Integradora ii. 4

GUIA METODOLOGICA PARA LA IMPLEMENTACION DE SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS A PEQUEÑA ESCALA EN COLOMBIA
CLAUDIA MARCELA ESPITIA REY
UNIVERSIDAD DE SANTANDER
FACULTAD DE INGENIERIAS
MAESTRIA EN SISTEMAS ENERGETICOS AVANZADOS
BUCARAMANGA
2017

GUIA METODOLOGICA PARA LA IMPLEMENTACION DE SISTEMAS
Desarrollado por:
CLAUDIA MARCELA ESPITIA REY
Cód.: 13822009
Tesis de Maestría presentada como requisito para optar al título de
MAGÍSTER EN Sistemas Energéticos Avanzados
Director:
ANA LISBETH GALINDO NOGUERA
Magister en ciencias en ingeniería de energía
Doctorado en ciencias en ingeniería mecánica en el área de térmica, fluido y
máquinas de flujo
UNIVERSIDAD DE SANTANDER
FACULTAD DE INGENIERIAS
MAESTRIA EN SISTEMAS ENERGETICOS AVANZADOS
BUCARAMANGA
2017

DEDICATORIA
Dedico esta trabajo a DIOS, por haberme dado la vida y permitirme el haber
llegado hasta este momento tan importante de mi formación profesional. A mi
Madre quien me dio la vida, educación, apoyo y consejos, por ser el pilar más
importante y por demostrarte siempre su cariño.
Especialmente quiero dedicar esta tesis a Edwin, quien me apoyo y alentó para
continuar, cuando parecía que me iba a rendir, le agradezco desde el fondo de mi
alma porque creyó en mí, lo logre gracias a ti.

AGARADECIMIENTOS
Le agradezco a Dios por haberme acompañado y guiado a lo largo de este
camino, por ser mi fortaleza en los momentos de debilidad y por brindarme una
vida llena de aprendizajes, experiencias y sobre todo felicidad.
Le doy gracias a mi Madre Denlide por apoyarme en todo momento, por los
valores que me ha inculcado, y por haberme dado la oportunidad de tener una
excelente educación en mi vida, pero sobre todo por ser un excelente ejemplo a
seguir.
A Edwin, por ser una parte muy importante en mi vida por darme animo en mis
peores momentos, por ayudarme a lograr este sueño, por su paciencia y amor
incondicional cuando más lo necesite.
A mi hermana Lady y su familia, porque hacen parte de lo que soy y representar
para mí la unidad familiar, por darme el regalo más bello que llenan mi vida de
alegría y amor, mis sobrinos.
A mis amigos, pero sobre todo a Andrea, por confiar y creer en mí, por su
motivación constante a seguir adelante en los momentos de desesperación.
A mi familia, por la comprensión, paciencia y el ánimo recibidos.
A Nexans Colombia por la oportunidad de crecer profesionalmente y aprender
cosas nuevas.

CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCIÓN...................................................................................................15
1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA .........................................................................17
2. JUSTIFICACIÓN................................................................................................19
3. OBETIVOS.........................................................................................................22
3.1 OBJETIVO GENERAL .....................................................................................22
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS............................................................................22
4. MARCO DE REFERENCIA................................................................................23
4.1 MARCO DE TEÓRICO ....................................................................................23
4.1.1 Historia..........................................................................................................23
4.1.2 Fuentes de energía renovable ......................................................................25
4.1.3 Energía solar.................................................................................................27
4.1.4 Primeros pasos: Energía solar en Colombia.................................................28
4.1.5 La energía fotovoltaica en el mundo .............................................................30
4.1.6 El futuro de la Energía solar..........................................................................33
4.2 MARCO DE ANTECEDENTES........................................................................34
4.3 MARCO LEGAL...............................................................................................36
4.4 MARCO GEOGRÁFICO ..................................................................................39
5. DISEÑO METODOLÓGICO...............................................................................41
6. INTRODUCCIÓN A LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA............................42
6.1 EL GENERADOR FV.......................................................................................43

6.2 INVERSOR ......................................................................................................43
6.3 CABLES ELÉCTRICOS...................................................................................44
7. DIMENSIONAMIENTO DE LOS SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS....45
7.1 PASOS EN EL DIMENSIONADO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS............46
7.1.1 Paso 1. Estimación del consumo ..................................................................46
7.1.2 Paso 2. Estimación de la Irradiación solar ....................................................47
7.1.2.1 Inclinación y orientación.............................................................................48
7.1.2.2 Sombras y reflejos .....................................................................................49
7.1.2.3 Irradiación solar disponible. .......................................................................51
7.1.3 Paso 3. Dimensionado del generador fotovoltaico........................................58
7.1.4 Paso 4. Dimensionado del inversor ..............................................................59
7.1.5 Paso 5. Dimensionado del cableado.............................................................60
7.1.5.1 Conexión de módulos fotovoltaicos en Serie .............................................61
7.1.5.2 Conexión de placas solares en Paralelo....................................................61
7.1.5.3 Conexión mixta de placas solares .............................................................62
7.1.5.4 Caída de tensión admisible (%). ................................................................63
7.1.6 Paso 6. Otros................................................................................................66
7.1.6.1 Distancia entre paneles (entre filas)...........................................................67
7.1.6.2 Puesta a tierra............................................................................................68
8. ANALISIS ECONOMICO ...................................................................................70
8.1 CRITERIOS DE EVALUACIÓN DE PROYECTOS ..........................................70
8.1.1 Inversión en el Proyecto................................................................................70
8.1.2 Ingresos del Proyecto ...................................................................................71

8.1.3 Gastos de Operación ....................................................................................71
8.2 INVERSIONES DEL PROYECTO ...................................................................71
8.2.1 Inversión Inicial .............................................................................................71
8.2.1.1 Paneles Solares.........................................................................................71
8.2.1.2 Inversor......................................................................................................72
8.2.1.3 Cableado....................................................................................................72
8.2.1.4 Instalación y otros. .....................................................................................72
8.2.2 Precio Unitario de la Inversión Inicial ............................................................72
8.2.3 Inversiones durante la Marcha......................................................................72
8.3 INGRESOS......................................................................................................73
8.3.1 Precio de la Energía .....................................................................................73
8.4 GASTOS OPERACIONALES ..........................................................................73
8.4.1 Costos por operación y mantenimiento.........................................................74
8.4.2 Depreciación.................................................................................................74
8.5 EVALUACIÓN DE LA INVERSIÓN..................................................................76
8.5.1 Pay-Back.......................................................................................................76
8.5.2 VPN (Valor Presente Neto)...........................................................................77
8.5.3 TIR (Tasa Interna de Retorno)......................................................................78
9. EJEMPLO DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO..................................80
9.1 SITUACIÓN ACTUAL DEL PROYECTO .........................................................80
9.1.1 Emplazamiento .............................................................................................80
9.2 PASO 1- ESTIMACIÓN DEL CONSUMO........................................................81
9.3 PASO 2 - ESTIMACIÓN DE LA IRRADIACIÓN SOLAR..................................82

9.4 PASO 3. DIMENSIONADO DEL GENERADOR FOTOVOLTAICO .................86
9.5 PASO 4. DIMENSIONADO DEL INVERSOR ..................................................88
9.6 PASO 5. DIMENSIONADO DEL CABLEADO..................................................90
9.7 PASO 6. DISTANCIA ENTRE PANELES (ENTRE FILAS).............................94
9.8 PUESTA A TIERRA .........................................................................................95
9.9 ANALISIS ECONOMICO .................................................................................96
9.9.1 Inversión Inicial .............................................................................................96
9.9.2 Ingresos ........................................................................................................97
9.9.3 Costos Operacionales...................................................................................98
9.9.3.1 Costos operación y mantenimiento............................................................98
9.2.3.2 Depreciación..............................................................................................98
9.9.4 Evaluación de la Inversión ..........................................................................101
9.9.4.1 Análisis PAY-BACK .................................................................................101
9.9.4.2 VPN (Valor Presente Neto) y TIR (Tasa Interna de Retorno) ..................102
9.10 ANALISIS FINANCIERO TENIENDO EN CUENTA LA VARIABILIDAD
DE LA IRRADIANCIA SOLAR .............................................................................104
10. CONCLUSIONES ..........................................................................................110
BIBLIOGRAFIA....................................................................................................114
ANEXOS..............................................................................................................127

LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Irradiación Solar.......................................................................................40
Tabla 2. Depreciación............................................................................................75
Tabla 3. Cargas .....................................................................................................82
Tabla 4. Irradiación Solar Horizontal- NASA..........................................................84
Tabla 5. Factor de conversión geométrico (RB).....................................................84
Tabla 6. Irradiación global en superficie inclinada un ángulo β (kWh/m2
)..............85
Tabla 7. Cableado Paneles – Inversor...................................................................93
Tabla 8. Cableado Inversor - TGBT.......................................................................94
Tabla 9. Cableado de Puesta a tierra ....................................................................95
Tabla 10. Inversión Inicial ......................................................................................96
Tabla 11. Ahorros ..................................................................................................97
Tabla 12. Costos OyM ...........................................................................................98
Tabla 13. Depreciación..........................................................................................99
Tabla 14. Flujo de Caja........................................................................................100
Tabla 15. Retorno de la inversión ........................................................................101
Tabla 16. VPN - TIR.............................................................................................102
Tabla 17. Potencia generado por el panel (hora a hora)......................................106
Tabla 18. Datos del sistema fotovoltaico .............................................................107
Tabla 19. Energía Generada Vs Consumida .......................................................107
Tabla 20. Retorno de la inversión ........................................................................108
Tabla 21. VPN y TIR............................................................................................109

LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Matriz primaria global 2015.....................................................................20
Figura 2. Participaciones de combustible 2014 en el suministro total mundial de
energía primaria.....................................................................................................26
Figura 3. Evolución de la capacidad mundial instalada solar FV 2000-2016.........30
Figura 4. Crecimiento de la capacidad de electricidad renovable por tecnología ..33
Figura 5. Generador Fotovoltaico ..........................................................................43
Figura 6. Flujo dimensionamiento del sistema.......................................................45
Figura 7. Ángulo de inclinación..............................................................................49
Figura 8. Influencia de objetos...............................................................................50
Figura 9. Horas de sol pico (HSP) .........................................................................57
Figura 10. Conexión Serie .....................................................................................61
Figura 11. Conexión Paralelo.................................................................................62
Figura 12. Conexión Mixta .....................................................................................62
Figura 13. RMG .....................................................................................................66
Figura 14. Distancia mínima ..................................................................................67
Figura 15. Emplazamiento Nexans (Vista Superior) ..............................................80
Figura 16. Área Producto terminado......................................................................81
Figura 17. Orientación ...........................................................................................83
Figura 18. Panel Solar SSM 72 M5 200 WP..........................................................87
Figura 19. Información Inversor .............................................................................88
Figura 20. Resumen Configuración del Sistema....................................................91
Figura 21. Ruta Cableado......................................................................................92
Figura 22. Irradiación Solar Hora a Hora .............................................................106

LISTA DE ANEXOS
Pág.
ANEXO A. ALGUNOS PRECIOS DE PANELES EN COLOMBIA .......................128
ANEXO B. ALGUNAS REFERENCIAS INVERSORES.......................................129
ANEXO C. HISTORICO DE TARIFAS ESSA ......................................................131

13
RESUMEN
Título: GUIA METODOLOGICA PARA LA IMPLEMENTACION DE SISTEMAS
Autor: Claudia Marcela Espitia Rey
Palabras clave: metodología, energía solar fotovoltaica, panel solar, Irradiancia,
retorno de la inversión.
Descripción:
Producir electricidad a partir de la energía solar se ha convertido en una
importante aplicación en todo el mundo. Sin embargo, diseñar, instalar y dar
mantenimiento a estos sistemas, conocer sus costos y rentabilidad así como su
aplicación, requiere un amplio conocimiento. En este documento se propone
estructurar una guía metodológica para el diseño de un sistema de Generación
fotovoltaico, la cual incluiría un estudio para conocer el potencial energético en el
lugar de la aplicación, una recopilación de la información técnica de los
componentes y una revisión de las alternativas existentes en el mercado que
incluirá una estimación aproximada de su producción a lo largo de su vida útil, y su
respectivo análisis financiero para determinar una rentabilidad económica.
La aplicación de esta guía metodológica facilitaría el desarrollo de futuros
proyectos la cual pretende ser universal, flexible y aplicable mediante mínimas
modificaciones a cualquier otro proyecto que haga uso de sistemas fotovoltaicos
conectados a la red.
Esta guía brinda los conocimientos básicos del funcionamiento de los distintos
componentes que forman tal sistema y los respectivos pasos a seguir para lograr
el óptimo dimensionamiento del mismo, teniendo en cuenta las condiciones
geográficas del lugar y su Irradiancia solar, las cargas eléctricas a alimentar y los
costos e ingresos a recibir en la implementación del proyecto.

