UNIV UNI VERSIDA DAD D TE TECNOL CNOLÓG ÓGII CA DE CA CAMP MPE ECHE
MEMORIA DE ESTADÍA PROFESIONAL EQUIPO DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS
REALIZADA EN LA L A EMPRESA: EMPRESA:
UNIVERSIDAD TECNOL ÓGICA DE CA MPECHE
QUE PRESENTA:
JORGE ALEJANDRO ALEJ ANDRO ARIAS CORREA CORREA
PARA OBTENER OBT ENER EL TÍTULO DE:
TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO UNIVERSITARIO
GENERACIÓN:
2011-2013
San Antonio Cárdenas, Carmen, Campeche a 13 de Mayo de 2013
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ACTA DE REVISIÓN REVISIÓN DE LA MEMORIA
AGRADECIMIENTOS AGRA DECIMIENTOS Ésta Ésta es por por mucho, cho, la part arte más difíc difícilil de escr escrib ibir ir;; es por por ello ello que decid ecidíí dejar ejarla la para ara el fina final.l. Antes Antes que que nada nada,, es muy muy grat grato o para para mí el poder poder agra agrade decer cer la vida vida,, la salud salud y la fam familia ilia que teng engo, así com como ca cad da mom omen entto que he vivid ivido. o. A veces eces las las per person sonas as no no valoramos los momentos desagradables de la vida, pero es gracias a muchos de ellos que somos somos lo que que somos. somos. Una Una de de las mot motiva ivacione cioness más más fuert fuertes que tengo engo para para luchar y superarme, es el deseo de tener y brindar una mejor vida a ese selecto grupo de personas que me brinda apoyo y cariño, simplemente por ser quien soy. De igual modo, también agradezco cada peso que se ha invertido en mí, y cada minuto que han dedicado a escucharme, aconsejarme o incluso criticarme, ya que gracias a todo ello he podido ser mejor persona. Durante el transcurso de escritura de éste documento han pasado muchas cosas que me han hecho cambiar mi visión acerca de todo aquello que me rodea, y de la vida ida en gene eneral. al. Es por ello ello que agradezco zco a la escu scuela ela no sólo sólo por brind indarme apoyo oyo en muchos de mis proyectos, sino también por ser el lugar donde he podido crecer no únicament únicamente e en conocimient conocimiento, o, sino como como persona. Algunos maestros, maestros, más allá de impar imparttir su enseñanza, enseñanza, me me han brind brindado ado su am amistad istad y es precisament precisamente e ese conjunt conjunto o de valo alore ress lo que que me ha perm permitid itido o tener ener una una visión isión más am ampl plia ia y llena llenarr esta esta memor emoria ia con datos útiles más que sólo letras. Una disculp isculpa a por por aque aquello lloss nombr nombres es que que debí debí hab haber er escri escritto, ya ya que sin luga lugarr a dudas udas se lo han ganado, pero siempre he preferido los actos en persona antes que en letras; y si algún día tienen la oportunidad de leer estas líneas se sientan parte no sólo de lo que soy, sino de lo que hago...Gracias.
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DATOS DATOS GENERALES DEL ALUMNO AL UMNO
ALUMNO: AL UMNO:
J ORGE ALEJ ALEJ ANDRO ANDRO ARIAS CORREA CORRE A
MATRICULA:
4211010274
DIRECCIÓN DIRECCIÓN Y TELÉFONO: TEL ÉFONO: CALLE CALL E SAN ANTONIO NO.99 NO.99 COL VILLAS DE SANT S ANTA A ANA TEL.: 9383892164
TERMINACIÓN DE ESTADÍA:
13 DE MAYO AL 30 DE DE AGOST AGO STO O
ASESOR ACADÉMICO: M.I. EDUARDO BOCANEGRA MOO
ASESOR EMPRESARIAL: EMPRESARIAL :
M.I. M.I. J UAN CARLOS VERA PÉREZ PÉ REZ
CARGO DEL ASESOR EMPRESARIAL:
DIRECTOR DEL ÁREA DE MECATRÓNICA MECATRÓNICA Y ENERGÍAS ENE RGÍAS RENOV R ENOVABLES ABLES
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ÍNDICE CAPÍTULO CAPÍTUL O I.I. INSTAL INSTALACIONES ACIONES ELÉCTRICAS ELÉCT RICAS Y L AS PARTES PARTES QUE LA COMPONEN........................... COMPONEN................................................ ........................................... ............................................ .......................................... .....................5 .5 I.I. DEFINICIÓN DE INSTALCIÓN ELÉCTRICA ....................................................5 I.II. I.II. ACOMETIDA................................. ACOMETIDA...................................................... ........................................... ............................................ ...................... ...6 .. .6 I.III. I.III. CANAL IZACIONES Y PROTECCIONES................. PROTECCIONES....................................... .................................. ................ ......8 ..8 I.IV. I.IV. CARGAS.................................... CARGAS.......................................................... ........................................... .......................................... ..................... ....10 CAPÍTULO CAPÍTUL O II. II. PROCEDIMIENTO PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN DE FUENTES DE GENERACIÓN ALTERNAS.................. ALTERNA S....................................... ........................................... ........................................... ...........................11 ......11 II.I. II.I. AEROGENERADORES...................... AEROGENERADORES............................................ ........................................... ...................................... .................11 11 II.II. II.II. PÁNELES PÁNEL ES SOLARES.............. SOLA RES.................................... ........................................... ........................................... ........................... .....18 18 II.III. II.III. INVERSOR......................... INVERSOR.............................................. ........................................... ........................................... .......................... ......... .....21 .21 CAPÍTULO CAPÍTUL O III. PROCEDIMIENTO PROCEDIMIENTO PARA PARA L A INTERCONEXIÓN A LA L A RED ELÉCTRICA ELÉCT RICA NACIONAL NA CIONAL ............................................ ................................................................. ........................................... ..........................22 ....22 III.I. III.I. MARCO LEGAL LEGA L ........................................ .............................................................. ........................................... ......................... ........ .....22 .22 III.II. III.II. AUTORIDADES CLAVE CL AVE Y SUS ATRIBUCIONES........................... ATRIBUCIONES...................................... .............23 ..23 III.III III.III.. PERMISOS NECESARIOS............................... NECESARIOS.................................................... ...........................................25 ......................25 III.IV III.IV.. PROCEDIMIENTO............ PROCEDIMIENTO.................................. ........................................... ........................................... ................................28 ..........28 CAPÍTULO CAPÍTUL O IV. IV. SELECCIÓN SEL ECCIÓN DE DISPOSITIVOS DISPOSITIVOS PARA PARA EL PÁNEL DE INSTAL INSTALACIONES ACIONES ELÉCTRICAS........................ EL ÉCTRICAS............................................. ........................................... ................................. ............30 .30 IV.I. IV.I. DESCRIPCIÓN DESCRIPCIÓN GENERAL DEL EQUIPO......................................... EQUIPO.....................................................30 ............30 IV.II. IV.II. FUENTES DE ENERGÍA................................................. ENERGÍA....................................................................... ............................. .......30 30 IV.III IV.III.. ELEMENTOS DE LA L A ACOMETIDA........................................ ACOMETIDA.............................................................35 .....................35 IV
IV.IV. ELEMENTOS DE PROTECCIÓN Y CANAL IZACIÓN.................................36 IV.V. CARGAS .....................................................................................................37 CAPÍTULO V. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA Y COSTO DEL PROYECTO...........39 V.I. DIMENSIONAMIENTO...................................................................................39 V.II. COSTOS........................................................................................................40
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Índice De Figuras FIGURA 1: ACOMETIDA AÉREA.................................................................................7 FIGURA 2: ACOMETIDA SUBTERRÁNEA.................................................................7 FIGURA 3: MAPA DE VIENTO DE CIUDAD DEL CARMEN......................................12 FIGURA 4: IDENTIFICACIÓN DE COMPONENTES DE UN SISTEMA EÓLICO PEQUEÑO..................................................................................................................15 FIGURA 5: RADIACIÓN SOLAR DURANTE EL DÍA................................................19 FIGURA 6: MAPA DE RECURSO SOLAR.................................................................19 FIGURA 7: PROTECCIONES NORMATIVAS PARA INTERCONEXIÓN AL SEN.....29 FIGURA 8: AEROGENERADOR WINDAID 2KW......................................................31 FIGURA 9: CURVA DE ELECTRICIDAD GENERADA EN RELACIÓN A LA VELOCIDAD DEL VIENTO........................................................................................32 FIGURA 10: PÁNEL SOLAR 250W...........................................................................34 FIGURA 11: MÓDULO DEL PÁNEL CON MEDIDAS................................................39
Índice De Tablas TABLA 1: COSTOS DE LA TURBINA.......................................................................32
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INTRODUCCIÓN DATOS GENERALES DE LA EMPRESA La Universidad Tecnológica de Campeche (UTCAM) se encuentra ubicada en el poblado de San Antonio Cárdenas en el municipio de Carmen. Es un organismo público descentralizado, y el giro al cual se dedica es la educación. Realicé la estadía en la Dirección de Mecatrónica y Energías Renovables fungiendo como mi asesor empresarial el Ing. J uan Carlos Vera Pérez.
