Luminaria Fotovoltaica

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1. Introducción En la Universidad Tecnológica de Tamaulipas Norte (UTTN) ubicada en Av. Universidad Tecnológica #1555 Col. La Escondida. Ciudad Reynosa, Tamaulipas. Una Institución formadora de Técnicos Superiores Universitarios e Ingenieros en las Áreas de Mantenimiento Industrial, Mecatrónica, Administración, Tecnologías de la Informática y la comunicación, Procesos Industriales, que mediante la aplicación de sus conocimientos, habilidades y valores puedan contribuir al cambio en el desarrollo socioeconómico, tecnológico y cultural del estado de Tamaulipas y del país. Se observa que en el Estacionamiento del Edificio B asignado a la carrera de Mantenimiento Industrial, de la Universidad Tecnológica de Tamaulipas Norte la problemática de falta de iluminación, esto se contrapone con los estándares de seguridad de las instalaciones de este tipo es una condición de riesgo debido a los daños y accidentes que pueden sufrir las mismas instalaciones, las personas que hacen usos de las

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Diseñar e Implementar un sistema de iluminación fotoeléctrica en la zona del estacionamiento de la Universidad en un análisis de las fuentes energéticas renovables para establecer el marco indumentario del proyecto.

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1. Introducción

En la Universidad Tecnológica de Tamaulipas Norte (UTTN) ubicada en Av.

Universidad Tecnológica #1555 Col. La Escondida. Ciudad Reynosa,

Tamaulipas. Una Institución formadora de Técnicos Superiores Universitarios e

Ingenieros en las Áreas de Mantenimiento Industrial, Mecatrónica,

Administración, Tecnologías de la Informática y la comunicación, Procesos

Industriales, que mediante la aplicación de sus conocimientos, habilidades y

valores puedan contribuir al cambio en el desarrollo socioeconómico,

tecnológico y cultural del estado de Tamaulipas y del país. Se observa que en

el Estacionamiento del Edificio B asignado a la carrera de Mantenimiento

Industrial, de la Universidad Tecnológica de Tamaulipas Norte la problemática

de falta de iluminación, esto se contrapone con los estándares de seguridad

de las instalaciones de este tipo es una condición de riesgo debido a los daños

y accidentes que pueden sufrir las mismas instalaciones, las personas que

hacen usos de las mismas y a la propiedad de estas. Debido a esto se buscó

la manera de solucionar esta inherente necesidad, de entre todos los sistemas

de iluminación propuestos para darle solución a este problema se estableció la

implementación de una luminaria basada en un sistema fotovoltaico, esta

propuesta demostró ser la más viable debido a sus diferentes primacías ya

que estas desarrollan varias ventajas ante los sistemas convencionales de

iluminación, entre los cuales se puede observar la mejora en la eficiencia del

aprovechamiento energético, la reducción de la dependencia de los

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combustibles fósiles , la independencia de la red eléctrica pública, y el

aprovechamiento del recursos energéticos renovables.

Figura 1. Estacionamiento de la UTTN

1.1 Antecedentes

En la Universidad Tecnológica de Tamaulipas Norte, no existe registro de la

implementación de una Iluminaria basada en un sistema fotovoltaico o

cualquier otro tipo de sistema que aproveche un recurso energético renovable.

Las razones por las cuales no se ha implementado ninguno de estos sistemas

son las barreras de tipo financiero ya que la tecnología necesaria posee un

costo elevado, pero esto se reduce al ver la relación costo-rentable ya que se

produce un ahorro en los costos de mantenimiento, y consumo energético, otro

motivo por el cual no se ha implementado es por la falta de especialistas y

distribuidores de estos sistemas en la región.

Pero la principal razón por la que no se ha implementado este tipo de

tecnología se centra en el arraigo y dependencia de los antiguos sistemas

energéticos, basados en combustibles fósiles, que producen gases de efecto

invernadero y otros contaminantes.

La explotación de fuentes de energías alternativas y renovables es la base de

este proyecto, estas serán usadas como parte de la solución en la

problemática de la falta de iluminación en el estacionamiento de la Universidad

Tecnológica de Tamaulipas Norte Campus Reynosa Tamaulipas. La tecnología

fotovoltaica pose muchas premisas debido a sus cualidades intrínsecas: Esta

tecnología posee unos costes de funcionamiento reducidos ya que sus costes

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de energía o combustible son prácticamente gratuitos y además posee unas

necesidades de mantenimiento limitadas, son fiables, no producen ruido y son

fáciles de instalar. Las consideraciones anteriormente expuestas han motivado

la puesta en marcha de un proyecto para la instalación de un sistema de

energía fotovoltaica a una de las instalaciones de alumbrado del

estacionamiento de la Universidad Tecnológica de Tamaulipas Norte,

actualmente se cuenta con los recursos y tecnología, necesaria para

implementarse.

1.2 Definición del Problema

En la Universidad Tecnológica de Tamaulipas Norte, con una población

estudiantil superior a los 2000 alumnos, 200 docentes, y un personal

administrativo de casi 100 personas. Con un promedio de 100 a 200 alumnos

y personal de la institución que utilizan el área del estacionamiento, se observa

la necesidad de una mejora en el sistema iluminación de este, ya que

actualmente, el sistema implementado no puede satisfacer la necesidad de

mayor iluminación el área. En la Universidad cuenta con los recursos para

aplicar criterios y procedimientos actualizados para la instalación de un sistema

de iluminación fotovoltaico, elevar la eficiencia y reducir los costos de

instalación, operación y mantenimiento de los componentes del sistema

eléctrico, lo que permitiría tener ahorros en el consumo de energía eléctrica y

de esta manera utilizar estos recursos para ampliar la calidad del servicio de

iluminación en el área del estacionamiento. La importancia de este proyecto

radica en evitar daños tanto a los usuarios del estacionamiento, como a sus

vehículos por la falta de visibilidad. Las usuarios del estacionamiento de la

universidad por las horas de la mañana entre el horario de entrada de 6:00 am

a las 7:00 am tienen que procurar estar atentos para evitar tener algún tipo de

incidente por la falta de iluminación. Esto ocurre de igual forma en el turno

vespertino en el horario de salida de 9:30 pm en adelante. Esta problemática

puede tener una oportuna solución aplicando los recursos establecidos en este

proyecto, una gestión adecuada de los recursos físicos y monetarios dará

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solución a la falta de iluminación en el estacionamiento de la universidad, ya

que se estará implementando un sistema fotovoltaico de iluminación. Estos

sistemas de iluminación son una tecnología con un costo elevado de aplicación

e implementación, pero los beneficios a largo plazo son capaces de subsidiar

los costos iniciales de implementación del sistema, de tal forma que en un

plazo no mayor a 5 años la inversión inicial se reducirá a casi cero, por los

ahorros en el consumo de energía eléctrica, la reducción del costo en los

recibos de energía eléctrica. La implementación del proyecto es viable con los

recursos establecidos en un inicio.

1.3 Justificación.

La implementación del Proyecto Integrador “Instalación de Luminaria

Fotovoltaica “se respalda en la formación de habilidades y competencias de un

Técnico Superior Universitario en el Área de Mantenimiento Industrial, la

edificación de este proyecto requiere de competencias y habilidades

específicas como lo son la gestión de recursos, la elaboración de presupuestos

y planes acordes a estos para evitar costos y pérdidas de tiempo innecesarias,

así como distintas habilidades técnicas desarrolladas en la construcción del

presente proyecto como lo son el conocimiento y capacitación para el control,

manejo y reparación de sistemas eléctricos, la elaboración, reparación y

cambio de piezas en sistemas electromecánicos y el desarrollo de planes de

mantenimiento de equipos e instalaciones o edificaciones.

Para el desarrollo y aplicación del presente proyecto se tendrá la necesidad de

recurrir a las competencias y conocimientos de diversas ramas de la ciencia y

materias correspondientes la formación de un Técnico Superior Universitario

en el Área de Mantenimiento Industrial como lo son las materias de Estática y

Dinámica, Informática, Dibujo Industrial, Sistemas Eléctricos, Costos y

Presupuestos, Seguridad y Medio Ambiente, Maquinas y Mecanismos.

Durante la elaboración de la parte Tangible del proyecto se requerirá el uso de

diferentes áreas y talleres especializados tanto dentro como fuera de la

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Universidad Tecnológica de Tamaulipas Norte como un Taller de Maquinado

de Piezas, el Taller de Sistema Eléctricos, el Taller de Mantenimiento.

La importancia y transcendencia de este Proyecto radica en el beneficio a la

comunidad de jóvenes estudiantes de la carrera de Mantenimiento Industrial

que utilizan el Estacionamiento del Edificio B de la Universidad Tecnológica de

Tamaulipas Norte. La principal premisa del Presente proyecto radica en la

Utilización de recursos energéticos renovables, que fomentan la conciencia de

la conservación de nuestros recursos naturales propiciando un desarrollo

tecnológico y social partidario la conservación del Medio Ambiente.

1.4 Definición de Términos

Baterías: Acumulan la energía que reciben de los paneles. Cuando hay

consumo, la electricidad la proporciona directamente la batería y no los

paneles.

Carga: Potencia utilizada por los artefactos, instalaciones y otros elementos

conectados a un circuito.

Conexión a la red: Sistema de generación conectado a la red pública de

electricidad.

Eficiencia: En lo que respecta a células solares es el porcentaje de energía

solar que es transformada en energía eléctrica por la célula.

Fotovoltaico: Relativo a la generación de fuerza electromotriz por la acción de

la luz

Inversor: Un inversor es un componente de un sistema que transforma un

voltaje y corriente DC a corriente alterna AC, monofásico o trifásico.

Modulo Solar Fotovoltaico: Es aquella que se obtiene por medio de la

transformación directa de la energía del sol en energía eléctrica.

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Radiación Solar: Cantidad de energía procedente del sol que se recibe en una

superficie y tiempo determinados.

Red: Nombre convencional del sistema de distribución de energía eléctrica.

Regulador de carga: También llamado unidad de control o controlador de

carga. Componente que controla el flujo de corriente hacia la batería y de la

batería hacia los equipos para proteger la batería de sobrecargas;

Silicio: Elemento químico del que básicamente se componen las células de un

panel solar. Es de naturaleza prácticamente metálica, gris oscuro y de

excelentes propiedades semiconductoras.

Sistema Aislado o Remoto: Sistema fotovoltaico autónomo, no conectado a

red. Estos sistemas requieren baterías u otras formas de acumulación. Suelen

utilizarse en lugares remotos o de difícil acceso.

Sistema Conectado a Red: Sistema fotovoltaico en el que actúa como una

central generadora de electricidad, suministrando energía a la red

Vatio (W): Unidad de potencia eléctrica, que equivale a un julio por segundo.

Vatio Pico: Unidad de potencia que hace referencia al producto de la tensión

por la intensidad (potencia pico) del panel fotovoltaico en unas condiciones

estándares de medida.

Voltaje: Anglicismo del término Tensión.

Voltio (V): Unidad de potencial eléctrico y fuerza electromotriz, equivalente a la

diferencia de potencial que hay entre dos puntos de un conductor cuando al

transportar entre ellos un coulomb, se realiza el trabajo de un julio.

1.5 Limitaciones y Delimitaciones.

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Limitaciones:

Las barreras encontradas para la implementación del Proyecto Integrador

“Instalación de Luminaria Fotovoltaica “se sustentan en la disponibilidad

energética ya que es obtenida dependiendo condiciones atmosféricas y esto

provoca que la cantidad de energía sea variable aunque en la Ciudad de

Reynosa Tamaulipas posee una gran potencial con respecto a la energía solar,

pero a su vez posee un clima muy inestable en las estaciones de Otoño e

Invierno.

Una barrera transcendental para al implementación del proyecto es la cantidad

de energía producida, porque el sistema de carga y almacenamiento de

energía no trabajaran de manera continua y fiable, y la energía disponible solo

alcanzara para las necesidades del sistema de iluminación, otra barrera encontrada en la

implementación del proyecto es la inversión total del proyecto es alta con respecto a la

capacidad de pago y gestión de recursos pero se buscara el patrocinio de diferentes

empresas privadas o instituciones gubernamentales.

Delimitaciones:

La implementación del proyecto integrador “Instalación de Luminaria

Fotovoltaica” de en el Estacionamiento del Edificio B asignado a la carrera de

Mantenimiento Industrial, de la Universidad Tecnológica de Tamaulipas Norte.

1.6 Objetivo

Diseñar e Implementar un sistema de iluminación fotovoltaica en la zona del

estacionamiento de la Universidad Tecnológica de Tamaulipas Norte, en un

análisis de las fuentes energéticas renovables para establecer el marco

indumentario del proyecto.

Realizando un diagnóstico energético para establecer los parámetros del

diseño.

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Proponer el sistema fotovoltaico como una opción energética. Logrando su

implementación, y así consiguiendo una avance en un mejor aprovechamiento

de los recursos energéticos renovables y la disminución de los costos de

mantenimiento y fomentar la reducción de la dependencia del sistema eléctrico

local.

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1.7 Bosquejo

Figura 2. Bosquejo de Luminaria Solar.

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2. Análisis de fundamentos.

2.1 Uso de la energía Solar Fotovoltaica en Iluminarias.

2.1.1 Fuentes luminosas y lámparas

La producción de la luz es un fenómeno que se basa en la transformación de

energía. Las fuentes luminosas son dispositivos que mediante un proceso

físico transforman energía en una radiación electromagnética visible, que

denominamos luz. El sol, provee abundante cantidad de luz natural durante las

horas diurnas. Es la fuente de luz por excelencia de la vida diaria.

Sin embargo, el hombre ha creado otros medios de iluminar, que pueden ser

usados a voluntad en los lugares y oportunidades en los cuales los iluminantes

naturales no están disponibles.

Las primeras fuentes luminosas empleadas por el hombre estuvieron basadas

en alguna forma de combustión: el fuego, las antorchas, las velas, etc. Las

lámparas más antiguas de que se tienen noticias aparecieron en el antiguo

Egipto hacia el año 3000 a.C. y consistían en piedras ahuecadas rellenas de

aceite, con fibras vegetales como mechas. Ya en la Edad Media, se fabricaban

velas empleando sebo de origen animal. Más tarde, se reemplazó el sebo por

cera de abejas o parafina. Las velas modernas pueden considerarse como la

evolución de estas lámparas de grasa, pero su uso actual es casi por completo

decorativo y ceremonial

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Los griegos y romanos fabricaron lámparas de bronce o arcilla, con aceite de

oliva u otros aceites vegetales como combustible.

