IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA
FOTOVOLTAICO AISLADO PARA LA ESTACIÓN
METEOROLÓGICA DEL TECNOLÓGICO DE
ESTUDIOS SUPERIORES DE JOCOTITLÁN
IMPLEMENTATION OF AN ISOLATED PHOTOVOLTAIC SYSTEM
FOR THE METEOROLOGICAL STATION OF THE TECNOLÓGICO DE
ESTUDIOS SUPERIORES DE JOCOTITLÁN
Abraham Garcia Rodriguez
Tecnológico de Estudios Superiores de Jocotitlán, México
Jaime Rosales Dávalos
Tecnológico de Estudios Superiores de Jocotitlán, México
Leopoldo Gil Antonio
Tecnológico de Estudios Superiores de Jocotitlán, México
Juan Alberto Antonio Velázquez
Tecnológico de Estudios Superiores de Jocotitlán, México
Ma. De los Ángeles Enríquez Pérez
Tecnológico de Estudios Superiores de Jocotitlán, México
pág. 10466
DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v9i3.18773
Implementación de un Sistema Fotovoltaico Aislado para la Estación
Meteorológica del Tecnológico de Estudios Superiores de Jocotitlán
Abraham Garcia Rodriguez1
2018150480338@tesjo.edu.mx
https://orcid.org/0009-0003-5777-2335
Tecnológico de Estudios Superiores de
Jocotitlán, TecNM
México
Jaime Rosales Dávalos
jaime.rosales@tesjo.edu.mx
https://orcid.org/0000-0002-9059-6893
Tecnológico de Estudios Superiores de
Jocotitlán, TecNM
México
Leopoldo Gil Antonio
leopoldo.gil@tesjo.edu.mx
https://orcid.org/0000-0002-7445-9426
Tecnológico de Estudios Superiores de
Jocotitlán, TecNM
México
Juan Alberto Antonio Velázquez
juan.antonio@tesjo.edu.mx
https://orcid.org/0000-0003-3052-3171
Tecnológico de Estudios Superiores de
Jocotitlán, TecNM
México
Ma. De los Ángeles Enríquez Pérez
maria.enriquez@tesjo.edu.mx
https://orcid.org/0000-0002-2280-0661
Tecnológico de Estudios Superiores de
Jocotitlán, TecNM
México
RESUMEN
La dependencia de combustibles fósiles para generar electricidad ha elevado la huella de carbono y los
costos energéticos, lo que ha impulsado el desarrollo de energías renovables más limpias, accesibles y
eficientes. Una de las principales fuentes de energía renovable es la energía solar, esto es debido a su
disponibilidad y a la disminución de los costos en la adquisición de paneles solares, a pesar de los
avances tecnológicos el aprovechamiento de la energía solar sigue siendo bajo en comparación con el
consumo global de energía. No obstante, su implementación en aplicaciones específicas, como sistemas
autónomos y aplicaciones agrícolas ha demostrado ser una solución eficiente tanto en zonas aisladas
y/o con acceso limitado a la red eléctrica. Este trabajo plantea el dimensionamiento e implementación
de un sistema fotovoltaico autónomo para la estación meteorológica del Tecnológico de Estudios
Superiores de Jocotitlán (EMTESJO). El objetivo es garantizar un suministro energético continuo e
independiente de la red eléctrica, permitiendo el monitoreo ininterrumpido de las variables
meteorológicas que se monitorean a través de la estación. La integración de un sistema fotovoltaico
asegurará el funcionamiento óptimo y sostenible de la EMTESJO mediante el uso de energías limpias.
Palabras clave: energía solar, sistemas fotovoltaicos, estación meteorológica, energía renovable
1
Autor principal
Correspondencia: 2018150480338@tesjo.edu.mx
pág. 10467
Implementation of an Isolated Photovoltaic System for the Meteorological
Station of the Tecnológico de Estudios Superiores de Jocotitlán
ABSTRACT
Dependence on fossil fuels to generate electricity has driven up carbon footprint and energy costs,
prompting the development of cleaner, more affordable and efficient renewable energies. One of the
main sources of renewable energy is solar energy, this is due to its availability and the decrease in the
cost of acquiring solar panels, despite technological advances, the use of solar energy is still low
compared to global energy consumption. However, its implementation in specific applications, such as
autonomous systems and agricultural applications, has proven to be an efficient solution in isolated
areas and/or areas with limited access to the electrical grid. This work proposes the sizing and
implementation of an autonomous photovoltaic system for the meteorological station of the Tecnológico
de Estudios Superiores de Jocotitlán (EMTESJO). The objective is to guarantee a continuous and
independent energy supply from the electrical grid, allowing the uninterrupted monitoring of the
meteorological variables that are monitored through the station. The integration of a photovoltaic
system will ensure the optimal and sustainable operation of the EMTESJO through the use of clean
energy.
