Tecnologías Limpias y

Energías Alternativas

CAPITULO II: ENERGIA SOLAR

Gestión II/2022
2.1 Introducción
Es una estrella de las 1011 que se supone pueden existir en
nuestra galaxia (Vía Láctea).
Radio = 50.000 años-luz

Espesor = 7.000 años-luz

Distancia = 28.000 años-luz

Velocidad de modulo = 225 km/s

Tiempo que tarda en completar una orbita = 234

Su composición es 75% de Hidrogeno, un 24% de Helio y trazas

de todos los elementos conocidos.
2.2 Sistemas Fotovoltaicos - SFV
Son tecnologías que permiten la conversión directa de energía de
la radiación solar en energía eléctrica a través de dispositivos.

o Siglo XIX (1873), el británico Willougby Smith vio que el

Selenio era sensible a la luz, con capacidad de conducción de
electricidad.
o En 1880, Charles Fritts desarrollo la primera celda eléctrica.
o En 1954 la empresa Bell Telephine Systems desarrollo una
celda de Silicio con eficiencia del 6%.
o En 1960, la NASA instaló el primer satélite artificial de los
EEUU con 108 celdas.
o Al 2030 se espera que los SFV sea la tecnología mas
comercial.
2.2.1 Ventajas y desventajas

Ventajas Desventajas

• Los SFVs son confiables para • El costo inicial de instalación es todavía alto.
uso en distintas condiciones. • Las instalaciones requieren de personal calificado y
• Tienen un tiempo de vita útil, capacitado. El mal dimensionamiento del sistema,
superior a 20 años. por ejemplo, un banco de baterías demasiado
• Se evita el uso de combustibles. pequeño o demasiado grande para un arreglo
• Reducen la contaminación fotovoltaico puede provocar el desuso del sistema
sonora, pues operan de manera a corto plazo.
silenciosa. • En sistemas que utilizan baterías, el
• Los módulos pueden ser mantenimiento de las mismas constituye un
añadidos gradualmente para problema, sobre todo en lugares alejados.
incrementar la energía • La eliminación de los componentes de los sistemas
disponible. fotovoltaicos provoca un peligro ambiental
moderado. La mayoría de sus componentes
pueden ser reciclados, excepto los
semiconductores.
2.2.2 ¿Qué es un SFV?
Es un conjunto de componentes que aprovechan la luz solar y la
convierten en energía eléctrica para su almacenamiento y
posterior distribución.

Características y cantidad de
paneles fotovoltaicos instalados.

Orientación

Inclinación

Radiación solar

Calidad de la instalación
2.2.3 Componentes de un SFV
Está compuesto por: un panel o módulo fotovoltaico, un
regulador de carga, batería, inversor e instalaciones eléctricas
internas.
a) Panel o modulo fotovoltaico
Responsable de transformar la luz solar en electricidad. Tiene la
siguiente estructura.
Tipos de paneles.
b) Regulador o controlador
Es responsable de controlar el voltaje y la corriente de carga que
viene del panel a la batería, protegiendo de sobrecargas y
descargas profundas. Algunos tiene LED, pantallas y sonidos.
 LED ESTADO SIGNIFICADO

INF (Información Encendido color verde Operación normal.

del sistema) Parpadea color rojo Falla en el sistema.
Batería Parpadea lentamente Batería con bajo voltaje, se
ROJO Parpadea rápidamente cortará el consumo.
Protección activada contra
descarga profunda, el
consumo está desconectado.

Batería Encendido Batería baja, el consumo sigue

AMARILLO Parpadea lentamente conectado.
Batería cargándose, el
consumo sigue desconectado.

Batería Encendido Batería en buen estado.

VERDE Parpadea lentamente Batería cargada.
c) Baterías o acumuladores
En el dia almacenan energía eléctrica generada por panel para ser
usada en la noche. Son de plomo-ácido y de ciclo profundo,
tienen capas de plomo gruesas que prolongan su vida útil. No se
recomienda usar baterías de uso automotriz
d) Inversor
Convierte la Corriente Continua (CC) que de la batería a
Corriente Alterna (CA) par su uso final, es decir 12 Voltios CC a
220 Voltios, para conectar equipos en CC: Televisores, radios,
cargadores de celular, focos ahorradores.
e) Instalaciones eléctricas
Corriente Continua (CC), compuesto por el panel fotovoltaico,
regulador, batería, cables, puntos de luz y equipos en CC.
Corriente Alterna (CA), compuesto por el panel fotovoltaico,
regulador, batería, inversor de voltaje, puntos de luz y equipos en
CA.
2.2.4 Dimensionamiento de instalaciones fotovoltaicas
aisladas
Podemos distinguir dos tipos:
• Instalaciones que usan solamente energía solar.
• Aquellas que usan además u equipo auxiliar de energía
eléctrica (instalaciones híbridos)

