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Contenido

Introducción .................................................................................................................................................. 7

Antecedentes ............................................................................................................................................ 7

Objetivos ................................................................................................................................................... 8

Objetivo general .................................................................................................................................... 8

Objetivos específicos ............................................................................................................................. 8

Justificación ............................................................................................................................................... 9

Alcance .................................................................................................................................................... 10

Capítulo I Marco Teórico Referencial .......................................................................................................... 12

I.1 Introducción ....................................................................................................................................... 13

I.2 Teorías fundamentales ....................................................................................................................... 14

I.2.1 Teoría de los semiconductores.................................................................................................... 14

I.3 Energía solar ....................................................................................................................................... 18

I.3.1 Constante solar ............................................................................................................................ 19

I.3.2 Masa de aire ................................................................................................................................ 21

I.3.3 Componentes de la radiación solar ............................................................................................. 22

I.3.4 Horas Pico del Sol (HPS) .............................................................................................................. 22

I.4 Celdas fotovoltaicas............................................................................................................................ 23

I.5 Potencial en México ........................................................................................................................... 25

I.6 Principios del magnetismo ................................................................................................................. 25

I.6.1 Electricidad y magnetismo .......................................................................................................... 26

I.6.2 Carga que eléctrica que objetos mediante inducción ................................................................. 26

I.6.3 El campo eléctrico ....................................................................................................................... 27

I.6.4 Diferencia de potencial y potencial eléctrico .............................................................................. 28

I.6.5 Campos y fuerzas magnéticas ..................................................................................................... 29

I.6.6 Fuerza magnética que actúa sobre un conductor que transporta corriente .............................. 30

I.6.7 Leyes de inducción de Faraday .................................................................................................... 30

I.7 Energía Eólica (EE) .............................................................................................................................. 31

I.7.1 ¿Cómo se produce? ..................................................................................................................... 31

I.7.2 Futuro en México de la EE ........................................................................................................... 33

I.8 Energía Hidráulica (EH) ....................................................................................................................... 33

I.8.1 Principio de generación ............................................................................................................... 34

I.8.2 Futuro en México de la EH .......................................................................................................... 35

Capítulo II Metodología de la investigación ................................................................................................ 36

II.1 Planteamiento del problema ............................................................................................................. 37

II.2 Delimitación ...................................................................................................................................... 38

II.3 Formulación del problema de investigación ..................................................................................... 41

II.4 Objetivos............................................................................................................................................ 42

II.4.1 Objetivo general ......................................................................................................................... 42

II.4.2 Objetivos específicos .................................................................................................................. 42

II.5 Metodología ...................................................................................................................................... 43

II.5.1 Cuantitativa ................................................................................................................................ 43

II.5.2 Cualitativa ................................................................................................................................... 44

II.6 Mapa de investigación....................................................................................................................... 46

Capítulo III Análisis de las condiciones para la implementación del Sistema de Energías Renovables en el

Valle del Mezquital ...................................................................................................................................... 47

III.1 Introducción ..................................................................................................................................... 48

III.2 Energía Solar ..................................................................................................................................... 48

III.2.1 Irradiancia NASA ........................................................................................................................ 48

III.2.2 Irradiancia Observatorio de Radiación Nacional UNAM ........................................................... 49

III.2.3 Irradiancia en el estado de Hidalgo ........................................................................................... 52

III.2.3.1 Irradiancia en el valle del mezquital ....................................................................................... 52

III.3 Energía Eólica ................................................................................................................................... 53

III.3.1 Velocidad del viento Meteorológico Nacional (CONAGUA) ...................................................... 53

III.3.2 Velocidad del viento en el valle del mezquital .......................................................................... 56

III.4 Energía Hidráulica ............................................................................................................................. 57

III.4.1 Cuencas y ríos en el valle del mezquital .................................................................................... 57

III.4.2 Desarrollo Hidroeléctrico en el valle del mezquital .................................................................. 58

Capítulo IV Estudio de caso Madho Corrales .............................................................................................. 59

IV.1 Introducción ..................................................................................................................................... 60

VI.2 Descripción del caso ......................................................................................................................... 60

IV.2.1 Filosofía organizacional ............................................................................................................. 62

IV.3 Caracterización del Sistema Fotovoltaico (SF) ................................................................................. 64

IV.3.1 Perfil de cargas .......................................................................................................................... 64

IV.4 Sistema fotovoltaico (SF).................................................................................................................. 65

IV.4.1 Módulos fotovoltaicos .............................................................................................................. 65

IV.4.2 Acumuladores ........................................................................................................................... 66

IV.4.3 Controlador de carga ................................................................................................................ 68

IV.4.4 Inversor ..................................................................................................................................... 69

IV.5 Sistema eólico .................................................................................................................................. 70

IV.5.1 La importancia del régimen de viento ...................................................................................... 70

IV.5.2 Instalaciones de baja potencia .................................................................................................. 71

IV.5.3 Fundamentos aerodinámicos .................................................................................................... 71

IV.5.4 Rendimiento aerodinámico ....................................................................................................... 72

IV.5.5 Caracterización del Sistema Eólico ............................................................................................ 73

IV.6 Sistema Hidráulico............................................................................................................................ 76

IV.6.1 Introducción .............................................................................................................................. 76

IV.6.2 Concepto de fluido .................................................................................................................... 76

IV.6.3 El fluido como medio continúo ................................................................................................. 76

IV.6.4 Propiedades del campo de velocidades .................................................................................... 76

IV.6.5 Descripción euleriana y lagrangiana ......................................................................................... 77

IV.6.6 Propiedades termodinámicas de los fluidos ............................................................................. 77

IV.6.7 Descripción del flujo .................................................................................................................. 77

IV.6.8 Flujo viscoso en conductos........................................................................................................ 78

IV.6.9 Flujo el conductor circulares ..................................................................................................... 78

IV.6.10 Caracterización del Sistema Hidráulico ................................................................................... 79

IV.6.11 Componentes .......................................................................................................................... 79

IV.6.12 Cotización ................................................................................................................................ 82

IV.7 Sistema integrado ............................................................................................................................ 83

IV.7.1 Introducción .............................................................................................................................. 83

IV.7.2 Crear un nuevo archivo HOMER ............................................................................................... 83

IV.7.3 Construir el esquema ................................................................................................................ 84

IV.7.4 Introduzca los datos de carga ................................................................................................... 86

IV.7.5 Introduzca los detalles de componentes .................................................................................. 88

IV.7.6 Introduzca los detalles de los recursos ..................................................................................... 91

IV.7.7 Compruebe las entradas y corregir errores .............................................................................. 95

IV.7.8 Examinar los resultados de la optimización .............................................................................. 97

IV.7.9 Afinar el diseño del sistema ...................................................................................................... 98

IV.7.10 Añadir las variables de sensibilidad ........................................................................................ 99

IV.7.11 Examinar los resultados del análisis de sensibilidad ............................................................. 100

Resultados ................................................................................................................................................. 102

Conclusiones .............................................................................................................................................. 125

Bibliografía................................................................................................................................................. 126

Anexos ....................................................................................................................................................... 129

Índice de Gráficas, Tablas e Ilustraciones

Gráfica 1 Rendimiento ............................................................................................................................. 73

Gráfica 2 Horas Pico Madho ................................................................................................................. 107

Gráfica 3 Horas de insolación ............................................................................................................... 107

Gráfica 4 Horas de insolación ............................................................................................................... 108

Gráfica 5 Horas de Insolación .............................................................................................................. 108

Gráfica 6 Picos de consumo ................................................................................................................. 111

Gráfica 7 Picos de consumo ................................................................................................................. 113

Tabla 1 Longitud de onda ........................................................................................................................ 19

Tabla 2: Horas de Insolación Observatorio de Radiación Nacional (UNAM) .................................. 51

Tabla 3 Insolación global en Hidalgo ..................................................................................................... 52

Tabla 4 Irradiancia en el valle del mezquital ........................................................................................ 52

Tabla 5 Velocidades del viento............................................................................................................... 54

Tabla 6 Velocidades del viento en Ixmiquilpan .................................................................................... 56

Tabla 7 Perfil de cargas ........................................................................................................................... 64

Tabla 8 Cálculo de paneles solares ....................................................................................................... 66

Tabla 9 Cálculo de baterías .................................................................................................................... 68

Tabla 10 Cálculo del regulador de carga .............................................................................................. 69

Tabla 11 Cálculo del inversor ................................................................................................................. 70

Tabla 12 Velocidades del viento ............................................................................................................ 74

Tabla 13 Cotización 60Kw....................................................................................................................... 82

Tabla 14 Horas Pico Madho ................................................................................................................. 106

Tabla 15 Irradiancia en Madho ............................................................................................................. 109

Tabla 16 Cálculo de Insolación ............................................................................................................ 110

Tabla 17 perfil de cargas zona de cabañas ....................................................................................... 111

Tabla 18 Cotización sistema Cabañas ................................................................................................ 112

Tabla 19 Perfil de cargas zona Restaurant ........................................................................................ 113

Tabla 20 Cotización zona restaurant ................................................................................................... 114

Tabla 21 Perfil de cargas zona pesca ................................................................................................. 115

Tabla 22 Cotización zona pesca .......................................................................................................... 115

Tabla 23 Velocidades del viento .......................................................................................................... 120

Ilustración 1 Bandas de energía............................................................................................................. 17

Ilustración 2 Unión p-n ............................................................................................................................. 18

Ilustración 3 Ángulo del sol ..................................................................................................................... 20

Ilustración 4 Energía en la superficie terrestre .................................................................................... 21

Ilustración 5 Tipos de radiación .............................................................................................................. 22

Ilustración 6 Horas Pico ........................................................................................................................... 23

Ilustración 7 Principio fotovoltaico .......................................................................................................... 24

Ilustración 8 Campos magnéticos .......................................................................................................... 26

Ilustración 9 Inducción magnética .......................................................................................................... 27

Ilustración 10 Campo eléctrico ............................................................................................................... 28

Ilustración 11 Parque Eólico ................................................................................................................... 32

Ilustración 12 Despiece de aerogenerador ........................................................................................... 33

Ilustración 13 Energía Hidráulica ........................................................................................................... 34

Ilustración 14 Macrolocalización de Parque Eco-turístico Madho Corrales .................................... 39

Ilustración 15 Ubicación Parque Eco-turístico Madho-Corrales ........................................................ 39

Ilustración 16 Fotografías de Madho ..................................................................................................... 40

Ilustración 17 Fotografías de Madho ..................................................................................................... 41

Ilustración 18 Ensamble del aerogenerador ......................................................................................... 57

Ilustración 19 Micro localización de Madho Corrales.......................................................................... 61

Ilustración 20 Madho Corrales ................................................................................................................ 61

Ilustración 21 Reuniones de trabajo ...................................................................................................... 63

Ilustración 22 Válvulas y Juntas ............................................................................................................. 80

Ilustración 23 Generador Eléctrico ......................................................................................................... 80

Ilustración 24 Regulador Eléctrico ......................................................................................................... 81

Ilustración 25 Hoja de inicio .................................................................................................................... 84

Ilustración 26 Selección de recursos ..................................................................................................... 85

Ilustración 27 Perfil de cargas primera sección Madho ...................................................................... 87

Ilustración 28 Perfil de cargas segunda sección Madho .................................................................... 88

Ilustración 29 Costos ................................................................................................................................ 89

Ilustración 30 Curva de costos ............................................................................................................... 91

Ilustración 31 Velocidad del viento en m/s en Madho ........................................................................ 93

Ilustración 32 Irradiancia en Madho ....................................................................................................... 94

Ilustración 33 Caudal en l/s ..................................................................................................................... 95

Ilustración 34 Esquema del OFF Four Sensor ................................................................................... 103

Ilustración 35 Elaboración del sensor ................................................................................................. 104

Ilustración 36 Interfaz Novus computadora ........................................................................................ 104

Ilustración 37 OFF Four Sensor ........................................................................................................... 105

Ilustración 38: Desarrollo Eco turístico ................................................................................................ 116

Ilustración 39 Aerogenerador en Madho ............................................................................................. 117

Ilustración 40 Analizando el equipo generador .................................................................................. 118

Ilustración 41 Revisión de las condiciones mecánicas ..................................................................... 119

Ilustración 42 Aerogenerador Eléctrico ............................................................................................... 121

Ilustración 43 Medición en RPM del aerogenerador ......................................................................... 122

Ilustración 44 Medición de voltaje generado ...................................................................................... 123

Ilustración 45 Prueba de velocidad del viento.................................................................................... 124

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ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA INTEGRADO EN EL VALLE DEL MEZQUITAL, UN

ESTUDIO DE CASO: PARQUE ECO-TURÍSTICO MADHO CORRALES.

Dedicatorias

A Dios por darme otra oportunidad de vida.

A mis Padres, les vuelvo a decir: Padres he cumplido.

A mi familia, gracias por su tiempo.

A mis hermanos: no es solo mío este logro, es de los tres.

A mi Director de Tesis: Mtro. Oliver García Ramírez, gracias por confiar en mí.

A la Empresa Madho Corrales, por permitirme hacer mi investigación.

A la UTVM por todo su apoyo.

A mi equipo de trabajo, gracias por compartir mis ideas.

A todos mis amigos de las UT´s que me han acompañado en este desarrollo.

Y a alguien muy especial que me cuida desde el cielo, Juanita.

A todos ustedes… Muchas gracias¡¡¡.

Isra.

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Introducción

Antecedentes

El calentamiento global, para muchos un mito, una falacia, una falsedad pero para otros toda una realidad. Alemania, República Checa, Beijín, por mencionar algunos han sufrido la pérdida irreparable de muchos de sus recursos naturales causa del calentamiento global, en el continente americano no ha sido la excepción, países como Estados Unidos, Brasil y México también han sufrido encarecidamente por el calentamiento global en ciudades como el Distrito Federal donde la calidad del aire disminuye de manera alarmante. (Strenziok D. R., 2011)

En los últimos años, como consecuencia del crecimiento de la población a nivel mundial, ha desencadenado una gran necesidad de energía para poder abastecer y satisfacer las necesidades que día a día son requeridas por la sociedad, por tal motivo el uso de los energéticos fósiles y sus derivados han acelerado de manera alarmante la contaminación y por causa: el calentamiento global. Actualmente el 85% de la población mundial utiliza como principal fuente de energía a los hidrocarburos y tan solo el 1.24% la energía solar. (Strenziok D. R., 2011)

La energía fotovoltaica permite transformar en electricidad la radiación solar a través de células o placas solares. La electricidad producida puede usarse de manera directa (por ejemplo para sacar agua de un pozo o para regar, mediante un motor eléctrico), o bien ser almacenada en acumuladores para usarse en las horas nocturnas. Incluso es posible inyectar la electricidad sobrante a la red general, obteniendo un importante beneficio. La energía solar fotovoltaica puede tener numerosas aplicaciones.

En el desarrollo de la energía fotovoltaica, la Universidad Tecnológica del Valle del Mezquital ha incursionado y contribuido, la creación del Programa Educativo de Energías Renovables es muestra de este avance; es de real importancia que el Programa Educativo de Administración y Evaluación de Proyectos incursionara también en este desarrollo tecnológico, muestra de ello son los siguientes proyectos: Lámparas de LED´s LEDs LIGHT con el cual llegamos a la fase final del concurso “Leamos la Ciencia para Todos” en el año 2012 y el Cargador Universal para Celulares el que presentamos ante el Consejo de Ciencia y Tecnología del Estado de Hidalgo (COCITEH), expusimos los beneficios de contar con un dispositivo de estas características, con estos proyectos damos muestra de los alcances que hemos tenido en tan corto tiempo.

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Objetivos

Objetivo general

A partir de la esencia de la investigación: cualitativa y cuantitativa se analiza las horas de irradiancia, la velocidad del viento y el caudal de agua de la presa, en miras de implementar un sistema integrado de generación de energía eléctrica, es por ello que se plantea el siguiente objetivo: analizar la factibilidad de implementar un Sistema Integrado que satisfaga las necesidades de energía eléctrica en Madho, trayendo la base de implementación de estos en el valle del mezquital. La consecuencia de probar las hipótesis será: el ahorro en el consumo de energía eléctrica suministrada por la red comercial a través de la utilización de sistemas fotovoltaicos, eólicos e hidráulicos en el Parque Eco-turístico Madho Corrales ubicado en el municipio de Alfajayucan, Hidalgo.

Objetivos específicos

En relación a la factibilidad de esta región se plantea lo siguiente:

1.- Examinar las condiciones de irradiancia y las horas de insolación para detonar la implementación de Sistemas Fotovoltaicos (SFV) en la región. 2.- Determinar la velocidad del aire para maximizar e implementar Sistema Eólicos (SE) adecuados a la región. 3.- Hacer los cálculos pertinentes para implementar un Sistema Hidráulico (SH) en la región. 4.- Examinar un modelo que integre los tres tipos de generación de energía eléctrica en la región del caso de estudio.

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Justificación

El campo de estudio de las energías renovables es estrecho, ya que se requiere conocer las condiciones climatológicas de la región donde se pretende implementar estos sistemas, esto es de vital relevancia. Los Sistemas Fotovoltaicos (SF) son en México sistemas ideales para la generación de energía eléctrica. Con una insolación media de 5 kWh/m2, el potencial en México es de los más altos del mundo. Se espera tener instalados 25 MW con tecnología fotovoltaica para 2013, y generar 14 GWh/año.

La Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica (EPIA, por sus siglas en inglés) presento en México su estudio Unlocking the Sunbelt potential of photovoltaics (Liberando el potencial de la energía fotovoltaica en el Cinturón Solar) en conjunto con la Asociación Nacional de Energía Solar (ANES).

El estudio, realizado en colaboración con la firma de consultoría de gestión estratégica A.T. Kearney y con el apoyo de la Alianza para la Electrificación Rural (ARE, por sus siglas en inglés) y la Asociación Española de la Industria Fotovoltaica (ASIF), concluye que la tecnología solar fotovoltaica está preparada para convertirse en una fuente de energía mayoritaria en los países del llamado Cinturón Solar (Sunbelt en inglés), situados entre las latitudes de ± 35° respecto al ecuador. En estos países, caracterizados por unos elevados niveles de radiación solar y, a menudo, altos precios en las tarifas eléctricas, la energía solar fotovoltaica (ESFV) presenta un potencial competitivo único y podría convertirse en una de las principales fuentes de energía antes del año 2020.

México, en particular, se encuentra dentro del grupo de los seis países que presentan el mayor potencial para el uso de este tipo de energía. Su elevado índice de radiación solar y la flexibilidad de su mezcla energética permitirían, junto con el desarrollo de políticas que incentiven la utilización de la ESFV, la materialización integral del potencial de este país en los próximos 10 años. (Solar, 2013)

La instalación de aporte de energía eléctrica puede dimensionarse para satisfacer la demanda requerida o bien ser un medio alternativo, empleando la de origen solar solo para aplicaciones de bajo consumo, por ejemplo en una vivienda, de este modo, la instalación tiene un dimensionamiento muy pequeño. Al tener una demanda mayor, según Tomás Perales (Tomás Perales, 2006) ya que la demanda de una potencia superior a la almacenada provoca el cambio a la conexión de la red convencional o a un sistema generador auxiliar.

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Alcance

El uso de las energías renovables se ha ido incrementado de manera paulatina debido a que el consumo de los energéticos fósiles ha disminuido, esto gracias al crecimiento de la mancha urbana en todo el mundo, el uso de la energía fotovoltaica en México tiene un gran potencial ya que geográficamente estamos ubicados en el llamado cinturón solar y por ello tenemos esa virtud.

En el desarrollo de esta investigación planteo el problema de la contaminación por gases de efecto invernadero y lo aterrizo en la generación de energía eléctrica generada a partir de la quema de energéticos fósiles que es requerida por los desarrollos eco turísticos, el caso en particular el Parque Madho Corrales, siendo la solución para disminuir estos la implementación de las ER.

Planteo varios objetivos: desde la valoración de la carga eléctrica de este desarrollo así como la validación de las horas de insolación que existen en este lugar, planteo también la posibilidad de utilizar energía eólica e hidráulica ya que cuenta con un presa que tira un caudal constante de 1.2m3/s.

