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Rastreador solar difuso para mejorar la obtenci�n de energ�a el�ctrica en paneles solares

 

Diffuse solar tracker, to improve the obtaining of electrical energy in solar panels

 

Rastreador solar difuso para melhorar a obten��o de energia el�trica em pain�is solares

 

Hip�lito Carbajal-Mor�n ^I

hipolito.carbajal@unh.edu.pe

https://orcid.org/0000-0002-1661-5363

 

Javier Francisco M�rquez-Camarena ^II

javier.marquez@unh.edu.pe

https://orcid.org/0000-0002-0523-9569

 

V�ctor Ra�l Rodr�guez-Pe�a ^III

victor.rodriguez@unh.edu.pe

https://orcid.org/0000-0002-2019-8486

 

Carlos Abel Galv�n-Maldonado ^IV

carlos.galvan@unh.edu.pe

https://orcid.org/0000-0001-5826-3282

�

 

Correspondencia: hipolito.carbajal@unh.edu.pe

 

Ciencias t�cnicas y aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

*Recibido: 15 de agosto de 2020 *Aceptado: 10 de septiembre 2020 * Publicado: 01 de Octubre de 2020

 

 

        I.            Universidad Nacional de Huancavelica, Investigador independiente, Per�.

     II.            Universidad Nacional de Huancavelica, Investigador independiente, Per�.

   III.            Universidad Nacional de Huancavelica, Investigador independiente, Per�.

  IV.            Universidad Nacional de Huancavelica, Investigador independiente, Per�.

Resumen

El objetivo de esta investigaci�n es determinar la mejora de obtenci�n de energ�a solar el�ctrica empleando un rastreador solar con control basado en l�gica difusa, en la ciudad de Pampas-Tayacaja de la regi�n Huancavelica Per� a 3620 msnm. La metodolog�a empleada se bas� en el dise�o experimental de un rastreador solar con programaci�n de un algoritmo en el microcontrolador PIC 16F876A de Microchip, el programa de aplicaci�n env�a una secuencia de pulsos digitales a dos motores de posicionamiento latitudinal y longitudinal del rastreador, siendo motor1 un motor DC de 12 V el que permite el movimiento de este a oeste y viceversa, el motor2 con las mismas caracter�sticas del motor1, est� acoplado a un engranaje de un eje rotacional que permite el giro de norte a sur y viceversa de un panel fotovoltaico durante los d�as de acuerdo a la rotaci�n y traslaci�n de la Tierra, los mismos que son determinados por sensores LDR, estas se�ales se env�an por medio de la comunicaci�n USB al controlador difuso implementado en LabVIEW que interact�a con el PIC mencionado, se tomaron 36 muestras por d�a, a partir de las 6:00 am hasta las 6:00 pm. Como resultado, comparando la energ�a producida por el panel solar el rastreador solar con control basado en l�gica difusa que es el grupo experimental, con respecto a los paneles fijos que formaron parte del grupo control, se logra una mejora de obtenci�n de energ�a el�ctrica de 25.28 %.

Palabras claves: Sistema fotovoltaico; rastreador solar; controlador difuso; obtenci�n de energ�a el�ctrica.

 

Abstract

The objective of this research is to determine the improvement in obtaining solar electric energy using a solar tracker with control based on fuzzy logic, in the city of Pampas-Tayacaja in the Huancavelica region at 3620 meters above sea level. The methodology used was based on the experimental design of a solar tracker with programming of an algorithm in Microchip's PIC 16F876A microcontroller, the application program sends a sequence of digital pulses to two latitudinal and longitudinal positioning motors of the tracker, motor1 being a 12 V DC motor which allows movement from east to west and vice versa, motor2 with the same characteristics of motor1, is coupled to a gear of a rotational shaft that allows rotation from north to south and vice versa of a photovoltaic panel during the days according to the rotation and translation of the Earth, which are determined by LDR sensors, these signals are sent through USB communication to the fuzzy controller implemented in LabVIEW that interacts with the mentioned PIC, 36 samples were taken per day, from 6:00 am to 6:00 pm. As a result, comparing the energy produced by the solar panel the solar tracker with control based on fuzzy logic that is the experimental group, with respect to the fixed panels that were part of the control group, an improvement in obtaining electrical energy of 25.28 % is achieved.