PLANTEAMIENTO Y DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA Durante la formación de técnicos e ingenieros en las carreras de Mecatrónica y Energías Renovables, es indispensable un conocimiento básico en el área de electricidad. Sin embargo, una de las grandes dificultades que atraviesan los alumnos de dichas áreas es el alto costo que conlleva realizar prácticas con componentes reales. La problemática se acentúa al no contar con equipos de energía alternativa como inversores, que permitan al alumno realizar instalaciones eléctricas con páneles solares, aerogeneradores o sistemas híbridos, e interconectarlos a la red eléctrica de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), lo cual a gran escala se convierte en un freno al avance de la implementación de energías limpias. Actualmente la mayor parte del conocimiento relacionado con la electricidad es adquirido de forma teórica, por lo cual hay muchos aspectos prácticos que es necesario impulsar, como por ejemplo, el cómo trabajar con lámparas halógenas, mercuriales, o de vapor de sodio. Como consecuencia de todos estos conocimientos no adquiridos, encontramos algunos egresados incapaces de realizar instalaciones eléctricas, o peor aún, 1
quienes por miedo a perder oportunidades, aceptan realizar trabajos sin tener pleno conocimiento de ello y terminan infringiendo normas, posibilitando accidentes. Por lo tanto es necesario buscar solución a todos los problemas mencionados anteriormente, a fin de preparar a los alumnos de modo integral, y permitirles ser más capaces y competentes frente a situaciones reales cuando egresen de esta institución. Por lo tanto: Pregunta Principal:
¿Cómo facilitar las prácticas de instalaciones eléctricas y disminuir los costos de las mismas? Preguntas específicas:
1. ¿De qué manera disminuir los costos de las prácticas de instalaciones eléctricas? 2. ¿Cómo realizar prácticas de instalaciones eléctricas con energías alternas? 3. ¿Qué normas se deben cumplir para garantizar la seguridad de los usuarios? .
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JUSTIFICACIÓN Y OBJETIVO. JUSTIFICACIÓN Este proyecto surge en respuesta a la necesidad de aplicar los conocimientos teóricos de instalaciones eléctricas en prácticas que permitan al alumno ser capaz de resolver una situación real con total apego a la normativa vigente; en el caso de la instalación eléctrica en general es la NOM-SEDE-001 y para la interconexión de fuentes alternas al Sistema Eléctrico Nacional (SEN) es la especificación CFE G0100-04. En este trabajo se proponen dos páneles solares, un aerogenerador y múltiples dispositivos eléctricos desmontables, diseñando un pánel para ser reutilizable, de fácil manejo y que representará un cambio importante en la enseñanza de instalaciones eléctricas, ya que el alumno será capaz de realizar múltiples prácticas con el mismo equipo, y al finalizar cada una de ellas, fácilmente desmontar los componentes y permitir el uso compartido de dicha instalación. Su relevancia se extiende más allá de si el alumno pertenece a Mecatrónica o Energías Renovables, ya que el conocimiento práctico de instalaciones eléctricas es de alta importancia en 4 de las 6 carreras con las que cuenta la Universidad Tecnológica de Campeche. El avance de las energías alternativas es una realidad en nuestro país y por ello es de suma importancia que los futuros técnicos e ingenieros que en estos momentos se están capacitando puedan ser capaces de trabajar con ellas, ya que muchos de los problemas que acompañan la implementación de páneles solares o aerogeneradores, son consecuencia de la falta de personal capacitado para su correcta instalación.
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Éste equipo integra dentro de sus componentes inversores, páneles solares y un generador eólico que permitirán al estudiante realizar instalaciones a partir de sistemas alternativos de energía, e interconectarlos con la red de CFE.
OBJETIVO Objetivo General:
Desarrollar un equipo para la práctica de instalaciones eléctricas, durante el periodo de prácticas profesionales en la Universidad Tecnológica de Campeche, mediante un pánel cuyos componentes sean desmontables y cumplan la NOM-SEDE-001, además de permitir la interconexión con energías alternativas de acuerdo a la especificación CFE G0100-04. Objetivos Específicos :
1. Describir los métodos de selección para los componentes que integran la instalación eléctrica didáctica, de acuerdo a la NOM-001-SEDE-2012. 2. Seleccionar componentes de instalaciones eléctricas con fuentes alternas de energía, de acuerdo a lo especificado en la NOM-001-SEDE-2012, artículos 694, 695 y 705. 3. Detallar los procedimientos necesarios para realizar una instalación eléctrica a partir de generación fotovoltaica, eólica y/o híbrida, con interconexión a la red de CFE de acuerdo a la especificación G0100-04. 4.-Diseñar una estructura para la instalación eléctrica experimental y realizar el modelo digital de la misma para facilitar su construcción. 5.- Integrar el precio unitario del proyecto, de acuerdo a los criterios establecidos por la ingeniería de costos.
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DESARROLLO TEÓRICO Define los conceptos básicos de una instalación eléctrica, identifica el marco legal que debe acatar y a modo de ejemplo se muestra el procedimiento de diseño y selección de componentes para el desarrollo de una instalación eléctrica a partir de un sistema híbrido conformado por dos páneles solares de 250W cada uno y un aerogenerador que debe producir en promedio 1kW, con interconexión al SEN .
CAPÍTULO I. INSTALACIONES ELÉCTRICAS Y LAS PARTES QUE LA COMPONEN. Se define cada una de las partes que integran una instalación eléctrica a nivel real, y la normatividad que deben cumplir. Esto, a fin de tener un fundamento teórico y normativo para la selección de los componentes que conforman al pánel. I.I. DEFINICIÓN DE INSTALCIÓN EL ÉCTRICA
Según (Becerril, L.; Onésimo, 2009) se entiende por instalación eléctrica al conjunto integrado por canalizaciones, estructuras, conductores, accesorios y dispositivos que permiten el suministro de energía eléctrica desde las centrales generadoras hasta el centro de consumo, para alimentar a las máquinas y aparatos que la demanden para su funcionamiento. Para que una instalación eléctrica sea considerada como segura y eficiente se requiere que los productos empleados en ella estén aprobados por las autoridades competentes, que esté diseñada para las tensiones nominales de operación, que los conductores y sus aislamientos cumplan con lo especificado, que se considere el uso que se dará a la instalación y el tipo de ambiente en que se encontrará.
