Introduction

The transition towards a sustainable energy matrix is a global and national imperative. In Cuba, the Policy for the prospective development of renewable energy sources and energy efficiency sets the goal of generating 24% of electricity from renewable sources by 2030 (Gaceta Oficial de la República de Cuba, 2019GACETA OFICIAL DE LA REPÚBLICA DE CUBA.: “Decreto-Ley No. 345 "Del desarrollo de las fuentes renovables y el uso eficiente de la energía". Gaceta Oficial de la República de Cuba, Edición Ordinaria No. 95, 2019. Disponible en: https://www.gacetaoficial.gob.cu/es/decreto-ley-345-de-2019-de-consejo-de-estado ). This objective is particularly relevant in the rural productive sector, where the instability of the National Electric System (SEN) translates into interruptions that affect the value chain, increase operational costs due to the use of diesel generators, and limit local economic development (Salazar-Quevedo et al., 2025SALAZAR-QUEVEDO, S. S.; BRAVO-CARRASCO, A.; LINDAO-CABRERA, K. J.; SÁNCHEZ-PARRALES, E.; SALAZAR-SOLEDISPA, V. B.: “Análisis del impacto de los apagones de energía eléctrica en la rentabilidad de las grandes empresas en la provincia del Guayas, 2024”. Polo del conocimiento, 10(5), 1411-1430, 2025, ISSN: 2550-682X. Disponible en https://www.polodelconocimiento.com/ojs/index.php/es/article/view/9513 ).

Solar photovoltaic (PV) energy stands out as one of the most suitable solutions for the Cuban context, given its high average solar irradiation (approximately 5 kWh/m²/day) and the constant decrease in technology costs (IRENA, 2022IRENA.: “Renewable Power Generation Costs in 2022”. International Renewable Energy Agency, 2022. Disponible en: https://www.irena.org/Publications/2023/Aug/Renewable-Power-Generation-Costs-in-2022 ). Grid-connected PV installations in the industrial sector, whether rooftop or ground-mounted, have been widely studied internationally, demonstrating benefits in economic savings, carbon footprint reduction, and supply reliability improvement (Saxena et al., 2021SAXENA, A. K.; SAXENA, S.; SUDHAKAR, K.: “Energy, economic and environmental performance assessment of a grid-tied rooftop system in different cities of India based on 3E analysis”. Clean energy, 5(2), 288-301, 2021, 2515-396X. Disponible en: https://doi.org/10.1093/ce/zkab008 ; Sharma and Kolhe, 2025SHARMA, A.: Y KOLHE, M. L.: “Impacts of electricity pricing on techno-economic performance of photovoltaic-battery centered microgrid”. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 47(1), 6254-6269, 2025. ISSN: 1556-7036. Disponible en https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/15567036.2021.1905112 ).

In Cuba, research and application of PV systems have evolved from off-grid systems towards large-scale solar parks and self-consumption systems. Studies such as those by García-Reina et al. (2019)GARCÍA-REINA, F.; PÉREZ-MOLINA, A. T.; Veloz-Ulacia, M.: “Determinación de la irradiancia solar en Ciego de Ávila y Morón, para su uso en sistemas de aprovechamiento de la energía solar”. Infometric@-Serie Ingeniería, Básicas y Agrícolas, 2(1), 114-124, 2019, ISSN 2619-2985, Disponible en: https://infometrica.org/index.php/syh/es/article/view/71/70 have documented the potential and deployment of PV parks in the province of Ciego de Ávila; however, national scientific literature lacks detailed analyses of hybrid PV applications (grid-connected with backup capability) for small rural industries, a critical link for local development (Álvarez-Villagómez and Concha-Ramírez, 2025ALVAREZ-VILLAGÓMEZ, J. V.; CONCHA-RAMÍREZ, J. A.: “Incidencia de la crisis energética en los costos de producción en empresas manufactureras”. Revista Científica Zambos, 4(1), 226-248, 2025. Disponible en: https://revistaczambos.utelvtsd.edu.ec/index.php/home/article/view/88 ). These systems require not only generating energy but also guaranteeing an uninterrupted supply given frequent grid failures.