Keywords: solar energy, photovoltaic systems, weather station, renewable energy
Artículo recibido 26 mayo 2025
Aceptado para publicación: 30 junio 2025
pág. 10468
INTRODUCCIÓN
Las energías renovables surgen como una respuesta al aumento de la demanda energética y los impactos
negativos de los métodos tradicionales de generación de energía basados en la quema de combustibles
de origen fósil como el petróleo y sus derivados, por esta razón Stanojevic (2021) afirma que el futuro
reside en las nuevas tecnologías energéticas; por lo que, surge la necesidad de buscar nuevas fuentes de
energía que no contaminen y sean renovables, el Sol puede aprovecharse como una fuente de recursos
que provee energía limpia, abundante y disponible en la mayor parte del planeta, pero incluso con los
avances tecnológicos de las últimas décadas el aprovechamiento de la energía solar ha sido
insignificante comparándolo con el consumo global de energía a nivel mundial (Schallenberg
Rodríguez, y otros, 2008) (Blas Martínez, 2011). Actualmente, la energía solar ocupa el tercer lugar
dentro de las energías renovables con 227 GW para generación eléctrica y 435 GW térmicos (Secretaría
de Energía, 2017), hoy en día existen diversos sistemas y métodos que permiten aprovechar la energía
del sol para usarla en una gran variedad de aplicaciones, como son los sistemas aislados que se emplean
en postes de alumbrado público o sistemas de bombeo de agua. Los sistemas aislados (SOFF) al ser
independientes de la red eléctrica necesitan paneles solares, un controlador de carga, un inversor que
convierta la corriente directa (DC) a corriente alterna (AC) y baterías para el almacenamiento de
energía, al término de la vida útil de los componentes, estos deben ser reciclados cuando sea posible o
desechados de forma segura, en especial los componentes electrónicos, las baterías (Secretaría de Medio
Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT) & Deutsche Gesellschaft für Internationale
Zusammenarbeit (GIZ)., 2021).
El método para producir energía a través de paneles fotovoltaicos se basa en el aprovechamiento de la
energía solar contenida en las partículas de luz (denominados fotones) para convertirla en energía
eléctrica (Mdallal, y otros, 2025). La tecnología solar fotovoltaica (FV) consiste en el aprovechamiento
de la radiación solar para posteriormente convertirla en energía eléctrica aprovechando el efecto
fotovoltaico para transformar la energía luminosa en energía eléctrica (Abella, 2016). Esto es posible
gracias a las células solares (unidad básica para la producción de energía fotovoltaica) que se encuentran
en los paneles solares, la energía producida es el resultado de dos partes que están hechas de
semiconductores, como el silicio (Cosenza, Miccio, & Greco, 2023). Las celdas fotovoltaicas o paneles
pág. 10469
solares son dispositivos que convierten la energía del sol en energía eléctrica, por lo tanto, la energía
convertida es directamente proporcional a la intensidad y duración de los rayos solares (Mestre Maestre,
2021).
Dentro de la categoría de los paneles fotovoltaicos se pueden distinguir tres tipos: monocristalinos,
policristalinos y silicio. Cada tipo de panel solar tiene sus ventajas y desventajas, sin embargo, es
importante tener en cuenta el impacto económico que tendrá la adquisición de los paneles solares en el
presupuesto del proyecto contemplado.
Controlador de carga
El controlador de carga o regulador de carga solar es el encargado de gestionar este proceso de carga y
descarga de las baterías, es necesario para proteger la vida útil de las baterías y mejorar el rendimiento
del sistema solar. Un controlador de carga solar es un dispositivo electrónico que controla el flujo de
electricidad, este flujo de energía depende del estado de carga de la batería y de la energía producida
por los paneles solares, por ende, es necesario el monitoreo continuó del nivel de carga de la batería
para proporcionar la carga y extender la vida útil de la batería. Es importante tener en cuenta que las
baterías (dependiendo del tipo de batería) requieren varias etapas de carga con diferentes parámetros de
voltaje e intensidad según el modelo utilizado. Se clasifican en dos categorías los controladores de
carga: los controladores de carga tipo PWM (Pulse Width Modulation), o “Modulación por Ancho de
Pulso” y los controladores de carga tipo MPPT (Maximum Power Point Tracking), o “seguimiento del
punto de máxima potencia”. El controlador de carga MPPT suele tener una eficiencia entre el 70 y el
96 %, lo que lo hace ideal para aplicaciones donde se busca obtener el mayor rendimiento de los
componentes, por otra parte, el controlador de carga PWM suele tener una eficiencia promedio del 70%
siendo comúnmente usado en aplicaciones baja potencia (Bustos-Márquez, Sepúlveda-Mora, Guevara-
Ibarra, & Medina-Delgado, 2023); (Arsad, Mahmood Zuhdi, Azhar, Chau, & Ghazali, 2025).
