Energía fotovoltaica Música de Billy Townes: 'I just want you to know';

En los sistemas fotovoltaicos de bombeo de agua, la energía necesaria para accionar la bomba proviene del sol.  La energía solar es captada y transformada a energía eléctrica en los dispositivos llamados módulos fotovoltaicos.  En el presente capítulo se pretende proveer de las herramientas necesarias para entender la naturaleza de la fuente energética, el Sol, así como también de los conceptos básicos de electricidad con los que se debe contar para el buen entendimiento de la operación de los módulos fotovoltaicos.
 
Figura 3.  Operación de sistemas de bombeo de agua
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El recurso solar

El sol es una fuente inagotable de energía debido a las reacciones nucleares que ocurren en su centro.  Una gran parte de esta energía llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética, la luz solar que podemos percibir está el  espectro que abarca desde 0.2 hasta 2.6 µm.

A medida que la radiación atraviesa la atmósfera terrestre sufre atenuación por los procesos de absorción, reflexión y refracción.  Tales procesos se verifican cuando los rayos de luz chocan con las nubes o con el vapor de agua existente en la atmósfera.  La radiación que llega a la superficie terrestre se puede clasificar en directa y difusa.  La radiación directa es aquella que se recibe en la superficie terrestre sin que esta haya sufrido ninguno de los procesos antes mencionados al pasar por la atmósfera.  La radiación difusa es la que se recibe después de haber cambiado su dirección por los procesos de refracción y reflexión que ocurren en la atmósfera.

Un captador de la energía solar "percibe" la radiación como si viniera de la bóveda celeste.  En un día nublado, la radiación solar recibida en un captador es sólo difusa, ya que la radiación directa es obstruída por las nubes.

La energía de la radiación solar que se recibe en una superfice determinada en un instante dado se le conoce como Irradiancia y se mide en unidades de W/m2.  La irradiancia es un valor distinto para cada instante, es decir se espera que en un dia despejado la irrandiancia a las 10:00 A.M.  será diferente y menor a la que se obtiene a las 1:00 P.M., esto se debe al movimiento de rotación de la tierra (movimiento sobre su propio eje).  Cuando es de noche, se tiene una irradiancia de 0 Watts por metro cuadrado (W/m2), porque simplemente a esa parte de la Tierra el sol no la puede "ver".

Otro concepto importante es el de Insolación, éste corresponde a la integración de la irradiancia en un período determinado.  En otras palabras es la energía radiante que incide en una superficie de área conocida en un intervalo de tiempo dado.  Este término tiene unidades de energía por área, comúnmente Watts-hora por metro cuadrado (W-h/m2).  Generalmente se reporta este valor como una acumulación de energía horaria, diaria, estacional o anual.  La insolación también se expresa en términos de horas solares pico.  Una hora horas de energía es equivalente a la energía recibida durante una hora, a una irradiancia promedio de 1,000 W/m2 (Figura 4).  La energía útil que produce el arreglo fotovoltaico es directamente proporcional a la insolación que recibe.

Figura 4.  Irradiancia y horas solares pico
(insolación) durante un día soleado
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La trayectoria solar

Además de las condiciones atmosféricas hay otro parámetro que afecta radicalmente a la incidencia de la radiación sobre un captador solar, este es el movimiento aparente del sol a lo largo del día y a lo largo del año, ver Figura 5.  Se dice "aparente" porque en realidad la Tierra es la que está girando y no el Sol.  La Tierra tiene dos tipos de movimientos: uno alrededor de su propio eje (llamado movimiento rotacional) el cual da lugar al día y la noche y el otro; es alrededor del sol (llamado movimiento traslacional) siguiendo una trayectoria elíptica, el cual da lugar a las estaciones del año.
Figura 5.  Movimiento aparente del sol en la bóveda céleste en función de
la hora del día y la época del año
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Un arreglo fotovoltaico recibe la máxima insolación cuando se mantiene apuntando directamente al sol.  Esto requeriría el ajuste de dos ángulos del arreglo: el azimut para seguir el movimiento diario del sol de este a oeste, y el ángulo de elevación para seguir el movimiento anual de la trayectoria solar en la dirección norte-sur.
 

