los detalles técnicos de cada nodo se los puede...

CAPÍTULO 3. DISEÑO INMÓTICO

55

\S\]Z`^!RZ!S_W`SX^UShX)!

Los detalles técnicos de cada nodo se los puede encontrar en el ANEXO #7.

3.2 PLANOS DE PREINSTALACIÓN

Los planos de preinstalación se los puede observar en el ANEXO # 8.

3.3 PLANOS INMÓTICOS

Los planos inmóticos se lo puede observar en el ANEXO # 9

3.4 PLANOS UNIFILARES

Los planos unifilares se los puede observar en el ANEXO # 10.

3.5 INSTALACIÓN DE LOS DISTINTOS NODOS LONWORKS, SENSORES Y

ACTUADORES NECESARIOS

Los nodos LonWorks fueron dispuestos de la siguiente manera, según las diferentes

cajas inmóticas:

TABLA # 16: DISTRIBUCIÓN DE NODOS EN LAS DISTINTAS CAJAS INMÓTICAS.

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56

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2,26! 4! 0#,!q!46(!

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En la siguiente tabla se puede observar la cantidad colocada de los diferentes

periféricos utilizados en el sistema:

TABLA # 17: TOTAL DE PERIFÉRICOS A INSTALARSE.

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Para observar el detalle de la ubicación de los sensores y actuadores se puede

acceder a los Planos de Preinstalación en el ANEXO # 8.

CAPÍTULO 4. SISTEMA DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

58

CAPÍTULO IV

SISTEMA DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

4.0 INTRODUCCIÓN

Uno de los grandes inconvenientes en nuestro planeta es el consumo de energía, dado

que las sociedades sin importar el desarrollo que tengan, se ven en la necesidad de

satisfacer las grandes demandas de energía.

Para satisfacer esta creciente demanda de energía se han visto en la necesidad de

explotar la energía de los fósiles pero este tipo de energía lamentablemente no es

renovable esto implica que en algún momento la demanda crecerá demasiado que no

se podrá abastecer.

Por eso es necesario buscar otra fuentes de energía entre las cuales esta la energía

fotovoltaica la cual proviene de una fuente inagotable que es el sol, además que es

limpia, abundante y que se encuentra en la mayor parte de la superficie de nuestro

planeta, puede por lo tanto suministrarnos la energía necesaria evitando problemas

ambientales derivados de procesos convencionales del tratamiento de los recursos

fósiles como el petróleo, centrales nucleares, carbón y otras energías.


59

El Ecuador es un pequeño país en vías de desarrollo si bien consume una pequeña

parte de la energía mundial es un país exportador de petróleo y hasta el momento

parte de su generación energética se ha basado en este tipo de combustible (como lo

podemos ver en el siguiente cuadro) que en algunos años se verá agotada sus

reservas por lo cual el gobierno ha visto la necesidad de impulsar la implementación

de energía más limpia por lo que se esta construyendo centrales hidroeléctricas,

parques eólicos y se ha reforzado con nuevas leyes en el sector eléctrico para

impulsar el uso de energías renovables como la fotovoltaica.

TABLA # 18: CONSUMO DE COMBUSTIBLES LÍQUIDOS EN GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD EN EL PERIODO 1999-

2008.

4.1 APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA SOLAR

El Ecuador posee un gran potencial en el campo de la energía solar debido a su

posición geográfica que permite que los días y noches sean de 12 horas

respectivamente, “el sol recorrería el firmamento con una velocidad angular de 15

grados por hora y se mantiene perpendicular por cerca de dos horas, fuera de este

período la intensidad de luz decrece debido a la masa de aire y el angula entre la

normal y los rayos solares crece.” Estos factores causan que la energía colectada sea

mejor en los horarios de las 10:00 y 14:00.


60

Se conoce que Ecuador esta favorecido por su situación geográfica y climatológica

para aprovechar este tipo de energía. En particular, en la región Interandina

ecuatoriana, la radiación media es del orden de 1,600 KWh. /m2año, o sea unos 4,38

KWh. /m2.