Estos análisis me llevan a las siguientes preguntas: ¿La contaminación generada por la quema de combustibles fósiles para la generación de energía eléctrica que es requerida por usuarios rurales como el Parque Eco-turístico Madho Corrales representa altos costo y daña a la región? y ¿La utilización del software HOMER es adecuado para integrar diferentes sistemas de generación eléctrica?, en esta investigación encontrare la respuesta.

Centros de Investigación han dicho que México tiene una irradiancia promedio de 5kw/m2/día, haciendo factible la implementación de SFV, además de estar ubicados en la latitud +35o hace factible esto, y con las bondades de la región donde se encuentra este desarrollo turístico se puede integrar un sistema que satisfaga sus necesidades eléctricas; impactando de manera directa a la disminución de los gases de efecto invernadero.

Esta investigación se realiza en Alfajayucan, Hidalgo en el Parque Eco-turístico Madho Corrales, se inició con la creación de un sensor que fuera capaz de validar las horas de insolación (y nace el sensor OFF Four Sensor), después de ello se levanta las cargas de todo el desarrollo y se dimensionan los sistemas a utilizar en ese lugar, se validan las velocidades del viento y se inician los cálculos para el desarrollo de generación eléctrica a partir de la energía hidráulica, sustentando todo esto en un marco teórico se realizan presupuestos y se divide todo el proyecto por áreas y fases.

Se lleva este proyecto para la obtención de recursos de FONAES para la cristalización del mismo. Por último se presentan resultados de esta investigación y termino con mis conclusiones.

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Esta investigación está basada en dos metodologías: cualitativa y cuantitativa ya que es en campo y se obtienen datos numéricos que a la postre serán validados con un método estadístico, por ello mi hipótesis es que el número de horas de insolación alcanza hasta 10 horas en la región, La velocidad del viento es tal que puede generar energía eléctrica durante las 24 horas del día, mejorando el sistema integrado, El caudal de la o las caídas de agua es el suficiente para que sumado con las otras dos satisfaga las necesidades eléctricas del desarrollo eco-turístico y validar el costo-beneficio de invertir en sistemas fotovoltaicos para reducir los altos costos generados por el consumo de energía comercial.

Las variables que son objeto de esta investigación son: las hora de insolación, la irradiancia en la región, el caudal de al presa y la velocidad del viento, que son requeridas para la integración de un sistema eléctrico que sea capaz de suministrar al 100% las necesidades de energía eléctrica. Todas estas variables alimentan el simulador HOMER para verificar la viabilidad del mismo, cabe destacar que este software es recomendado por la NASA para el dimensionamiento de estos sistemas.

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Capítulo I Marco Teórico Referencial

I.1 Introducción I.2 Teorías fundamentales I.3 Energía solar I.4 Celdas fotovoltaicas I.5 Potencial en México I.6 Magnetismo I.7 Energía Eólica 1.8 Energía Hidráulica

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Capítulo I

Marco Teórico Referencial

I.1 Introducción

La crisis de energía está ante nosotros y será una crisis aguda. El aumento de la demanda de petróleo es tan grande que no puede continuar al ritmo presente por dos razones:

a) Su multiplicación en los países desarrollados durante los últimos años no pudo repetirse en todos los países.

b) La dependencia de la energía en los países desarrollados se ha hecho demasiado grande.

Así, “algo” tiene que ocurrir para romper el curso de los acontecimientos, y este “algo” es la crisis energética. (Poblet, 1985)

“El consumo de energía sigue una curva ascendente que parece no tener fin”. (Becerril Galvan & Rosillo Ramírez, 2011)

El aprovechamiento de las energías renovables no es nuevo, no ha surgido con los últimos avances tecnológicos propiciados por el silicio o los modernos materiales. Hace mucho que aprendimos a utilizar los rayos del sol para fines diferentes de los climatológicos (en el siglo II a.C., Arquímedes ya consiguió quemar las naves romanas que asediaban su pueblo mediante espejos) (Tomás Perales, 2006) y aprovechar los vientos generados como consecuencia de las variaciones de la temperatura para mover las aspas de los molinos.

Es la eterna paradoja: “mientras se desarrollan apresuradamente medios técnico para reducir nuestra dependencia del petróleo, los consumidores despilfarran energía sin saberlo”. La respuesta de algunos expertos es que el “porcentaje de despilfarro es insignificante” con respecto al consumo energético global.

La energía recibida por el sol, cuyas condiciones y especificaciones puede ser empleada mediante transformación directa para obtener energía eléctrica para el consumo individual, o bien para conexión a las redes generales de distribución.

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I.2 Teorías fundamentales

I.2.1 Teoría de los semiconductores

Vamos a tratar de los materiales llamados semiconductores, principalmente porque sus propiedades eléctricas son fundamentales en el funcionamiento de los transistores y de los dispositivos relacionados con ellos.

Un semiconductor es un elemento con propiedades eléctricas entre las de un conductor y las de un aislante. Como cabría esperar, los mejores semiconductores tienen cuatro electrones de Valencia. (Malvino, 2000)

Existen dos caminos diferentes para abordar los problemas centrales de la conducción eléctrica en los semiconductores. El que vamos a considerar primeramente se apoya en la noción de enlace covalente, conocida por los estudios previos de química y que presenta una imagen visual del mecanismo de la conducción.

La materia en general, está constituida por átomos formados por un núcleo cargado positivamente rodeado de los electrones necesarios para hacer que el átomo sea eléctricamente neutro. Los átomos guardan separaciones grandes frente a los diámetros de las órbitas de sus electrones más externos.

La formación de un cristal es como un rompecabezas tridimensional en el que cada pieza (átomo) tenga un número dado de dientes (electrones de valencia) distribuidas con cierta simetría, debiendo alojarse en las piezas para formar una distribución geométrica; las mejores soluciones de rompecabezas son aquellas estructuras que tienen energía mínima ya que son más estables.

La estructura cristalina de los buenos conductores metálicos, tales como el Cu, Al, y Ag, es tal que los electrones exteriores están “compartidos” por todos los átomos.

Después del oxígeno, el silicio es el elemento más abundante de la tierra. Sin embargo, existieron algunos problemas que impidieron su uso como semiconductor; una vez resuelto este problema, las ventajas del silicio lo convirtieron inmediatamente en el semiconductor a elegir. (Malvino, 2000)

Desde un punto de vista, los semiconductores a la temperatura ambiente son a la vez malos conductores y malos aisladores. Sus resistividades a 300K están comprendidas entre 10-3 y 10-5Ω, esto es: a temperaturas muy bajas son aisladores y a temperaturas muy altas son conductores. (R. B. Alder, 1970)

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I.2.1.1 Estados de energía en semiconductores

Entendemos la naturaleza de los semiconductores y puede considerar que sucede cuando un átomo similar está unido desde una forma sólida, como un cristal. Cada átomo comparte sus electrones de valencia con los átomos vecinos, de tal manera que tiene ocho electrones de valencia con los átomos vecinos. La distribución de la energía de los niveles depende de la fuerza ejercida en la distancia interatómica. Este equilibrio entre las fuerzas es el que mantiene unidos a los átomos. La idea es similar a la del juego de tirar de la cuerda, mientras se igualen las fuerzas permanecerán unidos. A este tipo de enlace se le da el nombre de enlace covalente. (Malvino, 2000)

I.2.1.2 Par electrón hueco

La temperatura ambiente en la temperatura del aire circundante. Cuando dicha temperatura es mayor al ser absoluto (-273°c), la energía térmica del aire circundante hace que los átomos de un cristal vibren, cuanto mayor sea la temperatura, más intensas serán las vibraciones, las vibraciones de los átomos de silicio pueden, ocasionalmente, hacer que se desligue un electrón de valencia ganando energía para situarse en otro orbital de nivel energético mayor; dejando un vacío al cual se le denomina hueco y se comporta como una carga positiva.

I.2.1.3 Recombinación y tiempo de vida

En un cristal puro se crean en igual número de electrones libres que de huecos debido a la energía térmica, moviéndose de forma aleatoria a través del cristal, un electrón libre se aproxima a un hueco y caerá hacia él, a esta unión electrón-hueco se le llama recombinación.

El tiempo que transcurre entre la creación y la desaparición de un electrón libre recibe el nombre de tiempo de vida, que varía desde unos cuantos nanosegundos a varios microsegundos, según la perfección del cristal y otros factores.

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I.2.1.4 Dos tipos de flujo

Como ya se mencionó existe el mismo número de huecos que de electrones libres, la tensión aplicada forzará a los electrones libres a circular hacia la izquierda y los huecos hacia la derecha. Cuando los electrones libres llegan al extremo izquierdo, entran al conductor externo y circulan hacia la terminal positiva y viceversa produciendo un flujo estable de electrones libres y de huecos.

I.2.1.5 Dos tipos de semiconductores

Semiconductor tipo n: El silicio que ha sido dopado con una impureza se llama semiconductor tipo n, donde n, hace referencia a negativo. Como los electrones superan a los huecos en un semiconductor tipo n, recibe el nombre de portador.

Semiconductor tipo p: El silicio que ha sido dopado con impurezas trivalentes se llama semiconductor tipo p, como el número de huecos es mayor, los huecos son los portadores mayoritarios.

I.2.1.6 Bandas de energía

El más bajo estado de energía está despreciado a un mínimo valor cuando el cristal se forma. El incremento del porcentaje por la energía potencial que está bajando, relacionado con la energía de cohesión del cristal.

Esta banda es llamada banda de valencia (L. Pankove, 1975) y esta caracterizada por el hecho de que esta está completamente llena de electrones. La banda superior de este estado contiene protones y es llamada banda de conducción, si un electrón esta puesto en esta banda puede adquirir la influencia bajo un campo magnético.

Claro está que mientras el gap de energía no es un estado permitido y no se puede esperar a encontrar un electrón con un rango de energía apropiado.

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Ilustración 1 Bandas de energía

Fuente: Ramírez Bon (2012)

I.2.1.7 Procesos en uniones p-n

Cuando se unen un semiconductor tipo n y otro tipo p, ocurre un flujo de electrones del semiconductor tipo n al tipo p y un flujo de huecos del semiconductor p al n. Este flujo se da como consecuencia del gradiente de concentración de portadores. Este intercambio de portadores origina una polarización positiva en el semiconductor tipo n y negativa en el semiconductor tipo p que genera un campo eléctrico dirigido del semiconductor n al p. El flujo de portadores se detiene cuando este campo eléctrico es suficientemente grande para oponerse al paso de los portadores.

La unión p-n es la componente vital de la mayoría de los semiconductores. Cuando en las regiones de los materiales tipo n y p están trabajando en una forma continua los portadores se distribuyen de tal manera que igualan el nivel de Fermi.

Esta unión está definida por la localización donde el nivel de Fermi es la mitad del gap de energía.

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Ilustración 2 Unión p-n


I.3 Energía solar

El sol es la estrella más próxima a la tierra y es nuestra fuente energética, tienen una distancia media de 149.5 millones de kilómetros; está formado por hidrógeno en 90%, helio en 7% y otros componentes.

Nuestra fuente energética procede de la fusión nuclear que produce su interior como consecuencia de sus componentes. La materia se convierte en energía en forma de radiación electromagnética.

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Tabla 1 Longitud de onda

Franja Longitud de onda Valor

Infrarrojo 0.7 – 3.5µM 46%

Visible 0.4 - 0.7µM 46%

Ultravioleta 0.29 – 4µM 8%

Fuente: Wenham, Green, Watt, & Corkish (2007)

I.3.1 Constante solar

La combinación de tres factores: la distancia Tierra-Sol, el diámetro solar y la temperatura del Sol, determinan un flujo luminoso. Se llama flujo de materia o energía a la cantidad que pasa a través de una superficie por unidad de área y por unidad de tiempo. Por tanto, el flujo luminoso, que es un flujo de energía, tiene unidades de energía por unidad de área (m2) y por unidad de tiempo (s).

Mucho se ha discutido acerca de si el Sol emite un flujo de energía constante, o se trata de una estrella variable. Algunos estudios parecen indicar que la variación de la emisión de energía, por parte del Sol es menor al 1% a lo largo de un ciclo solar, que dura 22 años. No se conoce a ciencia cierta la causa de estas variaciones. Sin embargo, la emisión de energía en el Sol puede considerarse constante.

El recurso energético solar está mucho más ligado, en la superficie terrestre, a las variaciones meteorológicas, que a las solares. La radiación emitida por el Sol, junto con sus condiciones geométricas respecto de la Tierra, dan por resultado que, sobre la atmósfera terrestre, incide una cantidad de radiación solar casi constante.

La radiación solar incide sobre la superficie terrestre después de atravesar nuestra atmósfera, en la que se debilita como consecuencia de los reflejos y la absorción de energía en las nubes, las cuales presentan diferentes estados que determinan la magnitud.

La necesidad de cuantificar la energía para poder dimensionar las instalaciones, ha dado lugar a la denominada constante solar, con la que se indica que la energía incidente fuera de la atmósfera por m2. Si se tiene en cuenta que el sol irradia cada segundo en todas direcciones una energía correspondiente a 4*1026 julios y que la distancia que nos separa tiene un Valor medio de 149.5 millones de kilómetros, se da:

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Estimando una aproximación de 1.35 kw/m2 fuera de la atmósfera terrestre fuente.

Esto ha dado lugar a la definición de la llamada constante solar. La constante solar, es el flujo de energía proveniente del Sol, que incide sobre una superficie perpendicular a la dirección de propagación de la radiación solar, ubicada a la distancia media de la Tierra al Sol, fuera de toda atmósfera.

“La radiación de la superficie del Sol es bastante constante”, la radiación que llega a la superficie de la tierra es muy variable debido a la absorción y dispersión en la atmósfera de la Tierra. (Wenham, Green, Watt, & Corkish, 2007)

Cuando el cielo está despejado, la máxima radiación llega a la superficie de la tierra, cuando el sol está directamente en lo más alto y la luz solar tiene la más corta longitud a través de la atmósfera. Este paso de luz se puede aproximar por:

1/cosφ

donde φ es el ángulo entre el Sol y el punto directamente en lo más alto, como se muestra a continuación.


Ilustración 3 Ángulo del sol

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I.3.2 Masa de aire

Es de tener en cuenta que no toda la energía solar alcanza la superficie terrestre, aproximadamente el 20% se refleja en la atmósfera y se dirige hacia el espacio exterior; las nubes son las masas en suspensión que más provocan este fenómeno, por otra parte la energía es absorbida por moléculas de agua, ozono y oxígeno de las capas altas de la atmósfera.


La constante solar guía analizada se denominada masa de aire 0 (AM0), pero con masas de aire uno, al nivel del mar y condiciones óptimas es de 1kw/m2.

Es común considerar separadamente la radiación directa (o haz) de la radiación difusa y disco solar, la radiación en otras partes del cielo, es la suma conocida como radiación global.

Ilustración 4 Energía en la superficie terrestre

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I.3.3 Componentes de la radiación solar

La reacción de procedencia solar que puede recibir un panel dispuesto sobre la superficie terrestre, con la inclinación adecuada, corresponde a la suma de tres componentes de la misma procedencia que son los siguientes: directa, difusa: cuyo origen es la directa pero atenuada por la atmósfera como consecuencia de la reflexión de las nubes en las que se modifica su dirección y albedo: que en la parte de la difusión y que procede del suelo; en resumen la sumatoria de las tres que es igual a 1000w/m2.

Ilustración 5 Tipos de radiación

Fuente: http://www.villarrubiadelosojos.com/soldelamancha/que_es.htm (2013)

I.3.4 Horas Pico del Sol (HPS)

Este parámetro fundamental interviene en el dimensionado de las instalaciones, el número de horas en las que cada metro cuadrado de superficie captora obtiene en modo constante 1000w de energía, la media diaria en la que se cumple tal condición está situada entre 3 y 6 horas (Perales Benito, 2006).

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Ilustración 6 Horas Pico

Fuente: Perales Benito (2006)

I.4 Celdas fotovoltaicas

Una celda solar es un dispositivo que convierte la energía de la luz del sol en energía eléctrica en forma directa, sin la necesidad de piezas móviles o algún tipo de combustión. El efecto fotovoltaico se produce en materiales conocidos como semiconductores, los cuales son materiales cuya conductividad puede ser modificada y además generar una corriente eléctrica con cargas negativas, positivas o ambas.

La conversión fotovoltaica se basa en el efecto fotoeléctrico, es decir, en la conversión de la energía lumínica proveniente del sol en energía eléctrica. Consiste en la captación de la energía radiante procedente del sol, equivalente a 3.820 MW. Es emitida por su superficie a la temperatura de 13 millones de grados (producida por las fusiones de átomos de Hidrógeno para formar Helio).

Se transmite por el espacio en forma de fotones de luz. Estos fotones atraviesan la atmósfera terrestre perdiendo parte de su energía por los impactos con la misma. Esta pérdida de energía será en función a la distancia que recorre (latitud y altitud del sol) y del tipo de atmósfera que atraviesen (clara o nublada) hasta alcanzar la superficie de la Tierra.

Cuando fotones de un determinado rango de energía chocan con átomos de ciertos materiales semiconductores (el Silicio es el más representativo) les ceden su energía produciendo un desplazamiento de electrones que es en definitiva una corriente eléctrica.

http://www.monografias.com/trabajos/termodinamica/termodinamica.shtml

http://www.monografias.com/trabajos6/fuso/fuso.shtml

http://www.monografias.com/trabajos34/hidrogeno/hidrogeno.shtml

http://www.monografias.com/trabajos5/natlu/natlu.shtml

http://www.monografias.com/trabajos/atm/atm.shtml

http://www.monografias.com/trabajos7/mafu/mafu.shtml

http://www.monografias.com/trabajos15/origen-tierra/origen-tierra.shtml

http://www.monografias.com/trabajos15/origen-tierra/origen-tierra.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/coele/coele.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/coele/coele.shtml

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Estos fotones se caracterizan por su energía y su longitud de onda (que forman lo que se llama espectro solar). Solo una parte de este espectro (que depende del material semiconductor) es aprovechada para el desplazamiento de los electrones.

Los materiales semiconductores, para su utilización en celdas fotovoltaicas, han de ser producidos en purezas muy altas, normalmente con estructura cristalina.

Estos cristales se cortan en rebanadas muy finas (del orden de micras) y se dopan unas con elementos químicos para producir huecos atómicos, lado "p", (en el caso del Si con Boro) y otras con otros elementos para producir electrones móviles, lado "n", (con Fósforo también en el caso del Si).

La unión de una oblea "n" con una "p" (ambas son transparentes y por tanto dejan pasar los fotones) cada una con un conductor eléctrico metálico, forman así una célula fotoeléctrica, la cual bajo la incidencia de fotones, crea una corriente de electrones corriente eléctrica continua a través del circuito eléctrico al que estén conectados los dos conductores de la celda.

Ilustración 7 Principio fotovoltaico

Fuente: Villa Loja (2013)

Los diferentes tipos de celdas fotovoltaicas no responden de igual forma a las distintas longitudes de onda de la luz. En la actualidad, la mayoría de las celdas solares están basadas en silicio, ya que este es el material, se puede decir, es el más maduro de la tecnología. Sin embargo, existen otros materiales que actualmente son objeto de

http://www.monografias.com/trabajos11/lacelul/lacelul.shtml

http://solar.nmsu.edu/wp_guide/energia.ht

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investigación activa y puede reemplazar el silicio en el mediano o largo plazo. Actualmente, las principales aplicaciones identificadas en México son:

La electrificación, La telefonía rural, Radio transmisión y el bombeo de agua para abrevaderos en el sector

agropecuario.

I.5 Potencial en México

Con una insolación media de 5 kWh/m2, el potencial en México es de los más altos del mundo. Se espera tener instalados 25 MW con tecnología fotovoltaica para 2013, y generar 14 GWh/año. La Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica (EPIA, por sus siglas en inglés) presentará en México su estudio Unlocking the Sunbelt potential of photovoltaics (Liberando el potencial de la energía fotovoltaica en el Cinturón Solar) en conjunto con la Asociación Nacional de Energía Solar (ANES). (energía, 2006)

El estudio, realizado en colaboración con la firma de consultoría de gestión estratégica A.T. Kearney y con el apoyo de la Alianza para la Electrificación Rural (ARE, por sus siglas en inglés) y la Asociación Española de la Industria Fotovoltaica (ASIF), concluye que la tecnología solar fotovoltaica está preparada para convertirse en una fuente de energía mayoritaria en los países del llamado Cinturón Solar (Sunbelt en inglés), situados entre las latitudes de ± 35° respecto al ecuador. En estos países, caracterizados por unos elevados niveles de radiación solar y, a menudo, altos precios en las tarifas eléctricas, la energía solar fotovoltaica (ESFV) presenta un potencial competitivo único y podría convertirse en una de las principales fuentes de energía antes del año 2020.

