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1. APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTÁICA
DISEÑO DE UNA INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA EN UNA VIVIENDA
RESIDENCIAL
RESUMEN
En este texto se realiza el cálculo y diseño de
una instalación fotovoltaica, para la producción
de energía eléctrica en una vivienda residencial
ubicada en la ciudad de Bogotá (Colombia),
igualmente, se determina la carga de consumo
diario, el número de paneles fotovoltaicos, las
dimensiones del banco de baterías y el costo
total de la implementación.
Palabras clave: instalación fotovoltaica, energía
eléctrica, paneles solares.
1. INTRODUCCIÓN
Desde hace ya un tiempo a ésta parte, el mundo
se está viendo enfrentado a problemas
energéticos, debido al agotamiento de las
reservas mundiales de petróleo, el cual es
utilizado como fuente directa de energía, este
fenómeno irreversible ha sido denominado como
“Crisis Energética”. Las razones pueden ser
muchas: aumento del consumo de energía
eléctrica debido al constante crecimiento, tanto
del sector residencial, como del sector industrial,
quienes son los que demandan la mayor
cantidad de energía.[1]
Frente a esta crisis ha surgido la necesidad de
aprovechar de mejor forma los recursos
energéticos disponibles, se han ideado formas
de aprovechar distintos tipos de energías
naturales con el propósito de convertirlas en
energía eléctrica, las que además cuentan con la
ventaja de ser renovables, dentro de estas se
encuentran por ejemplo: la energía solar, eólica,
mareomotriz, geotérmica, etc. [1]
Los cálculos y el diseño del intercambiador se
realizan para suplir las necesidades de una
vivienda ubicada en la localidad de Kennedy, en
la ciudad de Bogotá – Colombia para una
vivienda unifamiliar de 3 personas, asumiendo
una latitud de 4º al norte y una longitud de 74º
Oeste.
2. OBJETIVO GENERAL
 Diseñar y calcular el sistema de instalación
fotovoltaica para una vivienda residencial.
3. OBJETIVOS ESPECIFICOS
 Calcular carga de consumo diario, el
número de paneles y las dimensiones del
banco de baterías.
 Diseñar el sistema de instalación
fotovoltaica a partir de los costos
actuales de los equipos.
 Identificar la viabilidad del sistema
4. MARCO TEÓRICO
La energía fotovoltaica se sustenta en el
fenómeno físico llamado “efecto fotovoltaico”, que
es la conversión directa de la radiación electro
magnética en corriente eléctrica en una celda
fotovoltaica. [2]
Celda Fotovoltaica
Una celda fotovoltaica está formada por la unión
de dos materiales semiconductores, uno tipo n, y
otro tipo p. En la interface entre el semi conductor
tipo p y el semiconductor tipo n aparece un polo
positivo y polo negativo.
La energía eléctrica generada en una celda
fotovoltaica es corriente continua (CC). El voltaje
o tención de trabajo depende de las
características del material con la que esté
construida
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA MECÁNICA
DAVIDALBERTOAVENDAÑO OLAYA 20142375026
JOHAN FELIPE VARÓNPEÑA 20142375033
JULIANALBERTO BAQUEROVIÑA 20142375063

2. APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTÁICA
Módulo Fotovoltaico
Varias celdas se pueden conectar en serie para
aumentar la tensión, estas conexiones se hacen
con conectores de aleaciones de plata. Una de
las características eléctricas de un módulo
fotovoltaico es su curva de trabajo I-V. Estos
parámetros dependen de ls insolación, de la
temperatura del módulo y de la masa de aire
atmosférico que atraviese la radiación solar. [2]
5. DISEÑO
El cálculo del sistema debe partir de la evaluación de
las necesidades energéticas de la instalación. Por
norma se supone que los módulos fotovoltaicos
generaran diariamente la misma capacidad de carga
generada Cg (Cg=Cd) en A h que se va a consumir
en un día.
Se determina el consumo diario (tabla 1) de la
vivienda en la que se pretende instalar el sistema de
energía solar.
Equipo Cantidad Pot
(W)
Uso
(h)
W h
Nevera 1 105 6 630
Bombillos
ahorradores
3 20
4 240
Bombillos
tradicionales
2 70
4 560
Lavadora sin
resistencia
eléctrica
1 500
1 500
Equipode
sonido
1 96
2 192
Licuadora 1 600 0,02 12
Máquinade
Coser
1 85
0,5 42,5
Plancha 1 1200 0,8 960
Teléfono 1 4 8 32
Televisor 2 76 5 760
Ps3 1 100 1 100
Reproductor
de video
1 19
2 38
Pc 1 200 5 1000
TOTAL - - - 5066,5
Tabla 1. Cálculo de la energía de consumo diario.