Inversores CC-AC
Es un dispositivo electrónico diseñado para convertir una señal de CC en una señal de AC. Los
inversores permiten controlar y convierten los parámetros como frecuencia, amplitud y la señal de salida
según los requisitos específicos de la carga. Su importancia radica en su capacidad para promover la
integración de los sistemas eléctricos, energías renovables y mejorar la eficiencia energética.
pág. 10470
La conversión de la energía eléctrica se realiza mediante circuitos de electrónica de potencia que
adaptan el tipo o nivel de una forma de onda de entrada específica a las características requeridas por
la carga, optimizando el funcionamiento y la eficiencia. Los convertidores electrónicos de potencia son
esenciales para garantizar la compatibilidad y el aprovechamiento eficiente de la energía eléctrica en
diversos sistemas, adaptando las características de la energía suministrada a las necesidades específicas
de cada aplicación (Andueza San Martín & Senosiáin Miquélez, 2012).
Los inversores se pueden clasificar según el tipo de onda que entregan en la salida.
▪ Inversor de onda sinusoidal pura: Es un dispositivo inversor de potencia que generar una forma de
onda de AC sinusoidal debido a que muchos dispositivos eléctricos están diseñados para operar de
manera óptima con una fuente de AC de onda sinusoidal. Ofrecen la forma de onda de mayor
calidad, con un índice de distorsión armónica total (conocido como THD, por sus siglas en inglés)
muy bajo, cercano al 3%.
▪ Inversor de onda modificada: La onda sinusoidal modificada se genera al combinar dos ondas
cuadradas, una de las cuales está desfasada un cuarto de período respecto a la otra. Esto da como
resultado una forma de onda con pasos de voltaje que siguen esta secuencia: cero, pico positivo,
cero, pico negativo y nuevamente cero, repitiéndose de manera continua, esto se logra cuando los
pulsos tienen un ancho de 130 grados por ciclo de trabajo.
▪ Inversor de onda cuadrada: es una solución sencilla y económica, sin embargo, en términos de
eficiencia esta suele ser baja debido a las distorsiones armónicas (Gutiérrez, Flórez, & Serrano,
2019).
Acumulación de energía
Para poder almacenar la energía producida por los paneles fotovoltaicos es necesario la integración de
un sistema de acumuladores, de este modo la energía almacenada será utilizada en las horas nocturnas.
Algunos de los parámetros que se debe tener en cuenta para el dimensionamiento del sistema de
acumulación son: la capacidad de al maceramiento de las baterías medidas en Ah (Amperes-horas), la
tensión nominal de las baterías teniendo en cuenta si se va a trabajar con un sistema de 12 volts o 24
volts y la intensidad de trabajo (la profundidad de descarga máxima especificada por el fabricante). La
selección de las baterías dependerá del tipo de instalación (Martínez Cerro, 2011).
pág. 10471
Existen varios tipos de baterías que se pueden usar en los sistemas fotovoltaicos, las baterías más
utilizadas son (Alvarado Ladrón de Guevara, 2018):
▪ Monoblock: este tipo de baterías son comúnmente usadas para pequeñas instalaciones, con una
relación calidad-precio equilibrada, son una excelente opción para instalaciones aisladas con
consumos pequeños o esporádicos.
▪ Baterías AGM: estas son baterías de plomo-acido sellada, libres de mantenimiento, pero por lo
regular tienen un número menor de ciclos que otros tipos de baterías, por lo tanto, es un factor
importante a tener en cuenta si se les dará un uso diario. Estas baterías ofrecen ciclos de descarga
profunda, una mayor resistencia al frio y resistente a impactos.
▪ Baterías estacionarias: estas baterías se caracterizan por tener una vida útil más larga y un
mantenimiento mínimo, por lo que son ideales para instalaciones en las que se van a realizar un
consumo diario durante largos periodos de tiempo.