La evolución del diseño de estas lámparas condujo al agregado de

elementos reflectores para mejorar el aprovechamiento de la luz producida.

Con el correr del tiempo, se introdujeron muchas mejoras en el diseño y la

fabricación de estas lámparas, aunque sin lograr que produjeran luz de manera

razonablemente eficiente hasta 1874, cuando el químico suizo Argand inventó

una lámpara que usaba una mecha hueca para permitir que el aire alcanzara la

llama, obteniendo así una luz más intensa. Luego, a la lámpara de Argand se

le agregaría un cilindro de vidrio para proteger la llama y permitirle arder mejor.

Con el advenimiento de la industria del petróleo, el kerosén se transformaría en

el combustible más utilizado en este tipo de lámparas.

Alrededor del año 1800, se hizo muy común resolver el alumbrado de calles

con lámparas de gas, que funcionaban prescindiendo de la mecha.

Estas lámparas producían luz mediante una llama abierta caracterizada por un

parpadeo considerable.

Hacia el final del siglo XIX y principio del XX se inició el reemplazo de las

lámparas de gas por la lámpara eléctrica.

La primera lámpara eléctrica fue la lámpara de arco de carbón, presentada en

1801 por Humphrey Davy, aunque la luz eléctrica sólo se impondría a partir del

desarrollo de la lámpara incandescente por Joseph Sawn (Inglaterra) y Tomás

A. Edison (EE.UU.) trabajando independientemente.

Edison patentó su invención en 1879, transformándola posteriormente en el

éxito comercial que aún perdura.

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Figura 3. Evolución de las Fuentes Lumínicas

La cantidad de fuentes luminosas de diversos tipos se ha visto enormemente

incrementada durante el siglo XX, considerando las mejoras introducidas a la

lámpara de Edison, la aparición de las lámparas de vapor de mercurio

alrededor de 1930, la presentación de las lámparas fluorescentes en la Feria

Mundial de 1939, la introducción de las lámparas de tungsteno halogenado

alrededor de 1950, la aparición de las lámparas de sodio de alta presión y las

de halogenuros metálicos en los años 1960, la introducción de las lámparas

fluorescentes compactas en la década del 1970 hasta el surgimiento de las

lámparas sin electrodos en los 1990. Dado el alto grado de dinamismo de esta

industria, es de esperar que la evolución de las fuentes luminosas continúe al

mismo ritmo en el presente siglo.

2.2 Generalidades de los sistemas de iluminación

Tanto los sistemas convencionales como los no convencionales se pueden

alimentar de la red doméstica de abastecimiento de energía eléctrica, pero los

sistemas no convencionales son especialmente interesantes para alimentarse

con energía proveniente de fuentes renovables.

A. Sistemas convencionales de iluminación

Estos sistemas emplean como luminarias a lámparas incandescentes,

lámparas de arco, lámparas de filamentos de carbono, lámparas

fluorescentes, etc. Debido a la naturaleza de las luminarias, sólo una parte de

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la energía eléctrica consumida se transforma en energía luminosa, por lo que

los sistemas convencionales se consideran ineficientes.

B. Sistemas no convencionales de iluminación

Los sistemas no convencionales de iluminación se aplican en iluminación

ambiental, decorativa, puntual, funcional, etc.

Estos sistemas incorporan luminarias con un alto nivel de eficiencia, de baja

potencia y de intensidad lumínica aceptable, alimentadas de voltajes de 12V,

24V, 30V, 64V, etc.

2.2.1 Tipos de Lámparas Luminosas

• Incandescencia: Las lámparas incandescentes son bien conocidas en todas

las casas. Proporcionan una luz puntual que puede controlarse y dirigirse

fácilmente con un soporte. El 90% de la energía que consumen se convierte en

calor, lo que deja sólo un 10% para producir la luz.

• Lámparas fluorescentes: Estas lámparas son mucho más eficientes que las

incandescentes, ya que fundamentalmente se invierte la proporción de uso

energético en calor y luz, es decir, el 90% de la energía que consumen se

convierte en luz, lo que deja sólo un 10% para producir calor. La vida útil de

la lámpara es de unas 20.000 horas. La eficiencia disminuye a menor

temperatura. La tecnología actual (T-8, T-5) y los balastos electrónicos

pueden sustituir a los antiguos equipos de balasto magnético (T-12) y

permitir un ahorro energético del 30-40%.

• Sodio a baja presión: Estas lámparas tienen una vida larga (18.000 horas)

y son muy eficientes. Sin embargo, su rendimiento en color da un amarillo

monocromo, lo que hace que los colores de los vehículos, de la ropa y de las

señales de tráfico lleguen a confundirse, y resultan válidas únicamente en

casos muy contados (ciertos tipos de autopista, estacionamientos, etc.).

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• Sodio a alta presión: Estas lámparas emiten una luz dorada y son las más

eficientes para el alumbrado público. Están disponibles en una gran variedad

de formas y tamaños, son aptas para muchos tipos de aparatos y tienen unas

características de control óptico muy buenas.

• Halógeno de metal: Estas lámparas son también muy eficientes y permiten un

control óptico bueno. Emiten una luz blanca y su rendimiento en color es

bueno. La vida útil es de unas 10.000 horas, duración que se ha visto

incrementada con la nueva tecnología “Pulse Start”.

• Vapor de mercurio: Ésta fue la primera luz “blanca” de descarga de alta

intensidad utilizada para el alumbrado de exteriores. Está comprobado que

estas lámparas siguen funcionando una vez finalizada su vida útil. No tienen

una buena reproducción de los colores y no resultan aptas para un alumbrado

eficiente en términos energéticos.

Tipo de lámpara Rango de potencia de Luminosidad Promedio Eficacia

la lámpara en el [lm/m²] de vida luminosa

mercado [W] útil [lm/W]

(horas)

Incandescencia 15-150 9-15 1000 7.5-20

Tubo fluorescente 18-58 43-76 12.500 18-22

Vapor de mercurio 50-400 30-49 24.000 40-63

Sodio a alta presión 50-400 67-128 24.000 70-130

Sodio a baja presión 18-180 69-152 18.000 100-183

Tabla 1. Tipos de lámpara y luminosidad.

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2.3 ¿Qué es la Energía Solar Fotovoltaica?

La energía solar fotovoltaica es aquella que se obtiene por medio de la

transformación directa de la energía del sol en energía eléctrica.

Esta definición de la energía solar fotovoltaica, aunque es breve, contiene

aspectos importantes sobre los cuales se puede profundizar:

1. La energía solar se puede transformar de dos maneras:

La primera utiliza una parte del espectro electromagnético de la energía

del sol para producir calor. A la energía obtenida se le llama energía

solar térmica. La transformación se realiza mediante el empleo de

colectores térmicos.

La segunda, utiliza la otra parte del espectro electromagnético de la

energía del sol para producir electricidad. A la energía obtenida se le

llama energía solar fotovoltaica. La transformación se realiza por medio

de módulos o paneles solares fotovoltaicos.

2. La energía solar fotovoltaica se utiliza para hacer funcionar lámparas

eléctricas, para iluminación o para hacer funcionar radios, televisores y otros

electrodomésticos de bajo consumo energético, generalmente, en aquellos

lugares donde no existe acceso a la red eléctrica convencional.

3. Es necesario disponer de un sistema formado por equipos especialmente

construidos para realizar la transformación de la energía solar en energía

eléctrica. Este sistema recibe el nombre de sistema fotovoltaico y los equipos

que lo forman reciben el nombre de componentes fotovoltaicos.

Posteriormente, se explica el funcionamiento básico y las características más

importantes de cada uno de los componentes del sistema fotovoltaico.

La energía solar se encuentra disponible en todo el mundo. Algunas zonas del

planeta reciben más radiación solar que otras, sin embargo, los sistemas

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fotovoltaicos tienen muchas aplicaciones. En el caso particular de México, los

sistemas fotovoltaicos son una alternativa muy interesante, desde las

perspectivas técnica y económica, pues la región dispone durante todo el

año de abundante radiación solar.

Según el mapa de la intensidad de radiación solar en diferentes regiones del

mundo América es una región muy privilegiada con respecto al recurso

solar disponible, aunque siempre es necesario evaluar el potencial solar de un

sitio específico donde se planea instalar un sistema fotovoltaico.

Figura 4. Mapa de la radiación solar en diferentes regiones del mundo.

Radiación solar media recibida en superficie, expresada en W/m2. Oscila

entre un máximo de unos 275 W/m2 en las regiones despejadas de nubosidad

del Sahara y Arabia, hasta un mínimo de 75 W/m2 en las islas brumosas del

Ártico. La media global es de 170 W/m2.

México tiene una alta incidencia de energía solar en la gran mayoría

de su territorio como lo muestra la figura 1.3; la zona norte es de las más

soleadas del mundo con una radiación media anual de aproximadamente

5 kW h/m2. Por lo que es uno de los países a nivel mundial que presenta

condiciones ideales para el aprovechamiento masivo de este tipo de

energía, sin embargo este potencial no se ha aprovechado ampliamente.

En la tabla 2 Se muestran los niveles de radiación solar en todo el país.

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Figura 5. Radiación solar promedio anual en la República Mexicana

5.4 6.0 6.4 5.9 5.3 5.1 4.5 4.9 4.5 4.8 5.2 5.2 4.5 6.4 5.3

Tabla 2. Radiación global media en el País.

La energía del sol es un recurso de uso universal; por lo tanto, no se paga por

utilizar esta energía. Sin embargo, es importante recordar que para realizar la

transformación de energía solar en energía eléctrica se necesita de un sistema

fotovoltaico apropiado.

El costo de utilizar la energía solar no es más que el costo de comprar, diseñar,

instalar y mantener adecuadamente el sistema fotovoltaico.

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Ventajas

Fuente inagotable de energía.

Escaso impacto ambiental.

No produce residuos perjudiciales para el medio ambiente.

Distribuida por todo el mundo.

No tiene más costos una vez instalados.

No hay dependencia de las compañías suministradoras.

Silenciosa

Tiene una vida útil superior a 25 años.

Resistente a condiciones climáticas extremas: granizo, viento,

etc.

No requiere mantenimiento complejo, solo limpieza del módulo

solar.

Se puede aumentar la capacidad instalada y la autonomía de la

instalación.

No consume combustible.

Desventajas

Se precisan sistemas de acumulación (baterías) que

contienen agentes químicos peligrosos.

Puede afectar a los ecosistemas por la extensión ocupada por los

paneles en caso de grandes instalaciones.

Impacto visual negativo si no se cuida la integración de los

modelos solares en el entorno.

Tabla 3. Ventajas y desventajas de la energía solar.

2.4 Energía Solar en México

En la actualidad se han desarrollado diversas instalaciones de paneles

fotovoltaicos conectados a la red y año con año crecen en capacidad y

generación, por ejemplo: el Parque Solar Fotovoltaico Bicentenario que se

instaló en el estado de Aguascalientes con una capacidad de 1MW.

Energía Solar

Page 19: Luminaria Fotovoltaica

Al 2003 se tenían instalados más de 570,000 m2 de calentadores solares

planos, con una radiación promedio de 18,841 kJ/m2 y día, generando más de

270 Gigajoules para calentar agua. Al 2012 se espera un crecimiento de más

de 600,000 m2 de calentadores solares (Alcocer, 2008).

2.4.1 Situación nacional de la energía fotovoltaica

Es difícil estimar la magnitud del recurso solar disponible. En México,

Jiménez C. B. E efectuó una aproximación suponiendo que se instalan

captadores en una milésima parte de la superficie del país que tuviese una

eficiencia medía de conversión de 10% y que la radiación que incide

diariamente en cada metro fuera de 7 kW/h por metro cuadrado de superficie

horizontal. En estas condiciones, la energía sería de unos 50 mil millones de

kW/h al año. Pero para captarla se requiere instalar en promedio y de manera

distribuida, el equivalente de un cuadrado de más de treinta metros por lado

por cada km2 (Jiménez 2002).

En nuestro país en el desarrollo industrial y comercial de la energía solar se

inició a mediados de los años cuarenta con la fabricación de colectores solares

planos para calentamiento de agua de uso doméstico. Actualmente, el número

de fabricantes es muy reducido y se desconoce con exactitud la capacidad

instalada de fabricación, la producción anual, las técnicas de manufactura, las

superficies instaladas, el uso final, el tamaño del mercado así como su

crecimiento futuro.

La mayor parte de los colectores planos que se fabrican en nuestro país son de

temperatura intermedia (60 a 80° C) (Pilatowsky, 1999). En cuanto a las

aplicaciones, estas se han orientado a la solución de problemas energéticos en

el medio rural, en donde los sistemas propuestos son relativamente simples y

de baja potencia, en aplicaciones como purificación y distribución de agua,

secado y conservación de productos perecederos, electrificación de baja

potencia (iluminación, telecomunicación, señalización marítima y terrestre,

Page 20: Luminaria Fotovoltaica

bombeo y refrigeración), calentamiento de agua y generación de electricidad

vía procesos térmicos, entre otros.

En México destaca el uso de dispositivos solares para el calentamiento de

agua de las albercas y uso doméstico. Existen varias ciudades cuyo consumo

de combustibles convencionales podría reducirse si se utilizaran colectores

solares planos como sistemas de apoyo a los calentadores tradicionales de

gas, tanto en residencias como en las industrias. Desafortunadamente, esto no

se ha dado en forma masiva. Aun cuando existen antecedentes de

instalaciones solares de calentamiento de agua en unidades habitacionales,

construidas en diferentes épocas y lugares, el seguimiento para determinar los

impactos sobre el ahorro de hidrocarburos y energéticos convencionales y la

reducción consecuente de los problemas ambientales no se ha realizado.

Nuestro país tiene algunas regiones (Sonora y Baja California) con el

promedio de radiación más alto del planeta. Estas zonas coinciden con

los desiertos que se hallan alrededor de los trópicos de Cáncer y de

Capricornio, y en ellas pueden construirse centrales de energía solar para

satisfacer la demanda que requiere México. Además, como en las zonas

desérticas el suelo es poco productivo y el clima contribuye a que no se

habiten, son las más apropiadas para construir plantas solares de varias

decenas de Mega watts de potencia.