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De acuerdo al libro de (Enríquez Harper, 1997), una instalación eléctrica se compone principalmente de 3 partes: 1.- Acometida 2.- Elementos de Protección 3.- Cargas o Final de Recorrido Dichas partes serán definidas a continuación de acuerdo a la Norma Oficial Mexicana vigente (NOM-001-SEDE-2012), (Secretaría de Energía, 2012). I.II. ACOMETIDA
De acuerdo a la definición proporcionada por la NOM, son un conjunto de conductores eléctricos que conectan la red de distribución del suministrador, al punto de recepción del suministro en la instalación del inmueble a servir. Las podemos encontrar de dos tipos: Acometid a aérea: Conductores en sistema aéreo, que van desde el poste más
cercano u otro soporte aéreo del suministrador, hasta el punto de recepción del suministro. Podemos observarla en la figura 1:
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Figura 1: Acometida Aérea Fuente: CFE, 2013
Acometid a subterránea: Conductores en sistema subterráneo que van desde el
registro más cercano u otro soporte subterráneo del suministrador, hasta el punto de recepción del suministro. Se puede apreciar en la figura 2:
Figura 2: Acometida Subterránea Fuente: CFE, 2013
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Se pueden encontrar las especificaciones normativas generales relacionadas con acometidas en el artículo 230 de la NOM-001-SEDE-2012., y los cálculos pertinentes en el artículo 220. Para instalar alguna otra fuente de energía externa (diferente de CFE), es necesario tener presente los requerimientos normativos establecidos en el artículo 690 para sistemas fotovoltaicos y 694 para sistemas eólicos pequeños. De igual modo, es importante cumplir las condiciones de seguridad proporcionadas por la especificación CFE G0100-04 (CFE, 2008), que a pesar de ser para sistemas fotovoltaicos, también son aplicables para pequeños sistemas eólicos. I.III. CANALIZACIONES Y PROTECCIONES
I.0.I CANALIZACIONES
Se entiende por Canalización a todo c anal cerrado de materiales metálicos o no metálicos, expresamente diseñado para contener alambres, cables o barras conductoras, con funciones adicionales como lo permita la NOM. Las canalizaciones incluyen, pero no están limitadas a, tubo conduit rígido metálico, tubo conduit rígido no metálico, tubo conduit metálico semipesado, tubo conduit flexible hermético a los líquidos, tuberías metálicas flexibles, tubo conduit metálico flexible,
tuberías
eléctricas
no
metálicas, tuberías
eléctricas
metálicas,
canalizaciones subterráneas, canalizaciones en pisos celulares de concreto, canalizaciones en pisos celulares de metal, canaletas, ductos y electroductos . Debe responder a una extensa cantidad de lineamientos, abarcando la totalidad del Capítulo 3 de la NOM, desde el artículo 300 hasta el 399. 8
I.0.II PROTECCIONES
Las protecciones son un conjunto de dispositivos diseñados para evitar la propagación de fallas y la descomposición de equipos conectados a la red eléctrica en caso de producirse algún cortocircuito. Podemos encontrar diferentes tipos de protecciones normativas a lo largo del capítulo 2, del artículo 200 al 285. De acuerdo a lo establecido por el artículo 240-1, la protección contra sobrecorriente para conductores y equipos se instala para que abra el circuito, si la corriente alcanza un valor que cause una temperatura excesiva o peligrosa en los conductores o en su aislamiento. Ver también 110-9, para los requerimientos de capacidad de interrupción, y 110-10, para los requisitos de protección contra corrientes de falla. Protección de falla a tierra de equipos
Sistema diseñado para proteger a los equipos contra daños por corrientes de falla entre línea y tierra, que hacen funcionar un medio de desconexión que desconecta los conductores no puestos a tierra del circuito con falla. Esta protección es activada a niveles de corriente menores a los necesarios para proteger a los conductores contra daños mediante la operación de un dispositivo de protección contra sobrecorriente del circuito de alimentación. Las especificaciones correspondientes se encuentran en el artículo 250. Protección contra sobrecorriente.
La protección contra sobrecorriente para conductores y equipos se instala para que abra el circuito, si la corriente alcanza un valor que cause una temperatura excesiva o peligrosa en los conductores o en su aislamiento. Se pueden encontrar todos los requisitos normativos en el Artículo 240 de la NOM de la parte A a la G para 9
sistemas que no exceden los 600V. I.IV. CARGAS
Las cargas son todos aquellos dispositivos que serán alimentados por la red eléctrica y determinan las características de la instalación. Es necesario conocer los requisitos normativos que deben cumplir los alimentadores y es pertinente realizar cálculos para la selección de cables y dispositivos a los que estarán conectadas las cargas. Las cargas frecuentemente son agrupadas en varias clases generales, como son: alumbrado, contactos, cocinas y otras cargas. Podemos encontrar los requisitos normativos para cada uno de ellos en el capítulo 4 de la NOM, del artículo 400 al 490.
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CAPÍTULO II. PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN DE FUENTES DE GENERACIÓN ALTERNAS La primera etapa en el diseño de una instalación eléctrica es definir la fuente de energía. Por lo general, es CFE quien provee la electricidad, pero en el pánel de instalaciones eléctricas se plantea la utilización de una fuente de energía alterna y de realizar una interconexión al Sistema Eléctrico Nacional (SEN). En esta sección, se brindan algunas recomendaciones para la selección de dispositivos generadores de energía alterna a partir de la necesidad energética del usuario y que sean capaces de responder a la normatividad pertinente. A modo de ejemplo, es planteado la selección de un sistema híbrido conformado por un generador eólico de 1 kW, junto a dos páneles solares de 2.5 kW cada uno. II.I.
AEROGENERADORES
II.I.I Criterios de selecció n de acuerdo a la necesid ad energética
En el proceso de selección de turbinas eólicas, es necesario conocer los parámetros fundamentales para garantizar la generación deseada. El primer aspecto a considerar es la factibilidad para generación eólica, y es determinada por las condiciones climatológicas de la zona. Además, es vital conocer un término denominado factor de planta. Éste último es una estimación de la producción real que tiene un generador a lo largo de un año. Para conocer la factibilidad de generación eólica y el factor de planta, es necesario apoyarse en algún centro de investigación. El Instituto de Investigaciones Eléctricas 11
(IIE, 2013) realiza investigaciones de esta índole a lo largo de la república y es posible consultarla en todo momento a través de su página de internet. Por último, es necesario conocer el rango de velocidades de viento, y la velocidad promedio de la zona. Éstos también pueden ser consultados en el IIE. De acuerdo a la figura 3, para Ciudad del Carmen:
Figura 3: Mapa de Viento de Ciudad del Carmen Fuente: IIE, 2013
Rango de viento: 6-12 m/s Velocidad d e viento anual promedio : 7.4-7.6 m/s Factor de planta: 35-40% Factibil idad eólica: Sí Potencia requerida: 1kWh
Conociendo dicha información, es posible conocer las características que debe ofrecer el aerogenerador por medio de una serie de cálculos. Potencia pro medio:
Tomando en cuenta que el factor de planta es del 35% para esta zona, significa que el aerogenerador que sea seleccionado debe entregar al menos 1kWh cuando se 12
encuentre al 35% de su producción. Por medio de una sencilla regla de tres: Si 1kWh es el 35%, entonces el 100% es dado por: (100*1)/35) = 2.86 kWh Eso significa que el aerogenerador debe producir aproximadamente 2.86kWh a una velocidad de viento que se encuentre dentro del rango de 6 a 12 m/s Coeficiente de aprovechamiento (Cp):
El coeficiente de aprovechamiento es una relación entre la energía mecánica disponible del viento y la energía aprovechada por la turbina. Esta relación jamás excederá del 59.6% de acuerdo a lo establecido por Betz (Franquesa Voneschen, 2012). Esta cifra determina la eficiencia de las turbinas y debe ser proporcionada por el fabricante. Una turbina promedio de buena calidad posee por lo general un Cp arriba del 30% o 0.30. Área de barr id o:
El área de barrido es un parámetro que determina las dimensiones de la turbina. Es simplemente el plano perpendicular al flujo del viento según (Castillo, 2011). En las turbinas de eje horizontal es simplemente un círculo en el cual están inscritas las palas del rotor. Por lo tanto la fórmula es tan sencilla como Pi*radio^2. En las turbinas de eje vertical el área de barrido es la proyección frontal de un cilindro, lo cual se resume en multiplicar el valor del diámetro de la base por la altura del rotor (d*h). Un error común al momento de seleccionar un aerogenerador, es debido al escaso conocimiento con respecto a turbinas eólicas. El conocer el área de barrido nos permite comprobar que ciertamente el generador producirá la energía mínima requerida a las velocidades de viento promedio de la zona. 13
Para ello es necesario conocer la fórmula de potencia dada por: P= (0.5)*ρ*V^3*A*Cp
P= potencia que se desea producir en Watts A= Área de barrido ρ= densidad del aire (1.225 m3/s)
V= velocidad del viento Cp=coeficiente de aprovechamiento (dependiendo del perfil utilizado y calidad de la fabricación, el promedio es de .30) Haciendo un despeje, podemos conocer el área de barrido mínima que se necesita para producir la potencia demandada. A= (2*P)/ ρ*V^3*Cp
Como podemos observar, la velocidad influye en gran medida en la fórmula; es por ello que entre menor sea la velocidad de viento, mayor será el tamaño de la turbina requerido para producir cierta cantidad de energía. Es por ello que se recomienda usar la mediana del rango de velocidades de viento. Para Ciudad del Carmen, la mediana es de 10 m/s aproximadamente. Sustituyendo para 2.86 kW (el valor calculado con anterioridad, que ya contempla el factor de planta de la zona) a 10 m/s: A=2*2860/ 1.225*10^3*.30 A= 15.6 m2
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De acuerdo con los cálculos obtenidos, si la eficiencia es de 0.30, la turbina debe tener un área de barrido de al menos 15.6
m
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para garantizar 1kWh promedio a lo
largo de un año. II.I.II Nor mativid ad
La NOM-001-SEDE-2012 en el artículo 694 dispone de los requerimientos generales que debe cumplir una turbina eólica de hasta 100kW. En la figura 4 se presenta la identificación de los componentes de un sistema eólico pequeño en la modalidad de sistema interactivo de acuerdo a la NOM.
