memoria de estadia cverde.pdf

Sistemas fotovoltaicos, alternativas verdes. CASO: C-Verde construcción, comercialización y consultoría verde S.A de C.V.

MEMORIA DE ESTADÍA

Licenciatura en Ingeniería en Energía

Presenta: Sergio Oropeza Alvarado

Generación: septiembre 2011  – abril 2015

Tolcayuca, Hgo.a 19, Diciembre de 2014

LIBERACIÓN DE MEMORIA DE ESTADÍA

La presente Memoria de Estancia Sistemas Fotovoltaicos alternativas verdes, Título de la Memoria de E stancia

realizada por

Oropeza

Alvarado

Sergio

,

 Apellido y Nombre Nombre (s) del estudiante estudiante (s)

estudiante del Programa Educativo de

Ingeniería en Energía Nombre del Programa Educativo

con número de control

113110270

, ha sido revisada por el Asesor

Matrícula

 Académico

Valle Hernández Julio

y el Asesor Externo

 Apellidos y Nombre Nombre (s) del Asesor Asesor

Icaza

Lozano

Xavier

de la organización

 Apellidos y Nombre Nombre (s) del Asesor Asesor

C-Verde construcción, comercialización y consultoría cons ultoría verde S.A de C.V., y cumple Nombre completo de la Orga nización

con los requisitos de forma y contenido para para su impresión y digitalización. Pachuca de Soto, Hidalgo., a

de

Día

de 2015. Mes

Nombre y firma del Director del Programa Educativo

Director del Programa Educativo de Ingeniería en Energía Nombre del Programa Educativo

 A mis padres y familiares que siempre creyeron en mí, De igual manera a algunos profesores quienes siempre fueron buenos en sus labores.

i

AGRADECIMIENTOS Primero que nada reitero mi agradecimiento a dios quien me dio la oportunidad de vivir para poder realizar mi carrera, así mismo a mis padres el Sr. Sergio Oropeza y la Sra. Senobia Alvarado quienes gracias a su a poyo tanto económico como moral me permitieron llegar hasta el final de esta etapa de mi vida y quienes siempre me alentaron a realizarme como una persona con educación. De igual manera les agradezco a mis familiares Sr. Apolinar Mendoza y Sra. Margarita quienes fueron parte importante en este trayecto para motivarme a ser una persona de bien y que de igual forma me apoyaron cuando lo necesite. En la parte académica mi agradecimiento es para el Dr. Julio Valle Hernández quien fue mi profesor y ahora asesor académico por todo su apoyo a lo largo de la carrera, así mismo al profesor Simón Grande Sánchez quienes aportaron sus conocimientos y atención cuando lo requería.  A Julio Márquez secretario académico de la institución quien se dedico a atender y dar soluciones cuando se requirió a lo largo de la carrera. El Ing. Xavier Icaza Lozano por permitir la oportunidad de realizar la estadía en su empresa quien nos ha mostrado una parte complementaria de nuestra carrera, esta es la parte práctica en cuanto a instalaciones fotovoltaicas y otros equipos solares.

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RESUMEN La energía solar es un recurso que tenemos de manera gratuita y de acuerdo a los estudios que se han realizado a lo largo del tiempo, esta energía se puede utilizar para diferentes aplicaciones la finalidad de esta memoria es para mencionar la aplicación en celdas solares las cuales generar energía eléctrica.  A lo largo del tiempo y con el avance en eficiencias de las celdas se han desarrollado proyectos para la aplicación en casas habitación con la finalidad de reducir pagos de recibos de luz que proporciona CFE (Comisión Federal de Electricidad). En el apartado se mencionara como se debe realizar una instalación fotovoltaica y algunos parámetros que se deben considerar para el buen funcionamiento de la instalación. En las instalaciones de celdas solares se tiene conocimiento que se puede realizar de dos maneras las cuales son de forma aislada y interconectada a la red. La forma aislada consiste en tener la instalación de celdas solares alimentando a un banco de baterías de ciclo profundo al cual se le hace un arreglo para que nos proporcione el voltaje y corriente requerida en la casa habitación. El sistema interconectado a la red es el que se debe realizar con un acuerdo  junto con CFE para poder producir la energía eléctrica de manera directa sin almacenarla en baterías sino en las líneas de CFE, las instalaciones llevan unos sistemas de seguridad que ponen en las normas CFE y así ya puede operar el sistema fotovoltaico. En cuanto a la instalación se desarrollara paso a paso junto con las herramientas que se deben ocupar para esta, de igual manera se verifican las normas a las cuales se debe regir nuestra instalación con CFE para que se pueda realizar un sistema interconectado a su red eléctrica de ellos. En las instalaciones interconectadas se realiza con micro inversores o con inversor central la parte de los micro inversores consiste en colocar uno para cada panel que se instale en algunos casos estos suelen traer en su programación un voltaje y corriente variado al que se rige en México, para esto se utiliza un equipo llamado enboy el cual ayuda a rectificar las características deseadas.

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INDICE CAPITULO I. INTRODUCCIÓN ……………………………………….pág. 1 1.1. ANTECEDENTES ………………………………………………..pág. 2 1.2. OBJETIVO………………………………………………………..pág. 5 1.2.1 OBJETIVO GENERAL ……………………………………….….pág. 5 1.2.2 OBJETIVOS PARTICULARES ……………………………...…pág. 5 1.3. JUSTIFICACION …………………………………………………pág. 5 CAPITULO II. MARCO TEORICO …………………………………....pág. 7 2.1. CONDUCTORES, SEMICONDUCTORES Y AISLANTES ….pág. 8 2.2 BANDA PROHIBIDA ……………………………………………....pág.12 2.3 CONCENTRACION INTRÍNSECA DE PORTADORES ……….pág.12 2.4 CONCENTRACION EXTRINSECA DE PORTADORES ………pág.13 2.5 SEMICONDUCTORES P Y N ………………………………….....pág.14 2.6 UNION P Y N …………………………………………………….....pág.16 2.7 FUNCIONAMIENTO DE UNA CELDA FOTOVOLTAICA ….....pág.17 2.8 TIPOS DE CELDAS SOLARES ……………………………….....pág.17 2.9 INVERSORES, MICRO INVERSORES Y BATERIAS …………pág.20 CAPÍTULO III. METODOLOGIA ……………………………………...pág.24 3.1 HOJA DE CALCULOS DE LA EMPRESA ………………….…..pág.24 3.2 INSTALACION FÍSICA DE UN SISTEMAS FOTOVOLTAICO.pag.31 3.3 BREVE DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA AISLADO …………….pág.58 3.4 EL SISTEMA DE MONITORIZACIÓN ENVOY DE ENPHASE.pág.63 CAPITULO IV. RESULTADOS ………………………………………..pág.73 iv

4.1 VERIFICACIÓN DE CÁLCULOS ………………………………...pág.73 CAPÍTULO V. CONCLUSIONES ……………………………….…….pág.77 CAPÍTULO VI. CITAS Y REFERENCIAS …………………………....pág.78 ANEXOS ……………………………………………………………...….pág.79

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CAPITULO I. INTRODUCCIÓN El acuerdo con la empresa C-VERDE para realizar la estadía fue que ésta permitiría complementar la formación teórica del alumno con la parte técnica, ya que en las instalaciones de la universidad se nos imparte el conocimiento en materias como electrónica, fabricación de celdas fotovoltaicas y dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos, pero en opinión del Ing. Xavier Icaza Lozano dueño de la empresa cverde se requiere la parte técnica para complementar el conocimiento, de tal manera que la finalidad de esta estadía es que sirva como la parte experimental de la formación

teórica,

mediante

la

realización

de

instalaciones

fotovoltaicas

interconectadas a la red. De igual manera la memoria de estadía consiste en dar a conocer la relevancia de la energía solar y su aplicación al paso del tiempo. Las instalaciones fotovoltaicas para casa habitación se han visto como una alternativa factible en cuanto a generar su energía de manera gratuita y limpia. Para esto se realizo un proyecto que consiste en la instalación de un sistema fotovoltaico interconectado a la red el cual tiene que suministrar un consumo a la casa habitación, el cual será con módulos fotovoltaicos de 250 W y un inversor central, este proyecto se desarrollara en el Distrito Federal, por lo cual se llevo a cabo un cálculo para poder satisfacer el consumo con 18 paneles de 250 W. Para esta instalación se tomo en cuanta las condiciones como horas solares, la radiación del lugar y otros factores. La parte física es desde colocar una estructura con la inclinación y orientación necesaria para el buen aprovechamiento de la energía solar para los módulos. De igual manera se verifico que no existieran sombras durante el día para que así el sistema funcionara de manera correcta. Para la instalación se muestra los lineamientos que se debe tener con CFE para poder llevarla a cabo, en estos se menciona desde el tipo de cable que se debe utilizar para la instalación donde va incluido el calibre y color para cada uno de los componentes de la instalación, así mismo las conexiones de los paneles solares que se componen de entradas hembras y entradas machos, para la colocación de estas se un menciona el tipo de herramienta especial. 1

Otra parte importante de la estadía fue aprender el uso de un equipo para la corrección de voltaje y corriente de los micros inversores esto con la finalidad de saber programar equipos que traen en su electrónica configuraciones

con

características de voltaje y corriente diferentes a los que se rigen en México el equipo tiene como nombre Envoy.

