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Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido Fecha de envío: Abril 17 de 2017
Fecha de recepción: Fecha de aceptación:
IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO UTILIZANDO BATERÍAS RECICLADAS
IMPLEMENTATION OF A PHOTOVOLTAIC SYSTEM USING RECYCLED BATTERIE
Edwin A. Portilla Héctor Enrique Rodríguez.** Aldemar Fonseca Velázquez***
Resumen: En este artículo se presenta la implementación de un sistema fotovoltaico (FVS)
para una carga eléctrica promedio de 150wp utilizando baterías de litio recicladas como
sistema de almacenamiento. El sistema está conformado por un panel solar de 24v y una
potencia de 250Wp, un banco de baterías de litio recicladas, y un sistema de control de carga
y automatización de la iluminación.
Palabras Clave: Automatización, Baterías de litio, Panel solar, Sistema de control.
Abstract: This paper presents the implementation of a photovoltaic system (FVS) for an
average electric load of 150wp using recycled lithium batteries as a storage system, The
Estudiante de Tecnología en electrónica de la universidad distrital Francisco José de Caldas Facultad
tecnológica, Bogotá, Colombia, e-mail: [email protected]
Estudiante de Tecnología en electrónica de la universidad distrital Francisco José de Caldas Facultad
tecnológica, Bogotá, Colombia, e-mail [email protected]
*** Docente de Tecnología en electrónica de la universidad distrital Francisco José de Caldas Facultad tecnológica, Bogotá, Colombia, e-mail: [email protected]
system consists of a solar panel of 24v and a power of 250Wp according to the standard
conditions of 1000 W / m², a bank of recycling batteries, and a system of charge control and
automation of the illumination. As a model of this system is important, it is a clean energy
system with a positive impact on the environment and that the cost benefit can be reflected in
a short time.
Key Words: Automation, Control system, Lithium batteries, Solar panel.
1. Introducción
Las energías alternativas se están abriendo un espacio importante de manera global, en
especial la energía fotovoltaica por su impacto positivo al medio ambiente, no generan
contaminación significativa, no generan ruido ni vibraciones en sus instalaciones, no
utilizan los recursos naturales vitales como el agua o la madera. Si realizan un
aprovechamiento al máximo de la energía solar. Colombia cuenta con una de las mejores
radiaciones solares, su localización en la zona ecuatorial ocasiona que los rayos del sol
inciden con la misma verticalidad por lo que no hay estaciones y esto favorece al país,
pues tenemos radiación solar durante todo el año[1]. Sin embargo, Colombia no tiene una
participación significativa como los países Europeos. En Alemania el 43% de su energía
es solar, es decir, que este país produce más o menos 17.193 MegaWatts y seguirá
aumentando. España 3.783 MegaWatts, Italia 3.484 MegaWatts, República Checa 1.853
MegaWatts[2]. Así varios países Europeos ya están migrando sus sistemas de energías
convencionales a energías alternativas. Es por eso la importancia de evaluar tecnologías
emergentes en Colombia como lo son los SFV.
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Partiendo de lo anterior se realizó la implementación de un sistema FV utilizando baterías
de litio recicladas.
Los computadores portátiles como fuente de energía utilizan una batería que en su
interior generalmente la conforman seis celdas, estas baterías cuentan con un circuito
eléctrico programado que registra el número de veces que la batería es conectada a la
red eléctrica. Este circuito está programado y una vez que registra el número de ciclo de
carga y descarga programado envía un mensaje a la computadora indicando que la
batería está defectuosa y que debe reemplazarse. Se considera que una batería está en
buenas condiciones mientras mantenga el 80% de su capacidad original. Por lo tanto,
cuando se habla de estimación de vida de la batería no se refiere a un fallo completo de
la batería sino a una caída de la capacidad de algunas celdas. Al destapar la batería y
realizar pruebas en cada una de la celdas se puede observar que algunas celdas se
encuentran en buenas condiciones, y que se pueden seguir usando durante algún
tiempo, pero teniendo en cuenta que se a perdido algún porcentaje de autonomía, es así,
como se utilizan las cedas que estén en mejores condiciones para conformar bancos de
baterías para poder almacenar la energía captada del panel solar.