Paneles Paneles Control Receptores

Grupo electrógeno
Bateria
 Para el calculo de SFVs existen varios métodos de mayor o
menor precisión:
• Método Simplificado, se basa en el número de horas sol.
Se conoce como horas sol u horas pico.

1 hora pico = 1000 Wh/m2

Si Irradiación medida es 5.800 Wh/m2/día =5,8 horas pico

• Método de Simulación, en base a capacidad de baterías y

paneles.
En ambos métodos:

• Conocer la Demanda Energética Existente.

• Considerar pérdidas en la batería cuyo rendimiento es 80% y rendimiento en
inversores del 90%.
• Perdidas en los conductores.
• En el calculo de la Demanda Energética Total, se dividirá la Demanda de los
receptores por un rendimiento energético de la instalación eléctrica 𝝶e , cuyo valor
promedio es 0,85.
a) Método Simplificado, identifica el balance energético en
relación al periodo mas desfavorable y se determina el área
de superficie para la inclinación que la hace mínima:
1)Se establece la Oferta [H ], es decir la radiación diaria media mensual
(kWh/m2 día) del elemento Hjk al mes k y a una inclinación j.
2)Establecer la matriz (vector) de Demanda [D ], donde Dk es la
demanda diaria de cada mes en kWh/día.
3)Determinar la matriz de área de captación teórica [A ], considerar
rendimiento igual a 1, donde Ajk es el área teórica necesaria para el mes
k e inclinación j. Ajk = Dk / Hjk
4)El mayor valor de cada fila A afectado por el rendimiento de la
conversión, será el área crítica necesaria para cada inclinación j.
5)La superficie mínima (Tabla), se obtiene a partir de identificar la
Inclinación óptima (10°) y el periodo crítico (Ej. Junio).
6)Luego de determinar la inclinación optima y periodo crítico, se
dimensiona el generador fotovoltaico.
Generador Fotovoltaico.
Numero de paneles en paralelo (npp)

Numero de paneles en serie (nps)

Consideraciones:
• La potencia de los paneles en condiciones de campo, suele
encontrarse entre 5 a 20% por debajo de la indicada por el
fabricante.
• Por tanto es necesario considerar la Potencia del Panel Pm = 80%
de la potencia pico.
Pm = Ppico * 0,8

Autonomía y Ciclado
• Las instalaciones se diseñan para que tengan un número de días de
autonomía.
• Para calcular la acumulación necesaria se establece el vector
Numero de Días de Autonomía, Nau, donde Nauk es el valor para el
mes k, que normalmente comprende entre 7 a 15 días para meses
de menor insolación, y es menor para meses mas soleados.
• La acumulación necesaria en kWh, Au, será el máximo valor
calculando para los distintos meses, mediante:
Au = max [Nauk * Dk] (kWh)
Ciclado, es la carga y descarga que tiene una batería durante el día y la
noche.
Profundidad de descarga, es el porcentaje de la capacidad total de la
batería que se usa durante un ciclo de carga o un ciclo descarga.
Ejercicio. 1) Se requiere electrificar una casa con SFVs en una zona
aislada y alejada de la red, cuya demanda de energía se muestra en la
Tabla. La vivienda se usa durante todo el año, aunque el refrigerador
solo se usara en meses de junio, julio y agosto, en los cuales se usara 5
horas de funcionamiento del compresor que se conecta de forma
intermitente y en función del uso que se le dé al refrigerador que es
moderado.

