico
La capacidad aumentó de 16.5 MWp a 28.62 MWp. Respecto a la generación
anual de electricidad, está aumentó de 23,235 MWh en el año 2005 a 40,115 MWh
en el año 2010.
1.4. Sistemas fotovoltaicos conectados a la red en México
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Como se observa en la tabla 1. Ha sido desde el año 1997, que se comenzó con
la instalación de sistemas fotovoltaicos conectados a la red. Al mismo tiempo que
estos se han implementado en el centro y este del país. Y la zona sur-sureste no
contaba con ninguna instalación.
Tabla 1. Inicio de instalaciones fotovoltaicos interconectados a la red eléctrica
Laboratorio de energía fotovoltaica en la UAM unidad Iztapalapa
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El proyecto cubrirá la demanda energética de varios edificios de la universidad, lo
que permitirá reducir el uso de petróleo, gas y carbón, entre otros elementos que
contaminan el medio ambiente.
El sistema consta de 286 módulos fotovoltaicos con una potencia de 60 kW y
21inversores cada uno de 25 kW, siendo uno de los de mayor capacidad en el
país. [7]
Iluminación Parque Benito Juárez, Puebla
El proyecto tiene un potencial de 21.6 kW conectado a la red eléctrica; está
compuesto por 108 celdas de silicio poli cristalino, se envía la luz solar
transformada en energía eléctrica hasta la estación de trabajo de la CFE, lo que
significa un ahorro del 80% de la energía que se utiliza actualmente para
abastecer 110 luminarias ocupando un espacio la instalación de 170 m² [8]
El IIE (Instituto de Investigaciones Eléctricas) instaló un sistema de 9 kWp en el
CERTE (Centro Regional de Tecnología Eólica), en Juchitán, Oaxaca. Este
Sistema aprovisionará casi toda la carga de electricidad que exige el edificio
Administrativo. [9]
Wal-Mart Aguascalientes México instalación solar fotovoltaica
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El proyecto genera el 20% de la energía que la tienda requiere en un año, se
evitara la emisión de 140 toneladas de CO2. El proyecto lo conforman 1056
paneles fotovoltaicos se colocaron en 2 mil 173.5 m² correspondientes a una
mitad de la superficie del techo de la Bodega Aurrera Convención en
Aguascalientes. [10]
Sistema residencial fotovoltaico en Coahuila
El sistema fotovoltaico de 16.4 Contiene 72 paneles del modelo CS6P.225P Cada
panel produce 225 W en condiciones estándar. Los paneles se organizan en tres
grupos de 24. Cada grupo está conectado a un inversor Sunny Boy 5000 W. Hay
un total de tres inversores interconectados para formar una conexión trifásica a la
red. [11]
Sistema fotovoltaico interconectado a la red pública planta Conermex
Este sistema fotovoltaico genera en 17 kWh diariamente, lo cual que estará
generando 6.2 MWh por año. Lo conforman 32 módulos de 125 W cada uno; un
inversor de 3.8 kW y un adquisidor de datos que continuamente registra los datos
a internet donde están accesible para cualquier usuario. [12]
1.5. Problemática
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La empresa rotomoldeo tiene el inconveniente de pagar demasiado a la compañía
distribuidora de electricidad para satisfacer la demanda energética que necesita
sus procesos de producción y por tal motivo ha decido implementar una central
fotovoltaica para que esta cubra dicha demanda
1.6. Objetivo General.
Implementar y evaluar una central solar fotovoltaica conectada a la red eléctrica
para el suministro energético a una planta de rotomoldeo en el estado de Chiapas.
1.7. Objetivos Específicos:
1. Instalar un sistema fotovoltaico de 5.28 kW, conectado a la red eléctrica en
el Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Energías
Renovables de la UNICACH.
2. Evaluar el desempeño del sistema solar fotovoltaico bajo condiciones
reales de operación.