1.1. ANTECEDENTES Cabe mencionar que en el país se tiene una excelente proporción de energía solar en comparación con otros países, pero ésta no es aprovechada. En tablas de registro se aprecia que el aprovechamiento de energías renovables en el sector energético solo es del 2% de las cueles un 0.2% es energía solar esto para la producción de energía eléctrica estos datos nos dan como resultado que se está desperdiciando mucha energía gratis la cual proporciona el Sol. Tal es el ejemplo de la unión Europa-España Figura 1.

Figura 1. Generación eléctrica Fuente: Eficiencia energética unión Europa-España 2011. Por lo que se llevo a cabo el proyecto de un sistema interconectado a la red para casa habitación en el Distrito Federal en la empresa C-VERDE con el propósito 2

de aprovechar la buena distribución de radiación que hay en nuestro país figura 2.

Figura 2. Fuente: http://www.ez2c.de/ml/solar_land_area/ Por ello de acuerdo a los estudios realizados en la mayor parte de nuestro país la radiación es muy buena para los sistemas fotovoltaicos tal es el caso del lugar del proyecto donde se verifico que fuera factible en la parte del Distrito Federal de acuerdo con un monitoreo en la parte del país, el lugar del proyecto recibe entre 4.7 y 5.5 de radiación solar por lo que es una radiación considerable para el funcionamiento de este sistema Figura 3.

3

Figura 3. Distribución de radiación solar en México. Fuente: Energía verde alternativa, 2001 Para el proyecto se tomo en cuenta que al llegar a la empresa C-VERDE nos hacia falta la parte practica complementaria en cuanto a sistemas fotovoltaicos y se decidió que con la empresa se realizara el proyecto y se llego en conjunto que un consumo de energía eléctrica siempre te genera realizar un pago por lo que se ve una opción factible el realizar este tipo de sistemas en este caso el que se desarrollo en la ya mencionada región.  Así mismo surge la necesidad de reducir los pagos excesivos por la energía eléctrica invirtiendo en los sistemas fotovoltaicos.

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1.2. OBJETIVO 1.2.1 Objetivo General Realizar instalaciones fotovoltaicas interconectadas a la red y de forma aislada de manera física.

1.2.2 Objetivos específicos El objetivo de este proyecto es en primera instancia poder hacer colaboración de parte de la universidad con la empresa para desarrollar proyectos que complementen la parte teórica ya aprendida en la escuela con la parte práctica que se llevara a cabo en las instalaciones de la empresa. Para esto se tomo en cuenta que se debía desarrollar un proyecto útil y de beneficios tanto para la empresa como para nosotros y se decidió realizar un sistema fotovoltaico en el cual involucramos cálculos y la instalación física. Con esto se verifica que nuestra perspectiva se cumpla con la colaboración de las dos partes escuela-empresa de igual manera se realiza un beneficio hacia el medio ambiente, disminución de costos por energía eléctrica, aprovechamiento de la buena energía solar que hay para nuestro país y aprendizaje practico.

1.3. JUSTIFICACION Como ya se menciono anteriormente este proyecto es de apoyo mutuo entre la empresa y la escuela ya que nuestra formación académica será complementada con la experiencia que se obtuvo en la instalación realizada en la empresa ya mencionada. El trabajo consiste en analizar desde la parte teórica como es que se debe aprovechar la energía solar y saber los beneficios que se obtienen por utilizar estos tipos de energías y así mismo saber realizar tanto los dimensionamientos de un sistema y saberlo instalar, se pretende analizar de igual forma la reducción de consumo energético y emisiones de CO2. También en la parte de la práctica se pretende saber utilizar aparatos que se utilizan en algunos casos para instalaciones fotovoltaicas que se manejan actualmente. Para esto se afirma que los beneficiarios son en primera instancia nosotros con la obtención de conocimientos físicos en cuanto a sistemas fotovoltaicos, así 5

mismo el saber utilizar herramientas en una instalación y aprender a programar aparatos para algunas correcciones en algunos componentes de la instalación como es el enboy esto nos ayuda para saber relacionarnos en el ámbito laboral. De igual manera por parte de la empresa se generan beneficios como es el que nosotros apoyemos con nuestros conocimientos para una mejor instalación, el realizar este proyecto beneficia en cuestiones económicas y ecológicas ya que al realizar este trabajo se comprueba que la inversión hace que se realice un costo mucho menor por la energía eléctrica de igual manera contribuimos a que se realicen menos emisiones de CO2 las cuales ya sabemos perjudican a nuestro medio ambiente.

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CAPITULO II. MARCO TEORICO El estudio con bases de primera instancia el recurso solar: La radiación solar total que nos llega a nuestro planeta se categoriza en dos componentes principales; directa e indirecta. La radiación directa es la que nos llega, como dice la palabra de forma “directa” esto es, con poca  obstrucción. Este tipo de radiación es típico en las

zonas desérticas. Por el contrario, la radiación indirecta es la que llega de forma difusa por condiciones climáticas como nubosidad y contaminación ambiental. Esta radiación es típica en zonas tropicales y de alta nubosidad o alta incidencia a fenómenos naturales o antropológicos de contaminación de aire tales como el “smog”, ceniza volcánica, polvo fugitivo, entre otros. De la radiación total que nos

llega es mayormente la luz visible dentro del espectro de luz solar la cual es útil para las tecnologías actuales comerciales de conversión de luz a electricidad conocido como el efecto fotovoltaico. Para el caso especifico de sistemas fotovoltaicos, es fundamental conocer la radiación incidente en un plaño determinado. Este dato se cuantifica por medición directa y modelos matemáticos de estimación y se tabula de forma simplificada en kilovatios-hora por metro cuadrado (kWh/m2). Se conoce esta unidad compuesta como “un sol” o “one sun” en   ingles cuando tenemos en equivalencia a 1,000 vatios o 1 Kw de radiación solar por metro cuadrado. (1)  Al conocer la parte de la radiación existente pasaremos a conocer el siguiente fenómeno que es el efecto fotoeléctrico del cual se dice que fue observado por primera vez en 1839 en Francia. Sin embargo, hoy día se atribuye el descubrimiento a “Heinrich Hertz” en 1887. “Hertz” descubrió el efecto fotoeléctrico por accidente, al tratar de probar la teoría de “Maxwell”  sobre la radiación electromagnética, en esencia ondulatoria ya que fue la primera prueba experimental contundente a favor de la teoría de “Maxwell” pero a su vez abrió el camino para los experimentos que mostraron el carácter corpuscular de la luz. El experimento consistía en provocar una chispa con una bobina de inducción y detectar los efectos de la radiación electromagnética emitida observando la existencia de otra chispa entre las puntas de un alambre enrollado en forma de círculo y a cierta distancia del emisor. Para observar mejor la pequeña chispa en el receptor “Herz”  solía usar una cubierta oscura. Al hacerlo notó que la chispa cambiaba de longitud y bajo ciertas condiciones 7

incluso desaparecía. Él concluyó acertadamente que la luz proveniente de la chispa emisora era la causante de este extraño fenómeno. (2) El efecto fotoeléctrico para las celdas solares se basa en poder hacer que haya un flujo de electrones esto en un semiconductor para esto se debe conocer la parte de conductores, semiconductores y aislantes.