México, en particular, se encuentra dentro del grupo de los seis países que presentan el mayor potencial para el uso de este tipo de energía. Su elevado índice de radiación solar y la flexibilidad de su mezcla energética permitirían, junto con el desarrollo de políticas que incentiven la utilización de la ESFV, la materialización integral del potencial de este país en los próximos 10 años.

I.6 Principios del magnetismo

De acuerdo a que los sistemas: eólico e hidráulico producen energía por medio de

inducción magnética, referiré algunas leyes de electricidad y magnetismo que son

necesarias para el cálculo de estos dos sistemas.

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I.6.1 Electricidad y magnetismo

Las leyes de electricidad y del magnetismo juegan un papel muy importante el operación de dispositivos como por ejemplo generadores eléctricos. Incluso, en su forma más básica, las fuerzas interatómicas e intermoleculares responsables de la formación de sólidos y líquidos son, en su origen, eléctricas. Además, fuerzas como las de empuje y de atracción que se presentan entre objetos, así como la fuerza elástica que posee un resorte provienen de fuerzas eléctricas y existentes a nivel atómico. Un aspecto que es importante de electricidad que se hace evidente a partir de la observación experimental es que, en un sistema aislado, la carga eléctrica siempre se conserva. Esto es, cuando se frota uno objeto contra otro, no se crea cargar en este proceso. El estado de electrificación se debe a una transferencia de carga de un objeto hacia otro.

Ilustración 8 Campos magnéticos

Fuente: artinaid (2013)

I.6.2 Carga que eléctrica que objetos mediante inducción Conviene clasificar los materiales en función de la facilidad con la que se mueven los electrones a través del material: los conductores eléctricos son aquellos materiales en los cuales algunos de los electrones son electrones libres, que no están unidos al átomo y pueden moverse con relativa libertad a través del material. Para comprender cómo se carga un conductor mediante inducción, imagínese un esfera conductora neutra aislada de la tierra, existe en la esfera una cantidad igual de

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electrones y de protones, si la carga del esfera es exactamente igual a cero. Cuando a la esfera se le acerca una varilla de hule con carga negativa, los electrones de la región más cercana a la varilla sufren una fuerza de repulsión y emigran al lado opuesto de la esfera. Al cargar un objeto por inducción no requiere hacer contacto con el objeto que induce la carga; esto es en comparación con cargar un objeto mediante frotamiento siguiendo este fenómeno por conducción, es decir, se requieren de un contacto entre ambos.

Ilustración 9 Inducción magnética

Fuente: Electrostática (2013)

I.6.3 El campo eléctrico

Las fuerzas de un campo pueden actuar a través del espacio, produciendo algún efecto, aun cuando no exista contacto físico entre los objetos que interactúan entre sin, desde este punto de vista, se dice que en la región del espacio que rodea un objeto cargado existe un campo eléctrico: la carga fuente. Cuando otro objeto cargado -la carga prueba- entrar en este campo eléctrico, una fuerza eléctrica actúa sobre el. Definamos el vector E es el campo producido por una carga o distribución de carga en un punto en el espacio como fuerza eléctrica F en que actúa sobre una carga de prueba positiva q colocada en ese punto, se puede expresar de la siguiente manera:

Sí q es positiva, la fuerza tiene la misma dirección que el campo. Si es negativa, la fuerza y del capó tiene en direcciones opuestas.

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Ilustración 10 Campo eléctrico

Fuente: artinaid (2013)

I.6.4 Diferencia de potencial y potencial eléctrico Cuando una carga de prueba q es colocado en un campo eléctrico E creado por alguna distribución fuente de carga, la fuerza eléctrica que actúan sobre ella es qE. Esta fuerza es conservativa, de que la fuerza entre cargas descrita por la ley de Coulomb es conservativa. Cuando la carga de prueba es colocada por algún agente externo en el campo, el trabajo realizado por el campo sobre la carga es igual al trabajo realizado por el agente externo para provocar el desplazamiento, pero con signo negativo; esto se conoce como potencial eléctrico V y viene definido por:

La diferencia de potencia no debe confundirse en con la diferencia de energía potencial. La diferencia de potencial entre A y B depende sólo de la distribución fuente de carga, mientras que la diferencia en energía potencial existe sólo si se desplaza una carga de prueba entre los puntos. El potencial eléctrico es una característica escala de un campo eléctrico, independientemente de las cargas que puedan haber sido colocadas en el campo.

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I.6.5 Campos y fuerzas magnéticas En nuestro estudio sobre electricidad, escribimos las interacciones que ocurren entre objetos cargados en función de campos eléctricos. Recuerde que cualquier carga eléctrica está rodeada por un campo eléctrico. Además de contener un campo eléctrico, el espacio que rodea a cualquier carga eléctrica en movimiento, también contiene un campo magnético. También cualquier sustancia magnética que forma parte de un iman permanente está rodeado de un campo magnético. Podemos definir un campo magnético B en algún punto en el espacio en función de la fuerza magnética F que ejerce el campo sobre una partícula cargada que se mueve con una velocidad v, misma que identificamos como el objeto de prueba. Por ahora, supongamos que no existe ni campo eléctrico ni campo gravitacional en la localización del objeto de prueba, los experimentos efectuados sobre varias partículas cargadas que se mueven en un campo magnético, dan los siguientes resultados:

La magnitud F de la fuerza magnética ejercida sobre la partícula es proporcional a la carga q y a la velocidad v de dicha particular.

La magnitud y la dirección de F depende de la velocidad de la partícula y de la magnitud y dirección del campo magnético.

Cuando una partícula se mueve en forma paralela al vector del campo magnético, la fuerza magnética que actúa sobre ella es igual a cero.

Podemos resumir de estas observaciones escribiendo la fuerza magnética de la siguiente forma:

Cabe destacar que el campo magnético sigue la regla de la mano derecha y determina la dirección del producto vB y en la dirección de F. La ventaja de esta regla es que la fuerza sobre la carga está en la dirección en que se debería empujar con la mano, es decir, hacia fuera de la palma. La fuerza ejercida sobre una carga negativa está en dirección opuesta. La magnitud de la fuerza magnética son una partícula cargada es:

Donde ἀ es el ángulo menor entre v y B. De esta expresión podemos ver que F es igual a cero cuando v es paralela o antiparalela a B.

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Con base en este último enunciado y también con el teorema trabajo energía cinética en, concluimos que el energía cinética de una particular cargada que se mueve a través de un campo magnético lo puede ser modificada por el campo magnético sólo. En otras palabras, cuando una partícula cargada se mueve una velocidad v a través de un campo magnético, éste puede modificar la dirección del sector velocidad pero no puede cambiar la velocidad y la dirección cinética de la partícula.

I.6.6 Fuerza magnética que actúa sobre un conductor que transporta corriente

Si se ejerce una fuerza sobre una partícula cargada cuando ésta se mueve sola través de un campo magnético, no debería sorprendernos que un alambre que transporta una corriente también experimente una fuerza cuando se le coloca en un campo magnético. Esto es así porque la corriente de un conjunto de muchas partículas cargadas en movimiento; de ahí que la fuerza resultante ejercida por el campo sobre el alambre sea la suma vectorial de las fuerzas individuales ejercida sobre todas las partículas cargadas que conforman la corriente. La fuerza ejercida sobre las partículas se transmite al alambre al entrar en colisión con los átomos que forman el alambre. Dando valores a este análisis consideran un segmento recto de alambre de longitud L y de sección transversal A, que lleva una corriente I en un campo magnético uniforme B, la fuerza magnética que se ejerce sobre la carga q en movimiento, con la velocidad de arrastre v. De ahí que la fuerza magnética sobre el alambre de longitud L es:

Es posible escribir esta expresión de la forma más conveniente al observar que, la corriente en el alambre es igual a:

I.6.7 Leyes de inducción de Faraday A fin de poder observar cómo es posible inducir una fuerza electro motriz (fem) debido un campo electromagnético cambiante, consideramos un espira de alambre conectada a un amperímetro sensible, cuando el imán se acerca a la espirar, la aguja del galvanómetro se desvíe en una dirección. En cuanto el imán está en reposo y se mantiene estacionario en relación con la espira, no se observa defección alguna. Cuando el imán es alejado de la expiran la aguja se desvía en la dirección opuesta.

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Finalmente si el imán se mantiene estacionario quizá se mueve ya sea hacia el imán con la dirección opuesta, la aguja se desviará. A partir de estas observaciones, concluimos que la espira detectará que liman se está moviendo respecto a la espira, y está detección es la que relacionamos con un cambio en el campo magnético. Entonces, parece existir una relación entre la corriente en el campo magnético cambiante. (Serway & Jewett Jr., 2008)

I.7 Energía Eólica (EE) Energía eólica es la energía obtenida del viento, es decir, la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire, y que es transmutada en otras formas útiles para las actividades humanas.

I.7.1 ¿Cómo se produce?

La energía del viento está relacionada con el movimiento de las masas de aire que se desplazan de áreas de alta presión atmosférica hacia áreas adyacentes de baja presión, con velocidades proporcionales al gradiente de presión. Los vientos son generados a causa del calentamiento no uniforme de la superficie terrestre por parte de la radiación solar, entre el 1 y 2 % de la energía proveniente del sol se convierte en viento. De día, las masas de aire sobre los océanos, los mares y los lagos se mantienen frías con relación a las áreas vecinas situadas sobre las masas continentales. Los continentes absorben una menor cantidad de luz solar, por lo tanto el aire que se encuentra sobre la tierra se expande, y se hace por lo tanto más liviana y se eleva. El aire más frío y más pesado que proviene de los mares, océanos y grandes lagos se pone en movimiento para ocupar el lugar dejado por el aire caliente.

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Ilustración 11 Parque Eólico

Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e%C3%B3lica (2013) Parque eólico.

Para poder aprovechar la energía eólica es importante conocer las variaciones diurnas y nocturnas y estacionales de los vientos, la variación de la velocidad del viento con la altura sobre el suelo, la entidad de las ráfagas en espacios de tiempo breves, y valores máximos ocurridos en series históricas de datos con una duración mínima de 20 años. Es también importante conocer la velocidad máxima del viento. Para poder utilizar la energía del viento, es necesario que este alcance una velocidad mínima que depende del aerogenerador que se vaya a utilizar pero que suele empezar entre los 3 m/s (10 km/h) y los 4 m/s (14,4 km/h), velocidad llamada "cut-in speed", y que no supere los 25 m/s (90 km/h), velocidad llamada "cut-out speed". La energía del viento es utilizada mediante el uso de máquinas eólicas (o aeromotores) capaces de transformar la energía eólica en energía mecánica de rotación utilizable, ya sea para accionar directamente las máquinas operatrices, como para la producción de energía eléctrica. En este último caso, el sistema de conversión, (que comprende un generador eléctrico con sus sistemas de control y de conexión a la red) es conocido como aerogenerador. En la actualidad se utiliza, sobre todo, para mover aerogeneradores. En estos la energía eólica mueve una hélice y mediante un sistema mecánico se hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador, que produce energía eléctrica. Para que su instalación resulte rentable, suelen agruparse en concentraciones denominadas parques eólicos. (Wikipedia, 2013)

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Turbiny_wiatrowe_ubt.jpeg

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Ilustración 12 Despiece de aerogenerador

Fuente: http://www.google.com.mx/imgres (2013)

I.7.2 Futuro en México de la EE

La Secretaría de Energía (SENER) publicó, en el marco de la Iniciativa para el desarrollo de las energías renovables en México, cinco estudios detallados sobre el potencial de las tecnologías eólica, solar fotovoltaica, geotérmica, biomasa y cogeneración, cuya información permitirá dirigir los esfuerzos de manera óptima y continuar con los objetivos planteados. El documento sobre energía eólica muestra la relevancia que está tomando la tecnología en el sector energético mexicano con 1,300 MW ya en operación y el potencial de desarrollo 12,000 MW eólicos competitivos adicionales en los próximos 8 años. Esto tendría impactos positivos para México entre los que destacan la inversión y los empleos, y de consolidarse un crecimiento sostenido, la posibilidad de detonar una industria completa con toda su cadena de valor. (SENER, 2012)

I.8 Energía Hidráulica (EH)

Se denomina energía hidráulica, energía hídrica o hidroenergía, a aquella que se obtiene del aprovechamiento de las energías cinética y potencial de la corriente del agua, saltos de agua o mareas. Es un tipo de energía verde cuando su impacto

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ambiental es mínimo y usa la fuerza hídrica sin represarla, en caso contrario es considerada sólo una forma de energía renovable.

Se puede transformar a muy diferentes escalas, existen desde hace siglos pequeñas explotaciones en las que la corriente de un río mueve un rotor de palas y genera un movimiento aplicado, por ejemplo, en molinos rurales. Sin embargo, la utilización más significativa la constituyen las centrales hidroeléctricas de presas, aunque estas últimas no son consideradas formas de energía verde por el alto impacto ambiental que producen. (Wikipedia, 2013)

I.8.1 Principio de generación

El principio básico de la generación de energía hidroeléctrica, consiste en que la energía potencial gravitatoria es almacenado en el agua por encima de la represa. Debido a la gran altura del agua, que llegará a las turbinas con mucha fuerza ejerciendo una alta presión sobre las mismas, lo que significa que podemos extraer una gran cantidad de energía de ella. Luego, el agua fluye por el cauce del río en su curso normal.

Ilustración 13 Energía Hidráulica

Fuente: http://www.google.com.mx/imgres (2013)

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I.8.2 Futuro en México de la EH

A febrero de 2012, México contó con 14,324 MW de capacidad instalada de generación eléctrica basada en energías renovables, incluyendo grandes hidroeléctricas, lo que representó el 22.3% de la capacidad total de generación eléctrica en el país. Se estima un potencial hidroeléctrico de 53,000 MW, la meta del gobierno federal es alcanzar una capacidad instalada de tecnologías limpias de 35% para el año 2024 Se estima que para 2025 se incrementen 18,716 MW a la ya existente capacidad instalada para la generación de electricidad a partir de energías renovables, liderada por una mayor participación del sector eólico (60.3%) e hidráulico (24.3%). (SENER, 2012)

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Capítulo II Metodología de la investigación

II.1 Planteamiento del problema II.2 Delimitación II.3 Formulación del problema de investigación II.4 Objetivos II.4.1Objetivo general II.5 Metodología II.6 Mapa de investigación

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Capítulo II

Metodología de la investigación

II.1 Planteamiento del problema

El cuarto reporte del IPCC destaca que las emisiones de los distintos gases de efectos invernadero (GEI), como el bióxido de carbono (CO ), el metano (CH4), el óxido nitroso (N2O) y los clorofuorocarburos (CFC), han alterado la composición de los gases en la atmósfera, atrapando parcialmente más radiación de onda larga saliente y con ello, se ha modificado el balance radiactivo promedio. En el caso de las emisiones de CO, se deben en gran medida al consumo de combustibles de origen fósil (petróleo, gas y sus derivados, como la gasolina) sobre todo en el sector transporte, así como la deforestación y la producción de cemento. La principal consecuencia del aumento en las concentraciones de los GEI es el fenómeno conocido como cambio climático reflejado en un aumento de la temperatura media del planeta, cambios en los patrones de precipitación, reducción de la criósfera, alza del nivel del mar y modificaciones en los patrones de eventos climáticos extremos. Así, tenemos que la anomalía en la temperatura se ha incrementado pasando de 0.16 °C en 1977 a 0.76 °C en 2007, lo cual implica un aumento promedio anual del orden de 7.9% desde 1977 a 2007. Estos resultados son confirmados por distintas investigaciones así como distintos centros meteorológicos a nivel mundial, tomando mediciones tanto en la superficie terrestre como en el nivel del mar. (Catalan & Sánchez, 2009) Los sectores petróleo y petroquímica y generación de energía eléctrica generan 96 por ciento de la contaminación industrial en México, de acuerdo con datosde la Secretaría de Medio Ambiente. El Registro de Emisiones y Transferencia de Contaminantes (RETC), cuyo primer informe público fue dado a conocer a mediados del mes pasado, reporta que las instalaciones de Petróleos Mexicanos (Pemex) arrojan cada año al aire, el agua y al suelo más de 970 millones de toneladas de sustancias peligrosas para el medio ambiente y la salud. Las centrales de la Comisión Federal de Electricidad, en tanto, generan 760 millones de toneladas de contaminantes. La mayor parte de las emisiones contaminantes del sector energético corresponden a gases de efecto invernadero -como bióxido de carbono, metano y bióxido de nitrógeno-, que afectan la calidad del aire en los centros de población cercanos a las fuentes y contribuyen al fenómeno del calentamiento global.

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Sólo el Centro de Proceso Akal de Pemex y sus plataformas marinas, en Campeche, emiten 944.8 millones de toneladas de bióxido de carbono. La Central termoeléctrica Valle de México de la CFE genera 3.3 millones de toneladas. Pero las emisiones del sector energético incluyen también sustancias altamente tóxicas. El Complejo Termoeléctrico Presidente Adolfo López Mateos de la CFE, en Tuxpan, Veracruz, por ejemplo, es el principal emisor de ácido sulfhídrico, con 152 mil toneladas. La sustancia es un gas asociado al petróleo crudo que, de acuerdo con la Agencia para Sustancias Tóxicas y el Registro de Enfermedades de Estados Unidos, puede causar pérdida del conocimiento e incluso la muerte en concentraciones altas. (Osorio, 2006)

Es por ello que el problema es la contaminación generada por la quema de combustibles fósiles para la generación de energía eléctrica que es requerida por usuarios rurales como el Parque Eco-turístico Madho Corrales y el alto costo que significa para estas unidades.

II.2 Delimitación

Esta investigación se realiza en el Parque Eco turístico Madho Corrales, el cual está ubicado en el municipio de Alfajayucan en el estado de Hidalgo, los primeros análisis realizados en este lugar, indicaron una insolación con duración de 10 horas, este ejercicio se realizó en el año 2011, el cual es base para este trabajo.

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Ilustración 14 Macrolocalización de Parque Eco-turístico Madho Corrales

Fuente: López Mendoza (2011)

Ilustración 15 Ubicación Parque Eco-turístico Madho-Corrales

(Googlempas, 2013)

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Se analiza, de acuerdo a los estudios realizados en la maestría de energías renovables: los tiempos de irradiancia que existe en este lugar para optimizar los sistemas fotovoltaicos que serán instalados.

El Parque Eco-turístico cuenta también con un aerogenerador, dado este dato se valorará los beneficios de implementar un sistema híbrido con estos, para así mejorar la generación de energía eléctrica.

Cabe destacar que este desarrollo turístico cuenta con una presa, la cual tiene un caudal aproximado de 1.5m3, teniendo suficiente energía para implementar un sistema hidráulico; la suma de los tres sistemas será suficiente para abastecer al 100% la necesidad de este desarrollo.

Ilustración 16 Fotografías de Madho

Fuente: elaboración propia (2011)

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Ilustración 17 Fotografías de Madho

Fuente: Elaboración propia (2011)

II.3 Formulación del problema de investigación

La necesidad creciente de energéticos consecuencia del aumento de la población a nivel mundial, ha desencadenado la sobre explotación de hidrocarburos, trayendo como consecuencia la emisión de gases de efecto invernadero a nuestra atmósfera, con el desarrollo y uso de sistemas fotovoltaicos se pretende generar energías limpias y seguras para la humanidad, en el caso práctico de Madho Corrales se pretende colaborar con la disminución de estos gases al implementar estos sistemas, además del eólico e hidráulico.