1.8. Justificación.
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El uso de sistemas fotovoltaicos conectados a la red constituyen una de las
aplicaciones de la energía fotovoltaica que más importancia está recibiendo en los
últimos años, dado su elevado potencial de utilización en zonas urbanizadas y
empresas privadas próximas a la red eléctrica.
Este proyecto se realiza por que la empresa tiene un gasto energético significativo
en sus procesos de producción lo cual implica dos cosas.
Un desembolso económico a CFE que incrementa el costo de los productos obtenidos.
Emisiones de gases de efecto invernadero causantes del calentamiento
global. Es importante resaltar que este sistema es el primero en su tipo y
servirá de referencia para el desarrollo en la implementación de esta
tecnología en el estado de Chiapas.
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
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La radiación solar es la energía que se utiliza para la generación de energía
eléctrica mediante paneles solares en la cual se tienen en cuenta
2.1. Radiación solar
Se define como al conjunto de radiaciones electromagnéticas emitidas por el sol.
La emisión de solar difiere de la un cuerpo negro. Lo hace en pequeñas longitudes
de onda en el rango ultravioleta.
La radiación se entrega desde infrarrojo hasta ultravioleta. No toda la radiación
llega a la tierra, ya que las ondas ultravioleta más cortas son absorbidas por los
gases de la atmosfera principalmente por el ozono.
La radiación que llega al planeta lo hace paquetes de energía llamados fotones
(luz) que interactúan en la atmosfera y la superficie terrestre.
La magnitud que mide la radiación solar que llega a la tierra, es la irradiancia que
mide la energía por unidad de tiempo y área que alcanza a la tierra.
La potencia de la radiación varía de acuerdo según el día, época del año, latitud y
condiciones atmosféricas.
La energía del sol se puede captar por tres formas de radiación que son la
2.1.1. Radiación directa
Esta radiación se compone de rayos paralelos que vienen directos del sol, sin
haber chocado con nada por el camino sin reflexiones o refracciones intermedias y
por lo tanto desviadas ni cambiadas de dirección. Esta radiación es la que produce
las sombras es la radiación de un día soleado.
2.1.2. Radiación difusa
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Es la radiación que se presenta después de haber incidido con cualquier
elemento de la atmósfera (polvo, nubes, contaminantes, etc.), sufre fenómenos de
reflexión y refracción de la atmosfera por lo que ha cambiado de dirección. Esta se
compone de rayos dispersos no paralelos. Este tipo de radiación hace que los días
despejados se vea el cielo azul, y en días nubosos se vea gris.
2.1.3. Radiación refleja o albedo
Es energía solar que llega a la superficie adyacente a los edificios o desde el
suelo. Depende en gran medida de la forma y textura de todos los alrededores.
Obra importancia en las zonas con nieve, con agua (como cerca del mar o de una
presa) o cualquier otra zona donde la reflexión sea importante. [13]
Figura 5. Descripcion de la radiacion de como llega a la tierra
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2.2. Efecto fotovoltaico
El efecto se lleva a cabo en materiales semiconductores que tienen la
particularidad de presentar un comportamiento diferente respecto a la electricidad
dependiendo de si son o no excitados por una fuente energética externa
El sol actúa como fuente externa y cuando un fotón impacta contra un electrón del
material semiconductor le proporciona a este la energía para liberarse y
desplazarse dentro del material pasando a hacer un material conductor.
2.3. Sistemas fotovoltaicos
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La energía solar fotovoltaica es una fuente de energía, que se basa en el
aprovechamiento de la energía solar, por medio de celdas fotovoltaicas, cuyo
funcionamiento es la conversión de la luz solar en energía eléctrica útil.
2.4. Aplicaciones de la energía solar fotovoltaica
La aplicación de los sistemas fotovoltaicos se clasifica en dos grandes
tecnologías
Sistemas fotovoltaicos aislados o autónomos. Sistemas fotovoltaicos conectados a red.
2.5. Sistemas fotovoltaicos aislados o autónomos
Son sistemas que se caracterizar por el uso de baterías ya que se necesita en
donde guardar el excedente de energía.