Hoy en día, la energía solar en México, no contribuye significativamente a

satisfacer las necesidades nacionales de energía. Según algunas fuentes, en

1985 el petróleo y el gas natural ocupaban el primer lugar, con el 90.46% del

total de la demanda de energía. En segundo lugar se encontraba la biomasa,

con el 4.6%; la energía hidroeléctrica contribuía con el 3.3%; después seguía el

carbón, con el 1.5% y, finalmente, la energía geotérmica con el 0.2%. Por otro

lado, cabe mencionar que más de 20% de la población rural no tiene acceso a

la energía eléctrica. (SAECSA, 2010, Energía Solar)

Page 21: Luminaria Fotovoltaica

El promedio diario de energía solar que llega a la República Mexicana es 5.5

kW/m². La utilización de la energía solar se ha probado con éxito como

alternativa para satisfacer las necesidades de electricidad en las comunidades

rurales. También se ha usado ampliamente en la vivienda. Cabe destacar el

hecho de que una casa puede ser autosuficiente, en lo que respecta al

consumo externo de energía, si se emplean algunos dispositivos solares y si la

arquitectura de la vivienda está diseñada para que el clima esté controlado

naturalmente con diversos sistemas solares llamados pasivos. De lo anterior se

desprende que el uso de la energía solar contribuye a eliminar nuestra

dependencia de los energéticos y a la descentralización energética.

Las dos principales desventajas del uso de la energía solar son, en primer

lugar, el costo elevado de los sistemas solares, en comparación con los

convencionales y, en segundo lugar, el mantenimiento de los sistemas solares.

Es necesario crear sistemas de almacenamiento de energía solar que sean

poco costosos, sencillos, eficientes y duraderos.

Sin embargo, estas desventajas pueden ser controladas por la

investigación básica y aplicada que se realice en México.

Los sistemas fotovoltaicos convierten directamente parte de la energía de la luz

solar en electricidad. Las celdas fotovoltaicas se fabrican principalmente con

silicio, el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre, el mismo

material semiconductor usado en las computadoras. Cuando el silicio se

contamina o dopa con otros materiales de ciertas características, obtiene

propiedades eléctricas únicas en presencia de luz solar. Los electrones son

excitados por la luz y se mueven a través del silicio; este es conocido como el

efecto fotovoltaico y produce una corriente eléctrica directa. Las celdas

fotovoltaicas no tienen partes móviles, son virtualmente libres de

mantenimiento y tienen una vida útil de entre 20 y 30 años.

La conversión directa de la parte visible del espectro solar es, quizá, la vía más

ordenada y estética de todas las que existen para el aprovechamiento de la

Page 22: Luminaria Fotovoltaica

energía solar. Desafortunadamente esta tecnología no se ha desarrollado por

completo en México. Si bien los módulos fotovoltaicos son relativamente

simples, su fabricación requiere de tecnología sofisticada que solamente está

disponible en algunos países como Estados Unidos, Alemania, Japón y

España entre otros.

Transformación en electricidad: es la llamada energía solar fotovoltaica que

permite transformar en electricidad la radiación solar por medio de células

fotovoltaicas integradas en módulos fotovoltaicos. Esta electricidad se puede

utilizar de manera directa, se puede almacenar en acumuladores para un uso

posterior, e incluso se puede introducir en la red de distribución eléctrica, esto

representa una de las fuentes de energías renovables con mayores

posibilidades a futuro.

2.4.2 Sistemas fotovoltaicos en México

En México durante el año 2009 casi 3,3 MW de energía fotovoltaica se han

instalado, con lo que la capacidad instalada acumulada pasa a más de

25 MW. El porcentaje de conectados a la red de la capacidad fotovoltaica

ascendieron a cerca de una cuarta parte del mercado anual en el 2009. A

finales de 2009, fuera de la red doméstica, las aplicaciones siguió dominando

el mercado FV que representan el 72% de la potencia instalada acumulada

FV del sector privado.

Un sistema de 400 kW se instaló en las instalaciones de una ensambladora de

automóvil americano en el estado norteño de Coahuila. Además, una de las

principales cadenas de supermercados continuó con su programa de

incorporación de energías renovables para el suministro de energía verde a

sus tiendas, la instalación de 200 kW montado en el techo del sistema

fotovoltaico en la ciudad de La Paz.

El impulso para el crecimiento de los sistemas FV mercado también continuó

con la participación a nivel gubernamental a través de la emisión de normas

Page 23: Luminaria Fotovoltaica

relativas a la Ley de Aprovechamiento de Energías Renovables y el

Financiamiento de la Transición Energética (lanzado durante el tercer trimestre

de 2009). En este sentido, un modelo de proyecto permitiría la interconexión de

los sistemas fotovoltaicos con capacidades de hasta 500 kW el cual fue emitido

por la Comisión de Regulación de Energía.

2.4.3 ¿Qué es un sistema fotovoltaico?

Un conjunto de equipos construidos e integrados especialmente para realizar

cuatro funciones fundamentales:

Transformar directa y eficientemente la energía solar en energía

eléctrica.

Almacenar adecuadamente la energía eléctrica generada.

Proveer adecuadamente la energía producida (el consumo) y

almacenada.

Utilizar eficientemente la energía producida y almacenada.

En el mismo orden antes mencionado, los componentes fotovoltaicos

encargados de realizar las funciones respectivas son:

I. El módulo o panel fotovoltaico.

II. La batería.

III. El regulador de carga y el inversor.

IV. Las cargas de aplicación (el consumo).

Figura 6. Esquema simple de un sistema

fotovoltaico

Page 24: Luminaria Fotovoltaica

En instalaciones fotovoltaicas pequeñas es frecuente, además de los equipos

antes mencionados, el uso de fusibles para la protección del sistema. En

instalaciones medianas y grandes, es necesario utilizar sistemas de protección

más complejos y, adicionalmente, sistemas de medición y sistemas de control

de la carga eléctrica generada.

2.5 Componentes de Un sistema Fotovoltaico.

2.5.1 Módulos fotovoltaicos

La transformación directa de la energía solar en energía eléctrica se realiza en

un equipo llamado módulo o panel fotovoltaico. Los módulos o paneles solares

son placas rectangulares formadas por un conjunto de celdas fotovoltaicas

protegidas por un marco de vidrio y aluminio anodizado.

Celdas fotovoltaicas:

Una celda fotovoltaica es el componente que capta la energía contenida en la

radiación solar y la transforma en una corriente eléctrica, basado en el efecto

fotovoltaico que produce una corriente eléctrica cuando la luz incide sobre

algunos materiales.

Las celdas fotovoltaicas son hechas principalmente de un grupo de minerales

semiconductores, de los cuales el silicio, es el más usado. El silicio se

Figura 7. Módulo fotovoltaico típico.

Page 25: Luminaria Fotovoltaica

encuentra abundantemente en todo el mundo porque es un componente

mineral de la arena. Sin embargo, tiene que ser de alta pureza para lograr el

efecto fotovoltaico, lo cual encarece el proceso de la producción de las celdas

fotovoltaicas.

Una celda fotovoltaica tiene un tamaño de 10 por 10 centímetros y produce

alrededor de un vatio a plena luz del día. Normalmente las celdas fotovoltaicas

son color azul oscuro.

La mayoría de los paneles fotovoltaicos constan de 36 celdas fotovoltaicas.

Marco de vidrio y aluminio:

Estos elementos tienen la función principal de soportar mecánicamente a las

celdas fotovoltaicas y de protegerlas de los efectos degradantes de la

intemperie, por ejemplo: humedad y polvo. Todo el conjunto de celdas

fotovoltaicas y sus conexiones internas se encuentra completamente aislado

del exterior por medio de dos cubiertas, una frontal de vidrio de alta resistencia

a los impactos y una posterior de plástico EVA (acetato de vinil etileno).

El vidrio frontal es anti-reflejante para optimizar la captación de los rayos

solares. El marco de aluminio también tiene la función de facilitar la fijación

adecuada de todo el conjunto a una estructura de soporte a través de orificios

convenientemente ubicados.

Figura 8. Conjunto de paneles fotovoltaicos típicos y su estructura metálica de soporte.

Page 26: Luminaria Fotovoltaica

Tipos de módulos fotovoltaicos:

Existe en el mercado fotovoltaico una gran variedad de fabricantes y modelos

de módulos solares. Según el tipo de material empleado para su fabricación, se

clasifican en:

Módulos de silicio monocristalino: son los más utilizados debido a su

gran confiabilidad y duración, aunque su precio es ligeramente mayor

que los otros tipos.

Módulos de silicio policristalino: son ligeramente más baratos que los

módulos de silicio monocristalino, aunque su eficiencia es menor.

Módulos de silicio amorfo: tienen menor eficiencia que los módulos de

silicio monocristalino de silicio policristalino, pero un precio mucho

menor. Además son delgados y ligeros, hechos en forma flexible, por lo

que se pueden instalar como parte integral de un techo o pared.

Figura 9. Módulos Fotovoltaicos.

Rendimiento y Dimensiones:

Las células fotovoltaicas cristalinas proporcionan un voltaje en circuito abierto

de 0,5 voltios aproximadamente, independientemente del tamaño que tengan.

La corriente eléctrica que producen es de unos 0,25 amperios (250

miliamperios) por cada pulgada cuadrada de célula. Las células de un panel se

Page 27: Luminaria Fotovoltaica

conectan en serie hasta obtener el voltaje deseado, pero al igual que las

baterías conectadas en serie, ese conexionado no aumenta su capacidad de

generar corriente. Por ejemplo, un panel con 36 células de cinco pulgadas

produciría unos 18 voltios capaces de producir una intensidad de corriente de 5

amperios, lo que significa una potencia de unos 90 vatios.

Figura 10. Rendimiento y Dimensiones de las células fotovoltaicas.

La capacidad energética nominal de los módulos fotovoltaicos se indica en

vatios-pico (Wp), lo cual indica la capacidad de generar electricidad en

condiciones óptimas de operación.

La capacidad real de un módulo fotovoltaico difiere considerablemente de su

capacidad nominal, debido a que bajo condiciones reales de operación la

cantidad de radiación que incide sobre las celdas es menor que bajo

condiciones óptimas. Por ejemplo, un módulo de 55 Wp es capaz de producir

55 W más o menos un 10 % de tolerancia cuando recibe una radiación solar de

1.000 vatios por metro cuadrado (W/m2) y sus celdas poseen una temperatura

de 25 ºC. En condiciones reales, este mismo módulo produciría una potencia

mucho menor que 55 W dependiendo del fabricante y de la temperatura de

trabajo, el cual puede oscilar entre 70-85%.

En el mercado, se pueden encontrar módulos fotovoltaicos de baja potencia,

desde 5 Wp; de potencia media, por ejemplo 55 Wp; y de alta potencia, hasta

Page 28: Luminaria Fotovoltaica

160 Wp. En aplicaciones de electrificación rural suelen utilizarse paneles

fotovoltaicos con capacidades comprendidas entre los 50 y 100 Wp.

La vida útil de un panel fotovoltaico puede llegar hasta 30 años, y los

fabricantes generalmente otorgan garantías de 20 o más años. El

mantenimiento del panel solamente consiste de una limpieza del vidrio para

prevenir que las celdas fotovoltaicas no puedan capturar la radiación solar.

La elección apropiada del tipo y capacidad del módulo fotovoltaico depende de

las características propias de la instalación fotovoltaica, tales como la radiación

solar existente y el consumo energético requerido.

2.5.2 Baterías

Debido a que la radiación solar es un recurso variable, en parte previsible (ciclo

día-noche), en parte imprevisible (nubes, tormentas); se necesitan equipos

apropiados para almacenar la energía eléctrica cuando existe radiación y para

utilizarla cuando se necesite. El almacenamiento de la energía eléctrica

producida por los módulos fotovoltaicos se hace a través de las baterías. Estas

baterías son construidas especialmente para sistemas fotovoltaicos.

Las baterías fotovoltaicas son un componente muy importante de todo el

sistema pues realizan tres funciones esenciales para el buen funcionamiento

de la instalación:

• Almacenan energía eléctrica en periodos de abundante radiación solar y/o

bajo consumo de energía eléctrica. Durante el día los módulos solares

producen más energía de la que realmente se consume en ese momento. Esta

energía que no se utiliza es almacenada en la batería.

• Proveen la energía eléctrica necesaria en periodos de baja o nula radiación

solar.

Normalmente en aplicaciones de electrificación rural, la energía eléctrica se

utiliza intensamente durante la noche para hacer funcionar tantas lámparas o

Page 29: Luminaria Fotovoltaica

bombillas como de televisores o radios, precisamente cuando la radiación solar

es nula. Estos aparatos pueden funcionar correctamente gracias a la energía

eléctrica que la batería ha almacenado durante el día.

• Proveen un suministro de energía eléctrica estable y adecuada para la

utilización de aparatos eléctricos. La batería provee energía eléctrica a un

voltaje relativamente constante y permite, además, operar aparatos eléctricos

que requieran de una corriente mayor que la que puede producir los paneles

(aún en los momentos de mayor radiación solar). Por ejemplo, durante el

encendido de un televisor o durante el arranque de una bomba o motor

eléctrico.

Características de las baterías

En su apariencia externa este tipo de baterías no difiere mucho de las

utilizadas en automóviles. Sin embargo, internamente las baterías para

aplicaciones fotovoltaicas están construidas especialmente para trabajar con

ciclos de carga/descarga lentos.

Las baterías para sistemas fotovoltaicos generalmente son de ciclo profundo,

lo cual significa que pueden descargar una cantidad significativa de la energía

cargada antes de que requieran recargarse. En comparación, las baterías de

automóviles están construidas especialmente para soportar descargas breves

pero superficiales durante el momento de arranque; en cambio, las baterías

fotovoltaicas están construidas especialmente para proveer durante muchas

horas corrientes eléctricas moderadas. Así, mientras una batería de automóvil

puede abastecer sin ningún problema 100 amperios durante 2 segundos, una

batería fotovoltaica de ciclo profundo puede abastecer 2 amperios durante 100

horas.

Page 30: Luminaria Fotovoltaica

Figura 11. Batería para sistemas fotovoltaicos.

Aunque el costo inicial es más bajo, no es recomendable utilizar baterías de

automóviles en sistemas fotovoltaicos dado que no han sido construidas para

estos fines. Las consecuencias más graves del empleo de batería de

automóviles son:

a) La vida útil de este tipo de baterías se acorta considerablemente,

b) los procesos de carga/descarga se hacen ineficientemente.

Así, el ahorro en costos que puede tener comprar baterías de automóviles (en

lugar de baterías fotovoltaicas) se pierde ante la necesidad de reemplazarlas

frecuentemente.

La capacidad de la batería se mide en “amperios-hora (Ah)”, una medida

comparativa de la capacidad de una batería para producir corriente. Dado que

la cantidad de energía que una batería puede entregar depende de la razón de

descarga de la misma, los Ah deben ser especificados para una tasa de

descarga en particular. La capacidad de las baterías fotovoltaicas en Ah se

especifica frecuentemente a una tasa de descarga de 100 horas (C-100).