Keywords: Photovoltaic system; solar tracker; fuzzy controller; obtaining electrical energy.

 

Resumo

O objetivo desta pesquisa � determinar a melhoria na obten��o de energia solar el�trica por meio de um rastreador solar com controle baseado em l�gica fuzzy, na cidade de Pampas-Tayacaja na regi�o de Huancavelica Per� a 3.620 metros acima do n�vel do mar. A metodologia utilizada baseou-se no projeto experimental de um rastreador solar com programa��o de um algoritmo no microcontrolador PIC 16F876A da Microchip, o programa aplicativo envia uma sequ�ncia de pulsos digitais para dois motores de posicionamento latitudinal e longitudinal do rastreador, sendo o motor1 um Motor 12 V DC que permite o movimento de leste para oeste e vice-versa, motor2 com as mesmas caracter�sticas do motor1, � acoplado a uma engrenagem de um eixo rotacional que permite a rota��o de norte para sul e vice-versa de um painel fotovoltaico durante os dias de acordo com a rota��o e transla��o da Terra, que s�o determinados por sensores LDR, esses sinais s�o enviados atrav�s de comunica��o USB para o controlador fuzzy implementado no LabVIEW que interage com o referido PIC, 36 amostras foram coletadas por dia, das 6h00 �s 18h00. Como resultado, comparando a energia produzida pelo painel solar o rastreador solar com o controle baseado na l�gica fuzzy que � o grupo experimental, com rela��o aos pain�is fixos que faziam parte do grupo de controle, consegue-se uma melhora na obten��o de energia el�trica de 25,28. %.

Palavras-chave: Sistema fotovoltaico; rastreador solar; controlador difuso; obten��o de energia el�trica.

 

Introducci�n

La tendencia mundial es al aprovechamiento y uso de energ�as renovables que son abundantes en la naturaleza, que no contaminan al medio ambiente como la energ�a e�lica proporcionado por el viento, la energ�a hidr�ulica proporcionado por el agua y la energ�a solar proporcionado por el Sol, existiendo muchas otras en desarrollo (Rold�n, 2012).

La energ�a solar por su procedencia es pr�cticamente una fuente inagotable de recursos energ�ticos (SOLARGIS, 2019), pudiendo aprovecharse en cualquier lugar dentro y fuera del planeta.

Se realizaron diversos trabajos con seguidores para aprovechar la energ�a solar. En el trabajo de Toranzo y otros (2015), se implement� un dispositivo para obtener las coordenadas del Sol durante el d�a con dos ejes, el prototipo implementado se someti� a prueba experimental en el laboratorio comprobando el funcionamiento del seguidor. P�rez y otros (2017) lleva a cabo una investigaci�n con el prop�sito de fomentar el uso de un sistema fotovoltaico que contribuye al ahorro de energ�a el�ctrica y a la posible mitigaci�n del cambio clim�tico, teniendo mejoras en la producci�n de energ�a el�ctrica, con respecto al m�todo est�tico. Finalmente, Jal�n y Herrera (2019) desarrolla el trabajo de an�lisis de eficiencia de un seguidor solar, teniendo como objetivo estimar el m�s alto potencial de incidencia solar en un panel fotovoltaico, por intermedio de un prototipo de seguidor solar, logrando monitorear y seguir el Sol. El prototipo que se construy� fue sometido a pruebas para aprovechar la energ�a solar, tomando la potencia generada. El sistema est� construido con Arduino con sensores fotorresistivos LDR y un par de servomotores siendo de dos grados de libertad.

En este trabajo se aborda la implementaci�n de un el rastreador solar con controlador difuso e interface en LabVIEW que permite mejorar la obtenci�n de energ�a el�ctrica con respecto a un sistema fotovoltaico con orientaci�n fija. La investigaci�n contribuye a la evaluaci�n de los niveles de radiaci�n provenientes de cuatro puntos diferentes y act�an sobre dos motores DC, para orientarse hacia el Sol, y en consecuencia a la mejora de obtenci�n de energ�a el�ctrica.

