Luminaria Fotovoltaica
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1. Introducción
En la Universidad Tecnológica de Tamaulipas Norte (UTTN) ubicada en Av.
Universidad Tecnológica #1555 Col. La Escondida. Ciudad Reynosa,
Tamaulipas. Una Institución formadora de Técnicos Superiores Universitarios e
Ingenieros en las Áreas de Mantenimiento Industrial, Mecatrónica,
Administración, Tecnologías de la Informática y la comunicación, Procesos
Industriales, que mediante la aplicación de sus conocimientos, habilidades y
valores puedan contribuir al cambio en el desarrollo socioeconómico,
tecnológico y cultural del estado de Tamaulipas y del país. Se observa que en
el Estacionamiento del Edificio B asignado a la carrera de Mantenimiento
Industrial, de la Universidad Tecnológica de Tamaulipas Norte la problemática
de falta de iluminación, esto se contrapone con los estándares de seguridad
de las instalaciones de este tipo es una condición de riesgo debido a los daños
y accidentes que pueden sufrir las mismas instalaciones, las personas que
hacen usos de las mismas y a la propiedad de estas. Debido a esto se buscó
la manera de solucionar esta inherente necesidad, de entre todos los sistemas
de iluminación propuestos para darle solución a este problema se estableció la
implementación de una luminaria basada en un sistema fotovoltaico, esta
propuesta demostró ser la más viable debido a sus diferentes primacías ya
que estas desarrollan varias ventajas ante los sistemas convencionales de
iluminación, entre los cuales se puede observar la mejora en la eficiencia del
aprovechamiento energético, la reducción de la dependencia de los
combustibles fósiles , la independencia de la red eléctrica pública, y el
aprovechamiento del recursos energéticos renovables.
Figura 1. Estacionamiento de la UTTN
1.1 Antecedentes
En la Universidad Tecnológica de Tamaulipas Norte, no existe registro de la
implementación de una Iluminaria basada en un sistema fotovoltaico o
cualquier otro tipo de sistema que aproveche un recurso energético renovable.
Las razones por las cuales no se ha implementado ninguno de estos sistemas
son las barreras de tipo financiero ya que la tecnología necesaria posee un
costo elevado, pero esto se reduce al ver la relación costo-rentable ya que se
produce un ahorro en los costos de mantenimiento, y consumo energético, otro
motivo por el cual no se ha implementado es por la falta de especialistas y
distribuidores de estos sistemas en la región.
Pero la principal razón por la que no se ha implementado este tipo de
tecnología se centra en el arraigo y dependencia de los antiguos sistemas
energéticos, basados en combustibles fósiles, que producen gases de efecto
invernadero y otros contaminantes.
La explotación de fuentes de energías alternativas y renovables es la base de
este proyecto, estas serán usadas como parte de la solución en la
problemática de la falta de iluminación en el estacionamiento de la Universidad
Tecnológica de Tamaulipas Norte Campus Reynosa Tamaulipas. La tecnología
fotovoltaica pose muchas premisas debido a sus cualidades intrínsecas: Esta
tecnología posee unos costes de funcionamiento reducidos ya que sus costes
de energía o combustible son prácticamente gratuitos y además posee unas
necesidades de mantenimiento limitadas, son fiables, no producen ruido y son
fáciles de instalar. Las consideraciones anteriormente expuestas han motivado
la puesta en marcha de un proyecto para la instalación de un sistema de
energía fotovoltaica a una de las instalaciones de alumbrado del
estacionamiento de la Universidad Tecnológica de Tamaulipas Norte,
actualmente se cuenta con los recursos y tecnología, necesaria para
implementarse.
1.2 Definición del Problema
En la Universidad Tecnológica de Tamaulipas Norte, con una población
estudiantil superior a los 2000 alumnos, 200 docentes, y un personal
administrativo de casi 100 personas. Con un promedio de 100 a 200 alumnos
y personal de la institución que utilizan el área del estacionamiento, se observa
la necesidad de una mejora en el sistema iluminación de este, ya que
actualmente, el sistema implementado no puede satisfacer la necesidad de
mayor iluminación el área. En la Universidad cuenta con los recursos para
aplicar criterios y procedimientos actualizados para la instalación de un sistema
de iluminación fotovoltaico, elevar la eficiencia y reducir los costos de
instalación, operación y mantenimiento de los componentes del sistema
eléctrico, lo que permitiría tener ahorros en el consumo de energía eléctrica y
de esta manera utilizar estos recursos para ampliar la calidad del servicio de
iluminación en el área del estacionamiento. La importancia de este proyecto
radica en evitar daños tanto a los usuarios del estacionamiento, como a sus
vehículos por la falta de visibilidad. Las usuarios del estacionamiento de la
universidad por las horas de la mañana entre el horario de entrada de 6:00 am
a las 7:00 am tienen que procurar estar atentos para evitar tener algún tipo de
incidente por la falta de iluminación. Esto ocurre de igual forma en el turno
vespertino en el horario de salida de 9:30 pm en adelante. Esta problemática
puede tener una oportuna solución aplicando los recursos establecidos en este
proyecto, una gestión adecuada de los recursos físicos y monetarios dará
solución a la falta de iluminación en el estacionamiento de la universidad, ya
que se estará implementando un sistema fotovoltaico de iluminación. Estos
sistemas de iluminación son una tecnología con un costo elevado de aplicación
e implementación, pero los beneficios a largo plazo son capaces de subsidiar
los costos iniciales de implementación del sistema, de tal forma que en un
plazo no mayor a 5 años la inversión inicial se reducirá a casi cero, por los
ahorros en el consumo de energía eléctrica, la reducción del costo en los
recibos de energía eléctrica. La implementación del proyecto es viable con los
recursos establecidos en un inicio.
1.3 Justificación.
La implementación del Proyecto Integrador “Instalación de Luminaria
Fotovoltaica “se respalda en la formación de habilidades y competencias de un
Técnico Superior Universitario en el Área de Mantenimiento Industrial, la
edificación de este proyecto requiere de competencias y habilidades
específicas como lo son la gestión de recursos, la elaboración de presupuestos
y planes acordes a estos para evitar costos y pérdidas de tiempo innecesarias,
así como distintas habilidades técnicas desarrolladas en la construcción del
presente proyecto como lo son el conocimiento y capacitación para el control,
manejo y reparación de sistemas eléctricos, la elaboración, reparación y
cambio de piezas en sistemas electromecánicos y el desarrollo de planes de
mantenimiento de equipos e instalaciones o edificaciones.
Para el desarrollo y aplicación del presente proyecto se tendrá la necesidad de
recurrir a las competencias y conocimientos de diversas ramas de la ciencia y
materias correspondientes la formación de un Técnico Superior Universitario
en el Área de Mantenimiento Industrial como lo son las materias de Estática y
Dinámica, Informática, Dibujo Industrial, Sistemas Eléctricos, Costos y
Presupuestos, Seguridad y Medio Ambiente, Maquinas y Mecanismos.
Durante la elaboración de la parte Tangible del proyecto se requerirá el uso de
diferentes áreas y talleres especializados tanto dentro como fuera de la
Universidad Tecnológica de Tamaulipas Norte como un Taller de Maquinado
de Piezas, el Taller de Sistema Eléctricos, el Taller de Mantenimiento.
La importancia y transcendencia de este Proyecto radica en el beneficio a la
comunidad de jóvenes estudiantes de la carrera de Mantenimiento Industrial
que utilizan el Estacionamiento del Edificio B de la Universidad Tecnológica de
Tamaulipas Norte. La principal premisa del Presente proyecto radica en la
Utilización de recursos energéticos renovables, que fomentan la conciencia de
la conservación de nuestros recursos naturales propiciando un desarrollo
tecnológico y social partidario la conservación del Medio Ambiente.
1.4 Definición de Términos
Baterías: Acumulan la energía que reciben de los paneles. Cuando hay
consumo, la electricidad la proporciona directamente la batería y no los
paneles.
Carga: Potencia utilizada por los artefactos, instalaciones y otros elementos
conectados a un circuito.
Conexión a la red: Sistema de generación conectado a la red pública de
electricidad.
Eficiencia: En lo que respecta a células solares es el porcentaje de energía
solar que es transformada en energía eléctrica por la célula.
Fotovoltaico: Relativo a la generación de fuerza electromotriz por la acción de
la luz
Inversor: Un inversor es un componente de un sistema que transforma un
voltaje y corriente DC a corriente alterna AC, monofásico o trifásico.
Modulo Solar Fotovoltaico: Es aquella que se obtiene por medio de la
transformación directa de la energía del sol en energía eléctrica.
Radiación Solar: Cantidad de energía procedente del sol que se recibe en una
superficie y tiempo determinados.
Red: Nombre convencional del sistema de distribución de energía eléctrica.
Regulador de carga: También llamado unidad de control o controlador de
carga. Componente que controla el flujo de corriente hacia la batería y de la
batería hacia los equipos para proteger la batería de sobrecargas;
Silicio: Elemento químico del que básicamente se componen las células de un
panel solar. Es de naturaleza prácticamente metálica, gris oscuro y de
excelentes propiedades semiconductoras.
Sistema Aislado o Remoto: Sistema fotovoltaico autónomo, no conectado a
red. Estos sistemas requieren baterías u otras formas de acumulación. Suelen
utilizarse en lugares remotos o de difícil acceso.
Sistema Conectado a Red: Sistema fotovoltaico en el que actúa como una
central generadora de electricidad, suministrando energía a la red
Vatio (W): Unidad de potencia eléctrica, que equivale a un julio por segundo.
Vatio Pico: Unidad de potencia que hace referencia al producto de la tensión
por la intensidad (potencia pico) del panel fotovoltaico en unas condiciones
estándares de medida.
Voltaje: Anglicismo del término Tensión.
Voltio (V): Unidad de potencial eléctrico y fuerza electromotriz, equivalente a la
diferencia de potencial que hay entre dos puntos de un conductor cuando al
transportar entre ellos un coulomb, se realiza el trabajo de un julio.
1.5 Limitaciones y Delimitaciones.
Limitaciones:
Las barreras encontradas para la implementación del Proyecto Integrador
“Instalación de Luminaria Fotovoltaica “se sustentan en la disponibilidad
energética ya que es obtenida dependiendo condiciones atmosféricas y esto
provoca que la cantidad de energía sea variable aunque en la Ciudad de
Reynosa Tamaulipas posee una gran potencial con respecto a la energía solar,
pero a su vez posee un clima muy inestable en las estaciones de Otoño e
Invierno.
Una barrera transcendental para al implementación del proyecto es la cantidad
de energía producida, porque el sistema de carga y almacenamiento de
energía no trabajaran de manera continua y fiable, y la energía disponible solo
alcanzara para las necesidades del sistema de iluminación, otra barrera encontrada en la
implementación del proyecto es la inversión total del proyecto es alta con respecto a la
capacidad de pago y gestión de recursos pero se buscara el patrocinio de diferentes
empresas privadas o instituciones gubernamentales.
Delimitaciones:
La implementación del proyecto integrador “Instalación de Luminaria
Fotovoltaica” de en el Estacionamiento del Edificio B asignado a la carrera de
Mantenimiento Industrial, de la Universidad Tecnológica de Tamaulipas Norte.
1.6 Objetivo
Diseñar e Implementar un sistema de iluminación fotovoltaica en la zona del
estacionamiento de la Universidad Tecnológica de Tamaulipas Norte, en un
análisis de las fuentes energéticas renovables para establecer el marco
indumentario del proyecto.
Realizando un diagnóstico energético para establecer los parámetros del
diseño.
Proponer el sistema fotovoltaico como una opción energética. Logrando su
implementación, y así consiguiendo una avance en un mejor aprovechamiento
de los recursos energéticos renovables y la disminución de los costos de
mantenimiento y fomentar la reducción de la dependencia del sistema eléctrico
local.
1.7 Bosquejo
Figura 2. Bosquejo de Luminaria Solar.
2. Análisis de fundamentos.
2.1 Uso de la energía Solar Fotovoltaica en Iluminarias.
2.1.1 Fuentes luminosas y lámparas
La producción de la luz es un fenómeno que se basa en la transformación de
energía. Las fuentes luminosas son dispositivos que mediante un proceso
físico transforman energía en una radiación electromagnética visible, que
denominamos luz. El sol, provee abundante cantidad de luz natural durante las
horas diurnas. Es la fuente de luz por excelencia de la vida diaria.
Sin embargo, el hombre ha creado otros medios de iluminar, que pueden ser
usados a voluntad en los lugares y oportunidades en los cuales los iluminantes
naturales no están disponibles.
Las primeras fuentes luminosas empleadas por el hombre estuvieron basadas
en alguna forma de combustión: el fuego, las antorchas, las velas, etc. Las
lámparas más antiguas de que se tienen noticias aparecieron en el antiguo
Egipto hacia el año 3000 a.C. y consistían en piedras ahuecadas rellenas de
aceite, con fibras vegetales como mechas. Ya en la Edad Media, se fabricaban
velas empleando sebo de origen animal. Más tarde, se reemplazó el sebo por
cera de abejas o parafina. Las velas modernas pueden considerarse como la
evolución de estas lámparas de grasa, pero su uso actual es casi por completo
decorativo y ceremonial
Los griegos y romanos fabricaron lámparas de bronce o arcilla, con aceite de
oliva u otros aceites vegetales como combustible.
La evolución del diseño de estas lámparas condujo al agregado de
elementos reflectores para mejorar el aprovechamiento de la luz producida.
Con el correr del tiempo, se introdujeron muchas mejoras en el diseño y la
fabricación de estas lámparas, aunque sin lograr que produjeran luz de manera
razonablemente eficiente hasta 1874, cuando el químico suizo Argand inventó
una lámpara que usaba una mecha hueca para permitir que el aire alcanzara la
llama, obteniendo así una luz más intensa. Luego, a la lámpara de Argand se
le agregaría un cilindro de vidrio para proteger la llama y permitirle arder mejor.
Con el advenimiento de la industria del petróleo, el kerosén se transformaría en
el combustible más utilizado en este tipo de lámparas.