El sol se encuentra a 1.635*109km de la tierra, la temperatura en su corteza es más de 5762K, después de 8 minutos aproximadamente, la luz emitida por el sol llega a la atmósfera terrestre con una irradiancia de 1635W/m2. Filtrada esta radiación en nuestra atmosfera, investigadores han definido una irradiancia de 1000W/m2 en la corteza terrestre, existen tres tipos de irradiancia: directa, difusa y albedo.

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Por las condiciones climatológicas en el Parque Eco-turístico hace factible la implementación de sistemas fotovoltaicos, pretendo analizar el número de horas que recibe irradiancia para así sustentar la implementación de otros sistemas fotovoltaicos, al igual que determinar la velocidad del aire para la factibilidad de sistemas eólicos e iniciar con los estudios para la implementación de un sistema hidráulico.

La consecuencia que se observa es la disminución de los altos costos generados por el consumo de energía comercial, sin embargo (esto no es cuestión de este proyecto pero lo debo de mencionar) es que la empresa encargada de generar y vender energía eléctrica debe valorar estas instalaciones para certificar su consumo.

II.4 Objetivos

II.4.1 Objetivo general

A partir de la esencia de la investigación: cualitativa y cuantitativa se analiza las horas de irradiancia, la velocidad del viento y el caudal de agua de la presa, en miras de implementar un sistema integrado de generación de energía eléctrica, es por ello que se plantea el siguiente objetivo: analizar la factibilidad de implementar un Sistema Integrado que satisfaga las necesidades de energía eléctrica en Madho, trayendo la base de implementación de estos en el valle del mezquital. La consecuencia de probar las hipótesis será: el ahorro en el consumo de energía eléctrica suministrada por la red comercial a través de la utilización de sistemas fotovoltaicos, eólicos e hidráulicos en el Parque Eco-turístico Madho Corrales ubicado en el municipio de Alfajayucan, Hidalgo.

II.4.2 Objetivos específicos

1.- Examinar las condiciones de irradiancia y las horas de insolación para detonar la implementación de Sistemas Fotovoltaicos (SFV) en la región. 2.- Determinar la velocidad del aire para maximizar e implementar Sistema Eólicos (SE) adecuados a la región. 3.- Hacer los cálculos pertinentes para implementar un Sistema Hidráulico (SH) en la región.

43



4.- Examinar un modelo que integre los tres tipos de generación de energía eléctrica en la región del caso de estudio.

II.5 Metodología

La investigación contempla dos grandes paradigmas: el cualitativo (también conocido como interpretativo o comprensivo) y el cuantitativo (también conocido como explicativo), los cuales tienen su origen en las tradiciones de Aristóteles y Galileo.

II.5.1 Cuantitativa

Utiliza la recolección y el análisis de datos para contestar preguntas de investigación y probar hipótesis, confiando en la medición numérica, el conteo y frecuentemente en el uso de estadísticas para establecer con exactitud patrones de comportamiento en una población. Según Sampieri (Sampieri, Fernández Collado, & Baptista Lucio, 2003) se utiliza primero para describir y refinar preguntas de investigación. A veces, pero no necesariamente, se prueban hipótesis (Grinnel & A. Unrau, 2005).

II.5.1.1 Formulación de hipótesis

De acuerdo a las necesidades energéticas que tiene el parque ecológico, planteamos las siguientes hipótesis:

a) Las horas de irradiancia son las necesarias para satisfacer la demanda requerida de acuerdo a la carga que puede ser alcanzada con un sistema fotovoltaico.

b) La velocidad del viento es suficiente para generar energía eléctrica durante las 24 horas del día, mejorando el sistema integrado.

c) El caudal de la o las caídas de agua es el suficiente para que integrado con

las otras dos fuentes de energía satisfaga las necesidades eléctricas del desarrollo eco-turístico.

d) Validar el costo-beneficio de invertir en sistemas fotovoltaicos para reducir los altos costos generados por el consumo de energía comercial.

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II.5.1.2 Método de comprobación

El método de comparación será de acuerdo a un análisis inferencial con distribución normal, para así determinar los posibles procesos estocásticos y medirlos.

II.5.1.3 Población y muestra

Serán establecidos de acuerdo al número de días que resulte de la técnica de muestreo para poblaciones finitas, teniendo un 50% de probabilidad de éxito como de fracaso.

II.5.2 Cualitativa

II.5.2.1 Estrategias de investigación

La investigación de carácter cualitativo ha adquirido una gran relevancia dado que permite un acercamiento global y comprensivo de la realidad. El reciente interés por los métodos cualitativos en la investigación educativa afirma (Walker, 1986) se deriva más de su flexibilidad que de cualquier otra cualidad intrínseca que posean.

De acuerdo a (Guba & Lincoln, 1981), el paradigma de la investigación cualitativa se basa en el supuesto de la existencia de múltiples realidades y que todas esas partes de la realidad están interrelacionadas de tal manera que el estudio de una parte influye en todas las demás. Es bajo este supuesto que definó para la presente investigación la utilización del método.

En relación a la fiabilidad del método cualitativo citaremos a (Goetz & LeCompte, 1988): si se le compara con los diseños experimentales de laboratorio, estrictamente controlados, o con los experimentos de campo, los diseños cualitativos parecen resistirse a todo intento de replicación. El tipo de datos y los procedimientos que lo caracterizan pueden excluir la utilización de controles estandarizados, esenciales en la investigación experimental. Para ajustarse a las limitaciones impuestas por el control experimental, es necesaria una manipulación de los fenómenos que deforma su aparición natural. Por otra parte, los intentos de realizar mediciones rigurosas pueden impedir la elaboración de categorías analíticas potentes si los fenómenos observados son reducidos o estandarizados prematura o inadecuadamente (p. 271).

La utilización del método cualitativo en la presente investigación pretende observar y analizar el fenómeno de estudio, el cuál describimos como “el proceso de utilización de energías alternativas en el Parque Eco turístico Madho Corrales”.

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II.5.2.2 Método de comprobación

La comparación de lo dicho por los gurús con respecto a los datos generados en la observación de campo.

II.5.2.3 Proceso y plan de la investigación

(Creswell, 1998), menciona que existen cinco tradiciones fundamentales en el método cualitativo: Biografía, Fenomenología, Teoría Fundamentada, Etnografía y Casos de Estudio.

El Caso de Estudio ha probado estar en armonía con la descripción, el entendimiento y la explicación profunda de los fenómenos que procura la investigación cualitativa (Lucca & Berrios, 2002). Este diseño ha sido utilizado para describir o explorar un fenómeno de bajo análisis, para la búsqueda de soluciones, explicar situaciones, desarrollar, construir o refutar teoría.

Varios investigadores han utilizado el Estudio de Caso en disciplinas como la psicología (Bromley, 1986), sociología (Creswell, 1997; Yin, 2002), educación (Stake 1978, 1995).

Derivado de lo anterior se decide utilizar el Estudio de Caso como la tradición o diseño metodológico para la presente investigación, aplicando como herramientas: la observación, la entrevista, la videograbación y el análisis de documentación.

46



II.6 Mapa de investigación


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Capítulo III Análisis de las condiciones para la

implementación del Sistema de Energías Renovables

en el Valle del Mezquital

III.1 Introducción III.2 Energía Solar III.3 Energía Eólica III.4 Energía Hidráulica

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Capítulo III

Análisis de las condiciones para la implementación del Sistema de Energías Renovables en el Valle del Mezquital

III.1 Introducción

Las aplicaciones de las energías renovables ER tiene un gran potencial que permite a la sociedad mundial satisfacer su demanda. Esto gracias a la diversidad de alternativas en el Mercado, el aumento del uso de las energías limpias y la reducción global de las emisiones de gases de efecto invernadero. Esto puede ser una opción atractiva para cubrir dichas necesidades en servicios de energía, (particularmente en ciudades y áreas rurales) y otras posibilidades en equipamiento en procesos específicos. En resumen, el uso de las ER están siendo utilizadas en muchas aplicaciones y ciudades, siendo algo muy promisorio el uso de la Energía fotovoltaica. (Tiwari & Dubey, 2010).

III.2 Energía Solar

La Universidad Tecnológica del Valle del Mezquital a través de los programas educativos de Administración y Evaluación de Proyectos y de Energías Renovables han desarrollado proyectos que han vinculado a los sectores productivos, el uso de esta tecnología se ha desarrollado de manera paulatina en proyectos como: lámparas de leds, cargador universal para celular es entre otros, son muestra de este desarrollo en esta región.

III.2.1 Irradiancia NASA

Según la NASA meteorología de superficie y Energía Solar – Definiciones, estos son los Parámetros para la cocción solar: Mensual Incidente Insolación promediada sobre una superficie horizontal, las lecturas de 22 años promedio. El importe medio mensual de la incidencia total de la radiación solar sobre una superficie horizontal en la superficie de la tierra durante un mes, en promedio para ese mes en el período de 22 años (desde 07 1983 hasta junio 2005). Cada valor medio mensual se evalúa como el promedio de los valores numéricos de 3 horas para el mes dado en kWh/m2/día.

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Nota: es también conocida como radiación global horizontal Referencia SSE Metodología para la discusión detallada de la metodología para obtener la insolación superficie horizontal SSE a partir de observaciones satelitales. (M. Kustere, 2013)

Parameters for Solar Cooking:

Monthly Averaged Insolation Incident On A Horizontal Surface (kWh/m2/day)

Lat 20.24 Lon -99.2

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

22-year Average 4.59 5.60 6.48 6.67 6.56 6.15 5.98 5.95 5.17 4.93 4.75 4.30

Fuente: M. Kustere, John (2013) Arroja un promedio de 5.6kwh/m2día

III.2.2 Irradiancia Observatorio de Radiación Nacional UNAM

Los antecedentes de los estudios de radiación solar en nuestro país pueden situarse en los años de 1911 a 1928, cuando el investigador de origen polaco Ladislaw Gorczynski realizó mediciones actinómetricas en el Observatorio Meteorológico de Tacubaya y otros lugares del mundo para determinar las características de la radiación solar a nivel de superficie con ayuda de un sensor desarrollado por él mismo (termopila de Gorcynsky). Entre los investigadores nacionales que iniciaron los trabajos de investigación en este campo podemos mencionar al Ing. Jesús Martínez G. y al Dr. Ignacio Galindo Estrada miembros del Instituto de Ciencia Aplicada, que más tarde se incorporara al Instituto de Geofísica de la UNAM. Instituto. En el año de 1956 empiezan a efectuarse mediciones de radiación solar en el Instituto de Ciencia Aplicada auspiciado por la UNESCO con donaciones de equipo de diversos países participantes del Año Geofísico Internacional, y adquisiciones del propio Instituto; se realiza mediciones de: duración de la insolación, radiación global, radiación difusa y radiación directa (flujos totales). Estas observaciones reciben validación internacional gracias a la adquisición de un pirheliométro patrón (Pirheliómetro de Compensación de Angström, No. 166, del Servicio Meteorológico sueco) y de un pirheliómetro estándar, de disco de plata, Abbot No. 13. Esto permitió que el Observatorio de Radiación Solar de Ciudad Universitaria pudiera ser considerado oficialmente dentro de los puntos de observación de la Red Actinométrica Mundial. Así

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mismo, con la adquisición del Espectofotómetro Dobson No. 98, comienza la participación de nuestro país en la Red Ozonométrica Mundial. Además del Observatorio de Radiación Solar de Ciudad Universitaria, se han tenido estaciones solarimétricas en Mezcala, Gro., Chilpancingo, Gro., Chihuahua, Chih., Altzomoni, Edo. deMéx., Laguna del Rey, Coah. y Orizabita,Hgo.

Presento los datos referentes al número de horas de insolación del Observatorio de Radiación Nacional perteneciente a la UNAM. (Nacional, 2011)

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Tabla 2: Horas de Insolación Observatorio de Radiación Nacional (UNAM)

FECHA TOTAL

01/01/2006 8.1

02/01/2006 8.9

03/01/2006 9.1

04/01/2006 8.2

05/01/2006 9.3

06/01/2006 5.9

07/01/2006 9.2

08/01/2006 9.1

09/01/2006 9.1

10/01/2006 8.9

11/01/2006 7.9

12/01/2006 6.2

13/01/2006 7.6

14/01/2006 7.7

15/01/2006 6.5

16/01/2006 9.2

17/01/2006 8.4

18/01/2006 9.2

19/01/2006 9.2

20/01/2006 9.1

21/01/2006 9.6

22/01/2006 7.6

23/01/2006 6.4

24/01/2006 7.4

25/01/2006 0

26/01/2006 4.7

27/01/2006 7.2

28/01/2006 2.7

29/01/2006 4

30/01/2006 9

31/01/2006 6

Fuente: Nacional, Observatorio de Radiación (2006)

Dando un promedio de 7.46kwh/m2día

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III.2.3 Irradiancia en el estado de Hidalgo

La siguiente tabla presenta la irradiancia promedio anual que se presenta en el estado de Hidalgo.

Tabla 3 Insolación global en Hidalgo

Estado Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Min Max Med

Hidalgo 4.6 5.1 5.6 6.8 6 5.7 6 5.8 5.3 4.9 4.6 4.2 4.2 6.8 5.4

Fuente: Almanza, R.(2013)

III.2.3.1 Irradiancia en el valle del mezquital

Para medir la irradiancia en el valle del mezquital fue utilizado el piranometro OFF FOUR SENSOR que desarrollé para hacer las pruebas en Madho, cabe destacar que los datos presentados son promedios de la temporada de invierno y la temporada de verano, los resultados de estas medidas fueron los siguientes:

Tabla 4 Irradiancia en el valle del mezquital

Hora Rango Verano Rango invierno

10:00:00 5.07 3.19

10:10:00 5.70 5.70

10:20:00 5.30 5.70

10:30:00 5.70 1.82

10:40:00 5.70 5.70

10:50:00 5.70 5.70

11:00:00 5.70 5.70

11:10:00 5.70 5.70

11:20:00 5.70 5.70

11:30:00 5.70 5.70

11:40:00 5.70 5.70

11:50:00 5.70 5.70

12:00:00 5.70 5.70

12:10:00 5.70 5.70

12:20:00 5.70 5.70

12:30:00 5.70 5.70

12:40:00 5.70 5.70

12:50:00 5.70 5.70

13:00:00 5.70 5.70

53



13:10:00 5.70 5.70

13:20:00 5.70 5.70

13:30:00 5.70 5.70

13:40:00 5.70 5.70

13:50:00 5.70 5.70

14:00:00 5.70 5.70

Total 141.47 136.12

Promedio 5.66 5.44

5.55kwh/m2día


III.3 Energía Eólica

III.3.1 Velocidad del viento Meteorológico Nacional (CONAGUA)

De acuerdo al meteorológico nacional, no existen datos de las velocidades del viento en El valle del mezquital y por tanto ni en Alfajayucan, es por ello que se opta por utilizar los datos de otra ciudad: la sede del Pachuca tiene características y condiciones similares a las de Alfajayucan por ello se decide tomar esta ciudad como referencia, los datos presentados reflejan la inconsistencia de los sistemas eólicos en estas dos ciudades, a continuación se presentan los datos de las velocidades de viento según este centro de investigación.

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Tabla 5 Velocidades del viento

SUBDIRECCIÓN GENERAL TÉCNICA

COORDINACIÓN GENERAL DEL SERVICIO METEOROLÓGICO NACIONAL

LATITUD: 20° 07' 42'' VELOCIDAD MEDIA ESTACIÓN:

LONGITUD: 98° 44' 51'' DEL VIENTO m/s OBSERVATORIO PACHUCA

ALTITUD: 2425 Msnm ESTADO: HIDALGO

AÑO ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC ANUAL

2001 2.2 2.3 2.7 2.3 2.2 2.1 2.2 2.5 3.4 2.6 2.2 2.3 2.4

2002 2.2 2.3 2.5 2.3 2.3 2.2 2.2 1.8 1.7 2.0 2.6 1.8 2.2

2003 2.2 2.5 2.5 2.2 2.2 - - - - - - - 2.3

2004 - - - - - - - - - - - -

2005 - - - - 2.2 4.9 2.2 2.0 1.9 - 3.5 3.2 2.8

2006 4.0 4.3 4.2 2.9 2.9 2.2 5.1 - 4.4 4.1 - - 3.8

2007 - - - 3.2 5.2 1.0 3.7 4.6 4.6 3.7

2008

2009

2010

SUMA 10.6 11.4 11.9 12.9 17.0 12.4 15.4 10.9 16.0 8.7 8.3 7.3 17.2

PROM 3 3 3 3 3 2 3 2 3 1 1 1 3

Fuente: CONAGUA (2013)

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SUBDIRECCIÓN GENERAL TÉCNICA COORDINACIÓN GENERAL DEL SERVICIO

METEOROLÓGICO NACIONAL

LATITUD: 20° 07' 42''

DIRECCIÓN Y VELOCIDAD ESTACIÓN:

LONGITUD: 98° 44' 51'' DEL VIENTO DOMINANTE OBSERVATORIO PACHUCA

ALTITUD: 2425 msnm m/s ESTADO: HIDALGO


2001

2.9 2.7 3.1 2.9 2.7 2.9 2.5 3.0 3.8 3.1 2.6 2.4 2.7

N NNE NNE NNE NNE NNE NNE NNE NE NNE NNE NNE

2002

2.6 2.3 2.6 2.3 2.8 4.0 3.0 1.9 1.8 1.9 3.3 2.3 2.4

NNE NNE NNE NNE NNE NE NE NNE SW NNE NE NNE

2003

2.4 2.6 2.4 1.9 2.3

NNE NNE NNE NNE - - - - - - - -

2004

- - - - - - - - - - - -

2005

2.4 2.8 2.9 1.1 1.6 3.3 3.9 2.8 2.6

- - - - NNE NNE NNE NNE SW NNE NNE NNE

2006

5.0 - - 3.5 3.2 2.1 4.8 5.4 2.1 1.8 2.9 3.7

NNE NNE NNE NNE NNE N NNE - NNE NNE NNE NNE

2007

2.9 2.2 2.3 1.9 2.1 2.8 2.8 3.0 2.5

NE NNE - NE NE NE NE NE NNE

2008

2009

2010

SUMA 15.8 9.8 8.1 12.9 13.0 13.9 16.0 8.8 15.6 10.4 11.6 10.4 16.2

PROM 3.2 2.5 2.7 2.6 2.6 2.8 3.2 2.2 3.1 2.6 2.9 2.6 2.7


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III.3.2 Velocidad del viento en el valle del mezquital En el valle del mezquital, no existe un desarrollo eólico que sea implementado por alguna instancia de gobierno o privada, sin embargo existe centrales meteorológicas independientes que aportan este tipo de información, la cual cito a continuación.

Tabla 6 Velocidades del viento en Ixmiquilpan

Fuente: meteorológico Pachuca (2013)

Sin embargo estos datos los debo de validad, por ello comienzo a desarrollar un aerogenerador capaz de registrar las velocidades del viento en función al voltaje generado, este generador está calculado en base a la permeabilidad magnética del hierro carbónico y a factores de resistencia a una temperatura de 30°c, presento el avance del dicho dispositivo.

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Ilustración 18 Ensamble del aerogenerador


III.4 Energía Hidráulica

En el estado de Hidalgo las corrientes de agua son escasas, esto se debe principalmente al clima y a la topografía, de las porciones de el norte y noreste, los vientos húmedos del golfo de México propician abundantes lluvias, lo abrupto de la sierra Madre oriental impide el aprovechamiento de los escurrimientos, ya que descienden rápidamente de las zonas bajas, las cuales forman parte de los estados de San Luis, Veracruz y Puebla. (Wikipedia, 2013)

III.4.1 Cuencas y ríos en el valle del mezquital

El río Tula es una corriente de agua que corre por el estado, toma su nombre de la ciudad de Tula de Allende, una de las principales poblaciones por las que atraviesa su recorrido. Aunque originalmente nacía en el valle de Tula, desde la construcción del sistema de desagüe de la Cuenca de México en el siglo XVII, en el río Tula recibe las aguas de los ríos del valle de México que originalmente alimentaban a los lagos de Texcoco, Chalco, Xochimilco, Zumpango y Xaltocan. (Wikipedia, 2013) En el estado hay nueve presas, la presa Endho está localizada en los municipios de Tepetixtla, Tula de Allende, sirve para irrigar más de 8000 hectáreas de tierras de cultivo la región de Tula y parte del valle del mezquital. La prensa la Requena ubicada

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en Tepeji del río, que pueden ver aves migratorias como carta blanca y gris pelícanos impactos además de ser una fuente de trabajo para pescadores. Existen también lugares donde emana agua esto es en los parques acuáticos en el Tephe, Humedades y Dios Padre siendo estos explotados para un desarrollo turístico denominado corredor de balnearios.