Datos de insolación

La insolación es un parámetro clave en el diseño de sistemas solares.  Los factores principales que afectan la insolación sobre una superficie captadora son las condiciones climáticas y el ángulo de la superficie captadora con respecto a la posición del sol.  En lugares donde los días nublados son relativamente más frecuentes, la insolación promedio es menor.  Cuando la latitud del lugar sobrepasa los 15o, los días de invierno son apreciablemente más cortos que los días de verano.  Esto resulta en una mayor insolación promedio en el verano.  Por ejemplo, en las regiones lluviosas del sur de México, la insolación horizontal alcanza 4 kW-h/m2 por día en el invierno, 5.2 kW-h/m2 por día en el verano y 4.5 kW-h/m2 por día como promedio anual.  En las regiones áridas del norte de México, la insolación horizontal alcanza 5 kW-h/m2 por día en el invierno, 8 kW-h/m2 por día en el verano y 6.5 kW-h/m2 por día como promedio anual.

Debido a que la insolación depende del ángulo del arreglo con respecto a la posición del sol, se usa la insolación horizontal para referirse al potencial solar del lugar.  A partir de la insolación horizontal se puede estimar la insolación a un azimut y elevación determinado.  Existen tablas y mapas de insolación horizontal para diferentes regiones y épocas del año provenientes de varias fuentes.  El Apéndice contiene información de insolación para diferentes regiones de México.

Efecto fotovoltaico

Cuando algunos metales se ponen bajo iluminación se crea una fuerza electromotriz o una diferencia de voltaje.  Si se le conecta una carga, se produce una corriente.  Esta corriente producida es proporcional al flujo luminoso que reciben.  Este fenómeno se conoce como efecto fotovoltaico.

En una captador solar el efecto fotovoltaico se presenta como una diferencia de voltaje en sus terminales cuando está bajo iluminación.  Si a las terminales del captador se le conecta un aparato eléctrico, por ejemplo, una lámpara, entonces la lámpara se debe encender debido a la corriente eléctrica que pasa a través de él.  A la unidad mínima en donde se lleva a cabo el efecto fotovoltaico se le llama celda solar.  En la Figura 6 se muestra este efecto.

Figura 6.  Representación física del efecto fotovoltaico en una celda solar
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Materiales de fabricación

El efecto fotovoltaico se puede llevar a cabo en materiales sólidos, líquidos o gaseosos; pero es en sólidos, especialmente en los materiales semiconductores, en donde se han encontrado eficiencias aceptables de conversión de energía lumínosa a eléctrica.  Existen diferentes materiales semiconductores con los cuales se pueden elaborar celdas solares, pero el que se utiliza comúnmente es el silicio en sus diferentes formas de fabricación.

Silicio Monocristalino: Las celdas están hechas de un solo cristal de silicio de muy alta pureza.  La eficiencia de estos módulos ha llegado hasta el 17%.  Los módulos con estas celdas son los más maduros del mercado, proporcionando con esto confiabilidad en el dispositivo de tal manera que algunos fabricantes los garantizan hasta por 25 años.

Silicio Policristalino: Su nombre indica que estas celdas están formadas por varios cristales de silicio.  Esta tecnología fue desarrollada buscando disminuir los costos de fabricación.  Dichas celdas presentan eficiencias de conversión un poco inferiores a las monocristalinas pero se ha encontrado que pueden obtenerse hasta un orden de 15%.  La garantía del producto puede ser hasta por 20 años dependiendo del fabricante.

Silicio Amorfo: La palabra amorfo significa carencia de estructura.  La estructura cristalina de estas celdas no tiene un patrón ordenado característico del silicio cristalino.  La tecnología de estos módulos ha estado cambiando aceleradamente en los últimos años.  En la actualidad su eficiencia ha subido hasta establecerse en el rango de 5 a 10% y promete incrementarse.  La garantía del producto puede ser hasta por 10 años dependiendo del fabricante.

Conceptos básicos de electricidad

La materia está constituida por átomos, los cuales a su vez están formados por dos partes bien diferenciadas: el núcleo, dotado de una carga eléctrica positiva y los electrones, con carga eléctrica negativa que compensa la del núcleo, formando de esta manera un conjunto completamente estable, es decir eléctricamente neutro.  Los electrones más externos se conocen como electrones de valencia.