 

Materiales y m�todos

En el desarrollo del trabajo se utiliz� diversos materiales entre los m�s resaltantes tenemos: las tablas de toma de datos, panel fotovoltaico, motores DC, microcontrolador PIC16F876A y PIC18F2550 (Zamarre�o et al., 2017) y una computadora port�til para la toma de muestras.

El m�todo que se emple� fue el experimental, siendo el dise�o con un grupo experimental; representado por la energ�a generada por el panel solar con rastreador difuso. El otro grupo que es el control, est� representado por la energ�a que genera el panel solar con posici�n fija, localizada en la ciudad de Pampas-Tayacaja de la regi�n Huancavelica Per� a 3620 msnm. Se analiz� los datos con la t�cnica estad�sticas de la prueba �t� de Student para muestras emparejadas, empleando el software estad�stico SPSS, por tratarse de datos cuantitativos.

Se implement� el rastreador solar con control difuso, el mismo que consta b�sicamente de tres partes principales que son: el sensor, el controlador y la actuaci�n. El principio de funcionamiento se basa en un control b�sico a lazo cerrado el cual mide, compara y luego act�a (Roca, 2014). Los sensores LDR (resistencia dependiente de la luz ) detectan el movimiento del Sol a trav�s de una diferencia de potencial (Creus, 2010). Luego, el controlador difuso hace la inferencia de las se�ales de acuerdo a las reglas establecidas tanto para el movimiento latitudinal como longitudinal, enviando como respuesta una se�al para que los motores roten en la direcci�n norte-sur o este-oeste, direccionando de esta manera el panel solar fotovoltaico, de modo que est� en posici�n ortogonal a los rayos solares. El diagrama de bloques de todo el proceso del rastreador solar difuso y el proceso de obtenci�n de la energ�a el�ctrica se muestra en la figura 1.

 

Figura 1. Diagrama de bloques del rastreador solar con controlador difuso y generaci�n de energ�a el�ctrica

�

 

El controlador difuso de la latitud para la rotaci�n norte-sur del panel fotovoltaico est� dise�ado utilizando el control tipo Mandani (De Silva, 2018; Qi et al., 2019), considerando las posiciones solares norte y sur como dos entradas, el motor de inferencia est� basado en 09 reglas que son:

1. Si 'Sensor_LDR1' es 'Bajo' y 'Sensor_LDR2' es 'Bajo' entonces 'Motor1' es 'Detenido'

2. Si 'Sensor_LDR1' es 'Bajo' y 'Sensor_LDR2' es 'Medio' entonces 'Motor1' es 'Giro_Medio_Derecha'

3. Si 'Sensor_LDR1' es 'Bajo' y 'Sensor_LDR2' es 'Alto' entonces 'Motor1' es 'Giro_Derecha'

4. Si 'Sensor_LDR1' es 'Medio' y 'Sensor_LDR2' es 'Bajo' entonces 'Motor1' es 'Giro_Medio_Izquierda'

5. Si 'Sensor_LDR1' es 'Medio' y 'Sensor_LDR2' es 'Medio' entonces 'Motor1' es 'Detenido'

6. Si 'Sensor_LDR1' es 'Medio' y 'Sensor_LDR2' es 'Alto' entonces 'Motor1' es 'Giro_Medio_Izquierda'

7. Si 'Sensor_LDR1' es 'Alto' y 'Sensor_LDR2' es 'Bajo' entonces 'Motor1' es 'Giro_Izquierda'

8. Si 'Sensor_LDR1' es 'Alto' y 'Sensor_LDR2' es 'Medio' entonces 'Motor1' es 'Giro_Medio_Izquierda'

9. Si 'Sensor_LDR1' es 'Alto' y 'Sensor_LDR2' es 'Alto' entonces 'Motor1' es 'Detenido'

Como respuesta a estas reglas implementada en la figura 2 con la herramienta Fuzzy System Designer de LabVIEW (Ross, 2017), se tiene el giro de -90� a 90� del �Motor1� que controla la latitud, relacionado con la rotaci�n de la Tierra, con este controlador se tiene la celda fotovoltaica orientado en latitud al centro de la radiaci�n del Sol, ver figura 3.

 

Figura 2. Dise�o del sistema difuso para el control del Motor1 de rotaci�n

Nota:����� El dise�o del sistema se implementa en funci�n a las reglas del controlador difuso para Motor1 de rotaci�n en LabVIEW.