III.4.2 Desarrollo Hidroeléctrico en el valle del mezquital A pesar de encontrarnos entre dos ríos y lagunas, en el valle del mezquital no se ha explotado de manera eficiente estos caudales que por naturaleza se tienen, es por ello que el desarrollo de este caso en el parque Eco-turístico será uno de los primeros en desarrollarse dentro de esta región.

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Capítulo IV Estudio de caso Madho Corrales

IV.1 Introducción IV.2 Descripción del caso IV.3 Caracterización del SF IV.4 Sistema fotovoltaico IV.5 Sistema eólico IV.6 Sistema Hidráulico IV.6 Sistema integrado

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Capítulo IV

Estudio de caso Madho Corrales

IV.1 Introducción

Esta investigación se realiza en el Parque Eco turístico Madho Corrales, el cual está ubicado en el municipio de Alfajayucan en el estado de Hidalgo, los primeros análisis realizados en este lugar, indicaron una insolación con duración de 10 horas, una velocidad del viento promedio de 5m/s y un caudal de 1200l/s.

VI.2 Descripción del caso

Se trata de implementar un sistema integrando como parte principal: sistemas fotovoltaicos, sistemas hidráulicos y sistemas eólicos, en el parque eco-turístico Madho, ya que tienen las condiciones climatológicas adecuadas para generar energía eléctrica. Madho Corrales se localiza en el Municipio Alfajayucan del Estado de Hidalgo México y se encuentra en las coordenadas GPS: Longitud (dec): -99.380278, Latitud (dec): 20.500278. La localidad se encuentra a una mediana altura de 1800 metros sobre el nivel del mar. NOMBRE:MADHO CORRALES. DOMICILIO: Turismo de Naturaleza Madho Corrales Desarrollo Ecoturistico Alfajayucan Hgo. C.P 41390 Tel.772-122-86-03 ó 772-110-36-05 Email: madhocorrales.over-blog-es Web: www.madhocorrales.com

http://www.nuestro-mexico.com/Hidalgo/Alfajayucan/

http://www.nuestro-mexico.com/Hidalgo/

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Ilustración 19 Micro localización de Madho Corrales

Fuente: Googlempas (2013)

Ilustración 20 Madho Corrales

Fuente: Googlempas (2013)

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IV.2.1 Filosofía organizacional

Misión Somos un parque eco turístico preocupado por la seguridad y tranquilidad de sus visitantes en un espacio amplio y agradable para la diversión de toda la familia a través de tirolesa, lanchas y placenteras cabañas además de la producción y comercialización de pescado con las más estrictas reglas de producción, comprometiéndonos cada vez más con el desarrollo y la sustentabilidad de nuestro entorno.

Visión

Nuestro reto es fomentar el desarrollo económico de la región así mismo Consolidarnos dentro del mercado regional como un parque eco turístico líder por placenteros descansos de diversión reconocido por la región por su pescado de calidad y sus grandes áreas de placenteros descansos así como apoyando al desarrollo social y ambiental.

Este desarrollo ecológico permitió de manera amable realizar esta investigación, siendo parte de ella el dimensionamiento de cargas en su complejo, a continuación se presenta dicho dimensionamiento:

63



Ilustración 21 Reuniones de trabajo


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IV.3 Caracterización del Sistema Fotovoltaico (SF)

IV.3.1 Perfil de cargas Se inicia estudio con el perfil de cargas del desarrollo turístico.

Tabla 7 Perfil de cargas


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IV.4 Sistema fotovoltaico (SF)

Un SF es 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:

• El módulo o panel fotovoltaico. • La batería. • El regulador de carga. • El inversor. • Las cargas de aplicación (el consumo).

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.

IV.4.1 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.

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.

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• 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 2 anteriores, 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.

IV.4.1.1 Cálculo de módulos

De acuerdo al análisis de cargas desarrollado en el complejo turístico y haciendo los cálculos necesarios, se observa que se requieren de 105 módulos con las características que a continuación se presentan, cabe mencionar que este cálculo está sujeto a probar la hipótesis vertida de que en esta latitud se tienen 9 horas de irradiancia solar, para ello se desarrolló un sensor que es capaz de medirla y a través de una interface obtener los datos y graficarlos, para así validar mi hipótesis con la que presenta el meteorológico nacional y la NASA de EUA.

Tabla 8 Cálculo de paneles solares


IV.4.2 Acumuladores

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:

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• 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 tanto en lámparas o bombillas así como un televisor o radio, 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 pueden 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.

IV.4.2.1 Cálculo del banco de baterías

De acuerdo a los cálculos necesarios para el dimensionamiento del banco de baterías, da como resultado un arreglo de 100 baterías conectadas en paralelo, cada batería es de 36v y con un promedio de descarga de 115A-h, en la imagen siguiente presento el dimensionamiento de dicho banco.

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Tabla 9 Cálculo de baterías


IV.4.3 Controlador de carga

Este es un dispositivo electrónico, que controla tanto el flujo de la corriente de carga proveniente de los módulos hacia la batería, como el flujo de la corriente de descarga que va desde la batería hacia las lámparas y demás aparatos que utilizan electricidad. Si la batería ya está cargada, el regulador interrumpe el paso de corriente de los módulos hacia ésta y si ella ha alcanzado su nivel máximo de descarga, el regulador interrumpe el paso de corriente desde la batería hacia las lámparas y demás cargas.

Existen diversas marcas y tipos de reguladores. Es aconsejable adquirir siempre un regulador de carga de buena calidad y apropiado a las características de funcionamiento (actuales y futuras) de la instalación fotovoltaica. También, se recomienda adquirir controladores tipo serie con desconexión automática por bajo voltaje (LVD) y con indicadores luminosos del estado de carga. Estas opciones permiten la desconexión automática de la batería cuando el nivel de carga de ésta ha descendido a valores peligrosos (Energía, 2002).

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IV.4.3.1 Cálculo del controlador

Se requiere de un controlador con la siguiente capacidad.

Tabla 10 Cálculo del regulador de carga


IV.4.4 Inversor

La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada de corriente continua a un voltaje simétrico de salida de corriente alterna, con la magnitud y frecuencia deseada por el usuario o el diseñador. Los inversores se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, desde pequeñas fuentes de alimentación para computadoras, hasta aplicaciones industriales para controlar alta potencia. Los inversores también se utilizan para convertir la corriente continua generada por los paneles solares fotovoltaicos, acumuladores o baterías etc., en corriente alterna y de esta manera poder ser inyectados en la red eléctrica o usados en instalaciones eléctricas aisladas.

Un inversor simple consta de un oscilador que controla a un transistor, el cual se utiliza para interrumpir la corriente entrante y generar una onda rectangular. Esta onda rectangular alimenta a un transformador que suaviza su forma, haciéndola parecer un poco más una onda senoidal y produciendo el voltaje de salida necesario. Las formas de onda de salida del voltaje de un inversor ideal debería ser sinusoidal. Una buena técnica para lograr esto es utilizar la técnica de PWM logrando que la componente principal senoidal sea mucho más grande que las armónicas superiores.

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IV.4.4.1 Cálculo del inversor

Tabla 11 Cálculo del inversor


IV.5 Sistema eólico

La red eléctrica puede proporcionar a los hogares y las comunidad un servicio confiable y de alta calidad, predecible y barato, pero esto está lejos de la norma para la mayoría de la población mundial. A pesar de estar en la vanguardia, muchos gobiernos han declarado que los objetivos de desarrollo: electrificación generalizada sigue estando lejos de lo óptimo para la mayoría.

La electricidad trae muchos beneficios como lo es el desarrollo tecnológico de las diferentes regiones, sin embargo, en las zonas sin red eléctrica, algunas familias utilizan dispositivos con baterías para alimentación y utilización de radios o de televisiones. Esta pequeña cantidad de energía puede desproporcionadamente mejorar el nivel de vida de los más pobres. Cuando hay suficiente generación para proporcionar iluminación también, puede mejorar las oportunidades de los niños en la edad adulta por lo que les permite estudiar por la noche.

Estas baterías son a menudo cargadas en las más cercanas ciudades, esto puede ser costoso en términos de dinero, tiempo y conveniencia; en un sitio con adecuado viento, pequeños generadores eólicos proporciona una mejor opción para cargar las baterías. Las baterías automotrices no son ideales para estar llevando procesos de carga y descarga, pero son una opción popular debido al costo.

IV.5.1 La importancia del régimen de viento

El factor más importante en el éxito o fracaso de cualquier instalación de energía eólica, si se trata de un parque eólico comercial o pequeña escala, es la fuerza y la naturaleza del recurso eólico. La velocidad del viento promedio de un sitio es una buena guía de si

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es adecuada para un generador de viento o no. Puesto que la energía en el viento varía en proporción al cubo de la velocidad del viento, un sitio con una velocidad de 4 m/ s (9mph) potencialmente puede cosechar sólo la mitad de la energía de 5m/s (11 mph) del sitio. Sin embargo, la velocidad del viento promedio sólo da una indicación de la idoneidad de un sitio. Este sitio con vientos en temporada alta y baja pueden tener el mismo promedio. Un régimen constante de viento moderado mejora la generación de energía eléctrica. (Dunnett, Khennas, & Piggott, 2001)

IV.5.2 Instalaciones de baja potencia

Corresponden estas instalaciones a las derivadas de las aplicaciones en las que se requiere generalmente una potencia comprendida entre 200 y 20 kw. Existe una amplia variedad de turbinas o aerogeneradores para dar respuesta a aplicaciones tan diversas como la carga de baterías, las construcciones dedicadas al turismo rural, casas, pequeñas viviendas de utilización ocasional, sistemas de bombeo, etc.

Como es de suponer, estas instalaciones requieren de un sistema de almacenamiento para dar servicio cuando se requiera o cuando la velocidad del viento sea insuficiente para mover las álabes o palas.

Con respecto a las instalaciones de pequeña potencia aisladas de la red, existe una variable que está teniendo una considerable repercusión que es la combinación con la energía fotovoltaica otros son las instalaciones consideradas híbridas porque recurren a los dos procedimientos, teniendo en común las baterías como sistema de almacenamiento de energía eléctrica obtenida.

IV.5.3 Fundamentos aerodinámicos

Definido comúnmente como la potencia horizontal de la circulación del aire, la aparición del viento está relacionada con el proceso de calentamiento y enfriamiento de masas de aire entre diferentes regiones, y con ello que la generación de una energía cinética que vale:

donde:

m= masa del aire en kilogramos

V= velocidad del viento en m/s

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E= energía en julios

La carencia de uniformidad de la radiación solar sobre la superficie terrestre provoca movimientos del aire. El desplazamiento del aire caliente de su lugar, lo ocupan masas de aire más frías, pero, al elevarse se enfrían, aumentando su densidad y descienden.

Conforme a la condición indicada, si se dispone una pala en una corriente de aire, con la inclinación determinada con respecto a la dirección de esta corriente, se produce una sobrepresión en su parte delantera y una depresión en la posterior, lo que da lugar a una fuerza de acción aerodinámica cuya expresión simplificada es:

donde:

P= potencia en vatios

P= densidad del aire en kilogramos por metro cúbico

A= haría barrida por el rotor del aerogenerador en metros cuadrados

V= velocidad del viento es m/s

La expresión anterior no tiene en cuenta las pérdidas por resistencia aerodinámica de las palas, la pérdida de energía como consecuencia de la estela generada en la rotación y otros factores determinantes del rendimiento, lo que ha dado lugar al surgimiento del denominado coeficiente de potencia (Cp), como él es que indica la eficacia de conversión de turbinas, y que constituye el parámetro diferenciador entre los modelos comerciales de los generadores, por lo tanto:

IV.5.4 Rendimiento aerodinámico

Otro factor relacionado a la potencia obtenida del aerogenerador con energía del viento que atraviesa a el rotor, es el denominado rendimiento aerodinámico, este depende del número de palas del aerogenerador, el parámetro TSR o relación de velocidad específica, que constituye el parámetros respectivos de la velocidad en rotor en RPM, indica el factor multiplicador de la velocidad periférica de las palas con la velocidad del viento, lo que permite trazar un gráfico del rendimiento en función del número de palas.

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Gráfica 1 Rendimiento

Fuente: Group (2011)

IV.5.5 Caracterización del Sistema Eólico

De acuerdo al meteorológico nacional, no existen datos de las velocidades del viento en Alfajayucan, es por ello que se opta por utilizar los datos de otra ciudad: la sede del Pachuca tiene características y condiciones similares a las de Alfajayucan por ello se decide tomar esta ciudad como referencia, los datos presentados reflejan la inconsistencia de los sistemas eólicos en estas dos ciudades, a continuación se presentan los datos de las velocidades de viento según este centro de investigación.

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SUBDIRECCIÓN GENERAL TÉCNICA

COORDINACIÓN GENERAL DEL SERVICIO METEOROLÓGICO NACIONAL

LATITUD: 20° 07' 42'' VELOCIDAD MEDIA ESTACIÓN:

LONGITUD: 98° 44' 51'' DEL VIENTO m/s OBSERVATORIO PACHUCA

ALTITUD: 2425 Msnm ESTADO: HIDALGO


2001 2.2 2.3 2.7 2.3 2.2 2.1 2.2 2.5 3.4 2.6 2.2 2.3 2.4

2002 2.2 2.3 2.5 2.3 2.3 2.2 2.2 1.8 1.7 2.0 2.6 1.8 2.2

2003 2.2 2.5 2.5 2.2 2.2 - - - - - - - 2.3

2004 - - - - - - - - - - - -

2005 - - - - 2.2 4.9 2.2 2.0 1.9 - 3.5 3.2 2.8

2006 4.0 4.3 4.2 2.9 2.9 2.2 5.1 - 4.4 4.1 - - 3.8

2007 - - - 3.2 5.2 1.0 3.7 4.6 4.6 3.7

2008

2009

2010

SUMA 10.6 11.4 11.9 12.9 17.0 12.4 15.4 10.9 16.0 8.7 8.3 7.3 17.2

PROM 3 3 3 3 3 2 3 2 3 1 1 1 3


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SUBDIRECCIÓN GENERAL TÉCNICA COORDINACIÓN GENERAL DEL SERVICIO

METEOROLÓGICO NACIONAL

LATITUD: 20° 07' 42''

DIRECCIÓN Y VELOCIDAD ESTACIÓN:

LONGITUD: 98° 44' 51'' DEL VIENTO DOMINANTE OBSERVATORIO PACHUCA

ALTITUD: 2425 msnm m/s ESTADO: HIDALGO


2001

2.9 2.7 3.1 2.9 2.7 2.9 2.5 3.0 3.8 3.1 2.6 2.4 2.7

N NNE NNE NNE NNE NNE NNE NNE NE NNE NNE NNE

2002

2.6 2.3 2.6 2.3 2.8 4.0 3.0 1.9 1.8 1.9 3.3 2.3 2.4

NNE NNE NNE NNE NNE NE NE NNE SW NNE NE NNE

2003

2.4 2.6 2.4 1.9 2.3

NNE NNE NNE NNE - - - - - - - -

2004

- - - - - - - - - - - -

2005

2.4 2.8 2.9 1.1 1.6 3.3 3.9 2.8 2.6

- - - - NNE NNE NNE NNE SW NNE NNE NNE

2006

5.0 - - 3.5 3.2 2.1 4.8 5.4 2.1 1.8 2.9 3.7

NNE NNE NNE NNE NNE N NNE - NNE NNE NNE NNE

2007

2.9 2.2 2.3 1.9 2.1 2.8 2.8 3.0 2.5

NE NNE - NE NE NE NE NE NNE

2008

2009

2010

SUMA 15.8 9.8 8.1 12.9 13.0 13.9 16.0 8.8 15.6 10.4 11.6 10.4 16.2

PROM 3.2 2.5 2.7 2.6 2.6 2.8 3.2 2.2 3.1 2.6 2.9 2.6 2.7


Nota: estos datos apoyaran a la construcción de un aerogenerador que sea capaz de validar la velocidad del viento en el caso de estudio.

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IV.6 Sistema Hidráulico

IV.6.1 Introducción

La mecánica de fluidos se ocupa de los fluidos en movimiento o en reposo y los efectos consiguientes sobre los contornos, que pueden ser una superficie sólida u otro fluido. Como ciencia, está basada en un compromiso adecuado entre teoría y experimentación. Por ser la mecánica de fluidos una rama de la mecánica, dispone de un conjunto de leyes de conservación bien documentadas y es posible por tanto, un tratamiento teórico riguroso.

IV.6.2 Concepto de fluido

Desde el punto de vista de la mecánica de fluidos: la materia solo puede presentar sendos estados sólido y fluido. La diferencia entre ambos es perfectamente obvia para el ego y es un ejercicio interesante preguntar a alguien que explique esa diferencia en palabras. La distinción técnica radica en la reacción de ambos en un esfuerzo tangencial o cortante. Un sólido puede resistir un esfuerzo cortante a un fluido, no importa cuán pequeño sea, provoca el movimiento del fluido. Este se mueve se deforma continuamente mientras se siga aplicando un esfuerzo constante.

IV.6.3 El fluido como medio continúo

Ya conocemos términos técnicos como presión y densidad de fluido, sabemos que los fluidos son elongaciones de moléculas, muy separadas a los gases y próximas en los líquidos. La diferencia entre las moléculas es mucho mayor que el diámetro molecular, las moléculas no están fijas en una red, sino que se mueve libremente; es por ello que la densidad un masa por unidad de volumen no tienen un significado preciso por el número de moléculas en su interior además de que éste cambia frecuentemente.

IV.6.4 Propiedades del campo de velocidades

En un flujo dando, la determinación experimental o teórica de las propiedades del fluido como funciones de la aplicación y del tiempo, se considera solución del problema fuente, en casi todos los casos, el énfasis se hace sobre la distribución espacio temporal de las propiedades fluidas. Raramente se sigue las trayectorias de partículas fluidas concretas, este tratamiento de las propiedades como funciones continuas

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distingue la mecánica de fluidos de la de sólidos, donde habitualmente el interés se centra más en la trayectoria de sistemas o partículas individuales.

IV.6.5 Descripción euleriana y lagrangiana

Hay dos puntos de vista posibles para analizar los problemas en mecánica: el primero, apropiado para la mecánica de fluidos, trata del campo del flujo se denomina método descriptivo euleriano. En este método calculamos el campo de presiones del flujo en tres direcciones, y los cambios de presión que experimenta en particular el fluido. El segundo método sigue a las partículas en movimiento, se denominan lagrangiana, que éste es muy apropiado en mecánica de sólidos por tanto no será considerado en esta investigación; sin embargo los análisis numérico de algunos flujos con límites muy marcados, como el movimiento de gotitas aisladas, se llevan a cabo mejor en coordenadas lagrangianas.

IV.6.6 Propiedades termodinámicas de los fluidos

Aunque el campo de velocidades V en las propiedades más importantes del flujo, este interactuar con las propiedades termodinámicas del fluido. A lo largo de la discusión precedente hemos introducido a las tres más importantes: presión, densidad y temperatura.

Son los compañeros permeantes de la velocidad en el análisis de los flujos. Al entrar en juego el trabajo, el calor y el equilibrio energético aparecen otras cuatro propiedades termodinámicas: energía interna, entalpía, entropía y calores específicos. Por otro lado, los efectos de prisión y conducción de calor están gobernados por los fenómenos de transporte: coeficiente de viscosidad y conductividad térmica.

Estas magnitudes son auténticas propiedades termodinámicas, que se determina por la condición termodinámica o estado del fluido. Por ejemplo, en una sustancia con una sola fase como el oxígeno o agua, es suficiente conocer dos de las propiedades básicas como presión y temperatura para determinar todas las demás.

