For the sizing of the photovoltaic solar installation, initially the critical average daily consumption of the load to which energy has to be supplied was determined. This parameter is associated with the days with the highest energy consumption. Due to the fact that in Cuba the behavior of the incidence of solar radiation does not vary sharply during the twelve months of the year and that the four seasons of the year are not clearly reflected, the average monthly value of the incident radiation for an inclination angle of 18°-25° to the south is 5.0 kWh/m² (Bérriz, et al., 2016BÉRRIZ, L.: ; ÁLVAREZ, W.: ; PÉREZ, J.: ; IGLESIAS, M.: Manual de calentadores solares, Ed. Editorial Cubasolar, pp. 38-52, ISBN-978-959-7113-49-2, La Habana, Cuba, 2016.).

To determine the energy to be delivered by the photovoltaic installation, the losses involving the batteries, the inverter and the conductors were considered. To calculate the average daily consumption of the installation, the critical real average consumption of the load was taken into account and not the average consumption for constant loads or the number of inventories, due to the fact that the equipment with which it works in the area where the study was developed are subjected to dynamic loads such as lathes, mechanical drills, milling machines, mechanical saw, among other machine tools.

Static electrical loads are those that have a fixed consumption of electrical energy over time (Prado, 2008PRADO, C.: Diseño de un sistema eléctrico fotovoltaico para una comunidad aislada. IE- 502 Proyecto Eléctrico, 65pp., Tesis (en opción al título de Bachiller en Ingeniería Eléctrica), Universidad de Costa Rica, San José, Costa Rica, 2008.; Martin, 2020MARTIN, E.M.: Diseño de una planta de generación solar fotovoltaica, 79pp., Tesis (en opción al título de Ingeniero en Tecnologías Industriales), Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona, Barcelona, España, 2020.). For example: lighting systems, air conditioning systems, televisions, personal computers, electric cooking systems, among others. This type of charge is common in domestic consumers.

In the case of dynamic loads, consumption was determined by the work they do and the type of material they machine, quite the opposite, to those with constant load such as household appliances (lighting fixtures, televisions, washing machines, among others) whose consumption does not vary significantly.

where:

To determine the number of solar panels required, a criterion was used based on the estimation of the Ampere-hour (Ah) consumption of the installation as recommended by Hernández (2007)HERNÁNDEZ, L.: ¨Sistemas fotovoltaicos:¿ Autónomos o conectados a la red?¨, Revista Energía y Tú, ISSN-1028-9925, e-ISSN: 2410-1133, (38), 2007., with the average daily current consumption required:

where:

Likewise, according to Alonso (2011)ALONSO, J.: ¨Manual para instalaciones fotovoltaicas autónomas¨, [en línea] Boletín Solar Fotovoltaica Autónoma, 2011. Disponible en:www.sfe-solar.com & Cantos (2016)CANTOS, S.J.: Configuración de instalaciones solares fotovoltaicas, Ed. Ediciones Paraninfo, SA, ISBN-84-283-3756-X, Madrid, España, 2016., the current that a photovoltaic reception field must generate in the critical month of solar radiation is determined as

where:

Then, being Igfv, mpp the current generated by the photovoltaic capture field (the total number of solar panels installed) and dividing it by the unit current of each photovoltaic module, the total number of modules necessary to connect in parallel is obtained (Alonso, 2011ALONSO, J.: ¨Manual para instalaciones fotovoltaicas autónomas¨, [en línea] Boletín Solar Fotovoltaica Autónoma, 2011. Disponible en:www.sfe-solar.com ). So that:

where:

According to Cantos (2016)CANTOS, S.J.: Configuración de instalaciones solares fotovoltaicas, Ed. Ediciones Paraninfo, SA, ISBN-84-283-3756-X, Madrid, España, 2016. & Martin (2020)MARTIN, E.M.: Diseño de una planta de generación solar fotovoltaica, 79pp., Tesis (en opción al título de Ingeniero en Tecnologías Industriales), Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona, Barcelona, España, 2020., to calculate the number of batteries required for a photovoltaic installation, the following must be considered:

Alonso (2011)ALONSO, J.: ¨Manual para instalaciones fotovoltaicas autónomas¨, [en línea] Boletín Solar Fotovoltaica Autónoma, 2011. Disponible en:www.sfe-solar.com & Cantos (2016)CANTOS, S.J.: Configuración de instalaciones solares fotovoltaicas, Ed. Ediciones Paraninfo, SA, ISBN-84-283-3756-X, Madrid, España, 2016. argue that the nominal capacity of the battery as a function of the maximum seasonal discharge is determined according to:

where:

Likewise, the nominal capacity of the battery based on the maximum daily discharge was determined according to:

where:

After determining the nominal capacity of the batteries based on the values of maximum stationary and daily discharge, the one with the highest value must be taken and divided by the nominal current capacity of one of the batteries, to obtain the necessary number of them:

Alonso (2011)ALONSO, J.: ¨Manual para instalaciones fotovoltaicas autónomas¨, [en línea] Boletín Solar Fotovoltaica Autónoma, 2011. Disponible en:www.sfe-solar.com & Cantos (2016)CANTOS, S.J.: Configuración de instalaciones solares fotovoltaicas, Ed. Ediciones Paraninfo, SA, ISBN-84-283-3756-X, Madrid, España, 2016. argue that to find the regulator's capacity, the current at its inlet and outlet must be determined. Prado (2008)PRADO, C.: Diseño de un sistema eléctrico fotovoltaico para una comunidad aislada. IE- 502 Proyecto Eléctrico, 65pp., Tesis (en opción al título de Bachiller en Ingeniería Eléctrica), Universidad de Costa Rica, San José, Costa Rica, 2008. states that:

where:

Likewise:

where:

The inverter power required for the installation was determined according to Mascarós (2016)MASCARÓS, M.V.: Gestión del montaje de instalaciones solares fotovoltaicas, Ed. Ediciones Paraninfo, SA, ISBN-84-283-3816-7, 2016. where:

When sizing the inverter, it was convenient to consider the effect of the motor start-up peaks to guarantee a satisfactory operation of the installation. Taking into account what was stated by Alonso (2011)ALONSO, J.: ¨Manual para instalaciones fotovoltaicas autónomas¨, [en línea] Boletín Solar Fotovoltaica Autónoma, 2011. Disponible en:www.sfe-solar.com & Alfonso (2016)ALFONSO, A.: Diseño de instalación fotovoltaica industrial para abastecimiento de pozos petrolíferos, 188pp., Tesis (en opción al título de Ingeniero Industrial), Universidad de Sevilla, Sevilla, España, 2016., many devices and equipment that include electric motors of medium and high power, produce current peaks at startup, which means that these devices will have an initial demand for power up to four or five times greater than the nominal.

When a photovoltaic solar park is used, clean, renewable and safe energy is being used efficiently. It contributes significantly to the reduction of greenhouse gases that cause climate change and air quality is considerably improved, since the use of fossil fuels is significantly reduced. As a result of the above, it is necessary to know how much fossil energy is not consumed (number of kWh of electricity avoided monthly and annually) with the implementation of this photovoltaic solar park (CanviClimatic, 2011CANVICLIMATIC: Guía práctica para el cálculo de emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI), Oficina Catalana del Canvi climàtic de Catalunya, Barcelona, España, 2011.; Alvarado, 2017ALVARADO, M.A.: Análisis energético y viabilidad de un colector solar de tubos de vacío de GLOBAL ENERGY DE 120L, Tesis (en opción al título de Ingeniero Mecánico), Instituto Politécnico Nacional, Escuela Superior de Mecánica y Eléctrica, Culhuacán, México, 2017.).

Alvarado (2017)ALVARADO, M.A.: Análisis energético y viabilidad de un colector solar de tubos de vacío de GLOBAL ENERGY DE 120L, Tesis (en opción al título de Ingeniero Mecánico), Instituto Politécnico Nacional, Escuela Superior de Mecánica y Eléctrica, Culhuacán, México, 2017. points out that from the use of these photovoltaic solar parks a certain amount of electrical energy is saved in a month, therefore:

where:

Being the energy saved in a year:

To determine the cost of the energy saved in a year, what was established by Bolaños (2021)BOLAÑOS, M.: Resolución 66/2021, Gaceta Oficial de la República de Cuba, ISBN-0864-0793, e-ISSN-1682-7511, 2021. was considered, where the electricity rates in Cuban pesos (CUP) are established for the collection of electricity service. In the specific case referred in this work; as it is a research center, whose social purpose is the training of professionals and the development of machinery and technologies that respond to the needs of the agricultural sector; the high voltage tariff system with continuous activity is considered, specifically the one that responds to the energy consumed during daylight hours. Being the cost of the energy saved in one day:

where:

Similarly, the cost of energy saved in one year can be determined based on:

where:

In order to implement these heat machines, it was necessary to know the amount of emissions avoided into the atmosphere. The mass of CO₂ emitted into the atmosphere due to the burning of fossil fuels can be determined according to Ruisánchez (2018)RUISÁNCHEZ, Y.: Propuesta de instalación de un sistema de calentadores solares de agua en un área de la residencia de la UNAH, 71pp., Tesis (en opción al título de Ingeniero Agrícola), Universidad Agraria de La Habana, San José de las Lajas, Mayabeque. Cuba, 2018. as:

where:

Bérriz, et al. (2016)BÉRRIZ, L.: ; ÁLVAREZ, W.: ; PÉREZ, J.: ; IGLESIAS, M.: Manual de calentadores solares, Ed. Editorial Cubasolar, pp. 38-52, ISBN-978-959-7113-49-2, La Habana, Cuba, 2016. as well as Ruisánchez (2018)RUISÁNCHEZ, Y.: Propuesta de instalación de un sistema de calentadores solares de agua en un área de la residencia de la UNAH, 71pp., Tesis (en opción al título de Ingeniero Agrícola), Universidad Agraria de La Habana, San José de las Lajas, Mayabeque. Cuba, 2018., suggest that each kWh produced at the generation plant level emits 1.13 kg of CO₂ into the atmosphere. The mass of fossil fuel required to produce a given amount of energy in a month can be determined by:

where:

The assumed value for the consumption index is 0.262 kg / kWh (ICG, 2012ICG: Gases do Efeito Estufa, [en línea] Instituto do Carbono de Brasil (ICG), Brasil, 2012. Disponible en:http://www.institutocarbonobrasil.org.br/mudancas.../gases_do_efeito_estuf ; Bolaños (2021)BOLAÑOS, M.: Resolución 66/2021, Gaceta Oficial de la República de Cuba, ISBN-0864-0793, e-ISSN-1682-7511, 2021..

