DISEÑO DE GUÍA TÉCNICA APLICATIVA PARA ALUMBRADO

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DISEÑO DE GUÍA TÉCNICA APLICATIVA PARA ALUMBRADO ARTIFICIAL EN ZONAS ECOLÓGICAS

CÓDIGO DE PROYECTO: PG-20-2-04

HARRYSON ESTIP ARIAS CASTRO

CÓDIGO: 1511006

IDENTIFICACIÓN: C.C. 1015468909

UNIVERSIDAD PILOTO DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

BOGOTÁ, D.C.

2021

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CÓDIGO: 1511006


PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERO MECATRÓNICO DE LA UNIVERSIDAD PILOTO DE COLOMBIA

DIRECTOR:

BALDOMERO MÉNDEZ PALLARES

Ing. en Mecánica




BOGOTÁ, D.C.

2021

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NOTA DE ACEPTACIÓN

Una vez realizada la revisión metodológica y técnica del documento final de proyecto de grado, doy constancia de que el (los) estudiante (s) ha cumplido a cabalidad con los objetivos propuestos, cumple a cabalidad con los Lineamientos de Opción de Grado vigentes del programa de Ingeniería Mecatrónica y con las leyes de derechos de autor de la República de Colombia, por tanto, se encuentra(n) preparado(s) para la defensa del mismo ante un jurado evaluador que considere idóneo el Comité de Investigaciones del Programa de Ingeniería Mecatrónica de la Universidad Piloto de Colombia.

BALDOMERO MÉNDEZ PALLARES

Director del Proyecto

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DEDICATORIA

Dedico este trabajo a Dios por ser el guía de mi vida y brindarme la fortaleza necesaria para terminar siempre mis metas; a mis padres por depositar la

confianza en mí y apoyarme en mis decisiones, y por el esfuerzo que realizaron a diario para mí; a mi novia, Valentina, por estar siempre

apoyándome y acompañándome en largas jornadas de trabajo; y a mi amigo, Juan José, porque siempre confió en que lo podría lograr hasta el último día.


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AGRADECIMIENTOS

Agradezco a Dios quien ha llenado mi vida de bendiciones y ha sido mi

compañía fiel en cada proyecto de mi vida; a mi madre, Eva, por su amor y

por brindarme la oportunidad de estudiar Ingeniera Mecatrónica y siempre

apoyarme en mis proyectos y agradezco el esfuerzo de cada hora de su

trabajo, para brindarme siempre lo necesario; a mi padre, Antonio, quien fue

promotor de ideas en mis proyectos; y a mi novia, Valentina , por

acompañarme desde el comienzo de mi carrera y apoyarme en los momentos

de incertidumbre, les agradezco porque han sido la fuente de mí.


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TABLA DE CONTENIDO

NOTA DE ACEPTACIÓN ....................................................................................................................3

DEDICATORIA ....................................................................................................................................4

AGRADECIMIENTOS ..........................................................................................................................5

LISTA DE TABLAS .............................................................................................................................8

LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................................9

LISTA DE ANEXOS .......................................................................................................................... 11

INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................. 12

RESUMEN ........................................................................................................................................ 13

ABSTRACT....................................................................................................................................... 13

1. GENERALIDADES ............................................................................................................... 14

1.1.1. Antecedentes del Problema .................................................................................................... 15 1.1.2. Descripción del problema ....................................................................................................... 17 1.1.3. Formulación del problema ...................................................................................................... 17 1.1.4. Línea de investigación del programa ...................................................................................... 17

1.3.1. Objetivo General ..................................................................................................................... 20 1.3.2. Objetivos específicos .............................................................................................................. 20

1.3.3. Alcances y Limitaciones.......................................................................................................... 21

1.4.1. Marco Teórico ......................................................................................................................... 22 1.4.2. Estado del arte ........................................................................................................................ 27 1.4.3. Marco normativo ..................................................................................................................... 30

2. EVALUACIÓN DEL ÁREA Y FUENTES DE ILUMINACIÓN .............................................. 37

2.3.1. Beneficios y funcionalidad ...................................................................................................... 40

2.4.1. Eficacia Luminosa ................................................................................................................... 42 2.4.2. Características fotométricas ................................................................................................... 43

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2.4.3. Reproducción cromática. ........................................................................................................ 44 2.4.4. Distribución espectral.............................................................................................................. 45 2.4.5. Temperatura del color de una fuente...................................................................................... 45 2.4.6. Índice de protección IP e IK .................................................................................................... 47 2.4.7. Vida útil de la fuente ............................................................................................................... 49

3. CARACTERIZACIÓN DE LA FUENTE DE ILUMINACIÓN APLICADA AL CASO DE ESTUDIO .......................................................................................................................................... 50

4. DIMENSIONAMIENTO FOTOVOLTAICO ........................................................................... 55

4.3.1. Herramientas para la búsqueda de radiación solar ................................................................ 60 4.3.2. Herramienta Nasa Power ....................................................................................................... 62

4.4.1. Selección del voltaje del sistema y capacidad ....................................................................... 65 4.4.2. Características generales de una batería ............................................................................... 66 4.4.3. Dimensionamiento de banco de baterías para el sistema...................................................... 68

4.5.1. Características técnicas del panel solar ................................................................................. 71 4.5.2. Diferencia de tecnología en los módulos fotovoltaicos ........................................................... 72 4.5.3. Dimensionamiento del arreglo fotovoltaico ............................................................................. 73

4.6.1. Etapas de trabajo de un regulador ......................................................................................... 74 4.6.2. Dimensionamiento del Regulador ........................................................................................... 78 4.6.3. Interfaz de la aplicación Victron Energy ................................................................................. 81

4.7.1. Panel solar – Regulador ......................................................................................................... 82 4.7.2. Protecciones para el sistema fotovoltaico .............................................................................. 84 4.7.3. Instalación del sistema............................................................................................................ 85 4.7.4. Validación del sistema fotovoltaico ......................................................................................... 87

5. CONCLUSIONES ................................................................................................................. 91

6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................... 92

8

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1.Capacidad eléctrica instalada según tecnología .......................................................... 19

Tabla 2.Clase de iluminación para los diferentes tipos de vías peatonales ........................... 30

Tabla 3 Clases de iluminación para zonas críticas .................................................................. 31

Tabla 4. Requisitos de iluminación para tráfico peatonal ........................................................ 32

Tabla 5. Valores de iluminancia para zonas críticas. ............................................................... 33

Tabla 6.RETIE en sistemas solares fotovoltaicos .................................................................... 34

Tabla 7 .Parámetros básicos en un proyecto de iluminación ................................................... 37

Tabla 8.Clasificación de los espacios del proyecto ................................................................... 38

Tabla 9. Resumen de beneficios de la implementación de energía fotovoltaica ................. 40

Tabla 10. Datos ópticos de luminaria Led Street Urban ............................................................ 42

Tabla 11. Datos eléctricos de luminaria Led Street Urban ....................................................... 42

Tabla 12.Valor de Reproducción cromática ................................................................................ 44

Tabla 13. Clasificación de color según su temperatura. .......................................................... 46

Tabla 14.Temperatura de color de luminaria led ........................................................................ 47

Tabla 15.Índice de protección IP e IK ......................................................................................... 48

Tabla 16. Protección IP e Ik de luminaria Street Urban ............................................................ 49

Tabla 17.Estimación de carga de la luminaria .......................................................................... 56

Tabla 18. Datos de irradiación solar para el condominio Campestre la Sabaneta ............. 64

Tabla 19.Selección del voltaje del sistema ................................................................................ 65

Tabla 20. Rango de corrientes para baterías de 12v y 2v ...................................................... 66

Tabla 21. Datos para diseño de baterías ................................................................................... 68

Tabla 22.Amperios hora/día promedio del sistema .................................................................. 68

Tabla 23.Numero de baterías en paralelo ................................................................................. 69

Tabla 24. Total, de baterías para el sistema ............................................................................. 69

Tabla 25. Conexión en serie o paralelo...................................................................................... 71

Tabla 26. Diferencias entre los tipos de celdas solares .......................................................... 72

Tabla 27. Corriente pico del arreglo fotovoltaico ...................................................................... 73

Tabla 28. Numero de módulos en paralelo ................................................................................ 73

Tabla 29. Total, de módulos fotovoltaicos ................................................................................. 73

Tabla 30. Dimensionamiento del controlador ............................................................................ 79

Tabla 31. Especificaciones técnicas del controlador ............................................................... 80

Tabla 32.Caídas de tensión ......................................................................................................... 82

Tabla 33.Resumen componentes del sistema ............................................................................ 85

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LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1.Consumo de energía final para Colombia ................................................................. 14

Figura 2.Representación de la estructura de un sistema de iluminación Led PV ............... 16

Figura 3.Participación del alumbrado público en Colombia ................................................... 18

Figura 4. Zona ecológica del Condominio Campestre La Sabaneta ..................................... 20

Figura 5. Representación de flujo luminoso .............................................................................. 22

Figura 6. Representación de nivel de iluminancia ................................................................... 23

Figura 7. Representación de luminancia ................................................................................... 23

Figura 8. Representación de deslumbramiento ........................................................................ 24

Figura 9. Sistema de alimentación fotovoltaico ........................................................................ 24

Figura 10. Recurso solar .............................................................................................................. 25

Figura 11. Sistema de tele gestión Medellín ............................................................................. 27

Figura 12.Modernización de luminarias de alumbrado público de barranquilla .................. 28

Figura 13.Sensores de tele gestión para alumbrado publico ................................................. 28

Figura 14.Alumbrado público solar sector morros Cartagena de indias ............................... 29

Figura 15. Visita al proyecto ........................................................................................................... 37

Figura 16. Funcionamiento de luminarias fotovoltaicas ............................................................. 41

Figura 17. Curva fotométrica de luminaria led Street Urban .................................................. 43

Figura 18. Distribución espectral luminaria Street Urban ....................................................... 45

Figura 19. Comparación de colores según su temperatura ................................................... 46

Figura 21. Curva de vida útil luminaria Street Urban ............................................................... 49

Figura 22. Plano Zona ecológica condominio Campestre la Sabaneta ................................ 50

Figura 23.Plano 2D armonizado con los elementos de la zona ecológica ........................... 51

Figura 24. Resultados gráficos de iluminación ......................................................................... 52

Figura 25.Valores promedio de iluminancia de la vía .............................................................. 52

Figura 26.Zona ecológica del condominio Campestre la Sabaneta 3D ............................... 53

Figura 27.Vistas 3D de la zona ecológica ................................................................................. 53

Figura 28.Situación de las luminarias ....................................................................................... 54

Figura 29.Tipos de arreglo fotovoltaico para el sistema de iluminación ............................... 55

Figura 30.Peligro de superficie caliente ..................................................................................... 55

Figura 31. Ubicación del proyecto del Condominio Campestre La Sabaneta. .................... 57

Figura 32. Latitud y Longitud del Condominio Campestre La Sabaneta .............................. 57

Figura 33.Componentes de la radiación solar .......................................................................... 58

Figura 34.Componente de radiación directa del sol ................................................................ 58

Figura 35.Mapa de radiación solar en Colombia ...................................................................... 60

Figura 36.Plataforma web PVGIS ............................................................................................... 60

Figura 37.Logo Nasa Power ........................................................................................................ 61

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Figura 38. Página Predicción de la Nasa Power sobre los recursos energéticos mundiales .......................................................................................................................................................... 62

Figura 39. Opciones de acceso a los datos .............................................................................. 62

Figura 40. Visor de acceso de datos .......................................................................................... 63

Figura 41. Acceso a los datos de los puntos ............................................................................ 63

Figura 42. Datos de irradiación formato ASCII ......................................................................... 64

Figura 43. Vida útil de una batería en ciclos ............................................................................. 67

Figura 44. Capas de paneles solares. ....................................................................................... 70

Figura 45. Tipos de paneles solares .......................................................................................... 71

Figura 46. Datos eléctricos paneles fotovoltaicos .................................................................... 72

Figura 47. Etapa de trabajo de un regulador solar .................................................................. 75

Figura 48.Conversor Buck ........................................................................................................... 76

Figura 49.PWM ancho de pulso .................................................................................................. 77

Figura 50.Esquema de un regulador MPPT .............................................................................. 77