A technical aspect even less explored in the local context is the optimization of the generation profile. Traditional configurations, with all panels facing geographic south at a fixed tilt, produce a pronounced energy peak at midday (Díaz-Santos et al., 2018DÍAZ-SANTOS, R., CASTRO-FERNÁNDEZ, M., SANTOS-FUENTEFRÍA, A., & VILARAGUT-LLANES, M.: “Análisis de la influencia del ángulo de inclinación en la generación de una central fotovoltaica”. Ingeniería Energética, 39(3), 146-156, 2018, ISSN 1815-5901. Disponible en https://scielo.sld.cu/pdf/rie/v39n3/rie02318.pdf ). This profile may not coincide with the load curve of a mini-industry, which may have constant demands or peaks at different times, and can saturate the injection capacity of weak grids. Design strategies such as splitting arrays into east and west orientations ("dual-pitch") allow for flattening the generation curve, shifting part of the production to morning and afternoon hours, thus improving generation-consumption synchronization and grid integration (Gamarra et al., 2021GAMARRA, M.; GRANADOS, R.; ARIZA, J. M.: “Hybrid power generation system: a case study on the Colombian north coast”. Computer and Electronic Sciences: Theory and Applications, 2(2), 1-8, 2021, ISSN: 2745-0090. Disponible en https://repositorio.cuc.edu.co/items/da33558f-8e9d-4578-aefa-74421a192544 ; Minuto et al., 2024MINUTO, F. D.; CROSATO, M.; SCHIERA, D. S.; BORCHIELLINI, R.; LANZINI, A.: “Shared energy in renewable energy communities: The benefits of east-and west-facing rooftop photovoltaic installations”. Energy Reports, 11, 5593-5601, 2024, ISSN: 2352-4847. Disponible en https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352484724003329 ).

Therefore, a research gap is identified in the application and evaluation of hybrid PV systems with optimized generation configurations (such as dual-pitch structures) for the specific context of Cuban rural mini-industries, where grid intermittency and consumption profiles are determining factors.

This study contributes to the scientific community and professional practice as follows: it presents a comprehensive design methodology for a hybrid PV system adapted to the conditions of a Cuban rural mini-industry; it proposes and conceptually analyzes the impact of a dual-pitch structure as an innovation to optimize the generation profile; and it quantifies the potential energy and environmental benefits of the solution. The objective of this research is to design a hybrid photovoltaic system with a dual-pitch structure that guarantees and optimizes the electricity supply for the mini-industry "Finca La Suiza" in Ciego de Ávila, Cuba.

Materials and Methods

The study was developed as an engineering design project based on a real case study. The local development project is located at

Finca La Suiza with coordinates 21.94945° N, 78.74005° W, Ciego de Ávila municipality. The methodology followed a structured process in the following stages: The solar resource was determined based on the average daily horizontal solar irradiance for the Ceballos area of 5.28 kWh/m²/day, corrected for the tilt angle of the generator plane.

The electrical demand was determined from an inventory and operating schedule of all electrical equipment in the mini-industry, which allowed calculating the daily required power by applying a simultaneity coefficient to reflect the incomplete temporal overlap of loads:

Where P_N is the daily required power (kWh), P_U is the unit power (kW), N_E is the number of equipment, H_T is the daily operating hours, and C_S is the simultaneity coefficient (0.70).

The polycrystalline panel DSM-380MP (380 Wp) was chosen, with a module efficiency of 19%, power warranty of 80% at 25 years, and electrical parameters suitable for tropical climate (nominal cell operating temperature, NOCT of 45±2°C).

The daily energy generated by the system was determined considering local peak sun hours of 4.60 h/day and an initial global performance ratio of 0.85, which includes losses due to temperature, soiling, wiring, and inverter efficiency. The number of panels (N_p) was calculated from the rectified required power; subsequent iterations were performed until the daily generated energy was equal to or greater than the daily required power. The following equations were used:

Where E_gd is the daily energy generated by the system (kWh/day), Pp_s is the peak power of the system (kWp), Pp_p is the peak power of the panel (kWp), HPS are the peak sun hours (h), PR is the Performance Ratio or global performance factor, P_nr is the rectified required power (kW), η is the safety factor (20%).

For the site's latitude, a fixed tilt of 24° relative to the horizontal was selected, which maximizes annual energy capture in Cuba (Potes and Proaño, 2020POTES, P.; PROAÑO, X.: “Diseño de un Sistema Fotovoltaico Conectado a la Red en el Bloque B de la Universidad Técnica de Cotopaxi”. Revista Técnica energía, 16(2), 148-157, 2020, 2602-8492. Disponible en https://scielo.senescyt.gob.ec/pdf/rte/v16n2/2602-8492-rte-16-02-00148.pdf ). Instead of a single south orientation, the "Dual-Pitch" configuration was used: the PV field was divided into two sub-arrays of equal power: a) East Sub-array with an azimuthal orientation of +90° (East) which captures predominantly morning radiation, and b) West Sub-array with an azimuthal orientation of -90° (West) which captures predominantly afternoon radiation.

The hourly generation profile for each orientation was modeled using power (%) and time (h) data and compared with the typical south-oriented profile (Padrón-Suárez et al., 2021PADRÓN-SUÁREZ, L.; GUTIÉRREZ-URDANETA, L.; VALLADARES-AGUILERA, J.: “Sistemas fotovoltaicos con limitaciones de terreno: la doble orientación como alternativa”. Ingeniería Energética, 42(3), 45-55, 1-11, 2021, ISSN: 1815-5901. Disponible en https://scielo.sld.cu/pdf/rie/v42n3/1815-5901-rie-42-03-45.pdf ). The percentage power was obtained by multiplying the daily required power by one hundred and dividing it by the maximum daily required power. The profile was represented using the typical profile template technique in Excel to relate power to time based on the panel's orientation.