2. Diagrama de Bloques.
En siguiente diagrama figura.1 representa el funcionamiento del sistema FV
Figura.1. Diagrama de Bloques implementación de un sistema FV utilizando un banco de baterías de litio recicladas
Paneles Solares: Está conformado por celdas solares que absorben la energía solar y
transformarla en energía eléctrica para poder ser utilizada y almacenada en las
baterías.
Sistema de control: Para este sistema se utilizo un micro controlador Psoc con el
cual se realizara un sistema de control de carga y automatización de la iluminación.
Conmutación AC: Se utiliza un interruptor para enviar un pulso al sistema de control,
el sistema de control evalúa el porcentaje de carga que existe en el banco de baterías,
si es el adecuado activa el sistema FV (Foto Voltaico), de lo contrario activa la red
domiciliaria. Utilizando un relé de 120V a 10 A.
Banco de Baterías Litio: Su función es almacenar la energía suministrada por el
panel solar para ser utilizada cuando sea necesario.
Consumo DC: En este bloque se instalo regletas led encargadas de proporcionar la
iluminación correspondiente cuando el sistema de control identifique que es necesario
hacerlo.
3. Metodología
3.1. Módulo Fotovoltaico
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El módulo fotovoltaico (FV) es el primer bloque de este sistema, está construido por
celdas solares, estas generalmente son de silicio, son las más utilizadas comercialmente
garantizando estabilidad y durabilidad, El módulo también lo conforma una cubierta
transparente que puede ser de vidrio o de plástico o una combinación de las dos, es
preferible que sea rígida y resistente, además debe cumplir con los requerimientos
térmicos, mecánicos, anti intemperie, baja efectividad angular y de transmitencia. La
estructura que rodea el módulo puede ser, alguna aleación de acero inoxidable o
aluminio, debe garantizar aislamiento tanto eléctrico, como de la intemperie que lo rodea,
debe facilitar la manipulación para transportarlo e instalarlo[3]. El módulo fotovoltaico
instalado tiene las características descritas en la tabla.1.
Tabla.1. Características Modulo Fotovoltaico
Modelo Numero SGP-250W
Tipo de Celda Policristalino
Potencia pico 250Wp
Voltaje de circuito abierto/Voc(V) 36.6
Máximo Voltaje/Vmp(V) 29.5
Corriente de corto circuito/Isc(A) 9.15
Corriente Máxima/Imp(A) 8.47
Dimensión(mm) 992*1640*40
El módulo FV se instalo sobre el techo de la Oficina Del Grupo De Investigación Integra
en La Universidad Distrital FJC, teniendo en cuenta la guía de especificaciones de
sistemas fotovoltaicos UPME[3]. El sitio de instalación se encuentra en las siguientes
coordenadas: Latitud 4.58 y Longitud -74.158. Con la cual se obtiene la radiación solar en
cada mes durante todo el año como se observa en la tabla 2.
Tabla.2. Promedio de radiación solar en cada mes durante el año Kwh/m2.[4] Latitud 4.58
Longitud-74.158
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
Promedio del año Kwh/m2
4.86 4.83 4.91 4.65 4.72 4.83 5.00 5.07 5.03 4.70 4.59 4.59
El diseño del FVS se realiza partiendo de la menor radiación solar del año, para este caso
se toma el mes de noviembre o diciembre que corresponde un promedio de radiación
solar 4.59 Kwh/m2, de esta forma se garantiza que el sistema funciona en el mes más
crítico y trabaje holgadamente en los mejores meses. Para obtener el mejor rendimiento
del panel se realiza la instalación como se observa en la figura 1.
Figura 1. Dirección y orientación de un modulo FV para una latitud 458-longitud -74.158 fuentes: Autor
La salida de sol para las coordenadas mencionadas es a las 5:54 por el este y la puesta
del sol es la 18:04 por el oriente [5], teniendo en cuenta estas condiciones el panel se
debe instalar dirigido hacia el norte, de tal forma, que el sol realice un recorrido horizontal
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por la parte más extensa del panel y así obtener el mejor aprovechamiento de las horas
con radiación solar. Además. El módulo fotovoltaico debe instalarse con una inclinación
aproximada de 4.5 grados sobre el eje horizontal de la tierra, así, los rayos del sol inciden
verticalmente sobre el módulo. Los grados de inclinación del módulo son igual a la latitud.