Alrededor del año 1800, se hizo muy común resolver el alumbrado de calles
con lámparas de gas, que funcionaban prescindiendo de la mecha.
Estas lámparas producían luz mediante una llama abierta caracterizada por un
parpadeo considerable.
Hacia el final del siglo XIX y principio del XX se inició el reemplazo de las
lámparas de gas por la lámpara eléctrica.
La primera lámpara eléctrica fue la lámpara de arco de carbón, presentada en
1801 por Humphrey Davy, aunque la luz eléctrica sólo se impondría a partir del
desarrollo de la lámpara incandescente por Joseph Sawn (Inglaterra) y Tomás
A. Edison (EE.UU.) trabajando independientemente.
Edison patentó su invención en 1879, transformándola posteriormente en el
éxito comercial que aún perdura.
Figura 3. Evolución de las Fuentes Lumínicas
La cantidad de fuentes luminosas de diversos tipos se ha visto enormemente
incrementada durante el siglo XX, considerando las mejoras introducidas a la
lámpara de Edison, la aparición de las lámparas de vapor de mercurio
alrededor de 1930, la presentación de las lámparas fluorescentes en la Feria
Mundial de 1939, la introducción de las lámparas de tungsteno halogenado
alrededor de 1950, la aparición de las lámparas de sodio de alta presión y las
de halogenuros metálicos en los años 1960, la introducción de las lámparas
fluorescentes compactas en la década del 1970 hasta el surgimiento de las
lámparas sin electrodos en los 1990. Dado el alto grado de dinamismo de esta
industria, es de esperar que la evolución de las fuentes luminosas continúe al
mismo ritmo en el presente siglo.
2.2 Generalidades de los sistemas de iluminación
Tanto los sistemas convencionales como los no convencionales se pueden
alimentar de la red doméstica de abastecimiento de energía eléctrica, pero los
sistemas no convencionales son especialmente interesantes para alimentarse
con energía proveniente de fuentes renovables.
A. Sistemas convencionales de iluminación
Estos sistemas emplean como luminarias a lámparas incandescentes,
lámparas de arco, lámparas de filamentos de carbono, lámparas
fluorescentes, etc. Debido a la naturaleza de las luminarias, sólo una parte de
la energía eléctrica consumida se transforma en energía luminosa, por lo que
los sistemas convencionales se consideran ineficientes.
B. Sistemas no convencionales de iluminación
Los sistemas no convencionales de iluminación se aplican en iluminación
ambiental, decorativa, puntual, funcional, etc.
Estos sistemas incorporan luminarias con un alto nivel de eficiencia, de baja
potencia y de intensidad lumínica aceptable, alimentadas de voltajes de 12V,
24V, 30V, 64V, etc.
2.2.1 Tipos de Lámparas Luminosas
• Incandescencia: Las lámparas incandescentes son bien conocidas en todas
las casas. Proporcionan una luz puntual que puede controlarse y dirigirse
fácilmente con un soporte. El 90% de la energía que consumen se convierte en
calor, lo que deja sólo un 10% para producir la luz.
• Lámparas fluorescentes: Estas lámparas son mucho más eficientes que las
incandescentes, ya que fundamentalmente se invierte la proporción de uso
energético en calor y luz, es decir, el 90% de la energía que consumen se
convierte en luz, lo que deja sólo un 10% para producir calor. La vida útil de
la lámpara es de unas 20.000 horas. La eficiencia disminuye a menor
temperatura. La tecnología actual (T-8, T-5) y los balastos electrónicos
pueden sustituir a los antiguos equipos de balasto magnético (T-12) y
permitir un ahorro energético del 30-40%.
• Sodio a baja presión: Estas lámparas tienen una vida larga (18.000 horas)
y son muy eficientes. Sin embargo, su rendimiento en color da un amarillo
monocromo, lo que hace que los colores de los vehículos, de la ropa y de las
señales de tráfico lleguen a confundirse, y resultan válidas únicamente en
casos muy contados (ciertos tipos de autopista, estacionamientos, etc.).
• Sodio a alta presión: Estas lámparas emiten una luz dorada y son las más
eficientes para el alumbrado público. Están disponibles en una gran variedad
de formas y tamaños, son aptas para muchos tipos de aparatos y tienen unas
características de control óptico muy buenas.
• Halógeno de metal: Estas lámparas son también muy eficientes y permiten un
control óptico bueno. Emiten una luz blanca y su rendimiento en color es
bueno. La vida útil es de unas 10.000 horas, duración que se ha visto
incrementada con la nueva tecnología “Pulse Start”.
• Vapor de mercurio: Ésta fue la primera luz “blanca” de descarga de alta
intensidad utilizada para el alumbrado de exteriores. Está comprobado que
estas lámparas siguen funcionando una vez finalizada su vida útil. No tienen
una buena reproducción de los colores y no resultan aptas para un alumbrado
eficiente en términos energéticos.
Tipo de lámpara Rango de potencia de Luminosidad Promedio Eficacia
la lámpara en el [lm/m²] de vida luminosa
mercado [W] útil [lm/W]
(horas)
Incandescencia 15-150 9-15 1000 7.5-20
Tubo fluorescente 18-58 43-76 12.500 18-22
Vapor de mercurio 50-400 30-49 24.000 40-63
Sodio a alta presión 50-400 67-128 24.000 70-130
Sodio a baja presión 18-180 69-152 18.000 100-183
Tabla 1. Tipos de lámpara y luminosidad.
2.3 ¿Qué es 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.
Esta definición de la energía solar fotovoltaica, aunque es breve, contiene
aspectos importantes sobre los cuales se puede profundizar:
1. La energía solar se puede transformar de dos maneras:
La primera utiliza una parte del espectro electromagnético de la energía
del sol para producir calor. A la energía obtenida se le llama energía
solar térmica. La transformación se realiza mediante el empleo de
colectores térmicos.
La segunda, utiliza la otra parte del espectro electromagnético de la
energía del sol para producir electricidad. A la energía obtenida se le
llama energía solar fotovoltaica. La transformación se realiza por medio
de módulos o paneles solares fotovoltaicos.
2. La energía solar fotovoltaica se utiliza para hacer funcionar lámparas
eléctricas, para iluminación o para hacer funcionar radios, televisores y otros
electrodomésticos de bajo consumo energético, generalmente, en aquellos
lugares donde no existe acceso a la red eléctrica convencional.
3. Es necesario disponer de un sistema formado por equipos 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.
Posteriormente, se explica el funcionamiento básico y las características más
importantes de cada uno de los componentes del sistema fotovoltaico.
La energía solar se encuentra disponible en todo el mundo. Algunas zonas del
planeta reciben más radiación solar que otras, sin embargo, los sistemas
fotovoltaicos tienen muchas aplicaciones. En el caso particular de México, los
sistemas fotovoltaicos son una alternativa muy interesante, desde las
perspectivas técnica y económica, pues la región dispone durante todo el
año de abundante radiación solar.
Según el mapa de la intensidad de radiación solar en diferentes regiones del
mundo América es una región muy privilegiada con respecto al recurso
solar disponible, aunque siempre es necesario evaluar el potencial solar de un
sitio específico donde se planea instalar un sistema fotovoltaico.
Figura 4. Mapa de la radiación solar en diferentes regiones del mundo.
Radiación solar media recibida en superficie, expresada en W/m2. Oscila
entre un máximo de unos 275 W/m2 en las regiones despejadas de nubosidad
del Sahara y Arabia, hasta un mínimo de 75 W/m2 en las islas brumosas del
Ártico. La media global es de 170 W/m2.
México tiene una alta incidencia de energía solar en la gran mayoría
de su territorio como lo muestra la figura 1.3; la zona norte es de las más
soleadas del mundo con una radiación media anual de aproximadamente
5 kW h/m2. Por lo que es uno de los países a nivel mundial que presenta
condiciones ideales para el aprovechamiento masivo de este tipo de
energía, sin embargo este potencial no se ha aprovechado ampliamente.
En la tabla 2 Se muestran los niveles de radiación solar en todo el país.
Figura 5. Radiación solar promedio anual en la República Mexicana
5.4 6.0 6.4 5.9 5.3 5.1 4.5 4.9 4.5 4.8 5.2 5.2 4.5 6.4 5.3
Tabla 2. Radiación global media en el País.
La energía del sol es un recurso de uso universal; por lo tanto, no se paga por
utilizar esta energía. Sin embargo, es importante recordar que para realizar la
transformación de energía solar en energía eléctrica se necesita de un sistema
fotovoltaico apropiado.
El costo de utilizar la energía solar no es más que el costo de comprar, diseñar,
instalar y mantener adecuadamente el sistema fotovoltaico.
Ventajas
Fuente inagotable de energía.
Escaso impacto ambiental.
No produce residuos perjudiciales para el medio ambiente.
Distribuida por todo el mundo.
No tiene más costos una vez instalados.
No hay dependencia de las compañías suministradoras.
Silenciosa
Tiene una vida útil superior a 25 años.
Resistente a condiciones climáticas extremas: granizo, viento,
etc.
No requiere mantenimiento complejo, solo limpieza del módulo
solar.
Se puede aumentar la capacidad instalada y la autonomía de la
instalación.
No consume combustible.
Desventajas
Se precisan sistemas de acumulación (baterías) que
contienen agentes químicos peligrosos.
Puede afectar a los ecosistemas por la extensión ocupada por los
paneles en caso de grandes instalaciones.
Impacto visual negativo si no se cuida la integración de los
modelos solares en el entorno.
Tabla 3. Ventajas y desventajas de la energía solar.
2.4 Energía Solar en México
En la actualidad se han desarrollado diversas instalaciones de paneles
fotovoltaicos conectados a la red y año con año crecen en capacidad y
generación, por ejemplo: el Parque Solar Fotovoltaico Bicentenario que se
instaló en el estado de Aguascalientes con una capacidad de 1MW.
Energía Solar
Al 2003 se tenían instalados más de 570,000 m2 de calentadores solares
planos, con una radiación promedio de 18,841 kJ/m2 y día, generando más de
270 Gigajoules para calentar agua. Al 2012 se espera un crecimiento de más
de 600,000 m2 de calentadores solares (Alcocer, 2008).
2.4.1 Situación nacional de la energía fotovoltaica
Es difícil estimar la magnitud del recurso solar disponible. En México,
Jiménez C. B. E efectuó una aproximación suponiendo que se instalan
captadores en una milésima parte de la superficie del país que tuviese una
eficiencia medía de conversión de 10% y que la radiación que incide
diariamente en cada metro fuera de 7 kW/h por metro cuadrado de superficie
horizontal. En estas condiciones, la energía sería de unos 50 mil millones de
kW/h al año. Pero para captarla se requiere instalar en promedio y de manera
distribuida, el equivalente de un cuadrado de más de treinta metros por lado
por cada km2 (Jiménez 2002).
En nuestro país en el desarrollo industrial y comercial de la energía solar se
inició a mediados de los años cuarenta con la fabricación de colectores solares
planos para calentamiento de agua de uso doméstico. Actualmente, el número
de fabricantes es muy reducido y se desconoce con exactitud la capacidad
instalada de fabricación, la producción anual, las técnicas de manufactura, las
superficies instaladas, el uso final, el tamaño del mercado así como su
crecimiento futuro.
La mayor parte de los colectores planos que se fabrican en nuestro país son de
temperatura intermedia (60 a 80° C) (Pilatowsky, 1999). En cuanto a las
aplicaciones, estas se han orientado a la solución de problemas energéticos en
el medio rural, en donde los sistemas propuestos son relativamente simples y
de baja potencia, en aplicaciones como purificación y distribución de agua,
secado y conservación de productos perecederos, electrificación de baja
potencia (iluminación, telecomunicación, señalización marítima y terrestre,
bombeo y refrigeración), calentamiento de agua y generación de electricidad
vía procesos térmicos, entre otros.
En México destaca el uso de dispositivos solares para el calentamiento de
agua de las albercas y uso doméstico. Existen varias ciudades cuyo consumo
de combustibles convencionales podría reducirse si se utilizaran colectores
solares planos como sistemas de apoyo a los calentadores tradicionales de
gas, tanto en residencias como en las industrias. Desafortunadamente, esto no
se ha dado en forma masiva. Aun cuando existen antecedentes de
instalaciones solares de calentamiento de agua en unidades habitacionales,
construidas en diferentes épocas y lugares, el seguimiento para determinar los
impactos sobre el ahorro de hidrocarburos y energéticos convencionales y la
reducción consecuente de los problemas ambientales no se ha realizado.
Nuestro país tiene algunas regiones (Sonora y Baja California) con el
promedio de radiación más alto del planeta. Estas zonas coinciden con
los desiertos que se hallan alrededor de los trópicos de Cáncer y de
Capricornio, y en ellas pueden construirse centrales de energía solar para
satisfacer la demanda que requiere México. Además, como en las zonas
desérticas el suelo es poco productivo y el clima contribuye a que no se
habiten, son las más apropiadas para construir plantas solares de varias
decenas de Mega watts de potencia.
Hoy en día, la energía solar en México, no contribuye significativamente a
satisfacer las necesidades nacionales de energía. Según algunas fuentes, en
1985 el petróleo y el gas natural ocupaban el primer lugar, con el 90.46% del
total de la demanda de energía. En segundo lugar se encontraba la biomasa,
con el 4.6%; la energía hidroeléctrica contribuía con el 3.3%; después seguía el
carbón, con el 1.5% y, finalmente, la energía geotérmica con el 0.2%. Por otro
lado, cabe mencionar que más de 20% de la población rural no tiene acceso a
la energía eléctrica. (SAECSA, 2010, Energía Solar)
El promedio diario de energía solar que llega a la República Mexicana es 5.5
kW/m². La utilización de la energía solar se ha probado con éxito como
alternativa para satisfacer las necesidades de electricidad en las comunidades
rurales. También se ha usado ampliamente en la vivienda. Cabe destacar el
hecho de que una casa puede ser autosuficiente, en lo que respecta al
consumo externo de energía, si se emplean algunos dispositivos solares y si la
arquitectura de la vivienda está diseñada para que el clima esté controlado
naturalmente con diversos sistemas solares llamados pasivos. De lo anterior se
desprende que el uso de la energía solar contribuye a eliminar nuestra
dependencia de los energéticos y a la descentralización energética.