Los semiconductores son utilizados en la fabricación de las celdas solares porque la energía que liga a los electrones de valencia al núcleo es similar a la energía que poseen los fotones que constituyen a la luz solar.  Por lo tanto, cuando la luz solar incide sobre el semiconductor (generalmente silicio), sus fotones suministran la cantidad de energía necesaria a los electrones de valencia para que se rompan los enlaces y queden libres para circular por el material.  Por cada electrón que se libera, aparece un hueco.  Dichos huecos se comportan como partículas con carga positiva (+).  Estos portadores fotogenerados son forzados a separarse por medio de un campo eléctrico interno, construído para ese fin, que obliga a los electrones a acumularse en una superficie del dispositivo, y a los huecos, en la otra superficie.

La acumulación de cargas en las superficies del dispositivo da como resultado un voltaje eléctrico medible externamente.  La unidad de medición es el volt.  Este voltaje es fotogenerado mediante el efecto fotovoltaico.  Si se establece un circuito eléctrico externo entre las dos superficies, los electrones acumulados fluirán a través de él regresando a su posición inicial.  Este flujo de electrones forma lo que se llama una corriente fotogenerada o fotovoltaica.

Corriente, voltaje, potencia eléctricos y energía eléctrica son algunos de los conceptos eléctricos fundamentales que se deben de tener en mente cuando se trata con sistemas fotovoltaicos.  La corriente eléctrica que circula en el material se define como el número de electrones que fluyen a través de él en un segundo.  La corriente I se mide en amperes.  El voltaje eléctrico V, es el esfuerzo que debe realizar una fuerza externa sobre los electrones dentro del material, para producir la corriente y se mide en volts.  La potencia eléctrica, es aquella que se genera o se consume en un instante dado, se especifica por el voltaje que obliga a los electrones a producir la corriente eléctrica continua y se expresa como:

P = V x I

Siendo su unidad de potencia el Watt (1 Watt = 1 volt x 1 amper).  Y en cuanto a la energía eléctrica, E, es la potencia generada o consumida en un periodo de tiempo t y se define como:

E = P x t;

si el tiempo de consumo esta dado en horas, entonces las unidades para la energía producida serán: Watt-hora.  Otra unidad utilizada es el Joule

1 Joule = 1 Watt por segundo, 1 kW-h = 3.6 x106 J

Contactos metálicos superficiales

Las celdas solares comerciales se fabrican con lingotes de silicio de alta pureza (material muy abundante en la arena).  El lingote es rebanado en forma de placas delgadas llamadas obleas.  El espesor típico usado es del orden de 300 nm (0.3 mm).  Una fracción muy pequeña de tal espesor (del orden de 0.5 nm) es impregnado con átomos de fósforo.  A esta capa se le conoce como tipo-n.  El resto de la oblea es impregnado con átomos de boro y se forma la capa conocida como tipo-p.  Estas capas forman un campo eléctrico (voltaje interno construído) dentro de la oblea y cerca de la superficie que recibe la luz del sol.  Dicho voltaje es el responsable de separar a las cargas fotogeneradas positivas (huecos) y negativas (electrones).

La celda cuenta con dos terminales que se conectan a un circuito externo para extraer la corriente eléctrica producida.  La cara de la oblea expuesta a la luz, posee un enrejado metálico muy fino (plata y/o aluminio), el cual colecta los electrones fotogenerados.  Esta capa corresponde a la terminal negativa.  Sobre este enrejado está conectado uno de los conductores del circuito exterior.  La otra cara cuenta con una capa metálica, usualmente de aluminio.  Esta corresponde a la terminal positiva ya que en ella se acumulan las cargas positivas.  Sobre esta capa está conectado el otro conductor del circuito exterior.  También la celda esta cubierta con una película delgada antireflejante para disminuir las pérdidas por reflexión.

Figura 7.  Generación eléctrica en una celda fotovoltaica
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Módulo fotovoltaico

Una celda solar expuesta a la luz genera electricidad; es decir, en las terminales eléctricas externas del dispositivo aparece un voltaje que puede ser medido con un voltímetro.