Al respaldo del módulo se encuentra la caja de conexiones, con dos cables que indica la
polaridad de la carga (positivo-negativo), figura. 2. Simplemente se realiza un empalme
para dirigir la energía eléctrica del panel hacia el circuito controlador, con cable número
12 como lo indica tabla A.W.G (American Wire Gauge Standard )[6].
Figura. 2 caja de conexiones[7]
El cable de color negro se puede identificar como el negativo del sistema y el cable de
color rojo como el positivo.
3.2 Banco de Baterías de Litio recicladas.
El banco de baterías tiene como función, almacenar la energía suministrada por el panel
solar para ser utilizada cuando sea necesario. Está conformado por 6 celdas en serie y a
su vez las celdas están conformadas por 7 pilas en paralelo para un total de 42 pilas de
litio recicladas, cada celda proporciona 7A y 4V, para un total de 7A y 24V. En la figura 3.
Se puede observar el diseño del banco de baterías.
Figura. 3. Banco de baterías. Fuente: Autor
Entre cada celda se utilizo platinas de cobre por ser uno de los materiales con mejor
conducción. Se construyo una caja con las siguiente medidas 30cm*18cm*6.5cm el
material utilizado es acrílico para aislar y proteger las pilas del medio exterior, con un
sistema de ventilación para prevenir las altas temperaturas. Las pilas se organizan en
la caja de acuerdo a su polaridad para no ocasionar ningún daño irreparable a las
celdas o al sistema FV.
3.3 Sistema de control
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Para esta etapa se utilizo un micro controlador Psocs 5.0, con el cual se monitorea
la carga y descarga del banco de baterías, activa y desactiva el módulo fotovoltaico,
realiza la conmutación entre la red domiciliaria y el SFV y visualiza la carga de cada
celda en una pantalla LCD. Gracias al ADC (Conversor Análogo Digital) que tiene el
micro controlador se puede visualizar de manera acertada el voltaje que se está
monitoreando. A continuación se describe de forma más detallada cada una de las
etapas del sistema de control.
Monitoreo de carga y descarga de baterías: El micro controlador está
programado de tal forma que siempre esta monitoreando cada una de las celdas,
así visualiza en tiempo real los datos de cada celda. Si alguna de las celdas tiene
un voltio por debajo de las demás, el micro controlador envía un mensaje de alerta
con el número de celda que debe reemplazarse. El micro controlador también
monitorea el voltaje total del banco, de tal forma, que si alcanza voltajes superiores
a 25V en el proceso de carga, el sistema de ventilación es activado para prevenir
daños en el banco de baterías por temperaturas.
Activa y desactiva el modulo FV: El micro controlador realiza una lectura del
voltaje total del banco, si el voltaje es menor 19.4V activa el modulo FV, así en
cuento haya radiación solar inicie el proceso de carga del banco de baterías. Si el
voltaje es superior o igual a 26V el micro controlador desactiva el panel solar para
garantizar el correcto proceso de carga de las baterías. Es importante tener en
cuenta que el modulo FV se activa o se desactiva siempre y cuando las baterías
estén totalmente cargadas o descargadas, de esta forma se garantizan mas ciclos
de vida en cada una de la pilas.
Conmutación red domiciliaria y sistema FV: El micro controlador realiza una
lectura del interruptor de encendido de las luces. Si el interruptor se encuentra
activo el micro controlador evalúa el banco de baterías. Si el voltaje es menor a
19.4V activa la red domiciliaria, si el voltaje está entre 19.4V y 21.5V el sistema
activa la iluminación led y la iluminación convencional trabajando de forma mixta, si
el voltaje es superior a 21.5V el sistema activa la iluminación led. Estos parámetros
de conmutación se tienen en cuenta para garantizar los luxes necesarios que
sugiera la Relitlap para iluminación en salones de clase.