The Balance of System (BOS) encompasses all components of a solar installation except the solar panels; therefore, it includes the elements that allow a photovoltaic system to function correctly:

A hybrid inverter SMA Sunny Tripower 15000TL-10 (15 kVA) was selected, with two independent maximum power point trackers (MPPT), one for each sub-array (East/West). Its characteristics (MPP voltage range: 150-800 VDC, maximum input current) are compatible with the designed strings. Its hybrid mode allows operation connected to the grid with surplus injection, and maintenance of critical loads in island mode (with optional batteries) during grid failures.

Conductors for direct current and alternating current were sized according to standard NC-ISO-60228, verifying voltage drop (<1.5%) and current-carrying capacity. Protections against overvoltages, circuit breakers, and residual-current devices were included in accordance with the Cuban Low Voltage Electro-Technical Regulations.

The annual energy generation was calculated using the specific yield for Cuba. The following equation was used:

Where E_annual is the annual energy generated (kWh/year), Y_f is the specific yield (1400 kWh/kWp/year).

The environmental impact associated with fossil fuel savings and CO₂ emission reductions was estimated using standard conversion factors:

Where A_comb is the fossil fuel savings (t fuel/year), R_CO2 is the CO₂ emission reduction (t CO₂/year), F_acf is the fossil fuel savings factor (0.000086 t/kWh), F_rem is the CO₂ emission reduction factor (0.00075 t CO₂/kWh).

Results and Discussion

Table 1 shows the load survey, which revealed significant and diversified energy consumption. The daily required power was 528.43 kWh, equivalent to an average power of approximately 22 kW over 24 hours. This value justifies the need for an on-site generation system.

The sizing led to the installation of 40 DSM-380MP panels, configured in 4 strings of 10 panels in series each. Two strings will be connected to MPPT1 (East sub-array) and two to MPPT2 (West sub-array). The total peak power of the system is 15.20 kWp.

Figure 1 shows the comparison of the simulated generation profile for a clear day for three configurations (traditional South, East, and West), where the Y-axis represents the relative power of the installed capacity (%) and the X-axis the hour of the day. The "Dual-Pitch" configuration (sum of East and West profiles) produces a notably flatter generation curve.

The simulation shows that the South-oriented system concentrates over 70% of its maximum generation between 10:00 and 14:00 hours. In contrast, the "Dual-Pitch" system starts significant generation earlier (thanks to the East sub-array) and maintains it later (thanks to the West sub-array). The absolute peak is reduced by approximately 25%, and between 15-20% of the total generation is shifted to the periods of 8:00-10:00 and 16:00-18:00. This result is consistent with the findings of Álvarez-García (2024)ÁLVAREZ-GARCÍA, A. Y.: “Propuesta de instalación de sistema fotovoltaico en la Empresa de Productos Lácteos Villa Clara, UEB pasteurizadora Sagua la Grande”. Tecnología Química, 44(1), 197-213, 2024. ISSN: 2224-6185. Disponible en https://scielo.sld.cu/pdf/rtq/v44n1/2224-6185-tq-44-01-197.pdf , who reported a significant reduction in peak grid injection in facilities of the Villa Clara Dairy Products Company, Cuba, with similar designs.

This flattened profile is particularly beneficial for the mini-industry under study, whose load is relatively constant during the day due to cold room operation and has peaks from the use of motors in specific processes (mills, pasteurizer) that may not coincide with midday. Minuto et al. (2024)MINUTO, F. D.; CROSATO, M.; SCHIERA, D. S.; BORCHIELLINI, R.; LANZINI, A.: “Shared energy in renewable energy communities: The benefits of east-and west-facing rooftop photovoltaic installations”. Energy Reports, 11, 5593-5601, 2024, ISSN: 2352-4847. Disponible en https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352484724003329 highlight that this strategy improves the instantaneous self-consumption rate, reducing grid injection/consumption cycles and relieving stress on local transformers and lines, a critical factor in weak rural grids like Cuba's.

The estimated annual energy generation using a conservative value for Cuba of 1400 kWh/kWp/year was 21,280.00 kWh/year. This equates to a net average daily generation of 58.30 kWh/day, which was lower than the total daily consumption (528.00 kWh); but it covers the critical daytime demand and displaces a substantial percentage of grid consumption. On sunny days, the system is expected to cover 100% of the demand during daylight hours, injecting surplus energy into the National Electric System.

The strategic value of this result lies in its temporal displacement capacity. Power generation is concentrated during the hours of highest daytime activity, and during this period, the solar energy is instantly self-consumed, covering a substantial portion of the critical demand and reducing the draw from the national grid. This self-consumption represents a net displacement of approximately 58 kWh/day, equivalent to 11% of total consumption. This translates into direct economic savings and contributes to the stability of the national electrical system by reducing the load during peak hours.