Para aprovechar la radiación solar se utiliza el la tecnología fotovoltaica que no es

más que generar corriente continua por medio de semiconductores que son

iluminados por un haz de fotones. Mientras la luz solar incide sobre una célula

fotovoltaica se genera potencia eléctrica y cuando la luz se extingue se deja de

producir potencia.1

La energía generada por la células fotovoltaicas tienes sus ventajas y desventajas

tanto técnicas como comerciales, que se presentan en el siguiente cuadro.

TABLA # 19: VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA ENERGÍA SOLAR

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4.2 ENERGÍA SOLAR EN EL ECUADOR

En el Ecuador si dispone de algunos lugares idóneas para la instalación de paneles

fotovoltaicos especialmente en el sur del país, como en la provincia de Loja, al

noroeste de la provincia del Azuay, en el altiplano de la ciudad de Riobamba, y la

1 http://www.gstriatum.com/energiasolar/articulosenergia/34_produce_energia_solar.html


61

circundante al nevado del Chimborazo, el callejón de interandino central y norte

desde el norte hasta el valle del Chota, la zona costera de la provincia de Esmeraldas,

la mayoría del Oriente Ecuatoriano.2

Como se explica anteriormente uno de los lugares propicios para la implementación

de generación fotovoltaicas es la provincia del Azuay , y conociendo que nuestro

edificio se encuentra ubicado en la ciudad de Cuenca, provincia del Azuay es factible

la implementación de un Sistema Fotovoltaico en la Edificación de la Universidad

Politécnica Salesiana sede Cuenca.

4.3 SISTEMA FOTOVOLTAICO

Un sistema fotovoltaico es un conjunto de dispositivos que a partir de la insolación,

produce energía eléctrica, estos sistemas depende de la capacidad de la celdas

fotovoltaicas de transformar la energía solar en energía eléctrica.

4.3.1 TIPOLOGÍAS DE LOS SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS

Los sistemas fotovoltaicos se puede clasificar en dos grandes grupos:

• Sistemas desconectados de la red

• Sistemas conectados a las red

Componentes básicos de un sistema fotovoltaico:

• Paneles fotovoltaicos

• Cableado

2 Tomado de: “ GUÍA PARA LA PREPARACION DE ANTEPROYECTOS DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICAS”, CADENA, Alejandro, 2009.


62

• Banco de baterías

• Controlador de carga

• Inversor

• Armazones y soportes

• Tableros para protección de los equipos

4.3.1.1 SISTEMAS DESCONECTADOS DE LA RED

Los sistemas desconectados de la red se utilizan normalmente para

proporcionar electricidad a los usuarios con consumos de energía

muy bajos para los cuales no compensa pagar el coste de la

conexión a la red, y para los que sería difícil conectarlos a debido a

su posición poco accesible, como zonas rurales; ya que a partir de

distancias grandes de la red eléctrica, podría resultar conveniente

instalar un sistema fotovoltaico.

Sistemas residenciales desconectados de la red

En estos sistemas se utiliza la generación de la energía en la

alimentación de iluminación y pequeñas cargas. Su rango de

potencia oscila entre 20 y 200 W para hogares y 500 y 2500 W para

caseríos.


63

Fig. 8 Sistema residencial desconectado de la red3.

Elementos que constituyen una red desconectada:

Fig. 9 Elementos que constituyen la red desconectada.

4.3.1.2 SISTEMAS CONECTADOS A LA RED

Los sistemas conectados en red, normalmente no tienen sistemas de

acumulación, ya que la energía producida durante las horas de

3 Tomado: http://www.disol.com.co/esp/fotovoltaica.html

<ZXZ[^RV[!TV]VYV_]^SUV!

0XYZ[\V[!UVXZrSVX!^!_^![ZR!!

J^]Z[S^\!

-ZeW_^RV[!RZ!U^[e^!


64

insolación es inyectada directamente a la red eléctrica de la

edificación y durante la horas de insolación que es poca o nula la

carga se alimenta por la red.

Estos sistemas pueden ser del tipo centralizado o distribuido. Los

del tipo distribuido proporcionan energía a una carga localizada,

que esta conectada a la red eléctrica. La potencia instalada en estos

sistemas están en el orden de 1 a 100 KW.

Los principales componentes que forman un sistema fotovoltaico

conectado a la red son:

Fig. 10 Elementos que constituyen la red conectada.