▪ Baterías de gel: son una variante de las baterías plomo-acido, se caracterizan por no necesitar
mantenimiento, pueden suportar temperaturas extremas y tener una vida útil mayor a otras baterías.
▪ Baterías de litio: estas bacterias se distinguen por ocupar menos espacio que las baterías ya
mencionadas y no necesitar mantenimiento. Presentan el tipo de carga más rápido y tienen un mayor
ciclo de descarga sin dañar la batería, teniendo como principal desventaja su elevado costo.
El desarrollo de nuevas tecnologías y procesos más eficientes para fabricar baterías de litio hace que
los costos bajen gradualmente y se traza un nuevo horizonte no solo para los sistemas FV sino también
para todas las aplicaciones que requieren el uso de baterías (autos eléctricos, teléfonos inteligentes,
herramientas eléctrica o simplemente almacenamiento de energía a gran escala), esto ha permitido que
el desarrollo de sistemas FV a gran escala sea cada vez más común en países como USA o China (Edoo
& Ah King, 2021).
Estos sistemas han permitido que se pueda llevar energía eléctrica a zonas de difícil acceso, como en
las zonas montañosas. Además, este tipo de sistemas es ideal para instalaciones agrícolas que requieren
el uso de maquinaria y aparatos eléctricos, especialmente en zonas apartadas o no urbanizadas donde el
acceso a la red eléctrica es limitado (Centeno Alcivar, 2024).
pág. 10472
Con las estaciones meteorológicas móvil (Florentino León, 2023), es posible conocer las condiciones
atmosféricas de un lugar en específico, con esta información los productores podrían planificar sus
actividades agrícolas (Thombare, y otros, 2021).
Este trabajo muestra el proceso de incorporación de un sistema SOFF que sirve para proporcionar
energía eléctrica de forma independiente a la EMTESJO. Esta implementación otorgara autonomía y
confiabilidad, incluso en condiciones de desconexión de la red eléctrica o en áreas con acceso limitado
a infraestructura. De esta forma se garantiza un monitoreo continuo de las variables meteorológicas
(temperatura, humedad relativa, presión atmosférica, cantidad de luz, velocidad de viento, dirección de
viento y cantidad de lluvia), asegurando el monitoreo y almacenamiento continuo de las variables físicas
y procesar la información, sin interrupciones por falta de energía o fallos en la conexión de la red
eléctrica.
La EMTESJ enfrenta limitaciones en su operación continúa por la dependencia de la energía eléctrica
suministrada por CFE (comisión federal de electricidad). Esto ha provocado fallas en el funcionamiento,
lo cual afecta el monitoreo y almacenamiento constante de las variables meteorológicas. Anteriormente,
se integró un sistema fotovoltaico para captar y almacenar la energía eléctrica, que proporciona la
tensión necesaria para su correcto funcionamiento del sistema de captación y almacenamiento de las
variables físicas. Sin embargo, la integración de reguladores de voltaje para el sistema de recolección y
almacenamiento de datos, a través de internet requieren estar conectados a una fuente de energía con
Corriente Alterna (AC), lo cual representan un obstáculo que limita el funcionamiento de la estación
meteorológica para trabajar en zonas sin acceso a la red eléctrica convencional. Para solucionar este
problema se implementó un sistema fotovoltaico SOFF para la operación autónoma de la estación
meteorológica, sin importar si los sensores trabajan con corriente directa (DC) o alterna (AC). La
implementación de un sistema SOFF permite el monitoreo ininterrumpido de las variables físicas
garantizando la independencia energética de la estación para el monitoreo y almacenamiento de los
parámetros físicos, facilitando posibles ubicaciones en las zonas de cultivo sin acceso a la energía
eléctrica.
pág. 10473
METODOLOGÍA
Se utilizaron las ecuaciones propuestas por Salamanca (2017), para el cálculo del dimensionamiento
del sistema fotovoltaico. El estudio de cargas se hace para tener una idea aproximada de la potencia
consumida, considerando todos los sensores y reguladores de carga que integran la EMTESJ, la potencia
total diaria es de 32 W y la energía total diaria consumida es de 474.465 Wh.
Para el dimensionamiento del sistema SOFF, se determina el consumo diario de energía eléctrica,
principalmente la potencia de los equipos electrónicos que están conectados y si estos funcionan con
CC o AC. La ecuación 1 se utiliza para determinar la estimación del consumo para equipos que
funcionan con CC medida e watts hora (Wh).
(Ecuación 1)
Donde #Eqip es el número de equipos con las mismas características, Hrs es la cantidad de horas que
funcionaran los equipos y es la potencia nominal de equipos conectados a CC.