The environmental impacts were significant with a fossil fuel saving of 1.83 tons of fuel/year and a CO₂ emission reduction of 15.96 tons of CO₂/year. These values, although derived from a medium-sized system, when multiplied by the potential replication in hundreds of mini-industries, underline the tangible contribution of this technology to Cuba's decarbonization commitments. The fuel saving is a direct contribution to national energy security, a central objective of Cuban energy policy (Gaceta Oficial de la República de Cuba, 2019GACETA OFICIAL DE LA REPÚBLICA DE CUBA.: “Decreto-Ley No. 345 "Del desarrollo de las fuentes renovables y el uso eficiente de la energía". Gaceta Oficial de la República de Cuba, Edición Ordinaria No. 95, 2019. Disponible en: https://www.gacetaoficial.gob.cu/es/decreto-ley-345-de-2019-de-consejo-de-estado ).

The selection of the SMA Sunny Tripower 15000TL-10 inverter with two MPPTs allows optimal management of the two sub-arrays with different orientations, maximizing the energy captured in each one independently of shading or irradiance differences (Díaz-Santos et al., 2018DÍAZ-SANTOS, R., CASTRO-FERNÁNDEZ, M., SANTOS-FUENTEFRÍA, A., & VILARAGUT-LLANES, M.: “Análisis de la influencia del ángulo de inclinación en la generación de una central fotovoltaica”. Ingeniería Energética, 39(3), 146-156, 2018, ISSN 1815-5901. Disponible en https://scielo.sld.cu/pdf/rie/v39n3/rie02318.pdf ). Its hybrid capability solves the central problem identified (grid instability). While the grid is present, the system operates in efficient injection/self-consumption mode. In case of an outage, the inverter, coupled with a battery bank (future dimension), can form an "electrical island" to power priority loads, preventing production stoppage. This functionality, still little implemented in the Cuban industrial sector, is key to increasing energy adaptation at the micro level (Álvarez-Villagómez and Concha-Ramírez, 2025ALVAREZ-VILLAGÓMEZ, J. V.; CONCHA-RAMÍREZ, J. A.: “Incidencia de la crisis energética en los costos de producción en empresas manufactureras”. Revista Científica Zambos, 4(1), 226-248, 2025. Disponible en: https://revistaczambos.utelvtsd.edu.ec/index.php/home/article/view/88 ).

Conclusions

The study achieved the conceptual design and evaluation of a hybrid photovoltaic system with an innovative dual-pitch roof structure configuration for the "Finca La Suiza" small-scale industry.

The system sized at 15.20 kWp is technically viable and capable of generating an estimated annual energy of 21,280.00 kWh, covering the critical daytime demand and contributing significantly to the industry's energy balance.

The dual-pitch configuration (East and West orientations) is an effective strategy for optimizing the generation profile in the Cuban context. The simulation demonstrated that it flattens the production curve, reduces the midday peak by approximately 25%, and shifts between 15-20% of generation to morning and afternoon hours, improving the match with industrial consumption profiles and reducing stress on the weak local grid.

The integration of a hybrid inverter provides the necessary robustness to operate in an unstable grid environment, ensuring operational continuity through its island mode capability, which directly addresses the objective of securing the supply.

The project provides concrete environmental benefits, estimating savings of 1.83 tons of fossil fuel and mitigation of 15.96 tons of CO₂ annually.

The research should be extended to include system monitoring, model validation, and an evaluation of its impact on rural electrical grid stability.

Introducción

La transición hacia una matriz energética sostenible es un imperativo global y nacional. En Cuba, la Política para el desarrollo perspectivo de las fuentes renovables de energía y la eficiencia energética plantea la meta de generar el 24% de la electricidad con fuentes renovables para el año 2030 (Gaceta Oficial de la República de Cuba, 2019GACETA OFICIAL DE LA REPÚBLICA DE CUBA.: “Decreto-Ley No. 345 "Del desarrollo de las fuentes renovables y el uso eficiente de la energía". Gaceta Oficial de la República de Cuba, Edición Ordinaria No. 95, 2019. Disponible en: https://www.gacetaoficial.gob.cu/es/decreto-ley-345-de-2019-de-consejo-de-estado ). Este objetivo cobra especial relevancia en el sector productivo rural, donde la inestabilidad del Sistema Eléctrico Nacional (SEN) se traduce en interrupciones que afectan la cadena de valor, aumentan los costos operativos por el uso de generadores diésel y limitan el desarrollo económico local (Salazar-Quevedo et al., 2025SALAZAR-QUEVEDO, S. S.; BRAVO-CARRASCO, A.; LINDAO-CABRERA, K. J.; SÁNCHEZ-PARRALES, E.; SALAZAR-SOLEDISPA, V. B.: “Análisis del impacto de los apagones de energía eléctrica en la rentabilidad de las grandes empresas en la provincia del Guayas, 2024”. Polo del conocimiento, 10(5), 1411-1430, 2025, ISSN: 2550-682X. Disponible en https://www.polodelconocimiento.com/ojs/index.php/es/article/view/9513 ).