4.3.2 INSTALACIONES SOBRE EDIFICACIONES

En este punto engloban todas las instalaciones realizadas sobre

edificaciones fijas, como casas de viviendas, edificios oficinas, locales

comerciales y naves industriales.

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65

Según la regulación de la normas españolas (CTE) que se tomaran como

referencia tenemos que los edificios de los usos indicados, en la siguiente

tabla incorporarán sistemas de captación y transformación de energía solar

por procedimientos fotovoltaicos cuando superen los límites de aplicación

establecidos en dicho cuadro.4

TABLA # 20: ÁMBITO DE APLICACIÓN

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El cálculo de la potencia mínima exigida depende del uso que se le de al la

edificación, de la área construida y de la zona climática donde este ubicado,

la potencia pico a instalar se calcula con la siguiente formula.

! ! !!! ! ! ! !!

Donde:

P= Potencia pico a instalar (KWp)

A y B= coeficientes definidos según el uso de edificio

C=Coeficiente definido según la zona de clima 4 Tomado: http://www.codigotecnico.org/web/recursos/documentos/dbhe/he5/010.html


66

S= Superficie construida del edificio (m2)

TABLA # 21: COEFICIENTES DE USO

$(-0)*%)P'0) '! @!

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W.78#"&$,7*:*'$P)#'&7* HQHHHC:H! 6Q4G!

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En cualquier caso, la potencia pico mínima a instalar será de 6,25 KWp. El

inversor tendrá una potencia mínima de 5 kW.

La superficie S a considerar para el caso de edificios ejecutados dentro de

un mismo recinto será:

a) en el caso que se destinen a un mismo uso, la suma de la superficie de

todos los edificios del recinto;

b) en el caso de distintos usos, de los establecidos en la tabla 18, dentro

de un mismo edificio o recinto, se aplicarán a las superficies

construidas correspondientes. La potencia pico mínima a instalar será

la suma de las potencias picos de cada uso, siempre que resulten

positivas. Para que sea obligatoria esta exigencia, la potencia

resultante debe ser superior a 6,25 KWp.5

5 Tomado: http://www.codigotecnico.org/web/recursos/documentos/dbhe/he5/010.html


67

4.3.2.1 ZONAS CLIMÁTICAS

Las zonas se han definido teniendo en cuenta la Radiación Solar

Global media diaria anual sobre superficie horizontal (H), tomando

los intervalos que se relacionan para cada una de las zonas.

Una instalación solar fotovoltaica conectada a red está constituida

por un conjunto de componentes encargados de realizar las

funciones de captar la radiación solar, generando energía eléctrica y

adaptarla a las características que la hagan utilizable.

TABLA # 22: RADIACIÓN SOLAR

F.)&*'$#1`"#'&* 8EN`4! OPnN`

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TABLA # 23: COEFICIENTES CLIMÁTICOS

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S* (Q:!

4.3.3 MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

Las investigaciones y desarrollos de células fotovoltaicos han sido muy

grandes en los últimos años. Se han desarrollado algunas tecnologías en


68

cuanto a los materiales y proceso de fabricación pero con características

similares.

En el mercado tenemos algunas alternativas que son expuestas a

continuación:

• Silicio cristalino

Las diferencias en cuanto a fabricación de la células fotovoltaicas

dependen de la formación de la placa de silicio, llamada "oblea", que es

la estructura principal sobre la que se realizan varios tratamientos,

especialmente químicos, que llevan a la creación de la verdadera célula.

Monocristalino.- La oblea de monocristal es producida por el método

Czochralski, basado en la cristalización de una "semilla" de material

purísimo, que es introducido en el silicio líquido y luego extraído y

enfriado lentamente para obtener un "lingote" de monocristal, de forma

cilíndrica (de 13 a 30 cm de diámetro y 200 cm de altura). Éste es

dopado P introduciendo el boro. Luego se seccionan los lingotes en

obleas de espesor comprendido entre 250 y 350 micrómetros.6

Policristalino.- La oblea de policristal es producida por la fusión y la

sucesiva recristalización de los desperdicios de silicio de la industria

electrónica ("scraps" de silicio). De esta fusión se obtiene un "pan" que

es cortado verticalmente en lingotes con forma de paralelepípedo. Un

sucesivo corte horizontal permite crear rebanadas de espesor semejante

al de las células de monocristal (250 - 350 micrómetros).7

6 Tomado: http://www.enerpoint.es/photovoltaic_technology_2.php 7 Tomado: http://www.enerpoint.es/photovoltaic_technology_2.php