IV.6.7 Descripción del flujo

Hay cuatro formas básicas de describir un flujo: una línea de corriente es aquella que en un instante dado es tangente al vector velocidad en todo; una senda es el camino seguido realmente por una partícula fluida; una línea traza ese lugar geométrico de las partículas que en instantes sucesivos pasaron por un punto dado; una línea fluida es un conjunto de partículas fluidas que en un instante dado forman una línea.

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Una línea de corriente tiene un profundo sustrato matemático, mientras que las otras tres son más esencialmente experimentales nótese que la línea de corriente y la línea fluida están definidas para un instante dado, mientras que la celda y la línea de traza son atemporales.

IV.6.8 Flujo viscoso en conductos

La turbulencia puede ser detectada mediante un instrumento muy pequeño y sensible, el anemómetro. El flujo parece estar estacionario, pero muestra fluctuaciones rápidas y aleatorias cuando la turbulencia está presente, puede haber perturbaciones naturales ocasionales que se amortiguan rápidamente. Cuando se inicie la transición aparecen eclosiones de fluctuaciones turbulentas a medida que aumenta el número de Reynolds, debido a la inestabilidad del movimiento laminar se le conoce como flujo turbulento.

IV.6.9 Flujo el conductor circulares

Como primer ejemplo de análisis y un flujo viscoso específico vamos a considerar el problema clásico del flujo de un tubo, originando por un gradiente de presión, la gravedad, o ambos. Antes de resolver las ecuaciones de movimiento, podemos aprender mucho por el análisis de un volumen de control. La ecuación de continuidad, quedo de la siguiente manera:

Cuando p1=p2, que es el caso general tratándose de agua, y flujo en régimen permanente, se tiene:

o de otra forma:

(el caudal que entra es igual al que sale)

Donde:

Q = caudal (metro cúbico por segundo; )

V = velocidad

A = área transversal del tubo de corriente o conducto

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Ya que no hay trabajo de partes móviles de transferencia de calor. La pérdida de carga es igual a la suma de variaciones de presión y altura, debido a la variación del nivel pronto como la energía cinética media es constante a lo largo del conducto y la altura h también es igual a la variación del nivel, finalmente aplicamos de ecuación de cantidad de movimiento al volumen del control, teniendo en cuenta como fuerzas aplicada las de presión, gravedad y fricción de la pared de la tubería. (Frank, 1988)

IV.6.10 Caracterización del Sistema Hidráulico

Las turbinas hidráulicas 3HC para micro centrales hidroeléctricas es la mejor alternativa técnica, económica y ecológica para generar su propia energía eléctrica.

Centrales hidroeléctricas que generan energía eléctrica en forma permanente las 24 horas del día y los 365 días del año, sin incurrir en costos de combustible, solo utilizando caída de agua y turbinas hidráulicas 3HC Tipo Michell-Banki diseñadas y construidas especialmente para cada proyecto, por personal con amplia experiencia en centrales hidroeléctricas. (3CH, 2000)

IV.6.11 Componentes

Turbina hidráulica: Componente que recibe la energía del agua y la transforma en energía mecánica, para luego entregarla al Generador Eléctrico. Las Turbinas Tipo Michel Banki ofrece grandes bondades: Altas eficiencias a cargas parciales, son robustas, su operación y mantenimiento es simple, costo económico y larga duración. Comparativamente es una tecnología superior a los otros tipos de turbinas existentes en el mercado. Nuestra tecnología ha sido desarrollada con pruebas de laboratorio.

Válvula principal: Componente que se instala en la parte inferior de la Tubería de Presión.

Junta de montaje: Es el componente que conecta la Válvula principal y la entrada de la Turbina.

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Fuente: 3CH, Grupo Hidroeléctrico (2010)

Generador eléctrico: Es la que recibe la energía mecánica de la Turbina hidráulica y la transforma en energía eléctrica, para luego entregársela al Tablero de Control de Medición y Regulador Automático de Velocidad.


Ilustración 22 Válvulas y Juntas

Ilustración 23 Generador Eléctrico

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Tablero de control y gobernador de velocidad tipo electrónico: Recibe la energía del Generador eléctrico, y en ella podemos observar los valores de la tensión, Corriente, frecuencia, potencia activa y reactiva, factor de potencia. El Regulador de velocidad opera realizando transferencia de carga, desde la carga principal a la carga secundaria y viceversa. El Regulador cuenta con una carga secundaria para disipar la energía.


Sistema de transmisión de potencia: Permite transmitir la energía mecánica de la

Turbina hidráulica hacia el Generador Eléctrico. Puede ser un acoplamiento directo,

si la Turbina gira a la velocidad síncrona del Generador Eléctrico.

Ilustración 24 Regulador Eléctrico

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En caso contrario se utiliza poleas y fajas o engranajes, para multiplicar la velocidad, pues lo que se requiere es que el generador siempre gire a su velocidad síncrona.

IV.6.12 Cotización

Esta es la propuesta para el parque.

Tabla 13 Cotización 60Kw


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IV.7 Sistema integrado

IV.7.1 Introducción

En esta sección utilizo la aplicación del software HOMER, el cual es sugerido por la NASA y por el CIMAV para la simulación en el dimensionamientos de sistemas híbridos, este indica las cargas del sistema eléctrico que tiene que alimentar, las piezas de maquinaria que desee tener en cuenta en el sistema de energía (hélices), y si el sistema está conectado a la red eléctrica (comercial). Las cargas y componentes que marca en esta sección aparecerán como botones en el esquema de la ventana principal. A continuación, accederemos a las entradas de los correspondientes.

IV.7.2 Crear un nuevo archivo HOMER

Un archivo HOMER contiene toda la información acerca de las opciones de la tecnología, costos de los componentes y la disponibilidad de los recursos necesarios para analizar los diseños de sistemas de energía. El archivo HOMER también contiene los resultados de los cálculos. Este hace parte de la optimización de los procesos de análisis de sensibilidad. La extensión del archivo HOMER terminan en HMR. Al iniciar HOMER, busca el archivo guardado más recientemente y lo abre. Si no puede encontrar el archivo, se muestra una ventana en blanco. Para este ejercicio, creará un nuevo archivo HOMER: • Haga clic en Nuevo archivo, o seleccione Archivo Nuevo en el menú para crear un nuevo archivo. HOMER despliega un esquema en blanco en la ventana principal.

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Ilustración 25 Hoja de inicio

Fuente: Laboratory, National Renewable Energy (2005)

IV.7.3 Construir el esquema

HOMER compara múltiples opciones tecnológicas para un diseño de sistema de potencia. El esquema representa todas las opciones tecnológicas que desea considerar: no es un esquema de la configuración de un sistema en particular. Al construir el esquema debe dar información al software acerca de los componentes a considerar para responder a su pregunta. El esquema puede incluir componentes que no están en el diseño óptimo. En este ejercicio, HOMER simulará sistemas que incluyen aerogeneradores y combinaciones de celdas para responder a la pregunta ¿Cómo los cambios en la velocidad media del viento y el precio de los SFV afectan a la viabilidad de agregar aerogeneradores para un diseño de sistema de sólo SFV? 1. Haga clic en Agregar / Quitar de elegir los componentes que desea HOMER considere. HOMER despliega todos los componentes posibles en la ventana Agregar / Quitar. 2. Seleccione la casilla de verificación primaria de carga 1.

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Nota: Cada diseño del sistema debe incluir ya sea una carga primaria (una descripción de la demanda eléctrica), carga diferible o estar conectado a una red. 3. Seleccione la turbina de viento 1, Planta 1, y casillas de verificación de batería. HOMER muestra los botones en el esquema que representa la carga y componentes (turbina de viento, generador de diesel y la batería). En la sección de Recursos (justo debajo del esquema) HOMER muestra los botones de los recursos que cada componente se utilizará. En este caso, los botones de los recursos eólicos e hidráulicos y FV aparecen en la sección de recursos del esquema.

Ilustración 26 Selección de recursos


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IV.7.4 Introduzca los datos de carga

Los detalles de la carga son entradas a las simulaciones del software. Las entradas de carga describen la demanda eléctrica que el sistema debe servir. En esta sección se describe cómo importar un archivo de carga de la muestra. 1. Haga clic en carga primaria en el esquema para abrir las entradas de carga. 2. Tipo de carga a distancia como una etiqueta para la carga. 3. Elija AC como el tipo de carga. 4. Seleccione Importar archivo de datos horarios y haga clic en el botón Importar archivo para abrir el archivo de carga muestra. HOMER muestra la curva de carga diaria de la tabla y el gráfico. Tenga en cuenta que el nombre del archivo importado aparece en el título del gráfico. Sugerencia: También puede crear un perfil de carga mediante la introducción de 24 valores en la tabla de perfil de carga. 5. Haga clic en Aceptar para volver a la ventana principal. En el esquema, observe la flecha que ahora se conecta el botón de carga a la barra de CA y muestra la dirección del flujo de energía. También tenga en cuenta que la etiqueta que ha escrito, "Carga remota", aparece en el esquema, junto con los valores de la demanda media y alta

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Ilustración 27 Perfil de cargas primera sección Madho


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Ilustración 28 Perfil de cargas segunda sección Madho


IV.7.5 Introduzca los detalles de componentes

Las entradas de componentes describen las opciones tecnológicas, los costos de los componentes, así como la cuantía y la cantidad de cada componente que HOMER utilizará para las simulaciones. En esta sección se describe cómo introducir los datos de costos de generadores, turbinas eólicas y baterías. Los gastos en este ejercicio pueden no reflejar las condiciones reales del mercado. 1. Haga clic en Generador 1 en el esquema para abrir las entradas del Generador. 2. En la tabla de costos, introduzca los siguientes valores: Tamaño 1, Capital de 1500, Reemplazo 1200, O & M 0,05. Tenga en cuenta que O & M es sinónimo de operación y mantenimiento. Generador de costos de O & M no deben incluir los costos de combustible, ya que HOMER calcula los costos de combustible por separado si es que su diseño cuenta con este tipo de generador.

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Esto le dice a HOMER que la instalación de un generador en el sistema inicialmente cuesta $ 1500 por kilowatt, que la sustitución del generador costaría $ 1.200 por kilovatio, y que tendrá un costo de $ 0.05 por hora por kilovatio de operar y mantener. Consejo: Para este ejemplo, la curva de costos es lineal: HOMER asume que el costo y el tamaño del aerogenerador están relacionadas linealmente, es decir, que el costo de instalación de hardware es de $ 1,500 por 1 vale kilovatios de generación, $ 3,000 para 2 kilovatios, 4.500 dólares para 3 kilovatios, etc. Usted puede definir una curva de costos no lineal para dar cuenta de los descuentos por cantidad y las economías de escala mediante la adición de filas a la tabla de Costos con valores que no siguen este patrón lineal. Al entrar en los valores de la tabla, HOMER crea automáticamente una fila en blanco en la parte inferior de la mesa de modo que usted puede agregar valores adicionales según sea necesario. 3. En los tamaños a considerar de la tabla, quitar 0.000 y 1.000, y añade 15. Los valores de los tamaños a considerar de la tabla se denominan variables de optimización. La tabla debe ser similar a la que se muestra a continuación:

Ilustración 29 Costos


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Nota: HOMER agrega automáticamente ceros y cualquier tamaño que usted ha alimentado en la tabla de costos de los tamaños a considerar. Puede dejar estos valores en los tamaños a considerar en la tabla si desea que HOMER simule estos sistemas con estos componentes o borrar y añadir a ellos si el proyecto lo requiere, HOMER puede simular diferentes tamaños. HOMER utiliza los valores en la tabla de costos para el sistema de cálculo de costos que forman parte del proceso de simulación para determinar la cantidad de la instalación, operación y mantenimiento del generador diesel se sumará el costo del sistema de energía. Las variables de optimización dicen HOMER cuánta capacidad del generador diesel para incluir en las distintas configuraciones de sistema se simulan. 4. Haga clic en Aceptar para volver a la ventana principal. 5. Haga clic en la turbina de viento 1 en el esquema para abrir las entradas de turbinas de viento. 6. En la lista Tipo de Turbina, haga clic 10kW genéricos para seleccionar el genérico 10 kilovatios aerogenerador. HOMER muestra la curva de potencia del aerogenerador genérico. 7. En la tabla de costos, introduzca los siguientes valores: Cantidad 1, Capital 30.000, 25.000 reemplazo, O & M 500. Nota: El costo de O & M (operación y mantenimiento) para una turbina de viento está expresada en dólares por año ($ / año), y no en dólares por hora ($ / hr) como lo es para un generador. HOMER automáticamente muestra 0 y 1 en los tamaños a considerar. 8. Haga clic en Aceptar para volver a la ventana principal. 9. Haga clic en la batería en el esquema para abrir entradas batería. 10. En la lista Tipo de la batería, haga clic L16P troyano para seleccionar el modelo de batería L16P Troya. HOMER muestra las propiedades de la batería. 11.In la tabla de costos, introduzca los siguientes valores: Cantidad 1, Capital 300, Reemplazo 300, O & M 20. En los tamaños a considerar en la tabla, eliminar 0 y 1, y añadir 8. 12. Haga clic en Aceptar para volver a la ventana principal. Ahora está terminado de introducir la información de los componentes. El esquema debe tener este aspecto:

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Ilustración 30 Curva de costos


IV.7.6 Introduzca los detalles de los recursos

Las aportaciones de recursos describe la disponibilidad de la radiación solar, eólica e hidráulica para cada hora del año. Para los recursos de energía solar, eólica e hidroeléctrica, puede importar datos de un archivo con el formato correcto, o utilizar HOMER para sintetizar los datos horarios de los valores medios mensuales. En esta sección se describe cómo definir las aportaciones de recursos para la energía eólica y los combustibles, que son los recursos requeridos por los dos componentes HOMER simulará: Turbinas de viento.

1. Haga clic recurso eólico para abrir la ventana de entrada del recurso eólico. 2. Seleccione Importar archivo de datos horarios, a continuación, haga clic en Importar archivo y Sample_Wind_Data.wnd abierto. Consejo: HOMER puede sintetizar la velocidad del viento por hora durante todo un año

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a partir de 12 valores mensuales, un valor Weibull K y los otros parámetros. Consulte la Ayuda para obtener más información. Los datos de línea de base es un conjunto de 8760 valores de velocidad de viento que describen el recurso eólico para un solo año. Preste especial atención al valor medio anual (en la parte inferior de la tabla de la velocidad del viento), y el promedio anual escalado. HOMER utiliza los datos a escala para las simulaciones que le permite realizar un análisis de sensibilidad de la disponibilidad de recursos. Para crear los datos escalados, determina un factor de escala dividiendo el promedio anual escalado por el promedio anual de línea de base y se multiplica cada valor de línea de base por este factor. Por defecto, establece el promedio de escala igual a la media de línea de base, lo que se traduce en un factor de escala de uno. Puede cambiar el promedio anual escalado para examinar el efecto de la mayor o menor velocidad de los vientos sobre la viabilidad de los diseños de sistemas. Nota: HOMER interpretará un promedio anual a escala de cero significa que no existe recurso eólico disponible. Para este ejercicio, el promedio anual escalado es el mismo que el promedio anual, por lo que HOMER utilizará los datos de referencia para las simulaciones. En el Paso diez: las variables Añadir sensibilidad, vamos a ver cómo utilizar el promedio anual escalado para examinar cómo las variaciones de velocidad del viento afectan el diseño óptimo del sistema. 3. Ajuste la altura del anemómetro de 25 m, lo que indica que se midieron los datos de velocidad del viento a una altura de 25 metros sobre el suelo. 4. Haga clic en Aceptar para volver a la ventana principal.

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Ilustración 31 Velocidad del viento en m/s en Madho


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Ilustración 32 Irradiancia en Madho


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Ilustración 33 Caudal en l/s


IV.7.7 Compruebe las entradas y corregir errores

HOMER revisa muchos de los valores que se introducen en las ventanas de entrada para ver si tienen sentido técnico. Si los valores no son coherentes, el software avisa que no tienen sentido, muestra mensajes de advertencia y de error en la ventana principal. Para este ejemplo, HOMER despliega un mensaje que sugiere que un convertidor debe ser incluido en el diseño del sistema. Un convertidor es un componente que convierte la corriente alterna CA, a la corriente directa DC, (rectificador); CC a CA (inversor) o ambos. 1. Haga clic en el botón de alerta para ver un mensaje más detallado. Las advertencias le dicen que puede haber un problema con uno o más entradas. Estos problemas pueden no previenen a HOMER ser ejecutado, pero podría indicar que hay un problema con el diseño del sistema. Se puede ver en el esquema que no existe una flecha entre el bus de CC y la carga.

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Esto significa que la energía de la turbina de viento de CC no se suministra a la carga de corriente alterna. El mensaje de advertencia sugiere que la adición de un convertidor para el diseño del sistema corregiría este problema. 2. Para añadir un convertidor para el esquema, Haga clic en Agregar / Quitar, seleccione la casilla de verificación Convertir, y haga clic en Aceptar. 3. Haga clic Convertir en el esquema para abrir entradas Convertir. 4 En la tabla de costos, introduzca los siguientes valores: Tamaño 1, Capital de 1000, Reemplazo 1000, y O & M 100. Esto le dice a HOMER que el costo de cualquiera de instalar o reemplazar un convertidor en el sistema es de $ 1.000 por kilovatio, y que cuesta $ 100 por año por kilovatio para operar y mantener el convertidor. 5. En los tamaños a considerar, quitar 1.000, y sumar los valores 6 y 12. Esto le dice a HOMER para simular diseños de sistemas que incluyen ya sea sin convertidor (0 kilovatios), un convertidor de 6 kilovatios, o un convertidor de 12 kilovatios. Dado que la carga máxima se muestra en el esquema es 11,5 kilovatios, podemos suponer que un convertidor de 12 kilovatios se reuniría la carga para cualquier hora que la turbina de viento suministra la mayor parte de la carga. Especificación del convertidor de 6 kilovatios nos permite averiguar si un uso de un convertidor más pequeño, más barato es una opción de diseño más rentable. 6. Haga clic en Aceptar para volver a la ventana principal. HOMER ahora puede considerar sistemas que ofrecen una potencia de la turbina de viento DC para la carga de CA. Consejo: Tenga en cuenta que el convertidor funciona tanto como un inversor (conversión de CC a CA) y el rectificador (AC a DC). Esto no afectará los resultados del análisis de un sistema que sólo necesita un inversor. Puede, sin embargo, eliminar el componente rectificador del convertidor abriendo la ventana Entradas convertidor y el establecimiento de la capacidad en relación con convertidor a cero. 7. En la barra de herramientas de la ventana principal, haga clic en Buscar Espacio para revisar las variables de optimización. La tabla resumen espacio búsqueda muestra todas las variables de optimización (tamaños a considerar) que ha introducido en las ventanas de entrada de cada componente. Puede agregar y quitar tamaños a considerar para un componente en esta tabla o abriendo la ventana de entrada para ese componente y editar los tamaños a considerar.

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En la tabla de este ejemplo, el G10 partida representa la Genera 10 kilovatios de la turbina eólica, y Gen1 representa generador 1. Nota: HOMER simulará diseños de sistemas para todas las combinaciones en la tabla Resumen de búsqueda. Para este ejemplo, HOMER simulará 6 diseños: 2 cantidades de aerogeneradores (G10). 8. Haga clic en Aceptar para volver a la ventana principal.