La energía solar fotovoltaica (FV) se erige como una de las soluciones más idóneas para el contexto cubano, dada su alta irradiación solar promedio (aproximadamente 5 kWh/m²/día) y la disminución constante en los costos de la tecnología (IRENA, 2022IRENA.: “Renewable Power Generation Costs in 2022”. International Renewable Energy Agency, 2022. Disponible en: https://www.irena.org/Publications/2023/Aug/Renewable-Power-Generation-Costs-in-2022 ). Las instalaciones FV conectadas a red en el sector industrial, ya sean en cubierta o en suelo, han sido ampliamente estudiadas a nivel internacional, demostrando beneficios en ahorro económico, reducción de huella de carbono y mejora de la confiabilidad del suministro (Saxena et al., 2021SAXENA, A. K.; SAXENA, S.; SUDHAKAR, K.: “Energy, economic and environmental performance assessment of a grid-tied rooftop system in different cities of India based on 3E analysis”. Clean energy, 5(2), 288-301, 2021, 2515-396X. Disponible en: https://doi.org/10.1093/ce/zkab008 ; Sharma y Kolhe, 2025SHARMA, A.: Y KOLHE, M. L.: “Impacts of electricity pricing on techno-economic performance of photovoltaic-battery centered microgrid”. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 47(1), 6254-6269, 2025. ISSN: 1556-7036. Disponible en https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/15567036.2021.1905112 ).

En Cuba, la investigación y aplicación de sistemas FV han evolucionado desde sistemas aislados hacia parques solares de gran escala y sistemas de autoconsumo. Estudios como los de García-Reina et al. (2019)GARCÍA-REINA, F.; PÉREZ-MOLINA, A. T.; Veloz-Ulacia, M.: “Determinación de la irradiancia solar en Ciego de Ávila y Morón, para su uso en sistemas de aprovechamiento de la energía solar”. Infometric@-Serie Ingeniería, Básicas y Agrícolas, 2(1), 114-124, 2019, ISSN 2619-2985, Disponible en: https://infometrica.org/index.php/syh/es/article/view/71/70 han documentado el potencial y el despliegue de parques FV en la provincia de Ciego de Ávila; sin embargo, la literatura científica nacional adolece de análisis detallados sobre aplicaciones FV híbridas (conectadas a red con capacidad de respaldo) un eslabón crítico para el desarrollo local, como señalan Álvarez-Villagómez y Concha-Ramírez (2025)ALVAREZ-VILLAGÓMEZ, J. V.; CONCHA-RAMÍREZ, J. A.: “Incidencia de la crisis energética en los costos de producción en empresas manufactureras”. Revista Científica Zambos, 4(1), 226-248, 2025. Disponible en: https://revistaczambos.utelvtsd.edu.ec/index.php/home/article/view/88 . Estos sistemas requieren no solo generar energía, sino también garantizar un suministro ininterrumpido ante las frecuentes fallas de la red.

Un aspecto técnico aún menos explorado en el ámbito local es la optimización del perfil de generación. Las configuraciones tradicionales, con todos los paneles orientados al sur geográfico con una inclinación fija, producen un pico pronunciado de energía al mediodía (Díaz-Santos et al., 2018DÍAZ-SANTOS, R., CASTRO-FERNÁNDEZ, M., SANTOS-FUENTEFRÍA, A., & VILARAGUT-LLANES, M.: “Análisis de la influencia del ángulo de inclinación en la generación de una central fotovoltaica”. Ingeniería Energética, 39(3), 146-156, 2018, ISSN 1815-5901. Disponible en https://scielo.sld.cu/pdf/rie/v39n3/rie02318.pdf ). Este perfil puede no coincidir con la curva de carga de una minindustria, la cual puede tener demandas constantes o picos en horarios distintos, y puede saturar la capacidad de inyección de redes débiles. Estrategias de diseño como la división de arreglos en orientaciones este y oeste ("dos aguas") permiten aplanar la curva de generación, desplazando parte de la producción a las horas de la mañana y la tarde, mejorando así la sincronización generación-consumo y la integración a la red (Gamarra et al., 2021GAMARRA, M.; GRANADOS, R.; ARIZA, J. M.: “Hybrid power generation system: a case study on the Colombian north coast”. Computer and Electronic Sciences: Theory and Applications, 2(2), 1-8, 2021, ISSN: 2745-0090. Disponible en https://repositorio.cuc.edu.co/items/da33558f-8e9d-4578-aefa-74421a192544 ; Minuto et al., 2024MINUTO, F. D.; CROSATO, M.; SCHIERA, D. S.; BORCHIELLINI, R.; LANZINI, A.: “Shared energy in renewable energy communities: The benefits of east-and west-facing rooftop photovoltaic installations”. Energy Reports, 11, 5593-5601, 2024, ISSN: 2352-4847. Disponible en https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352484724003329 ).