Las dos principales desventajas del uso de la energía solar son, en primer
lugar, el costo elevado de los sistemas solares, en comparación con los
convencionales y, en segundo lugar, el mantenimiento de los sistemas solares.
Es necesario crear sistemas de almacenamiento de energía solar que sean
poco costosos, sencillos, eficientes y duraderos.
Sin embargo, estas desventajas pueden ser controladas por la
investigación básica y aplicada que se realice en México.
Los sistemas fotovoltaicos convierten directamente parte de la energía de la luz
solar en electricidad. Las celdas fotovoltaicas se fabrican principalmente con
silicio, el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre, el mismo
material semiconductor usado en las computadoras. Cuando el silicio se
contamina o dopa con otros materiales de ciertas características, obtiene
propiedades eléctricas únicas en presencia de luz solar. Los electrones son
excitados por la luz y se mueven a través del silicio; este es conocido como el
efecto fotovoltaico y produce una corriente eléctrica directa. Las celdas
fotovoltaicas no tienen partes móviles, son virtualmente libres de
mantenimiento y tienen una vida útil de entre 20 y 30 años.
La conversión directa de la parte visible del espectro solar es, quizá, la vía más
ordenada y estética de todas las que existen para el aprovechamiento de la
energía solar. Desafortunadamente esta tecnología no se ha desarrollado por
completo en México. Si bien los módulos fotovoltaicos son relativamente
simples, su fabricación requiere de tecnología sofisticada que solamente está
disponible en algunos países como Estados Unidos, Alemania, Japón y
España entre otros.
Transformación en electricidad: es la llamada energía solar fotovoltaica que
permite transformar en electricidad la radiación solar por medio de células
fotovoltaicas integradas en módulos fotovoltaicos. Esta electricidad se puede
utilizar de manera directa, se puede almacenar en acumuladores para un uso
posterior, e incluso se puede introducir en la red de distribución eléctrica, esto
representa una de las fuentes de energías renovables con mayores
posibilidades a futuro.
2.4.2 Sistemas fotovoltaicos en México
En México durante el año 2009 casi 3,3 MW de energía fotovoltaica se han
instalado, con lo que la capacidad instalada acumulada pasa a más de
25 MW. El porcentaje de conectados a la red de la capacidad fotovoltaica
ascendieron a cerca de una cuarta parte del mercado anual en el 2009. A
finales de 2009, fuera de la red doméstica, las aplicaciones siguió dominando
el mercado FV que representan el 72% de la potencia instalada acumulada
FV del sector privado.
Un sistema de 400 kW se instaló en las instalaciones de una ensambladora de
automóvil americano en el estado norteño de Coahuila. Además, una de las
principales cadenas de supermercados continuó con su programa de
incorporación de energías renovables para el suministro de energía verde a
sus tiendas, la instalación de 200 kW montado en el techo del sistema
fotovoltaico en la ciudad de La Paz.
El impulso para el crecimiento de los sistemas FV mercado también continuó
con la participación a nivel gubernamental a través de la emisión de normas
relativas a la Ley de Aprovechamiento de Energías Renovables y el
Financiamiento de la Transición Energética (lanzado durante el tercer trimestre
de 2009). En este sentido, un modelo de proyecto permitiría la interconexión de
los sistemas fotovoltaicos con capacidades de hasta 500 kW el cual fue emitido
por la Comisión de Regulación de Energía.
2.4.3 ¿Qué es un sistema fotovoltaico?
Un conjunto de equipos construidos e integrados especialmente para realizar
cuatro funciones fundamentales:
Transformar directa y eficientemente la energía solar en energía
eléctrica.
Almacenar adecuadamente la energía eléctrica generada.
Proveer adecuadamente la energía producida (el consumo) y
almacenada.
Utilizar eficientemente la energía producida y almacenada.
En el mismo orden antes mencionado, los componentes fotovoltaicos
encargados de realizar las funciones respectivas son:
I. El módulo o panel fotovoltaico.
II. La batería.
III. El regulador de carga y el inversor.
IV. Las cargas de aplicación (el consumo).
Figura 6. Esquema simple de un sistema
fotovoltaico
En instalaciones fotovoltaicas pequeñas es frecuente, además de los equipos
antes mencionados, el uso de fusibles para la protección del sistema. En
instalaciones medianas y grandes, es necesario utilizar sistemas de protección
más complejos y, adicionalmente, sistemas de medición y sistemas de control
de la carga eléctrica generada.
2.5 Componentes de Un sistema Fotovoltaico.
2.5.1 Módulos fotovoltaicos
La transformación directa de la energía solar en energía eléctrica se realiza en
un equipo llamado módulo o panel fotovoltaico. Los módulos o paneles solares
son placas rectangulares formadas por un conjunto de celdas fotovoltaicas
protegidas por un marco de vidrio y aluminio anodizado.
Celdas fotovoltaicas:
Una celda fotovoltaica es el componente que capta la energía contenida en la
radiación solar y la transforma en una corriente eléctrica, basado en el efecto
fotovoltaico que produce una corriente eléctrica cuando la luz incide sobre
algunos materiales.
Las celdas fotovoltaicas son hechas principalmente de un grupo de minerales
semiconductores, de los cuales el silicio, es el más usado. El silicio se
Figura 7. Módulo fotovoltaico típico.
encuentra abundantemente en todo el mundo porque es un componente
mineral de la arena. Sin embargo, tiene que ser de alta pureza para lograr el
efecto fotovoltaico, lo cual encarece el proceso de la producción de las celdas
fotovoltaicas.
Una celda fotovoltaica tiene un tamaño de 10 por 10 centímetros y produce
alrededor de un vatio a plena luz del día. Normalmente las celdas fotovoltaicas
son color azul oscuro.
La mayoría de los paneles fotovoltaicos constan de 36 celdas fotovoltaicas.
Marco de vidrio y aluminio:
Estos elementos tienen la función principal de soportar mecánicamente a las
celdas fotovoltaicas y de protegerlas de los efectos degradantes de la
intemperie, por ejemplo: humedad y polvo. Todo el conjunto de celdas
fotovoltaicas y sus conexiones internas se encuentra completamente aislado
del exterior por medio de dos cubiertas, una frontal de vidrio de alta resistencia
a los impactos y una posterior de plástico EVA (acetato de vinil etileno).
El vidrio frontal es anti-reflejante para optimizar la captación de los rayos
solares. El marco de aluminio también tiene la función de facilitar la fijación
adecuada de todo el conjunto a una estructura de soporte a través de orificios
convenientemente ubicados.
Figura 8. Conjunto de paneles fotovoltaicos típicos y su estructura metálica de soporte.
Tipos de módulos fotovoltaicos:
Existe en el mercado fotovoltaico una gran variedad de fabricantes y modelos
de módulos solares. Según el tipo de material empleado para su fabricación, se
clasifican en:
Módulos de silicio monocristalino: son los más utilizados debido a su
gran confiabilidad y duración, aunque su precio es ligeramente mayor
que los otros tipos.
Módulos de silicio policristalino: son ligeramente más baratos que los
módulos de silicio monocristalino, aunque su eficiencia es menor.
Módulos de silicio amorfo: tienen menor eficiencia que los módulos de
silicio monocristalino de silicio policristalino, pero un precio mucho
menor. Además son delgados y ligeros, hechos en forma flexible, por lo
que se pueden instalar como parte integral de un techo o pared.
Figura 9. Módulos Fotovoltaicos.
Rendimiento y Dimensiones:
Las células fotovoltaicas cristalinas proporcionan un voltaje en circuito abierto
de 0,5 voltios aproximadamente, independientemente del tamaño que tengan.
La corriente eléctrica que producen es de unos 0,25 amperios (250
miliamperios) por cada pulgada cuadrada de célula. Las células de un panel se
conectan en serie hasta obtener el voltaje deseado, pero al igual que las
baterías conectadas en serie, ese conexionado no aumenta su capacidad de
generar corriente. Por ejemplo, un panel con 36 células de cinco pulgadas
produciría unos 18 voltios capaces de producir una intensidad de corriente de 5
amperios, lo que significa una potencia de unos 90 vatios.
Figura 10. Rendimiento y Dimensiones de las células fotovoltaicas.
La capacidad energética nominal de los módulos fotovoltaicos se indica en
vatios-pico (Wp), lo cual indica la capacidad de generar electricidad en
condiciones óptimas de operación.
La capacidad real de un módulo fotovoltaico difiere considerablemente de su
capacidad nominal, debido a que bajo condiciones reales de operación la
cantidad de radiación que incide sobre las celdas es menor que bajo
condiciones óptimas. Por ejemplo, un módulo de 55 Wp es capaz de producir
55 W más o menos un 10 % de tolerancia cuando recibe una radiación solar de
1.000 vatios por metro cuadrado (W/m2) y sus celdas poseen una temperatura
de 25 ºC. En condiciones reales, este mismo módulo produciría una potencia
mucho menor que 55 W dependiendo del fabricante y de la temperatura de
trabajo, el cual puede oscilar entre 70-85%.
En el mercado, se pueden encontrar módulos fotovoltaicos de baja potencia,
desde 5 Wp; de potencia media, por ejemplo 55 Wp; y de alta potencia, hasta
160 Wp. En aplicaciones de electrificación rural suelen utilizarse paneles
fotovoltaicos con capacidades comprendidas entre los 50 y 100 Wp.
La vida útil de un panel fotovoltaico puede llegar hasta 30 años, y los
fabricantes generalmente otorgan garantías de 20 o más años. El
mantenimiento del panel solamente consiste de una limpieza del vidrio para
prevenir que las celdas fotovoltaicas no puedan capturar la radiación solar.
La elección apropiada del tipo y capacidad del módulo fotovoltaico depende de
las características propias de la instalación fotovoltaica, tales como la radiación
solar existente y el consumo energético requerido.
2.5.2 Baterías
Debido a que la radiación solar es un recurso variable, en parte previsible (ciclo
día-noche), en parte imprevisible (nubes, tormentas); se necesitan equipos
apropiados para almacenar la energía eléctrica cuando existe radiación y para
utilizarla cuando se necesite. El almacenamiento de la energía eléctrica
producida por los módulos fotovoltaicos se hace a través de las baterías. Estas
baterías son construidas especialmente para sistemas fotovoltaicos.
Las baterías fotovoltaicas son un componente muy importante de todo el
sistema pues realizan tres funciones esenciales para el buen funcionamiento
de la instalación:
• Almacenan energía eléctrica en periodos de abundante radiación solar y/o
bajo consumo de energía eléctrica. Durante el día los módulos solares
producen más energía de la que realmente se consume en ese momento. Esta
energía que no se utiliza es almacenada en la batería.
• Proveen la energía eléctrica necesaria en periodos de baja o nula radiación
solar.
Normalmente en aplicaciones de electrificación rural, la energía eléctrica se
utiliza intensamente durante la noche para hacer funcionar tantas lámparas o
bombillas como de televisores o radios, precisamente cuando la radiación solar
es nula. Estos aparatos pueden funcionar correctamente gracias a la energía
eléctrica que la batería ha almacenado durante el día.
• Proveen un suministro de energía eléctrica estable y adecuada para la
utilización de aparatos eléctricos. La batería provee energía eléctrica a un
voltaje relativamente constante y permite, además, operar aparatos eléctricos
que requieran de una corriente mayor que la que puede producir los paneles
(aún en los momentos de mayor radiación solar). Por ejemplo, durante el
encendido de un televisor o durante el arranque de una bomba o motor
eléctrico.
Características de las baterías
En su apariencia externa este tipo de baterías no difiere mucho de las
utilizadas en automóviles. Sin embargo, internamente las baterías para
aplicaciones fotovoltaicas están construidas especialmente para trabajar con
ciclos de carga/descarga lentos.
Las baterías para sistemas fotovoltaicos generalmente son de ciclo profundo,
lo cual significa que pueden descargar una cantidad significativa de la energía
cargada antes de que requieran recargarse. En comparación, las baterías de
automóviles están construidas especialmente para soportar descargas breves
pero superficiales durante el momento de arranque; en cambio, las baterías
fotovoltaicas están construidas especialmente para proveer durante muchas
horas corrientes eléctricas moderadas. Así, mientras una batería de automóvil
puede abastecer sin ningún problema 100 amperios durante 2 segundos, una
batería fotovoltaica de ciclo profundo puede abastecer 2 amperios durante 100
horas.
Figura 11. Batería para sistemas fotovoltaicos.
Aunque el costo inicial es más bajo, no es recomendable utilizar baterías de
automóviles en sistemas fotovoltaicos dado que no han sido construidas para
estos fines. Las consecuencias más graves del empleo de batería de
automóviles son:
a) La vida útil de este tipo de baterías se acorta considerablemente,
b) los procesos de carga/descarga se hacen ineficientemente.
Así, el ahorro en costos que puede tener comprar baterías de automóviles (en
lugar de baterías fotovoltaicas) se pierde ante la necesidad de reemplazarlas
frecuentemente.
La capacidad de la batería se mide en “amperios-hora (Ah)”, una medida
comparativa de la capacidad de una batería para producir corriente. Dado que
la cantidad de energía que una batería puede entregar depende de la razón de
descarga de la misma, los Ah deben ser especificados para una tasa de
descarga en particular. La capacidad de las baterías fotovoltaicas en Ah se
especifica frecuentemente a una tasa de descarga de 100 horas (C-100).