14
ABSTRACT
Title: METHODOLOGICAL GUIDE FOR THE IMPLEMENTATION OF SMALL-
SCALE PHOTOVOLTAIC SYSTEMS IN COLOMBIA
Author: Claudia Marcela Espitia Rey
Keywords: methodology, solar photovoltaic, solar panel, Irradiance, payback.
Description:
Producing electricity from solar energy has become a major application worldwide.
However, designing, installing and maintaining these systems, knowing their costs
and profitability as well as their application, requires a wide knowledge. This
document proposes to structure a methodological guide for the design of a
photovoltaic Generation System, which would include a study to know the energy
potential at the place of application, a compilation of the technical information of
the components and a review of the alternatives existing in the market, which will
include a rough estimate of its production over its useful life, and its respective
financial analysis to determine an expected economic profitability.
The application of this methodological guide would facilitate the development of
future projects which aims to be universal, flexible and applicable through minimal
modifications to any other project that uses photovoltaic systems connected to the
grid.
This guide provides the basic knowledge of the operation of the different
components that form such a system and the respective steps to be taken to
achieve the most optimal dimensioning of the system, taking into account the
geographical conditions of the place and its solar irradiance, and the costs and
revenues to receive in the implementation of the project.

15
INTRODUCCIÓN
La iniciativa por implementar nuevas alternativas para llegar a obtener un ahorro
de energía o aquellas que permitan tener una menor dependencia de la energía
suministrada por fuentes que son altamente contaminantes, ha impulsado a
diferentes instituciones tanto privadas como públicas a buscar proyectos
alternativos basados en energías renovables.
En la actualidad se ha demostrado que la energía solar es una de las técnicas
más limpias de producción de energía. Los paneles solares constituyen uno de los
métodos que se pueden usar para convertir la energía del sol en energía eléctrica
aprovechable, sin que ésta transformación produzcan subproductos peligrosos
para el medio ambiente, por lo que se ha convertido en una importante industria a
nivel mundial.1
Partiendo de lo anterior y teniendo en cuenta las investigaciones realizadas, se ha
encontrado que para el diseño de sistemas fotovoltaicos conectados a la red no
existe una metodología estandarizada que permita su dimensionamiento. Se
propone una guía metodológica que permita la implementación de un sistema
fotovoltaico conectado a la red, basado en diversos criterios existentes en libros y
experiencias de proyectos implementados en diferentes países, como los
realizado por la Universidad Católica de Colombia titulado “MANUAL DE
IMPLEMENTACION DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA EN VIVIENDAS
“ECO””, o el publicado por la Universidad tecnológica de Pereira titulado “LIBRO
INTERACTIVO SOBRE ENERGIA SOLAR Y SUS APLICACIONES” entre otros
más documentos existentes, esto con el fin de brindar los conocimientos básicos
para implementar un Sistema Fotovoltaico para la generación de energía eléctrica,
1
CARVAJAL, Sandra; MARÍN JIMÉNEZ, Juan David. Impacto de la generación distribuida en el
sistema eléctrico de potencia colombiano: un enfoque dinámico. Revista Tecnura, 2013, vol. 17, no
35, p. 77-89.

16
el trabajo incluye un caso de estudio en el cual se aplica la metodología
calculando el potencial energético del lugar, recopilando la información técnica de
los componentes, revisando las alternativas existentes en el mercado, y
exponiendo los elementos requeridos para el acople entre la red y el sistema, así
como el análisis financiero para su implementación.
La guía está provista de tres secciones claves (Numeral 6 al 8): Introducción a la
energía solar fotovoltaica, Dimensionamiento de los sistemas solares fotovoltaicos
y Análisis económico, además de un apartado con un ejemplo aplicativo de la
metodología, y unos anexos con el listado de algunas referencias de paneles e
inversores encontrados en el mercado.
En la sección seis denominado Introducción a la energía solar fotovoltaica, se
enuncian conceptos básicos y generales y muestra una descripción detallada
acerca de la energía solar tales como: definición, características, componentes y
algunos parámetros físicos. En la sección siete se enuncian los pasos a seguir
para lograr un correcto dimensionamiento del sistema. En la sección ocho se
describe un análisis económico en donde se plantean temas como: Inversión del
proyecto, ingresos, gastos, Retorno de la inversión, VPN y TIR.

17
1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
El agotamiento de las fuentes tradicionales de energía (combustibles fósiles) ha
puesto a la mayoría de países a encontrar soluciones en energías alternativas. En
Colombia la producción de energía eléctrica proviene principalmente de la
hidroelectricidad, por la abundancia de agua en la mayoría de zonas del país, y en
un segundo lugar de los combustibles fósiles (petróleo, gas y carbón), cuyas
reservas ya se están agotando. Colombia es un país que goza de una matriz
energética relativamente rica tanto en combustibles fósiles como en recursos
renovables. La explotación y producción energética del país está constituida en un
93% de recursos primarios de origen fósil, aproximadamente un 4% de
hidroenergía y un 3% de biomasa y residuos. El país depende cerca de un 78% de
combustibles fósiles que están en capacidad de autoabastecer, y cuyos niveles
de producción actuales (a 2013) indican reservas suficientes para cerca de 170
años en el caso del carbón, de aproximadamente 7 años para el petróleo y 15
años para el gas natural 2
.
Debido a la baja participación del carbón en la canasta energética, y la alta
participación de combustibles líquidos derivados del petróleo y del gas natural, y
contando con el descubrimiento de nuevas reservas de estos recursos, el
desarrollo de fuentes alternativas cobra relevancia para satisfacer la demanda
energética futura, y no depender de la importación de estos energéticos
convencionales en el largo plazo.
2
UNIDAD DE PLANEACIÓN MINERO ENERGÉTICA – UPME. Integración de las energías
renovables no convencionales en Colombia. Convenio ATN/FM-12825-CO. Bogotá D.C. 2015.
Disponible en:
http://www.upme.gov.co/Estudios/2015/Integracion_Energias_Renovables/INTEGRACION_ENERG
IAS_RENOVANLES_WEB.pdf

18
Ante esta situación energética, los aumentos globales del consumo de energía
eléctrica, las tarifas eléctricas, el derroche de energía en las instituciones, el mal
uso de la energía, la despreocupación que se tiene sobre la misma, la falta de
mantenimiento y la falta de inversión para mejorar el servicio, se hace
impostergable la necesidad de plantear una política que permita reducir el
consumo de energía y que además no contribuya a la contaminación del medio
ambiente, para tomar conciencia y comenzar a optimizar el consumo de energía.3
Por tal razón, las entidades públicas y privadas, así como instituciones
educativas, se ven en la necesidad de implementar estrategias que les permitan
incluir en su operación fuentes de energía renovables. Una de las fuentes más
asequibles y viables debido a que puede ser una opción más económica y a las
condiciones geográficas de Colombia, es la energía fotovoltaica, pero
desafortunadamente, la inclusión de estas fuentes requiere de inversión de
recursos técnicos, económicos y humanos que en muy pocas ocasiones las
empresas están en disposición de aportar. Adicionalmente debido a que no
poseen los conocimientos necesarios sobre los sistemas fotovoltaicos a veces el
costo del proyecto puede ser mayor y por tanto disminuye el interés por
implementar estas tecnologías.
3
MIRANDA BALDEON, Alberto Reynaldo. Plan estratégico para el uso eficiente de la energía
eléctrica en plantas industriales de la ciudad de Guayaquil tomando como referencia la planta
GALAPESCA SA. Tesis de Maestría. Universidad de Guayaquil. 2016.

19
2. JUSTIFICACIÓN
En la actualidad, uno de los principales problemas a nivel ambiental se encuentra
en torno a la constante emisión de gases de efecto invernadero que surgen como
consecuencia de la utilización de los combustibles fósiles.
Uno de los principales objetivos que busca promover este tipo de proyectos es el
uso de la energía fotovoltaica como principal herramienta para la generación de
electricidad. Esta es una energía renovable que permitirá reducir el daño que está
sufriendo el planeta a causa del uso indiscriminado de la naturaleza, si se usa
como principal fuente productora de energía.
La energía fotovoltaica y su relación con “la generación de electricidad ha estado
siempre dirigida en Colombia al sector rural, en donde los altos costos de
generación originados principalmente en el precio de los combustibles, y los
costos de Operación y Mantenimiento en las distantes zonas remotas, hacen que
la generación solar resulte más económica en el largo plazo y confiable”.4
Esta guía facilitará el uso de la energía fotovoltaica, además ayudará a el
desarrollo y la utilización de las fuentes no convencionales de energía,
principalmente aquellas de carácter renovable, como lo promueve la Ley de 1715
de 2014 por medio de la cual se regula la integración de las energías renovables
no convencionales al Sistema Energético Nacional, la cual en su artículo 4
dispone que la utilización de este tipo de energía es “un asunto fundamental para
asegurar la diversificación del abastecimiento energético pleno y oportuno”.5
4
RODRÍGUEZ MURCIA, Humberto. Desarrollo de la energía solar en Colombia y sus perspectivas.
Revista de ingeniería, 2008, no 28, p. 83-89.
5
GUEVARA AGUDELO, Cindy Yoceli & PÉREZ CALDERÓN, María Lorena. Análisis de viabilidad
del suministro de energía eléctrica a la granja la fortaleza ubicada en Melgar–Tolima mediante la
implementación de un sistema solar fotovoltaico. Bogotá D.C., 2015.