En la ecuación 2 se utilizan las mismas variables que en la ecuación 1, pero aplicada a los equipos que
usan AC, en este caso no se utilizara la ecuación 2, todos los equipos utilizan CC.
(Ecuación 2)
Por último, la energía total consumida por los dispositivos de CC y la consumida por los dispositivos
AC, se calcula:
(Ecuación 3)
Como solo se utilizan dispositivos y sensores que funcionan CC, la ecuación 2 puede ignorarse, pero si
el proyecto incluyera bombas de agua o cualquier tipo de motor (ya sea monofásico o trifásico) la
ecuación 2 tendría una especial importancia. Por lo tanto, la ecuación 3 queda de la siguiente forma:
= 475 Wh/día
Estimación de pérdidas en el sistema
Es importante considerar que van a existir perdidas que pueden afectar en mayor o menor medida el
rendimiento del sistema SOFF, ya sea por cableado, eficiencia del inversor o las baterías. En este trabajo
se considerarán 4 factores que pueden afectar la eficiencia del sistema. La ecuación 4 se usa para estimar
esas pérdidas.
pág. 10474
(Ecuación 4)
Donde:
= eficiencia de la batería que típicamente puede oscilar entre el 75% y un 90%.
= eficiencia del inversor. Principalmente es utilizado en instalaciones de 220 V. Los valores por
defecto suelen oscilar entre el 85% y el 98%.
= eficiencia del regulador empleado. Depende de la tecnología utilizada, en caso de desconocer el
valor por defecto se considera el 90%.
= eficiencia que considera las pérdidas no contempladas.
En este caso se usaron los valores recomendados por los fabricantes:
= eficiencia de la batería (80%)
= eficiencia del inversor (85%)
= eficiencia del regulador (95%)
= eficiencia debido a otras pérdidas (95%)
0.614
Dimensionamiento de los paneles fotovoltaicos
Se utilizaron paneles policristalinos, estos paneles se caracterizan por tener diferentes tonalidades de
azul oscuro y por tener las puntas de los bordes en ángulo recto. Además de tolerar el calor con mayor
facilidad, tienen una gran capacidad de absorción y una eficiencia estimada entre el 11 y 17 %
dependiendo del fabricante (Idrobo Pacheco, Murillo Arango, Lara Galvis, & Chávez Ruiz, 2021)
(Torrea Pacheco, Jurado Pérez, Granados Lieberman, & Lozano Luna, 2018).
En la Tabla 1, se describen los datos técnicos del panel solar que se empleó para el dimensionamiento.
Esto involucra la generación de energía total necesaria de los paneles y con base en las condiciones
climáticas de la zona, se estimó la cantidad de paneles y la forma de conexión (serie y/o paralelo).
pág. 10475
Tabla 1. Especificaciones técnicas del panel solar
Fuente: Elaboración propia
Mediante las coordenadas geográficas del municipio de Jocotitlán se obtuvieron los datos de la
insolación promedio mínima por cada mes del año. Usando el software System Advisor Model (SAM)
y los datos climatológicos obtenidos en la plataforma en línea de POWER Data Access Viewer en la
página de la (NASA, n.d.), se puede hacer una simulación para obtener datos como la inclinación más
adecuada para los paneles solares, las horas solares pico promedio en un año, etc. Con los datos
obtenidos de la simulación se puede corroborar que las recomendaciones de la Secretaria de Energía
(Secretaria de Energía , 2023) son correctas, sugiriendo una orientación de los paneles hacia el sur
geográfico con una inclinación entre 30° y 40° (fig. 1).
Figura 1. Orientación de los paneles solares.
Fuente: Software SAM.
Características Datos del Panel solar
Potencia nominal 240 W
Tensión 30.89 V
Corriente 7.77 A
Tensión circuito abierto 37.35 V
Corriente de corto circuito 8.38 A
pág. 10476
En la fig. 2, se muestra una gráfica de los kilowatts-hora (kWh) que el sistema SOFF puede generar por
cada mes durante un año, se observa que los meses que menos energía se producen son los meses de
junio, julio y agosto, la fig. 3 muestra la cantidad de Kilowatts (kW) AC que el sistema SOFF produce
durante las 24 horas del día durante un año, se observa que las horas en las que más energía se produce
son de las 10 a las 14 horas. Esta información es de gran importancia ya que permite una mayor precisión
para dimensionamiento del sistema SOFF.
Figura 2. Energia mensual generada en un año.
Fuente: Software SAM.