Corriente a corto circuito Icc (Isc):  en sus signos de íngles: Es la máxima corriente generada por la módulo solar y se mide cuando se conecta un circuito exterior a la celda con resistencia nula.  La unidad de medición es el amper.  Su valor depende del área superficial y de la radiación luminosa.

Voltaje a circuito abierto Vca (Voc): Es el voltaje máximo que genera una módulo solar.  Su unidad de medición es el volt.  Este voltaje se mide cuando no existe un circuito externo conectado a la celda.

Las celdas se agrupan en lo que se denomina el módulo solar o fotovoltaico.  Este conjunto de celdas deben estar convenientemente conectadas, de tal forma que reúnan las condiciones óptimas para su integración en sistemas de generación de energía, siendo compatibles con las necesidades y los equipos estándares existentes en el mercado.  Las celdas se pueden conectar en serie o en paralelo.

Comercialmente, las celdas solares se conectan en serie, se agrupan, se enlaminan y se empaquetan entre hojas de plástico y vidrio, formando la unidad del módulo solar.  El módulo tiene un marco (usualmente de aluminio) que le da rigidez y facilidad en el manejo y transportación.  Además, en éste se encuentran las cajas de conexiones eléctricas para conectar el cableado exterior.  El número de celdas que contienen los módulos depende de la aplicación para la que se necesita.  Es costumbre configurar el número de celdas conectadas en serie para tener módulos que sirvan para cargar acumuladores (o baterías) de 12 volts.  Se pueden encontrar generalmente módulos de 36 celdas conectadas en serie.  Estos módulos proporcionan un voltaje de salida que sirve para cargar baterías a 12 volts, incluyendo las pérdidas de voltaje en los circuitos eléctricos así como en los sistemas de control y manejo de energía.

El comportamiento eléctrico de los módulos está dado por las curvas de corriente contra voltaje (curva IV) o potencia contra voltaje (curva PV) que los caracteriza.  La curva de potencia se genera multiplicando la corriente y el voltaje en cada punto de la curva IV.  La Figura 9 muestran curvas IV y PV para un módulo fotovoltaico típico.  Bajo condiciones estándares de prueba (irradiancia de 1kW/m2 y temperatura de celda de 25 °C), cada modelo de módulo tiene una curva IV (o PV) característica.   En la curva de potencia contra voltaje, la potencia máxima (Pp) es la capacidad nominal o tamaño del módulo.  La corriente y el voltaje en el punto de máxima potencia (Ip y Vp) corresponden a la corriente nominal y voltaje nominal del módulo, respectivamente.  Otros parámetros de importancia son la corriente de corto circuito (Icc) y el voltaje de circuito abierto (Vca).  Es importante notar que cuando el módulo opera lejos del punto de máxima potencia, la potencia entregada se reduce significativamente.

La potencia máxima o tamaño de los módulos comerciales varía entre 25 y 300 Watts.  El voltaje nominal de la mayoría de los módulos fluctúa entre los 16 y 17.5 voltios.  Cada módulos tiene en su parte posterior una placa del fabricante con el modelo y las especificaciones eléctricas.  Por ejemplo, la placa en la parte posterior del módulo de la Figura 8 se muestra en la Tabla 2.

Figura 8.  Curva IV y PV para un módulo fotovoltaico típico a 1,000 W/m2 y 25 °C
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Tabla 2.  Placa del fabricante de un módulo Solarex VLX-53
Modelo VLX-53
Pp 53 W
Vp 17.2 V
Ip 3.08 A
Vca 21.5 V
Icc 3.5 A
Condiciones   1000 W/m2 25 °C

El funcionamiento del módulo fotovoltaico se ve afectado por la intensidad de la radiación y de la temperatura.  La Figura 9 muestra el comportamiento de la corriente producida en función del voltaje para diferentes intensidades de la radiación solar.  Se presenta un aumento proporcional de la corriente producida con el aumento de la intensidad.  También se debe observar que el voltaje a circuito abierto Vca, no cambio lo cual demuestra su estabilidad frente a los cambios de iluminación.  En la Figura 10 se muestra el efecto que produce la temperatura sobre la producción de corriente en el módulo.  Esta vez, el efecto se manifiesta en el voltaje del módulo.  La potencia nominal se reduce aproximadamente 0.5% por cada grado centígrado por encima de 25 °C.