Both static and dynamic electric charges coexist in CEMA. Static electrical charges are those that have a fixed consumption of electrical energy over time (Prado, 2008PRADO, C.: Diseño de un sistema eléctrico fotovoltaico para una comunidad aislada. IE- 502 Proyecto Eléctrico, 65pp., Tesis (en opción al título de Bachiller en Ingeniería Eléctrica), Universidad de Costa Rica, San José, Costa Rica, 2008.; Martin, 2020MARTIN, E.M.: Diseño de una planta de generación solar fotovoltaica, 79pp., Tesis (en opción al título de Ingeniero en Tecnologías Industriales), Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona, Barcelona, España, 2020.), for example: lighting systems, air conditioning systems, televisions, personal computers, electric cooking systems, among others. This type of charge is common in domestic consumers.

Systems that are said to have dynamic load are those in which their electricity consumption depends significantly on their state of charge (Prado, 2008PRADO, C.: Diseño de un sistema eléctrico fotovoltaico para una comunidad aislada. IE- 502 Proyecto Eléctrico, 65pp., Tesis (en opción al título de Bachiller en Ingeniería Eléctrica), Universidad de Costa Rica, San José, Costa Rica, 2008.; Martin, 2020MARTIN, E.M.: Diseño de una planta de generación solar fotovoltaica, 79pp., Tesis (en opción al título de Ingeniero en Tecnologías Industriales), Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona, Barcelona, España, 2020.) institution. For this reason, the great variability of its electrical consumption can be appreciated as shown in the Figure. 1.

From the analysis it was found that the year 2017 was the year with the highest energy consumption with 12,772 kWh and the month of September 2017 the one with the highest consumption of electricity with 81,727 kWh / day, which shows that CEMA is a high consumer of electrical energy.

To carry out the proposal for a photovoltaic solar park in CEMA areas, solar panels from the manufacturer Brisban were used. The corresponding technical data are shown in Table 1.

In addition, Trojan batteries were selected, the technical data of which are shown in Table 2.

For this proposal, the Victron Energy brand inverter was also taken into account (Figure 2) with a power 2 0% greater than that demanded by the equipment. They are also distributed by SunFields.

In this case, the use of a regulator for monitoring the maximum power point is not considered, since the photovoltaic systems that include it constitute systems that improve the efficiency of the installation between 10 and 25%. The fundamental problem of these regulators lies in their high cost for small and medium size installations. In the case of this proposal, due to the volume of energy to be generated, it would require a large capacity regulator with the capacity to monitor the maximum power point, which would raise the total cost of the installation by at least 30 and 40% more only for this concept (Gasquet, 2004GASQUET, H.: Conversión de la luz solar en Energía Eléctrica: Manual Teórico y Práctico sobre los sistemas Fotovoltaicos, 2004,; Acevedo, 2016ACEVEDO, G. de J.: Diseño de una instalación solar fotovoltaica con capacidad para 3 kilovatios, Tesis (en opción al título de Tecnólogo en Electrónica), Universidad Nacional Abierta ya Distancia UNAD, Bogotá D.C., Colombia, 2016.; Alvarado, 2017ALVARADO, M.A.: Análisis energético y viabilidad de un colector solar de tubos de vacío de GLOBAL ENERGY DE 120L, Tesis (en opción al título de Ingeniero Mecánico), Instituto Politécnico Nacional, Escuela Superior de Mecánica y Eléctrica, Culhuacán, México, 2017.).

For the dimensioning of the parts of the proposed solar photovoltaic park, a series of essential aspects were taken into account as shown in Table 3. It summarizes the parameters calculated for the dimensioning of the photovoltaic solar park in CEMA areas, based on equations (4)$Np=\frac{I_{gfv,mpp}}{I_{mod}}$, (9)$N_{bat}=\frac{C_{nAh}}{C_{nAh,bat}}$, (10)$I_{ent}=\left(1+F_{seg}\right)\bullet N_P\bullet I_{mod,sc}, A$, (11)$I_{sal}=\frac{\left(1+F_{seg}\right)\bullet L_{md,max}}{{\eta }_{inv}{\bullet T_{tpc}\bullet V}_{bat}}, A$ and (12)$P_{inv}=\left(1+F_{seg}\right)\bullet P_{AC},W$.