 

Figura 3. Interface de la respuesta del Motor1 de rotaci�n de la Tierra

�El controlador difuso de la longitud para la rotaci�n este-oeste del panel solar fotovoltaico est� dise�ado utilizando tambi�n el controlador tipo Mandani, considerando la posici�n del Sol de este - oeste como dos entradas, el motor de inferencia tiene 09 reglas que son:

 

1. Si 'Sensor_LDR3' es 'Bajo' y 'Sensor_LDR4' es 'Bajo' entonces 'Motor2' es 'Detenido'

2. Si 'Sensor_LDR3' es 'Bajo' y 'Sensor_LDR4' es 'Medio' entonces 'Motor2' es 'Giro_Medio_Derecha'

3. Si 'Sensor_LDR3' es 'Bajo' y 'Sensor_LDR4' es 'Alto' entonces 'Motor2' es 'Giro_Derecha'

4. Si 'Sensor_LDR3' es 'Medio' y 'Sensor_LDR4' es 'Bajo' entonces 'Motor2' es 'Giro_Medio_Izquierda'

5. Si 'Sensor_LDR3' es 'Medio' y 'Sensor_LDR4' es 'Medio' entonces 'Motor2' es 'Detenido'

6. Si 'Sensor_LDR3' es 'Medio' y 'Sensor_LDR4' es 'Alto' entonces 'Motor2' es 'Giro_Medio_Izquierda'

7. Si 'Sensor_LDR3' es 'Alto' y 'Sensor_LDR4' es 'Bajo' entonces 'Motor2' es 'Giro_Izquierda'

8. Si 'Sensor_LDR3' es 'Alto' y 'Sensor_LDR4' es 'Medio' entonces 'Motor2' es 'Giro_Medio_Izquierda'

9. Si 'Sensor_LDR3' es 'Alto' y 'Sensor_LDR4' es 'Alto' entonces 'Motor2' es 'Detenido'

 

Como respuesta a estas reglas implementada en la figura 4 con la herramienta Fuzzy System Designer de LabVIEW, se tiene el giro del motor de control de longitud �Motor2� relacionado con la traslaci�n de la Tierra, con este controlador se tiene el panel solar fotovoltaico orientado en longitud al centro de la radiaci�n del Sol, ver figura 5.

 

Figura 4. Dise�o del sistema difuso para el control del Motor2 de traslaci�n

 

 

Figura 5. Interface de la respuesta del Motor2 de traslaci�n de la Tierra

�

 

Se emple� dos paneles fotovoltaicos que son dispositivos que convierten la energ�a proveniente de la radiaci�n solar en energ�a el�ctrica (Permi�an et al., 2012). Estos paneles son de Silicio mono o policristalino, el primero es m�s utilizado, aunque su proceso de fabricaci�n es m�s elaborado y presenta mejores resultados en cuanto a su eficiencia. Los paneles fotovoltaicos empleados en este trabajo fueron los monocristalinos con potencia pico de 80 W, sus caracter�sticas f�sicas se muestran en la figura 6.

 

Figura 6. Panel fotovoltaico monocristalino de potencia pico 80 W y la estructura de la c�lula solar

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(a)� ��������������������������������������������������������������� (b)

Nota: (a) es el panel fotovoltaico y (b) es la estructura de la c�lula solar obtenido de (Diaz & Carmona, 2010).

 

El circuito equivalente del panel fotovoltaico de la figura 7, genera una corriente Ip y una tensi�n Vp, en presencia de una carga resistiva RL de 10 Ω, con conexi�n en paralelo, que permite obtener la potencia tanto en el panel con seguidor solar, como en el panel con posici�n fija.

 

Figura 7. Circuito equivalente de un panel fotovoltaico y la estructura de la c�lula solar

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Los par�metros el�ctricos nominales del fabricante del panel solar se detallan en la tabla 1, siendo el voltaje de potencia �ptimo 15.90 V y la corriente de funcionamiento �ptimo 5.03 A.