Figura 9.  Dependencia de la corriente 
producida en función del voltaje para 
diferentes intensidades de radiación 
(temperatura constante de 25 °C)
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Figura 10.  Dependencia de la corriente
producida en función del voltaje para 
diferentes temperaturas de operación 
(irradiancia constante 1,000W/m2)
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El módulo FV es el componente más confiable del sistema.  Es la calidad de la instalación, especialmente de las interconexiones entre los módulos, la que determina la confiabilidad del arreglo FV en su conjunto.   Finalmente, la potencia nominal del arreglo es la suma de la potencia nominal de cada módulo.

Arreglos fotovoltaicos

Un arreglo FV es un conjunto de módulos conectados eléctricamente en serie o paralelo.  Las características eléctricas del arreglo son análogas a la de módulos individuales, con la potencia, corriente y voltaje modificados de acuerdo al número de módulos conectados en serie y en paralelo.

Incrementando el voltaje: Los módulos solares se conectan en serie para obtener voltajes de salida mas grandes.  El voltaje de salida, Vs, de módulos conectados en serie esta dado por la suma de los voltajes generados por cada módulo.

V = V1 + V2 +V3 +..

Una forma fácil de entender el concepto de sistemas conectados en serie, es mediante la analogía presentada en la Figura 11 entre un sistema hidráulico y un eléctrico.  Como se puede observar en el sistema hidráulico (izquierda) el agua que cae desde cuatro veces la altura de 12 metros produce una caída de agua con cuatro veces la presión a la misma tasa de flujo, 2 L/s.  La cual se puede comprar con los 48 voltios que el sistema eléctrico (derecha) alcanza al pasar una corriente de 2 amperios por cuatro módulos conectados en serie.  La corriente se compara con el flujo ya que ambas permanecen constantes en el circuito, y el voltaje es análogo al papel de la presión en el sistema hidráulico.

Figura 11.  Analogía de una conexión en serie entre un 
sistema eléctrico y un hidráulico
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Incrementando la corriente: Los módulos solares o paneles se conectan en paralelo para obtener corrientes generadas mas grandes.  El voltaje del conjunto es el mismo que el de un módulo (o un panel); pero la corriente de salida, Is, es la suma de cada unidad conectada en paralelo.

IT = I1 + I2 + I3 +.

De manera similar al sistema conectado en serie, los sistemas conectados en paralelo también pueden ser comparados en un sistema hidráulico, tal y como se muestra en la Figura 12.  En el sistema hidráulico (arriba) el agua que cae de la misma altura, da la misma presión que cada bomba indivudual, pero el flujo es igual al total de los flujos de toda las bombas.  Entonces en el sistema eléctrico, el voltaje permanece constante y la corriente de salida de los cuatro módulos es sumada, produciendo 8 amperes de corriente a 12 voltios.

Figura 12.  Analogía de una conexión en paralelo entre 
un sistema eléctrico y un hidráulico
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Para evitar el flujo de corriente en la dirección opuesta se utilizan diodos de bloqueo.  Y los diodos de paso, proporcionan un camino de alivio para evitar que circule corriente por un panel o un módulo sombreado (sombra de nubes o de objetos).  Un módulo sombreado no genera energía, por lo cual, los demás módulos lo verán como un punto de resistencia.  En consecuencia, fluirá corriente hacia él convirtiéndose en un punto caliente del arreglo.  Aumentará su temperatura y se degradará aceleradamente.

En la Figura 13 se muestra un ejemplo de módulos conectados en serie y en paralelo.  En ella también se muestra la posición de los diodos de paso y el diodo de bloqueo.  Este último debe ser calculado tomando en consideración la máxima corriente que generará el arreglo fotovoltaico en condiciones de corto circuito.  La norma internacional dice que el valor de la corriente que soporta el diodo debe ser por lo menos 1.56 veces el valor de la corriente circuito del arreglo de corto.