These results are consistent when compared to those obtained by other authors like Prado (2008)PRADO, C.: Diseño de un sistema eléctrico fotovoltaico para una comunidad aislada. IE- 502 Proyecto Eléctrico, 65pp., Tesis (en opción al título de Bachiller en Ingeniería Eléctrica), Universidad de Costa Rica, San José, Costa Rica, 2008.; Acevedo (2016)ACEVEDO, G. de J.: Diseño de una instalación solar fotovoltaica con capacidad para 3 kilovatios, Tesis (en opción al título de Tecnólogo en Electrónica), Universidad Nacional Abierta ya Distancia UNAD, Bogotá D.C., Colombia, 2016.; Márquez (2017)MÁRQUEZ, M.N.: Proyecto de instalación de energía solar térmica y solar fotovoltaica para la población de Arbollé (Burkina Faso), Tesis (en opción al título de Ingeniero de la Energía), Universidad Politécnica de Valencia, Valencia, España, 2017.; San Juan (2017)SAN JUAN, L.J.: Proyecto de instalación eléctrica en BT. de planta solar fotovoltaica de 24,8 kWp para parcela No. 40 del polígono 501 de Tarazona, Ayuntamiento de Tarazona, Zaragoza, Zaragoza, España, 2017.; Martin (2020)MARTIN, E.M.: Diseño de una planta de generación solar fotovoltaica, 79pp., Tesis (en opción al título de Ingeniero en Tecnologías Industriales), Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona, Barcelona, España, 2020., who have used a similar methodology applied to the sizing of facilities of different kinds.

With the use of a clean and sustainable energy source such as solar, it is expected to reduce the costs of conventional fuels to produce electricity. Such is the case of the proposed photovoltaic solar park. The cost of the electrical energy not consumed from the use of the energy generated from the proposed installation is 57,368.23 CUP per year. Like Cantos (2016)CANTOS, S.J.: Configuración de instalaciones solares fotovoltaicas, Ed. Ediciones Paraninfo, SA, ISBN-84-283-3756-X, Madrid, España, 2016. & Mascarós (2016)MASCARÓS, M.V.: Gestión del montaje de instalaciones solares fotovoltaicas, Ed. Ediciones Paraninfo, SA, ISBN-84-283-3816-7, 2016., the authors consider that energy saving, although it does not represent an energy source itself, it is used to consider it as such since it offers the possibility of satisfying more energy services, which is equivalent to have more energy. For the installation of a photovoltaic solar park it is necessary to carry out a study of its economic feasibility. Table 4 summarizes the preliminary costs of this system.

As it can be seen in Table 4, the preliminary cost of the investment considering the proposed accumulation system is considerably higher than in the case in which it was dispensed with. As this is a preliminary study, the authors have used market reference rates for cost estimation. However, it is up to the decision makers with the capacity to act, orient a market study for the selection of offers and suppliers, which allows a definitive cost study to be carried out in order to undertake the investment process of the proposed facility.

The economic pre-feasibility analysis carried out, although it is limited and preliminary, provides an approximate idea about the cost of an installation of these characteristics, considering both, the saving of energy carriers in the form of fossil fuels, as well as the environmental impact due to the non-emission of polluting gases and the greenhouse effect. It can be affirmed that the construction of a large-scale photovoltaic solar park is viable to satisfy the consumer demand of the Agrarian University of Havana, where CEMA is located.

Solar panels, by using a clean energy source to produce electrical energy, do not consume any type of fossil fuel. Thus, with equation (13)$Q_{CM}=L_{md}\bullet D_m, kWh$ the electrical energy that would cease to be consumed with the use of these voltaic systems was determined. Furthermore, with these results it is possible through expression (17)$M_{{CO}_2}=\iota \bullet Q_{CM},kg/mes$ to know the mass of CO₂ that is not emitted into the atmosphere. As a result of the foregoing, the mass of fossil fuel necessary to produce this amount of electricity was determined by equation (18)$M_{CM}=\gamma \bullet Q_{CM},kg/mes$ and it is shown in Table 5.

Increasing energy efficiency has an immediate and direct environmental benefit, since it implies a reduction in the use of natural resources and in the emission of pollutants, including CO₂. Without a doubt, the cleanest energy is the energy saved.

Para el dimensionamiento de la instalación solar fotovoltaica, inicialmente se determinó el consumo medio diario crítico de la carga a la que potencialmente se le ha de suministrar energía. Este parámetro está asociado a los días de mayor consumo de energía. Debido a que en Cuba el comportamiento de la incidencia de radiación solar no varía bruscamente durante los doce meses del año ya que no se reflejan de forma clara las cuatro estaciones del año, el valor medio mensual de la radiación incidente para un ángulo de inclinación de 18°- 25° al sur es de 5,0 kWh/m² (Bérriz, et al., 2016BÉRRIZ, L.: ; ÁLVAREZ, W.: ; PÉREZ, J.: ; IGLESIAS, M.: Manual de calentadores solares, Ed. Editorial Cubasolar, pp. 38-52, ISBN-978-959-7113-49-2, La Habana, Cuba, 2016.).

Para determinar la energía que ha de entregar la instalación fotovoltaica, se consideró las pérdidas que involucran las baterías, el inversor y los conductores. Para calcular el consumo medio diario de la instalación se tuvo en cuenta el consumo medio real crítico de la carga y no el consumo medio para cargas constantes ni el número de inventarios, debido a que los equipos con los que se trabaja en el área en la que se desarrolla el estudio se someten a cargas dinámicas como es el caso de los tornos, taladros mecánicos, fresadoras, segueta mecánica, entre otras máquinas herramientas.