Figura 4: Identificación de Componentes de un sistema eólico pequeño Fuente: NOM, 2012
Al ser muy extensa la normatividad relacionada con aerogeneradores, se identifican los artículos de la NOM que contienen las especificaciones que debe cumplir el equipo seleccionado al momento de ser instalado. Protección contra sobrecorri ente:
Se encuentra en el Artículo 694-15 y establece que se deben proteger los circuitos de salida de la turbina, los circuitos de salida del inversor, los conductores del circuito de baterías y los equipos de acuerdo con los requisitos del Artículo 240. Los circuitos conectados a más de una fuente eléctrica deben tener dispositivos de sobrecorriente ubicados de tal manera que brinden protección contra sobrecorriente desde todas las fuentes, excepto donde la corriente máxima de todas las fuentes no 15
excede la ampacidad de los conductores. Medios d e desconexión:
Se encuentran descritos en el Artículo 694-20, y establece que no se exigirá que los medios de desconexión sean adecuados para uso como equipo de acometida. Los medios de desconexión para conductores de fase consistirán de desconectadores operados manualmente o interruptores automáticos, cumpliendo con todos los requisitos siguientes: (1) Se ubicarán donde sean fácilmente accesibles. (2) Deberán ser operables externamente, sin exponer al operador al contacto con partes vivas. (3) Deberá indicar claramente si está en la posición de abierto o cerrado. (4) Deberá tener una capacidad interruptiva suficiente para la tensión nominal del circuito y la corriente disponible en las terminales de línea del equipo. Donde todas las terminales de los medios de desconexión son capaces de estar energizados en la posición abierto, una señal de advertencia debe ser montado en, o ser sujeto a, los medios de desconexión. Métodos de alambrado:
Acorde al artículo 694-30, los métodos permitidos son los siguientes: a) Sistemas de alambrado. Se permitirá todas las canalizaciones y métodos de alambrado incluidos en esta NOM y otros sistemas de alambrado y accesorios específicamente destinados para ser utilizados en turbinas eólicas. En lugares fácilmente accesibles, los circuitos de salida de la turbina que operan a tensiones mayores de 30 volts se instalarán en canalizaciones. 16
b) Cables y cordones flexibles. Los cables y cordones flexibles, cuando son utilizados para conectar las partes móviles de las turbinas, o cuando son utilizados para facilitar la desconexión, para mantenimiento y reparación, deben cumplir con el Artículo 400 y deberán ser del tipo de uso rudo o cable de potencia portátil, deben ser adecuados para uso extra rudo, deben ser aprobados para su uso en exteriores, y deberán ser resistentes al agua. Los cables expuestos a la luz solar deben ser resistentes la luz solar. c) Circuitos de corriente continua de salida de la turbina dentro de un edificio. Los circuitos de corriente continua de salida de la turbina, instalados dentro de un edificio o estructura deberán ser alojados en canalizaciones metálicas o instalados en envolventes metálicas desde el punto de penetración en la superficie del edificio o estructura al primer medio de desconexión fácilmente accesible. Puesta a tierra:
El Artículo 694-40, establece que las partes metálicas expuestas no conductoras de corriente de torres, góndolas de turbinas, otros equipos y envolventes de conductores, se deben conectar a un conductor de puesta a tierra de equipo de acuerdo con 250-134 ó 250-136(a), independientemente de la tensión. Las partes metálicas ensambladas, tales como las palas de la turbina y colas que no tienen una fuente de energización eléctrica, no se requerirá que sean conectados a los conductores de puesta a tierra de equipo. Protección cont ra descarga atmosférica:
La torre del aerogenerador, según el artículo 694-40-C-4, deberá tener un sistema de protección contra descargas atmosféricas. Se permitirá que actúen como componentes del sistema de protección contra rayos, los electrodos auxiliares y los conductores de puesta a tierra de electrodos, cuando cumplan los requisitos 17
aplicables. Si están separados, los electrodos de puesta a tierra del sistema de protección contra rayos de la torre deberán estar unidos a los electrodos del sistema auxiliar de puesta a tierra de la torre. Los cables de retenida utilizados como electrodos de puesta del sistema de protección contra rayos no se requerirán que sean unidos a los electrodos del sistema auxiliar de puesta a tierra de la torre. Diseño:
En México aún no contamos con normatividad relacionada a los requerimientos de diseño que debe cumplir una turbina eólica comercial, pero es posible consultar la norma europea (IEC, 2005), que a lo largo de sus doce partes permite conocer los requerimientos mínimos que garantizan la calidad de una turbina eólica en todas sus etapas, desde su diseño hasta medidas de seguridad en caso de siniestros. II.II.
PÁNELES SOLARES
En el caso de los páneles solares son muy fáciles de seleccionar ya que por lo general la potencia para la cual son fabricados es la la energía entregada durante las horas de incidencia de sol. Éstas pueden variar de acuerdo a la localización geográfica y de la estación del año. Por lo general varían de 10 a 12 horas en esta zona. Su productividad se encuentra relacionado directamente con los niveles de radiación solar medidos en en W/m2. Por lo tanto, su gráfica de comportamiento durante el día es similar a la mostrada en la figura 5.
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Figura 5: Radiación solar durante el día Fuente: Scielo, 2013
II.II.I Criterio de selección de acuerd o a la necesid ad energética
Una vez conocidas las cargas que el sistema va a alimentar, es necesario conocer la cantidad promedio de energía disponible en el día. Para ello se realiza una consulta al explorador de recursos renovables que nos proporciona el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE). En la figura 6 se muestra que para Ciudad del Carmen se tiene en promedio 6 kWh/m2 disponibles durante el día.