La capacidad de la batería para un sistema fotovoltaico determinado se
establece dependiendo de cuanta energía se consume diariamente, de la
cantidad de días nublados que hay en la zona y de las características propias
de la batería por utilizar. Además, se recomienda usar, cuando sea posible,
una sola batería con la capacidad necesaria. El arreglo de dos o más baterías
en paralelo presenta dificultades de desbalance en los procesos de
carga/descarga. Estos problemas ocasionan algunas veces la inversión de
polaridad de las placas y, por consiguiente, la pérdida de capacidad de todo el
conjunto de baterías. También se recomienda colocarlas en una habitación
bien ventilada y aislada de la humedad del suelo. Durante el proceso de carga
se produce gas hidrógeno en concentraciones no tóxicas, siempre y cuando el
local disponga de orificios de ventilación ubicados en la parte superior de la
habitación.
Después que las baterías hayan alcanzado su vida útil, deberán ser retiradas y
llevadas a centros de reciclaje autorizados (en el caso de algunos proveedores,
con la venta de la batería se responsabilizan también del retiro y reciclaje). Por
ningún motivo deben desecharse en campos abiertos o basureros, pues el
derrame de la solución de ácido sulfúrico que contienen ocasiona graves daños
al suelo, personas y animales. Finalmente, es importante mantener alejados a
los niños de las baterías para evitar cortocircuitos o accidentes.
Al igual a lo que sucede con los módulos fotovoltaicos, se recomienda la ayuda
de un conocedor del tema para que sugiera el tipo de batería que más
conviene a una instalación fotovoltaica particular. En términos generales, se
deben adquirir baterías fotovoltaicas de calidad, que cumplan las
especificaciones mínimas que se determinen para cada proyecto en particular.
Estas deben ser baterías especiales para sistemas fotovoltaicos.
Mantenimiento y vida útil:
Diferentes tipos y modelos de baterías requieren diferentes medidas de
mantenimiento. Algunas requieren la adición de agua destilada o electrolito,
mientras que otras, llamadas ‘baterías libre de mantenimiento’, no lo necesitan.
Generalmente, la vida útil de una batería de ciclo profundo es entre 3 y 5 años,
pero esto depende en buena medida del mantenimiento y de los ciclos de
carga/descarga a los que es sometida. La vida útil de una batería llega a su fin
cuando esta "muere súbitamente" debido a un cortocircuito entre placas o bien
cuando ésta pierde su capacidad de almacenar energía debido a la pérdida de
material activo de las placas.
Las baterías para aplicaciones fotovoltaicas son elementos bastante sensibles
a la forma como se realizan los procesos de carga y descarga. Si se carga una
batería más de lo necesario, o si se descarga más de lo debido, ésta se daña.
Normalmente, procesos excesivos de carga o descarga tienen como
consecuencia que la vida útil de la batería se acorte considerablemente.
Debido a que el buen estado de la batería es fundamental para el
funcionamiento correcto de todo el sistema y a que el costo de la batería puede
representar hasta un 15-30 % del costo total, es necesario disponer de un
elemento adicional que proteja la batería de procesos inadecuados de carga y
descarga. Este elemento es conocido como regulador o controlador de carga.
2.5.3 El Regulador o Controlador de Carga
El control de carga cumple dos funciones: garantiza un régimen de carga
adecuado para las baterías, y evita la descarga de las mismas a través de los
paneles durante la noche, cuando el voltaje de salida es nulo. Su función es
análoga a la del sistema de carga de batería en un automotor. Si no se usare
un control el régimen de carga podría sobrecargar las baterías. Esta condición,
acorta la vida útil de las mismas. Muchos fabricantes de controles de carga
adicionan, en algunos modelos, funciones auxiliares dentro del producto. La
más común es la de monitoreo del proceso de carga. El fusible de baterías es
incorporado al sistema como un elemento de seguridad.
Figura 12. Típico regulador de carga fotovoltaico.
Existen dos formas de trabajo para el Control de Carga (CdC): control en serie
y control en paralelo.
La Figura 13 y 14 ilustra cómo las dos versiones varían el valor de la corriente
de carga.
Control serie: En esta versión, la acción de control toma lugar en serie con
el circuito de carga, abriéndolo y cerrándolo intermitentemente,
dependiendo del voltaje de batería. Durante la noche, el circuito de carga
permanece abierto, evitando que las baterías se descarguen a través de
los mismos (diodo N-P polarizado para conducir por el voltaje de batería).
Figura 13. Control de carga serie.
Control paralelo: La acción de control en estos modelos actúa desviando,
en forma intermitente, la corriente de carga a una carga ficticia (dummy
load, en inglés) la que queda conectada en paralelo con el circuito de carga.
Como el circuito de carga no se abre, para evitar la descarga de las
baterías, se conecta un diodo de bloqueo del lado de batería. La presencia
del mismo crea pérdidas de potencia y reduce el valor máximo del voltaje
de carga. Esto hace que los controles paralelos sean menos eficientes que
la versión en serie, y por ello la mayoría de los controles ofrecidos a la
venta son del tipo serie.
Figura 14. Control de carga paralelo.
Generalmente, el regulador de carga es uno de los elementos más confiables
de todo sistema fotovoltaico, siempre y cuando se dimensione e instale
correctamente.
2.5.4 El Inversor
Proveer adecuadamente energía eléctrica no sólo significa hacerlo en forma
eficiente y segura para la instalación y las personas; sino que, también significa
proveer energía en la cantidad, calidad y tipo que se necesita.
El tipo de la energía se refiere principalmente al comportamiento temporal de
los valores de voltaje y corriente con los que se suministra esa energía.
Algunos aparatos eléctricos, como lámparas, radios y televisores funcionan a
12 voltios (V) de corriente directa, y por lo tanto pueden ser energizados a
través de una batería cuyo voltaje se mantiene relativamente constante
alrededor de 12 V.
Por otra parte, hay lámparas, radios y televisores que necesitan 120 V o 110 V
de corriente alterna para funcionar. Estos aparatos eléctricos se pueden
adquirir en cualquier comercio pues 120 o 110 son los voltajes con los que
opera el 95% de los electrodomésticos en México conectados a la red pública
convencional.
Los módulos fotovoltaicos proveen corriente directa a 12 o 24 Voltios por lo que
se requiere de un componente adicional, el inversor, que transforme, a través
de dispositivos electrónicos, la corriente directa a 12 V de la batería en
corriente alterna a 120 V.
Existe una amplia variedad de inversores para aplicaciones domésticas y usos
productivos en sitios aislados, tanto en calidad como en capacidad. Con ellos,
se pueden utilizar lámparas, radios, televisores pequeños, teléfonos celulares,
computadoras portátiles, y otros.
Finalmente, un sistema fotovoltaico incluye las cargas o aparatos eléctricos
que se van a utilizar y que consumen la corriente generada o almacenada. Los
ejemplos más comunes son lámparas, radios, televisores, teléfonos celulares
para uso doméstico, refrigeradores de vacunas, equipos profesionales de
radiocomunicación y; bombas y motores para usos productivos dependiendo
de la capacidad del sistema fotovoltaico.
La selección de estas cargas es tan importante como la del resto de equipos
fotovoltaicos; por ello, hay dos aspectos por considerar cuando se utilizan
aparatos que se energizarán a través de un sistema fotovoltaico:
a) El consumo diario de energía del conjunto de aparatos eléctricos no
debe sobrepasar la cantidad de energía diaria producida por el sistema
fotovoltaico. Es importante recordar que la disponibilidad diaria de
energía eléctrica de los sistemas fotovoltaicos es variable pues depende
de la radiación solar disponible, del estado de carga de la batería y de la
capacidad de los equipos fotovoltaicos instalados, especialmente de la
capacidad total de los módulos fotovoltaicos.
Por lo tanto, la energía disponible es limitada y hay que utilizar
racionalmente los aparatos.
Es recomendable hacer uso, en la medida de lo posible, de aparatos
modernos de bajo consumo energético y alta eficiencia. Por ejemplo, se
descarta el uso de bombillos incandescentes, planchas eléctricas y
hornos eléctricos.
b) La necesidad de utilizar aparatos a 120 V determina la instalación o no
de un inversor: Es importante tener en cuenta el tipo de energía que
necesitan los aparatos eléctricos que se van a utilizar con el fin de
determinar si se necesita o no un inversor.
En la decisión hay que tomar en cuenta que el inversor implica un costo
adicional del sistema, y que en el mercado se ofrecen varios aparatos
electrodomésticos que funcionan a 12 Voltios, por ejemplo: radios de
vehículos, lámparas fluorescentes, etc.
Figura 15. Convertidor de corriente directa a corriente alterna.
La suma instantánea de las potencias individuales de cada uno de los aparatos
por emplear no debe ser mayor que la capacidad máxima en vatios (W) del
inversor. Se recomienda utilizar inversores construidos especialmente para
aplicaciones fotovoltaicas y sobredimensionar la capacidad de éstos en un 20-
30% para prevenir expansiones futuras en la instalación. Por ejemplo, si se
tiene un inversor de 300 W de potencia nominal es posible utilizar
simultáneamente un máximo de 20 lámparas de 15 W cada una, o emplear
simultáneamente un televisor de 75 W más 15 lámparas de 15 W, o cualquier
combinación de aparatos cuya suma de potencias instantáneas sea igual o
menor que 300 W.
La utilización de un inversor no imposibilita el uso de aparatos en corriente
continua (CC). Por lo tanto, una instalación fotovoltaica que disponga de un
inversor puede proveer energía tanto a cargas de CC como a cargas de
corriente alterna (CA). Esto es, la conversión de energía solar a energía
eléctrica mediante celdas fotovoltaicas produce, en forma directa CC; así, de
esta sección podemos hacer una derivación para alimentar todos los equipos
que funcionaran con CC y sacar una segunda derivación al cual conectaremos
el inversor y de la misma alimentar todos los equipos que funcionaran en CA
como puede observarse en la figura 16.
Figura 16. Diagrama de un sistema fotovoltaico mixto (CC-AC).
2.6 Materiales Y Herramientas Para la Instalación de Iluminarias
Para la instalación de una iluminaria fotovoltaica es necesaria la utilización de
diferentes componentes, herramientas y materiales los cuales se muestran a
continuación.
2.6.1 Arrancador
Es un elemento electrónico o electromecánico capaz de producir por sí
mismo o en conjunto con el balasto un impulso de tensión de cierta duración y
repetición, necesario para iniciar la descarga eléctrica en las bombillas de
sodio de alta presión y halogenuros metálicos.
Figura 17: Arrancador de un Sistema eléctrico
Las bombillas de alta intensidad de descarga poseen características de
resistencia negativa por lo tanto deben operar en forma conjunta con un
dispositivo limitador de corriente o balasto para mantener la corriente que
circula por la bombilla dentro de ciertos valores que garanticen su
funcionamiento adecuado y duradero.
Este elemento auxiliar cumple con las siguientes características para que la
lámpara opere en óptimas condiciones:
Proveer una tensión controlada para el arranque o precalentamiento de
los electrodos de la lámpara.
Suministrarla tensión y corriente controlada tanto para iniciar el arco
entre los electrodos de la lámpara como para su funcionamiento correcto.
Controlar y limitar los valores de tensión y corriente en sus
valores adecuados para conservar el buen funcionamiento de la lámpara.
2.6.2 Condensador
Es un dispositivo compuesto por dos materiales conductores llamados placas,
paralelos entre sí, separados por un material aislante, cuya propiedad,
fenómeno llamado capacitancia, es la de almacenar energía eléctrica después
de conectar las placas a una fuente de energía. Su función en el caso de las
luminarias, es mejorar el factor de potencia en balasto reactor y ayuda a
regular la potencia en balastos CWA (autotransformador de potencia
constante).
Figura 18. Condensador Eléctrico
2.6.3 Balasto
Las bombillas de alta intensidad de descarga, se deben usar con un dispositivo
auxiliar llamado balastro, el cual cumple la función de generar el arco eléctrico
que requiere la bombilla durante el proceso de encendido y
mantenerlo posteriormente, limitando también la intensidad de corriente
que fluye por el circuito del tubo para que puedan funcionar correctamente.
Los balastos electromagnéticos más utilizados para bombillas de sodio de alta
presión y halogenuros metálicos son:
• Reactor serie o Reactor.
• Autotransformador de potencia constante (CWA).
Balasto reactor
Este tipo de balasto se compone esencialmente de una bobina de alambre,
devanadas sobre un núcleo de hierro laminado que conforma el circuito
magnético, su conexión es enserie con la bombilla y se adiciona un
condensador (tipo seco normalmente) a través de la línea, en paralelo con el
conjunto lámpara- balasto para corregir el factor de potencia del sistema, este
puede ser corregido a más del 90%. La función principal de este tipo de
balasto es limitar la corriente que alimenta a la lámpara.
Estos balastos son relativamente pequeños, livianos y de bajas perdidas, tiene
un factor de cresta bajo que hace que las bombillas prolonguen su vida útil.
La corriente de arranque es alta, proporcionando un calentamiento rápido a la
bombilla, la cual suministra el flujo luminoso normal en poco tiempo.
Balasto autorregulado CWA (autotransformador de potencia constante)
Figura19. Balasto
Este tipo de balasto se compone de dos bobinas de alambre, devanadas sobre
dos ramales diferentes de un núcleo de hierro laminado que conforma el
circuito magnético, su conexión es en paralelo con la red y en serie con la
bombilla e incorpora un capacitor en serie con la inductancia, para lograr los
efectos de regulación de potencia requeridos.
El balasto CWA está formado por un autotransformador elevador de alta
resistencia de dispersión. Con un capacitor en serie con lámpara. El uso del
capacitor permite a la lámpara operar con mejor estabilidad frente a las
variaciones de la línea. La tensión a circuito abierto es la mínima necesaria
para encender la lámpara. El factor de potencia es 0,9. Sus
características de regulación son superiores a las del reactor, ya que una
fluctuación del 10% de voltaje origina una variación en la potencia de lámpara
del 15%. Este balasto admite una caída de tensión sin apagarse del 20 al 40%
manteniendo su potencia regulada.
Su función principal es limitar la corriente de arranque y de operación de la
bombilla, estableciendo los parámetros de funcionamiento de tensión y
potencia.
Figura 20. Balasto CWA (autotransformador de potencia constante).