Receptor Potencia (W) Horas de uso Consumo

(kWh/día)
Luz de cocina 18 3 0,054
Luz de salón 20 4 0,080
0,175
Luz de baño 12 1 0,012
Luz de dormitorio 12 0,5 0,006
Luz de pasillos 20 0,25 0,005
TV 6 3 0,018
Refrigerador 85 5 0,425
TOTAL 0,600
a) Determinar el numero de paneles necesarios y la inclinación de los
mismos sabiendo que la potencia pico del modulo es de 55 Wp y
que proporciona como media el 80% de su potencia máxima. La
tensión de instalación será 12 V.
b) La capacidad de acumulación necesaria para disponer de
autonomía el numero de días que para cada mes, se indican a
continuación.

Nau 1…..12 =

SOLUCIÓN:
a) Numero de paneles
La oferta diaria de radiación solar sobre plano inclinado se puede
obtener a partir de los valores de radiación sobre plano horizontal y los
resultados en kJ/(m2dia) de la tabla mas adelante:
La demanda diaria, considerando un 15% de pérdida, será para los
meses de Junio, Julio y Agosto, entonces se considera:
Jun, Jul y Ago = 0,600/0,85 = 0,706 kWh
Resto de meses = 0,175/0,85 = 0,206 kWh

Por tanto el Vector de Demanda resulta:

D(1,12) = Enero 0,206 Febrero 0,206 Marzo 0,206 0,206 0,206
Junio 0,706 Julio 0,706 Agosto 0,706 0,206 0,206 0,206 Diciembre
0,206

Posteriormente con ayuda de la Tabla, determinados el periodo crítico

que es Junio y tambien la inclinación que resulta 10°
 Utilizamos este valor en el
calculo de la Oferta en kJ/m2día
a.1 El numero de horas equivalentes al periodo crítico:
H = Oferta 1kWh = 1000 W x 3600 seg = 36 x 10 5 J = 3,6 MJ
H = 23566 (kJ/m2dia))/3600 (kJ/kWh)
H = 6,546 kWh/(m2dia)

Nh = numero de horas sol

Nh = H (kW/(m2dia)) x n° días (días)/ 1 (kW/m2)
Nh = 6,546 (kW/(m2dia)) x 30 días/1 (kW/m2)
Nh = 196,38 h

a.2 La Potencia a instalar P:

P = Demanda total del intervalo / Nh
P = 0,706 kWh x 30 días / 196,38 h
P = 0,108 kW
a.3 Numero de paneles en serie:
Siendo que la tensión es de 12 V igual que la tensión nominal de los
paneles, no hay que asociar paneles en serie.
nps = 1
a.4 Numero total de paneles np
np = npp x 1
Previamente
Potencia Pico = 55 Wp x (1 kW / 1000 W) = 0,055
Media de la Potencia Máxima = 80/100 = 0,8
np = 0,108 kW / (0,055 x 0,8)
np = 2,45 paneles entonces 3 paneles
b) Capacidad de acumulación
La capacidad de las baterías se determina a partir del vector de numero de
días de autonomía. Donde se denota que los meses más críticos son en
invierno, específicamente noviembre, diciembre y enero OJO.
b.1 Numero de días de Autonomía de las instalación
Au = 14 días x 0,206 kWh
Au = 2,884 kWh
b.2 La capacidad mínima de la batería para suplir la energía durante esos
periodos, considerando una profundidad de descarga del 70 %, será:
CB100 = Au / PD100
CB100 = 2,884 kWh / 0,7
CB100 = 4,12 kWh

Lo que supone, para baterías de 12 V, una capacidad en amperios hora de:

CB100 Ah = Capacidad mínima de la batería / tensión de instalación
Capacidad mínima batería = 4,12 kWh x (1000 W/1 kWh)
= 4120 Wh
CB100 = 4120 Wh / 12 V
CB100 = 343,3 Ah
 *