Por lo tanto, se identifica una brecha de investigación en la aplicación y evaluación de sistemas FV híbridos con configuraciones de generación optimizadas (como estructuras a dos aguas) para el contexto específico de las minindustrias rurales cubanas, donde la intermitencia de la red y los perfiles de consumo son factores determinantes.

Este estudio contribuye a la comunidad científica y a la práctica profesional de la manera siguiente: presenta una metodología de diseño integral para un sistema FV híbrido adaptado a las condiciones de una minindustria rural cubana; propone y analiza conceptualmente el impacto de una estructura a dos aguas como innovación para optimizar el perfil de generación y cuantifica los beneficios energéticos y ambientales potenciales de la solución. El objetivo de esta investigación es diseñar un sistema fotovoltaico híbrido con estructura a dos aguas que garantice y optimice el suministro eléctrico de la minindustria "Finca La Suiza" en Ciego de Ávila, Cuba.

Materiales y Métodos

El estudio se desarrolló como un proyecto de diseño e ingeniería basado en un caso de estudio real. El proyecto de desarrollo local está ubicado en La Finca La Suiza con coordenadas 21.94945° N, 78.74005° O, municipio Ciego de Ávila. La metodología siguió un proceso estructurado en las siguientes etapas, que incluyeron: la determinación del recurso solar, tomando como base la irradiación solar horizontal promedio diaria para la zona de Ceballos de 5,28 kWh/m²/día y se corrigió para la inclinación del plano del generador.

La demanda eléctrica se realizó a partir de un inventario y cronograma de operación de todos los equipos eléctricos de la minindustria, lo que permitió calcular la potencia necesaria diaria aplicando un coeficiente de simultaneidad para reflejar la no coincidencia temporal total de las cargas:

Donde: P_N es la potencia necesaria diaria (kWh), P_U la potencia unitaria (kW), N_E el número de equipos, H_T las horas de trabajo diarias, C_S el coeficiente de simultaneidad (0,70).

Se eligió el panel policristalino DSM-380MP (380 Wp), con eficiencia del módulo de 19%, garantía de potencia de 80% a 25 años y parámetros eléctricos adecuados para clima tropical (temperatura de operación nominal de célula, NOCT de 45±2°C).

Se determinó la energía generada diariamente por el sistema considerando las horas pico sol locales de 4,60 h/día y un factor de rendimiento global inicial de 0,85 que incluye pérdidas por temperatura, suciedad, cableado y eficiencia del inversor. El cálculo del número de paneles (N_p) se realizó a partir de la potencia necesaria rectificada; posteriormente se realizaron iteraciones hasta que la energía generada diariamente fue igual o superior a la potencia necesaria diaria. Se utilizaron las ecuaciones siguientes:

Donde: E_gd es la energía generada diariamente por el sistema (kWh/día), Pp_s la potencia pico del sistema (kWp), Pp_p la potencia pico del panel (kWp), HPS las horas pico sol (h), PR el Performance Ratio o factor de rendimiento global, P_nr la potencia necesaria rectificada (kW), η el factor de seguridad (20%).

Para la latitud del sitio se seleccionó una inclinación fija de 24° con respecto a la horizontal, la cual maximiza la captación de energía anual en Cuba (Potes y Proaño, 2020POTES, P.; PROAÑO, X.: “Diseño de un Sistema Fotovoltaico Conectado a la Red en el Bloque B de la Universidad Técnica de Cotopaxi”. Revista Técnica energía, 16(2), 148-157, 2020, 2602-8492. Disponible en https://scielo.senescyt.gob.ec/pdf/rte/v16n2/2602-8492-rte-16-02-00148.pdf ). En lugar de una única orientación al sur, se utilizó la configuración "Dos Aguas": el campo FV se dividió en dos sub-arreglos de igual potencia: a) Sub-arreglo Este con una orientación azimutal +90° (Este) la cual capta predominantemente la radiación matutina y b) Sub-arreglo Oeste con orientación azimutal -90° (Oeste) que capta predominantemente la radiación vespertina.

Se modeló el perfil horario de generación para cada orientación utilizando datos de potencia (%) y tiempo (h) y se compararon con el perfil típico de orientación sur (Padrón-Suárez et al., 2021PADRÓN-SUÁREZ, L.; GUTIÉRREZ-URDANETA, L.; VALLADARES-AGUILERA, J.: “Sistemas fotovoltaicos con limitaciones de terreno: la doble orientación como alternativa”. Ingeniería Energética, 42(3), 45-55, 1-11, 2021, ISSN: 1815-5901. Disponible en https://scielo.sld.cu/pdf/rie/v42n3/1815-5901-rie-42-03-45.pdf ). La potencia en porcentaje se obtuvo al multiplicar la potencia necesaria diaria por cien, dividida entre la potencia necesaria diaria máxima. La representación del perfil se utilizó con la técnica de plantilla de perfiles típicos mediante la herramienta Excel para relacionar la potencia en función del tiempo según la orientación del panel.