Figura 51. Regulador de carga solar blue solar MPPT 75/15 ................................................ 79

Figura 52. Ajustes del sistema de operación con Victron Energy ......................................... 81

Figura 53. Interfaz de control de datos del controlador ........................................................... 81

Figura 54.Símbolo de interruptor termo magnético unipolar .................................................. 84

Figura 55. Diagrama de Conexión del sistema de iluminación .............................................. 86

Figura 56.Software Solar Pro ...................................................................................................... 87

Figura 57.Resultados software Solar Pro .................................................................................. 88

Figura 58.Interfaz de software PVGIS para análisis de rendimiento .................................... 89

Figura 59.Producción estimada para el sistema fotovoltaico ................................................. 90

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LISTA DE ANEXOS

Anexo A. Reconocimiento del área Condominio Campestre La Sabaneta Anexo B. Planos de la zona ecológica del condominio campestre la sabaneta Anexo C. Características técnicas de las luminarias Anexo D. Diseño 3D en Dialux Anexo E. Resultados de iluminancia del sendero ecológico ANEXO F. Ubicación de las luminarias ANEXO G. Características técnicas de baterías de Gel AGM ANEXO H. Ficha técnica paneles solares ANEXO I. Ficha técnica controladora Victron energy

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INTRODUCCIÓN

La demanda energética en Colombia en el último año fue 4,02% superando las expectativas de la unidad de planeación minero energética, la mayoría de esta energía proviene de procesos de combustión fósil, lo que conlleva al aumento de dióxido de carbono. Por lo cual surgió la necesidad de aumentar la participación de nuevas fuentes de energías renovables, siendo más amable con el medio ambiente.(Unidad de Planeación Minero-Energética, 2019)

Se estima que dentro de la canasta energética del país el 3% corresponde a la iluminación y alumbrado público, servicio que se presta con la finalidad de iluminar espacios de libre circulación, como lo son: vías, parques y senderos peatonales, creando la sensación de seguridad en los usuarios que hacen uso de estos.

La energía fotovoltaica es una excelente solución a esta problemática, ya que su funcionamiento depende de una fuente inagotable de energía, además, la incidencia geográfica con la que cuenta Colombia es muy favorable gracias a su potencial positivo en horas pico sol, la cual es superior a países en los que se ha implementado exitosamente esta estrategia (UPME, 2020)

En calidad de orientar al condominio campestre la Sabaneta como caso de estudio, en la implementación de estrategias y toma de decisiones que les permita desarrollar espacios confortables para los usuarios, se desarrolló una guía técnica para iluminación en zonas ecológicas, en la que se consolido la información indispensable para la selección de los dispositivos de iluminación rigiéndose al capítulo 5 de la normativa vigente RETILAP “Reglamento técnico de iluminación y alumbrado público”.

Esta guía cuenta con la información pertinente para la selección de dispositivos de iluminación y diseño fotovoltaico en sistemas de alumbrado público, siguiendo un proceso de validación el cual permite que cualquier entidad haga uso de la misma.

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RESUMEN

El presente trabajo está encaminado a la solución de sistemas de iluminación y alumbrado público que no cuentan con la orientación pertinente a su normativa correspondiente, diseño y el uso de sistemas de alimentación responsable con el medio ambiente como lo es la energía fotovoltaica, y suplir la demanda energética de la zona ecológica del condominio campestre La Sabaneta. Se diseñó en el presente trabajo una guía técnica para el alumbrado artificial en zonas verdes dando cumplimiento al reglamento técnico colombiano de iluminación de alumbrado público colombiano RETILAP, haciendo uso racional y eficiente de la energía, incentivando a acciones responsables y sirviendo de base a futuras entidades que deseen implementar diseños amigables para el medio ambiente de iluminación artificial en zonas verdes.

Palabras Clave: iluminación artificial, alumbrado, medio ambiente, energía fotovoltaica y demanda energética.

ABSTRACT

This work is aimed at the solution of lighting systems and public lighting that do not have the relevant guidance to their corresponding regulations, design and use of environmentally responsible power supply systems such as photovoltaic energy, and supply the energy demand of the ecological zone of the La Sabaneta country condominium. A technical guide for artificial lighting in green areas was designed in this work in compliance with the Colombian technical regulations for public lighting RETILAP, making rational and efficient use of energy, encouraging responsible actions and serving as a basis for future entities wishing to implement environmentally friendly designs for artificial lighting in green areas.

Keywords: artificial lighting, lighting, environment, photovoltaic energy and energy demand

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1. GENERALIDADES

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Colombia es un país que cuenta con una matriz energética rica en recursos fósiles y recursos renovables, actualmente la producción de energía se constituye en un 93% de recursos de origen fósil, un 4% de hidroenergía y el 3% por biomasa y residuos, para el año 2019 la participación del consumo de energía eléctrica fue de 71.925 GWh definida por diferentes sectores de consumo energético en el país como lo es el transporte con un 40%, industria 22%, residencial 20% y el sector terciario con un 5% el cual presenta grandes oportunidades de mejoras en eficiencia energética y suministro de energía en los diferentes segmentos como el Alumbrado Público, entidades privadas y comerciales (UPME, 2019).

Figura 1.Consumo de energía final para Colombia

Tomado de: (Ministero de Minas y Energia, 2016)

Teniendo en cuenta que la demanda energética seguirá en constante crecimiento y que Colombia se ha comprometido a reducir el crecimiento de gases de efecto invernadero y a motivar la incorporación de energía de fuentes no convencionales surge el planteamiento de utilizar paneles solares en los proyectos de alumbrado público como mecanismo de solución que brinde beneficios importantes en el sector energético.

Basado en esta información, en el municipio de Puente Nacional Santander se desarrollan proyectos de iluminación y alumbrado público por entidades privadas y comerciales que buscan aportar a la reducción de emisión de gases de efecto invernadero como lo es el Condominio Campestre la Sabaneta, el cual busca aprovechar la radiación solar que incide en su ubicación y desarrollar proyectos que hagan uso de nuevas tecnologías y tendencias en la iluminación y a su vez aporten a la reducción de los gases de efecto invernadero.

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1.1.1. Antecedentes del Problema

Dentro de la investigación se usó material bibliográfico que aportó al proyecto, usando trabajos realizados por diferentes instituciones académicas y por entidades privadas de iluminación, donde demuestran el interés por implementar diferentes soluciones en el área de alumbrado público cumplimento a la norma RETILAP Capítulo 5 “Alumbrado público e iluminación exterior” y la ley reguladora de integración de las energías renovables no convencionales, la cual tiene por objeto promover el desarrollo de estas, mediante su integración al mercado eléctrico (Ley 1715, 2014).

El trabajo de tesis realizado por los estudiantes de ingeniería eléctrica Daniel Limas Bohórquez y Jonathan Alfredo Rodríguez, Salazar dirigidos por el Ingeniero Arthur Burgos titulado “Implementación de alumbrado público alimentado con energía fotovoltaica en la entrada del municipio de santa Ana magdalena” describe indicadores de decisión para el desarrollo de un proyecto de iluminación y alumbrado público como ubicación del proyecto, disminución de consumo energético, vida útil de las iluminarias y la reducción de emisiones de CO2 (Rodriguez Salazar & Limas Bohorquez, 2020).

Por otro lado, Sandra Milena Gómez Pedraza e Ingrid Lorena Quintero Ramírez, bajo la tutoría de Diego Armando Giral Ramírez, realizaron un estudio técnico de aplicación de alumbrado público con PV en una zona deportiva del barrio Verbenal sur, haciendo un análisis sobre el potencial de radiación solar existente en la zona demográfica del caso de estudio e implemento la energía fotovoltaica como posible solución energética, describiendo también la manera adecuada de seleccionar los componentes necesarios para de dicho sistema como lo son luminarias, paneles solares baterías y postes. En la segunda parte las ingenieras en mención presentaron el diseño de iluminación planeado para la zona deportiva dando cumplimento a la norma RETILAP capítulo 5 “Alumbrado público e iluminación exterior”(Sandra Gomez. Ingrid Quintero, 2019).

El estudio técnico de un sistema fotovoltaico para la generación de energía eléctrica en la universidad piloto de Colombia como caso de estudio desarrollado por el ingeniero Santiago Caicedo Gómez bajo la asesoría de M.SC Carolina Sandoval Mejía, muestra el procedimiento para realizar un dimensionamiento fotovoltaico, donde detalla cómo se hace una debía caracterización energética, cálculos de demanda energética y análisis de la oferta de recurso solar esto teniendo en consideración la ubicación del proyecto en caso de estudio.

En la segunda parte de este proyecto de investigación, se describe la manera en la que se puede realizar un diseño de paneles solares y baterías solares donde se especificó los criterios con los que deben ser calculados para evitar un sobre dimensionamientos, también expuso la manera adecuada en la que debe ser conectada el sistema entre inversores paneles y baterías(Caicedo Gomez, 2019).

De la misma manera, el trabajo realizado por López Arias ingeniero electricista de la universidad Nacional de Colombia, “Iluminación y alumbrado público” en donde se consolido una metodología base para la realización de proyectos de iluminación y alumbrado público siguiendo la normativa colombiana RETILAP capítulo 5 “Alumbrado

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público e iluminación exterior”, realizando una serie de críticas constructivas a esta norma, especificando que no se cuenta con la información suficiente para la iluminación y alumbrado, por lo que tomó en consideración una serie de parámetros desde una visón de la unión europea, este trabajo fue presentado a manera de guía metodológica(López Arias, 2015).

El siguiente proyecto corresponde a Ludeña, arquitecta de la universidad técnica particular de Loja quien presento “criterios de diseño con luz artificial para áreas verdes”, el proyecto identifico las diferentes áreas verdes y sus características clasificándolas según sus propiedades fisiológicas, con el fin de crear una ambientación y una relación entre las personas y los espacios naturales, aprovechando de la mejor manera la luz natural y la luz artificial, acentuando cada área según sus características con los mejores colores visuales para la ambientación de las áreas verdes y para la seguridad de los usuarios quienes disfrutan estos espacios, donde también se destaca la importancia prevalecer las actuaciones lumínicas no solo en los criterios técnicos sino también en lo artístico. (Ludeña Ludeña, 2011)

El departamento de ingeniería eléctrica de la universidad tecnológica de Mandalay presenta el artículo científico “Desing of stand-alone solar street lighting system with led”, donde consolidan en su investigación los beneficios en la reducción de consumo energético que contribuye al implementar luminarias led, ya que son de bajo consumo y su deslumbramiento es mucho menor, además, para la disminución de energía fósil este articulo sugiero implementar la energía solar por medio de paneles fotovoltaicos, esto como contribución al medio ambiente por sus beneficios e incentivar el desarrollo y el uso una nueva generación de alumbrado público más amigable con el ambiente siguiendo las recomendaciones básicas que se deben considerar para su montaje (Qin et al., 2015) véase (Figura 2)

Figura 2.Representación de la estructura de un sistema de iluminación Led PV

1. Panel fotovoltaico

2. Luminaria led

3. Caja de seguridad para batería y controlador

4. Estructura anticorrosiva para el montaje del sistema

Tomado de: (Qin et al., 2015)

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1.1.2. Descripción del problema

Teniendo en cuenta que en Colombia según las fuentes de radiación solar, el país cuenta

con un potencial de irradiación solar promedio de 4.5 𝑘𝑊ℎ

𝑚2/𝑑 superando el promedio mundial

de 3.9 𝑘𝑊ℎ

𝑚2/𝑑, e incluso estando por encima de Alemania, quien es país que hace mayor

uso de la energía fotovoltaica, por tantola demanda energética del país sigue en gran asenso, sin embargo se encuentra en un proceso de transformación a sistemas bajos en emisiones de carbono, buscando la forma de hacer uso de sistemas de energía no convencionales (UPME, 2015)

Por esto, diferentes entidades públicas y privadas han optado por la implementación de sistemas de iluminación exterior, donde la principal fuente de alimentación de estos sea la energía solar fotovoltaica, como lo es para el Condominio Campestre la Sabaneta, el cual está ubicado en el kilómetro 2.2 vía puente nacional – Barbosa Santander, donde incide gran cantidad de radiación solar.

