INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL R E P O R T E T É C N I C O CESAR ARTURO SANCHEZ REYES TERESA VILLANUEVA CUEVAS ALBERTO NAVARRETE RODRÍGUEZ

Transcripción

1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS ZACATENCO DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA DE UNA CASA- HABITACIÓN R E P O R T E T É C N I C O Q U E P A R A O B T E N E R E L T Í T U L O D E : INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN P R E S E N T A N CESAR ARTURO SANCHEZ REYES TERESA VILLANUEVA CUEVAS Q U E P A R A O B T E N E R E L T Í T U L O D E : INGENIERO ELECTRICISTA P R E S E N T A ALBERTO NAVARRETE RODRÍGUEZ ASESORES: ING. LUIS GUILLERMO LÓPEZ GÓNZALEZ ING. OLGA LILIANA LÓPEZ FLORES CIUDAD DE MÉXICO ABRIL, 2018

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9 Dedicatoria Dedicatoria César Arturo Sánchez Reyes Este trabajo está dedicado principalmente a mis padres y hermanos, que con su apoyo me han impulsado siempre a seguir adelante y a continuar buscando ser mejor cada día, también en agradecimiento a cada uno de los profesores que me han compartido parte de su conocimiento y experiencia de modo que pudiese afinar mis habilidades y técnicas en el transcurso de estos años. Alberto Navarrete Rodríguez Dedico esta tesis a mi esposa e hijos, así como a mis padres y hermanas, esto es para mi familia que siempre estuvo y estará apoyándome en las decisiones que tome en la vida para seguir adelante y ser una mejor persona, el camino se tornó largo, pero al final del día con la ayuda y apoyo de cada uno de ellos me encuentro cerrando ciclos los cuales han marcado un crecimiento personal. Teresa Villanueva Cuevas Dedicado principalmente a mi familia; a mi madre y padre ya que con su esfuerzo y trabajo me dieron las herramientas necesarias para poder iniciar una educación y hoy en día para poder concluirla; a mis dos hermanos, que sacrificaron muchas cosas para que saliera adelante; a todos ellos les agradezco ya que nunca dudaron de mí, porque cuando quería soltar la toalla siempre me daban un motivo positivo para que diera ese último empujón. i

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11 Resumen Resumen Capítulo 1 Marco conceptual y contextual En este capítulo se presenta el contexto actual de los sistemas de generación de energía eléctrica mediante la implementación de paneles fotovoltaicos, así como las empresas que ofrecen sus servicios para el desarrollo de estos sistemas. También se describen los tipos de generación eléctrica tradicional, así como los sistemas que utilizan energías renovables para la producción de electricidad, enfocándose especialmente en el sistema de generación fotovoltaica y en los elementos necesarios para la integración de estos Capítulo 2 Estudio técnico El desarrollo del estudio técnico comprende el dimensionamiento del sistema de generación fotovoltaico; con base en cálculos de carga instalada dentro de la casa-habitación se realizará la selección de los diferentes equipos que comprenden el sistema, como lo son el número de paneles fotovoltaicos, el inversor de corriente, etc. Así como la distribución de la planta (sembrado de equipos) en el área destinada para la instalación de las estructuras y los paneles fotovoltaicos. En este capítulo también se realiza la comparación y selección de los diferentes proveedores de equipos y servicios para llevar a cabo el proyecto, así como el flujo y tiempo de ejecución de las diferentes actividades para llevar a cabo el proyecto. Capítulo 3 Estudio económico En el desarrollo de este capítulo se realiza la determinación de los costos del proyecto a implementar con base a los equipos y servicios de ingeniería e instalación seleccionados durante el capítulo 2 estableciendo un presupuesto total por el suministro, instalación y puesta en marcha del sistema así mismo también se presenta un cronograma de inversión, que no es más que un plan de cobranza del proyecto, fundamentado con un estudio económico para visualizar el retorno de la inversión ejercida para la adquisición de este sistema. ii

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13 Índice General Índice General Dedicatoria... i Resumen... ii Índice General... iii Índice Figuras... vi Índice Tablas... viii Índice Ecuaciones... viii Introducción... ix Antecedentes generales... ix Problemática... x Objetivo general... x Objetivos específicos... x Justificación... xi CAPÍTULO 1. Marco conceptual y contextual Contexto de la situación Análisis de la demanda Análisis de la oferta Marco teórico Qué es la energía eléctrica? Tipos de generación de energía eléctrica... 9 a) Generación Geotérmica... 9 b) Generación Hidráulica c) Generación Termoeléctrica e) Generación Eólica f) Generación Solar Celdas fotovoltaicas Efecto Fotovoltaico Radiación Solar Tipos de Radiación iii

14 Índice General a) Radiación directa b) Radiación difusa c) Radiación reflejada d) Radiación global Paneles fotovoltaicos Tipos de paneles Fotovoltaicos a) Celdas mono cristalinas b) Celdas poli cristalinas c) Panel de celdas de capa fina Sistemas fotovoltaicos a) Sistema de generación fotovoltaico aislado b) Sistema de generación fotovoltaica interconectado a la red Descripción de los elementos del sistema Módulo de baterías a) Plomo-Ácido b) Níquel-Cadmio Inversor Interruptor termomagnético Interruptor diferencial Medidor bidireccional Sitio e instalación Planteamiento de la propuesta Precio CAPÍTULO 2. Estudio técnico Localización del proyecto Determinación del tamaño Tecnología básica Diagrama de flujo de proyecto Diagrama a bloques del proyecto Diagrama de Gantt de actividades del diseño de instalación iv

15 Índice General 2.4 Tecnología de detalle Cálculo de consumo diario de energía eléctrica en la casa-habitación Cálculo de consumo bimestral de energía eléctrica en la casa-habitación Selección de panel fotovoltaico Cálculo de paneles a utilizar Cálculo para la selección del inversor Diagrama unifilar Análisis de maquinaria y equipo Distribución de la planta Levantamiento del área destinada para la instalación Selección y especificación de servicio y equipo Justificación de selección de proveedor Normas, leyes, reglamentos, etc Principios de Ingeniería Verde Normas CAPÍTULO 3. Estudio económico Objetivo general Determinación de los costos Cronograma de inversiones Punto de equilibrio Conclusiones Recomendaciones Anexos Anexo 1 Datasheets de equipos seleccionados Anexo 2 Los 12 Principios de Ingeniería Verde Anexo 3 Requisitos para el contrato de interconexión con CFE Fuentes de Consulta Glosario Notación v

16 Índice Figuras Índice Figuras Figura 1.1 Distribución geográfica de los diferentes climas en el estado de Michoacán... 2 Figura 1.2 Ubicación geográfica del municipio de Uruapan del Progreso, en el estado de Michoacán de Ocampo... 3 Figura 1.3 Ubicación en mapa de la residencia... 3 Figura 1.4 Vista satelital de la residencia... 4 Figura 1.5 Generador eólico con capacidad de 10 kw, fabricado por Bergey Windpower Company... 8 Figura 1.6 Central de generación geotérmica Figura 1.7 Central de generación hidráulica Figura 1.8 Central de generación termoeléctrica Figura 1.9 Central de generación nuclear Figura 1.10 Esquema de un aerogenerador Figura 1.11 Central de generación eólica Figura 1.12 Celdas fotovoltaicas Figura 1.13 Efecto fotovoltaico Figura 1.14 Tipos de radiación solar Figura 1.15 Modulo fotovoltaico Figura 1.16 Tipos de paneles fotovoltaicos Figura 1.17 Sistema fotovoltaico aislado Figura 1.18 Sistema fotovoltaico interconectado a la red Figura 1.19 Baterías Plomo-Ácido en sistema fotovoltaico aislado Figura 1.20 Baterías Ni-Cd en sistema fotovoltaico aislado Figura 1.21 Inversor para sistemas de generación fotovoltaicos Figura 1.22 Interruptor Termomagnético Figura 1.23 Interruptor diferencial Figura 1.24 Medidor Bidireccional CFE Figura 1.25 Orientación y ángulo de inclinación para la instalación del arreglo fotovoltaico vi

17 Índice Figuras Figura 1.26 Orientación del arreglo fotovoltaico para máxima producción anúal Figura 2.1 Ubicación geográfica de la casa- habitación Figura 2.2 Vista satelital de la casa-habitación Figura 2.3 Vista orográfica de la zona en donde está ubicada la casa-habitación Figura 2.4 Vista solar de la zona en donde está ubicada la casa-habitación Figura 2.5 Diagrama de flujo de proyecto Figura 2.6 Diagrama a bloques de proyecto Figura 2.7 Esquema de generación de energía eléctrica mediante paneles fotovoltaicos en casahabitación Figura 2.8 Diagrama de Gantt Figura 2.9 "Diagrama unifilar del sistema de generación fotovoltaico" Figura 2.10 Levantamiento del área para sembrado de paneles fotovoltaicos Figura 3.1 "Grafica de punto de equilibrio" vii