2.1. CONDUCTORES, SEMICONDUCTORES Y AISLANTES Las sustancias químicas están compuestas de átomos individuales específicos que se enlazan entre sí, ya sea cediendo o compartiendo los electrones de valencia. Las sustancia químicas son variopintas; elementos como el oxígeno, el nitrógeno, compuestos esenciales como el agua hasta sustancias tan complicadas como las proteínas y los polímeros. En el presente capítulo se estudiaran átomos agrupados de forma regular creando una estructura periódica, es decir, una red cristalina. La estructura de diversos cristales es la de arreglos de átomos en figuras geométricas volumétricas que se repiten en forma periódica, como se ilustra en la figura 4. Recordemos que un átomo individual está constituido por un núcleo formado de protones, partículas con carga positiva y de neutrones, partículas con carga positiva y de neutrones, partículas con carga neutra. El número de electrones es diferente para cada átomo específico. Los electrones se encuentran en movimiento y son caracterizados por sus niveles de energía.

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Figura 4. Distribución de átomos de silicio en una red cristalina. Fuente: Fotovoltaicos: Fundamentos y aplicaciones, Vigil Galán Osvaldo, Hernández García Luis y Santana Rodríguez Guillermo. Los niveles de energías de los electrones son parámetros esenciales para conocer su movimiento en la red cristalina. Los conductores son cristales que poseen gran número de portadores de carga debido al débil efecto que ejercen los núcleos atómicos sobre los electrones de valencia, liberándose estos del enlace a relativamente bajas temperaturas. Al aplicar un campo eléctrico externo aparece una corriente eléctrica que fluye a través del cristal. En cambio, en los cristales aislantes la atracción que ejercen las cargas positivas del núcleo (protones) sobre los electrones de valencia es muy fuerte, de modo que estos quedan enlazados aun a altas temperaturas, entonces al aplicarse un voltaje externo, no aparece una corriente eléctrica. Aquellos cristales que poseen energía de enlace intermedia son los semiconductores, los cuales no poseen tantos 9

electrones libres como los metales pero mucho más que los aislantes a temperatura ambiente y suficiente para que aparezca una corriente eléctrica en presencia de un voltaje externo. Los cristales semiconductores constituyes los materiales esenciales para la industria electrónica que tanto progreso ha permitido a la humanidad. Los átomos que conforman los materiales semiconductores son aquellos que se encuentran en el grupo IV de la tabla periódica Figura 5, fundamentalmente el Si y Ge. También existen materiales semiconductores por la combinación de elementos del grupo III y V (llamados semiconductores III-V, como el GaAs, el GaP, EL GaSb, el InP, y otros) y por la combinación de los elementos del grupo II y VI (llamados semiconductores II-VI, como el ZnSe, el CdTe, el CdSe, el ZnS, etcétera). Otros compuestos semiconductores han sido obtenidos a través de la combinación de elementos de la tabla periódica, agrupándose bajo la denominación de compuestos IV-IV como el SiC, IV-VI como el PbS, V-VI como el Bi2 Te3, compuestos ternarios como el CuInSe2, o el HgCdTe lo cual haría interminable esta relación y cuyas propiedades permiten utilizarlos en una amplia gama de aplicaciones como detectores infrarrojos, diodos emisores de luz, sensores de gases, celdas fotovoltaicas, etcétera. El silicio es el material semiconductor más común en la naturaleza y por fortuna el más utilizado. Se emplea en toda la microelectrónica para fabricar los circuitos integrados y se ha logrado un gran proceso en la producción casi perfecta de estos materiales. Para esto de acuerdo a la tabla periódica nos muestra sus características de los elementos mencionados anteriormente y así se verifica de acuerdo a sus números de valencia, protones y electrones si se pueden tomar como aislantes, conductores o semiconductores.

10

Figura 5. Elementos semiconductores. Fuente: Ciencia y tecnología 2012. En la parte de los enlaces covalentes de un cristal de silicio también se pueden mostrar de manera esquemática para tener un mejor entendimiento de estos enlaces figura 6.

Figura 6. Enlaces covalentes de un cristal de silicio. Fuente: Onildo Plasencia Alberto, Materiales Semiconductores. 11

Para la eficiente operación de una celda solar las propiedades esenciales de los materiales semiconductores están caracterizadas por los siguientes parámetros:



La banda prohibida.



El número de portadores de carga que contribuyes a la conducción.



Los procesos de generación y recombinación de los portadores libres

cuando incide la luz.

2.2 BANDA PROHIBIDA La banda prohibida es la brecha de energía mínima necesaria para que el electrón pase de su estado básico, ligado por un enlace covalente al átomo, a un estado libre donde participa en la conducción eléctrica. En la brecha, el nivel de energía inferior es el tope de la banda de valencia, en tanto el nivel de energía superior corresponde al borde inferior de la banda de conducción. Con un electrón arriba a la banda de conducción, ya sea por la absorción de energía térmica o energía luminosa, aparece inmediatamente un hueco en la banda de valencia. Ambos, el electrón y el hueco, participan de la conducción y la contribución de cada uno de los portadores, dependiendo del número que exista respectivamente y de la facilidad con que pueden moverse en el cristal semiconductor.

2.3 CONCENTRACION INTRÍNSECA DE PORTADORES La aparición de pares electrón hueco en la banda de conducción y de valencia respectivamente, como consecuencia de la absorción de energía térmica, conlleva a una concentración de portadores libres en las bandas, la cual se denomina concentración intrínseca de portadores (ni). Así, el número de electrones en la banda de conducción y huecos en la banda de valencia condiciona el valor de ni , el cual depende a su vez del valor de la banda prohibida y la temperatura. Por su puesto, a una misma temperatura, mientras mayor sea la brecha energética del material semiconductor menor será el número de pares electrón hueco que se creen térmicamente y viceversa. La dependencia de elec. ni   con la temperatura es directo,

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mientras mayor sea la temperatura mayor será la condición intrínseca de portadores, esas dependencias se muestra esquemáticamente Figura 7.

Figura 7. Bandas para semiconductores intrínsecos Fuente: Fotovoltaicos: Fundamentos y aplicaciones, Vigil Galán Osvaldo, Hernández García Luis y Santana Rodríguez Guillermo.

2.4 CONCENTRACION EXTRINSECA DE PORTADORES En lo dispositivos semiconductores incluidas las celdas solares, es necesario controlar la conductividad del material a través del número de electrones u huecos. Para ello se introducen átomos diferentes a los de la red cristalina del material semiconductor. Este proceso se llama impurificación o dopaje, termino anglicista muy utilizado en semiconductores. Cuando se introducen átomos con uno o más electrones de valencia que los que poseen los átomos de la red se produce una impurificación tipo  –N, que provoca una concentración de electrones en la anda de conducción superior a la intrínseca.

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Por otra parte, cuando se introducen átomos con uno o menos electrones de valencia en la red cristalina, el semiconductor queda impurificado tipo  –P, esto es, con una concentración de huecos en la banda de valencia superior al valor de ni. (3)

2.5 SEMICONDUCTORES P Y N. En la práctica, para mejorar la conductividad eléctrica de los semiconductores, se utilizan impurezas añadidas voluntariamente. Esta operación se denomina dopado, utilizándose dos tipos: • Impurezas pentavalentes. Son elementos cuyos   átomos tienen cinco

electrones de valencia en su orbital exterior. Entre ellos se encuentran el fósforo, el antimonio y el arsénico. • Impurezas trivalentes. Son elementos cuyos átomos tienen tres electr ones de

valencia en su orbital exterior. Entre ellos se encuentran el boro, el galio y el indio. Cuando un elemento con cinco electrones de valencia entra en la red cristalina del silicio, se completan los cuatro electrones de valencia que se precisan para llegar al equilibrio y queda libre un quinto electrón que le hace mucho mejor conductor. De un semiconductor dopado con impurezas pentavalentes se dice que es de tipo N como se muestra en la figura 8. En cambio, si se introduce una impureza trivalente en la red cristalina del silicio, se forman tres enlaces covalentes con tres átomos de silicio vecinos, quedando un cuarto átomo de silicio con un electrón sin enlazar, provocando un hueco en la red cristalina. De un semiconductor dopado con impurezas trivalentes se dice que es de tipo P como se muestra en la figura 9. (4)

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Figura 8: Semiconductor dopado tipo N. Fuente: Semiconductores intrínsecos y extrínsecos, Tecnologías ESO, Pedro Landin.