La capacidad de la batería para un sistema fotovoltaico determinado se

establece dependiendo de cuanta energía se consume diariamente, de la

cantidad de días nublados que hay en la zona y de las características propias

de la batería por utilizar. Además, se recomienda usar, cuando sea posible,

una sola batería con la capacidad necesaria. El arreglo de dos o más baterías

en paralelo presenta dificultades de desbalance en los procesos de

Page 31: Luminaria Fotovoltaica

carga/descarga. Estos problemas ocasionan algunas veces la inversión de

polaridad de las placas y, por consiguiente, la pérdida de capacidad de todo el

conjunto de baterías. También se recomienda colocarlas en una habitación

bien ventilada y aislada de la humedad del suelo. Durante el proceso de carga

se produce gas hidrógeno en concentraciones no tóxicas, siempre y cuando el

local disponga de orificios de ventilación ubicados en la parte superior de la

habitación.

Después que las baterías hayan alcanzado su vida útil, deberán ser retiradas y

llevadas a centros de reciclaje autorizados (en el caso de algunos proveedores,

con la venta de la batería se responsabilizan también del retiro y reciclaje). Por

ningún motivo deben desecharse en campos abiertos o basureros, pues el

derrame de la solución de ácido sulfúrico que contienen ocasiona graves daños

al suelo, personas y animales. Finalmente, es importante mantener alejados a

los niños de las baterías para evitar cortocircuitos o accidentes.

Al igual a lo que sucede con los módulos fotovoltaicos, se recomienda la ayuda

de un conocedor del tema para que sugiera el tipo de batería que más

conviene a una instalación fotovoltaica particular. En términos generales, se

deben adquirir baterías fotovoltaicas de calidad, que cumplan las

especificaciones mínimas que se determinen para cada proyecto en particular.

Estas deben ser baterías especiales para sistemas fotovoltaicos.

Mantenimiento y vida útil:

Diferentes tipos y modelos de baterías requieren diferentes medidas de

mantenimiento. Algunas requieren la adición de agua destilada o electrolito,

mientras que otras, llamadas ‘baterías libre de mantenimiento’, no lo necesitan.

Generalmente, la vida útil de una batería de ciclo profundo es entre 3 y 5 años,

pero esto depende en buena medida del mantenimiento y de los ciclos de

carga/descarga a los que es sometida. La vida útil de una batería llega a su fin

cuando esta "muere súbitamente" debido a un cortocircuito entre placas o bien

Page 32: Luminaria Fotovoltaica

cuando ésta pierde su capacidad de almacenar energía debido a la pérdida de

material activo de las placas.

Las baterías para aplicaciones fotovoltaicas son elementos bastante sensibles

a la forma como se realizan los procesos de carga y descarga. Si se carga una

batería más de lo necesario, o si se descarga más de lo debido, ésta se daña.

Normalmente, procesos excesivos de carga o descarga tienen como

consecuencia que la vida útil de la batería se acorte considerablemente.

Debido a que el buen estado de la batería es fundamental para el

funcionamiento correcto de todo el sistema y a que el costo de la batería puede

representar hasta un 15-30 % del costo total, es necesario disponer de un

elemento adicional que proteja la batería de procesos inadecuados de carga y

descarga. Este elemento es conocido como regulador o controlador de carga.

2.5.3 El Regulador o Controlador de Carga

El control de carga cumple dos funciones: garantiza un régimen de carga

adecuado para las baterías, y evita la descarga de las mismas a través de los

paneles durante la noche, cuando el voltaje de salida es nulo. Su función es

análoga a la del sistema de carga de batería en un automotor. Si no se usare

un control el régimen de carga podría sobrecargar las baterías. Esta condición,

acorta la vida útil de las mismas. Muchos fabricantes de controles de carga

adicionan, en algunos modelos, funciones auxiliares dentro del producto. La

más común es la de monitoreo del proceso de carga. El fusible de baterías es

incorporado al sistema como un elemento de seguridad.

Page 33: Luminaria Fotovoltaica

Figura 12. Típico regulador de carga fotovoltaico.

Existen dos formas de trabajo para el Control de Carga (CdC): control en serie

y control en paralelo.

La Figura 13 y 14 ilustra cómo las dos versiones varían el valor de la corriente

de carga.

Control serie: En esta versión, la acción de control toma lugar en serie con

el circuito de carga, abriéndolo y cerrándolo intermitentemente,

dependiendo del voltaje de batería. Durante la noche, el circuito de carga

permanece abierto, evitando que las baterías se descarguen a través de

los mismos (diodo N-P polarizado para conducir por el voltaje de batería).

Figura 13. Control de carga serie.

Control paralelo: La acción de control en estos modelos actúa desviando,

en forma intermitente, la corriente de carga a una carga ficticia (dummy

load, en inglés) la que queda conectada en paralelo con el circuito de carga.

Como el circuito de carga no se abre, para evitar la descarga de las

baterías, se conecta un diodo de bloqueo del lado de batería. La presencia

del mismo crea pérdidas de potencia y reduce el valor máximo del voltaje

de carga. Esto hace que los controles paralelos sean menos eficientes que

la versión en serie, y por ello la mayoría de los controles ofrecidos a la

venta son del tipo serie.

Page 34: Luminaria Fotovoltaica

Figura 14. Control de carga paralelo.

Generalmente, el regulador de carga es uno de los elementos más confiables

de todo sistema fotovoltaico, siempre y cuando se dimensione e instale

correctamente.

2.5.4 El Inversor

Proveer adecuadamente energía eléctrica no sólo significa hacerlo en forma

eficiente y segura para la instalación y las personas; sino que, también significa

proveer energía en la cantidad, calidad y tipo que se necesita.

El tipo de la energía se refiere principalmente al comportamiento temporal de

los valores de voltaje y corriente con los que se suministra esa energía.

Algunos aparatos eléctricos, como lámparas, radios y televisores funcionan a

12 voltios (V) de corriente directa, y por lo tanto pueden ser energizados a

través de una batería cuyo voltaje se mantiene relativamente constante

alrededor de 12 V.

Por otra parte, hay lámparas, radios y televisores que necesitan 120 V o 110 V

de corriente alterna para funcionar. Estos aparatos eléctricos se pueden

adquirir en cualquier comercio pues 120 o 110 son los voltajes con los que

opera el 95% de los electrodomésticos en México conectados a la red pública

convencional.

Los módulos fotovoltaicos proveen corriente directa a 12 o 24 Voltios por lo que

se requiere de un componente adicional, el inversor, que transforme, a través

Page 35: Luminaria Fotovoltaica

de dispositivos electrónicos, la corriente directa a 12 V de la batería en

corriente alterna a 120 V.

Existe una amplia variedad de inversores para aplicaciones domésticas y usos

productivos en sitios aislados, tanto en calidad como en capacidad. Con ellos,

se pueden utilizar lámparas, radios, televisores pequeños, teléfonos celulares,

computadoras portátiles, y otros.

Finalmente, un sistema fotovoltaico incluye las cargas o aparatos eléctricos

que se van a utilizar y que consumen la corriente generada o almacenada. Los

ejemplos más comunes son lámparas, radios, televisores, teléfonos celulares

para uso doméstico, refrigeradores de vacunas, equipos profesionales de

radiocomunicación y; bombas y motores para usos productivos dependiendo

de la capacidad del sistema fotovoltaico.

La selección de estas cargas es tan importante como la del resto de equipos

fotovoltaicos; por ello, hay dos aspectos por considerar cuando se utilizan

aparatos que se energizarán a través de un sistema fotovoltaico:

a) El consumo diario de energía del conjunto de aparatos eléctricos no

debe sobrepasar la cantidad de energía diaria producida por el sistema

fotovoltaico. Es importante recordar que la disponibilidad diaria de

energía eléctrica de los sistemas fotovoltaicos es variable pues depende

de la radiación solar disponible, del estado de carga de la batería y de la

capacidad de los equipos fotovoltaicos instalados, especialmente de la

capacidad total de los módulos fotovoltaicos.

Por lo tanto, la energía disponible es limitada y hay que utilizar

racionalmente los aparatos.

Es recomendable hacer uso, en la medida de lo posible, de aparatos

modernos de bajo consumo energético y alta eficiencia. Por ejemplo, se

descarta el uso de bombillos incandescentes, planchas eléctricas y

hornos eléctricos.

Page 36: Luminaria Fotovoltaica

b) La necesidad de utilizar aparatos a 120 V determina la instalación o no

de un inversor: Es importante tener en cuenta el tipo de energía que

necesitan los aparatos eléctricos que se van a utilizar con el fin de

determinar si se necesita o no un inversor.

En la decisión hay que tomar en cuenta que el inversor implica un costo

adicional del sistema, y que en el mercado se ofrecen varios aparatos

electrodomésticos que funcionan a 12 Voltios, por ejemplo: radios de

vehículos, lámparas fluorescentes, etc.

Figura 15. Convertidor de corriente directa a corriente alterna.

La suma instantánea de las potencias individuales de cada uno de los aparatos

por emplear no debe ser mayor que la capacidad máxima en vatios (W) del

inversor. Se recomienda utilizar inversores construidos especialmente para

aplicaciones fotovoltaicas y sobredimensionar la capacidad de éstos en un 20-

30% para prevenir expansiones futuras en la instalación. Por ejemplo, si se

tiene un inversor de 300 W de potencia nominal es posible utilizar

simultáneamente un máximo de 20 lámparas de 15 W cada una, o emplear

simultáneamente un televisor de 75 W más 15 lámparas de 15 W, o cualquier

combinación de aparatos cuya suma de potencias instantáneas sea igual o

menor que 300 W.

La utilización de un inversor no imposibilita el uso de aparatos en corriente

continua (CC). Por lo tanto, una instalación fotovoltaica que disponga de un

inversor puede proveer energía tanto a cargas de CC como a cargas de

Page 37: Luminaria Fotovoltaica

corriente alterna (CA). Esto es, la conversión de energía solar a energía

eléctrica mediante celdas fotovoltaicas produce, en forma directa CC; así, de

esta sección podemos hacer una derivación para alimentar todos los equipos

que funcionaran con CC y sacar una segunda derivación al cual conectaremos

el inversor y de la misma alimentar todos los equipos que funcionaran en CA

como puede observarse en la figura 16.

Figura 16. Diagrama de un sistema fotovoltaico mixto (CC-AC).

2.6 Materiales Y Herramientas Para la Instalación de Iluminarias

Para la instalación de una iluminaria fotovoltaica es necesaria la utilización de

diferentes componentes, herramientas y materiales los cuales se muestran a

continuación.

2.6.1 Arrancador

Es un elemento electrónico o electromecánico capaz de producir por sí

mismo o en conjunto con el balasto un impulso de tensión de cierta duración y

repetición, necesario para iniciar la descarga eléctrica en las bombillas de

sodio de alta presión y halogenuros metálicos.

Page 38: Luminaria Fotovoltaica

Figura 17: Arrancador de un Sistema eléctrico

Las bombillas de alta intensidad de descarga poseen características de

resistencia negativa por lo tanto deben operar en forma conjunta con un

dispositivo limitador de corriente o balasto para mantener la corriente que

circula por la bombilla dentro de ciertos valores que garanticen su

funcionamiento adecuado y duradero.

Este elemento auxiliar cumple con las siguientes características para que la

lámpara opere en óptimas condiciones:

Proveer una tensión controlada para el arranque o precalentamiento de

los electrodos de la lámpara.

Suministrarla tensión y corriente controlada tanto para iniciar el arco

entre los electrodos de la lámpara como para su funcionamiento correcto.

Controlar y limitar los valores de tensión y corriente en sus

valores adecuados para conservar el buen funcionamiento de la lámpara.

2.6.2 Condensador

Es un dispositivo compuesto por dos materiales conductores llamados placas,

paralelos entre sí, separados por un material aislante, cuya propiedad,

fenómeno llamado capacitancia, es la de almacenar energía eléctrica después

de conectar las placas a una fuente de energía. Su función en el caso de las

luminarias, es mejorar el factor de potencia en balasto reactor y ayuda a

regular la potencia en balastos CWA (autotransformador de potencia

constante).

Page 39: Luminaria Fotovoltaica

Figura 18. Condensador Eléctrico

2.6.3 Balasto

Las bombillas de alta intensidad de descarga, se deben usar con un dispositivo

auxiliar llamado balastro, el cual cumple la función de generar el arco eléctrico

que requiere la bombilla durante el proceso de encendido y

mantenerlo posteriormente, limitando también la intensidad de corriente

que fluye por el circuito del tubo para que puedan funcionar correctamente.

Los balastos electromagnéticos más utilizados para bombillas de sodio de alta

presión y halogenuros metálicos son:

• Reactor serie o Reactor.

• Autotransformador de potencia constante (CWA).

Balasto reactor

Este tipo de balasto se compone esencialmente de una bobina de alambre,

devanadas sobre un núcleo de hierro laminado que conforma el circuito

magnético, su conexión es enserie con la bombilla y se adiciona un

condensador (tipo seco normalmente) a través de la línea, en paralelo con el

conjunto lámpara- balasto para corregir el factor de potencia del sistema, este

puede ser corregido a más del 90%. La función principal de este tipo de

balasto es limitar la corriente que alimenta a la lámpara.

Estos balastos son relativamente pequeños, livianos y de bajas perdidas, tiene

un factor de cresta bajo que hace que las bombillas prolonguen su vida útil.

La corriente de arranque es alta, proporcionando un calentamiento rápido a la

bombilla, la cual suministra el flujo luminoso normal en poco tiempo.

Balasto autorregulado CWA (autotransformador de potencia constante)

Page 40: Luminaria Fotovoltaica

Figura19. Balasto

Este tipo de balasto se compone de dos bobinas de alambre, devanadas sobre

dos ramales diferentes de un núcleo de hierro laminado que conforma el

circuito magnético, su conexión es en paralelo con la red y en serie con la

bombilla e incorpora un capacitor en serie con la inductancia, para lograr los

efectos de regulación de potencia requeridos.

El balasto CWA está formado por un autotransformador elevador de alta

resistencia de dispersión. Con un capacitor en serie con lámpara. El uso del

capacitor permite a la lámpara operar con mejor estabilidad frente a las

variaciones de la línea. La tensión a circuito abierto es la mínima necesaria

para encender la lámpara. El factor de potencia es 0,9. Sus

características de regulación son superiores a las del reactor, ya que una

fluctuación del 10% de voltaje origina una variación en la potencia de lámpara

del 15%. Este balasto admite una caída de tensión sin apagarse del 20 al 40%

manteniendo su potencia regulada.