El consumo mensual será:
5,0665 𝐾𝑊ℎ ∗ 30 ( 𝑑𝑖𝑎𝑠) = 151,995𝐾𝑊ℎ
Mediante una comparación con el recibo de la luz
podemos observar que el mes de mayor
consumo en los últimos 7 meses fue de 143
KWh, por lo tanto, el análisis del consumo diario
es correcto y se garantiza la energía necesaria
en la vivienda.
El consumo diario en CA es de 5,0665 Kw-h,
pero este valor se ve afectado por el rendimiento
del inversor, como en este caso no se conoce el
valor, se toma el 85%, entonces la energía de
consumo diario de la vivienda es:
𝐸𝑑 =
6,1315 𝐾𝑊ℎ
0,85
= 7,214 𝐾𝑤ℎ
 Número de Módulos:
Ahora se calcula el número total de módulos
fotovoltaicos y como conectarlos, a partir de:
𝑁 𝑇 = 𝑁 𝑃 ∗ 𝑁 𝑆
Donde Np es el número de módulos en paralelo
dado por:
𝑁 𝑃 =
𝐶 𝑑
𝑖 𝑃𝑀 ∗ 𝐻𝑆𝑃
Donde Cd es la carga diaria, HSP son las horas de
sol pico y iPM es la intensidad pico.
Ns es el número de módulos en serie:
𝑁 𝑆 =
𝑉𝑡𝑟
𝑉𝑀
Donde Vtr es la tensión de trabajo a la que se hace
trabajar el banco de baterías y Vm es el voltaje del
montaje.
Se selecciona el PANEL SOLAR AS-S20125 de
235W, con las siguientes características:
Tensión nominal (V) 25V
MAX. POWER (Pmax) 235W +/-3% MAX.
POWER VOLTAGE (Vmp) 30.2V +/-5%
MAXIMUM POWER
CURRENT (Imp):
8.11A +/-5%
OPEN CIRCUT VOLT (Voc) 37.27V +/-5%
SHORT CIRCUIT CURRENT
(Isc)
8.56A +/-5%
MAXIMUM SYSTEM
VOLTAGE
1000 VDC
FICIENCIA DE PANEL 14.47%
Tabla 2. Características técnicas del módulo solar.
A partir de estos datos y con un Vtr de 12V tenemos:
𝑁 𝑆 =
12𝑉
25𝑉
= 0.48 ≈ 1

3. APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTÁICA
𝐶 𝑑 =
7214𝐾𝑊ℎ
30,2𝑉
= 238,9 𝐴ℎ
𝐻𝑆𝑃 = 𝐼( 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟) ∗ #ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑠𝑜𝑙
La radiación solar promedio se determina a partir de
los datos medidos en la ciudad de Bogotá en el
periodo del 14 de noviembre de 2014 y el 13 de
febrero de 2015, eliminando los datos que están
entre 0 y 150 W/m^2, y tomando como 8 horas las
horas efectivas de sol.
𝐻𝑆𝑃 = 0,41938
𝐾𝑊
𝑚2
∗ 8ℎ = 3,35𝐻𝑆𝑃
𝑁 𝑃 =
238,9 𝐴ℎ
8,11𝐴 ∗ 3,35𝐻𝑆𝑃
= 8,8 ≈ 9
𝑁 𝑇 = 9 ∗ 1 = 9
Es decir que el número total de módulos
interconectados, todos en paralelo son 9.
 Orientación E Inclinación Del Panel
A partir de la latitud del lugar, que es 4ºN, el panel se
debe ubicar en una superficie donde no se proyecte
sombra sobre él y debe tener una inclinación
mirando hacia la línea del ecuador, en Bogotá debe
ser hacia el Sur, con un ángulo de =17º respecto a la
horizontal, el cual se halla en el rango recomendado
de 10º a 15º más el valor de la latitud local (4ºN) [2],
en posición fija.
 Número de Baterías
Luego se determina el número de baterías y el tipo
de conexión
Para determinar la capacidad del banco de baterías
(CB), se emplea la siguiente expresión:
𝐶 𝐵 =
𝐶 𝑑 ∗ #𝐷𝐼𝐴𝑆 𝐴𝑈𝑇𝑂𝑁𝑂𝑀𝐼𝐴
𝑃𝑓
Donde el número de días de autonomía hace
referencia a los periodos de baja insolación con días
nublados y oscila entre 3 y 5 en zonas intertropicales
como es nuestro caso, y tomamos 4.