Figura 9. Semiconductor dopado tipo P. Fuente: Semiconductores intrínsecos y extrínsecos, Tecnologías ESO, Pedro Landin. 15

2.6 UNION P Y N Para comprender la conducción de corrientes en los semiconductores, debemos entender primero como funciona la unión P-N, es decir la unión de un semiconductor tipo P donde hay huecos libres y un semiconductor tipo N donde hay electrones libres. La unión P-N la conocemos en los diodos, cuando aplicamos un voltaje a la unión P-N los electrones y los huecos se mueven respectivamente hacia la unión de los dos materiales esto porque polaridades del mismo signo se repelen, el voltaje positivo que se aplica al material tipo P repele los huecos y estos cruzan la unión hacia el material tipo N, y así cada hueco encuentra un electrón y de esta forma las cargas se neutralizan, por otro lado los electrones cruzan la unión hacia el material tipo P y sucede lo mismo, los electrones y huecos que se neutralizan son remplazados por mas electrones y huecos que entran en la unión P-N. Entonces si se aplica el voltaje positivo al material tipo P y el voltaje negativo al tipo N la corriente fluye y es lo que nosotros llamamos polarización directa figura 10. Cuando invertimos este voltaje los huecos y electrones son atraídos a cada terminal y se alejan de la unión, lo que hace que las partículas cargadas no puedan pasar la unión y de esta forma el flujo de corriente se anula, esto es lo que conocemos como polarización inversa. Esta propiedad de dejar pasar o bloquear la corriente en un semiconductor de unión P-N no solo se usa en los diodos sino también en los transistores. (5)

Figura 10: Unión P-N Fuente: Semiconductores intrínsecos y extrínsecos, Tecnologías ESO, Pedro Landin.

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2.7 FUNCIONAMIENTO DE UNA CELDA FOTOVOLTAICA Las celdas fotovoltaicas son sistemas que convierten de forma directa la luz solar en energía eléctrica esto con el ya mencionado efecto fotoeléctrico, y estas celdas están compuestas por un ánodo y un cátodo recubierto de un material fotosensible. Una vez que se incide la luz sobre la celda, se desprenden electrones del cátodo los cuales son atraídos por el ánodo, de forma positiva, así se origina un flujo de electrones de acuerdo a la intensidad de la radiación figura 11. Las celdas solares son fabricadas principalmente de silicio, que en la actualidad es el segundo de los elementos más abundantes en la tierra.

Figura 11: Flujo de electrones y corriente en una célula solar. Fuente: Celdas Fotovoltaicas, Glenis Moreno y Fernando Martínez.

2.8 TIPOS DE CELDAS SOLARES Existen varios tipos de paneles solares, estos están compuestos por varias células solares las cuales pueden ser de tipo monocristalino, policristalino o tándem. 17

Los paneles tienen un arreglo de células fotovoltaicas las cuales le dan la potencia de la cual será el panel. Células y panel tipo monocristalinas: son las que se cortan de un solo cristal de silicio que son efectivamente una rebanada de un cristal. En apariencia, que tendrá una textura suave y usted será capaz de ver el grosor de la rebanada. Estos son los más eficientes y los más caros de producir. También son rígidos y deben ser montados en una estructura rígida para su protección. Otra característica de estas células es su color se ve en toda la célula el mismo azul figura 12.

Figura 12: Panel solar monocristalino. Fuente: Paneles solares fotovoltaicos, Sitio solar.com, portal de energías renovables. Células tipo policristalinas y panel solar: las células son efectivamente una reducción de corte de un bloque de silicio, compuesto de un gran número de cristales. Poco menos eficiente y un poco menos costosa que las células monocristalinas y otra vez deben ser montados en un marco rígido figura 13.

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Figura 13: Panel solar policristalino. Fuente: Paneles solares fotovoltaicos, Sitio solar.com, portal de energías renovables. Células y panel tipo amorfas: Estas son manufacturadas mediante la colocación de una fina capa de amorfo (no cristalino) de silicio sobre una amplia variedad de superficies. Estos son los menos eficiente y menos costoso de producir de los tres tipos. Debido a la naturaleza amorfa de la capa fina, es flexible, y si se fabrica sobre una superficie flexible, el panel solar entero puede ser flexible. Una característica de las celdas solares amorfa es que su potencia se reduce con el tiempo, especialmente durante los primeros meses, después de los cuales son básicamente estables figura 14.

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Figura 14: Panel solar amorfo. Fuente: ELECTROFRET, energía solar fotovoltaica.

2.9 INVERSORES, MICRO INVERSORES Y BATERIAS Para un sistema fotovoltaico se requiere de un inversor o micro inversor, los cuales tienen la misma función de realizar un cambio de corriente directa a alterna así mismo realizan una regulación del voltaje. Un ejemplo de inversores es la marca Fronius donde nos dice lo siguiente de sus equipos: La energía solar se convierte en corriente y se suministra a la red pública. El corazón de cualquier sistema fotovoltaico lo componen inversores eficientes, confiables y potentes. Para desarrollar la tecnología de los inversores fotovoltaicos, Fronius ha estudiado a fondo y buscado soluciones innovadoras, con lo que ha descubierto respuestas completamente nuevas. El resultado: Inversores fotovoltaicos conectados a la red, altamente funcionales, que trabajan a la perfección con todos los módulos solares. (7) En este caso para una instalación de más de 10 paneles es recomendable utilizar un inversor central el cual realizara sus funciones con los módulos, un problema que se puede tener con el uso de estos inversores centrales es de que si en un dado caso algún modulo llegara a tener una sombra este baja la eficiencia del 20

sistema fotovoltaico ya que los demás módulos tendrán un funcionamiento mucho menor por la causa de que están conectados los paneles en serie y si se corta la radiación en uno se descontinúa el flujo de la corriente en los demás. En la parte de los micro inversores, estos se utilizan para un menor número de paneles según las recomendaciones de parte de la empresa C-VERDE, esto para que el sistema pueda funcionar de manera optima, los micro inversores realizan la misma función que un inversor central, pero en este caso se colocan para un solo modulo fotovoltaico, las ventajas de estos son de que si en algún modulo llegara a tener sombra solo se cancela el flujo de corriente de la parte donde está la sombra y la de mas parte de los módulos siguen funcionando de manera continua figura 15.

Figura 15. Diferencia entre un micro inversor y inversor central. Fuente: Equipo solar PV, BLOG DE CEMAER, aprende y domina las energías renovables.

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Baterías: Las baterías son componentes para sistemas fotovoltaicos que se realizan dependientes o mejor llamados aislados, estos componentes están compuestos de: 1. Placa: la cual está compuesta por una rejilla ya sea la parte positiva o negativa, la cual tiene igual la pasta o material activo figura 16. 2. Rejilla: Esta comúnmente constituida por una aleación plomo-calcio, la cual proporciona flexibilidad y resistencia a la rejilla de igual forma hace menor la gasificación del electrolito. 3. Una pasta: Es un material activo: para la parte positiva por lo regular se utiliza oxido de plomo + perborato de sodio + fibra de vidrio. La parte negativa se constituye de plomo esponjoso + carbonato mineral + fibra de vidrio. 4. Un sobre de polietileno: Estos separadores se usan para evitar el cortocircuito entre las placas (+) y (-). Fabricados de polietileno de alta resistencia y la porosidad del separador permite que el electrolito penetre e haga contacto con la placa activando una reacción química eléctrica. Mayor resistencia a la perforación con menor resistencia a la conductividad y mayor durabilidad. 5. Laminado y expandió: Es donde se realiza la parte de cómo se repartirán las láminas de los diferentes polos. 6. Sistema de doble tapón: Se compone de una capa de laminado que se le nombra el tapón final, de igual manera es la gasificación y condensación el electrolito y se tiene una liberación de exceso de gasificación para el doble tapón. 7. Electrolito: Este es un liquido que se compone de 35% acido sulfúrico y 65% agua en las baterías comunes es el encargado de realizar la carga de la batería entre menor sea su gravedad especifica la carga será baja para medir esto se requiere de un hidrómetro. 8. Carcasa: es la base donde se colocan los elementos ya mencionados y también donde se realiza la separación de polos y donde se coloca la sustancia liquida (electrolito).