3.4 Consumo DC: En este bloque se instalaran regletas led encargados de proporcionar
la iluminación correspondiente cuando el sistema de control identifique que es
necesario hacerlo. Para realizar la iluminación del sitio se utilizaron regletas de 12V a
14watts, cada regleta está conformada por 72 bombillos led, la configuración del
circuito se puede observar en la figura 4.
Figura 4. Diagrama de circuito de iluminación. Fuente: Autor
Se realizo una comparación entre diferentes tipos de bombillos led seleccionando la
mejor opción en intensidad de iluminación, color de luz y costos.
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3.5 Conmutación AC: Bloque correspondiente al sistema de iluminación de la red
domiciliaria, que será activado por el sistema de control, garantizando la existencia
de iluminación dentro de la oficina, para este bloque se utiliza un relé SRD-05VDC
configurable en dos estados, normalmente abierto y normalmente cerrado, este
dispositivo soporta corrientes de 10A hasta 250 VAC y 10A hasta 28VDC, el
dispositivo se activa de tal forma, que al recibir una señal por parte del sistema de
control activa la red domiciliaria. En la figura 5. Se observa el diagrama del circuito.
Figura 5. Diagrama de conmutación. Fuente: Autor
4 Resultado
4.1 Módulo FV
Realizando pruebas en días soleados se logro observar el comportamiento del módulo FV
y con los datos recolectados de los mejores días se realizo la figura 6. Los datos
obtenidos en las siguientes grafica se realizaron tomando como carga en banco de
baterías.
Figura.6. Comportamiento del módulo fotovoltaico en días soleados. Fuente: Autor
En la figura 6. Se puede observar el comportamiento del modulo FV en días soleados, en
donde alcanza su máxima potencia entre 11:00 y 12:00 del día con una potencia máxima
de 113.678 watt y sus puntos más bajos se encuentran a las 6:00 con una potencia de
35.689 watt y a las 17:00 con 2.57 watt.
Figura 7 Comportamiento del módulo fotovoltaico con días nublados. Fuente: Autor
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En la figura 7 se observa el comportamiento de módulo fotovoltaico con días nublados,
sin embargo en estos días se cuenta con algunas horas soleadas. Con esto se puede
observar mucho mejor el comportamiento del módulo. En horas soleadas el panel alcanza
su máxima potencia a las 10:00 de la mañana pero a medida que el día se empieza a
nublar la potencia empieza a disminuir, lo que indica que en estos días el módulo FV no
proporciona energía eléctrica constante al banco de baterías, esto significa que el banco
de baterías tardara mucho más tiempo en realizar el proceso de carga.
4.2 Proceso de carga y descarga de las baterías
Para esta etapa es muy importante conocer el voltaje y la corriente de las pilas de
acuerdo al datasheet del fabricante[8], también se debe tener en cuenta que al utilizar
pilas recicladas de diferentes fabricantes sus características pueden variar un poco,
sin embargo, al comparar varios datsheets de diferentes fabricantes, se observa una
estrecha relación en el proceso de carga de las pilas. Las pilas deben ser cargadas
con un voltaje constante superior al que proporciona la pila, es decir, si la pila
proporciona 4v se debe cargar a 4.5v o 5v. En la corriente la diferencia varia un poco,
algunos datasheets sugieren que se carga a 1250mA/h y otros a 1A/h. realizando
varias pruebas de carga y descarga se logro observar que la diferencia de cargar las
pilas a 1A y 1250mA es el tiempo de carga. Se puede decir que a 1250mA/h es un
proceso de carga rápido y 1A/h es un proceso de carga lento, esto se ve reflejado en
ciclo de vida de la pila, pues con una carga rápida la pila tendrá un ciclo de vida
mucho más corto. Es por eso que se decidió cargar cada celda del banco de baterías
a 1, pero cabe resaltar que a medida que las celdas alcanzan su carga total, la
corriente empieza a disminuir. En la figura 8. Se puede observar el comportamiento de
carga de voltaje en el banco de baterías.
Figura.8 comportamiento de carga del banco de baterías. Fuente: Autor
En la figura 8. Comportamiento de carga del banco de baterías. Se observa en la primera
hora una carga inicial de 21.9v. El banco de baterías se empieza a cargar de manera
constante y cuando han transcurrido 5 horas alcanza su máxima carga que es de 26.19v,
instante en que el panel es desactivado del banco de baterías por el sistema de control.