69

• Capa fina

• Silicio amorfo

• Cobre – indio – diselenio

A continuación se muestra un cuadro de rendimiento de los distintos tipos

de células fotovoltaicas:

TABLA # 24: EFICIENCIA DE LAS PRINCIPALES TECNOLOGÍAS FOTOVOLTAICAS 8

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4.3.4 INVERSOR

El inversor tiene como finalidad convertir la corriente continua (CC)

generada en el panel fotovoltaico en corriente alterna (CA). Este dispositivo

se intercala entre el regulador de carga y los aparatos de corriente alterna

(CA). Es imprescindible en equipos que utilicen baterías de

almacenamiento. Lo importante en estos dispositivos es la eficiencia, la

potencia y los rangos de tensiones.

8 Fuente: “ GUÍA PARA LA PREPARACION DE ANTEPROYECTOS DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICAS”, CADENA, Alejandro, 2009.


70

Fig. 11 Estación inversora9.

4.3.5 REGULADOR

El regulador de voltaje controla constantemente el estado de carga de las

baterías y regula la intensidad de carga de las mismas para alargar su vida

útil. También genera alarmas en función del estado de dicha carga.

Los reguladores actuales introducen microcontroladores para la correcta

gestión de un sistema fotovoltaico. Es uno de los dispositivos mas baratos

del sistema pero de su debida elección dependerá la fiabilidad del sistema

como los costos de mantenimiento.

Fig. 12 Regulador10.

9 Tomado: Inversores solares ABB para sistemas fotovoltaicos


71

4.3.6 BATERÍAS

La función primordial de las baterías en un sistema de generación

fotovoltaico es la de acumular la energía que se produce durante las horas de

luminosidad para poder ser utilizada en la noche o durante periodos

prolongados de mal tiempo o muy baja radiación solar , así como la función

de entregar la intensidad de corriente superior a la que puede producir un

sistema fotovoltaico, además evita las fluctuaciones dañinas para el correcto

funcionamiento del sistema, es decir provee relativamente un voltaje

constante.

4.3.6.1 Tipos de baterías

Actualmente existen algunos tipos de baterías recargables que

podrían ser empleados en los sistemas fotovoltaicos como: níquel-

cadmio, bromuro de zinc, cloruro de zinc, magnesio-litio, sodio-

azufre, níquel-hidrógeno y plomo- ácido. Las más utilizadas y

probadas para almacenamiento en grandes cantidades son las de

plomo- ácido.

Baterías Plomo-ácido.

Desventajas:

• No admite muchos ciclos de por debajo del 40% de su

capacidad.

10 Tomado: http://www.codesolar.com/Energia-Solar/Energias-Renovables/Reguladores-Baterias-Solares.html


72

• Tiene un “efecto memoria” por lo que puede que no se

recuperen totalmente.

• Les afectan los cortocircuitos en su rendimiento.

• Necesitan un mayor mantenimiento.

Ventajas:

• Son mucho más económicas.

• Idóneas para pequeñas instalaciones.

• La vida útil puede ser mucho más larga con el mantenimiento

adecuado.

Fig. 13 Batería11.

4.4 DISEÑO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO

4.4.1 NORMAS APLICADAS

La implementación del sistema fotovoltaico en el edificio es a base del código

NEC – 10 National Electrical Code (Código Eléctrico Nacional) parte 9-1,

11 Tomado: Tutorial PV baterías


73

Instalaciones Electromecánicas Instalaciones Eléctricas En Bajo Voltaje, con

los numerales 12.2.1 y 12.2.4:

¨12.2. CONSIDERACIONES DE EFICIENCIA ENERGÉTICA:

12.2.1 Exigencias básicas de ahorro de energía

El objetivo del requisito básico “ahorro de energía”, consiste un uso

racional de la energía necesaria para la utilización de los edificios,

reduciendo a límites sostenibles su consumo y conseguir asimismo

que una parte de este consumo proceda de fuentes de energía

renovable, como consecuencia de las características de su proyecto,

construcción, uso y mantenimiento.