De acuerdo con este contexto la Ingeniería Mecatrónica cuenta con la capacidad de brindar diferentes soluciones a esta problemática y brindar un aporte al desarrollo de proyectos de iluminación y alumbrado público solar ya que solo el 1% de la generación de energía en el país pertenece a sistemas no convencionales.

La implementación de la energía solar fotovoltaica en el país ha sido muy escasa por distintas razones, como el alto costo de desarrollo, falta de inversión en los proyectos, no existe una norma técnica y estandarizada para la selección de equipos instalación, conexión y configuración, falta de información para la resolución de proyectos y a esto se le suma que el país no se cuenta con una propuesta regulatoria dirigida al desarrollo de las mismas.(UPME, 2015).

Por estas causas se decidió diseñar una guía técnica aplicativa para iluminación y alumbrado público en zonas ecológicas, en donde se consolidan criterios y aspectos importantes que se deben tener en consideración en el desarrollo de un proyecto de iluminación exterior, en cumplimento a la normativa al reglamento técnico de iluminación y alumbrado público (RETILAP) capitulo 5 “Alumbrado público e iluminación exterior” tomando como caso de estudio el Condominio Campestre la Sabaneta ya que tiene el interés brindar un aporte positivo al medio ambiente, y busca la manera de obtener fuentes de energía no provenientes de hidrocarburos y que estas fuentes de energías sean limpias

y más amigables con el medio ambiente.

1.1.3. Formulación del problema

¿Cuáles son los criterios y estrategias que se deben tener en cuenta para diseñar la iluminación artificial en zonas ecológicas, donde la percepción lumínica permita resaltar los espacios naturales del entorno?

1.1.4. Línea de investigación del programa

Este proyecto está enmarcado en el área Energías Renovables y Automatización.

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JUSTIFICACIÓN

En Colombia la iluminación y alumbrado público tiene una participación del 3% de la canasta energética del país, lo que equivale a 2.158 GWh (véase figura 3), según el plan de acción de eficiencia energética de Colombia busca mejorar la productividad y eficiencia de los sistemas de alumbrado exterior, para lo cual cuenta con estrategias para lograr metas a largo plazo las cuales entre ellas son implementación de tecnología led en los proyectos de alumbrado exterior, uso de sistemas solares para la alimentación de los sistemas de iluminación exterior y sistemas de tele gestión para el control de funcionamiento de los mismos (Ministero de Minas y Energia, 2016)

Figura 3.Participación del alumbrado público en Colombia

Tomado de: (Unidad de Planeación Minero Energética (UPME), 2014)

Actualmente la mayor participación en la matriz eléctrica de la energía del país es producida por las hidroeléctricas con un 69.18% y para sistemas en función de radiación solar un 0.06% pero se estima que para el año 2030 cerca del 10% del consumo energético en Colombia va a provenir de proyectos fotovoltaicos. (Upme, 2018)

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Tabla 1.Capacidad eléctrica instalada según tecnología

Tecnología /Recursos Capacidad Efectiva Neta (MW)

Capacidad Efectiva Neta(%)

ACPM 1,240.0 7.00%

AGUA 12,258.4 69.18%

BAGAZO 142.7 0.81%

BIOGAS 4.0 0.02%

CARBON 1,727.0 9.75%

COMBUSTOLEO 309.0 1.74%

GAS 1,703.3 9.61%

JET-A1 44.0 0.25%

MEZCLA GAS-JET-A1 246.0 1.49%

RED SOLAR 9.8 0.06%

VIENTO 18.4 0.10%

TOTAL GENERAL 17,720.5 100%

Tomado de: (Upme, 2018)

Se estima que la modernización del 30% de las lámparas existentes sodio de alta presión por tecnología led se podría lograr una reducción del 12% en el consumo energético de iluminación y alumbrado público, es decir un 40% menos en cada punto de iluminación y mejorando la calidad de la iluminación según el reglamento técnico de iluminación RETILAP capítulo 5 “Alumbrado público e iluminación exterior”, los sistemas de iluminación exterior deberán cumplir los parámetros de uniformidad, nivel de iluminación y límites de deslumbramiento, es por ello que la sustitución se deberá realizar bajo parámetros de modelación en los cuales se asegure la conformidad.

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OBJETIVOS

1.3.1. Objetivo General

Diseñar una guía técnica para el alumbrado artificial en zonas ecológicas tropicales, del municipio de Puente Nacional Santander para la toma de decisiones de las constructoras.

1.3.2. Objetivos específicos

Realizar una evaluación de la zona ecológica, con el fin de conocer su estado actual para determinar las necesidades lumínicas que requiere dicho entorno.

Determinar los niveles de iluminación, para brindar a los usuarios la seguridad y movilidad dentro de las diferentes áreas, mediante la normativa vigente.

Diseñar el sistema de iluminación artificial para el Condominio campestre la sabaneta mediante el uso de la energía fotovoltaica.

1.1 DELIMITACIÓN DEL PROYECTO

En el desarrollo de este proyecto de Diseño de una guía técnica aplicativa para iluminación en zonas ecológicas se trabajará de la mano con el Condominio Campestre La Sabaneta ubicado en el kilómetro 2.2 vía Puente Nacional-Barbosa (Santander) en la cual este

proyecto cuenta con un área de 107.500 𝑚2 y con una zona ecológica de un área de

5.500 𝑚2 ver Figura 4.

Figura 4. Zona ecológica del Condominio Campestre La Sabaneta

Tomado de: Autor

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1.3.3. Alcances y Limitaciones

a. Alcances

El propósito fundamental de la guía es orientar a futuros proyectos y equipos de trabajo en la implementación de estrategias y criterios que permitan tomar decisiones en el área de iluminación artificial, desarrollando a la vez espacios confortables y estéticos para los residentes, tomando como caso de estudio al Condominio Campestre La Sabaneta.

En la primera etapa se realizó un reconocimiento de espacio próximo de relación, teniendo en cuenta las condiciones generales relacionadas con la seguridad y recomendaciones generales de ahorro en energía para el alumbrado público que deben cumplir cada área de una zona ecológica; como senderos peatonales, glorietas, espacios sociales, lagos, monumentos y ornamentación, escalones.

En función de los criterios con los que cuente cada área se le asignaron los requisitos luminotécnicos específicos necesarios como luminancia, uniformidad, deslumbramiento y relación de entorno, teniendo en cuenta las necesidades visuales de los usuarios y aspectos del medio ambiente dando cumplimento al reglamento técnico de iluminación y alumbrado público (RETILAP).

En la etapa de diseño se implementó de la nueva generación de luminarias fotovoltaicas para suplir la demanda energética y el diseño cumplió los criterios luminotécnicos establecidos para cada área de la zona ecológica y se realizaron las recomendaciones adecuadas para:

Tipo de fuente a utilizar en cada área Ubicación y distribución Trato del color según su entorno Donde y como se deben dar acentos a la iluminación

Selección de dispositivos de encendido y apagado dependiendo el área

Las actividades indicadas se realizaron con el fin de que el cliente y su equipo puedan desarrollar diseñar y desarrollar sus Áreas ecológicas en futuros proyectos.

b. Limitaciones

Como limitantes para el marco de este proyecto, se analizaron 5.500 𝑚2 los cuales corresponden a la zona ecológica y no se tuvo en cuenta las vías rurales y áreas sociales no pertenecientes al área ecológica porque ya se encuentran en ejecución y la entidad solo ha pedido asesoría del área mencionada, y el valor de la ejecución e implementación será asumida por el Condómino Campestre La Sabaneta.

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MARCO REFERENCIAL

1.4.1. Marco Teórico

En base a la necesidad de orientar los diseños de iluminación y alumbrado público en zonas específicas, se consolida la información necesaria para realizar proyectos de iluminación de calidad y en cumplimento a los parámetros y especificaciones de los diferentes reglamentos y normativas exigidas en Colombia como lo es el reglamento técnico de iluminación y alumbrado público (RETILAP) y el reglamento técnico de instalaciones eléctricas (RETIE) ambos dirigidos el ministerio de minas y energía(MME),entidad que dirige la infraestructura energética del país. En este apartado se estipularán los conceptos y normas que se deben tener en cuenta para realizar un proyecto de iluminación en zonas verdes implementando como fuente de la implementación para estos sistemas una energía no convencional y de mayor crecimiento en el mundo como es la energía fotovoltaica

Conceptos técnicos de iluminación y alumbrado público:

Son varios los conceptos que se deberán tener en cuenta para hablar sobre la iluminación y el alumbrado público a continuación se definirán alguno de estos conceptos:

Alumbrado público:

Sistema de iluminación implementado para lugares de una libre circulación, como lo son vías públicas, carreteras de tráfico vehicular, parques con el fin de permitir el desarrollo de actividades, su finalidad es generar la seguridad necesaria en dichos espacios y una adecuada visibilidad, el sistema de alumbrado público debe cumplir con lo establecido en el Reglamento Técnico de Iluminación y Alumbrado Público, RETILAP, expedido por el Ministerio de Minas y Energía cualquier inquietud sobre la normatividad técnica debe ser dirigida a esta entidad. (Unidad de Planeación Minero Energética (UPME), 2014)

Flujo luminoso: Se define como cantidad de luz o energía luminosa, emitida por una fuente de luz en varias direcciones en 1 segundo, teniendo como unidad de medida el lumen (lm)

Figura 5. Representación de flujo luminoso


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Lumen: El lumen (lm) es la unidad de medida para el flujo luminoso establecida en el sistema internacional y esta medida determina la potencia radiante emitido por una fuente

puntal de área es 1 lm= 1𝑚2

Nivel de luz o iluminancia: Es la Cantidad de luz que se incide en una superficie o en un área de trabajo, como unidad de medida se estable los Lux (lx) lo cual equivale un lux a un

lumen por metro cuadrado (1lx=1lm/𝑚2 ), para cada sector se establece un nivel de iluminación según el reglamento(RETILAP), ideales para los usuarios en donde puedan realizar sus actividades sin ningún tipo de molestia visual.

Figura 6. Representación de nivel de iluminancia


Luminancia: La luminancia se encarga de medir la cantidad de luz que pasa por una zona

con unidades de medidas fotométricas de candela por metro cuadrado (𝑐𝑑/𝑚2) indicando la cantidad de energía lumínica que el ojo puede percibir

Figura 7. Representación de luminancia

Tomado de:(Unidad de Planeación Minero Energética (UPME), 2014)

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Deslumbramiento: Es la sensación producida en el campo visual del observador por una luminancia mayor a la capacidad a la que los ojos se encuentran adaptados, causando molestias visuales y una pérdida temporal de la visibilidad el deslumbramiento puede clasificarse en cegador, directo, indirecto, incómodo.

Figura 8. Representación de deslumbramiento


Luminaria: Las luminarias son las responsables de la distribución y el control de la luz, estas cuentan con la integración de los dispositivos necesarios para su funcionamiento como ópticos, eléctricos y mecánicos, se clasifican según las necesidades ópticas que se requieran en el entorno.

Conceptos de la energía fotovoltaica

La energía solar fotovoltaica representa la segunda fuente energía renovable más implementada en el mundo, siendo la energía eólica la primera con una producción energética del 1% de la demanda eléctrica del mundo con una capacidad instalada para año 2013 de 139 GW (UPME, 2015).La energía solar fotovoltaica se genera a través de la transformación directa de la radiación y la luz procedente del sol en electricidad, gracias a los dispositivos llamados paneles fotovoltaicos, hacen que la radiación solar incida en las células fotovoltaicas. Por lo tanto, la energía solar fotovoltaica principalmente sirve y se utiliza para proporcionar electricidad tanto a compañías y redes de distribución de esta, como para aparatos de usuarios individuales o autónomos.

Figura 9. Sistema de alimentación fotovoltaico

Tomado de: (Departamento Nacional de Planeación, 2016)

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Irradiación solar: La irradiación es la magnitud de medida que existe para medir la energía por unidad de medida de radiación producida por el sol en un punto específico de una superficie, ya que no toda la radiación producida por el sol ingresa a la tierra las unidades se expresa generalmente en vatios por metro cuadrado. Para Colombia las fuentes de

información indican que le país cuenta con una irradiación promedio de 4.5 Kwh/𝑚2/d por

encima del promedio recibido en Alemania 3,0 Kwh/𝑚2/d , representando buenos niveles de irradiación solar , en comparativa con otros países Colombia presenta una gran ventaja ya que mantiene este promedio a lo largo del año al no presentar un cambio de estaciones.