 

Tabla 1. Par�metros el�ctricos del panel fotovoltaico

 

Los par�metros que permiten determinar la mejora de obtenci�n de energ�a el�ctrica fueron la Ip y el Vp generados por una carga artificial resistiva RL de 10 Ω. Las mediciones y el almacenamiento de los datos se llevaron a cabo de forma autom�tica cada 20 minutos iniciando a las 6.03 am y finalizando a las 5:53 pm, desde la interface desarrollada en LabVIEW (figura 8). Se usaron 02 paneles fotovoltaicos con las mismas caracter�sticas, el panel fijo se ubic� con un azimut de -23.45 con respecto al sur y elevaci�n de 12.39�, el cual es la mejor posici�n para paneles solares fijos, mientras que el otro panel fotovoltaico fue rotado en latitud y longitud de acuerdo a datos obtenidos por el rastreador difuso.

 

 

Figura 8. Interface de monitoreo y almacenamiento de datos de la potencia de los paneles con seguidor solar y panel solar con posici�n fija

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Nota: Esta interface fue desarrollado en LabVIEW 2018, los datos se obtienen mediante la comunicaci�n con el microcontrolador por interface USB.

 

Resultados y discusi�n

Las mediciones de los par�metros el�ctricos, tanto del panel fotovoltaico con rastreador solar difuso, como del panel fotovoltaico con posici�n fija (azimut: -23.45�, elevaci�n: 12.39), que se muestra en la tabla 2, fueron obtenidos y registrados en una hoja de Excel de forma autom�tica desde la interface de la figura 8.

 

Tabla 2. Par�metros el�ctricos medidos en el panel fotovoltaico con rastreador solar difuso y panel fotovoltaico de posici�n fija.

N� muestra	Hora de muestreo	Panel fotovoltaico con rastreador solar difuso			Panel fotovoltaico con posici�n fija. Azimut: -23.45� Elevaci�n: 12.39�
		Voltaje Vprd (V)	Corriente Iprd (A)	Potencia Pprd (W)	Voltaje Vppf (V)	Corriente Ippf (A)	Potencia Wppf (W)
00	6:03:53	5.70	1.14	6.50	1.00	0.20	0.20
01	6:23:53	7.70	1.54	11.86	2.20	0.44	0.97
02	6:43:53	7.30	1.46	10.66	1.90	0.38	0.72
03	7:03:53	10.00	2.00	20.00	5.00	1.00	5.00
04	7:23:53	14.00	2.80	39.20	6.50	1.30	8.45
05	7:43:53	14.20	2.84	40.33	7.70	1.54	11.86
06	8:03:53	15.00	3.00	45.00	10.00	2.00	20.00
07	8:23:53	15.10	3.02	45.60	10.50	2.10	22.05
08	8:43:53	15.30	3.06	46.82	12.30	2.46	30.26
09	9:03:53	15.20	3.04	46.21	11.40	2.28	25.99
10	9:23:53	15.10	3.02	45.60	12.20	2.44	29.77
11	9:43:53	15.30	3.06	46.82	14.00	2.80	39.20
12	10:03:53	15.60	3.12	48.67	14.00	2.80	39.20
13	10:23:53	15.60	3.12	48.67	15.20	3.04	46.21
14	10:43:53	15.60	3.12	48.67	15.00	3.00	45.00
15	11:03:53	15.70	3.14	49.30	15.00	3.00	45.00
16	11:23:53	15.70	3.14	49.30	15.10	3.02	45.60
17	11:43:53	15.70	3.14	49.30	15.80	3.16	49.93
18	12:03:53	15.70	3.14	49.30	15.50	3.10	48.05
19	12:23:53	15.80	3.16	49.93	15.50	3.10	48.05
20	12:43:53	15.60	3.12	48.67	15.70	3.14	49.30
21	13:03:53	15.60	3.12	48.67	15.70	3.14	49.30
22	13:23:53	15.60	3.12	48.67	15.50	3.10	48.05
23	13:43:53	15.70	3.14	49.30	15.50	3.10	48.05
24	14:03:53	15.70	3.14	49.30	15.00	3.00	45.00
25	14:23:53	15.70	3.14	49.30	14.90	2.98	44.40
26	14:43:53	15.00	3.00	45.00	13.80	2.76	38.09
27	15:03:53	15.00	3.00	45.00	13.70	2.74	37.54
28	15:23:53	15.10	3.02	45.60	13.70	2.74	37.54
29	15:43:53	15.30	3.06	46.82	13.80	2.76	38.09
30	16:03:53	14.80	2.96	43.81	11.10	2.22	24.64
31	16:23:53	14.60	2.92	42.63	11.20	2.24	25.09
32	16:43:53	12.90	2.58	33.28	10.90	2.18	23.76
33	17:03:53	12.00	2.40	28.80	8.80	1.76	15.49
34	17:23:53	11.70	2.34	27.38	7.60	1.52	11.55
35	17:43:53	9.20	1.84	16.93	5.70	1.14	6.50
36	17:53:53	7.40	1.48	10.95	1.20	0.24	0.29