Su función principal es limitar la corriente de arranque y de operación de la

bombilla, estableciendo los parámetros de funcionamiento de tensión y

potencia.

Page 41: Luminaria Fotovoltaica

Figura 20. Balasto CWA (autotransformador de potencia constante).

En el balasto autotransformador de potencia constante, el primario

está compuesto por una sola bobina que va conectada a la tensión de línea y

de una derivación de la bobina primaria va conectada a la bobina secundaria a

través de un condensador en serie estas dos últimas partes forman el circuito

regulador como se observa en la figura anterior. Parámetros eléctricos a

analizar en los balastos

Factor de potencia

El balasto reactor posee un factor de potencia bajo (aproximadamente de 0.5),

sólo contiene un inductor que se conecta en serie con la lámpara. El mismo se

emplea cuando la tensión de línea supera el valor de la tensión de encendido

de la lámpara, y dado que sus características de regulación son pobres, no se

recomienda para instalaciones con variaciones de tensión pronunciadas.

El balasto CWA (autotransformador de potencia constante) posee un alto factor

de potencia, consta de un inductor que se conecta en serie con la lámpara y un

capacitor en paralelo con la red, que no afecta la operación de la lámpara. En

consecuencia también se usa cuando la tensión de línea es mayor que el valor

de la tensión de encendido, y posee gran capacidad de regulación.

Potencias

En los balastos para bombillas de sodio y metal halide, también deben

analizarse las diferentes potencias:

• Potencia de entrada.

Page 42: Luminaria Fotovoltaica

• Potencia útil.

• Perdidas de potencia.

Cada bombilla sea para luz de sodio o metal halide viene diseñada para una

potencia determinada en vatios (W), y el balasto se debe diseñar de forma tal

que garantice una potencia útil a la bombilla de por lo menos el 92.5% de la

potencia nominal de esta cuando se tiene el voltaje nominal y así lograr un flujo

luminoso adecuado de dicha lámpara.

Lo anterior, se debe complementar garantizando unas pérdidas bajas de

potencia en el balasto, es decir, con una potencia de entrada adecuada, ya que

no se obtiene ningún beneficio cuando se entrega a la bombilla una buena

potencia útil, pero a costa de altas perdidas y de una potencia de entrada

elevada que se va traducir en el tiempo, en elevados costos por consumo de

energía.

Temperatura máxima de operación

Es la temperatura máxima a la que puede estar sometido el

arrollamiento, teniendo en cuenta su propio calentamiento como el de su

entorno, de tal forma que si no se supera dicha temperatura, la vida de la

reactancia, funcionando en condiciones normales, debería ser de un mínimo de

10 años (según la norma).

Factor de cresta

El factor de cresta es la relación que existe entre el valor pico y el valor eficaz

de la onda de corriente de la bombilla, es la característica del balasto más

estrechamente relacionada con la duración de la bombilla.

El factor de cresta en bombillas de alta intensidad de descarga como las

bombillas de sodio y metal halide, el valor permitido por las normas de

fabricación debe ser menor a 1.8

Page 43: Luminaria Fotovoltaica

De la correcta instalación de los diferentes tipos de balasto depende el buen

funcionamiento de la lámpara, para su buen funcionamiento se recomienda

seguir las instrucciones y el diagrama de conexiones que está en las

etiquetas del balasto, además se debe tener especial cuidado con los

siguientes aspectos:

• Temperatura ambiente

• Voltaje de alimentación

• Potencia de entrada.

• Potencia útil.

• Perdidas.

• Rendimiento.

• Conexión a tierra.

• Montaje mecánico del balasto.

• Factor de balasto.

• Factor de potencia.

• Distorsión armónica de corriente.

Clasificación de los balastos

Clasificación según su instalación

Los balastos se clasifican según su tipo de instalación, como se describe a

continuación.

a. Independientes: Aquellos que pueden ser instalados separados de la

luminaria. Para ello llevarán un tratamiento superficial especial para

soportar las condiciones de intemperie y un grado de protección adecuado al

lugar donde se instalen. Normalmente son balastos que van

encapsulados en resina dentro de una envolvente adecuada.

b. Integrados: Balasto destinado a ser instalado dentro de una luminaria o

recinto similar, no debe ser instalado fuera de la luminaria.

c. Incorporados: Es aquél que constituye un elemento no reemplazable de la

luminaria.

Page 44: Luminaria Fotovoltaica

Clasificación según su funcionamiento

Los balastos se clasifican según su funcionamiento en dos grupos, como

se describe a continuación.

a. Balasto electromagnético

Los balastos electromagnéticos están compuestos por un gran número de

bobinas de cobre sobre un núcleo de hierro laminado. Cuando por el

arrollamiento pasa una corriente, se crea una tensión opuesta a la causa que

la produce, la tensión de red. En las lámparas de descarga, para una tensión

fija, la corriente tiende a crecer indefinidamente y por lo tanto en el balasto

tenderá a crecer también la tensión opuesta a la de red, llegándose al final a un

equilibrio con la lámpara hasta que queda fija su tensión e intensidad

(estabilización). Este equilibrio se podrá romper con variaciones en la

excitación (tensión de red). Así, para cada tensión de red se necesita un

balasto diferente.

b. Balasto electrónico

Los balastos electrónicos tienen un principio de funcionamiento, en cuanto a su

labor de limitación de corriente, idéntico a los electromagnéticos. Al aumentar

mucho la frecuencia, para una cierta tensión en el balasto y una intensidad de

lámpara, la inductancia será mucho más pequeña y por lo tanto las

dimensiones de la reactancia y sus pérdidas también lo serán. Los balastos

electrónicos constan de un circuito que convierte la tensión de red en una señal

de alta frecuencia (alrededor de 40 kHz.) que se aplica a un balasto

electromagnético muy pequeño. Además incorporan circuitos para la

compensación de potencia y para el encendido de las lámparas HID (descarga

de alta intensidad). Los balastos electrónicos en comparación con los

electromagnéticos presentan ventajas como menores perdidas pueden

aumentar la vida útil de la lámpara, posee encendido instantáneo, alto factor de

potencia y filtros de entrada que limitan y mantienen el nivel de armónicos.

Page 45: Luminaria Fotovoltaica

Conexión de los de balastos

La conexión de los balastos varía dependiendo del tipo de balasto que se conecte al circuito como se muestra a continuación.

Balasto reactor

En la figura 21 se observar la conexión del balasto reactor, este va conectado

en serie con la bombilla, la tensión mínima a la cual debe ser conectado este

tipo de balasto debe ser aproximado a 1.5 o más veces la tensión nominal de

operación de la bombilla, se adiciona un capacitor en paralelo con el

conjunto balasto bombilla para corregir el factor de potencia.

Regulación de potencia

Los balastos para bombillas de sodio alta presión y halogenuros metálicos

deben cumplir los siguientes rangos de regulación de potencia:

• Los balastos tipo reactor deben garantizar que variaciones de tensión de

entrada entre ±5%, genere como máximo una variación de 12% en la

potencia nominal suministrada a la bombilla de sodio y máximo 15% para

lámparas de metal halide.

• Los balastos tipo CWA (autotransformador de potencia constante) deben

garantizar que variaciones de tensión de entrada entre ±10%, genere como

máximo una variación de 5% en la potencia nominal suministrada a la

bombilla.

• Los balastos tipo CWA (autotransformador de potencia constante) para

bombillas de sodio solo se podrán usar cuando las variaciones de tensión de la

red de alimentación superen los valores de operación para el balasto tipo

reactor la cual está definida en 5% de la tensión nominal.

Page 46: Luminaria Fotovoltaica

Figura 22. Conexión del balasto reactor

Balasto CWA (autotransformador de potencia constante).

En la figura se observa la conexión del balasto autotransformador de potencia

constante, Este tipo de balasto se compone de dos bobinas de alambre,

devanadas sobre dos ramales diferentes de un núcleo de hierro laminado que

conforma el circuito magnético, Su conexión es en paralelo con la red y en

serie con la bombilla, la tensión mínima para la cual se pueden usar este tipo

de balastos no está limitada por la tensión de operación de la bombilla,

incorpora un capacitor en serie con la inductancia, para lograr los efectos de

regulación requeridos.

Figura 23. Conexión Autotransformador de Potencia Constante

Los balasto tipo reactor y los balastos CWA (autotransformador de potencia

constante) poseen ventajas y desventajas en su funcionamiento como se

muestra en la siguiente tabla.

Page 47: Luminaria Fotovoltaica

Tipo Balasto Ventajas Desventajas

Reactor

Bajo costo

Liviano y pequeño

Bajas perdidas eléctricas

Bajo factor de potencia.Regulación (5% V / 12% W). Corriente de operación alta. Corriente de arranque mayor. Bajo grado de protección, no aísla la carga de la entrada.

CWA (Autotransformador

de potencia constante).

Regulación (10% V / 5% W) Alto factor de potencia (90%)Altos voltajes de arranque y reencendido (halogenuros metálicos) Corriente de operación baja Corriente de arranque menor

Alto costo inicial (160%). Altas pérdidas eléctricas(±20% Potencia nominal). Bajo grado de protección, noAísla la carga de la entrada. Condensador particular a Cada balasto (marca).

Tabla 5. Ventajas y desventajas de los tipos de balastos electromagnéticos

Diagrama de conexión del balasto

Al realizar la conexión del balasto se deben seguir las pautas que indica el

diagrama de conexión de cada tipo de balasto, todos los balastos traen

impreso su diagrama de conexión de tal forma que este no se borre fácilmente,

este diagrama indica la correcta conexión del balasto con los demás

componentes eléctricos de la luminaria. Como se muestra a continuación.

El diagrama de conexión del balasto es la guía principal para llevar a cabo la

correcta interconexión de los elementos auxiliares de las lámparas de

Page 48: Luminaria Fotovoltaica

descarga, ya que dicho diagrama contiene la información específica de

compatibilidad y conexión con los demás elementos auxiliares.

Diagrama de conexión del balasto

1. Marca o nombre de la empresa comercializadora.

2. Tipo de balasto.

3. Código de producto.

4. Grupo de bombillas para los cuales es apto el balasto.

5. Tensiones nominales de alimentación y frecuencia nominal de operación.

6. Tensión pico máxima soportada por el balasto y generada por el arrancador.

7. Referencia de arrancador compatible de acuerdo al tipo de bombilla.

8. Valor nominal del capacitor para corrección del factor de potencia.

9. Diagrama de conexión.

Como se puede observar el diagrama de conexión del balasto brinda

información sobre la conexión y compatibilidad del balasto con los demás

elementos eléctricos de la luminaria, seguir estas indicaciones es

indispensable para lograr la correcta conexión del balasto y con ello un óptimo

funcionamiento de la bombilla.

Figura 24. Diagrama de conexión del balasto

Page 49: Luminaria Fotovoltaica

2.6.4 Arrancador o Ignito

Las bombillas de sodio y metal necesitan tensiones de encendido muy

elevadas que no pueden suministrar los balastos reactores por si solos, para

esto es necesario un dispositivo adicional denominado arrancador que se

encarga de generar en asocio o no con el balasto un pulso de voltaje alto para

poder encender la bombilla. Cabe destacar que las bombillas de Metal Halide

de pulso bajo operando con balasto CWA (autotransformador de potencia

constante) no requieren arrancador. Se debe tener un especial cuidado

instalando el condensador especificado por el fabricante del balasto CWA

para obtener un funcionamiento correcto de dichas bombillas.

El arrancador debe ser un elemento que tenga las siguientes características

básicas para garantizar el funcionamiento correcto de las lámparas HID

(descarga de alta intensidad).

El impulso de alta tensión generado por el arrancador, ya sea por sí solo o en

conjunto con el balasto, debe tener la energía necesaria (Altura, Ancho,

Repetición) para garantizar un arranque rápido y confiable de la bombilla. La

altura del pulso en kV, nunca debe ser superior al límite máximo especificado

por el fabricante de la bombilla; esto con el fin de conservar la vida útil

estimada de los electrodos, debe garantizar la no aparición de impulsos

mientras la bombilla se encuentra en operación normal y el arrancador debe

soportar la condición de bombilla Abierta (ausencia de ella o tubo de arco roto

o desconectado) por largos periodos de tiempo. Bajo esta condición el

arrancador no se autodestruirá por sobrecalentamiento o disminuirá su

desempeño.

Tipos de arrancadores y conexión

El uso de los diferentes tipos de arrancadores está asociado con

las características del pulso requerido para encender los diferentes tipos de

bombillas de alta intensidad descarga, tipo de fabricación del balasto y la

Page 50: Luminaria Fotovoltaica

distancia que puede tener entre el sistema eléctrico de la luminaria y la

bombilla.

Los arrancadores según la forma de conexión con los demás elementos del

sistema eléctrico, se clasifican así:

Arrancador de superposición

Este tipo de arrancador produce el pulso de alta tensión por sí mismo; por lo

tanto no requiere de una derivación especial en el balasto para cumplir con su

función, Su conexión es en serie con la bombilla y debe hacerse lo más cerca

de ella, teniendo presente el no sobrepasar la corriente máxima que puede

manejar internamente el arrancador, la altura de su pulso va desde 1.8 kV

hasta 2.5 kV.

Figura 25. Conexión arrancador de superposición

Arrancador Paralelo

Este tipo de arrancador produce el pulso de alta tensión por sí solo; por lo

tanto, no requiere de una derivación especial en el balasto para cumplir su

función, su conexión es en paralelo con la bombilla y debe hacerse lo más

cerca de ella. La altura de su pulso va desde 0,60 kV hasta 0,75 kV.

Page 51: Luminaria Fotovoltaica

Figura 26. Conexión arrancador paralelo

Arrancador impulsador

Este tipo de arrancador produce el pulso de alta tensión en conjunto

con el balasto; por lo tanto, requiere de una derivación especial en él para

cumplir con su función. Su conexión es en semi-paralelo con la bombilla y

puede hacerse a una distancia de ella de hasta 25m aproximadamente;

dependiendo del tipo arrancador.

El balasto utilizado con este tipo de arrancador debe poseer un excelente

aislamiento; ya que los pulsos generados están presentes en su devanado.

Figura 27. Conexión arrancador impulsador

Arrancador Incorporado

Este tipo de arrancador va incorporado dentro de la bombilla; por lo tanto, no

requiere de una derivación especial en el balasto para cumplir con su función,

el arrancador incorporado es de construcción electromecánica. La altura de

su pulso va desde 10 kV hasta 60 kV.