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Figura 16: Componentes de una batería. Fuente: Afinidad eléctrica 2007, La pila de Bagdad.

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CAPÍTULO III. METODOLOGIA. El proyecto ya mencionado fue realizado en el Distrito Federal como ya se había mencionado anteriormente es para reducir los costos de energía eléctrica, el cual se llevo acabo de la siguiente manera se realizaron los cálculos para poder determinar con cuantos paneles se abástese el consumo ya mencionado, se verifico que los cálculos hechos por su calculadora con la que cuenta la empresa coincidieran con los que nosotros aprendimos a realizar en la universidad. También por cuestiones de la empresa no se nos permite definir con claridad las ecuaciones que en su calculadora tienen para realizar estos cálculos. La metodología aplicada consistió en las siguientes etapas: a) Conocer Hoja de cálculo de la empresa: Donde se realiza el dimensionamiento de paneles y su presupuesto. b) Instalación física: Se desarrollo el armado del sistema con todos sus componentes y herramientas. c) Sistema aislado: En este apartado se describe de manera breve la instalación del sistema aislado. d) Programación

de

microinversores:

La

programación

de

estos

componentes se realiza por medio de un programa de nombre Envoy.

3.1 HOJA DE CALCULOS DE LA EMPRESA. Por parte de la empresa cuentan con un sistema más rápido para realizar los cálculos de instalaciones fotovoltaicos, esta es una hoja de cálculo en la cual introduciendo el consumo que se desea cubrir con el sistema fotovoltaico, de manera rápida obtenemos el número de paneles, el precio de la instalación el nuevo costo por la energía eléctrica. De igual forma en la hoja de cálculo se introducen datos del cliente, lugar donde se llevara a cabo la instalación y capacidad de la instalación.  A continuación mostraremos un ejemplo de esta hoja de cálculo y sus partes que la conforman, las cuales se explicaran de manera general ya que por cuestiones

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de privacidad de la empresa no se nos permite mencionar muy detalladamente las partes de su hoja de cálculo. Por esto se mencionara solo a que se refiere cada casilla y las de mayor relevancia para nosotros estarán señaladas con flechas de colores para que las distingamos y sea más fácil de entender la hoja de cálculo Figura 17.

Figura 17 Hoja de cálculo C-VERDE. La flecha de color verde: Nos muestra que en esta hoja se maneja todo el año el cual como sabemos por parte de CFE lo divide por bimestres en los cuales se tiene un consumo variado, en la empresa para poder realizar un cálculo más justo se requiere pedirles sus recibos de luz para ver los consumos a lo largo del año y colocarlos en las casillas señaladas dependiendo el bimestre o de otra forma si no se cuenta con los recibos de todo el año se toma solo uno y se coloca en todos los demás meses figura 18.

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Figura 18. Casillas de meses y consumo. La flecha de color azul: Esta flecha nos señala el precio por el consumo de KWh durante el año, esta casilla es importante porque de esta depende cual es el gasto que se hace por la energía eléctrica y así poder hacer una comparación ya con lo del sistema fotovoltaico en esta parte así como el consumo el costo se registra en la casilla que corresponde por bimestre en este ejemplo no se pudo obtener el costo por bimestre por lo que se registro el de un solo bimestre como lo muestra en la figura 19.

Figura 19. Costo por el consumo de energía durante el año. La flecha de color roja: Esta parte nos señala el aporte del sistema fotovoltaico a lo largo del año ya que en su hoja de cálculo de acuerdo a los meses del año el suministro del sistema va a variar esto por la distinta radiación que hay en las 26

estaciones del año por esto en algunos casos el sistema debe de hacerse un poco sobrado para que en las estaciones del año cuando disminuye la radiación se pueda abastecer o cumplir con el suministro. Esta casilla es parte importante porque de acuerdo al suministro de nuestro sistema se verá reflejado en el costo beneficio de realizar una instalación de este tipo esto se muestra en la figura 20.

Figura 20. Aporte del sistema fotovoltaico (KWh). La flecha color naranja: En esta parte siguiendo s iguiendo con la visualización tenemos la parte de nuevo consumo que nos demuestra que una vez que se coloque el sistema fotovoltaico se disminuirá el consumo a CFE, donde en algunos casos de éxito en la empresa se ha visto que se s e reduce hasta en un 98 % por p or lo que los pagos se reducen drásticamente, al igual se ha dado casos donde CFE es quien les debe a las personas por el suministro extra de las instalaciones figura 21.

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Figura 21. Consumo nuevo con el sistema fotovoltaico ya instalad o. La flecha color negra: Como conocemos para su sistema de CFE se puede llegar a ser de tarifa DAC, esto por el consumo c onsumo excesivo de energía por lo que q ue el sistema fotovoltaico ya instalado hace un cambio de tarifa tarifa DAC a tarifa 1. En la figura 22, se muestra como disminuyen los precios tan altos a unos precios razonables por el consumo consu mo de energía aquí es donde se demuestra d emuestra la alta eficiencia y confiabilidad de los sistemas fotovoltaicos. Una vez señalado esto tenemos la parte del ahorro que es cuánto dinero será recuperado por bimestre si se realiza la instalación de este sistema.

Figura 22. Comparación factura DAC a factura 1 y ahorro económico. 28

La flecha color morado: Nos muestra en esta hoja de cálculo que se tiene el costo por invertir en la instalación para este caso el costo se muestra en la siguiente figura de igual manera nos muestra gráficamente como se va recuperando lo invertido considerando el aumento de tarifas. De igual manera nos da el porcentaje de generación de SFV (Sistema fotovoltaico) y ahorro económico, realiza el cálculo de retorno de inversión figura 23 y 24. El cual por parte de la empresa es importante para que a los clientes se les convenza de realizar la inversión y mostrarles las ventajas de el por qué es bueno invertir en el sistema.

Figura 23. Inversión y su retorno del sistema.

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Figura 24. Grafica recuperación de la inversión. Para darle a conocer de mejor manera los resultados del dimensionamiento a el cliente en la parte de los cálculos también nos genera graficas que son más ilustrativas para el entendimiento de cuales serian sus beneficios que tendrá y así se anime con el sistema como se refleja en la siguiente grafica (figura 25) donde nos dice cual es su consumo actual por parte de la red eléctrica y cuál sería su consumo real con el sistema ya instalado. Esto se va basando en el transcurso del año y como ya anteriormente se menciono dependiendo la distinta radiación que hay en los distintos meses, por lo que nos da una visión mucho mejor y significativa del ahorro de energía y posteriormente se ve reflejado en la parte económica.

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Figura 25. Consumo normal y contribución SFV.

3.2 INSTALACION FÍSICA DE UN SISTEMAS FOTOVOLTAICO. Como ya comprobamos anteriormente que lo aprendido en la universidad concuerda con la forma de la empresa nos dimos a la tarea de realizar ahora la parte física de una instalación. Por lo que seguimos una serie de pasos instalación de 18 paneles de 250W. En primera instancia como ya sabemos se debe verificar que en el lugar donde se colocaran los paneles se puedan orientar hacia el sur esto para poder aprovechar la radiación de mejor manera. En la universidad la conocemos de mejor manera como realizar o sacar la carta solar para un mejor ajuste. En este caso solo se utiliza una brújula y checar hacia donde está el sur figura 26.

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Figura 26. Orientación hacia el sur. Una vez que se verifico la orientación se tiene que verificar que no existan sombras (figura 27) y realizar la fijación de los paneles, los cuales en este caso las instalaciones aprendidas fueron de dos maneras.