18 Índice de Tablas y Ecuaciones Índice Tablas Tabla 1.1 Consumo total diario de la carga instalada... 6 Tabla 1.2 Tarifa DAC D de CFE a) Región 1, b) Región Tabla 1.3 Ángulos de instalación del módulo fotovoltaico Tabla 2.1 Consumo total diario de la carga instalada Tabla 2.2 Análisis de maquinaria y equipo Tabla 2.3 Selección del proveedor Tabla 3.1 Determinación de costos del proyecto Tabla 3.2 Determinación de costos del proyecto por servicios Tabla 3.3 Cronograma de inversión Índice Ecuaciones Ecu. 1.1 Cálculo de semanas promedio por mes... 6 Ecu. 1.2 Cálculo del consumo de energía eléctrica semanal... 6 Ecu. 1.3 Cálculo del consumo de energía eléctrica mensual... 7 Ecu. 1.4 Cálculo del consumo de energía eléctrica bimestral... 7 Ecu. 2.1 Cálculo del número de paneles Ecu. 2.2 Cálculo del inversor (potencia pico de generación) Ecu. 2.3 Cálculo de la selección del inversor (potencia de generación en kva) viii

19 Introducción En este proyecto establece el procedimiento para el suministro de energía eléctrica a una casahabitación aprovechando la energía solar que es ilimitada, inagotable y no depende de factores humanos para su generación. En la actualidad resulta de gran importancia buscar alternativas energéticas, debido a la gran cantidad de agentes contaminantes que se liberan durante el proceso de generación de energías tradicionales, como es el caso de la energía termoeléctrica, termonuclear y todas aquellas que dependen de la combustión de combustibles fósiles, al aprovechar la energía solar para producir electricidad, no solo se evita la contaminación a la atmósfera sino que también el proceso no genera ruido, por lo que también está exenta de generar contaminación auditiva; el uso de energías limpias y renovables debe ser la tendencia a seguir para la conservación del medio ambiente, el implemento de las mismas a pequeña escala, como en este caso, nos ayuda a crear conciencia dentro de la sociedad en cada localidad en la que se pueda implementar el sistema planteado. Antecedentes generales Los sistemas de energía fotovoltaica, es una tecnología que permite la transformación de la luz solar en energía eléctrica. El Centro de Investigaciones y de Estudios Avanzados (CINVESTAV) del Instituto Politécnico Nacional (IPN) en el año de 1966 llevó a cabo investigaciones sobre los materiales semiconductores para la fabricación de celdas solares. Los primeros sistemas solares fotovoltaicos instalados en México datan desde 1967, cuando la comisión Nacional del Espacio Exterior lanzo globos meteorológicos instrumentados con celdas de 2cm 2. Luego de algunos años de investigación en diferentes materiales y tipos de celdas solares, en 1975 se tomó la decisión de producir celdas solares de silicio cristalino. Los primeros módulos fotovoltaicos fabricados con 36 celdas solares de 2 pulgadas de diámetro generaban una potencia de 7 Watts-pico. ix

20 Hoy en día se tiene tecnologías para el aprovechamiento de energías renovables, pues en los últimos años el costo del consumo de la energía eléctrica ha aumentado de manera desproporcionada afectando a distintos sectores económicos, por lo tanto estas tecnologías representa un gran beneficio para el usuario final y también creando conciencia para la preservación del medio ambiente. Comisión Federal de Electricidad (CFE) desde el año 2006 acredita la instalación de fuentes de energía renovable o sistema de generación distribuida en pequeñas y medianas escalas, realizando un contrato de interconexión el cual puede generar una remuneración económica, no en el aspecto de percibir ingresos por medio de la generación de electricidad, sino, en el aspecto de poder generar un saldo a favor dentro de la facturación por el consumo de energía eléctrica suministrado por la red de CFE. Problemática Altos costos de la energía eléctrica suministrada por Comisión Federal de Electricidad (CFE) en la residencia. Objetivo general Desarrollar un sistema para la generación de energía eléctrica renovable, implementando celdas fotovoltaicas interconectadas a la red que suministra CFE, para reducir el costo de facturación por alto consumo de energía eléctrica en una casa-habitación, ubicada en el municipio de Uruapan del Progreso, en el estado de Michoacán de Ocampo. Objetivos específicos Suministrar energía eléctrica para cubrir el 100% de la carga instalada en una casa-habitación Proporcionar un sistema de generación de energía continuo. Realizar un contrato de interconexión con CFE, para la generación distribuida de energía Cumplir con la NOM-001-SEDE Art Referente a Sistemas Eléctricos Fotovoltaicos Cumplir con la NMX-J-643/1-ANCE Referente a Dispositivos Fotovoltaicos x

21 Cumplir con los siguientes principios de Ingeniería Verde 1 : o Principio 7: Diseñar para la durabilidad, no para la inmortalidad. o Principio 8: Satisfacer la necesidad, minimizar el exceso. o Principio 10: Integre flujo de materiales y energía. o Principio 12: Renovables en lugar de agotamiento. Las entradas de materia y energía deberían ser renovables. Justificación La implementación de celdas fotovoltaicas trae consigo grandes beneficios en diversos aspectos, uno de estos es la utilización de energía renovable, también conocida como energía limpia, para la generación de electricidad, al utilizar estas celdas dentro de una instalación en una casa habitación podemos aprovechar la radiación solar para alimentar circuitos de iluminación y de cargas que ocupamos de forma cotidiana en nuestro hogar. El uso de energías renovables se fundamenta en obtener un desarrollo sostenible desde el punto de vista energético, en este caso como se menciona con anterioridad al aprovechar la luz solar que se irradia sobre el planeta no se generan agentes contaminantes durante la generación de electricidad, que puedan dañar a la atmósfera y por ende no se contribuye con gases de efecto invernadero ni con la aceleración del sobrecalentamiento del planeta. Al aprovechar la luz o radiación solar para generar energía eléctrica se presenta un ahorro económico puesto que es una fuente inagotable de energía y que no depende de los cambios de divisas o comportamientos del mercado, ni a efectos asociados con especulaciones y crisis económicas; teniendo en cuenta también que la vida útil de las celdas fotovoltaicas es de por lo menos 25 años. Este proyecto sostiene los beneficios sociales, ecológicos y económicos debidos a la implementación de energía renovable, dentro del sector energético tomando en cuenta las necesidades de los clientes a los cuales se les ofrece una mejora dentro de la economía en la que se 1 Anastas y Zimmerman, 2003 xi

22 pueden abatir costos en la facturación por el consumo de energía eléctrica suministrada por CFE; respecto al ámbito social podemos definir que dentro de los requisitos para los principios de la energía verde establecidos por Anastas y Zimmerman definidos durante el 2003 es decir, que el diseño establecido de este proyecto se verá reflejado en la seguridad de los habitantes en contar con un suministro de energía eléctrica continuo, brindando comodidad al cliente durante los próximos 25 años. Dentro del contexto ecológico se verá reflejado en la sustentabilidad apoyándose en la generación de energía eléctrica mediante y/o por medio del uso y aprovechamiento de la energía solar, ayudando a la disminución de emisiones de agentes contaminantes al medio ambiente. Cabe mencionar que con los recientes avances tecnológicos para el desarrollo y producción de los componentes necesarios para la fabricación de las celdas fotovoltaicas se apuesta al desarrollo de células más eficientes y económicas para poder implementarlas en proyectos futuros. Al utilizar esta forma de generación de energía se busca crear conciencia no solo en los miembros de la familia que residen en la casa-habitación, ya que al tener conocimiento de la forma en la que se está generando la electricidad que están ocupando, se pretende generar un hábito de ahorro, para reducir el consumo de la misma, esto puede ser fortalecido si se instalan focos ahorradores en lugar de lámparas de filamento o incandescentes. Con este tipo de instalación de generación de energía eléctrica por medio de celdas fotovoltaicas también se busca que más personas tengan la posibilidad de implementar este tipo de instalación. xii

23 1 CAPÍTULO 1. Marco conceptual y contextual CAPÍTULO 1 MARCO CONCEPTUAL Y CONTEXTUAL CONTENIDO 1.1 Contexto de la situación Análisis de la demanda Análisis de las ofertas 1.2 Marco teórico 1.3 Planteamiento de la propuesta Precio Mira profundamente en la naturaleza y entonces comprenderás todo mejor. Albert Einstein.