El balance de sistema en energía solar fotovoltaica conocido en inglés como Balance of System (BOS) se refiere a todos los componentes de una instalación solar, excepto los paneles solares; por tanto, abarca los elementos que permiten que un sistema fotovoltaico funcione correctamente:

Se seleccionó un inversor híbrido SMA Sunny Tripower 15000TL-10 (15 kVA), con dos seguidores del punto de máxima potencia (MPPT) independientes, uno para cada sub-arreglo (Este/Oeste). Sus características (rango de tensión MPP: 150-800 VCD, máxima corriente de entrada) son compatibles con las strings diseñadas. Su modo híbrido permite funcionar conectado a red e inyectar excedentes, y mantener cargas críticas en modo isla (con baterías opcionales) ante fallos de la red.

Se dimensionaron los conductores en corriente continua y corriente alterna según la norma NC-ISO-60228, verificando la caída de tensión (<1,5%) y la capacidad de corriente. Se incluyeron protecciones contra sobretensiones, interruptores magnetotérmicos y diferenciales acordes al Reglamento Electro-técnico Cubano de Baja Tensión.

Se calculó la energía generada anualmente utilizando la productividad específica para Cuba. La ecuación utilizada fue la siguiente:

Donde: E_anual es la energía generada anualmente (kWh/año), Y_f la productividad específica (1400 kWh/kWp/año).

El impacto ambiental asociado al ahorro de combustible fósil y la reducción de emisiones de CO₂ se estimaron con factores de conversión estándar a partir de:

Donde: A_comb es el ahorro de combustible fósil (t combustible/año), R_CO2 la reducción de emisiones de CO₂ (t CO₂/año), F_acf el factor de ahorro de combustible fósil (0.000086 t/kWh), F_rem el factor de reducción de emisiones de CO₂ (0,00075 t CO₂/kWh).

Resultados y Discusión

En la tabla 1 se muestra el levantamiento de carga, que reveló un consumo energético significativo y diversificado. La potencia diaria necesaria obtuvo un valor de 528,43 kWh, equivalente a una potencia media de aproximadamente 22 kW durante 24 horas. Este valor justifica la necesidad de un sistema de generación in situ.

El dimensionamiento condujo a la instalación de 40 paneles DSM-380MP, configurados en 4 strings de 10 paneles en serie cada una. Dos strings se conectarán al MPPT1 (sub-arreglo Este) y dos al MPPT2 (sub-arreglo Oeste). La potencia pico total del sistema es de 15,20 kWp.

En la figura 1 se muestra la comparación del perfil de generación simulado para un día claro para tres configuraciones (Sur tradicional, Este y Oeste), donde el eje Y representa la potencia relativa de la capacidad instalada (%) y el eje X la hora del día. La configuración "Dos Aguas" (suma de los perfiles Este y Oeste) produce una curva de generación notablemente más plana.

La simulación muestra que el sistema orientado al Sur concentra más del 70% de su generación máxima entre las 10:00 y las 14:00 horas. En contraste, el sistema "Dos Aguas" inicia su generación significativa más temprano (gracias al sub-arreglo Este) y la mantiene hasta más tarde (gracias al sub-arreglo Oeste). El pico absoluto se reduce aproximadamente en un 25%, y entre un 15-20% de la generación total se desplaza a los periodos de 8:00-10:00 y de 16:00-18:00. Este resultado es coherente con los resultados de Álvarez-García (2024)ÁLVAREZ-GARCÍA, A. Y.: “Propuesta de instalación de sistema fotovoltaico en la Empresa de Productos Lácteos Villa Clara, UEB pasteurizadora Sagua la Grande”. Tecnología Química, 44(1), 197-213, 2024. ISSN: 2224-6185. Disponible en https://scielo.sld.cu/pdf/rtq/v44n1/2224-6185-tq-44-01-197.pdf , quien reportó una reducción significativa en el pico de inyección a red en instalaciones de la Empresa de Productos Lácteos Villa Clara, Cuba con diseños similares.

Este perfil aplanado es particularmente beneficioso para la minindustria en estudio, cuya carga es relativamente constante durante el día por la operación de la cámara fría y tiene picos por el uso de motores en procesos específicos (molinos, pasteurizador) que pueden no coincidir con el mediodía. Minuto et al. (2024)MINUTO, F. D.; CROSATO, M.; SCHIERA, D. S.; BORCHIELLINI, R.; LANZINI, A.: “Shared energy in renewable energy communities: The benefits of east-and west-facing rooftop photovoltaic installations”. Energy Reports, 11, 5593-5601, 2024, ISSN: 2352-4847. Disponible en https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352484724003329 destacan que esta estrategia mejora la tasa de autoconsumo instantáneo, reduciendo los ciclos de inyección/consumo de la red y aliviando la carga sobre transformadores y líneas locales, un factor crítico en redes rurales débiles como es la cubana.