La irradiación solar se encuentra en el rango de 1325 W/𝑚2 y 1420 W/m2 durante todo el año en la superficie perpendicular al sol. Su promedio anual es denominado constante solar ver ecuación.

𝐸𝑂 = 1 367

𝑊

𝑚2

(1)

Esta es la irradiación y no alcanza la superficie terrestre. Esto se reduce mediante, reflexión absorción y dispersión. Con buen clima al medio día, la irradiación puede alcanzar 1000𝑊/𝑚2, Estos valores varían dependiendo de la ubicación. (Secretaria de comunicaciones y transportes, 2015)

Figura 10. Recurso solar

Tomado de: (UPME, 2015)

Radiación solar: Es la energía generada por el sol, que se distribuye en todas las direcciones mediante ondas electromagnéticas, esta radiación aporta a varios aportes atmosféricos, esta radiación es usada actualmente para diferentes tipos de aplicaciones como lo es la generación de energía eléctrica, uso para sistemas de calentamiento de agua (Ballesteros Benavides, 2010)

Radiación difusa y directa: La radiación directa es aquella que se dispersa y no tiene una dirección definida a diferencia de la radiación directa proviene del sol y produce sombra. Todo depende de la nubosidad y la hora en que se encuentre la potencia radiada directa y a difusa pueden variar.(Sandra Gomez. Ingrid Quintero, 2019)

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Panel solar: Un panel solar es un dispositivo diseñado para aprovechar la energía solar y generar calor o electricidad según su uso existen colectores solares el cual un líquido absorbe la radiación solar en forma de calor, pasando por compartimiento que almacena haciendo que liquido pase por un intercambiador de calor y posteriormente calienta el agua para el uso doméstico, y los paneles fotovoltaicos usados principalmente como fuente de energía eléctrica este panel se compone por un conjunto de celdas que convierten la radiación solar en energía eléctrica siendo almacenada después en campos de baterías, existen diferentes tipos de paneles solares y se distinguen por la composición de células como o son células de silicio monocristalino, y células de silicio poli cristalino.

Acumuladores: Los acumuladores solares tienen como objetivo acumular la energía eléctrica generada por el panel solar, para poder suministrar energía y ser suministrada independiente en las noches o días nublados, compuesto esencialmente por dos electrodos sumergidos en electrolito donde surgen reacciones químicas debido a su carga y descarga.

Reguladores de carga: Este es un dispositivo quien se encarga de administrar la carga de los acumuladores, controlando estado actual de las baterías o acumuladores, con el fin de alargar la vida útil de estas, controlando la entrada de la energía de los paneles solares, el tipo de regulador dependerá del diseño del sistema y de los módulos fotovoltaicos implementados.

Reguladores MMPT: Estos llevan incorporado un seguidor del punto de máxima potencia y un convertidor CC-CC, que transforma una corriente continua de alta tensión a una continua de baja tensión. A diferencia de los reguladores PWM que trabajan a la tensión de la batería, los reguladores MPPT lo hacen a la tensión que más conviene. Es decir, en algunos momentos trabajará a la máxima potencia, para sacar la mayor cantidad de energía, o bien limitará la potencia en las fases de absorción y flotación durante la carga de la batería.

Baterías de bajo mantenimiento: Para esta serie de baterías es necesario el uso de rejillas con una aleación especial de calcio, un sustituto principal del Antimonio. El Antimonio es un material que se compone de plomo de un 6% a un 12%, sabiendo que es un buen conductor y su fabricación fácil. La aleación de Calcio permite que la corriente tenga una capacidad de un 20% más alta a comparación de la aleación de Antimonio.

Batería Solar: Los electrodos que componen las baterías solares tiene presencia de antimonio, esto permite adherir mayor cantidad de material activo. Lo que hace que la batería tendrá mayor durabilidad y profundidad de descarga. Esto hace que se eleve el costo y el peso de la batería. Por ejemplo, Una batería solar de 6 V, tiene un volumen muy similar a la de 12 V en un automotor y pesa más de 30 Kg. Las baterías con presencia de antimonio su corriente de carga en su sistema fotovoltaico debe tener un régimen variable y su gasificación se aumenta.

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1.4.2. Estado del arte

En esta guía se tuvo en cuenta diferentes proyectos de iluminación y alumbrado público desarrollados en algunas de las ciudades de Colombia por diferentes entidades privadas y publicas

Sistema de tele gestión para alumbrado público en Medellín

La empresa pública EPM de servicios públicos, es la primera entidad en obtener sello de excelencia gracias a su proyecto piloto titulado “Sistema de tele gestión para alumbrado público” para la ciudad de Medellín en la dinámica de ciudad inteligente con un alcance de 3.818 puntos de iluminación con tecnología led, su objetivo principal con este sistema es tener el control sobre cada luminaria con el fin de reducir costos operacionales, operar las luminarias en tiempo real y brindar una mejor calidad de atención al usuario y realización de mantenimiento (EPM, 2020)

La entidad identifico que el sistema puede generar grandes ahorros de energía adicionales reducción los flujos luminosos ya que con la tele gestión es posible encender y apagar las intensidades de iluminación en determinados sectores de manera remota teniendo en cuenta las normas de alumbrado público dicho proyecto.

Figura 11. Sistema de tele gestión Medellín

Tomado de: (EPM, 2020)

Modernización de alumbrado público en barranquilla

La sociedad de alumbrado público de barranquilla encargada de prestar el servicio de iluminación y alumbrado especial en la ciudad trabajo desde el año 2017 en un programa de modernización del alumbrado público de los diferentes sectores de la ciudad en el cual consistió en reemplazar las luminarias de sodio por tecnología led, para el año 2020 completaron un 96% de barrios y vías con un promedio de 63.000 luminarias, logrando ahorros energéticos hasta de un 15%.

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Figura 12.Modernización de luminarias de alumbrado público de barranquilla

Tomado de: (APBAQ, 2020)

De la misma forma la manera la entidad ha desarrollado un sistema de tele gestión para el alumbrado público de la ciudad que controla y supervisa los índices de consumo energético y la calidad de prestación del servicio, para la primera etapa la ciudad contara con 17.300 sensores instalados en las luminarias, usando un plataforma de control y monitoreo, con el cual manejaran la intensidad de iluminación, sistema de georreferenciación el cual proporciona datos de ubicación de cada luminaria con el fin de realizar planes mantenimientos más efectivos y dimerización adaptativa. Figura 13.Sensores de tele gestión para alumbrado publico

Tomado De:(APBAQ, 2020)

Sistema de alumbrado público solar en morros Cartagena

Este proyecto de alumbrado público se ha desarrollado en el sector de morros en Cartagena de indias, donde la entidad privada Colombia solar corporación internacional libero este sector de la contaminación visual que es producida por redes de alumbrado de media y baja tensión, instalando luminarias solares independientes donde cada una cuenta con una caja de seguridad, que contiene las baterías con una duración de carga contemplada para 48

horas y para trabajar a temperaturas superiores a los 40℃ (Colombia Solar Corporacion Internacional, 2020).

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Figura 14.Alumbrado público solar sector morros Cartagena de indias

Tomado de: (Colombia Solar Corporacion Internacional, 2020)

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1.4.3. Marco normativo

En la revisión del entorno regulatorio y normativo para el sector de la iluminación y alumbrado público en Colombia, se encuentra una serie lineamientos y normas que se deberán cumplir en cada proyecto de diseño de iluminación para este proyecto se tuvo en consideración el “capítulo 5 alumbrado público e iluminación exterior “de la normativa RETILAP, la Ley 1715 del 2014 el reglamento técnico de instalaciones eléctricas RETIE sección 690 de la NTC 2050,

Reglamento técnico de iluminación y alumbrado público RETILAP Capitulo 5 “Alumbrado público e iluminación exterior”

Clase de alumbrado tipo P

Esta clase de alumbrado está estipulada por la normativa para el tránsito de peatones, ciclistas en aceras, áreas de aparcamiento, su clasificación se especifica para el paso de usuarios que transiten zonas a pie y en bicicleta, son vías de un tráfico lento. En estas zonas se requiere una mayor uniformidad en la iluminación, es importante resaltar que el tráfico peatonal y de ciclistas requiere que sus niveles de iluminación permitan el reconocimiento facial y la distinción de elementos que componen el área. Tabla 2.Clase de iluminación para los diferentes tipos de vías peatonales

DESCRIPCIÓN DE LA CALZADA CLASE DE ILUMINACIÓN

Vías de muy elevado prestigio urbano P1

Utilización nocturna intensa por peatones y ciclistas P2

Utilización nocturna moderada por peatones y ciclistas P3

Utilización nocturna baja por peatones y ciclistas, únicamente asociada a las propiedades adyacentes

P4

Utilización nocturna baja para peatones y ciclistas, únicamente asociada a las propiedades. Importante preservar el carácter arquitectónico del ambiente

P5

Utilización nocturna muy baja por peatones y ciclistas, únicamente asociada a las propiedades adyacentes. Importante preservar el carácter arquitectónico del ambiente.

P6

Vías en donde únicamente se requiere una guía visual suministrada por la luz directa de las luminarias

P7

Tomado de: (Ministerio de Minas y Energia, 2010; UPME & Instituo Colombiano de Normas Tecnicas y Certificacion-ICONTEC, 2004)

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Se toma la decisión en función a las características y funciones de la vía estas clasifican desde P1 hasta P7 siendo de elección la clase de iluminación de referencia corresponde al autor del proyecto y a las necesidades que se quieran suplir.

Clase de alumbrado tipo C

La clase tipo C corresponde a zonas críticas en los cuales presentan requerimientos especiales, en la normativa vigente RETILAP define a estas áreas críticas aquellas áreas que no se encuentran establecidas explícitamente dentro de su reglamento, de iluminación como lo son las zonas verdes y algunas otras presentadas en la presente tabla, la elección de la clasificación de la zona será decidida por los diseñadores o por el director del proyecto. Tabla 3 Clases de iluminación para zonas críticas

CARACTERÍSTICAS CLASE DE ILUMINACIÓN

Canchas múltiples recreativas C0

Plazas y plazoletas C1

Pasos peatonales subterráneos C1

Puentes peatonales C2

Zonas peatonales bajas y aledañas a puentes peatonales y vehiculares

C2

Ciclo-rutas en parques C2

Andenes, senderos, paseos y alamedas peatonales en parques C3

Ciclo-rutas senderos, paseos alamedas y demás áreas peatonales adyacentes a rondas de ríos, quebradas, humedales, canales y demás áreas distantes de vías vehiculares iluminadas u otro tipo de áreas iluminadas

C4


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Requisitos de iluminancia para senderos peatonales

En la siguiente tabla se consolidan los requisitos de iluminación estipulados dentro de la norma RETILAP para la clasificación tipo P, que corresponde a senderos peatonales y movilidad de ciclistas, se debe determinar a qué clasificación a la que pertenece el tipo de vía para que se cumpla las necesidades lumínicas en cada proyecto.

Tabla 4. Requisitos de iluminación para tráfico peatonal

CLASE DE ILUMINACIÓN

ILUMINANCIA HORIZONTAL (LUXES)

VALOR PROMEDIO VALOR MÍNIMO

P1 20 7.5

P2 10 3

P3 7.5 1.5

P4 5 1

P5 3 0.6

P6 1.5 0.2

P7 No aplica No aplica Tomado de: (Ministerio de Minas y Energia, 2010; UPME & Instituo Colombiano de Normas Tecnicas y Certificacion-ICONTEC, 2004)

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Requisitos de iluminancia para zonas criticas

En la presente tabla se encuentran los requisitos fotométricos para zonas críticas a la cual su clasificación pertenece a las zonas tipo C, estas corresponden a espacios con requerimientos lumínicos especiales como lo son zonas verdes y parques en unidades residenciales, estas áreas son la que no se encuentran establecidas específicamente dentro del reglamento RETILAP y su información es poca, pero requieren una orientación lumínica.

Tabla 5. Valores de iluminancia para zonas críticas.