Se usan en los lugares que no se tiene acceso a la red eléctrica y resulta viable la
instalar un sistema fotovoltaico que desplegar una línea entre la red y el punto de
consumo.
2.5.1. Elementos que componen el sistema
Módulos fotovoltaicos
Regulador de carga
Inversor
Baterías
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Regulador de carga. Se encarga de proteger las baterías de descargas profundas,
y sobrecargas causadas por exceso de corrientes por parte del generador
fotovoltaico.
Inversor. Este dispositivo se encarga de convertir la corriente directa que produce
el panel fotovoltaico, a corriente alterna, para así abastecer a los
electrodomésticos del hogar.
Baterías. Un dispositivo encargado de almacenar el excedente de energía
producida en el día. Para así ser utilizado por la noche.
2.6. Algunas de sus aplicaciones.
Espaciales: Los satélite y naves espaciales han utilizado los paneles solares
para satisfacer sus equipos electrónicos.
Sector de gran consumo. Calculadoras, relojes, etc.
Telecomunicaciones. Hay gran variedad de equipos de telecomunicaciones
situados en lugares alejados de la red eléctrica. Repetidores de televisión, equipos
de radio, antenas de telefonía móvil.
Señalización. Señalización marítima y terrestre, carreteras y puertos etc.
Bombeo. Se utilizan en obtener el agua de los pozos y así abastecer el cultivo
que se tienen. Estas instalaciones se adaptan a las necesidades ya que los meses
más soleados, es cuando más agua de necesita.
Zonas Protegidas. En parque naturales ya que por razones de protección
ambiental no se pueden establecer tendidos eléctricos aéreos.
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Electrificación de viviendas. Debido a que se encuentran lejos de la red de
distribución resulta más rentable aplicar los sistemas fotovoltaicos.
Alumbrado público: calles y carreteras.
2.7. Sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica
Es un sistema que la electricidad producida por el generador fotovoltaico puede
ser entregado a la compañía de distribución de electricidad (CFE) cuando no se
esté utilizando y la CFE podrá entregar electricidad cuando el generador solar no
pueda abastecer el consumo. Y si durante las horas de irradiación solar produce
más energía de la que gasta, está se inyecta a la red.
Esta diferencia de energía entregada por el generador fotovoltaico y la consumida
de la red eléctrica, se factura si se genera, mas con el generador fotovoltaico y
tendrá un costo menor si se consume de la red eléctrica. Para ello se necesita un
medidor bidireccional.
Estas conexiones benefician al medio ambiente, ya que reducen
considerablemente a la reducción de emisiones de dióxido de carbono (CO2) a la
atmosfera.
2.7.1.Componentes del sistema
Módulos fotovoltaicos Inversor para la conexión a red Protecciones del sistema Medidor de energía bidireccional
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Inversor para la conexión a red. Este dispositivo maximiza la producción de
corriente del generador fotovoltaico y optimiza el paso de energía entre el modulo
y la carga.
Medidor de energía bidireccional. Es el encargado de medir la energía
producida por el generador fotovoltaico durante su periodo de funcionamiento.
2.8. Aplicaciones del sistema
Tejados de vivienda. Son sistemas donde se aprovecha el la superficie del tejado
para llevarse a cabo la instalación.
Integración en edificios. Recubrimientos en fachadas, muros cortina, parasoles
en fachada, pérgolas, cubiertas planas acristaladas, lucernarios en cubierta etc. [14]
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Figura 6. Esquema de aplicaciones de un sistema fotovoltaico conectado a la red.
2.9. Descripción general de una instalación fotovoltaica
Una instalación fotovoltaica conectada a la red eléctrica está compuesta por
equipos y sistemas que facilitan la conexión a la red y funcionamiento. Este
sistema está compuesto por un generador fotovoltaico, un inversor, un medidor
bidireccional.
El funcionamiento de este tipo de sistema es muy fácil, el generador fotovoltaico
capta a la energía procedente del sol, y la transforma en energía eléctrica.
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El inversor es el encargado de adaptar las características de la energía que
produce el generador; que es corriente directa, a la que pide la red que es
corriente continua.