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Figura 27. Lugar sin sombras. Primer forma fue con las estructuras de los paneles que ya vienen con el ángulo que se debe tener en consideración para el buen funcionamiento de los equipos en este caso el que tienen las estructuras son 24 °, figura 28. 33

Figura 28. Estructura de panel con ángulo de 24°. Par el armado de estas estructuras se requiere de llaves milimétricas las cuales ayuden a realizar un atornillado seguro de las bases las cuales se componen de cuatro patas el armado es de manera sencilla siempre y cuando se utilicen las herramientas correctas en las figura 29, 30 y 31 nos da una mejor idea de este armando.

34

Figura 29. Elección de las herramientas llaves y dados milimétricos.

Figura 30. Armado de las patas de la base del panel solar. 35

Figura 31. Bases lista para paneles solares. Una vez armada la estructura de los paneles se pasa a la parte de la fijación al techo, esta parte es barrenar el techo con una broca y taladro en el cual una vez realizados los barrenos se colocan los paneles, para la fijación se tienen que atornillar con tornillos especiales para concreto figuras 32.

Figura 32. Taquete y tornillo de presión para concreto. 36

El procedimiento de barrenado ejemplo figura 33

Figura 33 Barrenado para fijación de bases de paneles. El Taquete ya mostrado junto con el tornillo de presión es colocado para la fijación de la estructura de los módulos así mismo se le coloca una capa de impermeabilizante para evitar transmisión de agua a la casa figura 34.

Figura 34. Fijación de estructuras de los paneles. 37

En el caso de la instalación de 18 paneles solo 4 se colocaron con las estructuras que vienen en el paquete de los paneles y sobre una estructura que se construyo para que quedaran a nivel ya que la losa tenía un desnivel y evitar sombras por los demás modulo que se colocaran al frente figura 3 5 y 36.

Figura 35. Estructura para colocar bases de los paneles.

Figura 36. Los 4 paneles montados en la estructura con sus bases ya armadas. 38

Para la parte de la colocación de los paneles faltantes (14 paneles), se decidió realizar una base de PTR de 3”, la cual soportaría el peso de todos los paneles.

También la construcción de la estructura fue para evitar colocar los paneles en un lugar donde existía sombra figura 37.

Figur a 37. Material utilizado para la estructura PT R 3”. De esta forma se llevo a cabo la construcción de la estructura donde se realizaron cortes a la altura donde se pretende colocar los paneles, en el caso de esta estructura igual se realizo un corte para poder darle el ángulo de 24° figuras 38 y 39. Esta estructura fue unida a una parte de la casa para que tuviera soporte y que pudiera resistir el peso de los 14 paneles, los cuales tiene un peso de 20 kilos cada uno, en este caso ya no se realiza el armado de bases ya incluidas en los paneles sino se colocaran solo los paneles, por las características en que se construyo la estructura ya mencionada.

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Figura 38. Fijación de la estructura a la casa.

Figura 39. Inclinación de la estructura metálica a 24°. 40

Una vez que se realizo la estructura por parte de la empresa se decidió realizar una pintada de color rojo para darle una buena estética al trabajo véase figura 40. Una vez realizada la parte de estética se comenzó a montar los paneles en la estructura esto fijándolos a la estructura con tornillos para evitar que se caigan con el aire o cualquier otro factor figura 41, 42, 43 y 44.

Figura 40. Estética de la estructura metálica. 41

Figura 41. Montaje de paneles solares. 42

Figura 42. Montaje de paneles solares. 43

Figura 43. Finalización de montaje de paneles.

Figura 44. Montaje de los 18 paneles y su buena estética. 44

 Al finalizar la colocación de los paneles se debe ahora realizar la parte de tuberías y cableado para la conexión del sistema. Para la parte de los paneles estos se conectan todos en serie, los cuales tienen sus conectores especiales como ya se había mencionado anteriormente existen dos tipos de conectores los machos y hembras, estos a la salida de los paneles. Estos conectores el macho es para el positivo de la salida del panel y el hembra para el negativo, en la siguiente imagen se mostrara del lado izquierdo el conector hembra que es el de mayor tamaño y del lado derecho el conector macho que es el de menor tamaño en la mayoría de los conectores están marcados con los símbolos de + para el positivo y  – para el negativo figura 45.

Figura 45. Conectores de los paneles solares hembra y macho. 45

La conexión de los paneles entre si se dan en serie que es positivo negativo en relación del numero de los módulos para que al final de la conexión en serie nos debe de quedar la parte positiva y negativa de la salida de los paneles, al realizar este arreglo nos genera nuestra potencia deseada de cualquier sistema figura 46 y 47.

Figura 46. Conexión en serie de los paneles.

46

Figura 47. Conexión de los módulos entre sí. Una vez realizada la conexión de nuestros módulos las dos salidas (positivo y negativo) deben de ir a una caja conectora donde existe un interruptor para proteger este sistema. En la caja también se tiene las conexiones macho y hembra las cuales son receptoras de las salidas de los paneles, una vez que llegan a la parte de la caja después del interruptor tenemos la salida de las líneas y neutro las cuales se dirigen hacia el inversor central figura 48.

47

Figura 48. Caja receptora de salidas de los paneles.  A la salida de esta caja tenemos las salidas de las fases que de acuerdo a la norma de CFE los colores para este tipo de cables a utilizar deben ser rojo, azul o negro y para el neutro color verde figura 49.

Figura 49. Cables utilizados para los sistemas con el color correspondiente. 48

Para la protección de este cableado se debe utilizar tubería, la cual debe de ir instalada de la salida de la caja a nuestro inversor central, para esto debemos realizar algunos cortes al tubo y dobleces dependiendo lo requiera en el trayecto del cableado. Los dobleces que se requieren en nuestra tubería se pueden realizar con una dobladora la cual ayuda a facilitarlos y así son de mejor ajuste para su trayecto hacia el inversor figura 50. .

Figura 50. Dobladora que se utiliza para la tubería.

49

Para poder utilizar esta herramienta solo se debe colocar el tubo en la parte curveada de la dobladora, esta parte del tubo es la que se desea doblar la cual se coloca entre el suelo y la dobladora una vez que se coloco la dobladora de esta forma se debe colocar el pie en un extremo del tubo y con la mano hacer palanca para que se realice el dobles figura 51, 52. La dobladora tiene diferentes medidas para el tamaño del tubo que se requiera doblar de igual manera tiene para ir checando hasta que punto lo quieres doblar.

Figura 51. Funcionamiento de la dobladora.

50

Figura 52. Dobles listo a la medida requerida. Una vez realizado el dobles se mide en la parte donde se requería y se coloca fijándolo a la pared con abrazaderas tipo omega figura 53.

Figura 53. Medición y colocación de tubería. 51

Para la unión de las tuberías se requiere de algunos elementos como lo son codos, coples y condulex, por parte de los codos y coples sirven en la unión de un tubo con otro ya sea de forma recta con un cople o de algún ángulo recto con el codo. También los condulex sirven como unión entre tubos los cuales pueden ser en forma de T, con ángulo de 90° o recto la diferencia de estos es qué se utiliza para poder realizar amarres de cable ya que cuentan con una cajita la cual se puede abrir para poder trabajar con los cables figura 54.

Figura 54. Conexión de tuberías con coples y condulex.

52

Una vez que se hizo llegar la tubería con los cables a donde se realizara la conexión con el inversor y la red de CFE se realiza la colocación del inversor en un lugar donde este protegido de que tenga contacto con el agua y humedad figura 55,56 y 57.

Figura 55. Llegada de la tubería al lugar de la conexión.

Figura 56. Inversor Central. 53

Figura 57. Fijación del inversor. Una vez que se ha fijado el inversor en el lugar adecuado se requiere hacer la conexión de las líneas que llegan de los paneles para que pueda realizar su función el inversor de cambiar de corriente directa a corriente alterna. La cual una vez realizada esta función el inversor debe estar ya conectado a la línea de CFE la cual se realiza por medio de la bajada que te ofrece la compañía. Si se encuentra en funcionamiento el sistema dependiendo de su eficiencia generara la energía requerida en caso de que este baja la eficiencia el inversor tomara la energía necesaria de la red pública para abastecer junto con la del sistema fotovoltaico y la de la red la requerida en la casa habitación. Cuando la eficiencia del sistema está trabajando de manera correcta no se requiere tomar energía de la red pública y con la del sistema es suficiente. En algunos casos cuando la energía del sistema es mucho mayor a la que se requiere esta energía es suministrada a la red pública figura 58, 59 y 60. 54

Figura 58. Conexión del inversor con las líneas de CFE. 55

Figura 59. Conexión de las líneas de los paneles al inversor.