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25 Contenido del Capítulo Contexto de la situación El estado de Michoacán de Ocampo representa el 2.99% de la superficie del territorio nacional y se puede encontrar diferentes tipos de climas, se sabe que en el 54.5% del estado el clima es cálido subhúmedo, el 29% es templado subhúmedo, el 15% cuenta con clima seco y semiseco, el 1% es clima templado húmedo y el 0.5% cálido húmedo (ver Figura 1.1). Figura 1.1 Distribución geográfica de los diferentes climas en el estado de Michoacán 2 La temperatura anual promedio en esta entidad federativa es de 20 C, pero se pueden encontrar temperaturas mínimas de 8 C en el mes de enero y temperaturas máximas de hasta 31 C en los meses de abril y mayo. El clima y la incidencia de los rayos solares de la región favorecen para poder llevar acabo el desarrollo del proyecto planteado, la residencia está ubicada en el municipio de Uruapan del progreso, el cual se encuentra dentro de las zonas con clima de tipo seco y semiseco, pero también parte de su territorio cuenta con clima templado subhúmedo y cálido subhúmedo, como se puede apreciar en la siguiente figura (ver Figura 1.2). 2 [04/10/2017] 2

26 Contenido del Capítulo 1 Figura 1.2 Ubicación geográfica del municipio de Uruapan del Progreso, en el estado de Michoacán de Ocampo 3 La residencia se encuentra específicamente en Camino de Emaús, Colonia Lomas de Zumpimito, en el municipio de Uruapan del Progreso en el estado de Michoacán de Ocampo (ver Figura 1.3 y Figura 1.4). Figura 1.3 Ubicación en mapa de la residencia [04/10/2017] 4 [08/10/2017] 3

27 Contenido del Capítulo 1 Figura 1.4 Vista satelital de la residencia 5 La generación de energía eléctrica para realizar el suministro de electricidad en la residencia tiene la capacidad de alimentar el 100% de la carga instalada de los circuitos de iluminación, así como el 100% de la carga generada por consumo de aparatos eléctricos, los cuales comprenden, aparatos electrodomésticos, así como de equipos electrónicos para el entretenimiento, la versatilidad de este proyecto se refleja en que no está limitado a ejecutarse en una casa-habitación, sino que también puede ser aplicable en conjuntos habitacionales verticales, así como en negocios en donde se tengan un cobro elevado en las tarifas, debido al alto consumo de energía eléctrica del establecimiento Análisis de la demanda A continuación se presenta un listado de los equipos que consumen energía eléctrica dentro de esta vivienda. Sistema de iluminación (22 lámparas de 60Hz 127V, 25W) Horno de micro hondas (Modelo Daewoo KQG-143HM, 60Hz 127V, 1600W) Licuadora (Modelo Oster 6640, 60Hz 127V, 450W) 5 [08/10/2017] 4

28 Contenido del Capítulo 1 Batidora manual (Modelo Taurus Mixo, 60Hz 127V, 100 W) Procesador de alimentos (Modelo HamiltonBeach HB8, 60Hz 127V, 225W) Dispensador de Agua (Modelo Royal RAQ500, 60Hz 127V, Modo calentamiento 600W) Televisor A (Modelo Samsung PL51E490B4F, 50/60Hz V, 199W) Televisor B (Modelo Pioneer PLE49806FHD, 50/60Hz V, 120W) Televisor C (Modelo Daewoo DW-24KEF, 50/60Hz, V, 80W) Televisor D (Modelo LG 55LJ6150-ZA, 50/60Hz, V, 120W) Impresora A (Modelo EPSON 395, 50/60Hz, V, 80W) Impresora B (Modelo Samsung ML-2240, 50/60Hz, V, 300W) Caminadora (Modelo Athletic Works YK , 60Hz, 110V, 1150W) Lavadora (Modelo Samsung, 60Hz, 120V, 800W) Refrigerador (Modelo Daewoo DFR-36520GBMB, 50/60Hz, V, 160W) Secadora de cabello (Modelo Taurus Alize 1600, 60Hz, 127V, 1400W) Al realizar la el cálculo total del consumo de carga por hora al día que son utilizados estos elementos en este domicilio, se obtiene la carga de trabajo o de consumo real que es necesaria, para realizar el correcto dimensionamiento de la cantidad y el tipo de componentes a utilizar en la instalación y puesta en marcha del sistema de generación fotovoltaico interconectado a la red. A continuación se presenta una tabla en la cual se puede apreciar el consumo total diario de las diferentes cargas instaladas de la residencia, iluminación, electrónicos y electrodomésticos. 5

29 Contenido del Capítulo 1 Tabla 1.1 Consumo total diario de la carga instalada Equipo Dispensador de Agua Cantidad Potencia (W) Potencia Total (W) Horas de operación (h) Potencia total por día (W/h) ,200 Televisor A Televisor B Televisor C Televisor D Caminadora 1 1,150 1, ,300 Refrigerador ,840 Secador de cabello 1 1,400 1, ,400 Lámparas ,300 Demanda energética de la residencia 14,277 Cálculo para el consumo promedio mensual: a) Ecuación para el cálculo de semanas promedio por mes: Mes promedio = Mes promedio = No. semanas por año No. meses por año 52 semanas 12 meses Mes promedio = 4.33 semanas por mes Ecu. 1.1 b) Ecuación para el cálculo del consumo de energía eléctrica semanal: kw/h por semana = Días de Potencia total la semana por día Ecu. 1.2 kw/h por semana = (7)( kw/h) kw/h por semana = kw/h 6

30 Contenido del Capítulo 1 c) Ecuación para el cálculo del consumo de energía eléctrica bimestral: kw/h por mes = Mes promedio kw/h por semana Ecu. 1.3 kw/h por mes = (4.33)( kw/h) kw/h por mes = kw/h kw/h por bimestre = (2)(kW/h por mes) Ecu. 1.4 kw/h por bimestre = (2)( kw/h) kw/h por bimestre = kw/h Este cálculo se realiza tomando en cuenta los electrónicos y electrodomésticos usados cotidianamente y está sujeto a aumentos en el consumo mensual por el uso esporádico de los artículos no incluidos en la tabla anterior. (Ver Tabla 1.1). Facturación domestica de alto consumo con la tarifa 1D (ver Tabla 1.2) Demanda máxima = 1,000 kw/h Consumo por bimestre = kw/h Tabla 1.2 Tarifa DAC D de CFE a) Región 1, b) Región 2 6 a) b) REGIÓN CARGO FIJO $/MES CARGO POR ENERGÍA CONSUMIDA ($/KWH) Temporada de Verano Temporada fuera de Verano Baja California $97.71 $4.141 $3.557 Baja California Sur $97.71 $4.513 $3.557 REGIÓN CARGO FIJO $/MES CARGO POR ENERGÍA CONSUMIDA ($/KWH) Central $97.71 $4.262 Noroeste $97.71 $3.900 Norte y Noreste $97.71 $3.891 Sur y Peninsular $97.71 $ [ ] 7

31 Contenido del Capítulo Análisis de la oferta Dentro del ramo para la generación de energía eléctrica sustentable para casa-habitación podemos encontrar los mini generadores eólicos (ver Figura 1.5), estos equipos tienen el mismo principio de funcionamiento que las turbinas utilizadas en los campos de generación eólica, para la implementación de este tipo de sistema es necesario, primeramente considerar diferentes factores como las condiciones meteorológicas de la ubicación geográfica de la residencia en donde se desea utilizar los mini generadores, es decir, se debe plantear la siguiente pregunta, el lugar en donde resido existe el suficiente viento?, recordemos que la fuente principal para estos equipos son las corrientes de aire, si la localidad en donde se habita no existe el suficiente viento para mover las aspas de estos equipos no se tendrá la energía necesaria para el suministro de la misma, por otra parte la vivienda debe contar con el espacio necesario para la instalación de la turbina generadora, también se debe tener en cuenta si es que en la localidad en donde se encuentra la residencia, son permitidas las instalaciones de torres altas, por lo que la selección de este tipo de sistemas de generación no son aplicables para todas las localidades. Figura 1.5 Generador eólico con capacidad de 10 kw, fabricado por Bergey Windpower Company 7 7 Fotografía-Bergey Windpower Company, NREL/PIX02102 [08/10/2017] 8

32 Contenido del Capítulo 1 Dentro de las diferentes opciones para la generación de energía sustentable también podemos encontrar el uso de biogás, para estos sistemas se requieren equipos sumamente especializados como lo son biodigestores para poder producir gas a partir de residuos orgánicos, cabe mencionar que este proceso de generación resultaría sumamente caro para abastecer específicamente una casahabitación, por lo que el uso de estos sistemas se enfoca más a realizar el suministro a comunidades pequeñas en zonas rurales. 1.2 Marco teórico Qué es la energía eléctrica? La electricidad es forma predominante de energía debido a su flexibilidad y facilidad para ser distribuida, la demanda de esta ha sido creciente a nivel global, impulsada principalmente por el consumo de equipos y aparatos electrónicos, la actividad industrial debido a la carga instalada en las fábricas para la transformación de materia, empresas asociadas al préstamo de servicios de diferentes tipo y por el desarrollo de las poblaciones que se ha incrementado a nivel global. Se dice que la electricidad define al mundo moderno, cualquier cosa que se piense como moderna, desde el alumbrado eléctrico, radios, televisores, aparatos electrodomésticos, los dispositivos electrónicos, equipos de cómputo de escritorio y portátiles, incluyendo también sistemas de transporte eléctricos y demás lujos de la era informática dependen para su operación y su existencia de la electricidad Tipos de generación de energía eléctrica a) Generación Geotérmica La generación geotérmica puede obtenerse mediante el aprovechamiento de las diferencias de temperatura que existen entre el interior de la Tierra y la superficie, y el cual se conoce como gradiente térmico. Normalmente, se presenta un aumento en la temperatura (de 2 a 4ºC) cada 100 metros de aproximación al interior de la Tierra, pero existen zonas en las que este aumento es mayor. El ritmo explotación generalmente es superior al de la contribución del flujo de calor, por lo cual se debe tener especialmente cuidado de no densificar en exceso las zonas de explotación, las cuales tardarían decenas o centenas de años para regenerarse. 9