El medidor bidireccional está configurado por la compañía de distribución de
electricidad (CFE), para medir el consumo como la producción eléctrica. [15]
Figura 7. Componentes de una instalación fotovoltaica conectada a la red
2.10. Parámetros eléctricos de una celda fotovoltaica
Los parámetros I-V describen el comportamiento de una celda solar en
condiciones de irradiancia y temperatura ambiente. Los parámetros primordiales
se describen a continuación
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Corriente corto-circuito (Isc)
Es aquella donde la diferencia de potencial es cero y define la máxima corriente
que generala celda en términos de su área.
Voltaje de circuito-abierto (Voc)
Es el punto donde la corriente es cero presentándose el máximo voltaje que puede
generar la celda solar cuando se mide sin carga conectada
Máxima potencia de operación (Pm)
Si la energía es suministrada a una carga resistiva la potencia proporcionada a la
Resistencia está dada por P = I V. Donde existe un punto de operación (Im, Vm),
en el cual la potencia disipada en la carga es máxima. [16]
Figura 8. Curva I-V de una celda solar.
Irradiancia: 1000 W/m
Tempearatura:25ºC
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2.11. Panel fotovoltaico
Un panel fotovoltaico está conformado por varias células, conectadas
eléctricamente, encapsuladas y montadas sobre una estructura de soporte o de
marco. Estos producen electricidad en corriente continua y sus variables
características (intensidad y tensión) cambian de acuerdo con la radiación que
incide sobre las células y la temperatura ambiente. [17]
Figura 9. Panel fotovoltaico
2.12. Tipos de paneles fotovoltaicos
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El material más utilizado para la elaboración de células solares es el silicio. Este
material es el segundo después del oxígeno más abundante en la tierra. La
mezcla del uno y del otro forma el 60% de la corteza terrestre.
Silicio Mono cristalino
Usan lingotes puros de silicio (los mismos que utiliza la industria de chips
electrónicos). Son los más eficientes, con rendimientos superiores al 12%. Se
obtienen a partir de barras cilíndricas producidas en hornos especiales.
Las celdas se obtienen por cortado de las barras en forma de obleas cuadradas
delgadas (0,4-0,5 mm de espesor).
En este caso el silicio que compone las células de los módulos es un único cristal.
La red cristalina es la misma en todo el material y tiene muy pocas imperfecciones.
El proceso de cristalización es complicado y costoso, pero, sin embargo, es el que
proporciona la mayor eficiencia de conversión de luz en energía eléctrica.
Silicio poli cristalino
Se elaboran a partir de bloques de silicio obtenido por fusión de tozos de silicio
puro en moldes especiales. En los moldes el silicio se enfría lentamente
solidificándose. En el desarrollo los átomos no se organizan en un único cristal. Se
forma una estructura poli cristalina con superficies de separación entre los
cristales por tal motivo el proceso de cristalización no están cuidadoso y la red
cristalina no es la misma en todo el material Su rendimiento es algo inferior pero
su menor coste ha contribuido enormemente a aumentar su uso.
Silicio amorfo
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Se consiguen por deposición de capas delgadas sobre vidrio. El rendimiento es
mucho menor que las de silicio Mono cristalino y poli cristalino, por lo que su uso
se limita a aplicaciones de pequeña potencia como calculadoras, relojes, etc. [18]
Actualmente se han desarrollado dos nuevas tecnologías procedentes del silicio.
Silicio en Bandas y películas de silicio. Estas tienen la peculiaridad de ser flexibles
Figura 10. Comparaciones de tipos de paneles que existen
2.13. Marco legal, regulatorio, normativo para la conexión a red
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Las reglas generales de interconexión al sistema eléctrico nacional que se expiden
tienen su fundamento en el artículo 70 fracción VI de la ley para el
aprovechamiento de energías renovables y el financiamiento de la transición
energética (LAERFTE) y el artículo 31, fracción IV de su reglamento.