20
Aunque la energía solar sólo representa el 1% del suministro de energía eléctrica
en todo el mundo, como se muestra en la figura 1, se prevé un rápido y
significativo crecimiento de su implantación, basado en el actual desarrollo de la
tecnología y el compromiso medioambiental de los países más desarrollados. Las
principales agencias internacionales (IEA, IRENA) cifran las expectativas de
crecimiento para esta fuente energía en 540 GW de potencia instalada en 2020,
frente a los 230 GW que había a finales de 2015, con un incremento anual de 45-
50 GW/año. Este crecimiento se basa principalmente en el desarrollo de la
tecnología en China, con importancia creciente en otros mercados como India,
Japón y EEUU, y lleva consigo una continua reducción del precio del vatio solar.6
Figura 1. Matriz primaria global 2015
Fuente: MÁRTIL, Ignacio. 2016.
Se debe tener en cuenta que la electricidad debe ser generada, transportada,
distribuida, medida y facturada, pero todo este proceso requiere de un sistema
eléctrico que debe mantenerse en óptimas condiciones, donde se requiere
6
MÁRTIL, Ignacio. Perspectivas para la energía solar fotovoltaica. En: REVE: Asociación
Empresarial Eólica. Abril 01 de 2016. Disponible en:
https://www.evwind.com/2016/04/01/perspectivas-para-la-energia-solar-fotovoltaica

21
personal especializado, alta tecnología en materiales y equipos. Las ventajas de
los sistemas fotovoltaicos radican en su simplicidad, ya que por lo general son
sistemas sencillos y modulares, se instalan fácilmente y pueden ampliarse sin
grandes modificaciones, la reparación y cambio de componentes es factible y
económica, y son sistemas adaptables a la mayoría de comunidades y a sus
necesidades, siempre y cuando haya suficiente recurso solar.
Considerando que los sistemas fotovoltaicos en su proceso de generación de
energía no emiten gases que contribuyan al efecto invernadero o humos tóxicos,
son sistemas más ecológicos y pueden hacer bajar el costo que se paga en la
factura de electricidad, además de darle cobertura ante cortes de energía por
parte de la red. Sea cual sea su razón, este manual le ayudará a decidir si la
energía fotovoltaica es una opción viable.
La pertinencia de este proyecto, radica en la importancia de emprender iniciativas
que propendan por la implementación de tecnologías que permitan generar
energía a partir de fuentes renovables. La energía solar fotovoltaica es por su
parte, una de las fuentes más prometedora en el mundo, y comparada con las
fuentes no renovables, las ventajas son claras: contamina menos, no tiene partes
móviles que analizar y no requiere de mucho mantenimiento por lo que la
integración de un sistema fotovoltaico para la generación de energía eléctrica
conectado a la red tendrá un impacto de gran relevancia en la disminución del
consumo de energía eléctrica de la red pública, sin limitaciones en su uso y
aplicación, ya que se podrá generar su propia energía eléctrica de una forma
segura y económica.

22
3. OBETIVOS
3.1 OBJETIVO GENERAL
Realizar el diseño de una guía metodológica para la implementación de sistemas
fotovoltaicos a pequeña escala en Colombia
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
 Estimar la producción de energía en un sistema fotovoltaico con base en las
especificaciones del sitio, incluyendo irradiación solar, ángulo de inclinación y
orientación entre otras.
 Desarrollar una metodología para el dimensionamiento técnico de los
componentes del Sistema fotovoltaico conectado a la red.
 Estimar los ingresos y la rentabilidad esperada de un sistema fotovoltaico a lo
largo de su vida útil tomando en cuenta la variabilidad del recurso.

23
4. MARCO DE REFERENCIA
4.1 MARCO DE TEÓRICO
4.1.1 Historia. El efecto fotovoltaico y sus inicios surgen a partir de una serie de
necesidades relacionadas con el mejoramiento de la obtención de energía de la
época, uno de los pioneros de este campo fue el físico francés Alexandre Edmond
Bequerel (1820 – 1891).7
El cual descubrió el efecto fotovoltaico al experimentar
con una pila electrolítica con electrodos de platino, en la que observó el
incremento de corriente que causaba la exposición a la luz de uno de los
electrodos. Años más tarde en 1920 Albert Einstein explica el efecto fotovoltaico,
hablando de electrones que absorben “cuantos” de energía de la luz (fotones) de
forma linealmente proporcional a la frecuencia de la fuente lumínica. Por esta
explicación del efecto fotovoltaico recibiría el Premio Nobel de Física en 1921.8
En 1954, cuando se necesitó una fuente generadora de energía eléctrica que
pudiere alimentar los circuitos eléctricos de los satélites espaciales, sin recurrir al
uso de combustibles y con una vida útil de larga duración. Fue en ese momento
cuando Gerald Pearson de Bell Laboratories, mientras experimentaba con las
aplicaciones del silicio en la electrónica, fabricó casi por accidente una célula
fotovoltaica utilizando este material que resultaba mucho más eficiente que
cualquiera hecha de selenio.
“Hacia 1870 el profesor W. Grylls Adams y un estudiante suyo, R. Evans Day,
experimentaron sobre el efecto de la luz sobre el selenio, comprobando que se
creaba un flujo de electricidad, que denominaron “fotoeléctrica”. Era el año 1885
7
LABORDE, MIGUEL A. & WILLIAMS R. Energía Solar, Academia Nacional de Ciencias Exactas,
Físicas y Naturales, Buenos Aires. 2016.
8
VILLAS GARCÍA, Marianela. Energía solar fotovoltaica y cooperación al desarrollo. IEPALA
Editorial, 1999.

24
cuando Charles Fritts construyó el primer módulo fotoeléctrico, extendiendo una
capa de selenio sobre un soporte metálico y recubriéndola con una fina película
transparente de oro. Fritts envió sus paneles solares a Werner von Siemens, que
ante la Real Academia de Prusia, presentó los módulos americanos declarando
por primera vez tenemos la evidencia de la conversión directa de la energía de la
luz en energía eléctrica”.9
En los años de 1980 aparecen las primeras casas con electrificación fotovoltaica
en los países desarrollados. En 1985 la Universidad de New South Wales crea
células con un 20% de rendimiento. Se alcanza en 1998 un total de 1.000 MWp de
sistemas fotovoltaicos instalados. En el año 2002 se producen más de 500 MW de
módulos fotovoltaicos en ese año, 1.000 MW en el año 2004 y 2.000 MW en el
año 2007.10
Existen en la actualidad diferentes estudios, proyectos y libros que han presentado
una guía para la implementación de proyectos fotovoltaicos en diferentes campos
y situaciones que son los que anteceden al presente proyecto que se quiere
plantear, entre ellos ese encuentran las siguientes publicaciones:
 Manual sobre energía solar fotovoltaica.11
 Curso para calificación ocupacional –nivel operativo-instalación de sistemas
fotovoltaicos.12
 Guía técnica de aplicación para instalaciones de energías renovables
instalaciones fotovoltaicas.13
9
MÉNDEZ MUÑIZ, Javier María. CUERVO GARCÍA, Rafael. Energía Solar Fotovoltaica. FC
Editorial 2ª Edición, Madrid, España. 2007.
10
RUÍZ DIEZ, Jurema, et al. Análisis espectroscópico del procesado láser de células fotovoltaicas.
Escuela técnica superior de ingenieros industriales y de telecomunicación, Universidad de
Cantabria. España. 2017.
11
KASAT, Valentina Constenla. Diseño de un plan de negocios para una empresa proveedora de
energía eléctrica solar fotovoltaica. 2012.
12
ŠĆUKANEC, Ninoslav. Overview of Higher Education and Research Systems in the Western
Balkans. Country Report, Croatia, 2013.

25
 Manual de capacitación sistemas fotovoltaicos.14
 Manual técnico instalación de plantas fotovoltaicas en terrenos marginales.15
 Manual instalaciones fotovoltaicas domésticas.16,
 Instalación de sistemas solares sobre techo17
.
 Energía solar fotovoltaica, manual técnico para instalaciones domiciliarias.18
En esta guía, a diferencia de las mencionadas:
 Ofrece información básica sobre cómo funcionan los sistemas de energía
fotovoltaica;
 Presenta algunos de los componentes principales de los sistemas de energía
fotovoltaica;
 Da los pasos de cómo diseñar y determinar el dimensionamiento óptimo para
su sistema;
 Expone un análisis económico de modo que pueda determinar si la energía
fotovoltaica será viable en cada caso aplicado.
4.1.2 Fuentes de energía renovable. Las fuentes de energía renovable son
aquellas cuyos ciclos de creación y consumo se pueden medir en escalas de
tiempo similares. Se consideran renovables debido a que son sostenibles y no
ponen en riesgo de agotamiento futuro los recursos. Además de ser respetuosas
con el medio ambiente, no ocasionan efectos negativos sobre el entorno y los
13
ESPEJO MARÍN, Cayetano. La energía solar fotovoltaica en España. 2004.
14
MORANTE, Federico; MOCELIN, André; ZILLES, Roberto. Capacitación y transferencia
tecnológica: Su importancia en la sostenibilidad de los proyectos basados en tecnología solar
fotovoltaica. AVERMAS, Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente. Edición especial de
la Asociación Argentina de Energías Renovables y Ambiente, ASADES, 2006, vol. 10.
15
HERRERA MOLINA, Santiago Martin. Metodología para determinar el precio de comercialización
de la energía producida por una central fotovoltaica conectada a la red. Tesis de Licenciatura.
2016.
16
HULSHORST, Walter. Manual práctico energía eólica. Leonardo Energy, 2009.
17
ENERGÍA, CONCEJO NACIONAL. Instalación de sistemas solares sobre techos. Enero de 2013.
18
ORBEGOZO, Carlos; ARIVILCA, Roberto. Energía Solar Fotovoltaica: Manual técnico para
instalaciones domiciliarias. Green Energy Consultoría y Servicios SRL, 2010.

26
impactos ambientales, cuando los hay, son mucho menores que los producidos
por las energías no renovables. De estas se destaca el avance y el mayor
desarrollo tecnológico que presentan, lo que permite contar con mayores
posibilidades para competir en el mercado.19
Según la agencia internacional de energía (IEA) citada por la OCDE, la producción
mundial de energía renovable “creció un 2,6% entre 2013 y 2014, llegando a 1,894
Mtep para fines de año. Esto representa alrededor de 1/7 (13,8%) del total de
suministro de energía primaria (TPES) de 13.700 Mtep” (Figura 2).20
Figura 2. Participaciones de combustible 2014 en el suministro total mundial de
energía primaria
Fuente: INTERNATIONAL ENERGY AGENCY - IEA. 2016.
Evidenciando que las fuentes de energía renovable son el camino a seguir y que
cada vez van teniendo mayor impacto en la sociedad desplazando poco a poco y
ganando más importancia que las otras fuentes de energía.
19
VALENTÍN LABARTA, José Luis. Instalaciones solares fotovoltaicas. Editorial Donostiarra S.A,
Donostiarra, España. 2012.
20
INTERNATIONAL ENERGY AGENCY - IEA. Energía renovable continúa aumentando cuota de
mercado. Julio 28 de 2016. Disponible en:
https://www.iea.org/newsroom/news/2016/july/renewable-energy-continuing-to-increase-market-
share.html

27
4.1.3 Energía solar. La energía solar es una fuente de energía renovable que se
obtiene del sol y con la que se puede generar calor y electricidad. Existen varias
maneras de captar y aprovechar la Irradiancia para generar energía que dan lugar
a los distintos tipos de energía solar: la fotovoltaica (que transforma los rayos en
electricidad mediante el uso de paneles solares), la fototérmica (que aprovecha el
calor a través de los colectores solares) y termosolar (transforma el calor en
energía eléctrica de forma indirecta).
 Energía fotovoltaica
Los sistemas fotovoltaicos consisten en un conjunto de células solares o células
fotovoltaicas, dispuestos en paneles, que transforman directamente la energía
solar en energía eléctrica. La luz solar transporta energía en forma de un flujo de
fotones, éstos cuando inciden en determinado tipo de material bajo ciertas
condiciones, provocan una corriente eléctrica. Es lo que se denomina efecto
fotovoltaico.21
 Energía foto térmica
Cuando hablamos de energía foto térmica, “se entiende por energía solar térmica,
a la transformación de la energía radiante solar en calor o energía térmica. La
energía solar térmica se encarga de calentar el agua de forma directa alcanzando
temperaturas que oscilan entre los 40º y 50º gracias a la utilización de paneles
solares (siempre temperaturas inferiores a los 80ºC). La energía solar térmica
utiliza directamente la energía que recibimos del Sol para calentar un fluido”.22
21
ESPEJO MARÍN, Cayetano. La energía solar fotovoltaica en España. 2004.
22
PAREDES, Bryan. Energía Fototérmica. En: Energía solar. 2017. Disponible en:
https://sites.google.com/site/energiasolarbryanparedes/energia-fototermica