IV.7.8 Examinar los resultados de la optimización

HOMER simula configuraciones de sistema con todas las combinaciones de componentes que ha especificado en las entradas de componentes. HOMER descarta los resultados de todas las configuraciones del sistema no factibles, que son los que no cumplen adecuadamente la carga dada o bien el recurso o limitaciones que haya especificado. 1. Pulse Calcular para iniciar la simulación. Mientras HOMER está funcionando, el indicador de progreso muestra aproximadamente cuánto tiempo queda antes de que termine la simulación 2. Cuando termina de ejecutarse la simulación, haga clic en la ficha de Resultados de optimización y haga clic en general para ver una tabla con todas las configuraciones posibles. En la tabla general de optimización de resultados, HOMER despliega una lista de las cuatro configuraciones del sistema que comprueba que es factible. Se enumeran en orden (de arriba a abajo) del más efectivo al menos rentable. La rentabilidad de una configuración de sistema se basa en el costo neto actual, que se muestra bajo el título "NPC Total" en las tablas de resultados. Para este ejemplo, una configuración eólica / batería ha sufrido más de las otras configuraciones, incluyendo dos sistemas de viento. 3. Para ver una tabla de diseños de sistemas ordenados, haga clic en la ficha Resultados de optimización y haga clic por categorías. En la tabla de resultados Optimización categorizado, HOMER sólo muestra la configuración más económica de cada diseño del sistema. 4. Para ver los detalles del diseño del viento / FV / convertidor rentable más, haga doble clic en la segunda fila de la tabla de resultados de optimización. En la ventana de resultados de la simulación, se puede ver todos los detalles técnicos y económicos sobre cada configuración de sistema que HOMER simula. Para este

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ejemplo, haga clic en la pestaña eléctrica, y tenga en cuenta que el 16% del total de energía eléctrica producida por el sistema es el exceso de electricidad o energía que no es utilizada por el sistema y es desechada. ¿Sería incluyendo más baterías en el resultado del diseño del sistema en este exceso de electricidad que se utiliza por el sistema? 5. Haga clic en Cerrar para volver a la ventana principal.

IV.7.9 Afinar el diseño del sistema

En esta sección se describe cómo utilizar los resultados de la optimización para mejorar el diseño del sistema. Para este ejemplo, vamos a ver si la adición de baterías para el diseño del sistema se reducirá la cantidad de exceso de energía producida por el mismo.

1. Haga clic en la batería en el esquema para abrir entradas batería. 2. En tamaños a considerar, añadir 16 y 24. HOMER simulará sistemas con 8, 16, y 24 baterías. 3. Haga clic en Aceptar para volver a la ventana principal. HOMER despliega un mensaje de advertencia en la parte inferior de la ventana principal para hacerle saber que la información de la tabla de resultados no refleja los cambios que acaba de realizar. 4. Pulse Calcular para iniciar el proceso de optimización. Cuando las simulaciones se terminaron, HOMER despliega los nuevos resultados en las tablas de resultados, y también muestra un mensaje de advertencia en la parte inferior de la ventana principal. 5. Haga clic en la batería Búsqueda espacio puede ser insuficiente de click en el ícono Precaución. HOMER despliega un mensaje que sugiere que agregue más baterías a los tamaños a considerar en la tabla. Ya no estamos seguros exactamente cuántas baterías para añadir, añadiremos una serie de nuevas cantidades de baterías. 6. Haga clic en Aceptar para volver a la ventana principal. 7. En la barra de herramientas de la ventana principal, haga clic en Buscar el espacio para abrir la tabla de resumen espacio de búsqueda. 8. Añadir 32, 40, 48, y 56 para el número de baterías.

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Sugerencia: También puede agregar estos valores a los tamaños de considerar las tablas en las ventanas Entradas batería. 9. Haga clic en Aceptar para volver a la ventana principal. 10. Pulse Calcular para iniciar la simulación. Una vez finalizado el proceso de simulación, HOMER despliega los nuevos resultados de los sistemas que incluyen la cantidad de baterías que se acaba de agregar a la tabla de optimización. Esta vez, no muestra mensajes de advertencia. 11. En la tabla de resultados Optimización categorizado, haga doble clic en el sistema eólico / batería (en la segunda fila) para abrir la ventana de resultados de la simulación. El exceso de energía eléctrica producida por la configuración más rentable del sistema de viento/batería se reduce drásticamente del 17% al 3%. 12. En el menú Archivo, seleccione Guardar como y guarde el archivo. HOMER ha ayudado a afinar el diseño del sistema mediante la adición de baterías para almacenar el exceso de energía. Sin embargo, los sistemas, sin viento, siguen siendo más rentables que los sistemas que utilizan viento. ¿En qué condiciones tiene sentido utilizar las turbinas de viento en el diseño del sistema? Para entender esta cuestión, vamos a utilizar HOMER para hacer un análisis de sensibilidad.

IV.7.10 Añadir las variables de sensibilidad

En el Paso IV.7.6, aprendió que HOMER utiliza los datos de recursos a escala para las simulaciones. En esta sección se describe cómo introducir los valores de sensibilidad, tanto para la velocidad del viento promedio anual reducido y el precio del combustible (en caso de introducirlo) para llevar a cabo un análisis de sensibilidad sobre estas variables. El análisis de sensibilidad le permitirá explorar cómo las variaciones en la velocidad media anual del viento y los combustibles afectan al diseño óptimo del sistema. Otra forma de decir esto es que el análisis le mostrará el rango de velocidades de viento medias anuales y los precios del diesel para los que tiene sentido a las turbinas de viento en el diseño del sistema. 1. Haga clic recurso eólico para abrir la ventana Entradas del Recurso Eólico. 2. Haga clic en el botón de Sensibilidad promedio anual escalado para abrir la ventana Entradas de sensibilidad. 3. Sume los valores acuerdo a las condiciones de la tabla de sensibilidades velocidad media del viento. Estos valores de sensibilidad dicen HOMER para simular cada configuración de sistema

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con siete conjuntos de datos de velocidad (viento a escala para cada valor de la velocidad del viento promedio anual en la tabla). 4. Haga clic en Aceptar para volver a la ventana Entradas del Recurso Eólico. Observe que el número de variables de sensibilidad, 7, aparece entre los soportes en el botón de sensibilidades. 5. Haga clic en Aceptar para volver a la ventana principal. De acuerdo a las características del sistema: 6. Haga clic Diesel (en la sección de Recursos) para abrir la ventana de entrada Diesel. 7. Haga clic en el botón Sensibilidades Precio para abrir la ventana Entradas de sensibilidad. 8. Sume los valores 0.5, 0.6 y 0.7 de la tabla Sensibilidades Precio Diesel. HOMER simulará cada configuración de sistema para cada valor del precio del diesel en la tabla de sensibilidades. 9. Haga clic en Aceptar para volver a la ventana de Entradas Diesel, a continuación, haga clic en Aceptar para volver a la ventana principal.

IV.7.11 Examinar los resultados del análisis de sensibilidad

HOMER despliega los resultados de sensibilidad en gráficos y tablas. En esta sección se describe cómo ver e interpretar los resultados de sensibilidad para determinar en qué condiciones un sistema eólico / FV es más rentable que un sistema exclusivamente diesel.

1. Pulse Calcular para iniciar la simulación. La barra de progreso indica una estimación del tiempo que queda hasta que el proceso de simulación y optimización se ha completado. Consejo: Puede dejar HOMER en cualquier momento durante el proceso de simulación haciendo clic en Detener. 2. Haga clic en la ficha Resultados de optimización y haga clic en categorizada para mostrar la tabla de diseños de sistemas ordenados.

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HOMER también muestra los resultados de sensibilidad en gráficos, que puede ser una forma más útil analizar los resultados. 3. Haga clic en la ficha Resultados de la sensibilidad, y haga clic en gráfico para mostrar la tabla de diseños de sistemas ordenados. Haga las siguientes selecciones: • En la lista Velocidad del viento, seleccione el eje x. En la Lista de precios Diesel, seleccione eje. • En variables a la trama, seleccione Óptima Tipo de sistema en la lista principal. Seleccione <ninguno> en la lista superpuesta. HOMER muestra los resultados de la simulación y optimización en una amplia variedad de tablas y gráficos. Dedique algún tiempo a las diferentes gráficas para familiarizarse con estas tablas y gráficos. (Laboratory, 2005)

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Resultados

Construcción del OFF Four Sensor Recolección de datos Comparación de Datos Segmentación del Sistema Recurso pre-autorizado FONAES Condiciones de viento Condiciones hidráulicas

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Resultados

Dentro del proceso de validación de datos presentados por el Observatorio de Radiación Solar de la UNAM y por la NASA se me presenta un problema, el validar las horas de insolación, la irradiancia y la insolación de la región, por tanto me doy a la tarea de construir un piranómetro. El cual fue nombrado OFF Four Sensor, este concepto nace de la siguiente manera: se utiliza una celda de 3v nominal un potenciómetro que reduce 1000 veces el voltaje nominal y un Novus Log Chart. La siguiente imagen muestra el inicio de la conceptualización de este sensor.

Ilustración 34 Esquema del OFF Four Sensor


Me doy a la tarea de construirlo.

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Ilustración 35 Elaboración del sensor


Creo una interface entre el sensor y la computadora a través del novus Log Chart que es capaz de recolectar los datos obtenidos del sensor.

Ilustración 36 Interfaz Novus computadora


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El inicio fue un poco difícil pero el concepto se cristalizó, obteniendo así una herramienta capaz de validar mi primera hipótesis: que se tienen 10 horas de insolación en promedio, presento el OFF Four Sensor medidor de irradiancia e insolación.

Ilustración 37 OFF Four Sensor


De acuerdo a las enseñanzas en MER cálculo la eficiencia del sistema de acuerdo a la siguiente expresión:

Los Datos son: Voc=3.5v, Isc=0.125mA, dando como resultado 45.78% de efectividad., este dato permite continuar con la experimentación.

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Hice las primeras pruebas con tiempo de 1 mes en la Universidad Tecnológica del Valle del Mezquital, teniendo lecturas favorables de este dispositivo. Es por ello que pasa al campo de acción obteniendo los siguientes resultados.

A continuación presento el resumen de datos generados por el sensor.

Tabla 14 Horas Pico Madho

ITEM Hora Promedio

1 06:00:01 0.00

2 06:15:01 0.12

3 06:30:01 0.69

4 06:45:01 2.16

5 07:00:01 4.29

6 07:15:01 6.55

7 07:30:01 9.41

8 07:45:01 13.86

9 08:00:01 27.78

10 08:15:01 45.45

11 08:30:01 56.71

12 08:45:01 67.78

13 09:00:01 77.02

14 09:15:01 78.45

15 09:30:01 85.98

16 09:45:01 92.98

17 10:00:01 92.33

18 10:15:01 94.57

19 10:30:01 94.04

20 10:45:01 92.08

21 11:00:01 89.78

22 11:15:01 92.22

23 11:30:01 95.92

24 11:45:01 96.92

25 12:00:01 95.22

26 12:15:01 95.31

27 12:30:01 96.39

28 12:45:01 96.47

29 13:00:01 96.67

30 13:15:01 99.18

31 13:30:01 99.27

32 13:45:01 98.33

33 14:00:01 99.08

34 14:15:01 98.73

35 14:30:01 95.24

36 14:45:01 96.76

37 15:00:01 95.02

38 15:15:01 88.10

39 15:30:01 92.27

40 15:45:01 84.69

41 16:00:01 84.12

42 16:15:01 76.90

43 16:30:01 61.24

44 16:45:01 51.94

45 17:00:01 41.24

46 17:15:01 28.33

47 17:30:01 21.96

48 17:45:01 16.12

49 18:00:01 11.08

50 18:15:01 6.55

51 18:30:01 3.04

52 18:45:01 0.82

53 19:00:01 0.02


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Como ya mencioné hasta el día 2 de junio se validan 9.5 horas de insolación.

Gráfica 2 Horas Pico Madho

Fuente: elaboración propia (2013).

Gráfica 3 Horas de insolación


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Gráfica 4 Horas de insolación


Gráfica 5 Horas de Insolación


Hasta el último registro, valido 9.75 hrs de insolación continua en promedio

Por tanto haciendo las conversiones necesarias de los datos obtenidos con el sensor, tenemos lo siguiente.

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Tabla 15 Irradiancia en Madho

Cálculo de Irradiancia

Hora Voltaje

registrado Cálculo de potencia

Potencia por metro cuadrado

08:00:01 0 0 0

08:15:01 35 0.12969512 10.8079268

08:30:01 43 0.16079268 13.3993902

08:45:01 58 0.21653963 18.0449695

09:00:01 68 0.25564024 21.3033537

09:15:01 73 0.27292683 22.7439024

09:30:01 81 0.30375 25.3125

09:45:01 90 0.33745427 28.121189

10:00:01 89 0.33557927 27.964939

10:15:01 92 0.345 28.75

10:30:01 94 0.35400915 29.5007622

10:45:01 93 0.34760671 28.9672256

11:00:01 92 0.34367378 28.6394817

11:15:01 93 0.34751524 28.9596037

11:30:01 95 0.3572561 29.7713415

11:45:01 96 0.36022866 30.0190549

12:00:01 96 0.36109756 30.0914634

12:15:01 95 0.35606707 29.6722561

12:30:01 96 0.36182927 30.152439

12:45:01 97 0.36324695 30.2705793

13:00:01 96 0.35995427 29.996189

13:15:01 98 0.36827744 30.6897866

13:30:01 98 0.36731707 30.6097561

13:45:01 98 0.36841463 30.7012195

14:00:01 97 0.36457317 30.3810976

14:15:01 96 0.36096037 30.0800305

14:30:01 94 0.35378049 29.4817073

14:45:01 96 0.36141768 30.1181402

15:00:01 95 0.35510671 29.5922256

15:15:01 89 0.33484756 27.9039634

15:30:01 89 0.33516768 27.9306402

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15:45:01 84 0.31431402 26.1928354

16:00:01 82 0.30635671 25.5297256

16:15:01 77 0.28939024 24.1158537

16:30:01 65 0.24324695 20.2705793

16:45:01 60 0.22559451 18.7995427

17:00:01 52 0.19490854 16.242378

17:15:01 39 0.14560976 12.1341463

17:30:01 32 0.11876524 9.89710366

17:45:01 25 0.09256098 7.71341463

18:00:01 18 0.06846037 5.70503049

Total 986.577744


Tabla 16 Cálculo de Insolación

Cálculo de la insolación

hr kw/m^2 Operadores Función integrada

Integral Definida

tiempo irradiancia Pendiente Var. Ordenada x^2 x^2/2

0.00 0 0 x 0 0 0 0 0

0.25 0.129695122 0.518780488 x 0 0.0625 0.03125 0.01621189 0.01621189

0.5 0.160792683 0.124390244 x 0.121920732 0.25 0.125 0.042141768 0.042141768

0.75 0.216539634 0.222987805 x 0.132919207 0.5625 0.28125 0.068071646 0.068071646

1 0.255640244 0.156402439 x 0.187214177 1 0.5 0.081016578 0.081016578

1.25 0.272926829 0.069146341 x 0.238353659 1.5625 0.78125 0.079035823 0.079035823

1.5 0.30375 0.123292683 x 0.234397866 2.25 1.125 0.100981326 0.100981326

1.75 0.337454268 0.134817073 x 0.253193598 3.0625 1.53125 0.118067835 0.118067835

2 0.335579268 -0.0075 x 0.340735518 4 2 0.081668255 0.081668255

2.25 0.345 0.037682927 x 0.316737805 5.0625 2.53125 0.099203506 0.099203506

2.5 0.354009146 0.036036585 x 0.324729421 6.25 3.125 0.102579078 0.102579078

2.75 0.347606707 -0.025609756 x 0.370015244 7.5625 3.78125 0.075697409 0.075697409

3 0.34367378 -0.015731707 x 0.358422256 9 4.5 0.078298399 0.078298399

3.25 0.347515244 0.015365854 x 0.33214939 10.5625 5.28125 0.095041921 0.095041921

3.5 0.357256098 0.038963415 x 0.31585747 12.25 6.125 0.111839748 0.111839748

3.75 0.360228659 0.011890244 x 0.346852134 14.0625 7.03125 0.097488567 0.097488567

64



4 0.361097561 0.00347561 x 0.356970274 16 8 0.092609566 0.092609566

4.25 0.356067073 -0.020121951 x 0.381219512 18.0625 9.03125 0.074554116 0.074554116

4.5 0.361829268 0.02304878 x 0.331577744 20.25 10.125 0.10810404 0.10810404

4.75 0.363246951 0.005670732 x 0.355449695 22.5625 11.28125 0.095419207 0.095419207

5 0.359954268 -0.013170732 x 0.378887195 25 12.5 0.07866997 0.07866997

5.25 0.368277439 0.033292683 x 0.318338415 27.5625 13.78125 0.122240854 0.122240854

5.5 0.367317073 -0.003841463 x 0.37331936 30.25 15.125 0.088167873 0.088167873

5.75 0.368414634 0.004390244 x 0.361280488 33.0625 16.53125 0.096493902 0.096493902

6 0.364573171 -0.015365854 x 0.390503049 36 18 0.075057165 0.075057165

6.25 0.360960366 -0.01445122 x 0.38625 39.0625 19.53125 0.07443407 0.07443407

6.5 0.353780488 -0.028719512 x 0.405834604 42.25 21.125 0.055686928 0.055686928

6.75 0.361417683 0.03054878 x 0.30413872 45.5625 22.78125 0.126631098 0.126631098

7 0.355106707 -0.025243902 x 0.404016768 49 24.5 0.057616235 0.057616235

7.25 0.334847561 -0.081036585 x 0.496920732 52.5625 26.28125 -0.020116235 0.020116235

7.5 0.335167683 0.001280488 x 0.332526677 56.25 28.125 0.085492569 0.085492569

7.75 0.314314024 -0.083414634 x 0.491570122 60.0625 30.03125 -0.036116616 0.036116616

8 0.306356707 -0.031829268 x 0.375983232 64 32 0.031331936 0.031331936

8.25 0.289390244 -0.067865854 x 0.442088415 68.0625 34.03125 -0.027330412 0.027330412

8.5 0.243246951 -0.184573171 x 0.670072409 72.25 36.125 -0.218931974 0.218931974

8.75 0.225594512 -0.070609756 x 0.393292683 76.5625 38.28125 -0.053929116 0.053929116

9 0.194908537 -0.122743902 x 0.494096799 81 40.5 -0.148813834 0.148813834

9.25 0.145609756 -0.197195122 x 0.638597561 85.5625 42.78125 -0.290201982 0.290201982

9.5 0.118765244 -0.107378049 x 0.393921494 90.25 45.125 -0.153186928 0.153186928

9.75 0.092560976 -0.104817073 x 0.367705793 95.0625 47.53125 -0.160289634 0.160289634

10 0.068460366 -0.096402439 x 0.327541921 100 50 -0.156108041 0.156108041

10.25 0 -0.273841463 x 0.753064024 105.0625 52.53125 -0.504895198 0.504895198

Total 4.279773247


Haciendo un promedio de 7.46hrs. Según el MER si tenemos este promedio se considera un buen dato para hacer los cálculos pertinentes; de acuerdo al OFF Four SENSOR, promedio 9.5 horas de insolación en esta región.

Como podemos observar: tanto la irradiancia como las horas de insolación favorecen a disminuir los costos de manera significativa en la instalación de SF en la región del Valle del Mezquital, enfocados en Madho en el municipio de Alfajayucan.

Es evidente que el dimensionamiento del complejo eco-turístico necesita de una inversión muy grande para ser autosuficiente en el consumo de energía eléctrica, es por

65



ello que se plantea un crecimiento por fases; la primera fase constó de dimensionar el consumo del sector de cabañas, se presenta a continuación dicho dimensionamiento:

111



Tabla 17 perfil de cargas zona de cabañas


Gráfica 6 Picos de consumo


112



De acuerdo a esto, se hace la cotización.

Tabla 18 Cotización sistema Cabañas

Descripción Costos

4 paneles en paralelo de 290W $30,160.00

Banco de baterías de 1000 a 2000 A-h $17,960.00

Controlador de carga de 20A de entrada y 40A de salida $2,000.00

Inversor de 1000W $5,731.00

Total $55,851.00


Cabe destacar el comparativo que se hace con el software HOMER ya que existe mucha similitud de los cálculos obtenidos a través de este y los realizados en esta investigación.

Esta cotización se envió a FONAES obteniendo recursos por dicha cantidad para su implementación de acuerdo a las reglas de operación (ver anexos)

La segunda fase consta de electrificar el restaurante, a continuación se presenta el dimensionamiento:

113



Tabla 19 Perfil de cargas zona Restaurant


Gráfica 7 Picos de consumo


114



Aquí se demuestra también la igualdad que existe en estas dos herramientas.

De acuerdo a este dimensionamiento, se presenta el siguiente presupuesto:

Tabla 20 Cotización zona restaurant

Descripción Costos



Controlador de carga de 300A de entrada y 700A de salida $ 20,000.00

Inversor de 10000W $ 25,000.00

Total $667,000.00


De acuerdo a esto se buscarán financiamientos como FONAES, CDI, SEDESOL, FIRCO, SE entre otros, cabe destacar que la empresa aportará cierta cantidad.