En la actualidad existen herramientas legales y regulatorios que permiten el
aprovechamiento de la energía solar fotovoltaica conectada a la red. Que se
describen a continuación.
Ley para el aprovechamiento de las energías renovables y financiamiento de
la transición energética (LAERFTE) y su reglamento.
A finales del año 2008 se publicó esta ley en el diario oficial de la federación, la
cual tiene como propósito regular el aprovechamiento de las energías renovables
para la generación de electricidad. Su reglamento fue publicado en el diario oficial
de la federación del 2 de septiembre del 2009 incluyendo aspectos más
específicos para la remuneración de proyectos de energía renovable. [19]
Contrato de Interconexión para Fuente de Energía Renovable o Sistema de
Cogeneración en Pequeña y Mediana Escala.
El 8 de abril de 2010, la comisión reguladora de energía (CRE) publico estos
modelos de contrato en el diario oficial de la federación, y tienen como propósito
establecer los derechos y obligaciones de un usuario que interconecta una fuente
de energía renovable al SEN. Estos contratos de interconexión se basan en el
principio de medición meta. De esta forma, cuando el usuario inyecta energía el
medidor de luz gira en servicio inverso. Al final del periodo del facturación, este
último solo paga por consumo neto en el cual resulta del total de energía eléctrica
consumida menos el total de energía eléctrica generada por la fuente de energía
renovable. En caso de pequeña escala es posible conectar un sistema fv a la red
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136
eléctrica de CFE en tensiones inferiores a 1 kW y hasta con una capacidad de 30
kW. En el caso de mediana escala, el principio es el mismo, solo que se permite
entregar la energía asociada hasta una capacidad máxima de 500kW y en
tensiones que no sean mayores a 69 kW. [20]
Contrato de interconexión para fuente colectiva de energías renovable o
sistema colectivo de cogeneración en pequeña escala ( será publicado por la
CRE).
A este tipo de contrato aplica todo lo relacionado descrito anteriormente. Con la
característica de que la fuente colectiva de generación de energía eléctrica le
pertenece a un grupo de generadores. Además la energía generada por la fuente
colectiva. Es dividida para efectos de facturación, entre los dueños dependiendo
del porcentaje en la inversión realizada de cada uno de los dueños.
Debido a que hay ocasiones en que los sistemas fotovoltaicos pueden disminuir o
dejar de producir electricidad de forma repentina. Se han desarrollado un marco
normativo específico para la producción de energía eléctrica por medio de los
sistemas fotovoltaicos siendo esto para evitar daños a otros usuarios. Por eso
CFE y CRE han sido las encargadas de tal desarrollo. [21]
Especificación de interconexión en baja tensión de sistemas fotovoltaicos
con capacidad hasta 30 kW (CFE G0100-04) [22]
Anexos al contrato de interconexión en mediana escala. Características de
los equipos de medición y comunicación (anexo E-RMT) y requisitos
técnicos para la interconexión (anexo ERD-T).
Reglas generales de interconexión al SEN para generadores o
permisionarios en fuentes de energías renovables o cogeneración eficiente
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Normas mexicanas de la asociación nacional de normalización y
certificación del sector eléctrico.
CAPÍTULO 3
RESULTADOS Y DISCUSIONES
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Descripción General Del sistema
La instalación cuenta con 22 paneles fotovoltaicos kyocera de 240 W cada uno
modelo 240GX-LFB, 1 estructura soporte para 22 paneles fabricada en aluminio,
1 inversor SMA de conexión a red de 5 KW modelo SB 5000US, 1 equipo de
comunicación web box con pc (incluye cable blindado), tarjeta de comunicación y
sunny web box, 1 gabinete con interruptores termo-magnéticos lado inversores y
lado centro de carga, 1 sistema de tierra (física incluye tubo de descarga al
vacío),1 lote de material eléctrico (cables, interruptores en cd conectores) para
conexión de módulos interruptores cajas concentradoras y centro de carga ya
existente.