CARACTERÍSTICAS ILUMINANCIA PROMEDIO

(LUXES)

UNIFORMIDAD GENERAL

Canchas múltiples recreativas 50 40

Plazas y plazoletas 30 33

Pasos peatonales subterráneos 30 33

Puentes peatonales 20 33


20 33

Ciclo-rutas en parques 20 40

Andenes, senderos, paseos y alamedas peatonales en parques

15 33


10

40


NORMAS GENERALES PARA AHORRO DE ENERGÍA EN ALUMBRADO PÚBLICO

Se sugieren una serie de normas a implementar para obtener un mayor ahorro en energía las cuales estas dependen de las necesidades lumínicas reales de cada área de la zona.

Fraccionar los circuitos de alumbrado, utilizando sistemas de doble potencia Dotar a los circuitos que sean susceptibles de células fotoeléctricas o interruptores

horarios en los cuales aseguren el encendido y apagado. Emplear sistemas de alumbrado de mayor rendimiento, teniendo en cuenta las

exigencias de calidad que requiera cada área. Implementar temporizadores siempre en cuando sea necesario Prohibir Fuentes obsoletas.

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Ley 1715 de 2014

En el año 2014 surge la expedición de la ley 1715, la cual tiene por objeto la integración formalmente a las fuentes de energía no convencionales al sistema energético nacional, en participación de estas a zonas no interconectadas o en usos necesarios buscando promover la gestión eficiente de la energía, el objetivo de esta ley es establecer el marco legal e instrumentos para la promoción del aprovechamiento de las fuentes no convencionales de energía principalmente las de carácter renovable, estableciendo sus líneas de acción para la gestión de la energía y reducción de gases de efecto invernadero diferentes funciones fueron delegadas por entidades gubernamentales las cuales son UPME, Ministerio de Minas y Energía y Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible.

La energía fotovoltaica en esta Ley 1715, establece una regulación específica al tipo de instalación residencial comercial o industrial, donde la reglamentación técnica y de calidad se cumplan como conexiones, mecanismos de entrega de excedentes para algunos casos y normas de seguridad para las instalaciones.(Ley 1715, 2014)

RETIE

El reglamento técnico de instalaciones eléctricas RETIE establece que las instalaciones solares fotovoltaicas se deben realizar conforme a la sección NTC 2050 690, donde se encuentra los requisitos técnicos exigibles para la instalación de estos.

Tabla 6.RETIE en sistemas solares fotovoltaicos

NTC 2050 DESCRIPCIÓN

Canalizaciones

NTC 2050 SECCIÓN 300-6.

Protección contra la corrosión.

Las canalizaciones metálicas, blindajes de cables, cajas, forros de cables, armarios, codos, juntas, herrajes, soportes y todo el material de apoyo, deben ser de un material adecuado para soportar el medio en el que estén instalados.

NTC 2050 Sección 400-14.

Protección contra daños

Cuando pasen a través de agujeros en las tapas, cajas de salidas o encerramientos similares, los cables y cordones flexibles se deben proteger con accesorios o pasa cables adecuados.

RETIE Art.20.6.1.2 No deben instalarse tuberías no metálicas en lugares expuestos a daños físicos o a la luz solar directa, si o esta certificadas para ser usadas en dichas condiciones.

RETIE Art.20.6 Las partes de canalizaciones que estén expuestas o a la vista, deben marcarse en franjas de color naranja de al menos 10 cm de anchas para distinguirla de otros usos.

NTC 2050 SECCIÓN 411 sistemas de alumbrado operando a 30 v o menos

Los sistemas de alumbrado de 30 V o menos deben estar certificados para ese uso. .

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INSTALACIÓN

NTC 2050 SECCIÓN. 690-4

Conductores de distintos sistemas

Los circuitos de las fuentes fotovoltaicas y circuitos de la salida fotovoltaica no deberán instalarse en las mismas canalizaciones, bandeas porta cables

Excepción cuando los conductores de los distintos sistemas estén conectados entre sí.


Conexiones de los módulos

Las conexiones a un módulo o panel deben estar hechas de modo que sí se quita un módulo o panel del circuito de la fuente fotovoltaica no se interrumpa la continuidad

de ningún conductor puesto a tierra de cualquier otro circuito de fuente fotovoltaico.


Equipos

Los inversores o grupos electrógenos que se vayan a utilizar en sistemas fotovoltaicos deben estar identificados para ello.

ROTULADO


Módulos

Los módulos fotovoltaicos deben estar rotulados con la identificación de la polaridad de los cables o terminales, la corriente nominal máxima del dispositivo de protección del módulo contra sobre corriente y los siguientes valores nominales:

Tensión en circuito abierto,

Tensión de operación,

Tensión máxima admisible del sistema,

corriente de operación

Corriente de cortocircuito

Potencia maxima.

NTC 2050 SECCIÓN 690-52

Fuente de energía fotovoltaica

El instalador debe poner en el lugar de la instalación, cerca del medio de desconexión de la fuente de energía fotovoltaica, un rótulo en el que consten los siguientes valores nominales:

corriente de operación.

Tensión de operación

Tensión en circuito abierto

Corriente de cortocircuito. Elaborado por: Autor Fuente: (Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación [ICONTEC], 1998)

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MARCO METODOLÓGICO

DISEÑO DE ILUMINACIÓN EN ZONAS ECOLÓGICAS

DISEÑO DE GUÍA TÉCNICA

ETAPA

VALIDACIÓN

ESTADO ACTUAL DE LA ZONA

CLASIFICAR ÁREAS

PARÁMETROS ESPECÍFICOS SEGÚN EL ÁREA

NECESIDADES LUMÍNICAS VISUALES POR

ÁREA

RECOMENDACIONES PARA AHORRO DE

ENERGÍA

CRITERIOS DE LUMINANCIA E

ILUMINANCIA POR CADA ÁREA

UNIFORMIDAD LUMÍNICA

RELACIÓN DEL ENTORNO CON LA

ILUMINACIÓN

DESLUMBRAMIENTO

ESTUDIO DE RADIACIÓN SOLAR

IMPLEMENTACIÓN DE ENERGÍA

FOTOVOLTAICA

RECOMENDACIONES DE FUENTES

LUMINOSAS

UBICACIÓN Y DISTRIBUCIÓN

IMPLEMENTACIÓN DE

CONTROLADOR PARA EL ENCENDIDO

Y APAGADO AUTOMATIZANDO EL

SISTEMA.

VALIDACIÓN

SEGÚN

NORMATIVA

NECESIDADES

DEL

PROYECTO

ANÁLISIS

PRELIMINAR

DEL

PROYECTO

RECONOCIMIENTO DEL ÁREA

REQUISITOS LUMINOTÉCNICOS

ANÁLISIS INICIAL

DESARROLLO DE ACTIVIDADES

DISEÑO DE ILUMINACIÓN

ANÁLISIS

ILUMINACIÓN NATURAL

NECESIDADES

VISUALES EN

LAS ÁREAS

DISEÑO DE ILUMINACIÓN

VALIDACIÓN DE

ELEMENTOS

PROPUESTOS

VALIDACIÓN

SEGÚN

NORMATIVA

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2. EVALUACIÓN DEL ÁREA Y FUENTES DE ILUMINACIÓN

Identificación del área de estudio

Durante el proceso de evaluación de la zona se realizó una visita a El Condominio Campestre La Sabaneta el cual se ubica en el kilómetro 2.2 vía Puente Nacional-Barbosa

en el municipio de Santander, este proyecto cuenta con un área de 107.500 𝑚2 con una

zona ecológica de un área de 5.500 𝑚2, esta zona ecológica cuenta con un sendero que recorre toda el área, también cuenta con espacios de esparcimiento y recreación y un lago natural véase la Figura 15.

Figura 15. Visita al proyecto

Tomado de:(Condominio campestre la Sabaneta, 2020)

En esta primera etapa del proyecto se consolido la información del área de influencia lo cual permitió describir, explicar, dimensionar y caracterizar la oportunidad de desarrollo de iluminación artificial.

Es importante considerar los intereses y factores que inciden en el área donde se en las demandas visuales y limitaciones que se quieren en el proyecto, teniendo en cuenta las siguientes variables:

Tabla 7 .Parámetros básicos en un proyecto de iluminación

Parámetros básicos en un proyecto de iluminación

Arquitectura del espacio Actividad y usos

Tonalidad de la iluminación Niveles de iluminación

Consumos energéticos Selección de luminarias, tipo de alimentación y control

Tomado de:(Sandra Gomez. Ingrid Quintero, 2019)

Demanda visual: Se analiza y recopila actividades de mayor dificultad, desarrollando limitaciones de trabajo en función al interés e identificando de manera clara y precisa variables de éxito para su respectivo proyecto.

Demandas emocionales: Esta demanda busca diseñar alumbrados, que coincidan con las características y condiciones que acompañen el entorno, teniendo en cuenta

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los objetivos emocionales intencionados por la iluminación en el observador, ya que podría influir en su estado de ánimo, sensación de bienestar, y seguridad en las personas.

Demandas estéticas: Se determina a la posibilidad de ambientar un área destacando sus mejores características como naturaleza, ornamentación y arquitectura, para ello se deberá tener en cuenta también las demás características que componen el ambiente y la finalidad que se busca con la iluminación permitiendo dar un valor agregado a las zonas ecológicas.

Demandas en seguridad: Permite determinar los dispositivos de iluminación para el tránsito de usuarios en condiciones normales y de emergencia.

Condiciones de trabajo: Estas condiciones se relacionan en torno a las características físicas de las áreas de iluminación en los diferentes espacios.

El proyecto requiere que esta zona sea iluminada de manera uniforme para garantizar la seguridad y el bienestar de los usuarios que residen dentro del proyecto y también resaltar los espacios naturales que la componen

Niveles de luminancia según el área

Las vías y los espacios serán clasificados según sus características debido a los niveles de luminancia deben corresponder a lo indicado en la normativa RETILAP, acorde a esto se seleccionó las vías y los espacios en la vista al proyecto según como corresponde a la normativa véase Tabla 8, buscando que este cumpla con las exigencias y especificaciones mínimas con el fin de garantizar un excelente desempeño, de la misma manera se busca que los productos empleados en el diseño estén acordes a las necesidades.

Tabla 8.Clasificación de los espacios del proyecto

CARACTERÍSTICA CLASE DE ILUMINACIÓN LUXES PROMEDIO (lX)

Vías de muy elevado prestigio urbano

P1 20

Utilización nocturna intensa por peatones y ciclistas

P2 10


C2 20


C4 10

Tomado de:(Ministerio de Minas y Energia, 2010)

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Se deben tener en cuenta que no se podrán exceder estos valores de iluminancia y se deberá corroborar la caracterización del sistema de iluminación el software y poder verificar que las luminarias seleccionadas son las adecuadas

Tipo de tecnología

Para el diseño y desarrollo de proyectos de iluminación se recomienda la implementación de tecnología led, ya que los beneficios y ventajas son muy altas a comparación de la tecnología convencional como por ejemplo el bajo consumo de energía, su larga duración y su afinidad con las energías renovables.

Los factores que se deben resaltar del porque es importante utilizar la tecnología led son los siguientes:

Luz ecológica: La gran diferencia de la luz led a la luz convencional es que es completamente limpia porque tiene una amplia claridad de visión, disminuye el gran problema ambiental con la contaminación lumínica, su fabricación es totalmente libre de mercurio o de algún material pesado según la normativa Ros libre de plomo, lo que quiere decir es que hace un gran aporte a la lucha mundial contra la destrucción de los recursos naturales y del ambiente.

El trabajo de la luz led es rápido e inmediato en comparación a la luz convencional como (los balastros y bombillos), la reducción calórica que emite la luz led es muy mínima ya que no se quemara las manos al realizar el cambio de una bombilla.

Ahorro Energético: El consumo de la luz led se reduce a un 60 % a diferencia de las lámparas incandescentes o lámparas fluorescentes.

Variación de colores: Actualmente la tecnología led se ve reflejado por la TV en las grandes pantallas como (RGB Red- Blue- Green), cada forma de píxel tiene gran variedad de colores las cuales permite visualizar la pantalla. Estas luces están diseñadas para cualquier sitio tanto exterior como interior sin la perdida de ningún detalle. A nivel externo se ve reflejado en la semaforización de las ciudades para que se vean más claro y a mayor distancia provocando menos accidentes teniendo así un consumo máximo a 12 W quitando los semáforos obsoletos que se consumían 50 W. Las luces de los automóviles para generar un descanso y no encandelille los ojos del conductor. Las lámparas publicas también van siendo reemplazadas quitando así las lámparas obsoletas; llegando así a las lámparas para zonas ecológicas y realizar una decoración e iluminación perfecta para estas zonas.

