2. PROYECTO DE CELDAS FOTOVOLTAICAS
Planteamiento del proyecto
Este proyecto consiste en obtener a partir de la energía solar, la energía eléctrica
suficiente para poder tener iluminación, así como la energía suficiente para alimentar
aparatos de bajo consumo eléctrico, tales como computadoras y televisores, y de ser
posible a otros aparatos de mayor consumo. El objetivo es cubrir con estas necesidades
en una vecindad con nueve habitaciones y reducir los costos que actualmente generan
estos electrodomésticos. Para lograrlo se recurre a la tecnología de celdas fotovoltaicas.
Sistemas solares fotovoltaicos
Los equipos solares fotovoltaicos están conformados por varios componentes, a
continuación se mencionan algunas características importantes acerca de ellos.
Paneles solares
Estos tienen por objeto captar la energía solar que incide sobre de ellos y generar una
corriente eléctrica. Están formados principalmente de “celdas solares” o “células
solares”, las cuales son muy frágiles y carecen de soporte mecánico; por esta razón la
empresa fabricante las ensambla dentro de los paneles solares, los cuales son una
estructura más estable.
Dentro del panel fotovoltaico, estas celdas están conectadas entre sí; formando un
circuito en serie o paralelo, el cual puede calcularse para lograr que la corriente
generada tenga el valor deseado por el consumidor.
Baterías
Estas sirven para acumular la energía generada por los paneles solares y así poder usarla
en horas en las cuales la energía consumida es superior a la generada, proveer una
intensidad de corriente superior a la que el dispositivo fotovoltaico puede entregar y
3. proporcionar un voltaje estable independientemente de las condiciones aun en la noche
o durante días nublados con poca incidencia luminosa.
Reguladores de carga
Tienen la función de regular la transmisión de corriente eléctrica en la batería para
protegerla contra sobrecargas y poder alargar su vida útil, también tienen la capacidad
de generar alarmas cuando se presentan dichas sobrecargas. Su instalación se encuentra
entre los paneles fotovoltaicos y las baterías.
Convertidores e inversores
Permiten adaptar la corriente generada por los paneles fotovoltaicos a los
requerimientos de demanda en corriente eléctrica, dependiendo de sus aplicaciones.
Convertidores
Se utiliza para poder regular el voltaje en equipos de electrónicos y así favorecer su
correcto funcionamiento, debido a que en muchos casos no es posible hacer coincidir la
corriente proporcionada con la demanda de los aparatos de consumo. Los convertidores
CC/CC convierten la corriente continua en corriente alterna, y posteriormente se eleva o
reduce el voltaje hasta un valor adecuado para posteriormente volverla a convertir en
corriente continua.
Inversores
Permiten transformar la corriente continua que producen los paneles en corriente alterna
para elevar el voltaje de de la primera (normalmente con valores de 12, 24 o 48 V) a
valores de 125 o 220 V para que pueda ser usada por equipos eléctricos diseñados para
trabajas con este tipo de corriente.
Cableado
Para la instalación de sistemas fotovoltaicos se debe de utilizar secciones de cableado
superiores a las utilizadas en las instalaciones residenciales, debido a que se ocuparan
bajas tensiones continuas relativamente latos requerimientos de potencia; el objetivo de
estas consideraciones es que tengan la sección adecuada para reducir las caídas de
tensión y calentamientos. De la misma forma debe de tenerse en cuenta que estarán
expuestos a condiciones adversas del ambiente tales como calor, humedad, etc.
Elementos de protección
Estos elementos del sistema se utilizan principalmente para evitar sobrecorrientes y
generalmente son fusibles, interruptores termomagnéticos y diodos.
Soporte
Se refiere a la estructura que se encarga de soportar y de fijar el panel a la tierra, al
tejado o a la fachada de un edificio. El principal problema que deben de prever estas
4. estructuras es la posibilidad de que una corriente de viento pueda proyectar los paneles
ya que estos tienen una considerable superficie de oposición a esta corriente.
Existen 3 tipos de soportes: fijos, ajustables y automáticos. Para la elección de alguno
de ellos se debe de hacer un análisis económico entre el incremento de energía generada
y los presupuestos establecidos para el sistema.
Memoria de cálculos
La memoria de cálculos deberá de contener los principales cálculos necesarios para el
diseño del sistema energético los cuales se explican a continuación.
Cálculo de la demanda energética
Para la realización de este cálculo se deben de tomar en cuenta los datos de consumo a
partir de años anteriores obtenidos de las lecturas en los contadores y de las facturas de
pago por servicio eléctrico, y calculando las especificaciones de potencia eléctrica de
los equipos que se pretenden alimentar así como el tiempo en que estos están operando
diariamente. Para ello puede ser de utilidad llenar una tabla en la cual se registre el
consumo medio (durante un mes) de los aparatos domésticos como en el siguiente
ejemplo:
Carga Potencia [𝑊] Tiempo de uso
[ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠/𝑑í𝑎]CA CC
Iluminación de
recamara
20 13 5
Iluminación de
sala
20 13 2
Iluminación de
la cocina
20 13 4
El consumo diario total de cada equipo viene dado por su correspondiente suma de los
consumos de corriente alterna y continua. La siguiente expresión nos sirve para calcular
el consumo diario, en instalaciones con inversores y/o reguladores:
𝐸𝑑 = (𝐸𝑐𝑐 +
𝐸𝑐𝑎
𝜂𝑖𝑛𝑣
)
1
𝜂 𝑟𝑒𝑔
Donde
𝐸𝑑 = consumo diario total [𝑊ℎ/𝑑í𝑎].