3.1. Fase de instalación
Se inició con las mediciones de lugar donde se ubica la central fotovoltaica
utilizamos un flexometro y una brújula para la orientación, las mediciones fueron
las siguientes: 11.5 m de largo y 2.77 m de ancho.
La inclinación de los paneles fotovoltaicos será al sur -sureste ya que debido que
en el estado de Chiapas, tenemos una particularidad, la máxima radiación se
aprovecha antes del medio día ya que por la tarde la radiación disminuye por
condiciones climatológicas específicas.
Figura 11. Localización donde quedo instala la central fotovoltaica
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Luego procedimos a realizar los cimientos, que fueron 12 debido a que
necesitábamos estos ya que el equipo está contemplado para 12 soportes, cada
uno de ellos tienen una profundidad de aproximadamente 40 cm y cuenta con una
separación de 2.70 m entre uno y otro, se utilizaron picos y palas.
Figura 12. Excavacion donde se ubico un cimiento
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Se continuó con la elaboración de bases de madera para los cimientos. Las bases
tenían medidas de 35 cm de ancho y una altura de 42 cm estos lleva un castillo
hecho de varilla con medidas similares y se ubicó en el centro de la base.
Los cimientos están están construidos con mezcla de cemento y arena la cual se
coloco en la base de la madera para formar el pilote fuerond e diferente proporción
dichos materiales al mismo tiempo se utilizo una cantidad de acelerador de
cemento.Tambien se pusieron piedras en el pilote.Posteriormente se dejó toda la
noche para que secara el material. Al día siguiente se procedió a retirar las partes
de madera que cubrían ya los pilotes formados, y al mismo tiempo se le puso un
poco de tierra para cubrirlos y quedaran a nivel del piso.
Figura 13. Base para el cimiento
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Figura 14. Retiro de bases de madera
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La instalación necesitaba de soportes, las cuales se colocaron en la base de
cemento para esto se perforaron para unir el aluminio con tornillería se utilizó un
taladro para dicha actividad, se hicieron 8 orificios después se procedió a
atornillar con los soporte, y así quedaran de una forma segura. Estos son de la
medida de 3/8 y rondadas de presión.
Figura 15. Perforando un pilote Figura 16. Atornillando el soporte
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Despues de que se colocaron los 12 soportes en las bases de cemento se
colocaron seis angulos se perforo en dos ocasiones sobre los soportes en la parte
de arriba y abajo para colocar la base de aluminio que formo el angulo donde
estos fueron asegurados con tornillos de 5/8.
Figura 17. Atornillado de los angulos Figura 18. Finalmente como quedan
los angulos
Tabla 2. Características del generador fotovoltaico
Características del generador fotovoltaicoPotencia pico de la instalación 5.28 kW
Número total de paneles 22Numero de paneles en serie 11
Numero de paneles en paralelo 2Inclinación 17º
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los paneles se colocaron en los soportes, se utilizó tornillería de 3/8 para fijar
panel con soporte. Los paneles cuentan con una distancia de 5 cm cada uno. Los
cuales cuentan con las siguientes características.
Tabla 3. Descripción del panel solar
Figura 19. Instalacion de paneles
Pmp 240 W
Vmp 29.8 V
Imp 8.06 A
Voc 36.9 V
Isc 8-59 A
TNOC 45 °C
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La conexión de paneles se llevo acabo de acuerdo en lo que consiste el arreglo
11 paneles conectados en serie y dos paneles conectados en paralelo
Finalmente todos los paneles conectados de acuerdo a como se piden
Figura 20 a. Conexión en serie Figura 20 b. Conexión en paralelo
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Para el sistema a tierra se colocó el sistema que este consiste en un cable
desnudo de cobre del No 8 para desviar sobretensiones y canalizarlas al sistema
de tierra que es una varilla de cobre de 3m de longitud por 5/8.
Tambien se coloco un cable del mismo calibre debajo de los paneles y este se
dirije al sistema tierra que lo compone la varilla. se utilizo aproximadamente uno
22 metros de cable. para asegurar los 22 paneles contaran con sistema a tierrra
Figura 21a. Puesta de la varilla Figura 21b. Puesta del cable sistema
tierra debajo del panel
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Se instaló la caja del interruptor del DC debajo de los paneles. Son 2 de 16 A. se
atornillo sujetándose del soporte.