En el balasto autotransformador de potencia constante, el primario
está compuesto por una sola bobina que va conectada a la tensión de línea y
de una derivación de la bobina primaria va conectada a la bobina secundaria a
través de un condensador en serie estas dos últimas partes forman el circuito
regulador como se observa en la figura anterior. Parámetros eléctricos a
analizar en los balastos
Factor de potencia
El balasto reactor posee un factor de potencia bajo (aproximadamente de 0.5),
sólo contiene un inductor que se conecta en serie con la lámpara. El mismo se
emplea cuando la tensión de línea supera el valor de la tensión de encendido
de la lámpara, y dado que sus características de regulación son pobres, no se
recomienda para instalaciones con variaciones de tensión pronunciadas.
El balasto CWA (autotransformador de potencia constante) posee un alto factor
de potencia, consta de un inductor que se conecta en serie con la lámpara y un
capacitor en paralelo con la red, que no afecta la operación de la lámpara. En
consecuencia también se usa cuando la tensión de línea es mayor que el valor
de la tensión de encendido, y posee gran capacidad de regulación.
Potencias
En los balastos para bombillas de sodio y metal halide, también deben
analizarse las diferentes potencias:
• Potencia de entrada.
• Potencia útil.
• Perdidas de potencia.
Cada bombilla sea para luz de sodio o metal halide viene diseñada para una
potencia determinada en vatios (W), y el balasto se debe diseñar de forma tal
que garantice una potencia útil a la bombilla de por lo menos el 92.5% de la
potencia nominal de esta cuando se tiene el voltaje nominal y así lograr un flujo
luminoso adecuado de dicha lámpara.
Lo anterior, se debe complementar garantizando unas pérdidas bajas de
potencia en el balasto, es decir, con una potencia de entrada adecuada, ya que
no se obtiene ningún beneficio cuando se entrega a la bombilla una buena
potencia útil, pero a costa de altas perdidas y de una potencia de entrada
elevada que se va traducir en el tiempo, en elevados costos por consumo de
energía.
Temperatura máxima de operación
Es la temperatura máxima a la que puede estar sometido el
arrollamiento, teniendo en cuenta su propio calentamiento como el de su
entorno, de tal forma que si no se supera dicha temperatura, la vida de la
reactancia, funcionando en condiciones normales, debería ser de un mínimo de
10 años (según la norma).
Factor de cresta
El factor de cresta es la relación que existe entre el valor pico y el valor eficaz
de la onda de corriente de la bombilla, es la característica del balasto más
estrechamente relacionada con la duración de la bombilla.
El factor de cresta en bombillas de alta intensidad de descarga como las
bombillas de sodio y metal halide, el valor permitido por las normas de
fabricación debe ser menor a 1.8
De la correcta instalación de los diferentes tipos de balasto depende el buen
funcionamiento de la lámpara, para su buen funcionamiento se recomienda
seguir las instrucciones y el diagrama de conexiones que está en las
etiquetas del balasto, además se debe tener especial cuidado con los
siguientes aspectos:
• Temperatura ambiente
• Voltaje de alimentación
• Potencia de entrada.
• Potencia útil.
• Perdidas.
• Rendimiento.
• Conexión a tierra.
• Montaje mecánico del balasto.
• Factor de balasto.
• Factor de potencia.
• Distorsión armónica de corriente.
Clasificación de los balastos
Clasificación según su instalación
Los balastos se clasifican según su tipo de instalación, como se describe a
continuación.
a. Independientes: Aquellos que pueden ser instalados separados de la
luminaria. Para ello llevarán un tratamiento superficial especial para
soportar las condiciones de intemperie y un grado de protección adecuado al
lugar donde se instalen. Normalmente son balastos que van
encapsulados en resina dentro de una envolvente adecuada.
b. Integrados: Balasto destinado a ser instalado dentro de una luminaria o
recinto similar, no debe ser instalado fuera de la luminaria.
c. Incorporados: Es aquél que constituye un elemento no reemplazable de la
luminaria.
Clasificación según su funcionamiento
Los balastos se clasifican según su funcionamiento en dos grupos, como
se describe a continuación.
a. Balasto electromagnético
Los balastos electromagnéticos están compuestos por un gran número de
bobinas de cobre sobre un núcleo de hierro laminado. Cuando por el
arrollamiento pasa una corriente, se crea una tensión opuesta a la causa que
la produce, la tensión de red. En las lámparas de descarga, para una tensión
fija, la corriente tiende a crecer indefinidamente y por lo tanto en el balasto
tenderá a crecer también la tensión opuesta a la de red, llegándose al final a un
equilibrio con la lámpara hasta que queda fija su tensión e intensidad
(estabilización). Este equilibrio se podrá romper con variaciones en la
excitación (tensión de red). Así, para cada tensión de red se necesita un
balasto diferente.
b. Balasto electrónico
Los balastos electrónicos tienen un principio de funcionamiento, en cuanto a su
labor de limitación de corriente, idéntico a los electromagnéticos. Al aumentar
mucho la frecuencia, para una cierta tensión en el balasto y una intensidad de
lámpara, la inductancia será mucho más pequeña y por lo tanto las
dimensiones de la reactancia y sus pérdidas también lo serán. Los balastos
electrónicos constan de un circuito que convierte la tensión de red en una señal
de alta frecuencia (alrededor de 40 kHz.) que se aplica a un balasto
electromagnético muy pequeño. Además incorporan circuitos para la
compensación de potencia y para el encendido de las lámparas HID (descarga
de alta intensidad). Los balastos electrónicos en comparación con los
electromagnéticos presentan ventajas como menores perdidas pueden
aumentar la vida útil de la lámpara, posee encendido instantáneo, alto factor de
potencia y filtros de entrada que limitan y mantienen el nivel de armónicos.
Conexión de los de balastos
La conexión de los balastos varía dependiendo del tipo de balasto que se conecte al circuito como se muestra a continuación.
Balasto reactor
En la figura 21 se observar la conexión del balasto reactor, este va conectado
en serie con la bombilla, la tensión mínima a la cual debe ser conectado este
tipo de balasto debe ser aproximado a 1.5 o más veces la tensión nominal de
operación de la bombilla, se adiciona un capacitor en paralelo con el
conjunto balasto bombilla para corregir el factor de potencia.
Regulación de potencia
Los balastos para bombillas de sodio alta presión y halogenuros metálicos
deben cumplir los siguientes rangos de regulación de potencia:
• Los balastos tipo reactor deben garantizar que variaciones de tensión de
entrada entre ±5%, genere como máximo una variación de 12% en la
potencia nominal suministrada a la bombilla de sodio y máximo 15% para
lámparas de metal halide.
• Los balastos tipo CWA (autotransformador de potencia constante) deben
garantizar que variaciones de tensión de entrada entre ±10%, genere como
máximo una variación de 5% en la potencia nominal suministrada a la
bombilla.
• Los balastos tipo CWA (autotransformador de potencia constante) para
bombillas de sodio solo se podrán usar cuando las variaciones de tensión de la
red de alimentación superen los valores de operación para el balasto tipo
reactor la cual está definida en 5% de la tensión nominal.
Figura 22. Conexión del balasto reactor
Balasto CWA (autotransformador de potencia constante).
En la figura se observa la conexión del balasto autotransformador de potencia
constante, Este tipo de balasto se compone de dos bobinas de alambre,
devanadas sobre dos ramales diferentes de un núcleo de hierro laminado que
conforma el circuito magnético, Su conexión es en paralelo con la red y en
serie con la bombilla, la tensión mínima para la cual se pueden usar este tipo
de balastos no está limitada por la tensión de operación de la bombilla,
incorpora un capacitor en serie con la inductancia, para lograr los efectos de
regulación requeridos.
Figura 23. Conexión Autotransformador de Potencia Constante
Los balasto tipo reactor y los balastos CWA (autotransformador de potencia
constante) poseen ventajas y desventajas en su funcionamiento como se
muestra en la siguiente tabla.
Tipo Balasto Ventajas Desventajas
Reactor
Bajo costo
Liviano y pequeño
Bajas perdidas eléctricas
Bajo factor de potencia.Regulación (5% V / 12% W). Corriente de operación alta. Corriente de arranque mayor. Bajo grado de protección, no aísla la carga de la entrada.
CWA (Autotransformador
de potencia constante).
Regulación (10% V / 5% W) Alto factor de potencia (90%)Altos voltajes de arranque y reencendido (halogenuros metálicos) Corriente de operación baja Corriente de arranque menor
Alto costo inicial (160%). Altas pérdidas eléctricas(±20% Potencia nominal). Bajo grado de protección, noAísla la carga de la entrada. Condensador particular a Cada balasto (marca).
Tabla 5. Ventajas y desventajas de los tipos de balastos electromagnéticos
Diagrama de conexión del balasto
Al realizar la conexión del balasto se deben seguir las pautas que indica el
diagrama de conexión de cada tipo de balasto, todos los balastos traen
impreso su diagrama de conexión de tal forma que este no se borre fácilmente,
este diagrama indica la correcta conexión del balasto con los demás
componentes eléctricos de la luminaria. Como se muestra a continuación.
El diagrama de conexión del balasto es la guía principal para llevar a cabo la
correcta interconexión de los elementos auxiliares de las lámparas de
descarga, ya que dicho diagrama contiene la información específica de
compatibilidad y conexión con los demás elementos auxiliares.
Diagrama de conexión del balasto
1. Marca o nombre de la empresa comercializadora.
2. Tipo de balasto.
3. Código de producto.
4. Grupo de bombillas para los cuales es apto el balasto.
5. Tensiones nominales de alimentación y frecuencia nominal de operación.
6. Tensión pico máxima soportada por el balasto y generada por el arrancador.
7. Referencia de arrancador compatible de acuerdo al tipo de bombilla.
8. Valor nominal del capacitor para corrección del factor de potencia.
9. Diagrama de conexión.
Como se puede observar el diagrama de conexión del balasto brinda
información sobre la conexión y compatibilidad del balasto con los demás
elementos eléctricos de la luminaria, seguir estas indicaciones es
indispensable para lograr la correcta conexión del balasto y con ello un óptimo
funcionamiento de la bombilla.
Figura 24. Diagrama de conexión del balasto
2.6.4 Arrancador o Ignito
Las bombillas de sodio y metal necesitan tensiones de encendido muy
elevadas que no pueden suministrar los balastos reactores por si solos, para
esto es necesario un dispositivo adicional denominado arrancador que se
encarga de generar en asocio o no con el balasto un pulso de voltaje alto para
poder encender la bombilla. Cabe destacar que las bombillas de Metal Halide
de pulso bajo operando con balasto CWA (autotransformador de potencia
constante) no requieren arrancador. Se debe tener un especial cuidado
instalando el condensador especificado por el fabricante del balasto CWA
para obtener un funcionamiento correcto de dichas bombillas.
El arrancador debe ser un elemento que tenga las siguientes características
básicas para garantizar el funcionamiento correcto de las lámparas HID
(descarga de alta intensidad).
El impulso de alta tensión generado por el arrancador, ya sea por sí solo o en
conjunto con el balasto, debe tener la energía necesaria (Altura, Ancho,
Repetición) para garantizar un arranque rápido y confiable de la bombilla. La
altura del pulso en kV, nunca debe ser superior al límite máximo especificado
por el fabricante de la bombilla; esto con el fin de conservar la vida útil
estimada de los electrodos, debe garantizar la no aparición de impulsos
mientras la bombilla se encuentra en operación normal y el arrancador debe
soportar la condición de bombilla Abierta (ausencia de ella o tubo de arco roto
o desconectado) por largos periodos de tiempo. Bajo esta condición el
arrancador no se autodestruirá por sobrecalentamiento o disminuirá su
desempeño.
Tipos de arrancadores y conexión
El uso de los diferentes tipos de arrancadores está asociado con
las características del pulso requerido para encender los diferentes tipos de
bombillas de alta intensidad descarga, tipo de fabricación del balasto y la
distancia que puede tener entre el sistema eléctrico de la luminaria y la
bombilla.
Los arrancadores según la forma de conexión con los demás elementos del
sistema eléctrico, se clasifican así:
Arrancador de superposición
Este tipo de arrancador produce el pulso de alta tensión por sí mismo; por lo
tanto no requiere de una derivación especial en el balasto para cumplir con su
función, Su conexión es en serie con la bombilla y debe hacerse lo más cerca
de ella, teniendo presente el no sobrepasar la corriente máxima que puede
manejar internamente el arrancador, la altura de su pulso va desde 1.8 kV
hasta 2.5 kV.
Figura 25. Conexión arrancador de superposición
Arrancador Paralelo
Este tipo de arrancador produce el pulso de alta tensión por sí solo; por lo
tanto, no requiere de una derivación especial en el balasto para cumplir su
función, su conexión es en paralelo con la bombilla y debe hacerse lo más
cerca de ella. La altura de su pulso va desde 0,60 kV hasta 0,75 kV.
Figura 26. Conexión arrancador paralelo
Arrancador impulsador
Este tipo de arrancador produce el pulso de alta tensión en conjunto
con el balasto; por lo tanto, requiere de una derivación especial en él para
cumplir con su función. Su conexión es en semi-paralelo con la bombilla y
puede hacerse a una distancia de ella de hasta 25m aproximadamente;
dependiendo del tipo arrancador.
El balasto utilizado con este tipo de arrancador debe poseer un excelente
aislamiento; ya que los pulsos generados están presentes en su devanado.
Figura 27. Conexión arrancador impulsador
Arrancador Incorporado
Este tipo de arrancador va incorporado dentro de la bombilla; por lo tanto, no
requiere de una derivación especial en el balasto para cumplir con su función,
el arrancador incorporado es de construcción electromecánica. La altura de
su pulso va desde 10 kV hasta 60 kV.