Figura 3. Energia generada durante el dia en un año.
Fuente: Software SAM.
El coeficiente es un factor de seguridad que sirve para afrontar las pérdidas del sistema y la
degradación de potencia en días con poca radiación solar. La energía total se determina con la ecuación
5.
pág. 10477
(Ecuación 5)
Donde es la energía total que consume la EMTESJO, al factor de seguridad se le suele asignar
un valor de 1.1 (teniendo en cuenta los datos de la simulación), y son las eficiencias y
finalmente y es el consumo de energía diario de los sistemas CC y AC respectivamente, en este
caso solo se aplica para un sistema de CC, de acuerdo a la ecu 5.
= 850.977 Wh/dia
Para el dimensionamiento de los paneles solares, se consideró el tipo de regulador de carga que
empleara, en este caso se utilizó un regulador de tipo PWM.
Para los cálculos del panel solar se necesitan conocer algunos parámetros climáticos del lugar como las
Horas Solar Pico (HPS), este parámetro se puede definir como el número de horas que disponemos de
una irradiación solar constante (el programa SAM recomienda un valor de 5.0 pero para este caso se
usó un valor de 4.74).
Para este cálculo se divide el valor más bajo de la radiación solar sobre 1 kW/m2, de este modo se
obtienen las horas solares pico, usando la potencia pico del panel solar (Wp) y la tensión pico (Vp).
Hora solar pico = HSP =
= 4.74 h/día
Wp = 240 W
Vp = 30.89 V
Con la ecuación 6 se calcula el dimensionamiento de los paneles solares.
(Ecuación 6)
Donde es la energía diaria que genera el panel solar, se refiere a la potencia pico o nominal
corregida por temperatura, HSP es la hora solar pico,
es la tensión nominal del panel solar y, por
último,
es la tensión nominal del panel, por lo tanto se obtuvo.
= 240 * 4.74 * 30.89 V/37.35 V
941Wh/día
Energía extra de recuperación (se considera un 20%), esto es para compensar la falta de potencia en
días nublados
pág. 10478
= 0.2 * 850.977 Wh/día = 170.195 Wh/día
Para determinar la cantidad total de los paneles, se emplea la ecuación 7.
(Ecuación 7)
Donde se refiere al número total de paneles que se emplearan, es la energía diaria que se
generara y es la energía diaria que produce el panel.
= 1.085 1 panel
= 1*240 *
= 1137.6 Wh/día
El arreglo de paneles en serie se hace con la finalidad de aumentar la tensión del sistema FV, para ello
se emplea la ecuación 8.
(Ecuación 8)
Donde
se refiere a la tensión nominal del sistema y
es la tensión nominal del panel solar.
=
= 0.388 1 panel en serie
La conexión de paneles en paralelo tiene como fin el incremento de la corriente una vez que la tensión
nominal del sistema se alcanza mediante el arreglo de paneles en serie (solo si es necesario), para este
fin, se emplea la ecuación 9.
(Ecuación 9)
Donde es el total de paneles solares y se refiere a la cantidad de paneles en serie.
=
= 1 paneles en paralelo
Dimensionamiento del regulador de carga
Para dimensionar el regulador de carga se emplea la ecuación 10, la cual ha sido modificada para
ajustarla al modelo del regulador de carga PWM.
(Ecuación 10)
Donde se refiere a la corriente nominal del regulador, es el número de paneles en paralelo,
se refiere a la corriente de corto circuito del panel solar y por último FS es el factor de seguridad el cual
suele tener un valor de 1.2. por consiguiente, la corriente nominal del regulador es.
pág. 10479
10.89 Ah
El controlador de carga debe soportar una corriente aproximada de 11 A, los controladores existentes
en el mercado soportan corrientes en el rango de los 30 a 60 A, por lo tanto, se optó por el uso de un
controlador de 30 A.
Dimensionamiento del inversor
Para determinar que inversor es el más adecuado se utilizaran las siguientes ecuaciones.
(Ecuación 11)
(Ecuación 12)
Donde representa la potencia nominal del inversor, la potencia de las cargas en CA,
FP es un factor de potencia de las cargas en CA y el FS es un factor de simultaneidad del consumo en
CA (Salamanca, 2017).
=
Por lo tanto, la potencia nominal del inverso es.
= 50W
El inversor debe suministrar una potencia de 50W, sin embargo, los modelos de inversores (más
adecuados para este caso en particular) en el mercado suele tener una potencia de salida que va de 110
a 300W, por tal motivo se decidió usar en inversor de 120W de onda modificada con una eficiencia del
90% y un voltaje de entrada de 12V.