28
4.1.4 Primeros pasos: Energía solar en Colombia. A mediados del siglo
pasado, Colombia empezó a incluir en diferentes sectores del país energías
alternativas, utilizando la irradiación solar para producir electricidad con recursos
renovables y de fácil acceso a sectores rurales. Para la década de los 80 la
energía solar fotovoltaica ya empezaba a implementarse en el país, inicialmente
se instalaron pequeños generadores para radioteléfonos en sectores rurales y más
adelante se instalarían sistemas fotovoltaicos con más capacidad para antenas
satelitales.23
Estas actividades surgieron con el Programa de Telecomunicaciones Rurales de
Telecom a comienzos de los años 80, con la asistencia técnica de la Universidad
Nacional. En este programa se instalaron pequeños generadores fotovoltaicos de
60 Wp (Wp: vatio pico) para radioteléfonos rurales y ya en 1983 habían instalados
2 950 de estos sistemas.24
En Colombia se han implementado sistemas fotovoltaicos en muchas partes a lo
largo del territorio, algunas de ellas son:
 Hospital Pablo Tobón en Medellín en el año 1984: Para reducir el consumo de
energía, se instalaron en el año 1987 colectores solares de placa plana, los
cuales reemplazaron una caldera que salió de servicio en la institución, de esta
manera se instalaron 345 m2
de colectores para calentar diariamente 22.500
litros de agua a 45°C, Centro Las Gaviotas en ciudad Salitre en Bogotá
(Hospital Pablo Tobón, 2010). 25
23
LA GUÍA SOLAR. Energía solar en Colombia. En: América Fotovoltaica. Marzo 31 de 2015.
Disponible en: http://www.laguiasolar.com/energia-solar-en-colombia
24
RODRÍGUEZ MURCIA, Humberto. Desarrollo de la energía solar en Colombia y sus
perspectivas. Revista de ingeniería, 2008, no 28, p. 83-89.
25
CELEMIN CUELLAR, Mario Alejandro. Estudio para la implementación de un sistema
fotovoltaico como alternativa rural sostenible de la vereda san roque en el municipio de Ortega-
Tolima, 2016

29
 Sistema solar de 2,8 kWp instalado por el antiguo ICEL (Instituto Colombiano
de Energía eléctrica, hoy IPSE): en la Venturosa, Vichada, en 1996. Suministra
energía a 120 V AC a una comunidad de 12 familias y centro escolar. Gracias
a este tipo de generación se logra dar alcance en el suministro de energía
eléctrica a comunidades alejadas.
 Sistema fotovoltaico de 3,4 kWp del Oleoducto Caño Limón-Coveñas. En
operación desde hace más de 20 años. Este sistema permite realizar la
operación de equipos propios del oleoducto, facilitando las condiciones de
alimentación eléctrica en áreas alejadas. Este sistema ha permitido contar con
la disponibilidad de válvulas remotas sin realizar altas inversiones por
suministros desde fuentes con generación tradicional hidráulica.
 La Institución Educativa Martinica en la zona rural de Montería: Primer Colegio
en Colombia que funciona con energía solar, cuenta con una instalación de 16
paneles solares que garantizan luz durante 24 horas. La iniciativa permite que
aproximadamente 400 Kilogramos de CO2 se dejen de emitir.
 Universidad Autónoma de occidente: Desde hace 3 años y con la ayuda de la
EPSA, la Universidad Autónoma de Occidente en Cali, capital del
departamento del Valle del Cauca, instaló un sistema de energía solar que
apoya el suministro de energía en la universidad y que es un centro de
investigación para el uso de la energía solar fotovoltaica en Colombia. Hoy, la
universidad cuenta con 638 paneles solares.
 Institución Pública Ramón B. Jimeno en Bogotá abastecido la iluminación
100% con energía solar: Durante el mes de mayo del 2015 fue inaugurado el
Colegio Ramón B. Jimeno de la Empresa de Acueducto, Alcantarillado y Aseo
de Bogotá – EAB – Esta institución cuenta con 100% de iluminación producida
con energía solar gracias a la instalación de 148 paneles solares. La inversión

30
que realizó la EAB lo convierte en uno de los pioneros en el cumplimiento de la
ley 1715 de 2014
 Celsia Solar Yumbo, proyecto desarrollado por EPSA, es la primera planta de
generación solar a gran escala en entregar energía al Sistema Interconectado
Nacional. Tiene una capacidad instalada de 9,8 MW y generará cerca de 16,5
GWh de energía año, equivalentes al consumo de 8 mil hogares. Para su
construcción fueron instalados 35.000 módulos fotovoltaicos y 9 inversores que
transforman la energía continua en energía alterna.26
4.1.5 La energía fotovoltaica en el mundo. El año 2016 fue un año récord para
la energía solar. Se instalaron un total de 76,6 GW (Figura 3). Esa cantidad implica
un crecimiento interanual del 50% sobre los 51,2 GW instalados en 2015 y fue la
tercer tasa de crecimiento más alta registrada desde 2010.
Figura 3. Evolución de la capacidad mundial instalada solar FV 2000-2016
Fuente: OVIDIO, Holzer. 2017.
26
SALA DE PRENSA CELSIA-EPSA. Empezó a generar energía Celsia Solar Yumbo, primera
granja fotovoltaica de Colombia. Septiembre 02 de 2017. Disponible en:
http://blog.celsia.com/sala-de-prensa/empezamos-a-operar-la-granja-de-energia-solar

31
En 2016, la potencia instalada global de energía solar superó los 300 GW,
después de haber alcanzado la marca de 200 GW el año 2015, y el nivel de 100
GW en 2012. La capacidad total de energía solar fotovoltaica instalada durante
2016 aumentó un 33%, pasando de 229,9 GW en 2015 a 306,5 GW para finales
de 2016. El mercado solar global en 2016 estuvo dominado por China, que
conectó 34,5 GW a la red, un aumento del 128% sobre los 15,1 GW que agregó el
año anterior. Al final de 2016, China tenía un total de 77,9 GW instalados de
energía solar fotovoltaica, lo que equivale a un cuarto de toda la capacidad global
de generación de energía solar. Estados Unidos ocupo el segundo lugar en 2016.
La capacidad se incrementó un 97% interanual, totalizando 14,8 GW comparado
con 7,5 GW en 2015. En los EE.UU., la energía solar con un 39% del total, fue la
fuente número uno de nueva capacidad de generación eléctrica que se añadió en
2016.27
En 2016, Asia-Pacífico se ha convertido en la región con mayor capacidad
instalada de energía solar (147,2 GW), equivalente a un 48% del total global. Los
países europeos que fueron pioneros en este tipo de energía, se ubican ahora en
segundo lugar con una capacidad acumulada de 104,3 GW y una cuota del 34%.28
Los últimos cálculos de los costos nivelados de la electricidad (LCOE) realizados
por el banco de inversión estadounidense Lazard, demuestran claramente que la
energía solar a escala, es hoy más barata que las nuevas turbinas de gas de ciclo
combinado (CCGT), centrales a carbón y nucleares.29
27
SOLAR POWER EUROPE. Global Market Outlook 2017-2021. 2017.
28
LIEXSA & SOLAR POWER EUROPE. Presente y perspectivas de la energía solar fotovoltaica
en el mundo. 2017. Disponible en: http://liex.com.ar/presente-y-perspectivas-de-la-energia-solar-
fotovoltaica-en-el-mundo/
29
OVIDIO, Holzer. Presente y Perspectivas de la Energía Solar Fotovoltaica en el mundo. En:
Economía de la energía. Julio 25 de 2017. Disponible en:
http://www.economiadelaenergia.com.ar/presente-y-perspectivas-de-la-energia-solar-fotovoltaica-
en-el-mundo

32
Fruto de esto, han surgido numerosos grandes proyectos que son el “Top ten” de
las mayores plantas fotovoltaicas del mundo, las cuales son:30
1. Kurnool Ultra Mega Solar Park. 1.000 MW. India
2. Longyangxia Hydro- Solar PV Station. 850 MW. China
3. Planta fotovoltaica de Kamuthi. 648 MW. India
4. Solar Star Solar Farm I y II. 597 MW. Estados Unidos
5. Copper Mountain. 552 MW. Estados Unidos
6. Desert Sunlight Solar Farm. 550 MW. Estados Unidos
7. Topaz Solar Farm. 550 MW. Estados Unidos
8. Mesquite Solar Project. 400 MW. Estados Unidos
9. Quaid-e-Azam Solar Park. 400 MW. Pakistán
10.Planta fotovoltaica Ningxia Yanchi Fase I. 380 MW. China
11.Charanka Solar Park. 345 MW. India
12.Planta fotovoltaica de Cestas. 300 MW. Francia
30
ROCA, José. Las 10 (y siete) mayores plantas fotovoltaicas del mundo (actualización). En: El
Periódico de la Energía. Mayo 29 de 2017. Disponible en: http://elperiodicodelaenergia.com/las-
10-mayores-plantas-fotovoltaicas-del-mundo/

33
4.1.6 El futuro de la Energía solar. Se vislumbra un futuro brillante para las
energías renovables hasta 2022. La energía solar fotovoltaica entra en una nueva
era, ya que este 2016 presento un desempeño récord que constituye la base de la
previsión de electricidad de la IEA, la cual espera un fuerte crecimiento hasta el
2022, y se prevé que la capacidad de electricidad renovable se expanda en más
de 920 GW (Figura 4), un aumento del 43%. El pronóstico de renovables de este
año es un 12% mayor que el año pasado, gracias principalmente a las revisiones
al alza de FV solar en China y la India. Durante los próximos cinco años, esta
energía representará las mayores adiciones de capacidad anual para las
renovables, muy por encima de la Eólica y de las hidroeléctricas. Esto marca un
punto de inflexión y sustenta en el pronóstico fotovoltaico solar más optimista en
comparación con el informe del año pasado. Este aumento está impulsado por la
continua reducción de los costos de tecnología y la dinámica del mercado sin
precedentes en China como consecuencia de los cambios en las políticas.31
Figura 4. Crecimiento de la capacidad de electricidad renovable por tecnología
Fuente: AGENCIA INTERNACIONAL DE ENERGÍA - IEA. 2017.
31
AGENCIA INTERNACIONAL DE ENERGÍA - IEA. A bright future for renewables to 2022, solar
PV entering a new era. 2017. Disponible en: http://www.iea.org/publications/renewables2017

34
4.2 MARCO DE ANTECEDENTES
Entre los años 2001 y 2015 se ha producido un crecimiento exponencial de la
generación de energía fotovoltaica, doblándose aproximadamente cada dos años.
La potencia total fotovoltaica instalada en el mundo (conectada a red) ascendía a
16 giga vatios (GW) en 2008, 40 GW en 2010, 100 GW en 2012 y 180 GW en
2014. A finales de 2015, se estimaba que habría instalados en todo el mundo
cerca de 230 GW de potencia fotovoltaica.32
Cuando se empieza a hablar de la carga se deben tener en cuenta tres
características que la definen: el tipo, el valor energético y el régimen de uso.33
En algunos sistemas FV los consumos se conocen a priori con exactitud, como en
el caso de sistemas de telecomunicación; pero en otros casos resulta
extremadamente difícil predecir el consumo de una instalación, como puede ser en
el caso de una instalación de electrificación rural donde el consumo viene definido
por el tiempo de utilización de las cargas por parte de un determinado usuario.
Esta incertidumbre viene determinada por la dificultad de prever el
comportamiento del usuario con su instalación.34
En la actualidad, Colombia cuenta con 6 MW instalados de energía solar,
equivalente a unos 78.000 paneles solares. El 57 por ciento está destinado a
aplicaciones rurales, la mayoría en lugares donde la demanda de energía se
encuentra muy alejada y el costo para conectarse a la red nacional resulta muy
elevado. El otro 43 por ciento se encuentra distribuido en torres de comunicación y
32
AGUIRRE, Cristina. Energía solar fotovoltaica. En: Energía Ecológica. 06 de julio de 2016.
Disponible en: http://energiaecologicacrisratona.blogspot.com.co/2016/07/energia-solar-
fotovoltaica.html
33
GASQUET, Héctor. Conversión de la Luz Solar en Energía Eléctrica, Manual Teórico y Práctico
sobre los Sistemas Fotovoltaicos. Cuernavaca, Morelos, México. 2004.
34
ABELLA, Miguel Alonso. Sistemas fotovoltaicos. SAPT Publicaciones Técnicas, SL, 2005.