Se consideran cargas eléctricas estáticas aquellas que tienen un consumo fijo de energía eléctrica en el tiempo (Prado, 2008PRADO, C.: Diseño de un sistema eléctrico fotovoltaico para una comunidad aislada. IE- 502 Proyecto Eléctrico, 65pp., Tesis (en opción al título de Bachiller en Ingeniería Eléctrica), Universidad de Costa Rica, San José, Costa Rica, 2008.; Martin, 2020MARTIN, E.M.: Diseño de una planta de generación solar fotovoltaica, 79pp., Tesis (en opción al título de Ingeniero en Tecnologías Industriales), Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona, Barcelona, España, 2020.). Por ejemplo: sistemas de iluminación, sistemas de climatización, televisores, computadoras personales, sistemas de cocción eléctrica, entre otros. Este tipo de cargas es común en consumidores domésticos.

En el caso de estos, el consumo estará dado por el trabajo que realizan y el tipo de material que maquinen, todo lo contrario, a los de carga constante como es el caso de los equipos electrodomésticos (luminarias, televisores, lavadoras, entre otros) cuyo consumo no varía significativamente.

donde:

Para la determinación del número de paneles solares requeridos se empleó un criterio basado en la estimación del consumo de Amperes-hora (Ah) de la instalación según lo recomendado por Hernández (2007)HERNÁNDEZ, L.: ¨Sistemas fotovoltaicos:¿ Autónomos o conectados a la red?¨, Revista Energía y Tú, ISSN-1028-9925, e-ISSN: 2410-1133, (38), 2007., siendo el consumo medio de corriente diario requerido:

donde:

Así mismo, según Alonso (2011)ALONSO, J.: ¨Manual para instalaciones fotovoltaicas autónomas¨, [en línea] Boletín Solar Fotovoltaica Autónoma, 2011. Disponible en:www.sfe-solar.com y Cantos (2016)CANTOS, S.J.: Configuración de instalaciones solares fotovoltaicas, Ed. Ediciones Paraninfo, SA, ISBN-84-283-3756-X, Madrid, España, 2016., la corriente que debe generar un campo de captación fotovoltaico en el mes crítico de radiación solar se determina como:

donde:

Luego, siendo I_gfv,mpp la corriente generada por el campo de captación fotovoltaico (el total de placas solares instaladas) y dividirla entre la corriente unitaria de cada módulo fotovoltaico, se obtiene el número total de módulos necesarios a conectar en paralelo (Alonso, 2011ALONSO, J.: ¨Manual para instalaciones fotovoltaicas autónomas¨, [en línea] Boletín Solar Fotovoltaica Autónoma, 2011. Disponible en:www.sfe-solar.com ). De modo que:

donde:

Según Cantos (2016)CANTOS, S.J.: Configuración de instalaciones solares fotovoltaicas, Ed. Ediciones Paraninfo, SA, ISBN-84-283-3756-X, Madrid, España, 2016. y Martin (2020)MARTIN, E.M.: Diseño de una planta de generación solar fotovoltaica, 79pp., Tesis (en opción al título de Ingeniero en Tecnologías Industriales), Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona, Barcelona, España, 2020.,para el cálculo del número de baterías requeridas para una instalación fotovoltaica, se han de considerar:

Alonso (2011)ALONSO, J.: ¨Manual para instalaciones fotovoltaicas autónomas¨, [en línea] Boletín Solar Fotovoltaica Autónoma, 2011. Disponible en:www.sfe-solar.com y Cantos (2016)CANTOS, S.J.: Configuración de instalaciones solares fotovoltaicas, Ed. Ediciones Paraninfo, SA, ISBN-84-283-3756-X, Madrid, España, 2016. sostienen que la capacidad nominal de la batería en función de la descarga máxima estacional se determina según:

donde:

Así mismo, la capacidad nominal de la batería en función de la descarga máxima diaria se determinó según:

donde:

Luego de determinada la capacidad nominal de las baterías en función de los valores de descarga máxima estacionaria y diaria, se ha de tomar la de mayor valor y se ha de dividir por la capacidad nominal de corriente de una de las baterías, para obtener el número de estas necesario:

Alonso (2011)ALONSO, J.: ¨Manual para instalaciones fotovoltaicas autónomas¨, [en línea] Boletín Solar Fotovoltaica Autónoma, 2011. Disponible en:www.sfe-solar.com y Cantos (2016)CANTOS, S.J.: Configuración de instalaciones solares fotovoltaicas, Ed. Ediciones Paraninfo, SA, ISBN-84-283-3756-X, Madrid, España, 2016.) sostienen que para hallar la capacidad del regulador, se ha de determinar la corriente a su entrada y a su salida. Prado (2008)PRADO, C.: Diseño de un sistema eléctrico fotovoltaico para una comunidad aislada. IE- 502 Proyecto Eléctrico, 65pp., Tesis (en opción al título de Bachiller en Ingeniería Eléctrica), Universidad de Costa Rica, San José, Costa Rica, 2008. establece que:

donde:

Así mismo:

donde:

Para la determinación de la potencia del inversor requerida para la instalación se procedió según Mascarós (2016)MASCARÓS, M.V.: Gestión del montaje de instalaciones solares fotovoltaicas, Ed. Ediciones Paraninfo, SA, ISBN-84-283-3816-7, 2016. donde:

En el dimensionamiento del inversor, resultó conveniente considerar el efecto de los picos del arranque de los motores para garantizar un funcionamiento satisfactorio de la instalación. Teniendo en cuenta lo planteado por Alonso (2011)ALONSO, J.: ¨Manual para instalaciones fotovoltaicas autónomas¨, [en línea] Boletín Solar Fotovoltaica Autónoma, 2011. Disponible en:www.sfe-solar.com y Alfonso (2016)ALFONSO, A.: Diseño de instalación fotovoltaica industrial para abastecimiento de pozos petrolíferos, 188pp., Tesis (en opción al título de Ingeniero Industrial), Universidad de Sevilla, Sevilla, España, 2016., muchos dispositivos y equipos que incluyen motores eléctricos de mediana y alta potencia, producen picos de corriente en el arranque, lo cual supone que estos dispositivos tendrán una demanda inicial de potencia hasta cuatro o cinco veces mayor que la nominal.

Cuando se utiliza un parque solar fotovoltaico se está aprovechando de manera eficiente una energía limpia, renovable y segura. Se contribuye de manera importante en la reducción de gases de efecto invernadero causantes del cambio climático y se mejora de forma considerable la calidad del aire, ya que disminuye significativamente el uso de combustibles fósiles. Producto a lo antes expuesto resulta necesario conocer cuánto se deja de consumir en energía fósil (número de kWh de electricidad evitados mensual y anualmente) con la implementación de este parque solar fotovoltaico (CanviClimatic, 2011CANVICLIMATIC: Guía práctica para el cálculo de emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI), Oficina Catalana del Canvi climàtic de Catalunya, Barcelona, España, 2011.; Alvarado, 2017ALVARADO, M.A.: Análisis energético y viabilidad de un colector solar de tubos de vacío de GLOBAL ENERGY DE 120L, Tesis (en opción al título de Ingeniero Mecánico), Instituto Politécnico Nacional, Escuela Superior de Mecánica y Eléctrica, Culhuacán, México, 2017.).

Alvarado (2017)ALVARADO, M.A.: Análisis energético y viabilidad de un colector solar de tubos de vacío de GLOBAL ENERGY DE 120L, Tesis (en opción al título de Ingeniero Mecánico), Instituto Politécnico Nacional, Escuela Superior de Mecánica y Eléctrica, Culhuacán, México, 2017. señala que a partir de la utilización de estos parques solares fotovoltaicos se ahorra cierta cantidad de energía eléctrica en un mes por lo cual:

donde:

Siendo la energía ahorrada en un año:

Para la determinación del costo de la energía ahorrada en un año, fue considerado lo establecido por Bolaños (2021)BOLAÑOS, M.: Resolución 66/2021, Gaceta Oficial de la República de Cuba, ISBN-0864-0793, e-ISSN-1682-7511, 2021., donde se establecen las tarifas eléctricas en pesos cubanos (CUP) para el cobro del servicio eléctrico. En el caso específico abordado en este trabajo; al tratarse de un centro de investigación, cuyo objeto sociales la formación de profesionales y el desarrollo de maquinarias y tecnologías que respondan a las necesidades del sector agropecuario; se considera el sistema de tarifas de alta tensión con actividad continua, específicamente la que responde a la energía consumida durante el horario del día. Siendo el costo de la energía ahorrada en un día:

donde:

De manera análoga, se puede determinar el costo de la energía ahorrada en un año según:

donde:

Con el objetivo de la implementación de estas máquinas de calor fue necesario conocer la cantidad de emisiones evitadas a la atmosfera. La masa de CO₂ emitida a la atmósfera por concepto de la quema de combustibles fósiles se puede determinar según Ruisánchez (2018)RUISÁNCHEZ, Y.: Propuesta de instalación de un sistema de calentadores solares de agua en un área de la residencia de la UNAH, 71pp., Tesis (en opción al título de Ingeniero Agrícola), Universidad Agraria de La Habana, San José de las Lajas, Mayabeque. Cuba, 2018. como:

donde:

Bérriz, et al.(2016)BÉRRIZ, L.: ; ÁLVAREZ, W.: ; PÉREZ, J.: ; IGLESIAS, M.: Manual de calentadores solares, Ed. Editorial Cubasolar, pp. 38-52, ISBN-978-959-7113-49-2, La Habana, Cuba, 2016.así como Ruisánchez (2018)RUISÁNCHEZ, Y.: Propuesta de instalación de un sistema de calentadores solares de agua en un área de la residencia de la UNAH, 71pp., Tesis (en opción al título de Ingeniero Agrícola), Universidad Agraria de La Habana, San José de las Lajas, Mayabeque. Cuba, 2018.,plantean que cada kWh producido a nivel de planta de generación, emite a la atmósfera 1,13 kg de CO₂. La masa de combustible fósil necesaria para producir una cantidad determinada de energía en un mes se puede determinar según:

donde:

El valor asumido para el índice de consumo es de 0,262 kg/kWh (ICG, 2012ICG: Gases do Efeito Estufa, [en línea] Instituto do Carbono de Brasil (ICG), Brasil, 2012. Disponible en:http://www.institutocarbonobrasil.org.br/mudancas.../gases_do_efeito_estuf ; Bolaños, 2021BOLAÑOS, M.: Resolución 66/2021, Gaceta Oficial de la República de Cuba, ISBN-0864-0793, e-ISSN-1682-7511, 2021.).