Figura 22a. instalación de caja
interruptores
Figura 22b. interruptores
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Para poder conducir el cable donde se instalo el inversor, se excavo una zanja la
cual tiene una medida de aproximadamente 12 m de largo con 30 cm de
profundidad. Se utilizó cable del calibre 8.Ya construida la zanja se canalizo el
cableado en un tubo pvc de ½ y se enterró cubriéndolo del material extraído.
Figura 23a. colocacion del tubo pvc
con cable en el interior Figura 23b. Colocación del tubo pvc
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Se continuo con la instalación de componentes que hacían falta, uno de ellos era
el inversor al mismo tiempo la conexión del cableado de la central fotovoltaica
hacia él, posteriormente se instaló el interruptor del AC del arreglo que es un tubo
al vacío este se encuentra localizada inmediatamente debajo del inversor y su
función es proteger AC hasta el centro de carga.
El inversor es de la marca SMA. Está situado aproximadamente a 7 m del arreglo
fotovoltaico. Este produce energía eléctrica en 220 VCA. Cuenta con las
siguientes características
Tabla 4. Descripción del inversor.
Arreglo fotovoltaico 6250 WPotencia Máxima 5300 WVoltaje Máximo 500 VVoltaje Nominal 310 V
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Figura 24a.Inversor
Figura 24c. Inversor funcionando
Figura 24b. Instalación del tubo al
vacío.
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Continuamos con la instalación del sistema de adquisición de datos El sunny web box es
un sistema adquisidor de datos y al mismo tiempo un modem que permite monitorear el
equipo por medio de una pc mediante el internet. Tiene las siguientes características. El
adquisidor de datos se instaló dónde está el centro de redes después se enlazo por
cableado hacia la parte del segundo piso para ser conectado en el CPU.
Tabla 5. Descripción del adquisición de datos
SUNNY WEBBOXComunicación del Inversor
Modem para portal de interferencia Sunny (opcional)
RS485 (máximo 400 ft de cable)
(solo para Central de comunicación Sunny)
Interface 10/ 100 MB, conexión a LAN, Sunny Portal
Tarjeta de datos SD 2 GBEstatus del Display LEDs integradosFuente de poderConsumo
115-230 V, 50.60 Hztyp. 4 W /máx. 12 W
Temperatura ambiente de operación −4 a 131 °F / °CHumedad relativa de operación 5 % a 95 %Dimensiones (ancho, alto, largo) 22.5 / 5.7 / 12.97 cmPeso 0.72 kg 7 ( 1.65 lb )Opciones de instalación En pared
Figura 25. Conexión a la red del sunny web box
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Finalmente se conectaron los paneles conforme a los que se pedía, 11 paneles en serie y 2
en paralelo ya conectados, se enlazo al inversor, al mismo tiempo que se conectó el
sistema de adquisición de datos a la red.
Figura 26. Instalación de la central fotovoltaica
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3.2. Evaluación
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El montaje de los componentes de la central se llevó a acabo según el calendario sin
ningún contratiempo. Dicha central fotovoltaica entro en servicio el 18 de febrero del año en
curso, iniciándose la monitorización ese mismo día.
Todo el arreglo fotovoltaico nos da 407 V en corriente directa y 16.12 A; en corriente
alterna tenemos 220 V; 11 A. el inversor necesita 250-300 V para el arranque.
Después de 91 días de medición, a partir del 18 de febrero hasta el 20 de mayo se
arrojaron los siguientes resultados, tenemos un total de energía (E-Total) de 2338 kW
producida por el sistema, y cada día produce 25.6 kW
El sistema estuvo en servicio 1049 horas, en este plazo y su funcionamiento es de 11
horas por día.
Como este equipo es amigable con el medio ambiente se dejó de emitir 3974 de CO2 en el
proceso de 91 días.