33 Contenido del Capítulo 1 La energía geotérmica es considerada como una energía limpia, aunque no esté al nivel de la generación solar o la eólica. Para su producción no se requieren recursos fósiles (gas o petróleo) ni se realizan procesos químicos para generar un proceso de combustión (ver Figura 1.6). Figura 1.6 Central de generación geotérmica 8 b) Generación Hidráulica Se denomina energía hidráulica a aquella que se obtiene por medio del aprovechamiento de la energía cinética y potencial de la corriente del agua, caídas de agua o mareas. La generación se produce cuando una corriente de agua pasa a través de turbinas, la cantidad de energía producida de esta forma depende tanto de la cantidad así como de la velocidad del agua que pasa a través de estos elementos. Este tipo de generación es considerada una energía verde, ya que su impacto al medio ambiente es mínimo y utiliza la fuerza hídrica sin necesidad de represarla, cuando se da en el caso contrario, es decir, represándola solo se puede considerar como una forma de energía renovable. (Ver Figura 1.7) 8 ttp:// [ ] 10

34 Contenido del Capítulo 1 Figura 1.7 Central de generación hidráulica 9 c) Generación Termoeléctrica Se denomina energía termoeléctrica, a la electricidad generada a partir de la energía liberada en forma de calor, por medio de una reacción de combustión de combustibles fósiles como pueden ser petróleo, gas natural o carbón. El calor generado es utilizado por un ciclo termodinámico convencional, el cual tiene la capacidad de mover una turbina y de esta forma producir energía eléctrica, cabe mencionar que este tipo de generación no es considerado de ninguna manera un tipo de energía verde, ya que durante su proceso son liberados a la atmósfera gases contaminantes, que son producto del proceso de combustión. (Ver Figura 1.8) Figura 1.8 Central de generación termoeléctrica [ ] 10 [ ] 11

35 Contenido del Capítulo 1 d) Generación Nuclear La energía nuclear se obtiene por medio de la manipulación de las estructuras internas de los átomos, esta se puede obtener de la reacción de la división del núcleo de un átomo (fisión nuclear) o por medio de la unión de los núcleos de dos átomos (fusión nuclear), estos procesos liberan una gran cantidad de energía, misma que es aprovechada para la producción de electricidad. (Ver Figura 1.9) e) Generación Eólica Figura 1.9 Central de generación nuclear 11 La energía eólica es obtenida por medio de las corrientes de aire que comprende un sistema mecánico de conversión que transforma la energía obtenida del viento en electricidad una fuente de energía renovable que utiliza la fuerza del viento para generar electricidad. El principal medio para su obtención son los aerogeneradores (ver Figura 1.10), también conocidos como molinos de viento, cuyo tamaño depende de la cantidad de energía que se desea generar. Cabe mencionar que estos aerogeneradores pueden ser instalados tanto en una superficie firme, como en el suelo marino (ver Figura 1.11) de contaminación radiactiva [ ] 12

36 Contenido del Capítulo 1 Figura 1.10 Esquema de un aerogenerador 12 f) Generación Solar Figura 1.11 Central de generación eólica 13 La generación de energía solar es uno de los métodos más limpios de producción de electricidad ideado por el hombre, el aprovechamiento de la radiación solar se puede realizar de dos formas, una de ellas es por conversión térmica de alta temperatura también conocida como sistema foto térmico y por conversión fotovoltaica también llamado sistema fotovoltaico, comparable al mecanismo básico de las plantas para generar su energía, conocido como fotosíntesis [ ] 13 [ ] 13

37 Contenido del Capítulo 1 La conversión térmica de alta temperatura consiste en transformar la energía solar en energía térmica almacenada en un fluido. Para calentar el líquido se emplean unos dispositivos llamados colectores. La conversión fotovoltaica consiste en la transformación directa de la energía luminosa (radiación solar) en energía eléctrica. Se utilizan para ello unas placas solares formadas por celdas fotovoltaicas (de silicio o de germanio). Celdas fotovoltaicas Las celdas fotovoltaicas son elementos que tienen la capacidad de producir electricidad al incidir la luz sobre su superficie. La fuente de luz utilizada es, principalmente la del sol, considerando que es una fuente de energía e iluminación inagotable. Estas celdas también son conocidas como baterías solares, fotopilas o generadores helio voltaicos (ver Figura1.12). Dado que cada elemento puede generar una cantidad reducida de electricidad, en sus orígenes se destinaron a alimentar consumos pequeños con requerimientos particulares, como los de la exploración espacial. Con el avance tecnológico este campo se fue ampliando, generalmente se las agrupa en disposiciones serie-paralelo, formando paneles solares para aumentar la potencia generada. La fiabilidad de las celdas solares es muy grande y necesitan un mantenimiento mínimo, también se puede decir que son bastante insensibles a las variaciones climáticas y a los agentes atmosféricos, salvo, como es lógico, los que impiden la incidencia de la luz en su superficie. La luz recibida se debe considerar como una lluvia de partículas cuánticas (fotones) que transmiten su energía a los electrones del metal irradiado. Si la energía que suministran es suficientemente grande como para que los electrones adquieran una energía superior a la energía de ligazón de la red cristalina, se liberan electrones de la estructura atómica, generando así, energía eléctrica. 14

38 Contenido del Capítulo 1 Figura 1.12 Celdas fotovoltaicas 14 Efecto Fotovoltaico El efecto fotovoltaico es la capacidad de una celda solar de transformar la energía luminosa en energía eléctrica, la celda fotovoltaica consiste de dos capas de semiconductor del tipo n y del tipo p y los contactos eléctricos son encapsulados en una rejilla de protección en ambos lados del panel, estas celdas se combinan en una modulo para formar un arreglo solar fotovoltaico. Cuando la luz solar incide sobre el semiconductor, generalmente silicio, sus fotones proporcionan la cantidad de energía necesaria para que los electrones en la banda de valencia rompan sus enlaces y queden libres al brincar a la banda de conducción, para circular por el material, por cada electrón que se libera queda un hueco, en la banda de valencia, por lo que se comporta como una partícula positivamente cargada. A este proceso se le conoce como foto generación de portadores de carga positiva y negativa, con esto se contribuye a la disminución de la resistencia eléctrica del material semiconductor. Cuando la radiación luminosa en forma de fotones es absorbida por los semiconductores se generan un exceso de su concentración en equilibrio, pares de portadores con carga eléctrica, electrones y huecos, los cuales deben de ser separados para poder usar la energía que cada uno representa. Estos portadores, generados por la energía de los fotones, viajan bajo un gradiente de concentración hacia la unión en donde son separados por efecto de campo eléctrico. Esta separación envía 14 [ ] 15

39 Contenido del Capítulo 1 electrones foto generados a la capa n y huecos foto generados a la capa p, crenado una diferencia de potencial entre la superficie interior e inferior de las capas, es decir, si la luz solar incide en la capa superior, concentra electrones en el material tipo P generando una carga y en esta parte de la celda se coloca la terminal positiva y los electrones foto generados al material tipo N generan una carga negativa y por lo tanto la terminal negativa debe ir conectada a esta. Si se conecta una carga en estas terminales circulará una corriente de la terminal positiva a la terminal negativa y se tendrá una diferencia de potencial entre las terminales de la carga, (ver Figura 1.13). Figura 1.13 Efecto fotovoltaico 15 Dentro de los beneficios derivados de la generación eléctrica por este medio existe un gran potencial para la reducción de la demanda pico y el consumo eléctrico en horas pico, que se pueden aplicar en inmuebles comerciales, industriales o habitacionales, y en los edificios públicos en general. Esto debido a que el perfil de generación fotovoltaico tiene un gran grado de coincidencia con el perfil de la demanda eléctrica. Radiación Solar La radiación solar es el flujo de energía que emite el sol en forma de ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias (luz visible, infrarrojo y ultravioleta). La luz visible son las radiaciones comprendidas entre 0.4 µm y 0.7 µm pueden ser detectadas por el ojo humano. Existen radiaciones situadas en la parte infrarroja del espectro de la cual una parte es ultravioleta [ ] 16