35
señalización de tránsito.35
Entre las aplicaciones de la energía solar en Colombia,
se encuentran paneles solares para cubrir las necesidades energéticas en
hogares y edificaciones; y producciones en masa en granja solares, como la
existente en Yumbo.
En 2010, Colombia ratificó su posición como país gestor de desarrollo de
tecnologías de producción limpias y amigables con el ambiente ingresando en la
Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA), formada por más de 50
países. Sin duda, la apuesta por la energía solar es uno de los caminos correctos
para lograr un mayor desarrollo sostenible, y Colombia ya se ha puesto en
marcha36
.
A diciembre 31 de 2016, la generación anual de energía eléctrica en Colombia fue
de 65.940,3 GWh, 0,9% por debajo de la registrada en 2015 para este mismo
periodo (66,548.5 GWh). Este decrecimiento está asociado principalmente con la
disminución de la demanda del SIN (-0.2%) y con el incremento de las
importaciones desde Ecuador durante el primer trimestre de 2016, debido al
evento de El Niño.37
35
CRUZ CERÓN, Gabriel. Diagnóstico del sistema energético y esbozo metodológico de la
proyección de fuentes renovables de energía en el caso de Colombia. Asuntos Económicos y
Administrativos, 2012, no 23, p. 9-34.
36
TWENERGY. La energía solar en Colombia. 2013. Disponible en: https://twenergy.com/co/a/la-
energia-solar-en-colombia-916
37
XM S.A. E.S.P. Informe de Operación del SIN y Administración del Mercado 2016. XM Filial de
ISA. Medellín, Colombia. 2017. Disponible en:
http://informesanuales.xm.com.co/2016/SitePages/operacion/2-4-Generaci%C3%B3n-del-SIN.aspx

36
4.3 MARCO LEGAL
En Colombia, existe una amplia legislación para el sector eléctrico y el reto de
desarrollar un marco normativo que impulse el desarrollo de las energías
renovables y sostenibles, el cual pretende definir los lineamientos generales para
generar una estrategia en el avance de la eficiencia energética y las energías
renovables no convencionales.
Se hace necesario mencionar las leyes, decretos y artículos existentes sobre el
entorno que pueden afectar o que se pueden convertir en un obstáculo para llevar
a cabo la implementación de proyectos de energía fotovoltaica, por lo tanto
teniendo en cuenta el ámbito social, ambiental y fiscal, se contemplan las leyes,
normativas y resoluciones que rigen el proyecto en su desarrollo y uso.
1. Constitución Política de Colombia 1991.
- Artículo 80, Título II, Capítulo III, de los derechos colectivos y del ambiente “El
Estado planificará el manejo y aprovechamiento de los recursos naturales, para
garantizar su desarrollo sostenible, su conservación, restauración o
sustitución”.
- Artículo 339, Título XII Capítulo II De los Planes de Desarrollo. “Las entidades
territoriales elaborarán y adoptarán de manera concertada entre ellas y el
gobierno nacional, planes de desarrollo, con el objeto de asegurar el uso
eficiente de sus recursos y el desempeño adecuado de las funciones que les
hayan sido asignadas por la Constitución y la ley”.
- Artículo 365, Título XII Capítulo IV De la finalidad social del estado y de los
servicios públicos. Los servicios públicos estarán sometidos al régimen jurídico
que fije la ley, podrán ser prestados por el Estado, directa o indirectamente, por

37
comunidades organizadas, o por particulares. En todo caso, el Estado
mantendrá la regulación, el control y la vigilancia de dichos servicios.
- Artículo 365, Título III Capítulo IV De la unidad de planeación minero
energética 13, numeral 4. Evaluar la conveniencia económica y social del
desarrollo de fuentes y usos energéticos no convencionales, así como el
desarrollo de energía nuclear para usos pacíficos.
2. Ley 143 de 1994 Capítulo I Principios generales. En relación con el servicio
público de electricidad, al estado le corresponde asegurar la adecuada
incorporación de los aspectos ambientales en la planeación y gestión de las
actividades del sector.
3. Ley 697 de 2001 - Mediante la cual se fomenta el uso racional y eficiente de la
energía y se promueve la utilización de energías alternativas.
4. Ley 1151 de 2007. Título II Capitulo II Descripción de los principales programas
de inversión 6, sección 3.6 infraestructura para el desarrollo Se promoverán
proyectos piloto de generación de energía eléctrica que estén soportados en la
implementación de tecnologías que utilicen fuentes de energía alternativa.
5. Ley 1715 de 2014 - Promover el desarrollo y la utilización de fuentes no
convencionales de energía, principalmente aquellas de carácter renovable en
el sistema energético nacional.
6. Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas – RETIE, expedido por el
Ministerio de Minas y Energía.
En función de esta ley, se van emitiendo una serie de decretos y/o resoluciones
para darles más claridad a los interesados, para este caso en el conducto regular

38
en temas técnicos, ambientales, tributarios, etc., que serían procedimientos
encabezados por el Ministerio de Minas y Energía, Ministerio de desarrollo
sostenible y medio ambiente, las CAR (Corporación autónomas regionales) y
demás dependencias según su competencia.
Para el caso de las instalaciones fotovoltaicas deben acogerse a los siguientes
decretos:
 Decreto 2469 de diciembre de 2014 el cual establece los lineamientos de
política energética en materia de entrega de excedentes de autogeneración,
expedido por el Ministerio de Minas y Energía.
 Decreto 2492 de diciembre de 2014 el cual adopta disposiciones en materia de
implementación de mecanismos de respuesta a la demanda energética,
expedido por el Ministerio de Minas y Energía.
 Documento CREG 097 – diciembre de 2014: El cual regula la actividad de
autogeneración, expedido por la Comisión de Regulación de Energía y Gas.
 DECRETO NÚMERO 1073 DE (Mayo 26 de 2015) “Por medio del cual se
expide el Decreto Único Reglamentario del Sector Administrativo de Minas y
Energía”
 Decreto 21434 del 4 de noviembre del 2105 Por el cual se adiciona el Decreto
Único Reglamentario del Sector Administrativo de Minas y Energía, 1073 de
2015, en lo relacionado con la definición de los lineamientos para la aplicación
de los incentivos establecidos en el Capítulo 111 de la Ley 1715 de 2014.
 Res. 045 de Febrero de 2016 - Procedimientos y requisitos para emitir la
certificación y avalar los proyectos de fuentes no convencionales de energía
(FNCE).

39
4.4 MARCO GEOGRÁFICO
La República de Colombia está situada al extremo nor-occidental de América del
Sur, sobre la línea ecuatorial, en plena zona tórrida. Limita al nor-oeste con
Panamá, al sur con Ecuador y el Perú, al sur-oeste con el Brasil y al este con
Venezuela. Tiene una extensión terrestre de 1.141.748 km2
, de manera que ocupa
el cuarto lugar entre los países de Sur-América. Cuenta con 2.900 km. de costas,
de los cuales 1600 son riberas del mar Caribe y los 1.300 restantes del océano
Pacífico. Los rayos del sol caen siempre con la misma verticalidad, de manera que
no hay estaciones, y las diferencias climáticas existentes según el piso climático,
que genera excelentes condiciones para la producción de muchas variedades
agrícolas y animales. Los recursos naturales incluyen también una gran riqueza
del subsuelo, donde se realizan explotaciones mineras, petroleras, carboníferas,
etc.38
Colombia tiene un potencial energético solar a lo largo de todo el territorio
nacional, con un promedio diario multianual cercano a 4,5 kWh/m2
. En las
regiones costeras atlántica y pacífica, específicamente en la región noreste de la
costa atlántica en la Guajira, de acuerdo con los resultados de la evaluación del
recurso solar del país muestran un potencial solar promedio diario entre 5,0 y 6,0
kWh/m2
, el mayor del país. Las regiones de la Orinoquia y Amazonia, que
comprenden las planicies de los Llanos Orientales y zonas de las selvas
colombianas, presentan una variación ascendente de la irradiación solar en
sentido suroestenoreste, verificándose valores asimilables a los de La Guajira en
el noreste (Tabla 1).39
38
OSPINO PÉREZ, Víctor Manuel; ISAZA GALVEZ, Laura Cristina. Manual de implementación de
energía solar fotovoltaica en viviendas “ECO”. Universidad Católica de Colombia Bogotá. 2017.
39
INSTITUTO DE HIDROLOGÍA, METEOROLOGÍA Y ESTUDIOS AMBIENTALES; UNIDAD DE
PLANEACIÓN MINERO ENERGÉTICA; INSTITUTO DE HIDROLOGÍA, METEOROLOGÍA Y
ESTUDIOS AMBIENTALES & UNIDAD DE PLANEACIÓN MINERO ENERGÉTICA – UPME. Atlas
de Radiación solar en Colombia. Bogotá, D. C.: 2005. Disponible en:
http://documentacion.ideam.gov.co/cgi-bin/koha/opac-

40
Tabla 1. Irradiación Solar
Región Irradiación Solar (kW/m2
/año)
Guajira 1980-2340
Costa Atlántica 1260-2340
Orinoquia 1440-2160
Amazonia 1140-1800
Andina 1080-1620
Costa Pacífica 1080-1440
Fuente: Atlas de Radiación solar en Colombia. 2005
detail.pl?biblionumber=17912&query_desc=au%3A%22Unidad%20de%20Planeaci%C3%B3n%20
Minero%20Energ%C3%A9tica%22

41
•Acopio inicial de información sobre sistemas fotovoltaicos y
su implementación
•Revisión de bibliografía sobre metodologías existentes sobre
el diseño de sistemas fotovoltaicos en general
FASE 1.
Busqueda información
•Determinación de las características técnicas de los
sistemas fotovoltaicos conectados a la red
•Presentacion de las condiciones tecnicas requeridas
•Selección de los criterios base para la estructuración de la
metodología
FASE 2.
Seleccion Variables
•Estudio de los diferentes modelos financieros
FASE 3.
Análisis Económico
•Descripción de los componentes de un sistema fotovoltaico
•Dimensionamiento del sistema
•Presentación de los Criterios de selección de los elementos
•Selección del modelo financiero a utilizar
FASE 4.
Redaccion metodologia
•Implementación de la metodología presentada en un caso
real
•Análisis de los aspectos económicos y financieros
FASE 5.
Aplicacion metodologia
•Evaluación de resultados
FASE 6.
Conclusiones
5. DISEÑO METODOLÓGICO
Para el desarrollo de la guía metodológica del diseño de los sistemas fotovoltaicos
se plantearon los siguientes pasos

42
6. INTRODUCCIÓN A LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
La energía solar fotovoltaica es aquella que se obtiene por medio de la
transformación directa de la energía del sol en energía eléctrica. Para esto, es
necesario instalar un sistema de equipos interrelacionados especialmente
construidos para realizar la transformación de la energía solar en energía eléctrica.
Este sistema recibe el nombre de sistema fotovoltaico y los equipos que lo forman
reciben el nombre de componentes fotovoltaicos.40
Un sistema FV consiste en la integración de varios componentes, cada uno de
ellos cumpliendo con una o más funciones específicas, a fin de que éste pueda
suplir la demanda de energía eléctrica impuesta por el tipo de carga, usando como
combustible la energía solar. La definición anterior deja claramente establecido
que la carga eléctrica determina el tipo de componentes que deberán utilizarse en
el sistema.41
Un sistema fotovoltaico dispone de los siguientes componentes:
 Paneles solares o fotovoltaicos, que conforman un generador fotovoltaico
 Inversor
 Regulador de carga
 Cableado
A continuación describiremos las características y funciones de cada uno de ellos.
40
TWENERGY. Energía solar. En: Energía Twenergy. 2012. Disponible en:
https://twenergy.com/energia/energia-solar.
41
GASQUET, Héctor. Conversión de la luz solar en Energía Eléctrica: Manual Teórico y Práctico
sobre los sistemas Fotovoltaicos. Gasquet, 1997.