7
2.3 Sistemas de Bombeo Fotovoltaico
2.3.1 Características
Es una tecnología alternativa de acceso de agua para las
comunidades.
o El sistema de bombeo solar utiliza paneles fotovoltaicos para
transformar la luz solar en energía eléctrica, no requiere de
baterías para almacenar la energía puesto que el
almacenamiento se realiza de forma potencial en tanques
elevados de agua.
o Esta tecnología, de fácil instalación, puede utilizarse para la
provisión de agua para consumo humano, consumo animal y
para el riego.
o La operación y el mantenimiento del sistema son mínimos; el
encendido puede configurarse de forma manual o automática,
esto puede influir en el precio final del sistema.
2.3.2 Componentes de un sistema de bombeo fotovoltaico
Esta compuesto de.
o Paneles fotovoltaicos.
o Una bomba superficial o sumergible.
o Un tanque elevado para almacenar el agua.
2.3.3 Criterios para su dimensionamiento
Considerar lo siguiente:
o Necesidad diaria de agua: agua para consumo humano, para
ganado, micro riego y otros.
o Conocer la altura manométrica.
o Determinar la energía hidráulica.
o Diseño del sistema generador.
o Elegir el motor y la bomba.
o Determinar el caudal máximo.
o Dimensionar tuberías.
o Considerar perdidas que no deben superar el 10%.
a) Calculo de la energía hidráulica
Podemos considerar la siguiente expresión:
Eh = d x g x V x h
Donde:
d = densidad del agua (1000 kg/m3)
g = aceleración de la gravedad (9,8 m/s2)
V = volumen de agua necesario diariamente (valor medio
del mes m3/día)
h = altura manométrica total de elevación

Donde h es la suma de:

h estática, diferencia de cotas del agua de la fuente
y el agua en la salida.
b) Calculo de la energía solar disponible, erpiodo crítico e
inclinación
La energía solar variante en el año. Se requiere de datos
históricos de radiación diaria media mensual, Hjk (kWh/m2
día), para distintos meses k e inclinaciones j, que con datos
de energía hidráulica diaria media mensual, determinar el
mes crítico.
Para esto se calcula Ehk / Hjk para los meses e
inclinaciones, obteniéndose una tabla con 12 columnas
(meses) y filas, e inclinaciones de 5 en 5° de 0 a 90°
E F M A M J J A S O N D

0-5°

5-10°

….

85-90°
Ee = Energía eléctrica
Eh = Energía hidraulica
nmb = rendimiento mensual de la bomba

A = Área colectora
Ee = Energía eléctrica
Nfv = Rendimiento generador fotovoltaico
Hdm = Radiación diaria media mensual
El rendimiento n fv se puede obtener de:

nfv = Fm * (1 – y * (T – 25)) ng

Donde:
Fm = factor de acoplo medio (0,8)
y = coeficiente de variación de la potencia con la
temperatura de las células (0,004 y 0,005 °C -1 )
Tc = Temperatura media diaria de los módulos durante
las horas de sol
ng = rendimiento del generador a temperatura de 25 °C y
1000 Wm2 de irradiancia.
Para simplificar los cálculos se puede usar un valor de rendimiento medio o
igual a 0,8 * ng.

Para un calculo riguroso de la temperatura media de las células se

lo puede hacer, mediante:

Tc = Ta + 0,03 * G

Donde:
Tc = Temperatura media de las células
Ta = Temperatura ambiente
G = Irradiancia en (W/m2).
El área de superficie de panel necesario será:

Donde:
Eh = Energía hidraulica
nmb = rendimiento mensual de la bomba
Fm = factor de acoplo medio (0,8)
y = coeficiente de variación de la potencia con la
temperatura de las células (0,004 y 0,005 °C -1 )
T = temperatura
ng = rendimiento del generador a temperatura de 25 °C y
1000 Wm2 de irradiancia.
Hdm = Radiación diaria media mensual
La potencia pico Pp es la potencia proporcionada po rle módulo en
condiciones estándar de 25°C y 1000 W/m2, en las que el rendimiento es
ng, y por tanto será:

Donde:
Pp = potencia pico
A = área de superficie
Eh = Energía hidraulica
nmb = rendimiento mensual de la bomba
Fm = factor de acoplo medio (0,8)
y = coeficiente de variación de la potencia con la temperatura de
las células (0,004 y 0,005 °C -1 )
T = temperatura
ng = rendimiento del generador a temperatura de 25 °C y
1000 Wm2 de irradiancia.
Hdm = Radiación diaria media mensual
d) Selección del sistema motor – bomba y demencionado de
tuberías
• Si el valor entre Q diario y altura total > 2000m4/día se
recomienda motor-bomba diésel.
• Si el resultado es < 50 m4 se recomienda el uso de sistemas
manuales. Entre estos 2 valores los SFV son mas recomendables.
Para elegir tipo de grupo motor – bomba es recomendable.
• Cunado la D de Q sea hasta 15 m3/dia, y la altura entre 30 a 500
m se puede usar bombas volumétricas accionadas con motor de
imanes con potencias de 2,25 kW.
• Cunado no se usa convertidor el rendimiento medio del grupo
nmb se reduce a 0,2 y 0,3 y la potencia nominal debe elegirse
entre 50% y 70%.
• Cuando la D de Q sea > a 15 m3/día, se emplea bombas
centrifugas accionadas con motores de corriente continua y la
potencia deberá ser igual a la potencia pico del sistema
generador y su rendimiento medio nmb próximo a 0,4.
• Si las potencias requeridas son elevadas > 7,5 kW o se trata de
bombas sumergibles, y no se puedan encontrar motores de
corriente continua, será necesario encontrar motores de
corriente alterna trifásicos.
• Se pueden usar inversores, alcanzando un rendimiento de
hasta 0,9.
Para elegir la bomba se relaciona mediante las curvas h-Q,
considerando la altura manométrica del sistema y del Q
demandado debe ser próximo al punto de diseño de la bomba
(ahí se obtiene rendimientos mas elevados).