Figura 6: Mapa de recurso solar Fuente: IIE, 2013
La información del mapa nos muestra la energía disponible del sol, pero para cálculos más eficientes, es indispensable tomar en cuenta la eficiencia de los 19
páneles y el factor de planta de la zona. Un pánel promedio tiene una eficiencia del 12 al 25% aunque algunas celdas experimentales proporcionan eficiencias de hasta el 40%. Ese dato debe ser proporcionado por el fabricante. De acuerdo al mapa del IIE, en Ciudad del Carmen se tiene un factor de planta del 35%. Finalmente, para seleccionar el panel se utiliza la misma metodología descrita en el capítulo II.1.1 en el apartado de potencia promedio. II.II.II Criterio d e selección d e acuerdo al tipo de celda fot ovoltaica
Existen diversos topos de celdas fotovoltaicas, de las cuales se muestran los dos principales tipos, a fin de conocer las características de cada una de ellos y realizar una selección de acuerdo a los criterios requeridos. Célula de silicio mono cristalino
Al enfriarse, el silicio fundido se solidifica formando solo un único cristal de grandes dimensiones . Luego se corta el cristal en delgadas capas que dan lugar a las células. Estas células generalmente son un azul uniforme. Posee un buen rendimiento de 14% al 16%5 , además de una buena relación Wp m² (~150 WC/m², lo que ahorra espacio en caso necesario. El número de fabricantes es alto. Sin embargo, posee el inconveniente de tener un coste elevado. Células de silicio mult icrist alino
Es una célula fotovoltaica basada en silicio muticristalino. Durante el enfriamiento de silicio en un molde se forman varios cristales. La fotocélula es de aspecto azulado, pero no es uniforme, se distinguen diferentes colores creados por los diferentes cristales. Tienen una eficiencia de conversión óptima, alrededor de 100 Wp/m², pero un poco menor que en el monocristalino aunque es más barato de producir. Posee el 20
inconveniente de tener bajo rendimiento en condiciones de iluminación baja. II.III.
INVERSOR
A pesar de parecer una tarea sencilla, la selección de un inversor requiere que se tomen en cuenta una serie de requisitos normativos y técnicos que permitan su óptima aplicación. II.III.I Criterios de selección técnic os
Para realizar una búsqueda específica del equipo, se necesita saber la potencia a la que va a operar. Esta se calcula sencillamente sumando las potencias máximas de los equipos a utilizar; en este caso son 3kWh sumando los 2.5 kWh del aerogenerador y los dos páneles de 250W. Otro criterio importante es el tipo de inversor que se requiere. La mayoría de ellos están diseñados para sistemas fotovoltaicos, por lo cual cuando se habla de un inversor se asocia principalmente para aplicaciones solares. Es por ello que se debe especificar si el inversor es para aerogenerador, para celdas solares o para un sistema híbrido. El número de entradas, la corriente y el voltaje admitido en cada una de ellas es crucial para garantizar la compatibilidad del sistema eólico, fotovoltaico o híbrido. II.III.II Criterios de selección n ormativos
De acuerdo al tipo de conexión que se realice, es la normativa aplicable al equipo. Éstas normativas establecen el tipo de protección que conlleva el sistema en general, a fin de evitar accidentes y pérdidas de equipos. Las podemos encontrar en la especificación CFE.
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CAPÍTULO III. PROCEDIMIENTO PARA LA INTERCONEXIÓN A LA RED ELÉCTRICA NACIONAL En este capítulo se describirá la metodología a seguir para realizar el trámite de interconexión de fuentes renovables de energía a nivel real, de acuerdo a lo establecido por (CRE, 2010) La importancia de su estudio recae en el hecho que al desconocer los lineamientos aquí presentados, las prácticas realizadas en el equipo serían únicamente didácticas, mientras que teniendo en cuenta los requerimientos establecidos por las autoridades pertinentes, es posible que el usuario pueda aplicar en la vida real lo aprendido. III.I.
MARCO LEGAL
Las leyes sobre las cuales se sustentan los procedimientos de interconexión a la red eléctrica nacional, son las siguientes: Ley de la Comisión Reguladora de Energía (LCRE): asigna la facultad a la CRE de otorgar y revocar permisos. LSPEE: define los diferentes tipos de actividades privadas admisibles (modalidades) y establece las reglas básicas para el otorgamiento de los permisos correspondientes. RLSPEE: hace operativa la LSPEE, estableciendo los requisitos para tramitar un permiso de generación de energía, así como las obligaciones y condiciones vinculadas con el permiso correspondiente. LAERFTE: define el término de fuentes de energías renovables, aplicables para el 22
trámite de permiso con la CRE. Ley Federal de Procedimiento Administrativo (LFPA): establece las reglas especiales del trámite con algunas disposiciones generales, tales como los plazos, sanciones, visitas de verificación y el recurso de revisión. III.II.
AUTORIDADES CLAVE Y SUS ATRIBUCIONES
La Secretaría de Energía (SENER)
Está encargada de conducir la política energética, la cual se desarrolla e implementa por medio de programas como son: el Programa Sectorial de Energía 2007-2012 y el Programa Especial para el Aprovechamiento de las Energías Renovables, así como a través de las estrategias elaboradas. Recientemente, la SENER elaboró dos estrategias: la Estrategia Nacional de Energía 2010 (2009 - 2024)28 y la Estrategia Nacional para la Transición Energética y el Aprovechamiento Sustentable de la Energía (2009). La primera tiene como base la Visión al año 2024 y está conformada por tres Ejes Rectores (la Seguridad Energética, la Eficiencia Económica y Productiva, y la Sustentabilidad Ambiental), teniendo como objetivos la diversificación de las fuentes de energía y el aumento en la utilización de las energías renovables. La segunda está orientada a impulsar programas y acciones para fomentar el uso de las energías renovables y reducir la dependencia de México en los hidrocarburos. CRE
La CRE como órgano desconcentrado de la Secretaría de Energía, con autonomía técnica y operativa, está encargada de la regulación de las industrias del gas natural y la energía eléctrica en México. Para ejercer su función reguladora en el sector eléctrico cuenta con atribuciones establecidas en su Ley (Ley de la Comisión 23
Reguladora de Energía). Las facultades incluyen, por un lado, el otorgamiento y la revocación de permisos para las actividades de generadores privados, y por el otro, la aprobación de los instrumentos de regulación y metodologías que rigen la relación entre los permisionarios y el suministrador. Eso comprende, entre otros, la aprobación de las metodologías para el cálculo de las contra prestaciones por los servicios que se preste el suministrador a los permisionarios, además de los modelos de convenios y contratos a celebrar con la CFE. CFE
La CFE, empresa del gobierno mexicano, está a cargo de prestar el servicio público de energía eléctrica. Como Suministrador, la CFE genera, transmite, distribuye y comercializa la energía eléctrica. El Centro Nacional de Control de Energía (CENACE), organismo de la CFE es el encargado de administrar la operación y el control del SEN, el despacho de generación, las transacciones entre unidades de negocios de la CFE y con los permisionarios, así como el acceso a la red de transmisión, con el objetivo de lograr la mejora permanente de la continuidad, seguridad, calidad y economía del servicio público de energía eléctrica. La Subdirección de Programación de la CFE es la encargada de realizar la planeación de la expansión del SEN, así como también es responsable, a través de la Coordinación de Planificación, de realizar los estudios de factibilidad técnica para la interconexión al SEN de cualquier nuevo proyecto de generación. Para interconectarse al Sistema Eléctrico Nacional (SEN), los permisionarios tienen que celebrar un contrato de interconexión con la CFE. En este sentido, la CRE es la autoridad responsable para el trámite de permisos, mientras que la CFE es la encargada de la verificación de los aspectos técnicos para la interconexión.
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III.III.
PERMISOS NECESARIOS
Un permiso otorgado por la CRE autoriza al Permisionario a generar o importar energía eléctrica, así como al desarrollo de actividades accesorias como son: la conducción, transformación y entrega de la energía eléctrica, mientras que el contrato de interconexión establece los términos y condiciones para el acceso al SEN. Es por esta razón que además de la obtención del permiso con la CRE, también se requiere de la celebración de convenios y contratos con la CFE, por ejemplo, si se requiere transmitir energía eléctrica desde una central de generación distante de los centros de consumo, se necesitará la celebración de un contrato de interconexión y el convenio de servicio de transmisión. Estos dos trámites (con la CRE y la CFE) se ejecutan de forma independiente. No obstante, y por regla general, el permiso es el requisito indispensable para celebrar un contrato con la CFE. Por otro lado, y puesto que en el permiso se autoriza la capacidad de generación de energía eléctrica de la central, en el caso de los contratos de interconexión y convenios de transmisión, ésta capacidad determinará el límite máximo a ser contratado como capacidad de porteo. Por otro lado, y puesto que en el permiso se autoriza la capacidad de generación de energía eléctrica de la central, en el caso de los contratos de interconexión y convenios de transmisión, ésta capacidad determinará el límite máximo a ser contratado como capacidad de porteo. De este modo, un convenio de transmisión con la CFE puede diferir en la capacidad autorizada al permisionario, pero siempre deberá estar por debajo o igual a la capacidad autorizada en el permiso otorgado por la CRE.