Page 52: Luminaria Fotovoltaica

Figura 28. Arrancador Incorporado

Clasificación de los arrancadores según su tipo de encendido

Arrancadores de encendido en frío

Es el tipo de arrancador más generalizado en las instalaciones de alumbrado y

proporciona una tensión de pico inferior a 5 kV. Esta tensión es suficiente para

encender las lámparas partiendo del estado frío o bien tras un tiempo suficiente

(hasta 15 minutos según el tipo y potencia de lámpara) después de su apagado

de forma que disminuya su temperatura y, por consiguiente, la presión en el

tubo de descarga, lo cual posibilita el reencendido de las lámparas con las

tensiones suministradas por estos arrancadores.

Arrancadores de encendido en caliente

Son arrancadores capaces de encender la lámpara de descarga

independientemente de la temperatura a la que ésta se encuentre.

Este arrancador se caracteriza por suministrar tensiones de pico entre 12 y 65

kV. Su uso se restringe a casos muy especiales. Las lámparas,

portalámparas, cableados y demás equipos asociados deben estar previstos

para soportar los elevados picos de tensión de impulso.

Clasificación de los arrancadores según el sistema de instalación

Arrancadores no incorporados

Son arrancadores previstos para ser instalados separadamente o en el exterior

de la luminaria, sin ninguna cubierta adicional.

Page 53: Luminaria Fotovoltaica

Arrancadores incorporados

Son arrancadores diseñados exclusivamente para ser instalados dentro de

la luminaria, una caja o cubierta o similar.

Arrancadores integrados

Son arrancadores que constituyen una parte no reemplazable de la luminaria y

no puede ser ensayado separadamente de la misma. [6]

Diagrama de conexión de los arrancadores

En el diagrama de conexión que trae impreso cada arrancador se describen

los parámetros de funcionamiento de este, en el diagrama se especifican datos

importantes como el tipo bombilla compatible y como debe ser conectado con

los demás elementos eléctricos del circuito.

Al realizar la conexión del arrancador con los demás elementos auxiliares de la

bombilla HID (descarga de alta intensidad) se debe observar e interpretar el

diagrama de conexión del arrancador, en conjunto con el diagrama del balasto

y verificar su compatibilidad con los demás elementos auxiliares.

Diagrama de conexión del arrancador

Figura 29. Diagrama de conexión del arrancador

Page 54: Luminaria Fotovoltaica

1. Marca o nombre de la empresa comercializadora.

2. Tipo de arrancador.

3. Referencia o nombre.

4. Grupo de bombillas para las cuales es apto el arrancador.

5. Rango de tensión y frecuencia de operación.

6. Rango de tensión pico generada.

7. Carga capacitiva máxima.

8. Temperatura máxima soportada en forma continua.

9. Diagrama de conexión.

2.6.5 Condensador

El tipo de condensadores más frecuentes consiste en principio de dos placas

conductoras paralelas y separadas por una pequeña distancia. Todo el campo

del condensador está comprendido entre estas dos placas, y las cargas sobre

estas placas están distribuidas uniformemente sobre sus superficies opuestas.

Esta disposición se conoce como condensador de placas paralelas. La

capacitancia del condensador a utilizar, depende de la fuente de

iluminación y la potencia manejada por el respectivo balasto.

Los condensadores para corrección del Factor de Potencia en las luminarias

que utilizan lámparas de alta intensidad de descarga, pueden ser:

a) Tipo seco

Actualmente, considerando aspectos de protección del medio ambiente y

técnicos, se utilizan condensadores del tipo seco. Los tipo seco se fabrican con

una película de polipropileno biaxialmente orientado que actúa como

Page 55: Luminaria Fotovoltaica

dieléctrico, sobre la cual se adhiere una capa muy fina de metal, mediante el

proceso de evaporación en cámara de alto vacío.

La bobina es metalizada a fin de asegurar la conexión entre polos, y luego

encapsulada en envase y resinas plásticas, para garantizar un total aislamiento

de las condiciones ambientales que rodean al condensador, eliminando la

necesidad de aterrizaje y facilitando las labores de mantenimiento.

Una característica de estos condensadores es la auto-regeneración. El arco

eléctrico que se genera en un área hueca o débil del dieléctrico, hace que el

metal en ese punto se evapore, regenerando en esta forma la condición de

aislamiento inicial. Esto permite que el condensador mantenga una capacidad

constante durante su vida útil.

b) Condensadores en Aceite Dieléctrico

Como cualquier condensador se compone principalmente de placas

conductoras de electricidad (láminas metálicas delgadas) separadas por un

material dieléctrico, en este caso un fluido dieléctrico que puede o no contener

PCB´s. Sin embargo la tendencia y normatividad actual sugieren la no

utilización de productos cuyos componentes incluyan dentro de su estructura

los PCB´s.

c) Función de los condensadores en los circuitos de alumbrado

Los condensadores en circuitos con balasto reactor son utilizados

básicamente, para corregir el factor de potencia en las luminarias de

alumbrado exterior al 90%; en los balastos autorregulados el condensador

cumple una función estabilizadora, pues es utilizado para ajustar la impedancia

del circuito, debido a que la reactancia inductiva es menor que la capacitiva. [

d) Instalación de los condensadores

Sólo se debe instalar un condensador por balasto, o sea que de ninguna

manera, deben conectarse condensadores en paralelo, para conseguir la

Page 56: Luminaria Fotovoltaica

capacitancia especificada por el fabricante del balasto, debido a que el valor de

la tolerancia de su capacitancia puede ser mayor al permitido.

2.6.6 Foto control

Los foto controles son utilizados para la conexión y desconexión de las fuentes

de luz ya sea en forma individual o efectuando un control múltiple, mediante la

utilización de un contacto para el control individual el foto control será N.C

(normalmente cerrado) y para el control múltiple N.A (normalmente abierto), el

rango de tensión de operación en control múltiple debe ser de 105 V a 130 V

y en control individual entre 185 a 305 V o 105 a 305 V.

La vida útil de la foto control bajo condiciones normales de funcionamiento

debe sobrepasar las 3.600 operaciones, siendo cada operación el ciclo

completo conexión-desconexión en condiciones nominales de funcionamiento.

Las puntas de conexión deben ser conductores de cobre flexible calibre 12

AWG, longitud mínima de 90 cm, aislamiento parea 600 V, identificados por los

colores así:

Negro: Fase.

Blanco: Fase común con la carga o para el neutro.

Rojo: Carga.

La foto controles para sistemas de alumbrado con bombillas de alta intensidad

de descarga, se dividen de acuerdo a su modo de operación en cuatro grupos:

Foto control Térmico.

Foto control Electromagnético.

Foto control Electrónico.

Foto control Temporizado

Page 57: Luminaria Fotovoltaica

Figura 30. Sistema de Foto Control

Base para foto control

Las bases son usadas para insertar dispositivos fotoeléctricos que controlan en

forma automática los sistemas de iluminación, fabricadas en material auto

extinguible, cumpliendo las exigencias mecánicas y ambientales para asegurar

un efectivo funcionamiento del dispositivo instalado.

Figura 31. Soporte para Foto Control

2.6.7 Lámparas de descarga de alta Intensidad

Para obtener un diseño adecuado de la iluminación, es necesario conocer las

características de los diferentes tipos de lámparas HID (descarga de alta

intensidad) que se utilizan en el sistema de alumbrado con el fin de hacer una

selección adecuada y así obtener un mejor rendimiento el diseño de la

iluminación; las lámparas de descarga de alta intensidad más utilizadas en

Page 58: Luminaria Fotovoltaica

alumbrado exterior son las lámparas de halogenuros metálicos y sodio de alta

presión.

a) Lámpara de sodio

La lámpara de vapor de sodio es un tipo de lámpara de descarga de gas que

usa vapor de sodio para producir luz. Son una de las fuentes de iluminación

más eficientes, ya que generan gran cantidad de lúmenes por vatio. El color de

la luz que producen es amarilla brillante.

b) Vapor de sodio a alta presión (SAP)

La lámpara de vapor de sodio a alta presión es una de las más utilizadas en el

alumbrado público ya que tiene un alto rendimiento y la reproducción de

los

Colores se mejora considerablemente aunque no al nivel que pueda iluminar

anuncios espectaculares o algo que requiera excelente reproducción

cromática.

La lámpara de vapor de sodio a alta presión debido a que no posee electrodo

de arranque además de balasto necesita de un arrancador para generar el

pulso y así iniciar la descarga eléctrica, se usan principalmente para iluminar

vías públicas y escenarios deportivos.

Figura 32. Diagrama de Lámpara de Sodio

Page 59: Luminaria Fotovoltaica

Según el RETILAP las bombillas de descarga de vapor de sodio de alta presión

deben cumplir los siguientes requisitos:

La vida promedio de estas bombillas no podrá ser menor a 24000 horas.

Deben cumplir con el trapezoide funcionamiento de la bombilla, definido

en la norma técnica bajo la cual está certificada como la IEC o la NTC.

En el empaque debe informar los siguientes parámetros

1. potencia nominal.

2. flujo luminoso.

3. vida útil.

4. forma de bulbo.

5. acabado de bulbo.

c) Lámpara de metal halide

Son lámparas de descarga de alta presión, del grupo de las lámparas llamadas

HID (descarga de alta intensidad). Son generalmente de alta potencia y con

una buena reproducción de colores, además de la luz ultravioleta.

Originalmente fueron creadas en los años 1960 para el uso industrial de estas

pero hoy se suelen aplicar en la industria tanto como el hogar.

Las lámparas de haluro metálico requieren balastos para regular el flujo

continuo del arco y proporcionar el voltaje apropiado a la lámpara. Algunas

lámparas grandes contienen un electrodo especial de encendido para

generar el arco cuando la lámpara es encendida, generando un parpadeo

leve al momento del encendido. Las lámparas más pequeñas no requieren un

electrodo de encendido, y en lugar de este utilizan un circuito especial de

encendido, que se encuentra dentro del balasto, generando un pulso de alto

voltaje entre los electrodos de funcionamiento, tiene como característica

especial que funciona mejor en sitios abiertos.

Page 60: Luminaria Fotovoltaica

d) Componentes de una lámpara de metal halide

Figura 33. Partes de Lámpara de Sodio.

Según el RETILAP las bombillas de metal halide deben cumplir los siguientes

requisitos:

1. La vida promedio de esta lámpara no podrá ser menor a 12000 horas.

2. La eficacia no podrá ser menor a 72 lm/W.

3. En el empaque deberá especificar información con los

siguientes parámetros.

a. potencia nominal. b. tipo de casquillo.

c. forma del bulbo.

d. correlación de la temperatura del color.

e. acabado del bulbo.

f. flujo luminoso.

g. vida promedio

2.7 Herramientas para la instalación de Iluminaria Fotovoltaica.

En la realización de cualquier actividad de construcción, instalación,

mantenimiento, o remodelación es necesario contar con diferentes

instrumentos que nos apoyen en la realización de nuestras labores.

Page 61: Luminaria Fotovoltaica

Para llevar un orden lógico, empezaremos por indicar el proceso de trabajo y

las herramientas más utilizadas en cada uno de ellos.

2.7.1 Herramientas de Trazado De La Instalación

Es la operación de marcar sobre las paredes, techos o superficies el trayecto a

seguir por la instalación, con los emplazamientos oportunos de los materiales

que lo componen.

a) Cuerda tiralíneas

Sirve para el alineado y trazado de una forma fácil y sencilla indicar la

ubicación por la que va a ir alojada la canalización eléctrica.

Figura 34. Cuerda Tiralíneas

b) Flexómetro

Hay una gran gama y diversidad de marcas, aunque todas con indiferencia de

marca y calidad darán un resultado más o menos aceptable para su uso.

Principalmente es para medir longitudes, siendo estos de 2, 3 y 5m.

Figura 35. Flexómetro

Page 62: Luminaria Fotovoltaica

2.7.2 Herramientas para la Realización De Rozas

Es la operación de apertura de huecos sobre la pared o suelo, con el objeto de

alojar la canalización eléctrica, tubos, cajas, etc.

a) Cinceles o Cortafríos:

Útiles cortantes en forma de cuña y de acero duro. Está formado por cabeza,

cuerpo y filo.

b) Martillo, maza o maceta:

Herramienta de percusión de cierto peso, entre 0,5 y 2 kg. Es de acero y está

formado por cara o cabeza, ojo y peña, o cuña o bola.

Figura 37. Tipos de Martillos

Figura 35. Cincel Figura 36. Cortafríos

Page 63: Luminaria Fotovoltaica

2.7.3 Colocación De Tubos Y Cajas

Operación de sujeción de la canalización, que sirve para alojar los conductores

y posteriormente establecimiento del conexionado de los mismos.

a) Navaja de electricista:

Es más robusto que uno corriente de forma recta con filo a todo lo largo de la

hoja de acero. Está provisto de un mango de madera o plástico que va unido a

la hoja de acero. Se emplea para pelar cables e hilos, y también para raspar el

esmalte de los conductores para poder después empalmarlos o soldarlos.

Figura 38. Tipos de Navajas para Electricista

b) Sacabocados

Utilizados para hacer huecos en cajas de empalmes y derivaciones.

Figura 41. Sacabocados

2.7.4 Cableado

Es la operación más técnica de una instalación, se sigue un plano de

instalación.

Page 64: Luminaria Fotovoltaica

a) Guía pasa hilos

Están fabricadas tanto en nylon como en acero, o bien combinando ambos

materiales. Todas tienen gran flexibilidad para salvar los cambios de dirección

(curvas) de los tubos o canalizaciones. Todos los tipos de guías poseen una

punta redondeada de latón unida a un pequeño muelle que se une a la guía en

su cabecera. En la parte final llevan un ojete para enganchar los conductores.

Figura 42. Conductor Eléctrico

Se utiliza pasando inicialmente la guía por el interior del tubo y uniendo los

conductores al final de ésta. A continuación tiramos de la punta a la vez que se

va ayudando a los conductores por el otro extremo hasta pasarlos por todo el

tramo del tubo.

A veces nos encontramos con tramos de tubo que dificultan el paso de los

conductores, bien por la propia dificultad del tramo de tubo, bien por el alto

Figura 43. Guía pasa hilos.

Page 65: Luminaria Fotovoltaica

número de conductores. En estos casos, se fija en el ojete de la guía el

extremo desnudo de un conductor y se arrolla sobre sí mismo. Sobre éste se

van arrollando escalonadamente el resto de conductores desnudos formando

un cono de penetración. Tenemos que evitar que queden puntas de

conductores que puedan dañar el tubo o clavarse en él. El conjunto formado se

rodea con cinta aislante para darle mayor firmeza.