Las baterías es BATERIA AGM SELLADA y tiene las
siguientes características:
VOLTAJE 12V
AMPERAJE 120A
RESISTENCIA INTERNA APROX 4mW
TENSION DE CARGA FLOTANTE 13,50 a 13.80 V
MATERIAL DE TERMINAL COBRE
Tabla 3. Características BATERIA AGM SELLADA
AS-S090209
Se toma que el tipo de batería es de arranque
Plomo/ácido con una profundidad de descarga
máxima 0.4 (Pf).
Tenemos:
𝐶 𝐵 =
238,9 𝐴ℎ ∗ 4
0,4
= 2389 𝐴ℎ
Ahora se debe verificar si la capacidad de descarga
diaria es menor a la capacidad del banco, con el fin
de evitar que se produzcan ciclos de descargas
diarios mayores a los admitidos por el fabricante, con
el objeto que la batería tenga una vida útil aceptable.
𝐶 𝐵 ≥
𝐶 𝑑
𝑃𝑓 𝐷𝑖𝑎𝑟𝑖𝑎
En este caso el Pf diaria es de 0,2
2389 𝐴ℎ ≥
238,9 𝐴ℎ
0,2
= 1194,5 𝐴ℎ
Como se puede observar si cumple, por lo tanto el
tipo de batería sugerida si cumple el propósito.
El número de baterías conectadas en serie son:
𝑁 𝑏𝑎𝑡 𝑠𝑒𝑟𝑖 =
𝑉𝑡𝑟
𝑉𝑏𝑎𝑡
=
12
12
= 1
El número de baterías conectadas en paralelo son:
𝑁 𝑏𝑎𝑡 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑜 =
𝐶 𝐵
𝐶 𝑏𝑎𝑡
=
2389 𝐴ℎ
120 𝐴ℎ
= 19,9 ≈ 20
𝑁 𝑇 = 1 ∗ 20 = 20
El número total de baterías es de 20,
interconectadas todas en paralelo.
 Otros Componentes Del Sistema
El regulador de carga que se selecciono es:
REGULADOR XANTREX C60 de 60 A 12V.
El inversor seleccionado es:
INVERSOR VICTRON AS-S20402 con:
INVERSOR DE ONDA PURA VOLTAJE: 12V
POTENCIA:800W
El controlador seleccionado es:
CONTROLADOR MPPT 20ª con:
VOLTAJE: 12V/24V y AMPERAJE:20ª

4. APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTÁICA
6. COSTOS
Equipos Cantidad Valor Unidad Total
PANELSOLAR 235W AS-S20125 9 $ 1.144.000 $ 10.296.000
BATERIA AGM SELLADA AS-S090209 20 $ 640.000 $ 12.800.000
CONTROLADOR MPPT 20A 1 $ 734.000 $ 734.000
INVERSOR VICTRON AS-S20402 1 $ 1.154.000 $ 1.154.000
REGULADOR XANTREX C60 1 $ 640.000 $ 640.000
Total - - $ 25.624.000
Tabla 4. Costos totales del proyecto
Costo KWH = $379,5659
Costo mensual 143KWh= $54 277.9
Costo anual= $651 335,1
Costo total del proyecto= $ 25 624 000
Para pagar $25 624 000 se necesitan 40 años.
7. CONCLUSIÓN
 Si se decide realizar la instalación de los módulos fotovoltaicos, y asumiendo que se sigue
pagando $54 277.9 mensualmente, el sistema se pagaría dentro de 40 años y esto sin tomar en
cuenta intereses generados en la economía. Por lo tanto, no se sugiere que se realice el proyecto
ya que no es viable económicamente realizarlo en esta zona del país.
 Se sugiere que se reevalúe el proyecto usando equipos más modernos en la vivienda, ya que
consumen mucha menos potencia y así se podrá reducir considerablemente los costos.
 Si se cambian las luminarias a led se reduce un poco el consumo, pero no tan considerablemente,
solo se reduciría el consumo en 500W como máximo, igualmente no se sugiere que se realice el
proyecto en este caso.
8. BIBLIOGRAFÍA:
[1] SIMEC CHILE SRL, “Proyecto_Simec_Chile.pdf.” .
[2] Germán López M, Energías Alternativas, 1st ed., vol. 1. .