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III.III.I Tipos d e permi sos
La LSPEE establece en su artículo 3o las siguientes modalidades, a través de las cuales los particulares pueden generar, importar o exportar energía, que no se consideran servicio público: •
•
•
•
•
•
autoabastecimiento cogeneración pequeña producción producción independiente exportación importación
A partir de estas modalidades una persona física o moral puede desarrollar un proyecto de generación de energía o importación de energía eléctrica con las consideraciones propias establecidas en el marco legal para cada una de ellas. Cabe hacer mención que las modalidades de autoabastecimiento, cogeneración y producción independiente consideran en algunos casos la constitución de sociedades con objetos específicos para la realización de un determinado proyecto. III.III.II Tipo s d e Convenios co n CFE
Por ser el distribuidor principal de electricidad en el país, y poseer facultades federales, es necesario definir el modo en el cual CFE participará en el abastecimiento energético del consumidor. Los principales son: Modelo de Contrato d e Interconexión:
Establece los términos y condiciones para interconectar la central de generación de energía eléctrica con el SEN.
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Modelo de Convenio d e compraventa de excedentes de energía:
Establece los términos y condiciones que rigen la entrega de los excedentes de energía eléctrica del permisionario al suministrador. Modelo de Contrato de respaldo de energía eléctrica:
Establece los términos y condiciones para el servicio de respaldo que proporcionará el suministrador en caso de falla, mantenimiento, o ambos, de la central de generación. Modelo d e Convenio d e servicio d e transmisión de energía eléctrica:
Establece los términos y condiciones para el servicio de transmisión que proporcione el suministrador al permisionario desde la entrega en el punto de interconexión hasta los puntos de carga. III.III.III Metodo log ías y contratos aplicables a proyecto s con energías renovables y de cog eneración eficiente:
Al hablar de energías renovables, es necesario tomar en cuenta ciertos aspectos que abarcan desde el generador, hasta el punto de interconexión más próximo a éste. A continuación se mencionan las metodologías que deben realizarse para asegurar dichos aspectos. Metodología para la determinación de los cargos correspondientes a los servicios de transmisión:
Sirve para calcular el pago que los permisionarios deben hacer al suministrador por la conducción de la energía eléctrica desde el punto de interconexión hasta cada punto de carga.
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Co ntrato d e Interco nex ión p ara Fuente de Energía Reno vab le o Sis tema d e Cogeneración Eficiente en Pequeña Escala:
Establece los términos y condiciones para interconectar un sistema de uso residencial hasta 10 kW o un sistema de uso general hasta 30 kW a la red eléctrica, generando su propia energía eléctrica. Este contrato está basado en el concepto de la medición neta de energía o también conocida como net metering. Para la firma de este contrato no se requiere del otorgamiento de un permiso por la CRE. III.IV.
PROCEDIMIENTO
En el caso del pánel de instalaciones eléctricas aquí descrito, el aerogenerador junto con los páneles fotovoltaicos no exceden los 10 kW, de los 30 que se contemplan de acuerdo al contrato de Interconexión para Fuente de Energía Renovable o Sistema de Cogeneración eficiente en Pequeña Escala de uso general, lo cual significa que no es necesario un permiso por parte de la CRE. Se realiza la solicitud de un contrato de interconexión directamente con CFE. Para ello, se proporciona una documentación del proyecto con la mayor cantidad de detalles técnicos posibles para su evaluación por parte de los ingenieros de CFE, quienes son los responsables de supervisar el apego a la norma de todos los equipos a instalar. El modelo básico de interconexión es ilustrado en la figura 7. Es indispensable que la instalación se apegue a este diagrama.
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Figura 7: Protecciones normativas para interconexión al SEN Fuente: CFE, 2013
De ser aprobado, se instalan los equipos y una vez realizada la instalación de acuerdo a la especificación CFE-G0100-04, se hace una inspección por parte de CFE. Si todo está en orden, se aprueba la interconexión al Sistema Eléctrico Nacional.
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CAPÍTULO IV. SELECCIÓN DE DISPOSITIVOS PARA EL PÁNEL DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS Las siguientes líneas están destinadas a la documentación del proceso de selección de los componentes que conforman el pánel de entrenamiento de instalaciones eléctricas. Dichos dispositivos han sido elegidos de acuerdo a las normatividades y procedimientos mencionados con anterioridad. IV.I.
DESCRIPCIÓN GENERAL DEL EQUIPO
El equipo de instalaciones eléctricas aquí propuesto, está conformado por componentes que se apegan a la NOM-001-SEDE-2012. El objetivo de este capítulo es ilustrar el proceso de selección de estos componentes, respetando la normatividad y aplicando los métodos de selección mencionados en capítulos previos. IV.II.
FUENTES DE ENERGÍA
A modo de ejemplo, se presenta la selección de las dos fuentes de energías que alimentan una instalación capaz de soportar cargas de oscilan entre 1 y 1.5 kWh de consumo energético. Para ello se diseña un sistema híbrido conformado por un aerogenerador que debe entregar por lo menos un kilo watt por hora y dos páneles solares de 500Wh cada uno. Se debe tener presente que para las fuentes de energías alternas se utilizan ejemplos de selección de componentes existentes en el mercado, sin embargo, uno de los objetivos de un pánel de instalaciones eléctricas en la Universidad es el de probar los dispositivos eólicos desarrollados en la misma institución, por lo cual se aclara que los equipos seleccionados no son parte indispensable del pánel y se 30
presentan únicamente con el fin de mostrar un proceso de selección a nivel real. IV.II.I Aerogenerador
Tras realizar la búsqueda de acuerdo a los criterios calculados en el capítulo 2, se considera el generador eólico peruano WindAid de tres aspas, mostrado en la figura 8, con una potencia máxima de 2.4kW y una salida de voltaje del generador de 220Vac. Se puede realizar el contacto de los poveedores fácilmente a través de (WindAid, 2013), que es una empresa peruana que se dedica a fabricar y promover aerogeneradores a una escala nacional e internacional.
Figura 8: Aerogenerador WindAid 2kW Fuente: WindAid, 2013
Las características generales que posee el aerogenerador se muestran en la tabla 3.1. El precio original está dado en soles o pesos peruanos, y equivalen a 4.67 pesos mexicanos de acuerdo a la tasa de cambio consultada en el mes de J ulio de 31
2013 en la página (Converter, 2013) . Potencia máxima Costo Costo de instalación Costo de mantenimiento
2.4kW $46466.5 $0 en Perú $186.8 anuales, para la inspección visual del técnico 20 años $54,006.40 3,996 kWh $0.7 1 año 7 meses
Tiempo de vida Costo de vida Energía anual Costo de energía Ganancias financieras
Tabla 1: Costos de la turbina Fuente: Elaboración propia
Además del costo de vida ilustrado, se suman alrededor de $10,000 pesos por costos de envío desde Perú. De igual modo, es necesario consultar la curva de comportamiento con respecto a la velocidad del viento, mostrada en la figura 9.