En el CEMA coexisten tanto cargas eléctricas estáticas como dinámicas. Se consideran cargas eléctricas estáticas aquellas que tienen un consumo fijo de energía eléctrica en el tiempo (Prado, 2008PRADO, C.: Diseño de un sistema eléctrico fotovoltaico para una comunidad aislada. IE- 502 Proyecto Eléctrico, 65pp., Tesis (en opción al título de Bachiller en Ingeniería Eléctrica), Universidad de Costa Rica, San José, Costa Rica, 2008.; Martin, 2020MARTIN, E.M.: Diseño de una planta de generación solar fotovoltaica, 79pp., Tesis (en opción al título de Ingeniero en Tecnologías Industriales), Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona, Barcelona, España, 2020.). Por ejemplo: sistemas de iluminación, sistemas de climatización, televisores, computadoras personales, sistemas de cocción eléctrica, entre otros. Este tipo de cargas es común en consumidores domésticos.

Los sistemas que se dicen que poseen carga dinámica son aquellos en los que su consumo eléctrico depende de manera significativa del estado de carga de los mismos (Prado, 2008PRADO, C.: Diseño de un sistema eléctrico fotovoltaico para una comunidad aislada. IE- 502 Proyecto Eléctrico, 65pp., Tesis (en opción al título de Bachiller en Ingeniería Eléctrica), Universidad de Costa Rica, San José, Costa Rica, 2008.; Martin, 2020MARTIN, E.M.: Diseño de una planta de generación solar fotovoltaica, 79pp., Tesis (en opción al título de Ingeniero en Tecnologías Industriales), Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona, Barcelona, España, 2020.). Ejemplos de este tipo de sistemas son aquellos que involucran motores eléctricos de mediana o alta potencia. Tal es el caso de máquinas de herramientas, molinos, picadoras de forrajes eléctricas, entre otros. En el caso particular del CEMA una parte significativa del consumo eléctrico está asociado a las labores de maquinado que se efectúan en el taller de prototipos de dicha institución. Por ello es que se puede apreciar la gran variabilidad que tiene el consumo eléctrico de la misma como se muestra en la Figura. 1.

A partir del análisis se constató que el año 2017 fue el de mayor consumo energético con 12 772 kWh y el mes septiembre de 2017 el de mayor consumo de energía eléctrica con 81,727 kWh/día lo que evidencia que el CEMA es un alto consumidor de energía eléctrica.

Para la realización de la propuesta de un parque solar fotovoltaico en áreas del CEMA se utilizaron los paneles solares del fabricante Brisban. Los datos técnicos correspondientes se muestran en la Tabla 1.

Además, se seleccionaron las baterías Trojan, cuyos datos técnicos se muestran en la Tabla 2.

Para dicha propuesta también se tuvo en cuenta el inversor de marca Victron Energy (Figura 2) con una potencia 20% mayor a la demandada por el equipo, también son distribuidos por SunFields.

En este caso no se considera el empleo de un regulador de seguimiento del punto de máxima potencia ya que los sistemas fotovoltaicos que lo incluyen, constituyen sistemas que mejoran la eficiencia de la instalación entre 10 y 25%. El problema fundamental de estos reguladores radica en su elevado costo para instalaciones de pequeño y mediano porte. En el caso de la propuesta que los ocupa, por el volumen de energía a generar requeriría un regulador de gran capacidad con capacidad de seguimiento del punto de máxima potencia, que elevaría el costo total de la instalación al menos en 30 y 40% más solo por este concepto (Gasquet, 2004GASQUET, H.: Conversión de la luz solar en Energía Eléctrica: Manual Teórico y Práctico sobre los sistemas Fotovoltaicos, 2004,; Acevedo, 2016ACEVEDO, G. de J.: Diseño de una instalación solar fotovoltaica con capacidad para 3 kilovatios, Tesis (en opción al título de Tecnólogo en Electrónica), Universidad Nacional Abierta ya Distancia UNAD, Bogotá D.C., Colombia, 2016.; Alvarado, 2017ALVARADO, M.A.: Análisis energético y viabilidad de un colector solar de tubos de vacío de GLOBAL ENERGY DE 120L, Tesis (en opción al título de Ingeniero Mecánico), Instituto Politécnico Nacional, Escuela Superior de Mecánica y Eléctrica, Culhuacán, México, 2017.).

Para el dimensionamiento de las partes del parque solar fotovoltaico propuesto se tuvo en cuenta una serie de aspectos esenciales como se muestran en la Tabla 3. En la misma se resumen los parámetros calculados para el dimensionamiento del parque solar fotovoltaico en áreas del CEMA, a partir de las ecuaciones (4)$Np=\frac{I_{gfv,mpp}}{I_{mod}}$, (9)$N_{bat}=\frac{C_{nAh}}{C_{nAh,bat}}$, (10)$I_{ent}=\left(1+F_{seg}\right)\bullet N_P\bullet I_{mod,sc}, A$, (11)$I_{sal}=\frac{\left(1+F_{seg}\right)\bullet L_{md,max}}{{\eta }_{inv}{\bullet T_{tpc}\bullet V}_{bat}}, A$ y (12)$P_{inv}=\left(1+F_{seg}\right)\bullet P_{AC},W$.