Figura 28. Arrancador Incorporado
Clasificación de los arrancadores según su tipo de encendido
Arrancadores de encendido en frío
Es el tipo de arrancador más generalizado en las instalaciones de alumbrado y
proporciona una tensión de pico inferior a 5 kV. Esta tensión es suficiente para
encender las lámparas partiendo del estado frío o bien tras un tiempo suficiente
(hasta 15 minutos según el tipo y potencia de lámpara) después de su apagado
de forma que disminuya su temperatura y, por consiguiente, la presión en el
tubo de descarga, lo cual posibilita el reencendido de las lámparas con las
tensiones suministradas por estos arrancadores.
Arrancadores de encendido en caliente
Son arrancadores capaces de encender la lámpara de descarga
independientemente de la temperatura a la que ésta se encuentre.
Este arrancador se caracteriza por suministrar tensiones de pico entre 12 y 65
kV. Su uso se restringe a casos muy especiales. Las lámparas,
portalámparas, cableados y demás equipos asociados deben estar previstos
para soportar los elevados picos de tensión de impulso.
Clasificación de los arrancadores según el sistema de instalación
Arrancadores no incorporados
Son arrancadores previstos para ser instalados separadamente o en el exterior
de la luminaria, sin ninguna cubierta adicional.
Arrancadores incorporados
Son arrancadores diseñados exclusivamente para ser instalados dentro de
la luminaria, una caja o cubierta o similar.
Arrancadores integrados
Son arrancadores que constituyen una parte no reemplazable de la luminaria y
no puede ser ensayado separadamente de la misma. [6]
Diagrama de conexión de los arrancadores
En el diagrama de conexión que trae impreso cada arrancador se describen
los parámetros de funcionamiento de este, en el diagrama se especifican datos
importantes como el tipo bombilla compatible y como debe ser conectado con
los demás elementos eléctricos del circuito.
Al realizar la conexión del arrancador con los demás elementos auxiliares de la
bombilla HID (descarga de alta intensidad) se debe observar e interpretar el
diagrama de conexión del arrancador, en conjunto con el diagrama del balasto
y verificar su compatibilidad con los demás elementos auxiliares.
Diagrama de conexión del arrancador
Figura 29. Diagrama de conexión del arrancador
1. Marca o nombre de la empresa comercializadora.
2. Tipo de arrancador.
3. Referencia o nombre.
4. Grupo de bombillas para las cuales es apto el arrancador.
5. Rango de tensión y frecuencia de operación.
6. Rango de tensión pico generada.
7. Carga capacitiva máxima.
8. Temperatura máxima soportada en forma continua.
9. Diagrama de conexión.
2.6.5 Condensador
El tipo de condensadores más frecuentes consiste en principio de dos placas
conductoras paralelas y separadas por una pequeña distancia. Todo el campo
del condensador está comprendido entre estas dos placas, y las cargas sobre
estas placas están distribuidas uniformemente sobre sus superficies opuestas.
Esta disposición se conoce como condensador de placas paralelas. La
capacitancia del condensador a utilizar, depende de la fuente de
iluminación y la potencia manejada por el respectivo balasto.
Los condensadores para corrección del Factor de Potencia en las luminarias
que utilizan lámparas de alta intensidad de descarga, pueden ser:
a) Tipo seco
Actualmente, considerando aspectos de protección del medio ambiente y
técnicos, se utilizan condensadores del tipo seco. Los tipo seco se fabrican con
una película de polipropileno biaxialmente orientado que actúa como
dieléctrico, sobre la cual se adhiere una capa muy fina de metal, mediante el
proceso de evaporación en cámara de alto vacío.
La bobina es metalizada a fin de asegurar la conexión entre polos, y luego
encapsulada en envase y resinas plásticas, para garantizar un total aislamiento
de las condiciones ambientales que rodean al condensador, eliminando la
necesidad de aterrizaje y facilitando las labores de mantenimiento.
Una característica de estos condensadores es la auto-regeneración. El arco
eléctrico que se genera en un área hueca o débil del dieléctrico, hace que el
metal en ese punto se evapore, regenerando en esta forma la condición de
aislamiento inicial. Esto permite que el condensador mantenga una capacidad
constante durante su vida útil.
b) Condensadores en Aceite Dieléctrico
Como cualquier condensador se compone principalmente de placas
conductoras de electricidad (láminas metálicas delgadas) separadas por un
material dieléctrico, en este caso un fluido dieléctrico que puede o no contener
PCB´s. Sin embargo la tendencia y normatividad actual sugieren la no
utilización de productos cuyos componentes incluyan dentro de su estructura
los PCB´s.
c) Función de los condensadores en los circuitos de alumbrado
Los condensadores en circuitos con balasto reactor son utilizados
básicamente, para corregir el factor de potencia en las luminarias de
alumbrado exterior al 90%; en los balastos autorregulados el condensador
cumple una función estabilizadora, pues es utilizado para ajustar la impedancia
del circuito, debido a que la reactancia inductiva es menor que la capacitiva. [
d) Instalación de los condensadores
Sólo se debe instalar un condensador por balasto, o sea que de ninguna
manera, deben conectarse condensadores en paralelo, para conseguir la
capacitancia especificada por el fabricante del balasto, debido a que el valor de
la tolerancia de su capacitancia puede ser mayor al permitido.
2.6.6 Foto control
Los foto controles son utilizados para la conexión y desconexión de las fuentes
de luz ya sea en forma individual o efectuando un control múltiple, mediante la
utilización de un contacto para el control individual el foto control será N.C
(normalmente cerrado) y para el control múltiple N.A (normalmente abierto), el
rango de tensión de operación en control múltiple debe ser de 105 V a 130 V
y en control individual entre 185 a 305 V o 105 a 305 V.
La vida útil de la foto control bajo condiciones normales de funcionamiento
debe sobrepasar las 3.600 operaciones, siendo cada operación el ciclo
completo conexión-desconexión en condiciones nominales de funcionamiento.
Las puntas de conexión deben ser conductores de cobre flexible calibre 12
AWG, longitud mínima de 90 cm, aislamiento parea 600 V, identificados por los
colores así:
Negro: Fase.
Blanco: Fase común con la carga o para el neutro.
Rojo: Carga.
La foto controles para sistemas de alumbrado con bombillas de alta intensidad
de descarga, se dividen de acuerdo a su modo de operación en cuatro grupos:
Foto control Térmico.
Foto control Electromagnético.
Foto control Electrónico.
Foto control Temporizado
Figura 30. Sistema de Foto Control
Base para foto control
Las bases son usadas para insertar dispositivos fotoeléctricos que controlan en
forma automática los sistemas de iluminación, fabricadas en material auto
extinguible, cumpliendo las exigencias mecánicas y ambientales para asegurar
un efectivo funcionamiento del dispositivo instalado.
Figura 31. Soporte para Foto Control
2.6.7 Lámparas de descarga de alta Intensidad
Para obtener un diseño adecuado de la iluminación, es necesario conocer las
características de los diferentes tipos de lámparas HID (descarga de alta
intensidad) que se utilizan en el sistema de alumbrado con el fin de hacer una
selección adecuada y así obtener un mejor rendimiento el diseño de la
iluminación; las lámparas de descarga de alta intensidad más utilizadas en
alumbrado exterior son las lámparas de halogenuros metálicos y sodio de alta
presión.
a) Lámpara de sodio
La lámpara de vapor de sodio es un tipo de lámpara de descarga de gas que
usa vapor de sodio para producir luz. Son una de las fuentes de iluminación
más eficientes, ya que generan gran cantidad de lúmenes por vatio. El color de
la luz que producen es amarilla brillante.
b) Vapor de sodio a alta presión (SAP)
La lámpara de vapor de sodio a alta presión es una de las más utilizadas en el
alumbrado público ya que tiene un alto rendimiento y la reproducción de
los
Colores se mejora considerablemente aunque no al nivel que pueda iluminar
anuncios espectaculares o algo que requiera excelente reproducción
cromática.
La lámpara de vapor de sodio a alta presión debido a que no posee electrodo
de arranque además de balasto necesita de un arrancador para generar el
pulso y así iniciar la descarga eléctrica, se usan principalmente para iluminar
vías públicas y escenarios deportivos.
Figura 32. Diagrama de Lámpara de Sodio
Según el RETILAP las bombillas de descarga de vapor de sodio de alta presión
deben cumplir los siguientes requisitos:
La vida promedio de estas bombillas no podrá ser menor a 24000 horas.
Deben cumplir con el trapezoide funcionamiento de la bombilla, definido
en la norma técnica bajo la cual está certificada como la IEC o la NTC.
En el empaque debe informar los siguientes parámetros
1. potencia nominal.
2. flujo luminoso.
3. vida útil.
4. forma de bulbo.
5. acabado de bulbo.
c) Lámpara de metal halide
Son lámparas de descarga de alta presión, del grupo de las lámparas llamadas
HID (descarga de alta intensidad). Son generalmente de alta potencia y con
una buena reproducción de colores, además de la luz ultravioleta.
Originalmente fueron creadas en los años 1960 para el uso industrial de estas
pero hoy se suelen aplicar en la industria tanto como el hogar.
Las lámparas de haluro metálico requieren balastos para regular el flujo
continuo del arco y proporcionar el voltaje apropiado a la lámpara. Algunas
lámparas grandes contienen un electrodo especial de encendido para
generar el arco cuando la lámpara es encendida, generando un parpadeo
leve al momento del encendido. Las lámparas más pequeñas no requieren un
electrodo de encendido, y en lugar de este utilizan un circuito especial de
encendido, que se encuentra dentro del balasto, generando un pulso de alto
voltaje entre los electrodos de funcionamiento, tiene como característica
especial que funciona mejor en sitios abiertos.
d) Componentes de una lámpara de metal halide
Figura 33. Partes de Lámpara de Sodio.
Según el RETILAP las bombillas de metal halide deben cumplir los siguientes
requisitos:
1. La vida promedio de esta lámpara no podrá ser menor a 12000 horas.
2. La eficacia no podrá ser menor a 72 lm/W.
3. En el empaque deberá especificar información con los
siguientes parámetros.
a. potencia nominal. b. tipo de casquillo.
c. forma del bulbo.
d. correlación de la temperatura del color.
e. acabado del bulbo.
f. flujo luminoso.
g. vida promedio
2.7 Herramientas para la instalación de Iluminaria Fotovoltaica.
En la realización de cualquier actividad de construcción, instalación,
mantenimiento, o remodelación es necesario contar con diferentes
instrumentos que nos apoyen en la realización de nuestras labores.
Para llevar un orden lógico, empezaremos por indicar el proceso de trabajo y
las herramientas más utilizadas en cada uno de ellos.
2.7.1 Herramientas de Trazado De La Instalación
Es la operación de marcar sobre las paredes, techos o superficies el trayecto a
seguir por la instalación, con los emplazamientos oportunos de los materiales
que lo componen.
a) Cuerda tiralíneas
Sirve para el alineado y trazado de una forma fácil y sencilla indicar la
ubicación por la que va a ir alojada la canalización eléctrica.
Figura 34. Cuerda Tiralíneas
b) Flexómetro
Hay una gran gama y diversidad de marcas, aunque todas con indiferencia de
marca y calidad darán un resultado más o menos aceptable para su uso.
Principalmente es para medir longitudes, siendo estos de 2, 3 y 5m.
Figura 35. Flexómetro
2.7.2 Herramientas para la Realización De Rozas
Es la operación de apertura de huecos sobre la pared o suelo, con el objeto de
alojar la canalización eléctrica, tubos, cajas, etc.
a) Cinceles o Cortafríos:
Útiles cortantes en forma de cuña y de acero duro. Está formado por cabeza,
cuerpo y filo.
b) Martillo, maza o maceta:
Herramienta de percusión de cierto peso, entre 0,5 y 2 kg. Es de acero y está
formado por cara o cabeza, ojo y peña, o cuña o bola.
Figura 37. Tipos de Martillos
Figura 35. Cincel Figura 36. Cortafríos
2.7.3 Colocación De Tubos Y Cajas
Operación de sujeción de la canalización, que sirve para alojar los conductores
y posteriormente establecimiento del conexionado de los mismos.
a) Navaja de electricista:
Es más robusto que uno corriente de forma recta con filo a todo lo largo de la
hoja de acero. Está provisto de un mango de madera o plástico que va unido a
la hoja de acero. Se emplea para pelar cables e hilos, y también para raspar el
esmalte de los conductores para poder después empalmarlos o soldarlos.
Figura 38. Tipos de Navajas para Electricista
b) Sacabocados
Utilizados para hacer huecos en cajas de empalmes y derivaciones.
Figura 41. Sacabocados
2.7.4 Cableado
Es la operación más técnica de una instalación, se sigue un plano de
instalación.
a) Guía pasa hilos
Están fabricadas tanto en nylon como en acero, o bien combinando ambos
materiales. Todas tienen gran flexibilidad para salvar los cambios de dirección
(curvas) de los tubos o canalizaciones. Todos los tipos de guías poseen una
punta redondeada de latón unida a un pequeño muelle que se une a la guía en
su cabecera. En la parte final llevan un ojete para enganchar los conductores.
Figura 42. Conductor Eléctrico
Se utiliza pasando inicialmente la guía por el interior del tubo y uniendo los
conductores al final de ésta. A continuación tiramos de la punta a la vez que se
va ayudando a los conductores por el otro extremo hasta pasarlos por todo el
tramo del tubo.
A veces nos encontramos con tramos de tubo que dificultan el paso de los
conductores, bien por la propia dificultad del tramo de tubo, bien por el alto
Figura 43. Guía pasa hilos.
número de conductores. En estos casos, se fija en el ojete de la guía el
extremo desnudo de un conductor y se arrolla sobre sí mismo. Sobre éste se
van arrollando escalonadamente el resto de conductores desnudos formando
un cono de penetración. Tenemos que evitar que queden puntas de
conductores que puedan dañar el tubo o clavarse en él. El conjunto formado se
rodea con cinta aislante para darle mayor firmeza.
Cuando el tramo de tubo es corto o no tiene cambios de dirección, se puede
prescindir de la guía utilizando alguno de los métodos siguientes:
a) Doblándole la punta a los conductores e introduciéndolos todos a la vez
en el tubo.