Figura 9: Curva de electricidad generada en relación a la velocidad del viento Fuente: WindAid, 2013
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Acorde a los cálculos realizados en el capítulo 2, es necesario que la turbina genere alrededor de 2.8 kWh a una velocidad del viento que se encuentre dentro del rango de 6 a 12 m/s. La turbina WindAid se aproxima a esta cifra, y además ofrece la producción de 1kW a una velocidad de viento de 7 m/s, la cual es el promedio anual de esta región, con lo cual se garantiza la producción de energía mínima que se requiere para la instalación. Teniendo esta turbina como referencia, es recomendable para el pánel de instalaciones eléctricas utilizar los aerogeneradores desarrollados por la misma universidad, cuyo diseño y fabricación no se detallan en este trabajo. Requisit os Normativos
La torre debe estar puesta a tierra de acuerdo al procedimiento descrito en el artículo 694-40-C. Si la torre del aerogenerador supera la altura del edificio más cercano, se entiende que es necesario protegerla contra descarga atmosférica según lo indicado por el Artículo 694-40-C-4. La torre del aerogenerador seleccionado no posee dicha protección, por lo que en su caso, debe adquirirse por cuenta del usuario. IV.II.II Páneles Solares
Para la selección de la pareja de páneles fotovoltaicos, se tomaron en cuenta las recomendaciones mencionadas con anterioridad. Los equipos seleccionados son de la marca PuebloSolar y la página puede ser consultada en (Solar, 2013). Se puede observar el pánel en la figura 10. De acuerdo al criterio de tipo de celda, se optó por un tipo celda Monocristalina de 250W con un precio de $4,990.00 cada una.A pesar de su alto precio cuentan con la certificación ISO9001:2008 y son de cristal templado de alta transmitancia de bajo 33
hierro, EVA perdurable, excelente resistencia al clima, TPT anodizado con marco de aluminio de alta calidad, apariencia agradable, resistencia al viento y presión, además de alta eficiencia.
Figura 10: Pánel Solar 250W Fuente: Solar, 2013
IV.II.III Inversores
Para este proyecto, sería ideal contar con un inversor híbrido tomando en cuenta que la potencia máxima del Aerogenerador es de 2.5kW y la cada pánel es 250W, por lo cual teóricamente el Inversor debería ser de 3kW por lo menos. Sin embargo, a pesar de la extensa búsqueda, únicamente estaban disponibles ciertos equipos españoles, cuyo envío sería demasiado caro para ser factible, por lo que se optó por buscar un inversor para los páneles y otro para el aerogenerador. En el caso de la turbina eólica, se requiere no sólo el inversor sino de igual modo el generador. Una empresa Mexicana llamada Sistemas Electrónicos del Norte vende un kit por $20,800 que incluye inversor de 2,300W, 2 baterías para almacenaje de 34
energía y generador de 2, kW, lo cual es justo lo necesario para completar el equipo del aerogenerador. El inversor para páneles solares es mucho más fácil de conseguir, y el dispositivo elegido es distribuido por Solartronic y pertenece a la marca Steca, cuya capacidad es de 500W y permite interconectarse a la red eléctrica nacional; tiene un costo aproximado de $6,000. IV.III.
ELEMENTOS DE LA ACOMETIDA
Para la selección de dichos elementos, fue necesario tomar en cuenta los criterios establecidos por la NOM. En el presente capítulo se desglosa la selección de grupos de componentes, de acuerdo a las partes que componen a la acometida. IV.III.I Mufa
Recibe el nombre de mufa la canalización conformada por un tubo tipo conduit pesado de pared gruesa que protege el cable desde la línea del poste hasta el medidor. Tanto la mufa como los cables que van dentro de ella deben tener protección contra agua. Los hay de varios tipos, de los cuales destacan: •
Metálico galvanizado
•
Metálico galvanizado con aislación interior
•
•
Material sintético aislante Metálico con doble aislación
El tipo de mufa seleccionado es un tramo de 3 metros de tubo pesado conduit pared gruesa de 3,2mm de metal galvanizado con diámetro de 1 1/4” de acuerdo a lo establecido por las normas de acometida de CFE.
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IV.III.II Interrup tor principal
El artículo 530-2 define un interruptor de seguridad como un dispositivo montado en pared que se puede operar externamente, el cual puede o no contener protección contra sobrecorriente, y que está diseñado para la conexión de cables y cordones portátiles. Se selecciona un interruptor con gabinete tipo NEMA con protección contra sobrecorriente de 30A marca Siemens, con un precio de $137 pesos. IV.III.III Base para el medidor
Es el punto de acometida, según lo establecido por las definiciones de la NOM, donde se une la instalación del suministrador y la del del usuario, y es por ello que se elige una base para medidor monofásico de marca Siemens con un precio de $120 pesos. IV.III.IV Conductores
Los conductores de la acometida, ya sea aérea o subterránea, de acuerdo a lo establecido en los artículos 232-22b y 232-30 deben tener un tamaño no menor que 8.37 mm2 (8AWG) si son de cobre o 13.3 mm2 (6AWG) si son de aluminio. El cable elegido es del número 12 AWG y tiene un costo de $15.66 por metro lineal. IV.IV.
ELEMENTOS DE PROTECCIÓN Y CANAL IZACIÓN
Se analizan dispositivos que protegen los cables que conforman la instalación eléctrica a través de lo que en una instalación eléctrica convencional serían las paredes de la casa. Para la instalación didáctica únicamente es necesario proveer distintos tipos de protecciones y canalizaciones, y el alumno deberá seleccionar los adecuados para armar su instalación. IV.IV.I Registros
Envolventes que tienen un fondo abierto o cerrado, dimensionado de tal forma que permite al personal alcanzar lo que hay dentro, pero no ingresar en él, con el 36
propósito de instalar, operar o mantener el equipo o el alambrado, o ambos. Se seleccionan de acuerdo al número de entradas y/o salidas. Para la instalación didáctica se pidieron 10 registros de 3x3 y 10 de 4x4. El proveedor es IGC y poseen un precio de $5 y $9 pesos respectivamente. IV.IV.II Cajas protectoras tipo chalupa
Son aquellas terminales donde se conectan las cargas y por lo general se colocan ahí los contactos y/o sóquets para focos. Se seleccionan 12 piezas de la marca Voltech de 4x2 que en IGC tienen un precio de $5 pesos la pieza. IV.IV.III Tubo co nduit
Sistema de canalización diseñado y construido para alojar conductores en instalaciones eléctricas, de forma tubular, sección circular. Se pueden encontrar de pared gruesa y pared delgada. Para las canalizaciones se solicita un tramo de 3m de pared delgada con diámetro de media pulgada. IGC es el proveedor y el tramo tiene un precio de $50.85 pesos. IV.IV.IV Varilla Coo perweld
La varilla cooperweld es la puesta a tierra de la instalación. Es asunto del alumno investigar al marco normativo y aplicación de la misma, pero como parte de cualquier instalación eléctrica convencional, se selecciona una varilla de 5/8” de 1.5m y su respectivo conector. En total tiene un precio de $109 en IGC. IV.V.
CARGAS
Es la parte final de la instalación y se conforma por los elementos de iluminación y contactos donde se van a conectar los diferentes artefactos que serán alimentados por la instalación eléctrica. 37
IV.V.I Contactos
Son aquellas terminales donde serán conectadas las cargas. Es cuestión del alumno investigar todos los pormenores de su correcta instalación para el apego a la normatividad. En la instalación eléctrica didáctica se seleccionan 12 contactos dobles de sobreponer aterrizados, que en IGC tienen un precio de $15 pesos. IV.V.II Iluminación
Se selecciona una lámpara de tipo fluorescente y 5 portalámparas. El propósito es que el alumno aprenda a instalarlos correctamente, por lo que corre por su cuenta informarse acerca de las normas aplicables a éste ámbito. Es recomendable comprar todo con un solo proveedor para evitar incompatibilidad o errores. El balastro electrónico que se elige es el Sola Basic de 30/32W T12 de 127V con un precio de $108 pesos, y la lámpara de tipo fluorescente de 32W T12 Luz de día marca Phillips y tiene un precio de $66 pesos. Las bases de focos son portalámparas de baquelita 4.5” marca Voltech con un precio de $13 pesos cada una. Se solicitan 5.
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CAPÍTULO V. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA Y COSTO DEL PROYECTO V.I.