Figura 60. Conexión terminada al inversor. 56

Una vez finalizada la instalación de los módulos y el inversor, se verifica por medio del desplaye del inversor que muestre la producción del sistema. De igual manera se verifica la estética del trabajo que es la buena colocación del inversor y los paneles figura 61 y 62.

Figura 61. Instalación del inversor correcta y terminada.

Figura 62. Instalación de los paneles con estética. 57

3.3 BREVE DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA AISLADO En el sistema aislado que se aprendió a instalar es de la misma manera que el sistema interconectado a la red se realiza el montaje de paneles solares con sus estructuras de igual forma se orientan al sur y se verifican los demás parámetros para la colocación ya mencionados en la anterior instalación. No obstante en este sistema la única diferencia es de que el almacenaje no es en la red pública, sino este sistema cuenta con un banco de baterías el cual es el encargado de almacenar la energía de los paneles, y para la distribución de la energía hacia la casa habitación para que nos del voltaje y la corriente que se necesita el sistema cuenta con un arreglo en las baterías ya sea en serie o en paralelo dependiendo que se desee aumentar si la corriente o el voltaje ejemplo de la instalación aislada. Pasos básicos de la instalación aislada: 1.-Armado de bastidor para panel solar figura 67.

Figura 67. Bastidor de panel armado.

58

2.- Tendido de sistema de panal solar figura 68 y 69.

Figura 68. Tendido de panel solar.

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Figura 69. Panel solar tendido. 3.- Preparación de tuberías para la canalización de cableado para sistema isla y dirección a centro de carga figura 70 y 71.

Figura 70. Colocación de cableado para el centro de carga.

Figura 71. Conexión de cableado. 60

4.-Conexión del arreglo de baterías para el sistema isla figura 72 y 73.

Figura 72. conexiones de baterías a entrada al centro de carga.

Figura 73. Arreglo de baterías.

61

5.-Instalación de inversor y controlador del panel a las beterías figura 74.

Figura 74. Conexión del inversor a las baterías. 6.-Terminación de la instalación isla y verificación de funcionamiento figura 75.

Figura 75. Monitoreo del sistema funcionando. 62

3.4 EL SISTEMA DE MONITORIZACIÓN ENVOY DE ENPHASE El Envoy es un componente integrado en el sistema Enphase Energía. Opera entre el microinversor y Enphase Enlighten basado en sistema WEB y software de análisis. El Envoy opera como una puerta de enlace y supervisa los microinversores que están conectados a los módulos fotovoltaicos. Recopila datos sobre la energía y el rendimiento de los microinversores a través de las líneas de alimentación AC. Los tres elementos clave de un sistema Enphase son: · Microinverter Enphase · Sistema de Monitorización Envoy. · Enphase Enlighten, basado en sistema WEB y software de análisis. Este sistema integrado maximiza la energía producida, incrementa la fiabilidad del sistema, y simplifica el diseño, instalación y el manejo. El siguiente diagrama muestra el Envoy integrado en el sistema figura 76.

Figura 76. Envoy integrado en el sistema. 63

Partes del diagrama Envoy: 1.- Nos muestra el microinversor, el cual esta colocado debajo de los paneles y este es el que genera CA la cual por medio del cableado es suministra CA a la red eléctrica. 2.- Sistema de comunicación Enphase Envoy, es el que se encarga de conectarse a una toma de CA y recopila información a través del cableado CA de igual forma transmite datos de un router de banda ancha estándar a internet y la transfiere a la pantalla en un intervalo de 5 minutos. 3.- Software de análisis y monitorización web Enphase enlighten, proporciona monitorización y análisis de igual manera permite que los datos de rendimiento sean vistos desde cualquier navegador. Cómo funciona el sistema de monitorización Envoy: La instalación y operación del Envoy no requieren un equipo especializado o un equipo único o experiencia en redes. Para la red de área local, el Envoy es otra estación en la red, como un ordenador personal. El Envoy se conecta simplemente al router para las comunicaciones de monitorización y comunicaciones con Enphase Enlighten. El Envoy se comunica con los Microinversores individualmente utilizando las líneas eléctricas existentes en el domicilio o la empres a. Como parte del proceso de puesta en marcha, los instaladores deben usar el Envoy para configurar los microinversores con un perfil de red adecuado. De lo contrario, los Microinversores no comenzarán a producir energía. Después de que el Envoy se instale y complete su escáner inicial, mantiene una base de datos interna de todos los microinversores Enphase detectados en el lugar.  A intervalos regulares, el Envoy sondea cada microinversor para analizar los datos de energía. Utilizando el router de banda ancha, el Envoy envía los datos al sistema web de monitorización y análisis Enlighten. De este modo se pueden ver los datos de energía, así como las posibles condiciones de error en el sistema de monitorización Enlighten figura 77.

64

Figura 77. Monitorización del sistema Envoy. El Envoy incorpora un sistema de comunicación a través de la línea eléctrica  AC. Como se muestra en el diagrama, una parte del Envoy comunica con los Microinversores a través de los cables eléctricos. La otra parte, comunica con Internet utilizando un cable de red/ Ethernet conectado al router de banda ancha. El Envoy cuenta con las siguientes partes las cuales son importantes para realizar su buena instalación esto se muestra en el siguiente diagrama donde se muestra cada una de sus partes de manera ilustrativa figura 78.

65

Figura 78. Diagrama de las partes del Envoy y sus conexiones. El Envoy debe tener en la pantalla un PIN el cual se muestra al lado izquierdo de la descripción Web el cual se debe introducir en algún buscador de internet figura 79.

Figura 79. Envoy de forma física y sus descripciones en la pantalla. 66

Una vez que se instalo el Envoy se puede hacer la comprobación

del

progreso del Envoy: 1.- Compruebe la conexión a internet. Si en la pantalla del Envoy aparece Web + es que se tiene la conexión a internet, si aparece Web  –  significa que hay problemas con la conexión y se debe verificar el acceso a internet figura 80.

Figura 80. Comprobación de acceso a internet. La producción de energía se debe mostrar en 0W Y 0KWh, hasta que el Envoy no los detecte y así comience la monitorización. 2.- Comprobar el nivel de dispositivos en la siguiente figura 81 se muestra como 25, esto aparece cuando el dispositivo comienza a monitorear de manera automática los microinversores.

Figura 81. Nivel de dispositivos encontrados. 3.-Compruebe las comunicaciones PLC entre la línea eléctrica - el Envoy y los microinversores. El nivel debe tener tres o más niveles mostrados en la pantalla, si hay menos barras en los niveles se deben detectar los problemas. 4.- Pronto el Envoy mostrara una “Exploración Prioritaria Activa”. Para esto compruebe que en la pantalla se muestre la búsqueda de los dispositivos en unos 30 minutos después de la conexión. Configuración del perfil de red: Los pasos siguientes describen como configurar el perfil de red. Cada perfil de red contiene unos valores de conexión según la normativa de país. Estos parámetros son la tención de entrada y los valores de frecuencia que 67

desencadenan que funcionen los microinversores. Estos valores varían dependiendo la región. Para la parte de Enphase una vez que se introdujo el PIN a algún buscador de internet nos aparece la siguiente pantalla la cual contiene todo un menú el cual ayuda a checar en qué estado se encuentran nuestros microinversores y así poder verificar el buen funcionamiento Figura 82.

Figura 82. Página principal del Enphase. Entrando en el menú de esta página entramos a la parte de administración del sistema en esta parte se registran los valores que se rigen en la red del país como sabemos en los distintos países se rigen diferentes valores para el buen funcionamiento del Envoy se coloca el régimen de acuerdo a nuestro país. Ejemplos de las opciones que te muestra esta parte del administrador figuras 83 y 84.