Figura 44. Colocación de los cables
b) Encintando las puntas de los conductores unidos para que no se
agarren en el interior del tubo como se ve en la figura.
Figura 45. Colocación de los Cables Unidos
b) Alicates
Son herramientas que sirven para sujetar, doblar, cortar etc. Existen alicates
de diversas formas y tamaño, según su aplicación a lo que estén destinados.
Los más usados en la rama eléctrica para la realización del cableado son:
c) Pinza universal
Son alicates que incorporan una boca múltiple para sujetar, doblar y cortar.
Son muy versátiles, ya que cubren una gran gama de utilidades.
Figura 46. Pinza Universal
d) Pinza de corte
Los podemos encontrar tanto de corte frontal como diagonal, y lo utilizamos
para cortar hilos, cables, alambres, etc. No es conveniente usar alicates
pequeños para conductores de mucha sección.
Figura 47. Pinzas de Corte
2.7.5 Colocación De Los Mecanismos Y Sus Conexiones.
Operación por la cual se produce la fijación de los elementos de corte,
protección, tomas de corriente y cualquier otro elemento de maniobra, a sus
correspondientes cajas. Además conectaremos los conductores entre sí y con
los mecanismos.
a) Alicates:
Pinza pelacables: Destinado a quitar o retirar el aislamiento de los conductores
de una forma fácil sin deteriorar el conductor.
Figura 48. Pinzas Pelacables.
Pinzas de usos múltiples: Son alicates que nos sirven tanto para la realización
de terminales como de ayuda para la conexión a los aparatos eléctricos, así
como para curvar conductores, etc.
Figura 49. Pinzas de Usos Múltiples
Tijera de electricista: Se utilizan tanto para pelar como para cortar. Se
caracterizan por ser más cortas y de hojas más ancha que las de uso común
Además tienen las empuñaduras aisladas.
Figura 50. Tijeras de Electricista
Destornilladores: Son herramientas destinadas a ajustar tornillos actuando
sobre las hendiduras realizadas sobre sus cabezas. Según a la hendidura a la
que se tenga que ajustar determinará el tipo de destornillador. Según esto,
tendremos:
Figura 51. Diferentes tipos de desarmadores,
Los destornilladores están constituidos por el mango, el vástago y la punta. El
mango se construye de material aislante, que sujeta el vástago y éste a su vez
la punta, normalmente de acero al cromo-vanadio. Para trabajos eléctricos, el
vástago se recubre de material aislante.
La punta es la parte del destornillador que caracteriza el tipo de tornillo que se
va a utilizar, de ahí que en el mercado podamos encontrar destornilladores con
punta plana, Phillips, Pozidrive, de seis ranuras, Allen, etc.
Un destornillador especial denominado buscapolos, si bien, no se utiliza tal
como destornillador, ya que, su resistencia mecánica no es suficiente para
actuar sobre los tornillos, aunque su forma sea igual que un destornillado, sino
que se emplea para identificar la fase o polo activo. Si la lámpara interna del
buscapolos se ilumina, significa que el tornillo o el punto que se va a
comprobar corresponden al conductor de fase o polo activo.
Figura 52. Desarmador Buscapolos.
b) Soldador eléctrico:
Herramienta de electricista empleada para soldar, ayudándose del estaño,
todo tipo de empalmes, conexiones, etc.
Existen varios tipos de soldadores: pueden ser de calentamiento por inducción,
por resistencia, etc. El más empleado es el de calentamiento por medio de
resistencia, funcionando de la siguiente forma: se conecta el soldador a la red
generadora de tensión propia de la resistencia de calentamiento; esta
resistencia está enrollada sobre un material aislante y se encuentra dentro de
la varilla de cobre que se calienta. Para soldar se pone la varilla de cobre en
contacto con los elementos o partes metálicas que se desean soldar y con el
estaño, de tal forma que el estaño se derretirá y se propagará entre las dos
partes previamente calentadas. Después se aparta el soldador y, gracias a la
disminución de la temperatura, el estaño volverá a solidificar, aunque ahora
formará parte de un contacto eléctrico.
Figura 53. Herramientas para soldar.
c) Cinta aislante:
Cinta adhesiva que se utiliza para aislar conexiones y empalmes. Se envuelve
con cinta aislante de PVC toda la zona de empalme, rebasándola inclusive por
ambos extremos, de forma que se cubra también parte del propio aislamiento
del conductor. Puede ser de material plástico, polivinilo, etc. Es flexible y tiene
una cierta resistencia mecánica.
Figura 54. Cinta Aislante
2.8 Aplicación de los Sistemas Fotovoltaicos
En general, los sistemas fotovoltaicos pueden tener las mismas aplicaciones
que cualquier sistema generador de electricidad. Sin embargo, las cantidades
de potencia y energía que se pueden obtener de un sistema fotovoltaico están
limitadas por la capacidad de generación y almacenamiento de los equipos
instalados, especialmente de los módulos y la batería respectivamente, y por la
disponibilidad del recurso solar. Técnicamente, un sistema fotovoltaico puede
producir tanta energía como se desee; sin embargo desde el punto de vista
económico, siempre existen limitaciones presupuestarias en cuanto a la
capacidad que se puede instalar.
Dependiendo de su aplicación y de la cantidad y tipo de energía producida, los
sistemas fotovoltaicos se pueden clasificar en las siguientes categorías:
• Sistemas y/o equipos portátiles. (Juguetes, adornos, alumbrado local,
lámparas, etc.)
• Sistemas individuales de Corriente Directa (CD) para aplicaciones
domésticas.
• Sistemas individuales de Corriente Alterna (CA) para aplicaciones
domésticas.
• Sistemas aislados para usos productivos
• Sistemas centralizados aislados de la red.
• Sistemas centralizados conectados a la red.
A continuación se describirá brevemente las características más importantes
de estos sistemas.
2.8.1 Sistemas individuales de corriente directa (CD) para aplicaciones
domésticas.
La aplicación más frecuente y generalizada de la energía solar fotovoltaica es
la electrificación rural de viviendas a través de sistemas individuales CD. Estos
sistemas están compuestos, normalmente, por un panel fotovoltaico con una
capacidad menor que 100 Wp, un regulador de carga electrónico a 12 V, una o
dos baterías con una capacidad total menor que 150 A-h, 2 o 3 lámparas a 12
V y un tomacorriente para la utilización de aparatos eléctricos de bajo consumo
energético diseñados especialmente para trabajar a 12 V CD. Con esta
configuración se puede tener un consumo de carga diaria de una potencia de
P = 150 A-h x 12 V = 1.800 Wh.
Las características más sobresalientes de este tipo de sistemas son:
a) El voltaje nominal es 12 V de corriente directa:
Esto implica que solamente se pueden usar lámparas y aparatos que trabajen
a 12 V. Es importante mencionar que, aunque existe una gran variedad de
lámparas y electrodomésticos que trabajan a 12 V, puede ser difícil adquirir
este tipo de aparatos en el comercio local, particularmente las lámparas.
Normalmente, es necesario contactar a distribuidores de equipos fotovoltaicos
para comprarlas y esto representa inconvenientes en tiempos de entrega
(pues se deben importar) y de costos más altos (pues son de fabricación
especial).
b) El costo comparativo de este tipo de sistema es más accesible para los
presupuestos familiares:
Esto debido a que se utiliza exclusivamente para satisfacer necesidades
básicas de electrificación (luz, radio y TV), los equipos son de baja capacidad;
debido a que el sistema trabaja a 12 V, no se necesita usar un inversor. Por
estas razones, el costo inicial del sistema es comparativamente menor y muy
atractivo para soluciones básicas de electrificación rural fotovoltaica.
2.8.2 Sistemas individuales de corriente alterna (CA) para aplicaciones
domésticas
Los sistemas individuales CA se pueden considerar como una ampliación de
los equipos y capacidades de un sistema individual CD. La diferencia
fundamental que existe entre ambos sistemas es que el primero dispone de un
inversor electrónico para transformar la tensión de 12 V de corriente directa a
120 V de corriente alterna. En cuanto al resto de componentes, ambos
sistemas son idénticos.
Los aparatos o cargas que con mayor frecuencia se utilizan con sistemas
CA son lámparas fluorescentes de alta eficiencia y bajo consumo, equipos de
audio (radios, grabadoras y equipos de alta fidelidad), teléfonos celulares,
equipos de vídeo (televisores y videograbadoras), computadoras y bombas de
agua.
Los sistemas fotovoltaicos CA tienen mayor capacidad de producción de
energía (paneles fotovoltaicos de mayor capacidad) y mayor capacidad de
almacenamiento (batería de mayor capacidad) que los sistemas fotovoltaicos
CD. La experiencia dice que para necesidades de electrificación mínimas –
por ejemplo 2 lámparas, 1 radio y 1 TV (blanco y negro -B/N-) un sistema
fotovoltaico CD es la solución económica y técnicamente más adecuada y
accesible; sin embargo, si las necesidades de electrificación comprenden el
uso de más de 2 lámparas, radio-caseteras de mediana potencia, televisores a
color, bombas de agua u otro tipo de electrodoméstico, entonces, sería mejor
instalar un sistema fotovoltaico CA.
Las características más sobresalientes de este tipo de sistemas son:
• El sistema puede proveer energía tanto a 120 V de corriente alterna como a
12 V de corriente directa:
La consecuencia más importante de esto es que se pueden utilizar lámparas y
electrodomésticos a 120 V, los cuales son más comunes, más baratos y más
fáciles de adquirir que los aparatos a 12 V; o, se puede utilizar directa y
simultáneamente aparatos que naturalmente ya funcionan a 12 V, por ejemplo
radios para automóviles, televisores B/N portátiles, etc.
Esta flexibilidad en el uso de aparatos CA y CD es una de las cualidades más
importantes de los sistemas individuales CA.
• El costo del sistema es relativamente más alto:
Es lógico que al agregar un componente más (el inversor) al sistema básico
CD, los costos iniciales se incrementan. Sin embargo, es importante considerar
que el costo de las lámparas y de todos los equipos que funcionan a 120 V es
considerablemente menor que el de las lámparas y los equipos que funcionan
a 12 V. Por otra parte, actualmente es más fácil adquirir o reemplazar equipos
de 120 V en el comercio local que reemplazar equipo de 12 V.
Por lo tanto, si bien existe un incremento de costos por el uso del inversor,
también existe un ahorro de tiempo y dinero.
2.8.3 Sistemas aislados para usos productivos
Además de la aplicación de electrificación de las viviendas rurales, se puede
aplicar la energía solar fotovoltaica para usos productivos y comerciales, sobre
todo en la agricultura. Ejemplos de este uso son:
• Bombeo de agua para irrigación y cercas eléctricas para ganadería:
Este permite aumentar la productividad del área cultivable y diversificar el
cultivo.
• Refrigeración de alimentos: Incrementa la calidad del producto y permite
mayores márgenes de tiempo entre cosecha y entrega en el mercado.
• Comunicación: Facilita la venta en mercados alejados y el acceso a
información de precios en el mercado.
• Iluminación: Permite el procesamiento de cultivos y productos en horas de la
noche y en áreas cubiertas.
La capacidad y configuración de un sistema para usos productivos depende de
la aplicación. Por ejemplo, los sistemas de bombeo de agua generalmente no
requieren de baterías, mientras que aplicaciones que exigen una disponibilidad
de energía continua, como la refrigeración, sí la necesitan.
2.8.4 Sistemas centralizados aislados de la red
Los sistemas fotovoltaicos son una opción válida para la electrificación rural
cuando:
• No existe la posibilidad técnica o económica de llevar la red eléctrica
convencional hasta cada una de las viviendas.
• Las familias demandan cantidades moderadas de energía.
Si las viviendas por electrificar se encuentran ubicadas en forma dispersa, los
sistemas fotovoltaicos individuales son la mejor alternativa, sino la única,
debido a su autonomía y modularidad. Sin embargo, si las casas por electrificar
se encuentran ubicadas relativamente próximas entre sí, la opción más
apropiada puede ser un sistema fotovoltaico centralizado debido a que la
concentración de equipos y energía ofrece ventajas desde los puntos de vista
técnico y económico.
Los suplidores de equipos pueden dar orientación en decidir cuál tipo de
sistema es el más apropiado.
Un sistema centralizado es un sistema fotovoltaico capaz de satisfacer la
demanda energética de una comunidad con electricidad que se produce,
almacena y transforma en un sistema fotovoltaico central y que luego se
distribuye, a través de líneas eléctricas, hasta cada una de las viviendas.
Los sistemas centralizados tienen la misma estructura que un sistema
fotovoltaico individual con suministro CA. La diferencia fundamental radica en
que los sistemas centralizados son capaces de proveer energía en cantidades
y en calidades muy superiores que la energía producida por un sistema
fotovoltaico individual. Sin embargo, la característica fundamental de esto
sistemas es la concentración de equipos y la distribución de electricidad.
Las cargas que se utilizan son lámparas fluorescentes de alta eficiencia,
equipos de audio (radios, equipos de sonido de alta fidelidad), equipos de
video (televisores de color, salas comunales de cine), equipos de
computación, equipos de bombeo de agua potable, congeladores para
fábricas de hielo, lámparas para iluminación pública y otros.