Cuando el tramo de tubo es corto o no tiene cambios de dirección, se puede

prescindir de la guía utilizando alguno de los métodos siguientes:

a) Doblándole la punta a los conductores e introduciéndolos todos a la vez

en el tubo.

Figura 44. Colocación de los cables

b) Encintando las puntas de los conductores unidos para que no se

agarren en el interior del tubo como se ve en la figura.

Figura 45. Colocación de los Cables Unidos

b) Alicates

Son herramientas que sirven para sujetar, doblar, cortar etc. Existen alicates

de diversas formas y tamaño, según su aplicación a lo que estén destinados.

Los más usados en la rama eléctrica para la realización del cableado son:

Page 66: Luminaria Fotovoltaica

c) Pinza universal

Son alicates que incorporan una boca múltiple para sujetar, doblar y cortar.

Son muy versátiles, ya que cubren una gran gama de utilidades.

Figura 46. Pinza Universal

d) Pinza de corte

Los podemos encontrar tanto de corte frontal como diagonal, y lo utilizamos

para cortar hilos, cables, alambres, etc. No es conveniente usar alicates

pequeños para conductores de mucha sección.

Figura 47. Pinzas de Corte

2.7.5 Colocación De Los Mecanismos Y Sus Conexiones.

Operación por la cual se produce la fijación de los elementos de corte,

protección, tomas de corriente y cualquier otro elemento de maniobra, a sus

correspondientes cajas. Además conectaremos los conductores entre sí y con

los mecanismos.

Page 67: Luminaria Fotovoltaica

a) Alicates:

Pinza pelacables: Destinado a quitar o retirar el aislamiento de los conductores

de una forma fácil sin deteriorar el conductor.

Figura 48. Pinzas Pelacables.

Pinzas de usos múltiples: Son alicates que nos sirven tanto para la realización

de terminales como de ayuda para la conexión a los aparatos eléctricos, así

como para curvar conductores, etc.

Figura 49. Pinzas de Usos Múltiples

Tijera de electricista: Se utilizan tanto para pelar como para cortar. Se

caracterizan por ser más cortas y de hojas más ancha que las de uso común

Además tienen las empuñaduras aisladas.

Page 68: Luminaria Fotovoltaica

Figura 50. Tijeras de Electricista

Destornilladores: Son herramientas destinadas a ajustar tornillos actuando

sobre las hendiduras realizadas sobre sus cabezas. Según a la hendidura a la

que se tenga que ajustar determinará el tipo de destornillador. Según esto,

tendremos:

Figura 51. Diferentes tipos de desarmadores,

Los destornilladores están constituidos por el mango, el vástago y la punta. El

mango se construye de material aislante, que sujeta el vástago y éste a su vez

la punta, normalmente de acero al cromo-vanadio. Para trabajos eléctricos, el

vástago se recubre de material aislante.

La punta es la parte del destornillador que caracteriza el tipo de tornillo que se

va a utilizar, de ahí que en el mercado podamos encontrar destornilladores con

punta plana, Phillips, Pozidrive, de seis ranuras, Allen, etc.

Un destornillador especial denominado buscapolos, si bien, no se utiliza tal

como destornillador, ya que, su resistencia mecánica no es suficiente para

actuar sobre los tornillos, aunque su forma sea igual que un destornillado, sino

Page 69: Luminaria Fotovoltaica

que se emplea para identificar la fase o polo activo. Si la lámpara interna del

buscapolos se ilumina, significa que el tornillo o el punto que se va a

comprobar corresponden al conductor de fase o polo activo.

Figura 52. Desarmador Buscapolos.

b) Soldador eléctrico:

Herramienta de electricista empleada para soldar, ayudándose del estaño,

todo tipo de empalmes, conexiones, etc.

Existen varios tipos de soldadores: pueden ser de calentamiento por inducción,

por resistencia, etc. El más empleado es el de calentamiento por medio de

resistencia, funcionando de la siguiente forma: se conecta el soldador a la red

generadora de tensión propia de la resistencia de calentamiento; esta

resistencia está enrollada sobre un material aislante y se encuentra dentro de

la varilla de cobre que se calienta. Para soldar se pone la varilla de cobre en

contacto con los elementos o partes metálicas que se desean soldar y con el

estaño, de tal forma que el estaño se derretirá y se propagará entre las dos

partes previamente calentadas. Después se aparta el soldador y, gracias a la

disminución de la temperatura, el estaño volverá a solidificar, aunque ahora

formará parte de un contacto eléctrico.

Figura 53. Herramientas para soldar.

Page 70: Luminaria Fotovoltaica

c) Cinta aislante:

Cinta adhesiva que se utiliza para aislar conexiones y empalmes. Se envuelve

con cinta aislante de PVC toda la zona de empalme, rebasándola inclusive por

ambos extremos, de forma que se cubra también parte del propio aislamiento

del conductor. Puede ser de material plástico, polivinilo, etc. Es flexible y tiene

una cierta resistencia mecánica.

Figura 54. Cinta Aislante

2.8 Aplicación de los Sistemas Fotovoltaicos

En general, los sistemas fotovoltaicos pueden tener las mismas aplicaciones

que cualquier sistema generador de electricidad. Sin embargo, las cantidades

de potencia y energía que se pueden obtener de un sistema fotovoltaico están

limitadas por la capacidad de generación y almacenamiento de los equipos

instalados, especialmente de los módulos y la batería respectivamente, y por la

disponibilidad del recurso solar. Técnicamente, un sistema fotovoltaico puede

producir tanta energía como se desee; sin embargo desde el punto de vista

económico, siempre existen limitaciones presupuestarias en cuanto a la

capacidad que se puede instalar.

Dependiendo de su aplicación y de la cantidad y tipo de energía producida, los

sistemas fotovoltaicos se pueden clasificar en las siguientes categorías:

• Sistemas y/o equipos portátiles. (Juguetes, adornos, alumbrado local,

lámparas, etc.)

Page 71: Luminaria Fotovoltaica

• Sistemas individuales de Corriente Directa (CD) para aplicaciones

domésticas.

• Sistemas individuales de Corriente Alterna (CA) para aplicaciones

domésticas.

• Sistemas aislados para usos productivos

• Sistemas centralizados aislados de la red.

• Sistemas centralizados conectados a la red.

A continuación se describirá brevemente las características más importantes

de estos sistemas.

2.8.1 Sistemas individuales de corriente directa (CD) para aplicaciones

domésticas.

La aplicación más frecuente y generalizada de la energía solar fotovoltaica es

la electrificación rural de viviendas a través de sistemas individuales CD. Estos

sistemas están compuestos, normalmente, por un panel fotovoltaico con una

capacidad menor que 100 Wp, un regulador de carga electrónico a 12 V, una o

dos baterías con una capacidad total menor que 150 A-h, 2 o 3 lámparas a 12

V y un tomacorriente para la utilización de aparatos eléctricos de bajo consumo

energético diseñados especialmente para trabajar a 12 V CD. Con esta

configuración se puede tener un consumo de carga diaria de una potencia de

P = 150 A-h x 12 V = 1.800 Wh.

Las características más sobresalientes de este tipo de sistemas son:

a) El voltaje nominal es 12 V de corriente directa:

Esto implica que solamente se pueden usar lámparas y aparatos que trabajen

a 12 V. Es importante mencionar que, aunque existe una gran variedad de

Page 72: Luminaria Fotovoltaica

lámparas y electrodomésticos que trabajan a 12 V, puede ser difícil adquirir

este tipo de aparatos en el comercio local, particularmente las lámparas.

Normalmente, es necesario contactar a distribuidores de equipos fotovoltaicos

para comprarlas y esto representa inconvenientes en tiempos de entrega

(pues se deben importar) y de costos más altos (pues son de fabricación

especial).

b) El costo comparativo de este tipo de sistema es más accesible para los

presupuestos familiares:

Esto debido a que se utiliza exclusivamente para satisfacer necesidades

básicas de electrificación (luz, radio y TV), los equipos son de baja capacidad;

debido a que el sistema trabaja a 12 V, no se necesita usar un inversor. Por

estas razones, el costo inicial del sistema es comparativamente menor y muy

atractivo para soluciones básicas de electrificación rural fotovoltaica.

2.8.2 Sistemas individuales de corriente alterna (CA) para aplicaciones

domésticas

Los sistemas individuales CA se pueden considerar como una ampliación de

los equipos y capacidades de un sistema individual CD. La diferencia

fundamental que existe entre ambos sistemas es que el primero dispone de un

inversor electrónico para transformar la tensión de 12 V de corriente directa a

120 V de corriente alterna. En cuanto al resto de componentes, ambos

sistemas son idénticos.

Los aparatos o cargas que con mayor frecuencia se utilizan con sistemas

CA son lámparas fluorescentes de alta eficiencia y bajo consumo, equipos de

audio (radios, grabadoras y equipos de alta fidelidad), teléfonos celulares,

equipos de vídeo (televisores y videograbadoras), computadoras y bombas de

agua.

Page 73: Luminaria Fotovoltaica

Los sistemas fotovoltaicos CA tienen mayor capacidad de producción de

energía (paneles fotovoltaicos de mayor capacidad) y mayor capacidad de

almacenamiento (batería de mayor capacidad) que los sistemas fotovoltaicos

CD. La experiencia dice que para necesidades de electrificación mínimas –

por ejemplo 2 lámparas, 1 radio y 1 TV (blanco y negro -B/N-) un sistema

fotovoltaico CD es la solución económica y técnicamente más adecuada y

accesible; sin embargo, si las necesidades de electrificación comprenden el

uso de más de 2 lámparas, radio-caseteras de mediana potencia, televisores a

color, bombas de agua u otro tipo de electrodoméstico, entonces, sería mejor

instalar un sistema fotovoltaico CA.

Las características más sobresalientes de este tipo de sistemas son:

• El sistema puede proveer energía tanto a 120 V de corriente alterna como a

12 V de corriente directa:

La consecuencia más importante de esto es que se pueden utilizar lámparas y

electrodomésticos a 120 V, los cuales son más comunes, más baratos y más

fáciles de adquirir que los aparatos a 12 V; o, se puede utilizar directa y

simultáneamente aparatos que naturalmente ya funcionan a 12 V, por ejemplo

radios para automóviles, televisores B/N portátiles, etc.

Esta flexibilidad en el uso de aparatos CA y CD es una de las cualidades más

importantes de los sistemas individuales CA.

• El costo del sistema es relativamente más alto:

Es lógico que al agregar un componente más (el inversor) al sistema básico

CD, los costos iniciales se incrementan. Sin embargo, es importante considerar

que el costo de las lámparas y de todos los equipos que funcionan a 120 V es

considerablemente menor que el de las lámparas y los equipos que funcionan

a 12 V. Por otra parte, actualmente es más fácil adquirir o reemplazar equipos

de 120 V en el comercio local que reemplazar equipo de 12 V.

Page 74: Luminaria Fotovoltaica

Por lo tanto, si bien existe un incremento de costos por el uso del inversor,

también existe un ahorro de tiempo y dinero.

2.8.3 Sistemas aislados para usos productivos

Además de la aplicación de electrificación de las viviendas rurales, se puede

aplicar la energía solar fotovoltaica para usos productivos y comerciales, sobre

todo en la agricultura. Ejemplos de este uso son:

• Bombeo de agua para irrigación y cercas eléctricas para ganadería:

Este permite aumentar la productividad del área cultivable y diversificar el

cultivo.

• Refrigeración de alimentos: Incrementa la calidad del producto y permite

mayores márgenes de tiempo entre cosecha y entrega en el mercado.

• Comunicación: Facilita la venta en mercados alejados y el acceso a

información de precios en el mercado.

• Iluminación: Permite el procesamiento de cultivos y productos en horas de la

noche y en áreas cubiertas.

La capacidad y configuración de un sistema para usos productivos depende de

la aplicación. Por ejemplo, los sistemas de bombeo de agua generalmente no

requieren de baterías, mientras que aplicaciones que exigen una disponibilidad

de energía continua, como la refrigeración, sí la necesitan.

2.8.4 Sistemas centralizados aislados de la red

Los sistemas fotovoltaicos son una opción válida para la electrificación rural

cuando:

• No existe la posibilidad técnica o económica de llevar la red eléctrica

convencional hasta cada una de las viviendas.

• Las familias demandan cantidades moderadas de energía.

Page 75: Luminaria Fotovoltaica

Si las viviendas por electrificar se encuentran ubicadas en forma dispersa, los

sistemas fotovoltaicos individuales son la mejor alternativa, sino la única,

debido a su autonomía y modularidad. Sin embargo, si las casas por electrificar

se encuentran ubicadas relativamente próximas entre sí, la opción más

apropiada puede ser un sistema fotovoltaico centralizado debido a que la

concentración de equipos y energía ofrece ventajas desde los puntos de vista

técnico y económico.

Los suplidores de equipos pueden dar orientación en decidir cuál tipo de

sistema es el más apropiado.

Un sistema centralizado es un sistema fotovoltaico capaz de satisfacer la

demanda energética de una comunidad con electricidad que se produce,

almacena y transforma en un sistema fotovoltaico central y que luego se

distribuye, a través de líneas eléctricas, hasta cada una de las viviendas.

Los sistemas centralizados tienen la misma estructura que un sistema

fotovoltaico individual con suministro CA. La diferencia fundamental radica en

que los sistemas centralizados son capaces de proveer energía en cantidades

y en calidades muy superiores que la energía producida por un sistema

fotovoltaico individual. Sin embargo, la característica fundamental de esto

sistemas es la concentración de equipos y la distribución de electricidad.

Las cargas que se utilizan son lámparas fluorescentes de alta eficiencia,

equipos de audio (radios, equipos de sonido de alta fidelidad), equipos de

video (televisores de color, salas comunales de cine), equipos de

computación, equipos de bombeo de agua potable, congeladores para

fábricas de hielo, lámparas para iluminación pública y otros.