43
6.1 GENERADOR FV
Es el encargado de transformar la energía del Sol en energía eléctrica. Está
formado por varios paneles fotovoltaicos conectados en serie y/o paralelo, y a su
vez cada panel fotovoltaico está formado por unidades básicas llamadas células
fotovoltaicas (Figura 5). La unión de paneles proporcionará la cantidad de energía
para las necesidades del consumo. La potencia que puede suministrar un panel
fotovoltaico dependerá del número de células que posea. Si la potencia resulta
insuficiente para una determinada aplicación, se debe conectar los paneles
necesarios, en serie y en paralelo, hasta obtener la potencia requerida.42
Figura 5. Generador Fotovoltaico
Fuente: SITIO SOLAR: PORTAL DE ENERGÍAS RENOVABLES. 2013.
6.2 INVERSOR
Es el equipo que convierte la corriente directa (D.C.) generada por el arreglo de
paneles a corriente alterna (A.C). Se define como cualquier conversor estático de
potencia con control, protección y funciones de filtrado, utilizado para interconectar
una fuente de energía eléctrica con un sistema eléctrico de servicio público o la
carga. El término “inversor” es empleado popularmente para designar el conversor
42
CRUZ BALDÁN, David. Estudio de ahorro mediante bombeo solar. Tesis Doctoral. Universidad
Internacional de Andalucía. 2011.

44
que sirve como mecanismo de interconexión entre la salida D.C. del sistema
fotovoltaico y la carga que requiera corriente AC.43
6.3 CABLES ELÉCTRICOS
Los cables utilizados en un sistema fotovoltaico son diseñados especialmente para
este tipo de aplicaciones. Como el voltaje en un sistema fotovoltaico es voltaje
bajo: 12V o 24V CC, las corrientes que fluirán a través de los cables son mucho
más altas que las de los sistemas con voltaje de 110 ó 220V AC.44
La cantidad de
potencia en watts producida por el módulo fotovoltaico está dada por la siguiente
ecuación:
( 1)
Donde V es la tensión en Voltios (V) e I es la corriente en Amperios (A). Para
suministrar una potencia a 12V, significa que la corriente será casi 20 veces más
alta que en un sistema de 220 V. Esto quiere decir que deben usarse cables
mucho más gruesos para impedir el recalentamiento e incluso la quema de los
cables. Debemos tener en cuenta que, a voltajes bajos, sólo pueden abastecerse
bajas demandas de potencia o deben utilizarse cables muy gruesos. Esto aumenta
el precio del sistema drásticamente, debido a que los cables más gruesos son más
costosos.
Cuando se diseñan sistemas más grandes, uno debe realizar un análisis
costo/eficiencia para elegir el voltaje operativo más adecuado. Más aún, sería
43
ESPINOSA, Andrés Ardila; VARGAS, Juan Sanabria; MORA, Johann Hernández. Metodología
de dimensionamiento de un sistema de respaldo energético basado en tecnología fotovoltaica.
Revista Tecnura, 2015, vol. 19, p. 66-71.
44

45
mejor reunir pequeños grupos de módulos y, de ser posible, hacer el voltaje de
operación más alto que 12V o 24V.
7. DIMENSIONAMIENTO DE LOS SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS
El dimensionamiento del sistema FV consiste en determinar su capacidad para
satisfacer la demanda de energía requerida. El método de dimensionamiento se
fundamenta en el balance de energía:
Figura 6. Flujo dimensionamiento del sistema
Determinación de la
demanda o carga.
Especificación de la tensión
de operación del sistema
Determinación de la energía
solar disponible en el área
capacidad del módulo FV
capacidad del inversor
Dimensionamiento del
cableado.

46
7.1 PASOS EN EL DIMENSIONADO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
Utilizaremos un método simplificado, este método utiliza valores medios
mensuales diarios de irradiación global y de la carga. En este caso se
considerarán sólo los valores correspondientes al mes más desfavorable en la
relación carga/irradiación.
Se presenta a continuación los pasos que se han de seguir con este método para
lograr el correcto dimensionado de un sistema fotovoltaico.
Paso 1. Estimación del consumo
Paso 2. Estimación de la Irradiación solar
Paso 3. Dimensionado del generador fotovoltaico
Paso 4. Dimensionado del inversor
Paso 5. Dimensionado del cableado
Paso 6. Otros
7.1.1 Paso 1. Estimación del consumo de la carga. El primer paso es la
determinación de la energía eléctrica diaria que necesitara la instalación receptora.
Aquí siempre es fundamental tener los datos aportados por el consumidor, lo más
realistas posibles (para evitar desviaciones en el dimensionamiento).
La energía diaria teórica requerida (carga diaria) es la sumatoria de la energía
consumida por cada aparato o elemento de consumo, la cual se calcula
multiplicando la potencia de cada por el tiempo medio diario de funcionamiento de
cada uno. Normalmente es suficiente con determinar el valor medio mensual del
consumo diario, lo que equivale a suponer un valor de la carga diaria en Wh para

47
cada mes.45
Se suelen separar los consumos en corriente continua de los
consumos en corriente alterna, pues están afectados por factores de pérdidas
distintos. La energía real necesaria, L, se calcula teniendo en cuenta las
eficiencias de los distintos subsistemas y las pérdidas. Así:
( 2)
Dónde:
L: Energía real necesaria
Lcc: Carga diaria en corriente continúa
Lca: Carga diaria en corriente alterna
ηg: Eficiencia carga y descarga de la batería
ηinv: Eficiencia media diaria del inversor
7.1.2 Paso 2. Estimación de la Irradiación solar. La energía que llega a través
de la irradiación solar depende básicamente de la latitud, de la declinación solar,
de la inclinación y orientación de la superficie FV. Los factores determinantes para
el diseño, función de las coordenadas y altitud, se muestran a continuación:
45
BARRERA, Yader. Guía Técnica: Diseño e instalación de sistemas fotovoltaicos autónomos y
conectados a la red a pequeña escala. 2015.

48
7.1.2.1 Inclinación y orientación. Muchos de los módulos Fotovoltaicos están
inclinados para colectar mayor irradiación solar. La cantidad óptima de energía se
colecta cuando el módulo está inclinado en el mismo ángulo que el ángulo de
latitud. Sin embargo, hay que tener en cuenta que el ángulo mínimo de inclinación
debería ser por lo menos de 15° con respecto a la superficie horizontal, para
asegurar que el agua de las lluvias drene fácilmente, lavando el polvo al mismo
tiempo.
La cantidad de energía que incide sobre los paneles depende de su orientación
respecto del sol, y dada la posición geográfica privilegiada que tiene Colombia,
ubicada en la zona ecuatorial, y debido a que la línea del ecuador atraviesa el país
por el sur, toda Colombia queda en la zona tórrida o intertropical, región de bajas
latitudes; lo que hace que cuente con irradiación solar constante en casi todo el
territorio durante todo el año.
Este efecto puede durar hasta 12 horas al día lo que permite que una instalación
fotovoltaica pueda ser más económica que en otros países. Aprovechando estas
condiciones, los módulos fotovoltaicos deben orientarse de tal manera que las
regiones de Colombia que están en el hemisferio norte tengan una inclinación no
mayor de 15º con respecto a la superficie horizontal y orientados hacia el sur y
para las regiones ubicadas en el hemisferio sur la inclinación no debería ser mayor
de 12º con respecto a la superficie horizontal y orientados hacia el norte. En todo
caso, se recomienda que la inclinación no sea menor de 10º con respecto ala
superficie horizontal.46
Por supuesto, algunas veces hay circunstancias locales que impiden la correcta
colocación de los módulos. Por ejemplo, cuando los módulos deben acoplarse
46
RODRÍGUEZ LEÓN, Nayiver. Caracterización del desempeño de un sistema fotovoltaico
interconectado a la red de distribución eléctrica en la Sede el Bosque de la Universidad Libre.
2017.

49
sobre un techo inclinado que no tiene la inclinación adecuada y que no está
mirando exactamente al sol.
En países como Colombia que están cercanos al ecuador, las consecuencias de
desviaciones de las inclinaciones óptimas son poco importantes. El ángulo de
inclinación es pequeño, así que los módulos fotovoltaicos nunca se desvían
mucho del ángulo promedio de incidencia sobre la irradiación solar (que está
cercana al Cenit sobre la superficie de la tierra) (Figura 7). Aun así, de ser posible,
es mejor dejar que los módulos miren al sol.
Figura 7. Ángulo de inclinación
Fuente: ARENAS, Oscar. 2009.
7.1.2.2 Sombras y reflejos. Es obvio que deben evitarse las sombras lo más
posible. ¿Pero cuál es exactamente la influencia de un pequeño árbol en un
módulo FV?, ¿un edificio alto a 100 metros?, ¿o una pared detrás de los módulos?
Primero, uno debe considerar que la sombra puede crear problemas ya que
genera puntos calientes si en una serie de celdas, una está en la sombra y las
otras están expuestas al sol. Las celdas que están en el sol producen corriente

50
eléctrica que debe correr también por la celda que está en la sombra, la cual está
actuando como una gran resistencia. Esta celda puede calentarse mucho por ese
efecto.
En segundo lugar, cualquier sombra tiene su influencia negativa sobre el
rendimiento de un sistema solar. Así que aún, un árbol pequeño (además del
hecho de que con el pasar de los años, los árboles pequeños se convierten en
árboles grandes) puede tener una influencia sustancial sobre el rendimiento si está
justo en el lugar equivocado. Como regla, la influencia de objetos en los
alrededores puede descuidarse cuando el ángulo de la línea desde el módulo
fotovoltaico hasta la cima del objeto con la horizontal es menor a 20° (Figura 8).47
Figura 8. Influencia de objetos
Fuente: ORBEGOZO, Carlos. 2010.
47

51
7.1.2.3 Irradiación solar disponible. Para obtener la irradiación solar incidente,
se pueden utilizar tablas con estimaciones ya existentes. Una buena fuente de
estas estimaciones es el “Surface meteorology and Solar Energy – NASA”, que
tiene una plataforma web donde se puede obtener los datos de insolación para
toda Colombia de forma fácil y rápida, conociendo la ubicación (latitud y Longitud).
Por lo que se dimensiona la instalación para las condiciones mensuales más
desfavorables de insolación, y así se asegura que cubrirá la demanda durante
todo el año. En este punto, hay que tener en cuenta unos conceptos importantes:
Irradiancia: Es la magnitud que describe la radiación o intensidad de iluminación
solar que llega hasta nosotros medida como una potencia instantánea por unidad
de superficie, W/m2
o unidades equivalentes.
Irradiación: Es la cantidad de Irradiancia recibida en un lapso de tiempo
determinado, es decir, la potencia recibida por unidad de tiempo y por unidad de
superficie. Se suele medir en Wh/m2
o, en caso de un día, en Wh/m2
/día o
unidades equivalentes.48
A continuación se hará un análisis de los datos de irradiación solar de todos los
meses del año y se sacará el promedio diario anual de irradiación en el lugar de
ubicación del proyecto. Una vez hechas los cálculos se obtiene la “Tabla de
irradiaciones” (Wh/m2
/día) para la instalación.
Se debe tener en cuenta que el dato suministrado por las estaciones
meteorológicas de las tablas con la energía que incide sobre un metro cuadrado
de superficie es de la incidencia sobre una superficie horizontal para un día medio
de cada mes, por lo cual hay que calcular la irradiación solar para superficies
48
CALDERÓN CALVO, Álvaro. Predicción de la producción eléctrica de instalaciones fotovoltaicas
situadas en Castillara y León, a partir de datos de radiación y ambientes. 2016.