𝐸𝑐𝑐 = consumo diario de energía en corriente continua [𝑊ℎ/𝑑í𝑎].
𝐸𝑐𝑎 =consumo diario de energía en corriente alterna [𝑊ℎ/𝑑í𝑎].
𝜂 𝑟𝑒𝑔 = rendimiento del regulador.
𝜂𝑖𝑛𝑣 = rendimiento del inversor.
5. Evaluación del aporte solar
En esta parte de la memoria de cálculos se debe de realizar una evaluación de la
radiación solar incidente en el panel solar por cada 𝑚2
dependiendo de su orientación y
de su ángulo de inclinación. El valor medio de la radiación solar diaria (𝑅0) se puede
obtener de tablas de radiación y se escoge dependiendo de la zona en donde va a
ubicarse la instalación. Los valores obtenidos en las tablas deben de multiplicarse por
factores de corrección que dependen del ángulo de inclinación del os paneles (𝑘 𝛽). Con
la siguiente formula se obtiene el valor medio mensual de la radiación diaria sobre el
panel fotovoltaico con ángulo de inclinación 𝛽, con unidades de [𝑘𝑊ℎ/(𝑚2
𝑑𝑖𝑎)].
𝑅 𝛽 = ( 𝑅0)(𝑘 𝛽)
Potencia del generador
Debido a que la radiación solar varia de una zona a otra para cada mes del año y esto
tiene influencia en el coeficiente de corrección, (𝑘 𝛽); se debe de calcular el campo
generador de forma que quede garantizado el abastecimiento durante el periodo más
desfavorable del periodo anual.
Para tener en cuenta el mes más desfavorable se obtiene del cociente que compara en
cada mes de consumo diario con la energía media aportada (𝑅 𝛽 𝐸𝑑⁄ ), la instalación se
seleccionara para el mes en que el coeficiente resulte más bajo.
La inclinación óptima de los paneles se determina de elegir el valor mínimo entre los
máximos de cada instalación.
Energía media diaria generada
Se parte de la potencia máxima del generador fotovoltaico en condiciones estándar
(𝑃𝑔𝑒𝑛 ) medida en 𝑘𝑊, así como teniendo en consideración las pérdidas:
𝑃𝑔𝑒𝑛 ∙ 𝜂 𝑝 ∙ 𝐻𝑃𝛽 = 𝐸𝑑
Es decir la potencia viene dada por
𝑃𝑔𝑒𝑛 =
𝐸𝑑
𝐻𝑃𝛽 ∙ 𝜂 𝑝
Donde
𝜂 𝑝 = rendimiento medio del panel fotovoltaico.
𝐻𝑃𝛽 = horas pico para un ángulo de inclinación 𝛽.
Número de paneles fotovoltaicos
6. Este resulta de tener en cuenta la potencia pico y el voltaje de trabajo necesarios para
proporcionar la potencia calculada del campo de paneles y el resultado se redondea al
número entero inmediatamente superior.
# 𝑝 =
𝑃𝑔𝑒𝑛
𝑃𝑝
Donde
𝑃𝑝 = potencia pico del panel fotovoltaico en kW, según especificaciones
proporcionadas por el fabricante.
Para alcanzar la potencia pico es necesario conectar varios paneles en serie y para saber
cuántos de estos paneles deben de estar en serie se divide la tensión nominal de la
instalación entre la tensión nominal de un modulo.
# 𝑝𝑠 =
𝑉𝑛
𝑉𝑝
También se calcula el número de ramas de paneles en serie que deben de colocarse en
paralelo dividiendo el número total de paneles entre el total de paneles en serie que tiene
cada rama.
# 𝑝𝑝 =
# 𝑝
# 𝑝𝑠
En el caso de que la instalación vaya a ser destinada a la producción de energía eléctrica para
transmitirse en la red, entonces la potencia del campo generador se calcula para cubrir esa
potencia que el usuario quiere transmitir a la red. La potencia del campo de paneles se calcula
como el cociente entre la potencia que se quiere transmitir a la red y el producto de los
rendimientos del panel fotovoltaico por el inversor seleccionado, es decir:
𝑃𝑔𝑒𝑛 =
𝑃𝑟𝑒𝑑
𝜂𝑖𝑛𝑣
∙ 𝜂 𝑝
Donde
𝑃𝑟𝑒𝑑 = potencia a transmitir en la red.
Referencias
Sanchéz M. Miguel A. Energía solar fotovoltaica. Ed. Limusa.