Cabe resaltar que el tiempo de carga está directamente relacionado a las condiciones de
radiación solar y no siempre se cargara de manera constante.
En la misma figura se puede observar el comportamiento de carga de cada celda, se
procura cargar cada celda entre 4.4v y 4.5v, al sumar las 6 celdas en serie da como
resultado entre 26.4v y 27v. Que es el voltaje total del banco de baterías, después de un
tiempo de reposo las baterías tienen una caída de voltaje de 1v aproximadamente y al
momento de conectarles una carga el voltaje puede disminuir un poco más.
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El proceso de descarga de las celdas es monitoreado por el sistema de control, el cual
está programado para conmutar a hacia la red domiciliaria cuando cada celda alcanza
aproximadamente 3.1v o el banco de baterías alcanza 19v, de esta forma se tiene una
profundidad de descarga de 30% extendiendo la vida útil de cada pila. En la fig.9 se
puede observar el comportamiento de descarga del banco de baterías y de cada celda.
Figura 9. Comportamiento de descarga. Fuente: Autor
Con la profundidad de descarga del 30% en banco de baterías nos proporciona una
autonomía de 2 horas 30 minutos garantizando la iluminación en la oficina del grupo de
investigación Integra. Una vez transcurrido este tiempo la intensidad de iluminación
disminuye un poco, por lo cual se respalda con la iluminación convencional de 110V.
4.3 Potencia entrega por el banco de baterías.
El banco de baterías puede suplir la necesidad de una carga eléctrica promedio de
150Wp, distribuida en 5 regletas led de 14w c/u, con un voltaje de operación de 12V, 2
bombillos de 70w a 24V, sin embargo, la autonomía del banco disminuye
considerablemente. Por eso se determino utilizar 5 regletas de iluminación led, de bajo
consumo, con lo cual se puede lograr más horas de autonomía. En la figura 10. Se
puede observar la potencia entregada cada 30 minutos.
Figura 10. Potencia entregada cada 30 minutos. Fuente: Autor
En la figura 10. Se observa la autonomía que proporciona el banco de baterías y la
pérdida de potencia mientras transcurre el tiempo. Es importante decir que entre más se
disminuye la potencia también se disminuye la iluminación, y una vez transcurrida las 2
horas y 30 minutos, la iluminación simplemente pierde efectividad y los luxes que
proporciona no son los adecuados para un salón de estudio o trabajo.
En la figura 11 se puede observar la relación de potencia y luxes.
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Figura 11 Relación de luxes potencia Fuente: Autor
En la figura 11. Se observa la relación entre potencia y luxes. Con 105.17w el sistema
de iluminación tiene un rendimiento optimo, proporcionando 430 luxes, 110 luxes más
que el sistema de iluminación convencional. La medida de los luxes se realizo utilizando
el instrumento Digital Light Meter Glx 301.
5 Costos
En la tabla 3. Se realiza una comparación de costos entre el sistema fotovoltaico y el
sistema convencional.
Tabla 3. Comparación sistema FV y Sistema Convencional
SISTEMA FV COSTO EN PESOS
SISTEMA CONVENCIONAL
COSTO EN PESOS
AHORRO EN PESOS
Iluminación led 90.000 Iluminación convencional
480.000 390.000
Consumo de Potencia FVS
105.17wx0.43895
46.16 hora
Consumo de Potencia Sistema
convencional
321.2x0.43895
140.9 hora
94.74
Baterías de litio 24V a 7A
150.000 Baterías convencional 12V a
10 A X 2
360.000 210.000
Para la implementación del sistema FV se hace una inversión inicial de $1.068.000, su
costo beneficio se ve reflejado en 7 años. Es importante decir que es un sistema FV a
menor escala, sin embargo en la tabla 3, se puede observar el ahorro de los
componentes más significativos.
6 Prototipo final
1. LCD: en la primera línea visualiza el voltaje total del banco, segunda línea visualiza la
celda que se encuentran defectuosas y se deben reemplazar, en la tercer y cuarta
línea se visualiza el voltaje de cada una de las celdas.