Dimensionamiento del banco de baterías
Para hacer una selección adecuada de las baterías que se usaran es necesario emplear la ecuación 13.
(Ecuación 13)
Donde es la capacidad nominal del banco de baterías medido en Ah/día, es el consumo de
energía total al día de la carga, = días de autonomía con baja o nula insolación,
es la tensión
nominal del sistema, es la profundidad máxima de descarga de la batería (por defecto se escogen
valores entre el 50% y el 80%) y es la eficiencia de la descarga (teniendo en cuenta la eficiencia de
descarga de la batería, del regulador, del inversor, cables, etc.) por defecto se usa un valor del 75%, y
se obtuvo que la capacidad nominal del banco de baterías es.
pág. 10480
= 130 Ah
Para este caso se optó por usar 2 baterías de 12 volts y 62 Ah nominal libres de mantenimiento por su
relación de costos-beneficios.
Cantidad de baterías
La ecuación 14 se utiliza para determinar el total de baterías que se usaran.
(Ecuación 14)
Donde es la cantidad total de baterías, , es la capacidad nominal de las baterías,
es la capacidad nominal de una sola batería,
es la tensión nominal del sistema y, por
último, es la tensión nominal de una sola batería (Salamanca Ávila, 2017).
= 2.09 2 baterías
Baterías en serie y paralelo
Finalmente, para determinar la cantidad de baterías conectadas ya sea en serio o paralelo se emplean
las ecuaciones 15 y 16. En base a los cálculos se determinó se requiere de 2 baterías en paralelo.
(Ecuación 15)
=
= 1 batería en serie
(Ecuación 16)
=
= 2 baterías en paralelo
En la tabla 2, se muestran las características de las 3 baterías que se consideraron para este caso
Tabla 2. Descripción de las baterías
Fuente: Elaboración propia
Batería
Capacidad de
almacenamiento
Profundidad de
descarga
recomendado
Mantenimiento Eficiencia Costo
Plomo-acido 30-100 A 50-80%
Requiere
mantenimiento
Media-baja Medio
AGM 30-120A 50-80%
Requiere bajo
mantenimiento
Media Medio
Gel 50-150A 25-50%
Requiere poco
mantenimiento
Alta Alto
pág. 10481
En la fig.4, se muestra la conexión eléctrica del sistema, la energía producida por los paneles
fotovoltaicos es enviado al controlador de carga, el cual gestiona la tensión que recibe la batería por
medio PWM, manteniendo un voltaje de carga de 15 volts y el inversor se conecta a los bornes
designados la carga, el voltaje en estos bornes es de 12 a 15 volts, cuando el voltaje es de 12V o menos
el controlador de carga corta el suministro de energía para proteger la batería de una sobre descarga y
extender su vida útil.
Figura 4. Esquema de conexión.
Fuente: Elaboración propia.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La implementación del sistema SOFF en la EMTESJO permitió observar que es posible la realización
de un sistema FV con la capacidad de abastecer la demanda eléctrica en proyectos que buscan tener un
funcionamiento autónomo con un consumo de potencia media-baja. Durante el proceso de
dimensionamiento e implantación del sistema SOFF se observaron ciertas limitaciones empezando por
la parte económica y el almacenamiento de la energía; las baterías al ser el elemento más costoso que
integra el sistema SOFF, representa un desafío tanto en términos de presupuesto como de eficiencia
operativa. Actualmente las baterías de litio son las que tienen la mejor relación de costos-beneficios
dentro de las opciones disponibles para el almacenamiento de energía en sistemas FV, por lo cual, es
una posible mejora que se buscara implementar en un futuro.
pág. 10482
Por otra parte, la EMTESJO se puede ubicar en zonas de cultivo dónde se requiere el análisis de las
variables físicas climatológicas, por esta razón se presenta la necesidad de saber la tensión del sistema
en todo momento; principalmente en las horas nocturnas que es el momento en que las baterías estarán
suministrando energía al sistema FV, esta cuestión se resolvió implementando un sistema de monitoreo
de la tensión de las baterías por medio de sensores de voltaje y corriente. Durante la noche se llevó a
cabo las pruebas con el objetivo de evaluar el desempeño del sistema SOFF y la aplicación de monitoreo
durante las horas nocturnas sin ningún tipo de intervención, una de las pruebas tuvo una duración total
de 12 horas, comenzando a las 7:00 p.m. y finalizando a las 7:00 a.m. del siguiente día, la fig.5 muestra
los valores del voltaje de la batería y la corriente consumida por la carga, se puede observar que el
sistema SOFF es capaz de suministrar la potencia necesaria durante las hora nocturnas. El sistema SOFF
funciona sin interrupciones, se optó por usar la plataforma de Thinger.io para almacenar los datos por
periodos de tiempo indefinido y es compatible con el microcontrolador ESP32.