Para satisfacer este objetivo, los edificios nuevos se proyectarán,

construirán, utilizarán y mantendrán de forma que se cumplan las

exigencias básicas que se establecen en los apartados siguientes.

12.2.4 Exigencia básica: Contribución fotovoltaica mínima de

energía eléctrica

En los edificios que así se establezca en este Código se incorporarán

sistemas de captación y transformación de energía solar en energía

eléctrica por procedimientos fotovoltaicos para uso propio. Los

valores derivados de esta exigencia básica tendrán la consideración

de mínimos, sin perjuicio de valores más estrictos que puedan ser

establecidos por las administraciones competentes y que

contribuyan a la sostenibilidad, atendiendo a las características

propias de su localización y ámbito territorial.¨


74

4.4.2 ESTIMACIÓN DE CARGAS

Para la estimación de cargas, en primer lugar contextualizamos las normas

CTE de España a nuestro país Ecuador para determinar la mínima potencia

que requerirá el edificio de aporte de un sistema fotovoltaico.

Es importante indicar que la radiación promedio que se tiene en la ciudad de

Cuenca es de 4,51 KWh/m2 , por lo que se ubicaría en la Zona III.

De igual manera el tipo de edificio y por su cantidad de metros cuadrados se

escogió el tipo de uso como: multimedia y ocio, ya que el edificio dispone de

aulas de alta utilidad y sistemas de proyección.

A continuación colocamos los datos que tenemos para dicho cálculo:

Ámbito: Universidad

Área: 3520 m2

Coeficientes: A= 0,004688 ,B= -7,81 , C=1,2

Formula: P= C*(A*S+B)

P= 1,2*(0,004688*3520-7,81)= 10,43 KWp

Como se puede ver que la potencia calcula mínima requerida es de 10,43

KWp.


75

4.4.3 DATOS DE RADIACIÓN SOLAR

Los datos meteorológicos de la radiación solar que se tomo para nuestros

cálculos es en la ciudad de Cuenca, en la parroquia de Ricaurte, que se

encuentra ubicada contigua a la Universidad Politécnica Salesiana sede

Cuenca.

TABLA # 25: TABLA DE DATOS METEOROLÓGICOS

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*[VYSXUS^! "gW^d!

2SWR^R! 2WZXU^!

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7SUSZ`c[Z! :)GC!

*[V`ZRSV! :)=!

4.4.4 DISEÑO


76

En los apartados anteriores se hizo la estimación de la carga y la radiación

solar del lugar donde se va a instalar el sistema fotovoltaico, se realizara el

diseño utilizando el software de PVSYST con el cual se obtendrá los distintos

componentes del sistema fotovoltaico para su implementación.

4.4.4.1 PRE-DIMENSIONADO

Ingresamos a la pantalla inicial del programa PVSYST V5.57.

Fig. 14 Pantalla inicial PVSYST V5.57.

Selecciona la opción herramientas para colocar los datos de la ciudad

en la cual se tiene que realizar el proyecto.


77

Fig. 15 Pantalla herramientas.

Ahora elegimos la opción lugares geográficos y elegimos la ciudad si

existe en la base de datos y si no existe creamos una nueva.

Fig. 16 Pantalla de introducción de ubicación de la ciudad.


78

Además en la pestaña de climatología ingresamos los datos de

irradiación solar horizontal.

Fig. 17 Pantalla de introducción de datos meteorológicos.

Una vez ya registrados los datos de irradiación solar, regresamos a la

pantalla inicial del programa y seleccionamos la opción Pre-

dimensionado, con la opción conectado a la Red.

Fig. 18 Pantalla de predimensionado.


79

Pulsamos Ok y entramos en el sistema de pre-dimensionado, y

entramos en ubicación, damos nombre al proyecto y elegimos la

ciudad en la cual se va a realizar el dimensionado, de ahí en sistema

se ingresa los datos de la inclinación que en nuestro caso es 12o, ya

que la inclinación de la cubierta de los edificios es de 12 grados,

además ingresamos la potencia en KWp se calculo anteriormente para

el proyecto, que se estimo en 13 KWp.