40 Contenido del Capítulo 1 Tipos de Radiación a) Radiación directa Es la radiación que, como su nombre lo indica, llega directamente del sol, sin haber sufrido cambio alguno en su dirección, este tipo de radiación tiene como característica principal que, proyectara una sombra definida de los objetos opacos que la intercepten. b) Radiación difusa Es la parte de la radiación que atraviesa la atmósfera que es reflejada pos las nubes o absorbida por estas, se denomina difusa ya que va en todas direcciones, esto sucede a consecuencia de las reflexiones y absorciones, no solo con las nubes, sino también con las partículas de polvo atmosférico, montañas, arboles, edificios, líquidos, el suelo, etc. Se caracteriza por no producir ningún tipo de sombra con respecto a los objetos opacos interpuestos. Cabe mencionar que las superficies horizontales son las que reciben más radiaciones de este tipo. c) Radiación reflejada Este tipo de radiación es, como lo indica su nombre, aquella que se refleja en cualquier superficie. La cantidad de la radiación reflejada depende directamente del coeficiente de reflexión de la superficie en donde incida. Las superficies horizontales no reciben ninguna radiación reflejada, mientras que las superficies verticales son las que más radiación reflejada reciben. d) Radiación global Es la sumatoria total de las tres radiaciones antes mencionadas (ver Figura 14). Figura 1.14 Tipos de radiación solar [ ] 17

41 Contenido del Capítulo 1 Paneles fotovoltaicos Para realizar la transformación de la energía solar en energía eléctrica de forma directa, se emplea un equipo llamado módulo o panel fotovoltaico. Las celdas fotovoltaicas como se mencionó con anterioridad, se integran en módulos, que pueden ser planos de marco rígido, de laminados flexibles, o bien, de formas especiales como tejas o elementos constructivos. Estas celdas fotovoltaicas son los componentes que captan la energía presente en la radiación solar y la transforma en corriente eléctrica, basándose en el efecto fotovoltaico. Los módulos fotovoltaicos al ser conectados en serie forman hileras, en aplicaciones de mayor dimensión las hileras son conectadas en paralelo, formando sub-arreglos, los que a su vez se combinan para formar un arreglo (ver Figura 1.15). Figura 1.15 Modulo fotovoltaico 17 Tipos de paneles Fotovoltaicos Los módulos fotovoltaicos están formados por un conjunto de celdas fotovoltaicas como se ha comentado con anterioridad, estas celdas son fabricadas principalmente de un grupo especial de minerales semiconductores, de los cuales el silicio, es el que tiene mayor presencia en estos paneles, ya que este elemento podemos encontrarlo de forma abundante en todo el mundo, pues es un componente mineral de la arena. Sin embargo para lograr el efecto fotovoltaico el Silicio debe de ser de alta pureza, lo cual encarece el proceso de la producción de las celdas fotovoltaicas. 17 Sistemas Fotovoltaicos Interconectados con la Red Aplicaciones de Pequeña Escala, 1ra Edición-versión electrónica, México 2010 [ ] 18

42 Contenido del Capítulo 1 a) Celdas mono cristalinas Se fabrican con bloques de silicio que se cortan de un solo cristal del mismo material, que son efectivamente una rebanada de un cristal. Los paneles que se construyen de celdas mono cristalinas tienen las mayores tasas de eficiencia puesto que se fabrican con silicio de alta pureza. La eficiencia en estos paneles está por encima del 15% y en algunas marcas supera el 21%. La vida útil de los paneles construidos con celdas mono cristalinas es más larga y suelen funcionar mejor que paneles construidos por celdas poli cristalinas de similares características en condiciones de poca luz. Debido a que poseen estas características resultan ser más costosas y durante el proceso de fabricación se tiene un mayor desperdicio de material. b) Celdas poli cristalinas Están formadas por pequeñas partículas cristalizadas. Las celdas son efectivamente una reducción de corte de un bloque de silicio, compuesto de un gran número de cristales. Poco menos eficiente y un poco menos costosa que las celdas mono cristalinas. El proceso de fabricación de los paneles fotovoltaicos de celdas poli cristalinas es más simple, lo que se ve reflejado en un menor precio y por lo que se genera menor desperdicio de silicio que en el proceso de fabricación de paneles de celdas mono cristalinas. c) Panel de celdas de capa fina Este tipo de paneles están conformado bajo el fundamento de depositar varias capas de material fotovoltaico en una base, dependiendo de cuál sea el material empleado podemos encontrar paneles de capa fina de silicio amorfo (a-si), de teluluro de cadmio (CdTe), de cobre, indio, galio y selenio (GIS/CIGS) o células fotovoltaicas orgánicas (OPC) Dependiendo del tipo, un módulo de capa fina presenta una eficiencia del 7 al 13%. Debido a que tienen un gran potencial para uso doméstico, son cada vez más demandados (ver Figura 1.16). 19

43 Contenido del Capítulo 1 Figura 1.16 Tipos de paneles fotovoltaicos 18 Sistemas fotovoltaicos Generalmente los sistemas de generación fotovoltaicos pueden clasificarse en dos tipos, los cuales se describen a continuación: a) Sistema de generación fotovoltaico aislado Un sistema fotovoltaico aislado está conformado principalmente por los módulos de paneles fotovoltaicos, baterías de ciclo profundo, regulador de corriente, inversor y de un panel de distribución. La característica principal de un sistema de generación fotovoltaica aislado, es que, como su nombre lo indica, no recibirá energía eléctrica de ningún otro medio que no sean los paneles fotovoltaicos, es por eso que es necesario la implementación que un arreglo de baterías para realizar el suministro de electricidad en los momentos en que el panel no esté produciendo energía eléctrica. La cantidad de baterías se dimensiona dependiendo del consumo diario de energía (carga instalada) y de los días que se consideren de respaldo en los que los paneles no producirán energía debido a condiciones meteorológicas o eventos extraordinarios. Cabe mencionar que entre mayor sea el 18 [ ] 20

44 Contenido del Capítulo 1 periodo en el que no se tengan las condiciones de generación de energía, el número y capacidad de las baterías debe aumentar, y por ende el costo de las mismas también lo hará (ver Figura 1.17). Figura 1.17 Sistema fotovoltaico aislado 19 b) Sistema de generación fotovoltaica interconectado a la red Un sistema fotovoltaico interconectado, está conformado por módulos fotovoltaicos, cajas de conexiones eléctricas y un inversor el cual enlaza con la red de suministro eléctrico pública de CFE por medio de la instalación de un medidor bidireccional, de modo tal que si el sistema fotovoltaico genera una mayor energía de la que se está consumiendo en el hogar, el excedente de energía es inyectado a la red de distribución, así la cantidad suministrada a la red pública y la energía utilizada de la red puede ser medida y en dado caso facturar solo la diferencia en el consumo. Si la diferencia es positiva, se genera un crédito a favor, el cual puede consumirse dentro de un periodo de no más 12 meses. Este sistema no requiere la implementación de un banco de baterías, por lo que su costo es menor comparado con el sistema aislado, sin embargo, requiere que exista un punto de interconexión con la red de distribución de CFE, así como la realización de un contrato previo con la compañía suministradora en donde se tenga la capacidad de generación que tendrá el sistema instalado (ver Figura 1.18) [ ] 21

45 Contenido del Capítulo 1 Figura 1.18 Sistema fotovoltaico interconectado a la red 20 Descripción de los elementos del sistema A continuación se describirá la función que cumplen los diferentes elementos que conforman el sistema de generación fotovoltaica exceptuando el panel fotovoltaico, cuyo principio de funcionamiento se ha explicado a lo largo de este documento. Módulo de baterías El sistema de almacenamiento está compuesto de un banco de baterías las cuales almacenan energía y luego cuando la radiación solar disminuye las baterías son las encargadas de suministrar la energía eléctrica al sistema. Al igual que los paneles existen baterías fabricadas con diferentes elementos, las que más se adecuan son las que permiten descargas profundas, a continuación analizaremos algunas de ellas. 20 Sistemas Fotovoltaicos Interconectados con la Red Aplicaciones de Pequeña Escala, 1ra Edición-versión electrónica, México 2010 [ ] 22

46 Contenido del Capítulo 1 a) Plomo-Ácido Estas baterías se componen de varias placas de plomo en una solución de ácido sulfúrico. La placa consiste en una rejilla de aleación de Plomo con una pasta de óxido de Plomo incrustada sobre la rejilla. La solución de ácido sulfúrico y agua se denomina electrolito. Las baterías de este tipo se ocupan ampliamente en sistemas fotovoltaicos, ya que la unidad de construcción básica de una batería de cada celda de 2 Volts. La capacidad de almacenaje de energía de una batería depende de la velocidad de descarga. La capacidad nominal que la caracteriza corresponde a un tiempo de descarga de 10 horas. Cuanto mayor es el tiempo de descarga, mayor es la cantidad de energía que la batería entrega (Figura 1.19). Figura 1.19 Baterías Plomo-Ácido en sistema fotovoltaico aislado 21 b) Níquel-Cadmio Este tipo de baterías tienen una estructura física similar a las de Plomo-Ácido, pero en lugar de Plomo, se utiliza hidróxido de Níquel para las placas positivas y óxido de Cadmio para las negativas. La unidad básica de cada celda de estas baterías es de 1.2 Volts y admiten descargas profundas de hasta un 90%, su vida útil es más larga, sin embargo su alto costo en comparación con las de Plomo-Ácida las hacen menos utilizadas en sistemas fotovoltaicos (Figura 1.20) [ ] 23