Figura 13.  La conexión de módulos fotovoltaicos
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Ejemplo 1:

16 módulos FV como el de la Tabla 2 han sido interconectados para accionar un equipo de bombeo de agua.  El arreglo consta de 2 hileras en paralelo, con 8 módulos en serie cada una.  La curva IV y PV que describe el comportamiento del arreglo tendrá las mismas cualidades que las curvas de la Figura 9, pero con los siguientes parámetros: Ip = 3.08 × 2 = 6.16A, Vp = 17.2 × 8 = 140 V, Pp = 53 × 16 = 850 W = 0.85 kW.

Inclinación del arreglo fotovoltaico

La máxima energía se obtiene cuando los rayos solares llegan perpendiculares a la superficie del captador.  En el caso de arreglos fotovoltaicos la perpendicularidad entre las superficies de los módulos y los rayos solares solo se puede conseguir si las estructuras de montaje del arreglo se mueven siguiendo al Sol.

Existen estructuras de soporte del arreglo que ajustan automáticamente el azimut y/o la elevación.  Estas estructuras de montaje se llaman seguidores.  Generalmente el ángulo de elevación del arreglo es fijo.  En algunos casos se usan seguidores azimutales.  Dependiendo de la latitud del lugar, los seguidores azimutales pueden incrementar la insolación promedio anual en un 15-25%.

En el caso de que no se tenga un seguidor solar, el arreglo se monta en una estructura fija como se muestra en la Figura 14.  Este montaje tiene la ventaja de ser muy sencillo.  Debido a que el ángulo de elevación del Sol cambia durante el año, se debe tener un criterio de selección del ángulo óptimo del arreglo que garantice la máxima producción de energía eléctrica.  En el hemisferio Norte el Sol se declina hacia el Sur, por lo cual se requiere que los arreglos fijos se coloquen inclinados (respecto de la horizontal) viendo hacia el Sur.

Figura 14.  Orientación de una estructura fija para maximizar la captación de
radiación solar a lo largo del año
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Regla de Mano: Se ha visto que la energía que entrega un módulo o arreglo fotovoltaico depende de la irradiancia y la temperatura.  Es posible estimar la energía eléctrica (en kWh/día) que se espera de un arreglo de cierta potencia nominal utilizando las siguientes aproximaciones:
  1.  Los módulos fotovoltaicos instalados en una estructura anclada al suelo trabajan aproximadamente 55°C durante el día, 30°C por encima de las condiciones estándares de prueba (25°C).  Esto significa que la capacidad real del arreglo es aproximadamente 15% menor que su potencia nominal.  Es decir, su capacidad real es 85% de la capacidad nominal.
  2.  La energía eléctrica (kWh) esperada es el producto de la capacidad real del arreglo (en kW) por la insolación (en horas solares pico) al ángulo de elevación del arreglo.  La energía fotovoltaica generada varía con la época del año, de acuerdo a los cambios en los niveles de insolación.
  3.  Si se usa un seguidor azimutal, la energía disponible se aumenta entre un 15 y 25%.
Ejemplo 2:
El arreglo del Ejemplo 1 fue instalado en la granja familiar "El Jeromín," cerca de Aldama, Chihuahua, México.  El arreglo tiene un azimut en la dirección del sur verdadero y una inclinación fija igual a la latitud (30 °N).  No se usa seguidor azimutal.  La capacidad real del arreglo trabajando a una temperatura de celda de 55 °C es de 0.85 × 0.85 kW = 0.72 kW.  De acuerdo a las tablas del Apéndice, la insolación esperada es de 6.1 kWh/m2 por día en el primer trimestre del año, y 6.6 kWh/m2 por día en el tercer trimestre del año.  La energía que se puede esperar del arreglo es, aproximadamente, 6.1 × 0.72 = 4.4 kWh por día en el primer trimestre, y 6.6 × 0.72 = 4.8 kWh por día en el tercer trimestre.  Si el mismo arreglo se instala a una elevación de 15° (latitud menos 15°) la insolación estimada es de 5.7 kWh/m2 por día en el primer trimestre, y 6.9 kWh/m2 en el tercer trimestre.  En este caso, la energía eléctrica esperada es de 4.1 kWh y 5.0 kWh por día en el primer y tercer trimestre, respectivamente.
Figura 15.  Sistema de bombeo de agua asistido por módulos solares, en El Jeromín, Chihuahua
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