Fig. 19 Pantalla de carga de datos.

Una vez ingresados los datos se elige el tipo de modulo (Estándar), la

tecnología (Monocristalino), disposición en el montaje (en el techo), y

la propiedad de la ventilación (ventilado).


80

Fig. 20 Pantalla de características de paneles fotovoltaicos.

Y por último tenemos los resultados del pre-dimensionado.

Fig. 21 Pantalla de resultados.


81

Lo interesante del pre-dimensionado es el costo que tendrá

aproximadamente el proyecto y además el área que ocuparía la

instalación de los paneles fotovoltaicos.

4.4.4.2 SELECCIÓN DE LOS COMPONENTES

Para la selección del los paneles fotovoltaicos se procedió a revisar

algunas marcas tales como: Moser Boar Solar, BP Solar, Koncar,

Sharp, Solarex, Siliken, Lumeta, y se procedió a realizar las

simulaciones respectivas y se opto por la marca Sun Power con el

modelo SPR-400-WHT-D los detalles ver el ANEXO #11 que es la

que se adapta a nuestros requerimientos.

Posteriormente se reviso algunas marcas en lo referente a los

inversores tales como: Solon, Irepsol, Conect Energy, Fronius, Sharp,

en los cuales se hizo algunas simulaciones para ver cual de estos se

adaptaba a nuestras necesidades tales como potencia, voltaje y

frecuencia, decidiéndonos por el Fronius: IG Plus 11.4 KW los

detalles ver el ANEXO# 11.

4.4.4.3 DIMENSIONADO

Se empieza igual que el pre-diseño, en el cual ingresamos a la pantalla

inicial del programa PVSYST, V5.57, y elegimos las opciones diseño

del proyecto con conexión a la Red.


82

Fig. 22 Pantalla de diseño.

Posteriormente se abre una ventana con las opciones del proyecto,

orientación, perfil de obstáculos, sombras cercanas, sistemas y otras,

en la cual y cargamos los datos meteorológicos de la ciudad en la cual

estamos trabajando y además definimos el albedo, para este proyecto

tomamos el valor estándar de 0,2.

Fig. 23 Pantalla de ubicación del proyecto.


83

En la opción de orientación colocamos la inclinación de los paneles

solares. Como la radiación en Ecuador es perpendicular no

necesitaríamos una inclinación en los paneles solares, pero para evitar

acumulación de polvo y por norma se debería colocarlos mínimo entre

2º y 5º de inclinación. Por recomendación del fabricante se nos indica

una inclinación aproximada de 10º12 y sumado a la inclinación de la

cubierta que está en el orden de 2º, tendríamos una inclinación de 12

grados.

Fig. 24 Pantalla de orientación de los paneles.

Posteriormente en la opción de sistema, elegimos los paneles

fotovoltaicos y los inversores de la marca Sun Power y Fronius

respectivamente. En esta etapa del diseño tenemos que comprobar que

los voltajes, potencias y número de módulos fotovoltaicos y de

inversores sean los correctos.

12 Tomado: Amorphous-Silicon Thin Film Solar PV Module-Installation Manual For Full Size MBTF 400 Modules With Bonded Back Rails


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Fig. 25 Pantalla de configuración de componentes.

Una vez comprobado que todos los datos son correctos, regresamos a

la pantalla anterior y vamos a la opción de simulación y la realizamos;

esta nos entrega el informe de los cálculos y equipos sobre el

funcionamiento del sistema.

TABLA # 26: CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR FOTOVOLTAICO

#$%$&'*/&!!>/0/D/(0')./!

A^c[SU^X]Z! ,WX!*VoZ[!

8VRZ_V! ,*-M:HHMPD1M7!

#W`Z[V!RZ!U^RZX^\! 64!U^RZX^\!

#W`Z[V!RZ!`hRW_V\! (!`VRW_V!

I8!sIt! ?=!I!

08s"t! (CF!"!

*8sPt! (4)F!OPb!

Distribución de los módulos fotovoltaicos.

Los paneles solares se ubicaran en la cubierta del edificio Mario

Rizzini contiguo al edifico Carlos Crespi de la Universidad

los detalles técnicos de cada nodo se los puede...

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