En el siguiente grafico se muestra el comportamiento de los primeros 7 días con relación a
los kW producidos en la central fotovoltaica. Cómo se observa dicha central fotovoltaica
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produce diariamente de 25.60 kW y está en funcionamiento 11.5 horas, en el cual se
registró en el día 1 un valor de 25.60 considerándose el más alto, para el día 2 se tiene un
registro de 25.58 kW es decir .2kw menores al día 1 es poco la variación teniendo un 25.6
kW como máximo y como un mínimo 25.57, prácticamente una variación nula en la
producción del sistema. Esto debido a las condiciones climatológicas del lugar y teniendo
como una disminución de 43.68 co2.
Figura 27. Representación de los kW/d producidos.
dia 1 dia 2 dia 3 dia 4 dia 5 dia 6 dia 7
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25.58
25.59
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En la siguiente grafica se observa el comportamiento de producción con la relación de los
kW producidos en 4 semanas y trabajando 70.30 horas. Se registró un movimiento casi
lineal para la semana 1 y 3 con una diferencia mínima de .kWh. Para la semana 2 y 4
existe una variación de .9 kWh entre ellas. Teniendo como resultado para las 4 semanas
solamente existe una diferencia inapreciable y una cantidad de disminución de 267.9 CO2
Figura 28. Representación semanalmente
semana 1 semana 2 semana 3 semana 4153
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En la figura 29. Se observa el análisis de la producción mensualmente, se tiene que para el
mes de febrero existe una producción de 233.57 kWh con 104.64 horas en funcionamiento,
sin embargo para el mes de marzo se obtuvo una producción de 585.8 kWh con 262.62
horas en funcionamiento. Así como una disminución considerable de co2 para los cuatro
meses evaluados
Figura 29. Producción mensualmente
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3.3. Conclusiones
La presente tesis tuvo como objetivos la instalación y evaluación de una central fotovoltaica
conectada a la red eléctrica.se instalo en tiempo y forma de acuerdo a como estaba
planeado.
Por lo tanto una vez instalada la central fotovoltaica se procedió a evaluarla en condiciones
reales de operación teniendo resultados positivos ya que dicha central ha trabajado
perfectamente sin ningún contratiempo.
Se obtuvieron datos donde tenemos como resultados que la variación de radiación que le
proporciona a la central fotovoltaica en muy poca. Así mismo se obtuvo una gran
disminución de CO2 en estos 91 días de operación.
Con este sistema la empresa tendría una disminución del 30% en el pago de su recibo de
luz, ya que el sistema le reduce el gasto en energía eléctrica, por lo cual su tarifa de
consumo baja de alta a media y su costo por kW se disminuye en cuanto tiempo se verá
reflejado los beneficios de la inversión
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http://www.mcgraw-hill.es/bcv/guide/capitulo/844817161.pdf
[16] http://deeea.urv.cat/public/PROPOSTES/pub/pdf/1851pub.pdf
[17] MC Graw-Hill 2010 (30)
http://www.mcgraw-hill.es/bcv/guide/capitulo/8448171691.pdf
[18] Agredano J. prospectiva de la tecnología solar fotovoltaica para la generación de
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Recuperado
http://www.sener.gob.mx/webSener/res/168/A7_Fotovol.pdf
[19] SENER. (12 enero 12).Ley para el aprovechamiento de energías renovables y el
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http://www.cre.gob.mx/documento/1523.pdf
[20] SENER. (2012 mayo 22). RESOLUCION Núm. RES/119/2012
http://www.cre.gob.mx/documento/2195.pdf
[21] SENER. (2012 mayo 22). RESOLUCION Núm. RES/119/2012
http://www.cre.gob.mx/documento/2195.pdf
[22] CFE. (2008 Agosto). Interconexión a la red eléctrica de baja tensión de sistemas
fotovoltaicos con capacidad hasta 30 kW.
http://proyectodeenergiarenovable.com/Descargas/Manuales/
Curso_Interconeccion_a_red/CFE%20G0100-04.pdf
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