47 Contenido del Capítulo 1 Figura 1.20 Baterías Ni-Cd en sistema fotovoltaico aislado 22 Inversor Este elemento permite convertir la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA), ya que los sistemas fotovoltaicos durante su proceso generan corriente continua, es necesario realizar esta conversión para emplear la electricidad en los aparatos eléctricos más comunes. Los inversores son dispositivos electrónicos los cuales permiten interrumpir las corrientes y cambiar (invertir) su polaridad, de acuerdo a si el sistema fotovoltaico va a estar aislado de la red o interconectado a ella. En el caso de que se trate de un sistema interconectado a la red, se pueden utilizar inversores de conmutación natural, ya que la red determina el estado de conducción hacia los dispositivos eléctricos conectados al sistema, para el caso en el que se emplee un sistema de generación fotovoltaico aislado se pueden utilizar inversores de conmutación forzada, estos tipos de inversores permiten generar CA mediante la apertura y cierre forzado por el sistema de control. Pueden ser de salida escalonada (onda cuadrada) o de modulación por ancho de pulsos (PWM), con los que se pueden conseguir salidas prácticamente senoidales y por tanto con poco contenido de armónicos (Figura 1.21) [ ] 24

48 Contenido del Capítulo 1 Figura 1.21 Inversor para sistemas de generación fotovoltaicos 23 Interruptor termomagnético Los interruptores termomagnéticos están diseñados para interrumpir la corriente eléctrica de un circuito cuando ésta sobrepasa ciertos valores máximos. El dispositivo consta de dos partes: un electroimán y una lámina bimetálica. Ambas conectadas en serie y por las que circula la corriente que va hacia la carga. Los interruptores termomagnéticos protegen la instalación eléctrica contra sobrecorrientes (sobrecargas y cortocircuitos). (Figura 1.22). Figura 1.22 Interruptor Termomagnético 23 [ ] 25

49 Contenido del Capítulo 1 Interruptor diferencial Es un sistema de protección automático que se instala en el cuadro principal de cualquier instalación eléctrica, aguas arriba de toda carga conectada y que tiene la función de proteger la instalación de derivaciones a tierra y a las personas de contactos directos o indirectos. El interruptor diferencial desconecta la instalación antes de que la corriente diferencial residual (IÐ), llamadas así por ser la diferencia entre todas las corrientes entrantes y salientes de la instalación receptora pueda resultar peligrosa. (Figura 1.23). Figura 1.23 Interruptor diferencial Medidor bidireccional El medidor bidireccional tiene la función de un medidor tradicional pero además mide cuanta electricidad está devolviendo a la red de CFE ver figura 1.24 (cuando no está siendo consumida en su totalidad por tus aparatos eléctricos); en ese sentido, el medidor bidireccional cuenta con tres lecturas principales que son: i. Los datos de electricidad utilizada de la red CFE, ii. La electricidad inyectada a la red de la CFE y iii. El consumo final que resulta de la resta de la electricidad utilizada de la red menos la electricidad inyectada a la red, esta última lectura servirá para la facturación en el recibo de luz. 26

50 Contenido del Capítulo 1 Figura 1.24 Medidor Bidireccional CFE Sitio e instalación En México es muy común que las viviendas cuenten con techos horizontales, este tipo de techos resultan muy convenientes para realizar la instalación de los arreglos de módulos fotovoltaicos, ya que, el montaje se puede realizar en estructuras con las condiciones óptimas en cuanto a la orientación e inclinación. Tabla 1.3 Ángulos de instalación del módulo fotovoltaico 24 Ángulo de inclinación Latitud Latitud -15 Latitud +15 Resultado Máxima generación eléctrica anualizada durante la primavera y el otoño Máxima generación eléctrica en el verano Máxima generación eléctrica en el invierno La orientación y la inclinación son factores de suma importancia en los sistemas fotovoltaicos, ya que determinan la capacidad de generación de energía eléctrica de los módulos instalados. Si se establece una orientación dirigida hacia el sur geográfico de la tierra y un ángulo de inclinación igual al ángulo de latitud, se logra maximizar la producción de energía en lo que respecta a términos anuales (Figura 1.25). En el norte del país, en donde la demanda energética aumenta durante el verano, es recomendable que la inclinación de los módulos sea igual al ángulo de latitud menos 15 y dependiendo de los casos, se puede elegir por instalar los módulos con una orientación al 24 Sistemas Fotovoltaicos Interconectados con la Red Aplicaciones de Pequeña Escala, 1ra Edición-versión electrónica, México 2010 [ ] 27

51 Contenido del Capítulo 1 sur-oeste geográfico de la tierra, esto para incrementar la generación de energía bajo estas condiciones climáticas y geográficas. S Piso o techo Orientación Ángulo de inclinación Figura 1.25 Orientación y ángulo de inclinación para la instalación del arreglo fotovoltaico 25 En dado caso de que los techos en donde se planea instalar los paneles fotovoltaicos ya posean cierta inclinación, su orientación deberá ser, de preferencia, hacia el sur geográfico de la tierra y por ningún motivo instalarse hacia el norte, si el montaje de estos paneles se realiza de forma horizontal, la generación energética será menor, aproximadamente 10% menos, pero puede ser aceptable para el sistema (Figura 1.26). Figura 1.26 Orientación del arreglo fotovoltaico para máxima producción anúal Planteamiento de la propuesta Se propone un sistema para la generación de energía eléctrica mediante la implementación de paneles fotovoltaicos interconectados a la red de CFE. Al aprovechar la radiación solar y transformándola en energía eléctrica se alimentaran las cargas instaladas de la casa-habitación y así reducir la facturación por el suministro de energía eléctrica 25 Sistemas Fotovoltaicos Interconectados con la Red Aplicaciones de Pequeña Escala, 1ra Edición-versión electrónica, México 2010 [ ] 28

52 Contenido del Capítulo 1 por parte del proveedor del servicio, para que posteriormente se dé el cambio de una tarifa doméstica de alto consumo (DAC) categoría D1 a una tarifa de consumo básico Precio El precio del presente proyecto, es del 20% sobre los costos evaluados, con el margen bruto del sistema de generación fotovoltaico. 29

53 2 CAPÍTULO 2. Estudio técnico CAPÍTULO 2 ESTUDIO TÉCNICO CONTENIDO 2.1 Localización del proyecto 2.2 Determinación del tamaño 2.3 Tecnología básica 2.4 Tecnología de detalle Análisis de necesidades de servicio y equipo Distribución de la planta 2.5 Selección y especificación de servicio y equipo 2.6 Normas, leyes, reglamentos, etc. La tierra provee lo suficiente para satisfacer las necesidades de cada hombre, pero no la avaricia de cada hombre. Mahatma Gandhi

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55 Contenido del Capítulo Localización del proyecto La residencia se encuentra específicamente en Camino de Emaús, Colonia Lomas de Zumpimito, en el municipio de Uruapan del Progreso en el estado de Michoacán de Ocampo, con las siguientes coordenadas 19 22'16.4"N '06.7"W (Ver Figuras ). Figura 2.1 Ubicación geográfica de la casa- habitación 3 Figura 2.2 Vista satelital de la casa-habitación [04/10/2017] 4 [08/10/2017] 29

56 Contenido del Capítulo 2 Figura 2.3 Vista orográfica de la zona en donde está ubicada la casa-habitación 26 Figura 2.4 Vista solar de la zona en donde está ubicada la casa-habitación t, r/data=CkwaShJECiUweDg0MmRlMmJiOTYzOGQ0MTc6MHg3MjI1ZTQyYzQ0YmE 1NDkyGbYHa615XzNAIXFi_sCLg1nAKgladW1waW1pdG8YASAB [22/10/2017] 27 [24/10/2017] 30

57 Contenido del Capítulo Determinación del tamaño Sistema de generación de energía eléctrica mediante paneles fotovoltaicos (FV): Cálculo de la carga instalada en la casa-habitación Cálculo de consumo diario de energía en la casa-habitación Cálculo de consumo bimestral de energía en la casa habitación Selección de paneles FV Cálculo de capacidad y cantidad de paneles FV Levantamiento del área destinada para la instalación de los paneles FV Selección de estructura para instalación de paneles FV Cálculo y selección del inversor Contrato de interconexión (generación distribuida) con CFE Conexión a medidor bidireccional 31

58 Contenido del Capítulo Tecnología básica Diagrama de flujo de proyecto Figura 2.5 Diagrama de flujo de proyecto 32

59 Contenido del Capítulo Diagrama a bloques del proyecto Figura 2.6 Diagrama a bloques de proyecto Figura 2.7 Esquema de generación de energía eléctrica mediante paneles fotovoltaicos en casa-habitación [03/11/2017] 33