Qp = Caudal pico
El caudal máximo se calcula. Php = Potencia hidraulica pico
g = aceleración de la gravedad
h = altura manométrica
Pp = potencia del generador
np = rendimiento pico del grupo motor
bomba
2.4 Sistemas Termosolares - STS
2.4.1 ¿Qué es un STS?
Es un conjunto de componentes para calentar el agua y
almacenarla para su uso.

Utiliza la energía solar para la generación de calor y emplea el

efecto termosifón para la circulación de agua entre sus
componentes. La capacidad máxima que se puede calentar bajo
este principio de funcionamiento alcanza los 500 litros de agua.
2.4.2 Componentes de un STS?
Un STS se compone de: colector, termotanque, tanque de
expansión, tuberías y estructura.
a) Termotanque

Tiene la función de almacenar agua caliente las 24 horas del día;

el agua proviene del colector y a medida que van transcurriendo
las horas, va alcanzando mayor temperatura en su interior.

Existen termotanques que tienen un Auxiliar Eléctrico, el cual

está conformado por una resistencia eléctrica con sistema de
control automático de temperatura, su finalidad es apoyar en el
calentamiento del agua en días nublados, aprovechando la energía
eléctrica que existe en el lugar de instalación.
b) Tanque de expansión
Para climas más fríos, debe instalarse un STS con un sistema
anticongelante, que evitará el congelamiento del agua en su
interior. A ello se suma un tanque de expansión, que es un
dispositivo adicional que permite la expansión del líquido
anticongelante cuando está caliente y ayuda a verificar el nivel del
mismo dentro el sistema.
c) Tuberías
Las tuberías son componentes indispensables, mantienen el flujo de
agua desde el colector hasta el termotanque y viceversa; y desde ahí,
a los puntos de servicio en las viviendas o en las actividades
productivas. Por las temperaturas que se manejan en el sistema, se
tienen tuberías para agua caliente y agua fría, las cuales según la
zona, deben emplear aislante térmico para evitar las pérdidas de
calor y congelamiento.
d) Estructura
La estructura es el componente donde se instala el colector solar y
el termotanque, logrando la sujeción del STS al techo de la vivienda;
la misma, debe tener la capacidad suficiente para soportar lluvias y
vientos fuertes. La estructura debe orientarse hacia al norte y
cuidando el grado de inclinación del colector.
2.4.3 Como ubicar un STS?
Se considera:
• El lugar a instalar el colector debe ser de fácil acceso.
• EL techo no debe ser muy inclinado.
• Evitar sombra, pues afecta el rendimiento.
• EN el hemisferio sur, el colector debe alinear al Nrte
Magnético con una variación de +/- 30°, para mayor energía.
• La inclinación adecuada del colector solar con respecto a la
línea horizontal debe ser la latitud de la ciudad más 10°,
debiendo ser instalado en promedio a 30°.
2.4.3 Como ubicar un STS?
Se considera:
• El lugar a instalar el colector debe ser de fácil acceso.
• EL techo no debe ser muy inclinado.
• Evitar sombra, pues afecta el rendimiento.
• EN el hemisferio sur, el colector debe alinear al Nrte
Magnético con una variación de +/- 30°, para mayor energía.
• La inclinación adecuada del colector solar con respecto a la
línea horizontal debe ser la latitud de la ciudad más 10°,
debiendo ser instalado en promedio a 30°.
Gracias