DIMENSIONAMIENTO
Tomando en cuenta los requerimientos de la NOM, el medidor debe estar a 1.80 del suelo. Si bien un pánel de 2 metros de altura sería lo ideal, no debe colocarse ningún dispositivo a menos de 30 cm del suelo, por lo que los últimos centímetros del pánel serian desperdicio de material. Por lo tanto, 1.5 metros de altura a una separación del suelo de 40 cm es la altura más factible. El modelo digital de la estructura es realizado en el software de diseño SolidWorks (Dassault, 2013). Al tenerse acometida, canalización y cargas como componentes de la instalación, se opta por dividir el pánel en tres secciones; cada módulo o sección con un ancho de 90cm, lo cual facilita su movilidad. En el anexo 1 se puede apreciar una fotografía del diseño tridimensional de la estructura final.
Figura 11: Módulo del pánel con medidas Fuente: Elaboración propia
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V.II.
COSTOS
Para finalizar, se realiza un análisis económico que ayuda a determinar la factibilidad del proyecto, a fin de facilitar su aplicación. Cada precio está basado en las cotizaciones realizadas en los distribuidores aquí descritos y fueron consultados en J unio de 2013 por lo cual están sujetos a cambios sin previo aviso en fechas posteriores. La integración del precio unitario es realizada en el Software de Ingeniería de costos más utilizado en el mundo: OPUS (Ecosoft, 2010). Dicho software utiliza una metodología deductiva, es decir, de lo general a lo más particular. Con la finalidad de simplificar el cálculo, se divide el precio en dos partes: La estructura del pánel y el equipo de energías alternativas. V.II.I Estructura del p ánel de instalaciones exp erimentales
En este apartado se desglosa el precio de la estructura en sí, además de los componentes que la integran, tomando en cuenta recursos materiales, trabajadores, herramientas, equipos, impuestos y utilidades. El costo total de la misma es de $18,922.65 y se desglosa a continuación. Estructura
Tiene un precio de $5,592.99 pesos, considerando todos los materiales necesarios para su construcción, mano de obra (sueldos tanto del soldador como del ayudante), impuestos, herramienta menor, utilidades y el equipo empleado. Al estar compuesta la estructura en tres módulos, para la composición de dicho costo, se calculó primero el costo de un sólo módulo del pánel, que es de $1864.88 y posteriormente es multiplicado por tres.
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Componentes
Involucra todos los componentes de los cuales dispondrá el alumno para realizar sus instalaciones. Los dispositivos como centros de carga e interruptores son adquiridos en Siemens. El costo total de todo este conjunto de dispositivos es de $13,329.66, tomando en cuenta envíos, costos indirectos, impuestos y utilidades. Trabajadores
El proyecto requiere ciertas estructuras que pueden ser realizadas con facilidad por un soldador, por lo cual se requiere uno y de igual modo un ayudante. El salario mínimo de un soldador de acuerdo a lo establecido por la Comisión nacional de los salarios mínimos (STPS, 2013) es de $88.22. Sin embargo, no es su salario real ya que si se contemplan todas las prestaciones y requerimientos legales que implica el trabajador, el salario por jornada del soldador es de $560.56, y del ayudante $339.81. V.II.II Equipo de Energías Alternativas
El costo total de todo el equipo de energías alternas, comprando los páneles solares y fabricando el aerogenerador por métodos experimentales, es de $67,909.03. Éste precio contempla de igual modo gastos de envío de los dispositivos que no se encuentran en esta zona. Se compone de dos bloques: El aerogenerador y los páneles solares, descritos a continuación. Aerog ener ador
Dicho precio se compone de una serie de materiales necesarios para realizar el rotor de una forma más económica y con un costo total mucho más reducido de lo que sería importarlo de otro país. Contemplando el costo de mano de obra, impuestos, utilidades, herramientas, costo horario de equipos necesarios, traslado de mercancía, un generador de 2.3kW, un inversor de 2kW, 2 baterías y un rotor de 41
sustentación hecho principalmente de fibra de vidrio, el costo total de la turbina es de $43,867.03. Páneles solares
El costo de dos páneles solares de 500W contempla únicamente el precio directo de los dos páneles, impuestos, su respectivo inversor y gastos de envío, y es de $12,021 pesos. V.II.III Distribuid ores
Si se requieren canalizaciones, cableado y herramienta menor, IGC es el principal proveedor. Se encuentra localizado en Ciudad del Carmen, en la calle 24 esquina con 25, colonia Guanal y su número de teléfono es: 938 382 1337. En cuanto a materiales de construcción y principalmente metales, la Ferre es el distribuidor elegido. Al igual que IGC, se localiza en Ciudad del Carmen, en la Calle 31 No. 1532 Colonia Francisco I. Madero, y su número es 938 382 8667. El generador, inversor y baterías, se encuentran en Sistemas Electrónicos del Norte, y cuya forma más fácil de contactarlo es por su página de internet, que es la siguiente: http://www.sistemasen.net/content/view/34/51/ Los páneles solares son fácilmente adquiridos en PuebloSolar por medio de su página de internet, que es www.pueblosolar.com. Para el inversor solar y otros productos relacionados con los mismos, el proveedor elegido es Solartronic, cuya página es http://www.solartronic.com/. Siemens es el proveedor de todos los dispositivos de protección que requiere el módulo, y se puede levantar el pedido por medio de la oficina Mérida, que se 42
encuentra en la calle 18-E #262-C 249 42 15 entre 15-A y 17, Frac. Alta Brisa, C.P. 97130 Priv. San Remo Mérida, Yuc. El responsable es el Sr. Miguel Gutiérrez Aguilar y los números de contacto son: 01 999 926 55 23, 01 999 926 54 21, 249 43 01 y el fax 927 51 18. En caso de no contactar, también se encuentra el número nacional de ventas 01800 0908070 y su página de internet (Siemens, 2013). V.II.IV Precio Unitario del Proyecto
La suma de todos los precios descritos con anterioridad da como resultado un costo de $86, 831.36 pesos, incluyendo todos los elementos para que alumnos de Mecatrónica y Energías Renovables de múltiples generaciones desarrollen sus habilidades en el diseño y construcción de instalaciones eléctricas, y puedan hacerlo con dispositivos de alta calidad que garanticen su seguridad, ya que cada unos de los componentes de dicho módulo está cuidadosamente seleccionado de acuerdo a la normatividad vigente NOM-001-SEDE-2012. V.III.
RECOMENDACIONES
Este proyecto fue desarrollado con la intención de ser implementado, por lo que se requiere seguimiento para llevarlo a la realidad. Lo aquí descrito son las bases teóricas y normativas para garantizar un diseño que realmente resuelva la problemática planteada al inicio. El siguiente paso es la compra de materiales a partir del presupuesto aquí desarrollado y la documentación de la construcción y resultados obtenidos. Además, es posible sacar el máximo provecho de este equipo al implementar a un mediano plazo un módulo de domótica e iluminación industrial que incluya dispositivos electrónicos que además de automatizar una vivienda, se enfoquen en el uso eficiente de energía y por supuesto, manejar diferentes diferentes tipos de lámparas como lo son las halógenas, mercuriales, vapor de sodio, entre otras. 43
CONCLUSIONES 1. El presente documento describe los métodos de selección para los componentes que integran la instalación eléctrica didáctica, de acuerdo a la NOM-001-SEDE2012. 2. Cada componente del equipo de instalaciones eléctricas con fuentes alternas de energía es seleccionado de acuerdo a lo especificado en la NOM-001-SEDE-2012, artículos 694, 695 y 705. 3. Se realiza un investigación que expone los procedimientos necesarios para realizar una instalación eléctrica a partir de generación fotovoltaica, eólica y/o híbrida, con interconexión a la red de CFE de acuerdo a la especificación G0100-04. 4.-La estructura para la instalación eléctrica experimental y el modelo digital de la misma es diseñado en el software especializado de diseño SolidWorks para facilitar su construcción. 5.- Se integra el precio unitario del proyecto, de acuerdo a los criterios establecidos por la ingeniería de costos, utilizando para ello el software especializado de integración de precios unitarios más usado del mundo: OPUS.
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ANEXOS Anexo 1
Vista preliminar del modelo realizado en software especializado de diseño SolidWorks.
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