60 Contenido del Capítulo Diagrama de Gantt de actividades del diseño de instalación Figura 2.8 Diagrama de Gantt 34

61 Contenido del Capítulo Tecnología de detalle Cálculo de consumo diario de energía eléctrica en la casa-habitación A continuación se presenta una tabla en la cual se puede apreciar el consumo total diario de las diferentes cargas instaladas de la residencia, iluminación, electrónicos electrodomésticos. Equipo Dispensador de Agua Tabla 2.1 Consumo total diario de la carga instalada Cantidad Potencia (W) Potencia Total (W) Horas de operación (h) Potencia total por día (W/h) ,200 Televisor A Televisor B Televisor C Televisor D Caminadora 1 1,150 1, ,300 Refrigerador ,840 y Secador de cabello 1 1,400 1, ,400 Lámparas ,300 Demanda energética de la residencia 14,277 Cálculo de consumo bimestral de energía eléctrica en la casa-habitación Cálculo para el consumo promedio mensual: a) Ecuación para el cálculo de semanas promedio por mes Mes promedio = No. semanas por año No. meses por año Mes promedio = 52 semanas 12 meses Mes promedio = 4.33 semanas por mes Ecu

62 Contenido del Capítulo 2 b) Ecuación para el cálculo del consumo de energía eléctrica semanal: kw/h por semana = Días de la semana kw/h por semana = (7)( kw/h) kw/h por semana = kw/h Potencia total por día Ecu. 1.2 c) Ecuación para el cálculo del consumo de energía eléctrica bimestral: kw/h por mes = Mes promedio kw/h por semana Ecu. 1.3 kw/h por mes = (4.33)( kw/h) kw/h por mes = kw/h kw/h por bimestre = (2)(kW/h por mes) Ecu. 1.4 kw/h por bimestre = kw/h por bimestre = (2)( kw/h) kw/h Selección de panel fotovoltaico Se realiza la selección de un panel fotovoltaico poli cristalino, con tecnología Mono PERC ya que el rango de generación de potencia de este panel es de 340 a 360 Watts. Cálculo de paneles a utilizar n Paneles n Paneles = = n Paneles = Carga Diaria Capacidad de Generación de Panel W 360 W Ecu. 2.1 n Paneles 40 paneles Cálculo para la selección del inversor Para realizar el cálculo del inversor, primero se debe de calcular lo siguiente: a) Ecuación para el cálculo de la potencia pico de generación: 36

63 Contenido del Capítulo 2 P PGeneración = Generación de ( ) (n Panel Paneles ) Ecu. 2.2 P PGeneración = (360 W)(40) P PGeneración = 14,400 W P PGeneración = 14.4 kw Dónde: P PGeneración = Potencia pico de generación n Paneles = Número de paneles Posteriormente para seleccionar el inversor adecuado, se debe de realizar la conversión de unidades de kw a kva. b) Ecuación para cálculo de potencia de generación en kva: P kva = ( P PGeneración ) FP Ecu. 2.3 P kva = 14.4 kw ( 0.95 % ) P kva = kva Dónde: P kva = 16 kva P kva = Potencia de generación en kva FP = Factor de potencia (%) Al realizar el cálculo para la selección del inversor, el resultado es redondeado al resultado inmediato superior a manera que el inversor tenga la capacidad de suministrar la suficiente energía eléctrica y se procede a la selección mediante catálogo. Uno de los factores que influyen para la selección del inversor, es la consideración de la región en donde este será instalado, de manera que su desempeño sea óptimo bajo estas condiciones. La temperatura promedio anual del estado de Michoacán de Ocampo y específicamente del municipio de Uruapan del Progreso que es de 30 C. 37

64 Contenido del Capítulo 2 Diagrama unifilar A continuación se presenta el diagrama unifilar correspondiente a un sistema de generación fotovoltaico interconectado a la red. (Fig. 2.10) Figura 2.9 "Diagrama unifilar del sistema de generación fotovoltaico" 38

65 Tabla 2.2 Análisis de maquinaria y equipo Contenido del Capítulo Análisis de maquinaria y equipo 39

66 Contenido del Capítulo Distribución de la planta Levantamiento del área destinada para la instalación Actualmente se cuenta con un área de 96 m 2, disponible para la instalación de los paneles fotovoltaicos y teniendo en cuenta que las dimensiones de los paneles seleccionados son de 2000 mm de largo por 1000 mm de ancho, se propone el siguiente sembrado (Lay Out) de dispositivos para su posterior instalación (Figura 2.10). De acuerdo con el número de paneles calculados en la Ecu. 2.1, se requiere de un área de 80 m 2 para realizar la instalación de 40 paneles fotovoltaicos el cual se usara una estructura independiente para colocar la cantidad de paneles requeridas, por lo tanto, no es necesario contemplar un espacio entre paneles, ya que estarán conectados entre sí. En el caso del mantenimiento en los paneles, debido a que no cuenta con partes mecánicas ni de rotación, su mantenimiento es mínimo, únicamente se tiene limpiar la superficie de los paneles cada 6 meses (2 veces al año), si llegara a tener algún objeto o suciedad se debe de retirar (hojas de árboles, excremento de ave o polvo), no se debe de emplear métodos que puedan rayar los paneles, con un trapo limpio y agua es suficiente; es importante mencionar que en la época de lluvia servirá para limpiar la superficie de los paneles. Figura 2.10 Levantamiento del área para sembrado de paneles fotovoltaicos 40

67 Contenido del Capítulo Selección y especificación de servicio y equipo Tabla 2.3 Selección del proveedor ID E-01 E-02 E-03 E-04 Material y Equipo Panel Fotovoltaico 360W Inversor a 16kVA Medidor bidireccional 2H, 1F Estructura para montaje M-01 Ingeniería Descripción Panel fotovoltaico, con tecnología Mono Cristalino y capacidad de generación de hasta 360Wp Tensión de AC 640 V, Tensión CD 1500 V, Frecuencia 60 Hz, Imax 30 A, F.P. 0.99, Distorsión armónica <3%, con protección de falla a tierra, tipo de comunicación Modbus y/o IEC 91860, Temperatura Ambiente -20 C a +50 C, Altitud de operación <2000 M.S.N.M Medidor bidireccional según especificación de la CFE G Estructura Independiente fila horizontal de un solo eje. Pendiente escarpada al 17% N-S. <40 pilas / KW1. <20 horas de mano de obra / KW tasa de instalación. Ingeniería de desarrollo conceptual para la ejecución de los trabajo tomando en cuenta el montaje, pruebas y puesta en marcha. Cantidad 40 pzas 1 pza Proveedor Seleccionado JINKO USD/Wp 0.31 DDP POWER ELECTRONICS $ 1,228.5 USD 2-8 semanas 1 pza CFE 1 Lt 1 Lt NEXTRAKER $ 178 USD <20 horas de Instalación IDEA 110 USD / Semana 4 revisiones + AS-BUILT 41

68 Contenido del Capítulo 2 Justificación de selección de proveedor Panel fotovoltaico: Se ha seleccionado el proveedor JINKO ya que este ofrece entrega en lugar de destino convenido o DDP (Delivery Duty Paid), es decir, este proveedor entregara los equipos directamente en sitio sin agregar costos de envió o de importación. Inversor: Teniendo en cuenta que los tres proveedores ofrecen un producto con las mismas características y tiempos de entrega; se opta por el producto del proveedor Power Electronics ya que es económicamente más viable y resulta ser la mejor opción. Medidor bidireccional: Solo se cuenta con un proveedor para este equipo y el suministro del mismo se da al realizar el contrato de interconexión con la Comisión Federal de Electricidad. Estructura para montaje: Se selecciona al proveedor NEXTRAKER debido a que el tiempo de instalación de la estructura de montaje es menor a 20 horas, en este aspecto el proveedor CLAVIJO también ofrece un servicio de instalación menor a 20 horas pero a un mayor precio, por lo que NEXTRAKER es el proveedor económicamente más viable. Ingeniería: Se selecciona al proveedor de ingeniería IDEA debido al costo del servicio por semana, así como el número de revisiones que ofrece a los planos del proyecto. 42

69 Contenido del Capítulo Normas, leyes, reglamentos, etc. Principios de Ingeniería Verde La ingeniería verde comprende el diseño, comercialización y el uso de procesos y productos para que el desarrollo de un proyecto se lleve de manera que siempre se respete y preserve el medio ambiente. Los principios de Ingeniería Verde 1 son constituidos por 12 puntos los cuales se comentan a continuación: 1. Inherente en lugar de circunstancial. Los diseñadores deben esforzarse para asegurar que todas las entradas y salidas de materiales y energías sean en seguras en todo momento y sin ninguna posibilidad de causar riesgos a terceros. 2. Prevención en lugar de tratamiento. Es mejor prevenir la contaminación que intentar revertir los efectos que esta causa después de producirlos. 3. Diseño de separación. Las operaciones de separación y de purificación deben ser diseñados de tal manera que durante el proceso se minimice tanto el consumo de energía como el uso de materiales para llevar a cabo estas actividades. 4. Maximizar eficiencia. Los productos, sistemas y procesos deben ser diseñados de tal modo que se maximice la eficiencia del uso de los recursos materiales, energéticos, de espacio así como el tiempo de ejecución de estas operaciones. 5. Salida-bajo pedido versus sobreproducción (entrada justo a tiempo). Los productos, procesos y sistemas deben estar diseñados bajo el principio de producción bajo demanda, esto quiere decir que se produzca solamente lo que se enviara al mercado de consumo, evitando así problemas de inventario por excedentes. 6. La entropía y complejidad como inversión. La entropía y la complejidad deben ser consideradas como una inversión, la cual pueda ser reutilizada, reciclada o desechada como residuo final. 7. Diseñar para la durabilidad no para la inmortalidad. La durabilidad pretendida debe ser un objetivo de diseño, de manera que pueda darse una biodegradación del sistema al final de su vida útil. 1 Anastas y Zimmerman,