Las características más sobresalientes de este tipo de sistemas son:

a) Mejor calidad en el suministro de energía eléctrica:

Page 76: Luminaria Fotovoltaica

Los sistemas centralizados proveen energía de gran calidad gracias a la

utilización de inversores de mayor calidad. Por lo tanto, los usuarios pueden

utilizar en sus hogares aparatos eléctricos o electrónicos que requieran un

suministro de energía estable y seguro.

b) Mayor robustez del sistema:

Los equipos utilizados en los sistemas centralizados son construidos

especialmente para resistir incrementos breves, pero intensos, de demanda de

energía eléctrica. Además, la utilización de cargas altamente inductivas (por

ejemplo, motores) no representa ningún problema. También, estos sistemas

poseen protecciones contra descargas atmosféricas, contra abuso de la

capacidad de los sistemas, alarmas contra sobrecarga, protecciones contra

cortocircuitos, etc.

c) Menor costo de la energía:

La cualidad más importante de los sistemas fotovoltaicos centralizados, e

interesante desde el punto de vista económico, es que permiten obtener

energía a un costo más bajo que el de aquella que se obtiene con sistemas

individuales. La disminución de los costos de producción de energía depende

de la cantidad de viviendas y de cuan dispersas se encuentren éstas. Cuanto

mayor sea el número de viviendas y menor la distancia entre ellas, menor será

el costo de la energía.

d) Menor impacto ambiental:

Otra ventaja de los sistemas centralizados es su bajo impacto ambiental. No

existe la posibilidad de la contaminación producida por el abandono de baterías

usadas con poca capacidad dado que la energía se acumula en un banco

central de baterías de larga vida útil.

Page 77: Luminaria Fotovoltaica

e) Distribución centralizada:

La desventaja más importante de los sistemas centralizados es la distribución

equitativa de la energía entre la comunidad. La distribución centralizada

requiere de la instalación de medidores de energía en cada vivienda. Esto

normalmente no se hace debido al considerable incremento de costos que

implica. Por lo tanto, siempre existirían problemas ocasionados por algunos

usuarios que abusan de la disponibilidad de energía del sistema y de la falta

de información que permita cobrar a cada familia, según su consumo

energético.

2.8.5 Sistemas centralizados conectados a la red

Los sistemas fotovoltaicos conectados a la red son una alternativa

prometedora en el futuro de las energías renovables. En estos sistemas, la

energía obtenida no se almacena sino que se provee directamente a la red

eléctrica comercial. Esto implica por una parte que el banco de baterías ya no

es necesario y, por otra, que se necesita de un equipo especial para adaptar la

energía producida por los paneles a la energía de la red. Este tipo de sistemas

provee energía eléctrica a núcleos urbanos que ya cuentan con una red de

distribución de energía.

Las aplicaciones inmediatas son la venta de energía eléctrica o la reducción

de la facturación mensual. Esta es una posibilidad muy interesante para

inversiones privadas en el sector de energía limpia.

El uso de esta tecnología es reciente, pero existen experiencias interesantes

en España y Alemania que permiten suponer un desarrollo rápido de estos

sistemas.

Parece ser que la tecnología ha alcanzado un nivel de madurez aceptable; sin

embargo, aún falta por hacer en cuanto a la legislación que permita la venta de

energía fotovoltaica de pequeños usuarios privados a empresas distribuidoras

de energía convencional.

Page 78: Luminaria Fotovoltaica

2.8.6 Aspectos Ambientales y Comparación Respecto a Plantas Diésel.

En muchos casos, se tiene que decidir entre una planta eléctrica diésel o un

sistema fotovoltaico para electrificar. Si se comparan ambas alternativas, es

posible obtener un panorama ilustrativo de los efectos positivos y negativos de

cada una de ellas, tanto desde el punto de vista económico, como desde el

punto de vista ambiental.

El costo inicial de una planta eléctrica de combustible es menor que el de un

sistema fotovoltaico de la misma capacidad. El tiempo de instalación de una

planta eléctrica de combustible es menor que el de un sistema fotovoltaico,

aunque para las dos alternativas el tiempo es corto y las dificultades de

transporte son básicamente las mismas. Además, a nivel local generalmente

existen varios distribuidores de plantas eléctricas de combustible.

El abastecimiento periódico de combustible para una planta eléctrica ubicada

en un lugar remoto es un problema grande. Las dificultades para transportar el

combustible son permanentes. El almacenamiento de combustible, cuando

existe, se hace en condiciones peligrosas para la seguridad de las personas y

bienes materiales. Los sistemas fotovoltaicos, en cambio, no requieren de

ningún suministro de combustible. Los costos, riesgos y peligros relacionados

con el uso de combustibles fósiles desaparecen.

Las plantas eléctricas producen ruido cuando operan. Inicialmente esta

contaminación sonora suele ser tolerada por el entusiasmo de disponer de

energía eléctrica; sin embargo, pronto ésta se hace intolerable, especialmente

para las personas de la tercera edad, enfermos y maestros de escuela. Los

sistemas fotovoltaicos no producen ningún sonido molesto cuando operan,

estos no poseen partes ni movimientos mecánicos, por lo que no ocasionan

ningún tipo de contaminación sonora.

Las plantas eléctricas producen humo cuando operan. Si la planta no ha

recibido el mantenimiento adecuado, la cantidad de humo producido es

Page 79: Luminaria Fotovoltaica

considerable y dañina para las personas próximas a ésta. Los sistemas

fotovoltaicos no producen humo; sin embargo, durante el proceso de carga las

baterías liberan al ambiente hidrógeno en cantidades moderadas. La

producción de hidrógeno no es un problema si las baterías se encuentran en

una habitación ventilada; en caso contrario, se puede producir una explosión

debido a la concentración alta de este gas.

El derrame de la solución de ácido sulfúrico de las baterías representa un

peligro para la piel de las personas y para el suelo. En la mayoría de los casos,

esta contaminación se produce cuando se abandonan, irresponsablemente a la

intemperie, baterías que han cumplido su vida útil. Esta práctica es bastante

frecuente en el área rural debido a la falta de programas de educación

ambiental y a la falta de recursos para el retiro ecológicamente controlado de

las baterías inservibles.

Se puede decir que los sistemas fotovoltaicos poseen impactos ambientales

menores que las plantas eléctricas a base de combustibles fósiles. Ellos son

una solución amigable con la naturaleza. Sin embargo, el mal uso y manejo de

esta tecnología sí puede tener efectos dañinos al medio ambiente. Se sugieren

algunas recomendaciones que se deben atender para evitar esto:

• Los sistemas fotovoltaicos deben ser instalados correctamente para evitar su

fallo prematuro, de lo contrario ocasionará el abandono de los equipos y su

posible deterioro. No tiene sentido invertir en equipo de alta tecnología si éste

no será utilizado durante muchos años.

• Debe existir un programa eficaz de retiro y reciclaje de baterías: las baterías

fotovoltaicas abandonadas a la intemperie, después de cumplir su vida útil,

ocasionarán contaminación; por lo que es necesario elaborar un programa para

el desecho de las mismas.

• Las baterías deben estar instaladas en una habitación especialmente

destinada a este propósito: sistemas fotovoltaicos con baterías instaladas en

Page 80: Luminaria Fotovoltaica

habitaciones utilizadas por personas podrían ocasionar riesgos a la salud y a la

seguridad de las personas si no están instaladas en forma segura.

2.8.7 Barreras Para La Implementación de Sistemas Fotovoltaicos

A pesar de las buenas características y oportunidades, existen varias barreras

que impiden la mayor aplicación de sistemas fotovoltaicos. A continuación se

mencionan las más importantes:

Falta de coordinación regional y local de esfuerzos: En todos los países

subdesarrollados surgen iniciativas y proyectos cuyo éxito podría garantizarse

si se conocieran las experiencias y los resultados de iniciativas y proyectos

similares ya desarrollados por otras regiones. En buena medida, en todos los

países se afronta el mismo tipo de problemas y se formulan el mismo tipo de

proyectos; sin embargo, casi siempre, se comienza desde el principio, pues la

información ya existente no se analiza ni comparte con el resto de colegas

interesados en el tema.

• Falta de programas de financiamiento para la realización de proyectos de

electrificación fotovoltaica de gran cobertura: Muchos de los proyectos que se

realizan se originan de iniciativas privadas o de donaciones extranjeras y,

generalmente, no tienen un impacto significativo debido a que tienen una

cobertura energética muy reducida. En los sistemas financieros

convencionales, existen los créditos para adquirir una casa, un automóvil,

electrodomésticos, vacaciones, etc. y son relativamente fáciles de obtener; sin

embargo, el crédito para la adquisición de un sistema fotovoltaico no está

disponible para la mayoría de los usuarios que realmente necesitan de esa

ayuda para resolver sus problemas de electrificación. En cuanto al ámbito

familiar, está claro que la inversión inicial que requiere la instalación de un

sistema fotovoltaico no la puede pagar la mayoría de las familias; sin embargo,

si existe en ellas capacidad de pago a créditos a largo plazo con tasas

normales de interés. En el fondo, no se trata de un problema de falta de

capacidad de pago, sino de una ausencia de programas adecuados de

financiamiento a largo plazo destinado a un grupo de usuarios de bajo ingreso.

Page 81: Luminaria Fotovoltaica

• Falta personal capacitado: la cantidad de personas con la capacidad de

diseñar e instalar sistemas fotovoltaicos es todavía limitado, y especialmente en

las zonas rurales.

• Falta de competencia sana entre proveedores de equipos y tendencia a

vender e instalar equipos de mala calidad: El deseo de reducir los precios y de

vender más, ha llevado a algunas empresas privadas, tanto a vender equipos

de baja calidad como a utilizar mano de obra no calificada para la instalación.

Este tipo de prácticas pone en peligro la implementación exitosa de esta

tecnología y crea falsas expectativas con respecto de la confiabilidad y duración

de los sistemas fotovoltaicos.

Vida útil de los principales equipos

Hay diferentes acumuladores o baterías estacionarias con diferentes placas y

electrolitos:

Años de vida útil promedio de los acumuladores o baterías

que depende del modelo y marca:

Bajo mantenimiento abierto con orificios. 5 a 6 años.

Libre de mantenimiento con válvula. 4 a 5 años

Libre de mantenimiento con gel. 10 a 30 años

Tabla 4. Vida útil de las baterías.

2.8.7.1 Vida útil de los paneles solares:

Hay diferentes paneles solares con diferentes materiales de células y calidades.

La vida útil de las mejores marcas es entre 25 y 30 años. Se debe revisar las

especificaciones de cada marca y modelo.

Page 82: Luminaria Fotovoltaica

A continuación se presenta información técnica relativa a los sistemas

fotovoltaicos más utilizados.

Tipo de sistema Capacidad Usos Típicos

Individual CD 50-100 W

*Iluminación Interna

*Radio

*Televisor

Individual CA 75-500 W

*Iluminación Interna y Externa.

*Equipo de Sonido.

*Equipo de Video.

*Bombas de A gua.

* Teléfonos celulares.

Centralizados

Aislados

0,3 -10 kW

*Iluminación Interna y Externa.

*Equipo de Sonido.

*Equipo de Video.

*Bombas de A gua.

* Teléfonos celulares.

*Máquinas y Herramientas

*Equipos de refrigeración

Centralizados

A aislados a Red

10 kW - 1 MW*Venta de Energía a la Red

Comercial.

Page 83: Luminaria Fotovoltaica

Tabla 2. Sistemas fotovoltaicos más utilizados

Page 84: Luminaria Fotovoltaica

2.9 Normativa Aplicada Para La Instalación De una Iluminaria

Fotovoltaica.

2.9.1 Normatividad

Hay normas mexicanas para la realización de instalaciones eléctricas en

viviendas y edificios públicos. Para el caso de instalaciones de arreglos

fotovoltaicos, la Comisión Federal de Electricidad (CFE) tiene reglamentos

relativos para su instalación, protección y mantenimiento.

Para una instalación eléctrica de vivienda general, se debe de atender la

Norma oficial mexicana NOM-001-SEDE 2005 Instalaciones eléctricas

(utilización). Además la CFE recomienda las siguientes normas para el caso

de instalaciones fotovoltaicas: Sistema de energía fotovoltaica y el Código

Eléctrico Nacional (NEC). Finalmente para cuestiones legales en México con

respecto a la Energía, se analiza las dos leyes:

La ley para el aprovechamiento sustentable de la energía y Ley para el

aprovechamiento de energías renovables y el financiamiento de la transición

energética. Las otras normas que se revisaron y analizaron son:

Instalaciones eléctricas NOM 001-SEDE 2012:

Eficiencia energética para sistemas de alumbrado en vialidades y

áreas exteriores públicas NOM 013-ENER 2005

Eficiencia energética de lámparas para uso general. Límites y

métodos de prueba NOM-028-ENER 2010

Mantenimiento de las instalaciones eléctricas en los centros de

trabajo- condiciones de seguridad NOM-029 –STPS- 2011

NOM-008-SCFI-2002, Sistema general de unidades de medida.

Page 85: Luminaria Fotovoltaica

NMX-J-618/1-ANCE-2010, Evaluación de la seguridad en Módulos

Fotovoltaicos (FV) – PARTE 1: Requisitos generales para Construcción

NMX-J-643-ANCE-2011, Dispositivos fotovoltaicos –Parte 1: Medición dela

característica corriente-y tensión de los dispositivos fotovoltaicos. CFE

G0100-04, “Interconexión a la red eléctrica de baja tensión de sistemas

fotovoltaicos con capacidad hasta 30 kW

El cableado debe realizarse de acuerdo a lo especificado en la Norma

Internacional IEC 60364-4-41, IEC 60364-7-712 y cumplir con lo requerido

en el Art. 690 y 705 de la Norma NOM 001-SEDE 2012 dentro del cual se

destaca lo siguiente:

El cable debe ser de cobre, Clase B, certificado para 600V o superior, con

aislante a 90°C  y contar con certificación NOM-063-SCFI vigente.

Todo cable expuesto a la intemperie, además de satisfacer la Norma NOM-

063-SCFI, debe estar certificado para ser expuesto a la radiación solar (del

tipo USE, UF, TWD-UV, o equivalente)

Satisfacer los requerimientos de la especificación CFE G0 100-04 de

acuerdo a la sección 6, los requerimientos de la Norma IEC 62109 Parte. 1

y Parte. 2 y los requerimientos eléctricos de la Norma IEC 62116:2008 Ed

1.; o alternativamente estar certificados por UL bajo la Norma UL 1741

basada en la norma IEEE1547.

NOM-017-STPS-2008, Equipo de protección personal - Selección, uso y

manejo en los centros de trabajo.

NOM-025-STPS-2008, Condiciones de iluminación en los centros de

trabajo.

NOM-004-STPS-1999, Sistemas de protección y dispositivos de seguridad

en la maquinaria y equipo que se utilice en los centros de trabajo.

Page 86: Luminaria Fotovoltaica

NOM-022-STPS-2008, Electricidad estática en los centros de trabajo-

Condiciones de seguridad.

NOM-027-STPS-2008, Actividades de soldadura y corte .Condiciones de

seguridad e higiene.

NOM-029-STPS-2011, Mantenimiento de las instalaciones eléctricas en los

centros de trabajo-Condiciones de seguridad.

NOM-031-STPS-2011, Construcción-Condiciones de seguridad y salud en

el trabajo.