La generación de energía anual estimada con la utilización de un valor conservador para Cuba de 1400 kWh/kWp/año fue de 21,280.00 kWh/año. Esto equivale a una generación diaria neta media de 58,30 kWh/día, la cual fue inferior al consumo total diario (528,00 kWh); pero cubre la demanda diurna crítica y desplaza un porcentaje sustancial del consumo de la red. En días soleados, se espera que el sistema cubra el 100% de la demanda durante las horas de luz, inyectando excedentes al Sistema Eléctrico Nacional.

El valor estratégico de este resultado radica en su capacidad de desplazamiento temporal. La generación se concentra en las horas diurnas de mayor actividad y durante este período, la energía solar se autoconsume instantáneamente, cubriendo una parte sustancial de la demanda crítica y reduciendo la extracción de energía de la red nacional. Este autoconsumo representa un desplazamiento neto de aproximadamente 58 kWh/día, equivalente al 11% del consumo total, lo que se traduce en un ahorro económico directo y en un aporte a la estabilidad del sistema eléctrico nacional al reducir la carga durante las horas pico.

Los impactos ambientales fueron significativos con un ahorro de combustible fósil de 1,83 toneladas de combustible/año y una reducción de emisiones de CO₂ de 15,96 toneladas de CO₂/año. Estos valores, aunque derivados de un sistema mediano, multiplicados por la potencial replicación en cientos de minindustrias, subrayan la contribución tangible de esta tecnología a los compromisos de descarbonización de Cuba. El ahorro de combustible es un aporte directo a la seguridad energética nacional, un objetivo central de la política energética cubana (Gaceta Oficial de la República de Cuba, 2019GACETA OFICIAL DE LA REPÚBLICA DE CUBA.: “Decreto-Ley No. 345 "Del desarrollo de las fuentes renovables y el uso eficiente de la energía". Gaceta Oficial de la República de Cuba, Edición Ordinaria No. 95, 2019. Disponible en: https://www.gacetaoficial.gob.cu/es/decreto-ley-345-de-2019-de-consejo-de-estado ).

La selección del inversor SMA Sunny Tripower 15000TL-10 con dos MPPT permite gestionar de forma óptima los dos sub-arreglos con orientaciones diferentes, maximizando la energía captada en cada uno independientemente de las sombras o diferencias de irradiación (Díaz-Santos et al., 2018DÍAZ-SANTOS, R., CASTRO-FERNÁNDEZ, M., SANTOS-FUENTEFRÍA, A., & VILARAGUT-LLANES, M.: “Análisis de la influencia del ángulo de inclinación en la generación de una central fotovoltaica”. Ingeniería Energética, 39(3), 146-156, 2018, ISSN 1815-5901. Disponible en https://scielo.sld.cu/pdf/rie/v39n3/rie02318.pdf ). Su capacidad híbrida resuelve el problema central identificado (la inestabilidad de la red). Mientras la red esté presente, el sistema opera en modo eficiente de inyección/autoconsumo. En caso de un corte, el inversor, acoplado a un banco de baterías (dimensión futura), puede formar una "isla eléctrica" para alimentar cargas prioritarias, evitando la parada productiva. Esta funcionalidad, poco implementada aún en el sector industrial cubano, es clave para incrementar la adaptación energética a nivel micro (Álvarez-Villagómez y Concha-Ramírez, 2025ALVAREZ-VILLAGÓMEZ, J. V.; CONCHA-RAMÍREZ, J. A.: “Incidencia de la crisis energética en los costos de producción en empresas manufactureras”. Revista Científica Zambos, 4(1), 226-248, 2025. Disponible en: https://revistaczambos.utelvtsd.edu.ec/index.php/home/article/view/88 ).

Conclusiones

El estudio logró el diseño y la evaluación conceptual de un sistema fotovoltaico híbrido con una configuración innovadora de estructura a dos aguas para la minindustria "Finca La Suiza".

El sistema dimensionado con 15,20 kWp es técnicamente viable y capaz de generar una energía anual estimada de 21,280.00 kWh, cubriendo la demanda diurna crítica y contribuyendo significativamente al balance energético de la industria.

La configuración a dos aguas (orientaciones Este y Oeste) es una estrategia efectiva para optimizar el perfil de generación en el contexto cubano. La simulación demostró que aplana la curva de producción, reduce el pico del mediodía en aproximadamente un 25% y desplaza entre un 15-20% de la generación a horarios de mañana y tarde, mejorando la coincidencia con perfiles de consumo industriales y reduciendo el estrés sobre la red local débil.

La integración de un inversor híbrido proporciona la robustez necesaria para operar en un entorno de red inestable, garantizando continuidad operativa a través de su capacidad de funcionar en modo isla, lo que responde directamente al objetivo de asegurar el suministro.

El proyecto aporta beneficios ambientales concretos, estimándose un ahorro de 1,83 toneladas de combustible fósil y una mitigación de 15,96 toneladas de CO₂ anuales.

Se debe extender esta investigación para el monitoreo del sistema, validación del modelo y evaluación de su impacto en la estabilidad de la red eléctrica rural.