70 Contenido del Capítulo 2 8. Satisfacer la necesidad, minimizar el exceso. El diseño de capacidades o funciones innecesarias debe ser evitado dentro del diseño del producto, proceso o sistema. 9. Minimizar diversidad de materiales. Un producto hecho a partir de un solo material o mecanismo de reacción simple minimizara la dificultad para su reciclado y su biodregradabilidad al final de su vida útil. 10. Integre flujos de materiales y energías. El diseño de productos, procesos y sistemas deben pretender la integración y la interconexión con las energías. 11. Diseñar para la reutilización de componentes tras el final de la vida útil del producto. Los productos, procesos y sistemas deben ser diseñados para que cuando hayan llegado al final de su vida útil, parte de sus componentes puedan ser recuperados y reutilizados Para seguir realizando una función por si mismos o integrados a un sistema diferente. 12. Renovables en lugar de agotamiento. Las entradas de material y energía deberían ser renovables. El diseño debe estar basado en entradas de materiales renovables y que sean fácilmente disponibles durante su ciclo de vida. Los materiales e insumos de energía deben ser renovables para así evitar su agotamiento. 44

71 Contenido del Capítulo 2 Normas NOM-001-SEDE-2012: La estructura de esta norma corresponde a las necesidades técnicas necesarias para la implementación de la energía eléctrica en instalaciones del ámbito nacional; se cuida el uso de vocablos y se respetan los términos habituales para evitar confusiones en los conceptos. El cuerpo de la Norma se divide en las siguientes secciones: En la primera sección (Título 1) se marca el objetivo y campo de aplicación. En la segunda sección 2 (Título 2) se mencionan las referencias. En la tercera sección 3 (Título 3), se establecen los Lineamientos para la aplicación de las especificaciones en las instalaciones eléctricas (utilización), establece la metodología para la apropiada aplicación de las disposiciones y una guía general para su interpretación correcta. En la cuarta sección (Título 4), se mencionan los principios fundamentales, los cuales no están sujetos a modificaciones en función de desarrollo tecnológicos. En la quinta sección (Título 5), se establecen las Especificaciones, y contiene los requisitos técnicos cuya observancia tienen por objeto asegurar la conformidad asegurar la conformidad de las instalaciones eléctricas a los principios fundamentales del título cuarto de esta NOM. Tiene como objetivo establecer las especificaciones y lineamientos de carácter técnico que deben satisfacer las instalaciones destinadas a la utilización de la energía eléctrica, a fin de que ofrezcan condiciones adecuadas de seguridad para las personas y sus propiedades, en referente a la protección contra: Las descargas eléctricas. Los efectos térmicos. Las sobre corrientes. Las corrientes de falla. Las sobretensiones. 45

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73 3 CAPÍTULO 3. Estudio económico CAPÍTULO 3 ESTUDIO ECONÓMICO CONTENIDO 3.1 Objetivos general y estructuración del estudio económico 3.2 Determinación de los costos 3.3 Cronograma de inversiones 3.4 Punto de equilibrio Cuando las generaciones futuras juzguen a las que vinieron antes respecto a temas ambientales, tal vez lleguen a la conclusión de que no sabían: evitemos pasar a la historia como las generaciones que sí sabían, pero no les importa. Mikhail Gorbachev

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75 Contenido del Capítulo Objetivo general El estudio económico comprende el monto de los recursos económicos que serán necesarios para la realización del proyecto previo a su puesta en marcha, también abarca la determinación de los costos totales requeridos durante el periodo de ejecución del mismo. En otras palabras, el estudio económico consiste en expresar en términos monetarios todas las resoluciones hechas en el estudio técnico, en términos de cantidad de materia prima necesaria, cantidad de mano de obra directa e indirecta, número y capacidad de equipo, así como la maquinaria necesaria para el proceso, etc. ahora deberán aparecer en forma de inversiones y gastos, que será de gran utilidad en la evaluación de la rentabilidad económica del proyecto. De esta forma el criterio de evaluación debe responder a la pregunta de cuál es la mejor alternativa y que tan productiva es la implementación del recurso capital. La finalidad de este estudio es analizar las necesidades de tipo económico y financiero que precisa la puesta en marcha del proyecto, con el propósito de ayudar a valorar si es rentable, o no, emprender el nuevo proyecto. Se trata, pues, de conocer: La inversión económica necesaria, así como su financiamiento. Estimar los costos y gastos que va a suponer la puesta en marcha del proyecto Valorar los posibles ingresos para realizar un cálculo aproximado de los beneficios que puede dar el proyecto. 47

76 Contenido del Capítulo Determinación de los costos Tabla 3.1 Determinación de costos del proyecto 48

77 Contenido del Capítulo 3 Tabla 3.2 Determinación de costos del proyecto por servicios ID Servicio Descripción 01 Flete y renta de equipo 02 Instalación 03 Puesta en Marcha Transporte y equipo y herramienta Envíos, fletes de material Renta de equipos (andamios, grúas, malacates, tranp) Instalación de sistema fotovoltaico Capacitación Servicio Gestión Cantidad Lote P.U. MNX $ Total MNX $ 1 12, , , , , , Total 97, Gran Total 298, Cronograma de inversiones Semana 1 MNX $ Tabla 3.3 Cronograma de inversión Semana 2 MNX $ Semana 3 MNX $ Semana 4 MNX $ Total del proyecto $ Inversión 95, , , , = 298,

78 Costo del proyecto Contenido del Capítulo Punto de equilibrio $300, $250, $200, $150, $100, $50, $ Retorno en el tiempo Figura 3.1 "Grafica de punto de equilibrio" 50

79 Conclusiones y Recomendaciones Conclusiones Definitivamente el uso e implementación de esta energía trae consigo beneficios tanto medioambientales, educativos, económicos y sociales. Pero también es cierto que el costo y la mantención permanente de los sistemas fotovoltaicos y otras modalidades de uso, requiere grandes inversiones por parte de cada una de las naciones. Solo continuando la investigación podremos reducir costos en lo que compete a su permanencia. La energía solar en inagotables puesto que la estamos recibiendo constantemente. No contamina al medio ambiente Por medio del sol se logra mejor la calidad de vida, a través de su transformación para la formación de electricidad, calor etc. Obtenemos vida gracias a la luz solar ya que es una fuente de vida indispensable La energía solar llega gratuita, pero la transformación es costosa por lo que muchas personas no tienen los recursos para poder obtener esas energías. La energía solar ayuda para disminuir las emisiones de gases que causan tantas malas consecuencias en el medio ambiente logrado su destrucción Conviene conocer los beneficios del uso de las energías renovables, ya que es el mejor modo de concienciar a la ciudadanía. Por su climatología y su localización geográfica, con muchas horas de sol al año, México cuenta con condiciones óptimas para disfrutar de las ventajas de la energía solar en sus tres tecnologías Como sucede con cualquier otra fuente renovable, las principales ventajas de la energía solar residen en que es un recurso limpio, es decir, respetuoso con el medio ambiente, e inagotable, puesto que su materia prima es el Sol. 51

80 Conclusiones y Recomendaciones Recomendaciones En un entorno doméstico, pocas personas saben que las instalaciones de energía solar requieren muy poco mantenimiento y son muy fiables y duraderas. Por ejemplo, la garantía de la producción de los paneles solares es de 25 años, con una vida útil de alrededor de 35 años, con el mantenimiento adecuado. Estas instalaciones para viviendas no producen deshechos, residuos, ni humos o malos olores y son prácticamente invisibles, ya que se pueden colocar en el tejado. Durante el desarrollo de este proyecto se pudo dimensionar la implementación de este tipo de sistemas de generación enfocado a una casa-habitación, sin embargo, esto no solo podría ser utilizado de esta forma como típicamente se ha venido realizando, sino que puede lograr un mayor costo-beneficio si son implementados en locales comerciales y/o de entretenimiento a modo que la generación eléctrica producida por los paneles fotovoltaicos, cubran las cargas de iluminación y en acondicionamiento de áreas (equipos de aire acondicionado), reduciendo así sus gastos de facturación y aumentando sus ganancias por el ahorro que esto genere. 52

81 Anexos ANEXOS

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83 Anexos Anexo 1 Datasheets de equipos seleccionados 54

84 Anexos 55

85 Anexos 56

86 Anexos 57

87 Anexos 58