52
inclinadas en función de la latitud del lugar estudiado. Debemos calcular el factor
de corrección y para esto calcular las distintas componentes de la irradiación solar,
las cuales se exponen a continuación.
Como primer paso se calcula el Factor de corrección de la excentricidad de la
órbita de la Tierra49
, la ecuación [3] describe la variación energética en función del
día del año dn, que varía entre 1 para el día 1 de enero y 365 para el día 31 de
diciembre. Los cálculos de excentricidad realizados para los 365 días lo
encuentran en el archivo de Excel “CALCULO IRRADIANCIA INCLINADA”.
( 3)
Donde:
ϵ0= Excentricidad
dn = Número de día del año (Contando de 1 a 365);
ro = Distancia promedio entre el sol y la tierra en km o UA
r = Distancia entre el sol y la tierra para el día dn.
Con el objeto de caracterizar la localización solar respecto a la Tierra, se define el
ángulo de declinación solar como ángulo que forman los rayos solares con
respecto al plano ecuatorial. Para su cálculo se puede utilizar la Ecuación 4 con
suficiente aproximación a la ecuación dada por Cooper50
:
( 4)
En la caracterización del movimiento Sol-Tierra se asumen como hipótesis que los
años duran 365 días, prescindiendo sin más del día 29 de febrero, que es
49
DUFFIE, John; BECKMAN, William. “Solar Engineering of Thermal Processes”. Wiley. New
York, 1980.
50
COOPER, P.I. The Absorption of solar radiation in solar stills, Sol. Energy, Vol. 12 (Iss 3), 333-
346 (1969)

53
ignorado. Este método conlleva un pequeño error, que sin embargo resulta
despreciable en los balances meteorológicos pero tiene la ventaja de considerar
todos los años idénticos, en lo que a posición y distancia solar se refiere.
A partir de la declinación del sol se calcula para cada día el ángulo horario del
ocaso solar o ángulo de salida del Sol aplicando la Ecuación 5.
( 5)
Dónde:
Φ= latitud del lugar (°)
Para cada día del año y en determinado punto de la tierra es necesario saber
cómo influye la variación anual de la distancia tierra-sol en el flujo de la radiación
extraterrestre, respecto de la constante solar GC. El valor aceptado de ésta es
1367 W/m2
, igual a la densidad de flujo promedio anual de la energía proveniente
del Sol, tomada sobre una superficie perpendicular a la dirección sol-tierra, fuera
de la atmósfera51
. Con los valores de δ y ωs se calcula la Irradiación solar extra-
atmosférica sobre superficie horizontal52
(kWh/m2
día) aplicando la Ecuación 6.
* +
( 6)
Los cálculos de varios tipos de irradiación son más sencillos si se usan niveles de
irradiación normalizados, es decir, la razón del nivel de irradiación con respecto a
la radiación teóricamente disponible si no hubiera atmósfera (irradiación extra-
atmosférica).
51
ABAL, Gonzalo; DURAÑONA, Valeria. Manual Técnico de Energía Solar Térmica
Facultad de Ingeniería, Universidad de la República. 2013.
52
MACAGNAN, Mario. Caracterización de la radiación solar para aplicaciones fotovoltaicas en el
caso de Madrid. Tesis doctoral. ETSI Telecomunicación Madrid. 1993.

54
Se debe hacer el cálculo de la irradiación solar extra-atmosférica para todos los
días del mes y para todos los meses del año y así poder determinar la media
diaria mensual.
Índice de Claridad53
, este índice es la relación entre la irradiación global en la
superficie terrestre y la irradiación extra-atmosférica, ambas en el plano horizontal
y está definido por la Ecuación 7.
( 7)
Dónde:
GHdm= Irradiación global media diaria mensual (datos tomados de la nasa)
G0dm= Irradiación solar extra-atmosférica media diaria mensual (dato calculado en
el numeral 4).
Se debe establecer una relación entre la fracción difusa de la irradiación horizontal
y el índice de claridad, esta relación se conoce como Fracción de radiación
difusa54
y se calcula con la Ecuación 8:
( 8)
Esta ecuación también se expresa como la relación entre la radiación difusa y la
radiación global, ambas en el plano horizontal según la correlación de Page.
53
GARCIA SUSO, Felipe. Amortización de instalaciones fotovoltaicas en régimen de autoconsumo.
Universidad Internacional de Andalucía, 2015.
54
PAGE, J.K. The estimation of monthly mean values of daily total short-wave radiation on vertical
and inclined surfaces from sunshine records for latitudes 40ºN-40ºS. Proc. Ann. Meet. Am.
Section, Int. Sol. Energy Soc., Denver, Colorado (1979).

55
Ya conociendo el valor de la fracción de irradiación difusa y la irradiación global,
se despeja la ecuación 8, para calcular el valor de la radiación difusa en el plano
horizontal.
( 9)
La irradiación solar directa recibida por la superficie de la tierra varía debido al
cambio en la irradiación extra-atmosférica y otros fenómenos significativos: la
difusión y la absorción atmosférica. La radiación difusa o difusión atmosférica de la
radiación al pasar por la atmósfera es ocasionada por su interacción con las
moléculas de aire, agua (vapor y gotas) y polvo, al dispersar parte de la irradiación
solar entrante en direcciones aleatorias sin ninguna alteración en la longitud de
onda de la energía electromagnética. La difusión reduce la cantidad de radiación
entrante que alcanza la superficie de la tierra, ya que una parte de la irradiación
solar de onda corta es redirigida al espacio. Por lo tanto para calcular la Irradiación
directa en superficie horizontal aplicamos la Ecuación 10:
(10)
Se deben realizar estos cálculos para los 12 meses del año y obtener las
componentes directas y difusas que al sumarse componen la irradiación global
recibida (se supone que la irradiación reflejada es nula) para superficies
horizontales.
Se deben aplicar las siguientes ecuaciones para obtener las componentes directas
y difusas de la irradiación global sobre superficies inclinadas a un cierto ángulo β.
Este cálculo se hace solamente para el ángulo de inclinación que van a estar
puestos los paneles. Como ya se ha mencionado debido a la ubicación geográfica
de Colombia, se recomienda que los módulos fotovoltaicos deben orientarse de tal
manera que las regiones de Colombia que están en el hemisferio norte tengan una

56
inclinación no mayor de 15º con respecto a la horizontal y orientados hacia el sur y
para las regiones ubicadas en el hemisferio sur la inclinación no debería ser mayor
de 12º con respecto a la horizontal y orientados hacia el norte. En todo caso, se
recomienda que la inclinación no sea menor de 10º.55
Se debe calcula el Factor de conversión geométrico (Rb), el cual representa la
relación entre las radiaciones diarias directas sobre una superficie inclinada y una
superficie horizontal56
, Por lo tanto, Rb se calcula aplicando la Ecuación 11:
( ) ( 11)
Dónde ωss =es el ángulo de salida del sol sobre la superficie inclinada, y está dado
por la ecuación 12:
[ [ ] ] ( 12)
Tener en cuenta las siguientes anotaciones:
Sign= significa que debe colocar el signo del ángulo.
abs= significa valor absoluto del ángulo
La forma más precisa de calcular GHdm (β), en primer lugar, calcular las
componentes de irradiación horizontal GHdm (0), Ddm (0) y Bdm (0); segundo,
transponerlos a la superficie inclinada GHmd (β). Por medio de la ecuación 13
calculamos la Irradiación global en superficie inclinada un ángulo β57
(KWh/m2
):
55
RODRÍGUEZ LEÓN, Nayiver. Caracterización del desempeño de un sistema fotovoltaico
interconectado a la red de distribución eléctrica en la Sede el Bosque de la Universidad Libre.
2017.
56
DOMINE, Luciano; NIRO, Nicolás. Proyecto trabajo final “Sistema de Iluminación Autónomo
Alimentado por Energías Renovables”. Universidad Nacional de Mar de Plata. 2013.
57
LUQUE, Antonio; HEGEDUS, Steven. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering.
Wiley. 2003.

57
( 13)
Dónde:
ρ= es la reflexión suelo (se puede tomar igual a 0,2).
Una vez se conocen los valores de irradiación para cada mes, con la inclinación
seleccionada, se elige el mes más desfavorable, luego se divide entre la
irradiación solar incidente que se utiliza para calibrar los módulos (1 kW/m2
), y se
obtiene la cantidad de horas sol pico (HSP) aplicando la ecuación 14. Se utiliza el
concepto de HSP (horas sol pico) que es el número de horas equivalente que
tendría que brillar el sol a una intensidad de 1000 W /m2
para obtener la insolación
total de un día, ya que en realidad el sol varía la intensidad a lo largo del día, ver
figura 9.58
( 14)
Figura 9. Horas de sol pico (HSP)
58
BALEARES R. M. Energema S.A., F.17, T.212, Sec. 3ª, Sdes., H.8.900, Insc., 1ª, CIF.: A‐
07089121. 2014

58
Fuente: ELISEO, Sebastián. 2014.
Es decir, una hora solar pico “HSP” equivale a 1kWh/m2
o, lo que es lo mismo, 3.6
MJ/m2
., es un modo de contabilizar la energía recibida del sol agrupándola en
paquetes, siendo que cada “paquete” de 1 hora recibe 1.000 watts/m2
.
7.1.3 Paso 3. Dimensionado del generador fotovoltaico. Se debe realizar los
cálculos para establecer el número de módulos (placas o paneles solares) en
función de las condiciones de irradiación promedio del año. Para realizar este
cálculo se tiene que elegir y conocer la potencia de los módulos a instalar. Este
dato viene dado en las características técnicas de los módulos elegidos según
cada modelo y fabricante.
Para instalaciones de uso diario utilizaremos la fórmula:
( 15)
El rendimiento de trabajo tiene en cuenta pérdidas debido a, la temperatura, el
cableado, las perdidas por dispersión de parámetros y suciedad, la eficiencia
energética de otros elementos en operación como la eficiencia energética del
inversor entre otros elementos. Valores típicos de rendimiento en sistemas con
inversor es de 0,7.59
59
SANTAMARÍA, Germán; CASTEJÓN, Agustín. Instalaciones solares fotovoltaicas. Editex, 2011.

59
7.1.4 Paso 4. Dimensionado del inversor. El inversor es el equipo encargado de
transformar la energía recibida del generador fotovoltaico (en forma de corriente
continua) y adaptarla a las condiciones requeridas según el tipo de cargas,
normalmente en corriente alterna y el posterior suministro a la red. Los inversores
vienen caracterizados principalmente por la tensión de entrada, que se debe
adaptar al generador, la potencia máxima que puede proporcionar y la eficiencia.60
∑ ( 16)
Se debe tener en cuenta que no se sobrepase los valores máximos permitidos de
tensión máxima y de tensión en circuito abierto a ser soportado por el inversor,
aplicando la ecuación 17.61
( 17)
Se debe verificar el voltaje máximo de los paneles en serie, utilizando la ecuación
18:
( 18)
Teniendo en cuenta el total de paneles calculado y los paneles en serie, se debe
cuantificar el número de ramales en paralelo a instalar por medio de la ecuación
19:
60
AGUILERA, Jorge; HONTORIA, Leocadio; MUÑOZ, Francisco José. Dimensionado de sistemas
fotovoltaicos autónomos. Jaén, España, 2007.
61
DOMÍNGUEZ GONZÁLEZ, Héctor. Diseño de un Sistema fotovoltaico para la generación de
energía eléctrica en el COBAEV 35 Xalapa. Trabajo de grado Magíster en ingeniería energética.
México: Universidad Veracruzana. 2012.