La tercera fase consta de la zona de pesca de mojarra, a continuación se presenta el dimensionamiento:

115



Tabla 21 Perfil de cargas zona pesca


De acuerdo a este dimensionamiento se presenta la siguiente cotización:

Tabla 22 Cotización zona pesca

Descripción Costos



Controlador de carga de 300A de entrada y 700A de salida $ 20,000.00

Inversor de 10000W $ 25,000.00

Total $667,000.00


116



Ilustración 38: Desarrollo Eco turístico


117



Dentro del trabajo desarrollado, se está dando mantenimiento a un aerogenerador con las siguientes características:

Opera a una velocidad de 3m/s como mínimo, genera 12, 24 y 36 volts, este equipo es reconstruido y carece de garantía, por lo tanto se tomó la decisión de darle mantenimiento.

Ilustración 39 Aerogenerador en Madho


118



Este equipo generador fue descontinuado en el año 2003 por su poca eficiencia.

Ilustración 40 Analizando el equipo generador


119



Ilustración 41 Revisión de las condiciones mecánicas


La siguiente tabla muestra los promedios de la velocidad del viento, con relación a estos se calcula la probabilidad de que aumente la velocidad.

120




TABLA I PROMEDIOS

Mes V m/s

ENERO 3 0.67 0.44

FEBRERO 3 0.67 0.44

MARZO 3 0.67 0.44

ABRIL 3 0.67 0.44

MAYO 3 0.67 0.44

JUNIO 2 0.33 0.11

JULIO 3 0.67 0.44

AGOSTO 2 0.33 0.11

SEPTIEMBRE 3 0.67 0.44

OCTUBRE 1 1.33 1.78

NOVIEMBRE 1 1.33 1.78

DICIEMBRE 1 1.33 1.78

MEDIA= 2.33 S= 0.85

TABLA II PROMEDIOS

Mes V m/s

ENERO 3.2 0.45 0.20

FEBRERO 2.5 0.25 0.06

MARZO 2.7 0.05 0.00

ABRIL 2.6 0.15 0.02

MAYO 2.6 0.15 0.02

JUNIO 2.8 0.05 0.00

JULIO 3.2 0.45 0.20

AGOSTO 2.2 0.55 0.30

SEPTIEMBRE 3.1 0.35 0.12

OCTUBRE 2.6 0.15 0.02

NOVIEMBRE 2.9 0.15 0.02

DICIEMBRE 2.6 0.15 0.02

MEDIA 2.75 s= 0.29


121



Estos datos los valido con la creación del proyecto: Aerogenerador eléctrico, para ello investigo la resistencia del conducto a 300K, la permeabilidad magnética del hierro carbónico que es el material con que están fabricados los imanes estáticos que empleé para su construcción y la inducción magnética; esto da como resultado: 1.5V a 80mW.

Presento a continuación el aerogenerador.

Ilustración 42 Aerogenerador Eléctrico


122



Las primeras pruebas controladas indican 28.8mV a 390RPM equivalente a 3.98m/s

Ilustración 43 Medición en RPM del aerogenerador


123



Ilustración 44 Medición de voltaje generado


Para corroborar datos hago mediciones a diferentes alturas desde la corteza hasta 14 metros sobre ese nivel teniendo los siguientes resultados: 45mV a una velocidad promedio de 1.83m/s.

124



Ilustración 45 Prueba de velocidad del viento


La probabilidad de P(v>3m/s) es 16.6% de acuerdo a estos resultados, no es factible colocar esos sistemas en Madho, ya que la velocidad del viento es muy poca.

125



Conclusiones

A partir de los resultados del estudio cuantitativo plasmando en el Capítulo III, se determina la viabilidad de implementar un SF y SH en la región del Valle del Mezquital.

Los resultados son confirmados mediante el Estudio Cualitativo: Capítulo IV, mediante el estudio de caso de Madho Corrales dando los siguientes resultados:

Se examinó el nivel de insolación e irradiancia y de acuerdo a la estadística obtenida, corroboró un valor promedio de 4.73kwh/m2día y 986.57w/hr respectivamnente; con una

desviación estándar de 2.4 concluyo que existe una probabilidad de 42.05% que aumenten estos valores en esta región, esto favorece a los SFV para su implementación.

De acuerdo a las horas de insolación determino que no aumentarán a más de nueve horas ya que la probabilidad de aumento es de 29.18% entre las dos colas, por ello rechazo la hipótesis de que en Alfajayucan existen 10 horas de insolación, sin embargo las 9 horas que se demostraron, ayudarán a disminuir los costos en 45% en el dimensionamiento de los SFV, sin embargo demuestro más de 9 horas de insolación pero para asegurar el buen funcionamiento del sistema, acepto las 9 horas en base a la probabilidad.

La determinación de velocidad del viento no es suficiente para integrar un sistema eólico, con una media de 2.54m/s y una desviación estándar de 0.57 la probabilidad de que aumente esta a 3m/s es 16.6%; si se espera tener una velocidad de 4m/s entonces la probabilidad es 0.54%, por esta razón se rechaza este sistema dentro de la integración de los otros. Realizo los cálculos pertinentes para el desarrollado del sistema hidráulico, las condiciones del caudal de 1200l/s y su continuidad permiten la integración de este sistema dentro del complejo, sin embargo los costos para la aplicación de esta forma de energía rebasan lo presupuestado por los empresarios. Examinando estos resultados para la integración de los sistemas, concluyo que solo el SFV y el SH tienen viabilidad, por sus características favorables; con respecto al SE, carece de fundamentos (velocidad del viento) para ser considerado.

Cabe destacar que el simulador HOMER coincide con la eliminación del sistema eólico del integrado, bajo esta naturaleza, los cálculos se realizaron en estas dos energías potencias, asegurando la satisfacción de la demanda de este parque eco-turístico en energía eléctrica.

126



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129



Anexos

Documentos y presentaciones resultantes de esta investigación

Primer Foro Internacional de Educación, Ambiente y Sustentabilidad,

FINEAS 2013, con el cartel: Análisis de irradiancia e insolación para Implementar

y mejorar Sistemas integrados de “Energía Fotovoltaica” en el Valle del Mezquital,

un estudio de caso: Parque Eco-turístico Madho-Corrales, los días 28 y 29 de

noviembre de 2013, en la ciudad de Pachuca y en el municipio de Xochiatipan

ante el Secretario de Educación Pública del Estado de Hidalgo Joel Guerrero

Juárez así como de personal del Instituto Nacional de la Infraestructura

Educativa, en diciembre de 2013.

Primer Encuentro Estatal de Jóvenes Investigadores, área Energías

Renovables, con el proyecto: Análisis de la Viabilidad para Implementar

Sistemas integrados “Energía Fotovoltaica y Eólica” en el Valle del

Mezquital, presenta: Ing. Israel López Mendoza, la TSU Liliana Elizabeth

Bomayé Huizache y la TSU Lucero Llamas González, en la ciudad de Pachuca.

Expociencias 2013, Con el proyecto: Energía Fotovoltaica aplicada a

cargadores para celulares, realizado en la ciudad de Pachuca.

Energía eólica, un caso práctico Madho Corrales, memoria de estadía

presentada por la TSU Citlalli González Pérez, agosto 2013.

Reporte de investigación para sustentar los Sistemas Eólicos de

generación eléctrica en Madho Corrales, Presentado por el Ing. Israel López

Mendoza y la TSU Citlalli González Pérez en agosto de 2013.

Energía fotovoltaica aplicada a cargadores para teléfonos celulares,

memoria de estadía presentada por la TSU Liliana Elizabeth Bomayé Huizache,

agosto 2012.

Proyecto FONAES: Aplicación de un Sistema Integrado en el Parque Eco-

turístico Madho Corrales, con el cual se bajó recurso económico para iniciar los

trabajos en el parque ecoturístico, en abril de 2013.

130



Proyecto FONAES.

Aplicación de un Sistema Integrado en el Parque Eco-turístico Madho Corrales

Resumen ejecutivo

Nombre del proyecto

Aplicación de un Sistema Integrado en el Parque Eco-turístico Madho Corrales

Justificación

El campo de estudio de las energías renovables es estrecho, ya que se requiere conocer las condiciones climatológicas de la región donde se pretende implementar estos sistemas, esto es de vital relevancia. Los Sistemas Fotovoltaicos (SF) son en México sistemas ideales para la generación de energía eléctrica. Se espera tener instalados 25 MW con tecnología fotovoltaica para 2013, y generar 14 GWh/año.

La Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica (EPIA, por sus siglas en inglés) presento en México su estudio Unlocking the Sunbelt potential of photovoltaics (Liberando el potencial de la energía fotovoltaica en el Cinturón Solar) en conjunto con la Asociación Nacional de Energía Solar (ANES).

Los países del llamado Cinturón Solar (Sunbelt en inglés), situados entre las latitudes de ± 35° respecto al ecuador son caracterizados por unos elevados niveles de radiación solar y, a menudo, altos precios en las tarifas eléctricas, la energía solar fotovoltaica (ESFV) presenta un potencial competitivo único y podría convertirse en una de las principales fuentes de energía antes del año 2020.

México, en particular, se encuentra dentro del grupo de los seis países que presentan el mayor potencial para el uso de este tipo de energía. Su elevado índice de radiación solar y la flexibilidad de su mezcla energética permitirían, junto con el desarrollo de políticas que incentiven la utilización de la ESFV, la materialización integral del potencial de este país en los próximos 10 años.

Es por ello que por las condiciones climatológicas de Madho Corrales perteneciente al municipio de Alfajayucan en el estado de Hidalgo, hace posible tener SF que satisfagan las necesidades de energía eléctrica de esa región, y caracterizando a esta, valorar la producción eléctrica en gran escala.

131



Que problemática resuelve el proyecto

Este proyecto coadyuva de manera puntual:

a. A la disminución de contaminación generada por la quema de combustibles fósiles para la generación de energía eléctrica que es requerida por usuarios rurales como el Parque Eco-turístico Madho Corrales.

b. A la disminución de los alto costo que significa para estas unidades el consumo de energía comercial.

c. A caracterizar: nivel de irradiancia y horas de insolación esta región para seguir implementando SF.

d. A caracterizar: la velocidad del viento para implementar sistemas eólicos, de acuerdo a que la irradiancia produce el movimiento del viento.

e. A caracterizar la caída de agua que tienen en dicho parque para implementar un generador hidráulico.

f. A satisfacer las necesidades de energía eléctrica en zonas de alta marginación.

Beneficiarios

Toda la sociedad, ya que impacta de manera directa a la disminución de gases de efecto invernadero, ofrece una alternativa de satisfacer las necesidades de energía eléctrica en zonas marginadas. además de disminuir los costos de materiales 40% de probarse las hora de insolación, cabe destacar que de acuerdo a los resultados obtenidos ya se disminuyo el 50% del total esperado.

Impacto social esperado en la población objetivo

Hacer del alcance no solo al desarrollo eco-turístico de esta tecnología, llevando a todas las zonas marginadas que se encuentren dentro de la región del valle del mezquital ya que al caracterizarla esta zona, hace factible la disminución de los costos de materiales.

132



Cuál es la innovación o mejora que ofrece el proyecto

Disminuye los costos de materiales 40% de probarse las horas de insolación, cabe destacar que de acuerdo a los resultados obtenidos ya se disminuyó el 50% del total esperado.

Necesidad que cubre

Ahorro en el consumo de energía eléctrica suministrada por la red comercial a través de la utilización de sistemas fotovoltaicos, eólicos e hidráulicos el Parque Eco-turístico Madho Corrales ubicado en el municipio de Alfajayucan, Hidalgo, además de llevar energía eléctrica a un bajo costo en zonas rurales y de alta marginación.

Descripción del proyecto

Este proyecto se realiza en el Parque Eco turístico Madho Corrales, ubicado en el municipio de Alfajayucan en el estado de Hidalgo, los primeros análisis realizados en este lugar, indicaron una insolación con duración de 10 horas, este ejercicio se realizó en el año 2011, el cual es base para este trabajo.

Analiza, los tiempos de irradiancia que existe en este lugar para optimizar sistemas fotovoltaicos. El Parque Eco-turístico cuenta también con una muy buena velocidad del aire, dado este dato se valora los beneficios de implementar un sistema integral con estas fuentes, para así satisfacer la generación de energía eléctrica.

Cabe destacar que este desarrollo turístico cuenta con una presa, la cual tiene un caudal aproximado de 1.5m3, teniendo suficiente energía para implementar un sistema hidráulico; la suma de las tres fuentes será suficiente para abastecer al 100% la necesidad de este desarrollo.

133



Monto de inversión inicial

Acción (es) Objetivo

(s) Descripción Costo Unitario Total

Medir la irradiancia que llega a la región del valle

del mezquital

Validar las condiciones

de irradiancia

para mejorar el

SFV ubicado en Madho.y la

región

Medidor de luz solar

(pantalla de 4 dígitos,

rango de 0 a 2000w/m

2,pr

esición +-5%, ancho de banda

400-2000nm

$4,000.00 $4,000.00

Implementar en el

desarrollo eco

turístico un sistema

fotovoltaico que es capaz de alimentar

las luminarias

de las cabañas que se

encuentran en ese lugar

Reducir la emisión de gases de

efecto invernadero

por la quema de

energéticos fósiles para

la generación de energía eléctrica que es

necesaria para activar las cabañas

en el desarrollo

eco turístico Madho

Corrales en Alfajayucan estado de Hidalgo

Inversor de 3000w

TR3624-120-60

$5,231.00 $5,231.00

Regulador de 2000A

Baterías de 36v y 20Ah

4 paneles solares de

290w a 36volts

$7,540.00 $30,160.00

Total $56,160.00

134



Cronograma

Descripción

Tiempo (meses)

Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

Medición de irradiancia y registro

Colocación de paneles solares

Colocación de banco de baterías

Colocación de inversor y controlador

Cableado

Pruebas Estáticas

Pruebas Dinámicas

Control

135



Proyecto Jóvenes Investigadores

136



a) Resumen

Este documento hace referencia a las condiciones climatológicas que existen en la región del Valle del Mezquital, haciendo el estudio en el municipio de Alfajayucan dentro del Parque Eco-turístico Madho-Corrales, con el objeto de determinar las condiciones de irradiancia y velocidad del viento, que son necesarias para implementar sistemas fotovoltaicos y eólicos; esta investigación llevó a desarrollar un piranómetro capaz de medir la radiación directa y un aerogenerador el cual valida las velocidades de los vientos en dicha región.

Los resultados obtenidos hasta ahora indican que se tiene una reducción del 45% de los costos en la implementación de sistemas fotovoltaicos en comparación con los ya existentes, y en referencia a la velocidad del viento, carece de sustentación para implementar este modelo, es por ello que solo se hace factible la aplicación de la energía fotovoltaica.

Basándonos en estos estudios, se desarrollan a la par los proyectos de: Lámparas de LEDS, Energía Fotovoltaica aplicada a Cargadores para Celulares y un caso de estudio en el Parque Eco-turístico Madho Corrales.

Palabras clave

Energías Renovables

Energía Fotovoltaica

Energía Eólica

Desarrollo Sostenible

Sistemas Integrados

b) Introducción México ha sufrido encarecidamente por el calentamiento global en ciudades como el Distrito Federal y en estados como Durango donde la calidad del aire disminuye y la temperatura aumenta de manera alarmante. (Strenziok D. R., 2011) En los últimos años, como consecuencia del crecimiento de la población a nivel mundial, ha desencadenado una gran necesidad de energía para poder abastecer y satisfacer sus necesidades.

Actualmente el 85% de la población mundial utiliza como principal fuente de energía a los hidrocarburos y tan solo el 1.24% la energía solar. (Strenziok D. R., 2011)

El uso de las energías renovables se vuelve una alternativa de solución de estos grandes problemas

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c) Objetivos

El objetivo general es analizar la factibilidad de implementar un Sistema Integrado que satisfaga las necesidades de energía eléctrica en Madho, trayendo la base de implementación de estos en el valle del mezquital. Los objetivos específicos son: 1.- Examinar las condiciones de irradiancia y las horas de insolación para detonar la implementación de Sistemas Fotovoltaicos (SFV) en la región, 2.- Determinar la velocidad del aire para maximizar e implementar Sistema Eólicos (SE) adecuados a la región y 3.- Examinar un modelo que integre estos tipos de generación de energía eléctrica en la región del caso de estudio.

d) Metodología

Planteamiento del problema: La contaminación generada por la quema de combustibles fósiles para la generación de energía eléctrica que es requerida por usuarios rurales como el Parque Eco-turístico Madho Corrales y el alto costo que significa para estas unidades.

Los primeros análisis realizados en esta investigación, indicaron una insolación con duración de 10 horas, este ejercicio se realizó en el año 2011, el cual es base para este trabajo.

Formulación del problema de investigación: Por las condiciones climatológicas en el Parque Eco-turístico hace factible la implementación de sistemas fotovoltaicos, pretendemos analizar el número de horas que recibe irradiancia para así sustentar la implementación de otros sistemas fotovoltaicos, al igual que determinar la velocidad del aire para la factibilidad de sistemas eólicos.

Metodología: La investigación contempla dos grandes paradigmas: el cualitativo (también conocido como interpretativo o comprensivo) y el cuantitativo (también conocido como explicativo), los cuales tienen su origen en las tradiciones de Aristóteles y Galileo.

De acuerdo a las necesidades energéticas que tiene el parque ecológico, planteamos las siguientes hipótesis: las horas de irradiancia son las necesarias para satisfacer la demanda y la velocidad del viento es suficiente. El método de comparación será de acuerdo a un análisis inferencial con distribución normal, para así determinar los posibles procesos estocásticos y medirlos. La población y muestra: serán establecidos de acuerdo al número de días que resulte de la técnica de muestreo para poblaciones finitas, teniendo un 50% de probabilidad de éxito como de fracaso.

En relación a la fiabilidad del método cualitativo citaremos a (Goetz & LeCompte, 1988): si se le compara con los diseños experimentales de laboratorio, estrictamente controlados, o con los experimentos de campo, los diseños cualitativos parecen resistirse a todo intento de replicación. La utilización del método cualitativo en la presente investigación pretende observar y analizar el fenómeno de estudio, el cuál describimos como “el proceso de utilización de energías alternativas en el Parque Eco turístico Madho Corrales”. Derivado de lo anterior se decide utilizar el Estudio de Caso como la tradición o diseño metodológico para la presente investigación, aplicando como herramientas: la observación, la entrevista, la videograbación y el análisis de documentación.

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e) Resultados Se desarrolla un piranometro de irradiancia directa, y un aerogenerador para la obtención de datos que son requeridos para sustentar la implementación de sistemas híbridos, estos dispositivos arrojaron lo siguiente: 9 horas de insolación directa con 4.5kwh/m2 día y una velocidad del viento de 1.83m/s. f) Conclusiones Se examinó el nivel de irradiancia y de acuerdo a la estadística obtenida, corroboramos un valor promedio de 4.5kwh/m2día y desviación estándar de 2.4 concluimos que existe una probabilidad de 42.05% que aumente la irradiancia en esta región, esto favorece a los SFV para su implementación. De acuerdo a las horas de insolación determinamos que no aumentarán a más de nueve horas ya que la probabilidad de aumento es de 29.18% entre las dos colas, por ello rechazo la hipótesis de que en Alfajayucan existen 10 horas de insolación, sin embargo las 9 horas que se demostraron, ayudarán a disminuir los costos en 45% en el dimensionamiento de los SFV, sin embargo demostramos más de 9 horas de insolación pero para asegurar el buen funcionamiento del sistema, se aceptan 9 horas en base a la probabilidad ya descrita.

La determinación de velocidad del viento no es suficiente para integrar un sistema eólico, con una media de 1.83 m/s y una desviación estándar de 0.57 la probabilidad de que aumente esta a 3m/s es 16.6%; si se espera tener una velocidad de 4m/s entonces la probabilidad es 0.54%, por esta razón se rechaza este sistema dentro de la integración de los otros, para asegurar esto, se continua con el desarrollo del aerogenerador.

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Cartel Primer Foro Internacional de Educación, Ambiente y Sustentabilidad, FINEAS 2013

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