Las características más sobresalientes de este tipo de sistemas son:
a) Mejor calidad en el suministro de energía eléctrica:
Los sistemas centralizados proveen energía de gran calidad gracias a la
utilización de inversores de mayor calidad. Por lo tanto, los usuarios pueden
utilizar en sus hogares aparatos eléctricos o electrónicos que requieran un
suministro de energía estable y seguro.
b) Mayor robustez del sistema:
Los equipos utilizados en los sistemas centralizados son construidos
especialmente para resistir incrementos breves, pero intensos, de demanda de
energía eléctrica. Además, la utilización de cargas altamente inductivas (por
ejemplo, motores) no representa ningún problema. También, estos sistemas
poseen protecciones contra descargas atmosféricas, contra abuso de la
capacidad de los sistemas, alarmas contra sobrecarga, protecciones contra
cortocircuitos, etc.
c) Menor costo de la energía:
La cualidad más importante de los sistemas fotovoltaicos centralizados, e
interesante desde el punto de vista económico, es que permiten obtener
energía a un costo más bajo que el de aquella que se obtiene con sistemas
individuales. La disminución de los costos de producción de energía depende
de la cantidad de viviendas y de cuan dispersas se encuentren éstas. Cuanto
mayor sea el número de viviendas y menor la distancia entre ellas, menor será
el costo de la energía.
d) Menor impacto ambiental:
Otra ventaja de los sistemas centralizados es su bajo impacto ambiental. No
existe la posibilidad de la contaminación producida por el abandono de baterías
usadas con poca capacidad dado que la energía se acumula en un banco
central de baterías de larga vida útil.
e) Distribución centralizada:
La desventaja más importante de los sistemas centralizados es la distribución
equitativa de la energía entre la comunidad. La distribución centralizada
requiere de la instalación de medidores de energía en cada vivienda. Esto
normalmente no se hace debido al considerable incremento de costos que
implica. Por lo tanto, siempre existirían problemas ocasionados por algunos
usuarios que abusan de la disponibilidad de energía del sistema y de la falta
de información que permita cobrar a cada familia, según su consumo
energético.
2.8.5 Sistemas centralizados conectados a la red
Los sistemas fotovoltaicos conectados a la red son una alternativa
prometedora en el futuro de las energías renovables. En estos sistemas, la
energía obtenida no se almacena sino que se provee directamente a la red
eléctrica comercial. Esto implica por una parte que el banco de baterías ya no
es necesario y, por otra, que se necesita de un equipo especial para adaptar la
energía producida por los paneles a la energía de la red. Este tipo de sistemas
provee energía eléctrica a núcleos urbanos que ya cuentan con una red de
distribución de energía.
Las aplicaciones inmediatas son la venta de energía eléctrica o la reducción
de la facturación mensual. Esta es una posibilidad muy interesante para
inversiones privadas en el sector de energía limpia.
El uso de esta tecnología es reciente, pero existen experiencias interesantes
en España y Alemania que permiten suponer un desarrollo rápido de estos
sistemas.
Parece ser que la tecnología ha alcanzado un nivel de madurez aceptable; sin
embargo, aún falta por hacer en cuanto a la legislación que permita la venta de
energía fotovoltaica de pequeños usuarios privados a empresas distribuidoras
de energía convencional.
2.8.6 Aspectos Ambientales y Comparación Respecto a Plantas Diésel.
En muchos casos, se tiene que decidir entre una planta eléctrica diésel o un
sistema fotovoltaico para electrificar. Si se comparan ambas alternativas, es
posible obtener un panorama ilustrativo de los efectos positivos y negativos de
cada una de ellas, tanto desde el punto de vista económico, como desde el
punto de vista ambiental.
El costo inicial de una planta eléctrica de combustible es menor que el de un
sistema fotovoltaico de la misma capacidad. El tiempo de instalación de una
planta eléctrica de combustible es menor que el de un sistema fotovoltaico,
aunque para las dos alternativas el tiempo es corto y las dificultades de
transporte son básicamente las mismas. Además, a nivel local generalmente
existen varios distribuidores de plantas eléctricas de combustible.
El abastecimiento periódico de combustible para una planta eléctrica ubicada
en un lugar remoto es un problema grande. Las dificultades para transportar el
combustible son permanentes. El almacenamiento de combustible, cuando
existe, se hace en condiciones peligrosas para la seguridad de las personas y
bienes materiales. Los sistemas fotovoltaicos, en cambio, no requieren de
ningún suministro de combustible. Los costos, riesgos y peligros relacionados
con el uso de combustibles fósiles desaparecen.
Las plantas eléctricas producen ruido cuando operan. Inicialmente esta
contaminación sonora suele ser tolerada por el entusiasmo de disponer de
energía eléctrica; sin embargo, pronto ésta se hace intolerable, especialmente
para las personas de la tercera edad, enfermos y maestros de escuela. Los
sistemas fotovoltaicos no producen ningún sonido molesto cuando operan,
estos no poseen partes ni movimientos mecánicos, por lo que no ocasionan
ningún tipo de contaminación sonora.
Las plantas eléctricas producen humo cuando operan. Si la planta no ha
recibido el mantenimiento adecuado, la cantidad de humo producido es
considerable y dañina para las personas próximas a ésta. Los sistemas
fotovoltaicos no producen humo; sin embargo, durante el proceso de carga las
baterías liberan al ambiente hidrógeno en cantidades moderadas. La
producción de hidrógeno no es un problema si las baterías se encuentran en
una habitación ventilada; en caso contrario, se puede producir una explosión
debido a la concentración alta de este gas.
El derrame de la solución de ácido sulfúrico de las baterías representa un
peligro para la piel de las personas y para el suelo. En la mayoría de los casos,
esta contaminación se produce cuando se abandonan, irresponsablemente a la
intemperie, baterías que han cumplido su vida útil. Esta práctica es bastante
frecuente en el área rural debido a la falta de programas de educación
ambiental y a la falta de recursos para el retiro ecológicamente controlado de
las baterías inservibles.
Se puede decir que los sistemas fotovoltaicos poseen impactos ambientales
menores que las plantas eléctricas a base de combustibles fósiles. Ellos son
una solución amigable con la naturaleza. Sin embargo, el mal uso y manejo de
esta tecnología sí puede tener efectos dañinos al medio ambiente. Se sugieren
algunas recomendaciones que se deben atender para evitar esto:
• Los sistemas fotovoltaicos deben ser instalados correctamente para evitar su
fallo prematuro, de lo contrario ocasionará el abandono de los equipos y su
posible deterioro. No tiene sentido invertir en equipo de alta tecnología si éste
no será utilizado durante muchos años.
• Debe existir un programa eficaz de retiro y reciclaje de baterías: las baterías
fotovoltaicas abandonadas a la intemperie, después de cumplir su vida útil,
ocasionarán contaminación; por lo que es necesario elaborar un programa para
el desecho de las mismas.
• Las baterías deben estar instaladas en una habitación especialmente
destinada a este propósito: sistemas fotovoltaicos con baterías instaladas en
habitaciones utilizadas por personas podrían ocasionar riesgos a la salud y a la
seguridad de las personas si no están instaladas en forma segura.
2.8.7 Barreras Para La Implementación de Sistemas Fotovoltaicos
A pesar de las buenas características y oportunidades, existen varias barreras
que impiden la mayor aplicación de sistemas fotovoltaicos. A continuación se
mencionan las más importantes:
Falta de coordinación regional y local de esfuerzos: En todos los países
subdesarrollados surgen iniciativas y proyectos cuyo éxito podría garantizarse
si se conocieran las experiencias y los resultados de iniciativas y proyectos
similares ya desarrollados por otras regiones. En buena medida, en todos los
países se afronta el mismo tipo de problemas y se formulan el mismo tipo de
proyectos; sin embargo, casi siempre, se comienza desde el principio, pues la
información ya existente no se analiza ni comparte con el resto de colegas
interesados en el tema.
• Falta de programas de financiamiento para la realización de proyectos de
electrificación fotovoltaica de gran cobertura: Muchos de los proyectos que se
realizan se originan de iniciativas privadas o de donaciones extranjeras y,
generalmente, no tienen un impacto significativo debido a que tienen una
cobertura energética muy reducida. En los sistemas financieros
convencionales, existen los créditos para adquirir una casa, un automóvil,
electrodomésticos, vacaciones, etc. y son relativamente fáciles de obtener; sin
embargo, el crédito para la adquisición de un sistema fotovoltaico no está
disponible para la mayoría de los usuarios que realmente necesitan de esa
ayuda para resolver sus problemas de electrificación. En cuanto al ámbito
familiar, está claro que la inversión inicial que requiere la instalación de un
sistema fotovoltaico no la puede pagar la mayoría de las familias; sin embargo,
si existe en ellas capacidad de pago a créditos a largo plazo con tasas
normales de interés. En el fondo, no se trata de un problema de falta de
capacidad de pago, sino de una ausencia de programas adecuados de
financiamiento a largo plazo destinado a un grupo de usuarios de bajo ingreso.
• Falta personal capacitado: la cantidad de personas con la capacidad de
diseñar e instalar sistemas fotovoltaicos es todavía limitado, y especialmente en
las zonas rurales.
• Falta de competencia sana entre proveedores de equipos y tendencia a
vender e instalar equipos de mala calidad: El deseo de reducir los precios y de
vender más, ha llevado a algunas empresas privadas, tanto a vender equipos
de baja calidad como a utilizar mano de obra no calificada para la instalación.
Este tipo de prácticas pone en peligro la implementación exitosa de esta
tecnología y crea falsas expectativas con respecto de la confiabilidad y duración
de los sistemas fotovoltaicos.
Vida útil de los principales equipos
Hay diferentes acumuladores o baterías estacionarias con diferentes placas y
electrolitos:
Años de vida útil promedio de los acumuladores o baterías
que depende del modelo y marca:
Bajo mantenimiento abierto con orificios. 5 a 6 años.
Libre de mantenimiento con válvula. 4 a 5 años
Libre de mantenimiento con gel. 10 a 30 años
Tabla 4. Vida útil de las baterías.
2.8.7.1 Vida útil de los paneles solares:
Hay diferentes paneles solares con diferentes materiales de células y calidades.
La vida útil de las mejores marcas es entre 25 y 30 años. Se debe revisar las
especificaciones de cada marca y modelo.
A continuación se presenta información técnica relativa a los sistemas
fotovoltaicos más utilizados.
Tipo de sistema Capacidad Usos Típicos
Individual CD 50-100 W
*Iluminación Interna
*Radio
*Televisor
Individual CA 75-500 W
*Iluminación Interna y Externa.
*Equipo de Sonido.
*Equipo de Video.
*Bombas de A gua.
* Teléfonos celulares.
Centralizados
Aislados
0,3 -10 kW
*Iluminación Interna y Externa.
*Equipo de Sonido.
*Equipo de Video.
*Bombas de A gua.
* Teléfonos celulares.
*Máquinas y Herramientas
*Equipos de refrigeración
Centralizados
A aislados a Red
10 kW - 1 MW*Venta de Energía a la Red
Comercial.
Tabla 2. Sistemas fotovoltaicos más utilizados
2.9 Normativa Aplicada Para La Instalación De una Iluminaria
Fotovoltaica.
2.9.1 Normatividad
Hay normas mexicanas para la realización de instalaciones eléctricas en
viviendas y edificios públicos. Para el caso de instalaciones de arreglos
fotovoltaicos, la Comisión Federal de Electricidad (CFE) tiene reglamentos
relativos para su instalación, protección y mantenimiento.
Para una instalación eléctrica de vivienda general, se debe de atender la
Norma oficial mexicana NOM-001-SEDE 2005 Instalaciones eléctricas
(utilización). Además la CFE recomienda las siguientes normas para el caso
de instalaciones fotovoltaicas: Sistema de energía fotovoltaica y el Código
Eléctrico Nacional (NEC). Finalmente para cuestiones legales en México con
respecto a la Energía, se analiza las dos leyes:
La ley para el aprovechamiento sustentable de la energía y Ley para el
aprovechamiento de energías renovables y el financiamiento de la transición
energética. Las otras normas que se revisaron y analizaron son:
Instalaciones eléctricas NOM 001-SEDE 2012:
Eficiencia energética para sistemas de alumbrado en vialidades y
áreas exteriores públicas NOM 013-ENER 2005
Eficiencia energética de lámparas para uso general. Límites y
métodos de prueba NOM-028-ENER 2010
Mantenimiento de las instalaciones eléctricas en los centros de
trabajo- condiciones de seguridad NOM-029 –STPS- 2011
NOM-008-SCFI-2002, Sistema general de unidades de medida.
NMX-J-618/1-ANCE-2010, Evaluación de la seguridad en Módulos
Fotovoltaicos (FV) – PARTE 1: Requisitos generales para Construcción
NMX-J-643-ANCE-2011, Dispositivos fotovoltaicos –Parte 1: Medición dela
característica corriente-y tensión de los dispositivos fotovoltaicos. CFE
G0100-04, “Interconexión a la red eléctrica de baja tensión de sistemas
fotovoltaicos con capacidad hasta 30 kW
El cableado debe realizarse de acuerdo a lo especificado en la Norma
Internacional IEC 60364-4-41, IEC 60364-7-712 y cumplir con lo requerido
en el Art. 690 y 705 de la Norma NOM 001-SEDE 2012 dentro del cual se
destaca lo siguiente:
El cable debe ser de cobre, Clase B, certificado para 600V o superior, con
aislante a 90°C y contar con certificación NOM-063-SCFI vigente.
Todo cable expuesto a la intemperie, además de satisfacer la Norma NOM-
063-SCFI, debe estar certificado para ser expuesto a la radiación solar (del
tipo USE, UF, TWD-UV, o equivalente)
Satisfacer los requerimientos de la especificación CFE G0 100-04 de
acuerdo a la sección 6, los requerimientos de la Norma IEC 62109 Parte. 1
y Parte. 2 y los requerimientos eléctricos de la Norma IEC 62116:2008 Ed
1.; o alternativamente estar certificados por UL bajo la Norma UL 1741
basada en la norma IEEE1547.
NOM-017-STPS-2008, Equipo de protección personal - Selección, uso y
manejo en los centros de trabajo.
NOM-025-STPS-2008, Condiciones de iluminación en los centros de
trabajo.
NOM-004-STPS-1999, Sistemas de protección y dispositivos de seguridad
en la maquinaria y equipo que se utilice en los centros de trabajo.
NOM-022-STPS-2008, Electricidad estática en los centros de trabajo-
Condiciones de seguridad.
NOM-027-STPS-2008, Actividades de soldadura y corte .Condiciones de
seguridad e higiene.
NOM-029-STPS-2011, Mantenimiento de las instalaciones eléctricas en los
centros de trabajo-Condiciones de seguridad.
NOM-031-STPS-2011, Construcción-Condiciones de seguridad y salud en
el trabajo.