Mayor rendimiento: La vida útil de la tecnología led aproximadamente en horas es de 50.000 y las 100.000 horas, en año es aproximadamente entre 10 y 15 años. En comparación con la tecnología convencional es que su flujo luminoso es de 70% la gran diferencia de esta tecnología es que se pueden utilizar en condiciones extremas de temperaturas de -20°C a 60°C sin perder su intensidad lumínica. (Efimarket, 2020)

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LUMINARIAS FOTOVOLTAICAS

Las luminarias fotovoltaicas son sistemas autosuficientes el cual su sistema de operación es independiente de la red eléctrica, en la que como única fuente de energía tiene la radiación proveniente del sol, este tipo de luminarias son de una instalación rápida y lo más importante es realizar un buen dimensionamiento de los componentes para un correcto funcionamiento

Actualmente se está implementando esta nueva tecnología de iluminación solar led, ya que esta ha dominado en el mercado por encima de las luminarias fluorescentes y de la inducción magnética, gracias a su eficiencia energética la cual optimiza y tiene un excelente ahorro en el consumo energético y la contaminación lumínica es muy poca, estas luminarias también cuentan con una mayor vida útil ofreciendo 8 veces más iluminación uniforme que una luminaria convencional

2.3.1. Beneficios y funcionalidad

Los principales benéficos de implementar la energía fotovoltaica en Colombia son varios, ya que se busca un mayor consumo de energía solar con respecto a las demás energías, buscando reducir los costos de la energía convencional; uno de los principales benéficos en la implementación de esta tecnología es que es un recurso energético gratuito. Sin embargo, su inversión inicial para la instalación de los equipos es más costosa que la convencional pero la recuperación de su inversión se verá a corto plazo y su aprovechamiento es de una gran larga vida útil considerando que los cosos por mantenimiento también son muy bajos es un sistema de energía es respetuoso con el medio ambiente ya que reduce las emisiones de (CO2) (Gómez et al., 2017) se mencionara a continuación algunos de los beneficios principales

Tabla 9. Resumen de beneficios de la implementación de energía fotovoltaica

BENEFICIOS

No requiere un tendido eléctrico

Se podrán instalar en cualquier sitio

No tienen restricciones en su aplicación, ya que son respetuosos con el medio ambiente

Su operación y mantenimiento se realizan a un costo bajo

No existen pagos por consumos eléctricos

Se podrán transportar fácilmente brindando soluciones más eficientes y útiles a los problemas de iluminación

Genera menores emisiones de CO2, reduciendo el efecto invernadero y la lluvia acida (Makridis, 2011)

Disminución del 50% en declaración de renta por implementación de energías no convencionales para personas naturales o jurídicas (Congreso de Colombia, 2014)

Los dispositivos que se utilizados en sistemas fotovoltaicos nacionales o importados estarán exentos del IVA (Congreso de Colombia, 2014)

Tomado de: (Gómez et al., 2017; Sandra Gomez. Ingrid Quintero, 2019)

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Funcionamiento de la luminaria solar

Durante el día

Durante el día mientras la radiación solar es recibida por el arreglo fotovoltaico, iniciando un flujo de corriente hacia el sistema y actuando de manera inmediata el controlador permite pasar toda la corriente suficiente generada por los paneles dirigiéndose a recargar las baterías supliendo el faltante gastado en la noche anterior.

El controlador modulara la corriente en pulsos de (PWM) hasta que estas se encuentren completamente recargadas a medida que la batería termine de recargarse los pulsos PWM se irán haciendo más cortos hasta llegan a un punto de flotación.

Este proceso de recarga de la batería es supervisado por el controlador y se realiza en estas etapas con el fin de alargar la vida útil y que con el transcurso del tiempo no se dañe.

Durante la noche

A medida que cae la noche y a falta de luz solar, el controlador detectara la ausencia de luz y activara el encendió de la luminaria y las luminarias se alimentaran directamente de las baterías y estas se descargaran aproximadamente un 10% a 15% y al siguiente día el proceso descrito se repetirá nuevamente.

Figura 16. Funcionamiento de luminarias fotovoltaicas

Tomado de: (SYLVANIA, 2019)

42

CRITERIOS DE SELECCIÓN DE LUMINARIAS

En los proyectos iluminación se debe tener en cuenta los siguientes parámetros para seleccionar las luminarias correspondientes los cuales son los siguientes: flujo emitido por la luminaria, eficacia lumínica características fotométricas, temperatura del color, duración y vida útil de la luminaria(Ministerio de Minas y Energia, 2010), todo esto para dar cumplimento a los lumens exigidos en la Tabla 4 Requisitos de iluminación para tráfico peatonal de la norma RETILAP esta información se encontrara en la ficha técnica suministrada por el proveedor de la luminaria y se analiza cada dato de la siguiente manera

2.4.1. Eficacia Luminosa

La eficiencia luminosa es la potencia emitida en forma de radiación luminosa esta indica el flujo luminoso que emite por cantidad de luz proporcionada por unidad de energía expresada en (lm/W).(Ministerio de Minas y Energia, 2010)

Siendo determinada por ecuación

𝑭𝒍𝒖𝒋𝒐 𝑳𝒖𝒎𝒊𝒏𝒐𝒔𝒐(𝒍𝒎)

𝑪𝒐𝒏𝒔𝒖𝒎𝒐 𝒅𝒆 𝒍𝒂 𝒍𝒖𝒎𝒊𝒏𝒂𝒓𝒊𝒂(𝑾)=

𝑙𝑚

𝑊

(2)

En la siguiente figura se observa un ejemplo de una ficha técnica de una luminaria led, en donde es importante reconocer el flujo luminoso que emite la luminaria(lm) y su potencia de trabajo(W) donde estos valores se tendrán en cuenta para saber la eficacia lumínica de esta.

Tabla 10. Datos ópticos de luminaria Led Street Urban

Datos Ópticos

Temperatura de color 4000 k

Flujo luminoso nominal máximo 5075 lm

Atenuable SI Tomado de: (Sylvania, 2020)

Tabla 11. Datos eléctricos de luminaria Led Street Urban

Datos Eléctricos

Potencia de entrada max. 30 W

Tensión de entrada 100-277 V 50/60 Hz

Corriente de entrada max 0.17A Tomado de: (Sylvania, 2020)

43

Una vez se reconocieron los datos en la ficha técnica de luminaria se reemplazó en la ecuación, y como resultado para este caso de estudio se obtuvo una eficacia luminosa de 145 (lm/w), lo cual se deberá comprobar en la ficha técnica suministrada por el fabricante de la luminaria.

𝑭𝒍𝒖𝒋𝒐 𝑳𝒖𝒎𝒊𝒏𝒐𝒔𝒐(𝒍𝒎)

𝑪𝒐𝒏𝒔𝒖𝒎𝒐 𝒅𝒆 𝒍𝒂 𝒍𝒖𝒎𝒊𝒏𝒂𝒓𝒊𝒂(𝑾)=

5075 𝑙𝑚

35 𝑤= 𝟏𝟒𝟓 𝒍𝒎/𝒘

(3)

2.4.2. Características fotométricas

La curva fotométrica es la representación del comportamiento de la luz con la que fue fabricada la luminaria, esto dependiendo al tipo de luminaria y a las características ópticas con la que fue diseñada, dentro de las características fotométricas es importante analizar la curva de distribución luminosa ya que esta nos permitirá determinar con mayor claridad la intensidad luminosa de la luminaria en cualquier dirección, donde sus variables principales son la dirección y la intensidad, por lo general las gráficas se representan en coordenadas polares dentro de un plano definido en grados de C = 0° -180°, C = 90° -270° e intensidad luminosa (Deco, 2017).

Figura 17. Curva fotométrica de luminaria led Street Urban

Tomado de: (SYLVANIA, 2019)

En esta grafica de la curva fotométrica tomada como ejemplo, se observa el diagrama en dos planos en donde de color azul se muestra el comportamiento de la luz longitudinal(horizontal) un ángulo de 90° considerando que el dispositivo de iluminación se encuentra perpendicularmente y de color rojo muestra el comportamiento vertical de la luz a un ángulo de 0°.

Estos gráficos se encuentran normalizados para una luminaria de 1000 lúmenes esto con el fin de comparar diferentes fuentes lumínicas y para conocer el valor real de las intensidades lumínicas en (cd/klm) se deberá usar la siguiente ecuación:

44

𝑰𝒓𝒆𝒂𝒍 = 𝒍𝒂𝒎𝒑𝒂𝒓𝒂𝑰𝒈𝒓𝒂𝒇𝒊𝒄𝒐

𝟏𝟎𝟎𝟎

(4)

Como ejemplo en la Figura 16 se observa una curva fotométrica para una luminaria led con un flujo luminoso de 5075 lm y en el plano longitudinal con un ángulo de 90° la intensidad luminosa es aproximadamente de 7000 candelas por kilolumen (cd/klm). Utilizando la ecuación anterior el valor real de la intensidad en esa dirección será de:

𝑰𝒓𝒆𝒂𝒍 = 50757000

1000= 𝟑𝟓, 𝟓𝟐𝟓 (

𝒄𝒅

𝒌𝒍𝒎)

(5)

2.4.3. Reproducción cromática.

La reproducción cromática se define como la capacidad que tiene una fuente de luz para representar los colores de un objeto en comparación con la fuente natural (luz día) que sería la luz ideal, ya que los espectros luminosos de la luz día contienen todas las radiaciones de un espectro visible. El índice de reproducción cromática (Ministerio de Minas y Energia, 2010)

Tiene como siglas en ingles CRI (color rendering index) o IRC (índice de reproducción cromática), el cual tiene un rango del de 0 a 100, en donde 100, es un valor perfecto, es importante reconocer los valores de CRI al elegir una luminaria para distinguir la capacidad de distinguir los colores fielmente con dicha luminaria.

Tabla 12.Valor de Reproducción cromática

Datos Ópticos

Vida útil estimada 1000000h

Eficacia 5075 lm

Reproduccon de color (IRC) >70 Tomado de : (Sylvania, 2020)

En los presentes datos de la ficha técnica que se ha tomado como ejemplo, el fabricante muestra que el IRC para esta luminaria es mayor a 70 mientras este valor sea más alto o cercano al 100 mejor será la reproducción de su color (Paz & Soto, 2006)

45

2.4.4. Distribución espectral

La distribución espectral, es la gráfica con la que se puede identificar la potencia emitida por la luminaria por cada color, en la que para cada tipo de luminaria existe un tipo de grafica de distribución espectral la cual puede ser usada para comparar los niveles de energía entre ellas, dicha grafica representa las longitudes de onda luz en nanómetros.

Para la correcta interpretación de una gráfica de distribución espectral, en el eje vertical se observa una escala la cual indica el porcentaje de energía relativa emitida por la fuente de luz, y en su eje horizontal se muestra las longitudes de onda visibles que produce dicha luminaria (EnerGea, n.d.)

Figura 18. Distribución espectral luminaria Street Urban

Tomado de: (Sylvania, 2020)

2.4.5. Temperatura del color de una fuente

La temperatura del color de la iluminación es una medida comparativa entre el color que emite un cuerpo negro cuando este se calienta a una determinada temperatura ya que absorbe toda la energía y a cada grado que se calienta emitirá una frecuencia de onda diferente en la que se percibe tonos de color diferentes en función a la temperatura con la que se encuentre el cuerpo.

Por esta razón se expresa la temperatura del color en grados Kelvin(K), midiendo la calidez o frialdad de una luminaria, derivado de los espectros luminosos que se emiten al calentar un cuerpo negro (ideal) y los colores que se emiten a diferentes temperaturas

Por ejemplo, cuando se habla de que la luminaria tiene un color de 1500 grados kelvin(K), significa que un cuerpo calentado a 1500 grados kelvin(K), generara una luz incandescente igual al color que emite la luminaria, en la figura 15 se aprecia diferentes comparativas de colores de fuentes de iluminación y cuerpos a una determinada temperatura emitiendo el mismo espectro de luz.