Figura 5. Resultados de la prueba nocturna.
Fuente: Elaboración propia.
El microcontrolador ESP32 interpreta los datos obtenidos de los sensores de voltaje y corriente
conectados al sistema SOFF y los transmite de forma inalámbrica mediante conexión WI-FI hacia la
plataforma Thinger.io, está plataforma permite almacenar datos en la nube y visualizar la información
en tiempo real desde cualquier dispositivo final, (fig. 6).
7:00PM 8:00PM 9:00PM 10:00PM 11:00PM 12:00PM 1:00AM 2:00AM 3:00AM 4:00AM 5:00AM 6:00AM 7:00AM
Voltaje 12.73 12.66 12.63 12.60 12.50 12.48 12.45 12.38 12.33 12.26 12.22 12.20 12.19
Corriente 1.62 1.65 1.60 1.66 1.68 1.68 1.65 1.66 1.63 1.66 1.66 1.67 1.64
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
VALOR DEL VOLTAJE Y CORRIENTE DURANTE LA
PRUEBA
PRUEBA NOCTURNA
pág. 10483
Figura 6. Interfaz de la plataforma Thinger.io.
Fuente: Plataforma Thinger.io.
Finalmente, para tener un mayor rango de cobertura de internet en la EMTESJO se implementó una
antena Ubiquiti modelo LBE-M5-23, se configuro en modo estación. Esta configuración permite que la
antena actúe como un cliente inalámbrico, es decir, que se conecta a otra antena que se configuro como
emisor (modo punto de acceso). Esta configuración de antemas permite que la EMTESJO tenga acceso
a internet en áreas rurales o de difícil acceso y en conjunto con el sistema SOFF se mejora captación,
monitoreo y almacenamiento de datos, de esta manera la información se transmite en tiempo real de
forma estable y continúa facilitando la supervisión desde cualquier ubicación, minimizando la
necesidad de desplazarse físicamente al sitio. Es importante tener en cuenta la orientación precisa de
las antenas, ya que estas deben estar alineadas y apuntando directamente una hacia la otra para asegurar
la transmisión datos. Además, debe considerarse que no debe haber obstáculos físicos como árboles o
edificios en el trayecto, ya que estos pueden causar atenuación de señal, reflexión o pérdida total del
enlace.
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E la figura 7, se muestra las magnitudes de las variables físicas un punto del área de cultivo.
Figura 7. Interfaz de la plataforma Thinger.io.
Fuente: Plataforma Thinger.io.
CONCLUSIONES
El análisis de los resultados del presente trabajo fue el dimensionamiento de un sistema SOFF y su
implementación; por lo tanto, se concluye que la energía solar es viable para abastecer la demanda
energética de este proyecto. La energía solar al ser accesible en cual cualquier punto de la superficie
terrestre y no contaminar es la opción más adecuada para este tipo de proyectos; además tiene una gran
variedad de aplicaciones (sistemas fotovoltaicos, alumbrado público, sistemas de alarmas, etc.) y, por
lo tanto, la EMTESJO se puede colocar en zonas agrícolas donde no se dispone de infraestructura
eléctrica, otorgando una gran flexibilidad para el funcionamiento de esta en cualquier zona de captación
de las variables físicas. Las nuevas tecnologías permiten que los sistemas fotovoltaicos sean más
eficientes y se puede ajustarse dependiendo de la cantidad de radiación solar de la zona para obtener
una mayor eficiencia.
Para el dimensionamiento e implementación un sistema SOFF para la EMTESJO se consideraron las
siguientes variables: aspecto económico del proyecto, debido a la diversidad de configuraciones para el
sistema es importante considerar que la inversión inicial para la adquisición de los de componentes del
sistema SOFF será elevada, principalmente por los paneles solares y las baterías. Por otra parte, la vida
útil de los componentes que integran el sistema SOFF es algo que se debe tener en cuenta ya que los
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paneles solares tienen una vida útil aproximada de 25 años y las baterías tiene una vida útil de 6 a 8
años por lo que estos tendrán que ser reemplazados una vez que su vida útil termine, además de esto,
se debe considerar el mantenimiento continuo al sistema para obtener la eficiencia máxima.
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