Figura 83. Una de las opciones es Otro LL SAM-60-120. 68

Figura 84. Otra de las opciones es Estados Unidos IEEE1547. Una vez que se eligió la opción conveniente para este caso nosotros elegimos la de Otro LL SAM-60-120. Se cra una cuenta con el nombre de la empresa C-VERDE figura 85.

Figura 85.Creacion de la cuenta para la empresa. Después de que se crea la cuenta el Envoy comienza a realizar su escaneo y te muestra en la parte de administrador del sistema la parte de configuración de red del dispositivo - Aplicar perfil. En el cual nos aparecen el número de paneles solares que detecto y así poder pasar a la siguiente parte figura 86. 69

Figura 86. Configuración de red del dispositivo - Aplicar perfil. La siguiente parte es meterse en enlighten donde abrirá una parte donde con un correo y contraseña de la empresa te abre una serie de datos donde al llenarlos te mandaran un token que es una contraseña que te permite realizar las modificaciones de voltaje y corriente a los microinversores figuras 87.

. Figura 87. Página de enlighten para registrarte.

70

Una vez que nos dan el token de esta página lo debemos introducir a la parte de asta abajo del apartado de donde te dice modificar perfil d e red figura 88.

Figura 88. Introducción del token en cambio de perfil.

 Al introducir el token esta parte de la página ya te permite modificar los voltajes y corrientes sin ningún problema. En la página del Enphase también tiene otras partes del menú como es descripción general del sistema donde muestra como se compone y su funcionamiento, generación del sistema aquí muestra si está generando energía o necesita corrección Figuras 89 y 90. (8)

71

Figura 89. Descripción general del sistema.

Figura 90. Generación de energía del sistema.

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CAPITULO IV. RESULTADOS La finalidad de esta memoria fue para complementar la parte teórica con la práctica de los sistemas fotovoltaicos de esta forma los resultados que obtuvimos fueron muy satisfactorios ya que si se cumplió con el objetivo de esta memoria.

4.1 VERIFICACIÓN DE CÁLCULOS. Como ya sabemos en la empresa se cuenta con la hoja de cálculos ya mencionada para verificar la parte de dimensionamiento de paneles nos dimos a la tarea de realizar una serie de cálculos que se aprendieron en la parte de sistemas fotovoltaicos en la universidad para esto tenemos lo siguiente: Ejemplo y comparación de la hoja de cálculo de la empresa y los cálculos realizados como en la universidad.

Dimensionamiento de sistema fotovoltaico a casa habitación ejemplo. De acuerdo a la hoja de cálculo de la empresa y a lo ya mencionado anteriormente se realizo un SFV a una nueva casa habitación en el DF con los siguientes datos: El consumo energético bimestral de una casa en Toluca donde se saco el siguiente consumo: 480 (KWh) para implementar un SFV interconectado a la red. En el programa para realizar cálculos de los SFV y de acuerdo a este consumo se requieren 6 paneles de 250 (w) para bajar el consumo de la tarifa DAC. Para poder verificar los resultados del programa realizamos los siguientes cálculos: De acuerdo a nuestro consumo de 480 (KWh) bimestral lo dividimos entre la energía de nuestro panel. Nuestro panel nos genera 250 (w) el cual estará funcionando en un promedio de 5.2 horas al día de acuerdo a las horas solar pico de DF, y al bimestre nos genera 78 (KWh) . Para el número de paneles tenemos:

° 

   =

E tot d coumo 

=

480 KWh 78 ℎ

= 6.15 ≈ 6 paneles.

73

Como se muestra a continuación el resultado de la hoja de cálculo con la que cuenta la empresa coincide con nuestros resultados.

Nota: De acuerdo a los proveedores de la empresa los equipos para sistemas fotovoltaicos ya traen incluido micro-inversor, cajas de controladores y pastillas, para la conexión a la red. Resultado del retorno de la inversión por la instalación de SFV:

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 Aportación que hace tu SFV en comparación con tu consumo de acuerdo con las estaciones del año, como se muestra en la grafica a continuación:

De igual manera se realizo la instalación con microinversores la cual fue de 2 paneles 250 W con su microinversor cada uno en esta instalación nos ayudo aprender a utilizar el sistema Envoy, el cual nos ayudo a corregir voltaje y corriente este sistema es nuevo el cual lo aprendimos de una manera práctica. En el transcurso de la estancia en la empresa también nos ayudo a realizar una instalación de tipo aislado el cual como ya se ha comentado tiene el mismo 75

procedimiento de instalación que la interconectada a la red de esta manera lo único que la distingue es el almacenamiento de la energía generada, la instalación aislada fue de un panel de 250 W, un inversor de 3000W, 4 baterías de ciclo profundo de 12 V. De acuerdo a la CFE estos sistemas deben estar regidos a una norma la cual para nuestras instalaciones aprendidas solo se verifico el color de cables, la tierra física con la que deben contar los paneles para una buena protección. Para otras instalaciones como lo es la interconectada se debe realizar un contrato para poder realizar la instalación, este contrato cuenta con un acuerdo entre CFE y la persona que desea la instalación, después de la instalación se realiza una tipo auditoria de parte de CFE para verificar que cumpla con los requisitos esta parte nos es de mucha ayuda ya que no contábamos con esa información de las instalaciones. En esta parte del aprendizaje nos damos cuenta que se debe realizar un complemento en la parte teórica ya que es una parte esencial en el campo laboral de esta manera nos damos por bien servidos con las cosas nuevas aprendidas en las instalaciones de la empresa C-VERDE.

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CAPÍTULO V. CONCLUSIONES. Como parte de las conclusiones cabe destacar el gran aprendizaje que se tiene con este tipo de proyectos que se realizan en empresas externas a la universidad. Estos proyectos son de gran ayuda para la parte académica que tenemos como estudiantes de la carrera, son un gran complemento para nuestra formación como ingenieros en energía. El realizar proyectos en conjunto con empresas es muy satisfactorio uno como estudiante se nutre de conocimientos prácticos los cuales se obtienen por medio de instalaciones físicas. Como ya comentamos en partes anteriores se realizo con gran éxito un proyecto de interconexión a la red, una instalación de forma aislada, la instalación con microinversores. Para mí como estudiante aprendí muchas cosas nuevas que se están integrando en las instalaciones de sistemas fotovoltaicos el utilizar el sistema Envoy es algo de complemento para las instalaciones con microinversores. De igual manera el haber estado realizando estos proyectos te ayuda a entender y compartir un ambiente laboral el cual como nos dimos cuenta es de gran ayuda para poder algún día ejercerte como profesionista.

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CAPÍTULO VI. CITAS Y REFERENCIAS. (1) Sistemas Fotovoltaicos Interconectados a la Red Eléctrica, Cosme Núñez Gerardo, P.E., Universidad Interamericana (2007), pág. 1-2.

(2) M.A. Rodríguez-Meza1 y J.L. Cervantes-Cota, Depto. De Física, Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares Apdo. Postal 18-1027, México D.F. 11801, México

(3) Fotovoltaicos: Fundamentos y aplicaciones, Vigil Galán Osvaldo, Hernández García Luis y Santana Rodríguez Guillermo.

(4) Semiconductores,http://www.etitudela.com/Electrotecnia/downloads/introducci on.pdf 

(5) Física

de

los

semiconductores

CUN,

http://fisicadesemiconductores.blogspot.mx/p/enlaces.html

(6) Tipos de celdas fotovoltaicas, solar-facts. (7) Inversores Fotovoltaicos conectados a la red, FRONIUS México. Extra: http://www.afinidadelectrica.com.ar/articulo.php?IdArticulo=63

(8) Manual de operación y instalación Envoy,  http://www.atersa.com [email protected]

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ANEXOS Panel solar 250 W ficha técnica figura 63.

Figura 63. Hoja de ficha técnica panel solar. Fuente: Conermex te conecta con el sol, 2014. 79

Inversor central par interconexión a la red, 3000 W figura 64.

80

Figura 64. Inversor FRONIUS IG, 3000. Fuente: Conermex te conecta con el sol, 2014. 81

Ficha técnica MICROINVERSOR ENPHASE EN-215 figura 65.

Figura 65. Ficha técnica de MICROINVERSOR ENPHASE EN-215. Fuente: Conermex te conecta con el sol, 2014. 82