46

Figura 19. Comparación de colores según su temperatura

Tomado de: (Factorled, 2020)

En la siguiente tabla se clasifican las fuentes de luz en tres grupos según el color de su temperatura cálidas, neutras y frías en el grupo de las cálidas debido a su temperatura presentan tonos rojizos y sus valores de temperatura se encuentran por debajo de los 3.300 grados kelvin, para las neutras se encuentran en un rango de 3.300 a 5.300 grados kelvin y para las frías presentan colores que tienden azul y se encuentran por encima de 5.300 grados kelvin y una de sus principales de esta es que aporta mayor cantidad de lumens.

Tabla 13. Clasificación de color según su temperatura.

COLOR TEMPERATURA DEL COLOR (K)

Cálido Por debajo de 3.300

Neutro e Intermedio De 3.300 a 5.300

Frio Por encima de 5.300

Tomado de: (Secretaria de comunicaciones y transportes, 2015)

En la Tabla 14 se observa un ejemplo de la ficha técnica de la luminaria Street Urban, en la cual su temperatura de color se encuentra en 4000 kelvin, según su clasificación pertenece a un color neutro-intermedio implementada para iluminación básica, una gran ventaja de la tecnología led es que se puede definir su temperatura de iluminación desde el momento de su fabricación.

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Tabla 14.Temperatura de color de luminaria led

Datos Ópticos

Temperatura de color 4000K

Flujo luminoso 5075 lm

Eficacia 145 lm/W

Reproducción de color IRC >70

Tomado de:(Sylvania, 2020)

2.4.6. Índice de protección IP e IK

Índice de protección IP

Cuando se realiza el diseño de un sistema de iluminación se debe tener en consideración los índices de protección adecuados para las luminarias, ya que no todas son adecuadas para instalarse en cualquier área y se debe tener presente el entorno en las que se instalarán, por lo cual la comisión internacional de iluminación (CIE) y estableció la norma IEC 60529 en la cual clasifican la resistencia de los dispositivos de iluminación. El índice de protección permite indicar los grados de protección contra el acceso de partes peligrosas que perjudiquen el estado de los dispositivos de cuerpo sólidos y penetración de agua, el índice de protección es un sistema de codificación de dos cifras el cual son independientes cada una.

La primera cifra tiene un rango de 0 a 6 en la que garantiza la protección contra cuerpos sólidos y a medida que el número incrementa indica un mayor índice resistencia a la entrada de estos cuerpos extraños del entorno en los equipos de iluminación.

La segunda cifra tiene un rango de 0 a 8 en la que garantiza una protección del equipo en su interior de la su envolvente contra líquidos y a medida que su número incrementa indica un mayor índice de resistencia contra líquidos es mayor.

Índice de protección IK El índice de protección IK establecido por la comisión internacional de iluminación (CIE) en su norma 62262, nos indica la capacidad que tiene un dispositivo de iluminación contra impactos mecánicos calculados en joule (J), este índice de protección también cuenta con un rango que va de 0 a 10 y al aumentar y acercarse más al 10 indica un mayor grado de protección en la que aplica el nivel de seguridad en toda la envolvente en algunos casos.

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Tabla 15.Índice de protección IP e IK

ÍNDICE IP ÍNDICE IK

IP Protección contra cuerpos solidos

Protección contra líquidos

IK Protección contra el impacto Energía del

impacto(JOULE)

0 Sin protección 0 Sin protección 00 No protegido

1 >50 mm 1 Caída vertical de gotas de agua

01 0.15

2 >12 mm 2 Caída de agua hasta15° de la vertical

02 0.20

3 >2.5 mm 3 Caída de agua hasta60° de la vertical

03 0,35

4 >1 mm 4 Proyección de agua en todas las direcciones

04 0,50

5 Protegido contra el polvo

5 Lanzamiento de agua en todas las direcciones

05 0,70

6 Totalmente protegido contra el polvo

6 Lanzamiento de agua similar a los golpes del mar

06 1,00

7 inmersión 07 2,00

8 Efectos prolongados de inmersión bajo presión

08 5,00

09 10,00

10 20,00

Tomado de: (Ministerio de Minas y Energia, 2010).

Según la información anterior para la luminaria Street Urban, tomada para su análisis se observó un índice de protección IP 66 y un índice Ik de 08, el cual según la tabla anterior nos indica que tiene una protección contra cuerpos solidos de 6 a lo que refiere (totalmente protegido contra polvo) y una protección contra líquidos de 6 a lo que refiere (lanzamiento de agua similar a los golpes de agua) y para la protección IK contra impactos mecánicos de 08 con capacidad para aguantar golpes de 5 Joules(J).

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Tabla 16. Protección IP e Ik de luminaria Street Urban

Datos Ópticos

Grado de protección conjunto óptico IP66/IP66

Grado de protección contra impactos IK08 Tomado de: (Sylvania, 2020)

2.4.7. Vida útil de la fuente

La vida útil de una fuente de iluminación es el periodo de trabajo efectivo que brinda una luminaria hasta que su flujo luminoso llegue al 70% con respecto al flujo luminosos total en que al excederse lo más recomendable será realizar un cambio de la luminaria y evitar la reducción de niveles de iluminación. Los fabricantes deberán proporcionar el tipo de información necesaria de las fuentes de luz, donde se pueda apreciar la curva de depreciación luminosa de una fuente y conocer las horas de funcionamiento del dispositivo instalado. Figura 20. Curva de vida útil luminaria Street Urban


En la Figura 20 se observa la gráfica de comportamiento de una luminaria Street Urban, en la cual en su eje vertical se encuentra en porcentajes del flujo luminoso y en el eje vertical las horas de uso, también se observa una curva decreciente en función de horas de uso a perdida de flujo luminoso la cual indica que cuando esta llegue a un 70% de su flujo luminoso, y un estimado de 100.000 hora de trabajo deberá remplazarse.

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3. CARACTERIZACIÓN DE LA FUENTE DE ILUMINACIÓN APLICADA AL CASO DE ESTUDIO

Para el diseño y la distribución de luminarias, para la zona ecológica del condominio Campestre la Sabaneta tomado como caso de estudio, se implementó el software Dialux Evo, el cual permite observar los datos luminotécnicos de las luminarias que sean seleccionadas y resultados de luminancia del proyecto dando cumplimento a la normativa RETILAP para el tipo de vía a trabajar, a continuación, se especificará el proceso en cada etapa.

PLANOS DE PROYECTO

Inicialmente se trabaja en base a los planos proporcionados por el condominio campestre la sabaneta véase (Figura 21), para realizar su correcto diseño en donde la zona cuenta

con un área total de 5.500 𝑚2, teniendo el levantamiento se exporto al programa Dialux Evo.

Figura 21. Plano Zona ecológica condominio Campestre la Sabaneta

Tomado de: (Condominio campestre la Sabaneta, 2020)

DISEÑO DE LAS ÁREAS EN DIALUX

Teniendo en cuenta el análisis inicial del proyecto mencionado anteriormente y evaluando los tipos de requerimientos luminotécnicos de la zona, se observó un camino peatonal de 1.5 metros de ancho, el cual recorre la zona ecológica perteneciente al Condominio Campestre la Sabaneta el cual según la véase Tabla 2 “tipo de vía peatonal” de la normativa RETILAP, pertenece a una clase de iluminación P1, debido al flujo de peatones por esta vía según esta normativa este tipo de vía exige una iluminancia 20 lux promedio y 7.5 lux mínimo

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Con el programa DIALux Evo se armonizo la zona ecológica con los elementos que la componen como lo son texturas, arborización, espacios de descanso, tipo de suelo y demás elementos lo conforman esto con el fin de tener en cuenta que los diferentes materiales definirán un porcentaje de reflexión de la iluminación, es por esto por lo que es importante contemplar cada aspecto que se encuentre dentro el área de trabajo.

Figura 22.Plano 2D armonizado con los elementos de la zona ecológica

Tomado de: (DIALux, 2020)

DISTRIBUCIÓN DE FUENTES DE LUZ

En esta siguiente etapa se muestra un análisis sobre plano, con el fin de determinar la altura más conveniente y la distancia entre las luminarias, buscando cumplir los valores de iluminancia como se observa en la figura 23 resultado gráfico, se puede apreciar que con luminarias de 30 W a una distancia de 11 metros y algunos otros casos de 8 metros con una altura de montaje del mástil de 6 metros demostrando que existe uniformidad en la iluminación de la vía dando valores de 20 lux promedio.

Con la ayuda de Dialux se pudo apreciar el nivel de uniformidad lumínica sobre el sendero peatonal, ya en la tabla de resultados los datos se encuentran entre un rango de 19 a 25

lumens 𝑚2, esto dando el cumplimiento a la norma RETILAP, sin embargo para algunos puntos de iluminación se tuvo la necesidad de ser reforzado con más lúmenes debido a que perteneces a áreas de esparcimiento social.

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Figura 23. Resultados gráficos de iluminación


Estos valores han sido calculados por el programa de iluminación DIALux Evo, en la siguiente Figura 24 se expone un resumen de los valores lux del diseño donde Em: iluminancia promedio Emin: iluminancia mínima, véase el Anexo E para más detalle de los resultados proporcionados con el software.

Figura 24.Valores promedio de iluminancia de la vía


LEVANTAMIENTO DE PLANO EN 3D

Para esta etapa se busca que el usuario aprecie con mejor entendimiento los resultados de la iluminación en el software por lo tanto una vez se haya determinado una altura de montaje y una distancia promedio para las fuentes de iluminación, en algunos casos variaron las distancias entre ellas ya que la vía no es uniforme y en las rotondas se deberá reforzar la iluminación para seguridad de los peatones por esto se procede a realizar un levantamiento de 2D a 3D, permitiendo mostrar a mejor detalle el nivel de iluminación con el que contará la zona ecológica del condominio Campestre La Sabaneta.

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Figura 25.Zona ecológica del condominio Campestre la Sabaneta 3D


Como se muestra en la Figura 26 el modelo 3D permitio identificar diferentes vistas del proyecto, demostrando que existe uniformidad en la iluminación de la vía peatonal y en los espacios importantes, en algunos puntos de la zona se reforzaron con distancias más cortas ya que existen tramos pronunciados en los giros y rotondas.

Figura 26.Vistas 3D de la zona ecológica


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PLANO SITUACIÓN DE LAS LUMINARIAS

En el siguiente plano se evidencia la posición de cada luminaria dentro del proyecto con un total de 50 luminarias, y en cada área se da cumplimiento de la normativa de iluminación RETILAP, para más información de los datos y resultados véase el Anexo F

Figura 27.Situación de las luminarias


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4. DIMENSIONAMIENTO FOTOVOLTAICO

Para el dimensionamiento fotovoltaico del sistema de iluminación de la zona ecológica del condominio campestre la Sabaneta, existe la posibilidad de diseñarse de dos maneras, como se observa en la Figura 29 donde la primera opción la luminaria cuenta con el sistema de paneles, baterías y controlador integrados todo en uno en el mismo mástil donde se encuentra la luminaria led y la segunda opción es un banco de paneles centralizado para atender la demanda de energía de la totalidad de las luminarias led que se implementara en el proyecto .

Figura 28.Tipos de arreglo fotovoltaico para el sistema de iluminación

Tomado de: (Computer Hoy, 2020; Sylvania, 2020)

Para el proyecto tomado como caso de estudio se escogió la primera opción (luminaria con todo integrado) y no el segundo (sistema centralizado) teniendo en cuenta los siguientes

criterios. Para un sistema centralizado se debe contar con espacio adicional a los 5.500𝑚2, donde será necesario ubicar los paneles solares y la superficie de los paneles solares para

este sistema puede llegar a tener temperaturas en un rango de entre 43 ℃ y 47 ℃ tomando como promedio una temperatura de las celdas solares de operación de 45 ℃. Por esta razón es un sistema de alto riesgo ya que es un proyecto de propiedad horizontal donde prima la tranquilad y seguridad de los usuarios que residen en el proyecto, estos tipos de plantas solares son instaladas en la mayoría de los casos donde no existe un flujo elevado de usuarios y donde existe un mayor nivel de seguridad. Figura 29.Peligro de superficie caliente

Tomado de: (Creative Desings, 2020)

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A continuación, se explica el procedimiento necesario y los criterios que se deben tener en cuenta para un correcto dimensionamiento de un sistema de iluminación alimentado con energía fotovoltaica, siguiendo el paso a paso y las recomendaciones para obtener un correcto diseño del sistema y selección de cada uno de los dispositivos necesarios para el funcionamiento del sistema de iluminación como lo son baterías, paneles solares y su sistema de control, esto teniendo en cuenta la información de ubicación del proyecto obtenida inicialmente la cual se deberá tener presente antes de iniciar un proceso de dimensionamiento.