Estos resultados son consistentes al ser contrastados a los obtenidos por otros autores Prado (2008)PRADO, C.: Diseño de un sistema eléctrico fotovoltaico para una comunidad aislada. IE- 502 Proyecto Eléctrico, 65pp., Tesis (en opción al título de Bachiller en Ingeniería Eléctrica), Universidad de Costa Rica, San José, Costa Rica, 2008.; Acevedo (2016)ACEVEDO, G. de J.: Diseño de una instalación solar fotovoltaica con capacidad para 3 kilovatios, Tesis (en opción al título de Tecnólogo en Electrónica), Universidad Nacional Abierta ya Distancia UNAD, Bogotá D.C., Colombia, 2016.; Márquez (2017)MÁRQUEZ, M.N.: Proyecto de instalación de energía solar térmica y solar fotovoltaica para la población de Arbollé (Burkina Faso), Tesis (en opción al título de Ingeniero de la Energía), Universidad Politécnica de Valencia, Valencia, España, 2017.; San Juan (2017)SAN JUAN, L.J.: Proyecto de instalación eléctrica en BT. de planta solar fotovoltaica de 24,8 kWp para parcela No. 40 del polígono 501 de Tarazona, Ayuntamiento de Tarazona, Zaragoza, Zaragoza, España, 2017.; Martin (2020)MARTIN, E.M.: Diseño de una planta de generación solar fotovoltaica, 79pp., Tesis (en opción al título de Ingeniero en Tecnologías Industriales), Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona, Barcelona, España, 2020., que han empleado una metodología similar aplicada al dimensionamiento de instalaciones de diferente índole.

Con la utilización de una fuente de energía limpia y sostenible como la solar, se prevé disminuir los costos por concepto de combustibles convencionales para producir electricidad. Tal es el caso del parque solar fotovoltaico propuesto. Para obtener el costo de la energía eléctrica no consumida a partir del uso de la energía generada a partir de la instalación propuesta es de 57368,23 CUP al año. Al igual que Cantos (2016)CANTOS, S.J.: Configuración de instalaciones solares fotovoltaicas, Ed. Ediciones Paraninfo, SA, ISBN-84-283-3756-X, Madrid, España, 2016. y Mascarós (2016)MASCARÓS, M.V.: Gestión del montaje de instalaciones solares fotovoltaicas, Ed. Ediciones Paraninfo, SA, ISBN-84-283-3816-7, 2016., los autores consideran que el ahorro de energía, si bien no representa una fuente de energía en sí, se acostumbra a considerarla como tal pues ofrece la posibilidad de satisfacer más servicios energéticos, lo que es equivalente a disponer de más energía. Para la instalación de un parque solar fotovoltaico se hace necesario realizar el estudio de su factibilidad económica. En la Tabla 4 se resumen los costos preliminares de dicho sistema.

Como se puede apreciar en la Tabla 4, el costo preliminar de la inversión considerando el sistema de acumulación propuesto es considerablemente mayor que en el caso en que se prescindiese del mismo. Al ser este un estudio preliminar, los autores han empleado índices de referencia del mercado para la estimación de costos. No obstante, corresponde a los decisores con capacidad de acción, orientar un estudio de mercado para la selección de ofertas y proveedores, que permita realizar un estudio de costos definitivo de cara a acometer el proceso inversionista de la instalación propuesta.

El análisis de prefactibilidad económica realizado, aunque tiene un carácter limitado y preliminar, proporciona una idea aproximada acerca del costo de una instalación de estas características. Si se considera tanto el ahorro de portadores energéticos en forma de combustibles fósiles, como el impacto medioambiental por concepto de no emisión de gases contaminantes y efecto invernadero. Se puede afirmar que es viable la construcción de un parque solar fotovoltaico de grandes proporciones para satisfacer la demanda de consumo de la Universidad Agraria de La Habana, lugar donde se encuentra enclavado el CEMA.

Los paneles solares al utilizar una fuente de energía limpia para producir energía eléctrica, no consumen ningún tipo de combustible fósil. Así, con la ecuación (13)$Q_{CM}=L_{md}\bullet D_m, kWh$ se determinó la energía eléctrica que se dejaría de consumir con el uso de estos sistemas voltaicos. Además, con estos resultados es posible a través de la expresión (17)$M_{{CO}_2}=\iota \bullet Q_{CM},\frac{kg}{mes}$ saber la masa de CO₂ dejada de emitir a la atmósfera. Producto a lo expuesto anterior se determinó la masa de combustible fósil necesaria para producir esta cantidad de electricidad por la ecuación (18)$M_{CM}=\gamma \bullet Q_{CM},kg/mes$ quedando reflejado en la Tabla 5.

El incremento de la eficiencia energética tiene un beneficio ambiental inmediato y directo, ya que implica una reducción en el uso de recursos naturales y en la emisión de contaminantes, incluido el CO₂. Sin lugar a dudas, la energía más limpia es la energía ahorrada.