60
( 19)
Para seleccionar el inversor, en el mercado se puede encontrar inversores de
onda senoidal pura (PWM) y de onda senoidal modificada (MSW). La
recomendación es utilizar, siempre que sea posible, los de onda senoidal pura
pues aunque son algo más caros, evitarán más de un problema que podrían
ocasionar los de onda modificada en los aparatos con motores. Los inversores de
onda senoidal modificada (MSW) pueden alimentar a la mayoría de
electrodomésticos actuales, sin embargo, pueden ocasionar problemas con
aparatos inductivos, como los motores. Los inversores de onda senoidal pura
(PWM), “imitan” la forma de onda de la red eléctrica y en consecuencia son la
mejor opción la alimentar los equipos eléctricos y electrónicos actuales.62
7.1.5 Paso 5. Dimensionado del cableado. El cableado es el encargado de
conectar los distintos paneles solares con las cajas de interconexión y otros
elementos. Este cableado de paneles se debe realizar con materiales de alta
calidad para que se asegure la durabilidad y la confiabilidad del sistema a la
intemperie. El cableado evidentemente tendrá que cumplir con el reglamento
técnico de baja tensión. Los cables utilizados tendrán una capa de protección con
un material resistente a la intemperie y la humedad, de tal forma que no le afecten
internamente los agentes atmosféricos.
Todo sistema de trasmisión de energía tiene 2 partes: La fuente de energía y el
receptor de la misma. Por lo tanto se deben considerar la corriente a transportar y
las pérdidas de tensión (caída de tensión). En la mayoría de proyectos
fotovoltaicos, dependiendo de la potencia de la instalación, es necesario asociar
62
MOLINA, M., MELCHOR, C. Prototipo de un Sistema Fotovoltaico Autónomo, Revista de
Aplicaciones de la Ingeniería, Septiembre 2016 Vol.3 No.8 9-18.

61
varias placas en serie o paralelo para obtener los niveles de tensión y corriente
deseados.63
Para la conexión de placas solares fotovoltaicas, hay tres opciones posibles:
7.1.5.1 Conexión de módulos fotovoltaicos en Serie. Para este tipo de
configuración se conecta el polo positivo de un módulo, con el polo negativo del
siguiente, así sucesivamente con cuantos paneles sean necesarios (ver figura 10).
Con esto se consigue aumentar la tensión y mantener el mismo valor de corriente
generada. La tensión generada será igual a la suma de cada una de las tensiones
de cada panel que compone la rama (string), o dicho de otro modo, se multiplica la
tensión unitaria por el número de paneles de la rama, pues siempre se debe
conectar paneles de las mismas características unos con otros.64
Figura 10. Conexión Serie
7.1.5.2 Conexión de placas solares en Paralelo. Se conectan todos los
módulos por sus polos positivos y, por separado, por todos los polos negativos
(Ver figura 11). Con esto, se consigue aumentar la corriente generada en la rama
63
MÉNDEZ MUÑIZ, Javier María. CUERVO GARCÍA, Rafael. Energía Solar Fotovoltaica. FC
Editorial 2ª Edición, Madrid, España. 2007.
64
ROLDAN, J. Instalaciones Solares Fotovoltaicas, Madrid España. 2010.

62
(suma de las corrientes de cada panel) pero se mantiene la misma tensión que la
de uno de los paneles que componen la rama.65
Figura 11. Conexión Paralelo
7.1.5.3 Conexión mixta de placas solares. En este caso sería una configuración
donde se encuentran ramas con paneles conectados en serie y a su vez, estas
ramas, conectadas en paralelo (Ver figura 12). Esta configuración se usa cuando
se quiere lograr corrientes y tensiones de salida muy determinadas, y entonces se
juega con las opciones que dan los distintos tipos de conexionado.66
Figura 12. Conexión Mixta
Como resumen práctico, en conexiones en serie la corriente total (de salida) es
igual a la de uno de los paneles que componen la rama (string) y la tensión total
(de salida) es la suma de la tensión de cada panel conectado en serie. En
conexiones en paralelo la tensión total (de salida) es igual a la de salida cada
rama y la corriente total (de salida) es la suma de corrientes de cada rama.
65
PROYECTO EnDev/GIZ. Curso para calificación ocupacional –nivel operativo, Instalación de
sistemas fotovoltaicos. Lima-Perú. Marzo del 2013.
66
VILLAS GARCÍA, Marianela. Energía solar fotovoltaica y cooperación al desarrollo. IEPALA
Editorial, 1999.

63
Cálculo de la corriente del circuito: La corriente para un tipo individual de circuito
se debe calcular teniendo en cuenta los diferentes circuitos como lo referencia la
NTC 2050 en la sección 690-2:
1) Circuitos de la fuente fotovoltaica. Es la suma de la corriente de cortocircuito de
los módulos en paralelo.
2) Circuito de salida fotovoltaica. Es la corriente de cortocircuito de la fuente de
alimentación fotovoltaica.
3) Circuito de entrada de inversor: Es la corriente nominal de entrada del inversor
4) Circuito de salida del inversor. Es la corriente nominal de salida del inversor o
de la unidad de acondicionamiento de energía.
7.1.5.4 Caída de tensión admisible (%). La caída de tensión es la disminución
de la tensión que se produce en el cableado. Es importante que estas disminución
sea mínima y no superen las siguientes recomendaciones:
Contrario a la creencia común, la NEC/NFPA70 y NTC2050 por lo general no
requieren u obligan que los conductores tengan un porcentaje determinado de
caída de tensión. El NEC (National Electrical Code) recomienda que la caída de
voltaje máxima combinada para el alimentador más el circuito ramal no debe
superar el 5% y el máximo en el circuito alimentador o ramal no debe superar el
3%. Simplemente se sugiere en las notas: 210.19, 215.2, 230.31 y 310.15, que es
bueno ajustar la caída de tensión al dimensionar los conductores. Teniendo en
cuenta lo referido en la norma y como no existe un requerimiento obligatorio, se
asume lo siguiente:
Caída máxima recomendada entre generador fotovoltaico e inversor = 3%.
Caída máxima recomendada entre el inversor y las cargas= 2%

64
Los siguientes cálculos se tomaron de referencia del documento “Calculo caída de
tensión. Nexans Colombia”:
Monofásica
La caída de tensión (ΔV), se calcula aplicando la ecuación 20, pero antes de poder
hacerlos se debe calcular una serie de variables:
( 20)
Dónde:
Zef: Impedancia eficaz en Ω/km
L: Longitud del circuito en km
I: Corriente del circuito en A
Para calcular la impedancia eficaz (Zef) se debe utilizar la ecuación 21:
( 21)
Dónde:
Xl: Reactancia inductiva del conductor
Rf: Resistencia del conductor a la temperatura de operación
Cos θ: Factor de potencia
θ : Cos-1
θ
Considerando que las distancias de los circuitos eléctricos del sistema fotovoltaico
implican longitudes cortas, se pueden despreciar los efectos capacitivos. Así
mismo, para sistemas de Cables de Baja Tensión estos efectos capacitivos
también son despreciables debido a las bajas tensiones de operación (menos de
600V); por lo tanto se pueden tener en cuenta solamente la resistencia y la
reactancia inductiva

65
Primero se debe calcular Rf por medio de la ecuación 22:
( ) ( 22)
Dónde:
Rf: Resistencia a la nueva temperatura
Ro: Resistencia a la temperatura de referencia
Tf: Temperatura a la que se desea determinar la resistencia
To: Temperatura de referencia (20°C)
α: Coeficiente de temperatura °C-1
αCu: 0,00393 °C-1
αAl: 0,00446 °C-1
Ahora calcular Xl con la ecuación 23:
( 23)
Dónde:
f : Frecuencia en Hz
l : Inductancia en H/km
Xl : reactancia inductiva en Ω/km
Con la reactancia inductiva se procede a calcular la inductancia para dos
conductores, utilizando la Ecuación 24:
* + ( 24)

66
Para conocer el valor de RMG (Radio medio geométrico) se obtiene de la figura
13, se selecciona dependiendo del número de alambres que conforman el
conductor, re es el radio del conductor
Figura 13. RMG
Por último se calcula el porcentaje (%) Caída de tensión del circuito usando la
ecuación 25:
( )
( 25)
Dónde:
ΔV: Caída de Tensión
V: Tensión del circuito en Voltios
7.1.6 Paso 6. Otros:

67
7.1.6.1 Distancia entre paneles (entre filas). Para evitar el sombreado entre
paneles, se debe determinar la distancia mínima entre las filas. Esta distancia la
llamaremos d como la muestra la figura 14.
Figura 14. Distancia mínima
Fuente: UNIVERSIDAD DE CASTILLA-LA MANCHA. 2015.
A la hora de instalar los paneles en las estructuras se puede hacer de dos formas:
con apoyo en el lado más grande o con apoyo en el lado más pequeño. Para
cualquiera de las formas se deben calcular las medidas “C”, “H” y “L”. Para el
cálculo de estas variables se usan las ecuaciones 26 a 29.67
( 26)
( 27)
( 28)
Dónde:
B: Longitud del panel
s: Angulo de inclinación del panel
67
INSTITUTO DE FORMACIÓN PROFESIONAL A DISTANCIA. Instalaciones solares
fotovoltaicas puestas a Red. 2014. Unidad 2.2.1. Calculo de la separación de las filas de paneles
para evitar sombras., Gobierno Vasco.

68
( 29)
7.1.6.2 Puesta a tierra.
La puesta a tierra de la instalación es muy importante ya que delimita la tensión
que pueda presentarse en un momento dado en las masas metálicas de los
componentes, asegurando la actuación de las protecciones y eliminando el riesgo
que supone el mal funcionamiento o avería de alguno de los equipos..68
Según la NTC 2050 en su artículo 690- Los conjuntos fotovoltaicos montados en
el tejado de las viviendas deben tener un sistema de Detección e interrupción de
fallas a tierra que proteja contra fallas a tierra y así reducir el riesgo de incendio. El
circuito de protección contra fallas a tierra debe ser capaz de detectar una falla a
tierra, abrir el circuito y desactivar el conjunto.
Tanto los circuitos de corriente continua como los de alterna se encuentran
conectados a tierra y esta conexión se realiza de tal manera que no afecte a las
condiciones de la puesta a tierra de la red de distribución.
Los módulos fotovoltaicos y la estructura soporte de los mismos se conectarán a
tierra independiente, con el fin de facilitar la evacuación de derivaciones
producidas por cualquier tipo de fenómeno, incluyendo los atmosféricos como
pueden ser los rayos.
Se debe realizar una única toma de tierra conectando directamente a la barra
principal de tierra de la instalación, tanto la estructura soporte del generador, como
el borne de puesta a tierra de cada inversor. Por otro lado el electrodo de puesta
68
ENCINAS BERMEJO, Daniel. Estudio técnico de instalaciones eléctricas en un edificio de
oficinas, Escuela politécnica superior, Departamento de ingeniería mecánica. Tesis de
Licenciatura. Leganés – Madrid. 2009.

69
en contacto de la instalación con la tierra propiamente dicha será común con el de
la estructura de la nave industrial.

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