Nota: Las muestras fueron tomados de forma autom�tica desde la interface de la figura 8.

 

Al graficar las potencias generadas por ambos paneles fotovoltaicos se obtiene la figura 9, donde se hace notar la diferencia de estas potencias.

 

Figura 9. Representaci�n gr�fica de los datos muestreados del panel solar fotovoltaico con rastreador solar basado en controlador difuso y panel solar fotovoltaico con posici�n fija.

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Las potencias generadas por el panel fotovoltaico con seguidor solar difuso son consideradas muestras del grupo experimental y las potencias obtenidas por el panel fotovoltaico con posici�n fija representa las muestras del grupo control. Estas muestras se sometieron a prueba t de Student para muestras emparejadas a ambas colas para un nivel de confianza del 95% y nivel de significaci�n de α=0.05, obtenido los datos de la tabla 3.

 

Tabla 3. Estad�sticas de muestras emparejadas

Tabla 4. Resultado de la prueba t para muestras emparejadas

 

Figura 10. Valores de t cr�tico y t observado obtenidos en la prueba estad�stica para muestras emparejadas

�

Para interpretar la prueba se plantea las hip�tesis de investigaci�n:

La hip�tesis nula H0: La diferencia entre las medias de las potencias obtenidas en los paneles fotovoltaicos es igual a 0.

La hip�tesis alternativa Ha: La diferencia entre las medias de las potencias obtenidas en los paneles fotovoltaicos es diferente a 0.

Siendo el valor-p (bilateral) = 0.006 menor que el nivel de significaci�n alfa=0.05, se debe rechazar la hip�tesis nula H0, y aceptar la hip�tesis alternativa Ha.

A partir de los resultados del an�lisis de las muestras para una significancia de α=0.05 y un valor-p = 0.006 que es menor que la significancia, se acepta que los promedios de las potencias el�ctricas obtenidas en los paneles fotovoltaicos con rastreador solar difuso y el panel fotovoltaico con posici�n fija son estad�sticamente diferentes. Esta diferencia es de aproximadamente 10.10 W, tal como est� establecido en la tabla 2, el cual significa una mejora en la obtenci�n de energ�a el�ctrica alrededor de 25.28 %.

Este resultado guarda cierta relaci�n con el trabajo de Toranzo y otros (2015) que al implementar un seguidor solar de dos ejes controlados por el microcontrolador PIC 18F1320 de Microchip y una comunicaci�n por protocolo RS485, este cumple con los criterios establecidos por los autores comprob�ndose su buen funcionamiento. As� como tambi�n P�rez y otros (2017) demuestran que el seguidor solar con paneles de 240 W de potencia obtiene un incremento de 51 % de Wh de energ�a. Por otro lado, Jal�n y Herrera al comparar la potencia obtenida por un panel fotovoltaico con mecanismo de movimiento continuo a dos ejes con seguidor solar frente a un panel fijo, logran una ganancia de 17% de potencia con el empleo del seguidor solar. Por los resultados analizados, se hace notar claramente, que los rastreadores solares son una gran alternativa para mejorar la obtenci�n de energ�a el�ctrica a partir de la radiaci�n emitida por el Sol. Tambi�n es importante proseguir con el desarrollo de la incipiente tecnolog�a de captaci�n, acumulaci�n y distribuci�n de la energ�a solar, para conseguir las condiciones que la hagan definitivamente competitiva, a escala planetaria.

 

Referencias

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3.      Diaz, T., & Carmona, G. (2010). Instalaciones solares fotovoltaicas (1ra ed.). McGraw-Hill.

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