2. Interruptor de encendido y pagado: se debe poner en estado off para realizar el
cambio de las celdas o algún mantenimiento correctivo al SFV.
3. Conexión AC: ingreso de corriente alterna al sistema para la activación del la red
domiciliaria.
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4. Conexión de celdas para ser monitoreado por el sistema de control y posteriormente
ser visualizada en la LCD.
5. Conexión del banco de baterías para alimentar el sistema de control.
Protecciones.
6. Fusible de protección de 6 A para el sistema de iluminación led.
7. Fusible de protección de 10 A para el neutro del sistema.
8. Fusible de protección de 10 A para el módulo fotovoltaico.
9. Banco de baterías.
Conclusiones
En La implementación de sistemas FV existen parámetros importantes que en
muchas instalaciones se ignoran, como lo es, la orientación e inclinación del panel,
el calibre del cableado, las protecciones y los cálculos de la potencia a suplir. Para
este caso es una potencia pequeña, pero para instalaciones mucho mas grandes
se debe tener especial cuidado porque el sistema puede fallar en cualquier
momento. El sistema FV, también es complementado por un sistema de baterías y
es uno de los complementos más importante, pues es el encargado de
proporcionar la energía necesaria cuando hay ausencia de energía solar. Al
trabajar con SFV se recomienda utilizar aparatos ahorradores o de bajo consumo,
como lo es la iluminación led, el ahorro es bastante significativo y esto puede
disminuir los costos al momento de realizar implementaciones FV.
El sistema de control es la parte inteligente de este tipo de sistemas, al utilizar un
micro controlador Psoc 5.0LP, de amplias características y sencilla programación
se puede adaptar fácilmente a nuestras necesidades, además, sus entradas
analógicas y su conversor análogo digital de 20 bit. Permite realizar visualizaciones
con mejor precisión.
Trabajar con baterías recicladas es un poco complicado, porque se desconoce el
historial de cada batería, además en nuestro entorno no se cuenta con un
laboratorio especializado para realizar pruebas rigurosas, sin embargo revisando
documento y por la experiencia, se puede realizar un buen aprovechamiento de las
baterías de litio recicladas. También se observo, al momento de realizar procesos
de carga que las pilas sufren una incremento de temperatura al llegar a su voltaje
nominal, para prevenir sobrecalentamiento en el banco de baterías se instalado un
sistema de ventilación que es activado cuando llega al 90% del voltaje nominal.
Al utilizar un sistema de iluminación con corriente directa (DC) es más eficiente que
utilizar un inversor de corriente directa (DC) a corriente alterna (AC), el consumo
es mucho menor y la intensidad de luz es similar. pero se debe tener en cuenta
que realizar instalaciones DC en aéreas muy extensas puede existir una caída de
tensión significativa, por la resistencia al paso de la corriente en un elemento
conductor.
Mejoras a Futuro.
Los sistemas fotovoltaicos tienen una gran proyección en el mercado de energías
alternativa, por lo tanto es un mercado ascendente por ello es importante seguir
trabajando respecto al tema, como mejoras a futuro para este sistema FV instalado en el
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Universidad Distrital FJDC Oficina Grupo De Investigación Integra. Es la construcción de
un banco de baterías mucho más grande que pueda almacenar mayor energía y su vez
proporcione muchas más horas de autonomía.
Referencias
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[2] “Los países que más usan energía solar - NeoTeo.” [Online]. Available: http://www.neoteo.com/los-paises-que-mas-usan-energia-solar/. [Accessed: 01-Mar-2017].
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[4] “NASA Surface meteorology and Solar Energy - Location.” [Online]. Available: https://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/grid.cgi. [Accessed: 05-Apr-2017].
[5] “El tiempo cada hora para Bogotá - Pronóstico de AccuWeather para Distrito Capital de Bogotá Colombia (ES).” [Online]. Available: http://www.accuweather.com/es/co/bogota/107487/hourly-weather-forecast/107487. [Accessed: 05-Apr-2017].
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[8] M. L. T. Cossio et al., “LG datasheet,” Uma ética para quantos?, vol. XXXIII, no. 2, pp. 81–87, 2012.