El procedimiento que se explica en esta guía técnica se podrá implementar para cualquier proyecto que busque brindar solución al alumbrado artificial de áreas verdes, en donde como fuente de alimentación sea la energía fotovoltaica, se aconseja al usuario seguir paso a paso y a detalle los consejos y los métodos de cálculo que se indican a continuación.

ESTIMACIÓN DE CARGA

Como paso inicial para un dimensionamiento fotovoltaico debe verificar la potencia(W) de la luminaria la cual estará conectado al sistema y cuanto es su consumo diario. Para esto es necesario realizar un análisis de estimación de carga (Watts) de consumo diario de cada luminaria que se desea implementar en el proyecto, ya que cada una de ellas tendrá su sistema off grid (sistema con baterías).

Tabla 17.Estimación de carga de la luminaria

ESTIMACIÓN DE CARGAS

Especificación de carga

Consumo watts

X Cantidad = Watts totales

x Uso de horas al

día

= Promedio Wh/día

LUMINARIA LED 30 1 30 12 360

Potencia total conectada 30 Watts Total 360 Wh/día

Tomado de: Elaboración propia

En la Tabla 17 se realizó la estimación de carga para una luminaria led que consume 30 Watts con 12 horas de uso al día, ya que la mayoría de los sistemas de alumbrado público funcionan a partir de las 6:00 pm a 6:00 am horas en la que la radiación solar es muy mínima o nula, en el análisis se obtiene como resultado promedio de consumo diario de 360 Wh/día, para este caso solo se analiza una sola luminaria ya que para el resto será el mismo consumo y será el mismo análisis para cada una de ellas.

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UBICACIÓN DEL PROYECTO

Para conocer la ubicación precisa del proyecto se identificó información como, la latitud y longitud referente, usando como herramienta de apoyo Google Maps, se ingresó el nombre del lugar conocer los datos de ubicación,

Para el caso de estudio los datos de la localización de La “Sabaneta, Puente Nacional” el cual se encuentra a 2.2 kilómetros vía Puente Nacional-Barbosa véase Figura 31.

Figura 30. Ubicación del proyecto del Condominio Campestre La Sabaneta.

Tomado de: (Maps, 2020)

Obteniendo como datos las coordenadas del área afinidad en la cual se obtendrá su Latitud = 5.89071 y su Longitud = -73.66028, estas son adimensionales ya que no tienen unidad de medida, estos datos se tendrán en cuenta para el siguiente paso el cual consiste en conocer los datos de irradiación de la zona.

Figura 31. Latitud y Longitud del Condominio Campestre La Sabaneta

Tomado de: (Maps, 2020).

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RADIACIÓN SOLAR

La radiación solar es energía proveniente del sol que se propaga dentro de la atmosfera en forma de ondas electromagnéticas, siendo esta la materia prima en un proceso de generación de energía mediante un sistema fotovoltaico, inicialmente la potencia emitida por el sol en su fase principal se le conoce como irradiancia y es la potencia expuesta

directamente por fuera de la atmosfera con una constate solar de 1.376 W/𝑚2, sin embargo este valor se ve afectado por la capa atmosférica de la tierra ya que pierde potencia y llega

a la superficie de la tierra con un valor de 1,000 W/𝑚2.

Los valores de la radiación promedio se obtendrá de la suma de sus variables con la que llegan a la superficie las cuales son radiación directa, radiación difusa y radiación reflejada, todos estos factores medidos con diferentes instrumentos de medición y dependiendo de la ubicación ya que cada ciudad y país cuenta con situaciones climatológicas diferentes.

Figura 32.Componentes de la radiación solar

Tomado de: (Foro Verde, 2020)

Radiación directa: Es la radiación que llega directamente a la superficie de la tierra en línea recta y sin ninguna barrera en su perdida en sus ondas electromagnéticas

Figura 33.Componente de radiación directa del sol

Tomado de: (UPME & IDEAM, 2005)

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Donde I’ es la componente vertical de radiación directa del sol y h: la altura del sol, dependiendo de los siguientes factores ideales de radiación lo cual es poco probable

Una constante solar de 1,000 W/𝑚2.

Altura del sol

Transparencia en la atmosfera sin nubes y niebla

Radiación difusa: Es proveniente de la atmosfera a causa de la dispersión de la radiación del sol esta puede ser parte de 15% de la radiación a nivel global en días soleados, recibida principalmente por superficies horizontales dependiendo de los siguientes aspectos (UPME & IDEAM, 2005)

A mayor altura del sol, mayor será el flujo de radiación solar difusa

A mayor cantidad de partículas, mayor será la componente difusa por lo cual aumenta con la contaminación

Aumenta con presencia de capas de nubes blancas

Al aumentar la altura sobre nivel del mar la radiación solar difusa es menor, debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmosfera.

Radiación reflejada: Es aquella que es reflejada por la superficie, dependiendo principalmente del coeficiente de reflexión, por lo cual las superficies verticales son las que más la reciben.

Es por esto que existen diferentes herramientas de apoyo donde se puede conocer la radiación solar diaria que incide sobre la superficie dependiendo principalmente de la ubicación, estas herramientas calculan con mejor exactitud las estimaciones de las horas solares, permitiendo usar dicha información para diferentes campos de la ingeniería.

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4.3.1. Herramientas para la búsqueda de radiación solar

En las diferentes herramientas existentes para la obtención de datos de radiación solar, donde facilitan el sistema de información geográfica como lo es la radiación solar, algunas de estas herramientas son las siguientes:

Atlas de radiación de Colombia: Esta herramienta muestra específicamente el potencial energético que hay en los diferentes puntos de Colombia, con información de los valores promedios que inciden en la superficie por metro cuadrado, contiene 13 mapas uno por cada mes del año y otro que contiene el promedio anual de radiación, se desarrolló en base a información suministrada por las 383 estaciones meteorólogas que existen en el país de Colombia, presentando una convención de colores que establecen los rangos de radiación dependiendo a la ubicación indicada por puntos prestablecidos.

Figura 34.Mapa de radiación solar en Colombia

Tomado de: (UPME & IDEAM, 2005)

PVGIS: Es el Sistema de información geográfica Europea, desarrollada por el centro común de investigación Europeo y resultado de estudios de desempeños energéticos fotovoltaicos, como parte de sus investigación han proporcionado la plataforma web PVGIS, donde permite conocer estimaciones del rendimiento fotovoltaico, mapas de colores donde se referencia el nivel de radiación, también cuenta con una serie de herramientas que le permiten dar soluciones a proyectos como lo son: Potencial fotovoltaico para diferentes tecnologías de sistemas conectados a la red e independientes, Radiación solar y temperatura de ubicaciones específicas, datos meteorológicos para nueve variables climáticas, Mapas de los recursos solares para cada país y región.

Figura 35.Plataforma web PVGIS

Tomado de: (Centro Común de Investigación de la Comisión Europea, 2020)

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Nasa Power: Es un sistema predicción de los recursos energéticos a nivel mundial que ha desarrollado el programa de investigación ciencias de la tierra de la NASA, donde se han apoyado en la información satelital, proporcionando datos de gran importancia en donde se incluyen estimaciones climatológicamente promediadas y flujos de energía solar superficial, datos tomados con una alta precisión con el fin de entregar datos fiables sobre los recursos solares

El programa se centra también en proporcionar un fácil acceso a los datos y en entregar de manera sencilla la información consultada ya que esta tiende a generar archivos de datos muy grandes, los cuales usuarios con poca experiencia se les dificultaría la interpretación de estos, es por esto que la plataforma en sus últimas actualizaciones ha permitido entregar la información en conjunto de datos de fácil interpretación, para que estos sean usados en los diferentes campos de la ingeniería

Dentro de las funcionalidades con la que cuenta la plataforma, para su consulta se encuentran las siguientes, índices de radiación solar, aislamiento solar, geometría solar, sistemas de almacenamiento solar, descripción general de la meteorología, precipitación, humedad específica, presión superficial, entre otras para que en cada sector de la ingeniería sea consultada la información necesaria ya que es una plataforma de acceso libre.

Figura 36.Logo Nasa Power

Tomado de: (Nasa Power, 2020)

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4.3.2. Herramienta Nasa Power

Para conocer la Radiación solar que incide en la zona usando la herramienta de apoyo Nasa Power prediction of worldwide energy resources, pagina web facilitada por la Nasa para obtención de datos de radiacion solar entre otros, para su facil acceso podra dirigirse mediante el enlace https://power.larc.nasa.gov/ véase la (Figura 38).

Figura 37. Página Predicción de la Nasa Power sobre los recursos energéticos mundiales


Como siguiente paso se deberá ingresar a data Access véase la (Figura 38), que direccionara a una ventana de diferentes opciones en la que se seleccionara la opción Power Data Access Viewer .

Figura 38. Opciones de acceso a los datos


Al acceder a la opción anterior, llevará al usuario a otra ventana donde se muestra una interface de búsqueda de datos al lado izquierdo y de lado derecho se observará la ubicación de la zona en la que se está obteniendo los datos véase Figura 40. se realizará una serie de pasos para obtener los valores de irradiación del sector.

https://upcedu-my.sharepoint.com/personal/harryson-arias_upc_edu_co/Documents/,%20pagina%20web%20facilitada%20por%20la%20Nasa%20para%20obtención%20de%20datos%20de%20radiacion%20solar%20entre%20otros,%20para%20su%20facil%20acceso%20podra%20dirigirse%20mediante%20el%20enlace



https://power.larc.nasa.gov/

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Figura 39. Visor de acceso de datos


Elegir la opción de SSE-Energía Renovable. En el promedio temporal elegir la opción Climatología. Introducir los datos de Latitud y longitud encontrados anteriormente con la

herramienta de Maps 5.890673, -73.662529 Seleccionar los formatos ASCII y CSV (Formato de Excel). véase Figura 39. En la selección de parámetros requeridos, se seleccionara el folder de Tilted Solar

panels y a su vez la opción “solar irradiance for equator facing tilted” la cual indica que se desea conocer la radiación solar con los paneles solares mirando hacia la línea del ecuador véase Figura 41.

Figura 40. Acceso a los datos de los puntos


En el resultado de los datos, muestra un promedio de datos en Kwh/ 𝑚2/día de radiación durante el trascurso de los años 1900 al año presente para cada mes véase la Figura 42. En este documento los datos varían según el ángulo de inclinación del sistema, es por ello que encontramos diferentes filas de datos de irradiación.

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Para el caso de estudio la fila que más se recomienda para obtener los datos de irradiación es la “Tilted Surface latitude”, ya que en esta se tiene en cuenta la latitud del área de estudio como ángulo más ideal para la instalación de los paneles.

Figura 41. Datos de irradiación formato ASCII


Tabla 18. Datos de irradiación solar para el condominio Campestre la Sabaneta

IRRADIACIÓN SOLAR

MESES 𝑲𝑾𝒉/𝒎𝟐/𝒅𝒊𝒂

Enero 5.34

Febrero 4.98

Marzo 5.08

Abril 4.67

Mayo 4.66

Junio 4.79

Julio 4.93

Agosto 5.04

Septiembre 5.23

Octubre 4.94

Noviembre 4.93

Diciembre 5.08

Promedio Año 4.97

Tomado de: Elaboración propia resumen de datos obtenidos de (Nasa Power, 2020)

Para el dimensionando se toma en cuenta el mes con menor HSP (hora pico sol), para este

caso de estudio, el mes de mayo tiene 4.66 kwh/𝒎𝟐/día lo cual se aconseja realizar una corrección de media hora lo que equivale a (0.50), ya que estos sistemas de medición de irradiación solar pueden presentar pequeños de errores en su medida por lo cual a 4.66 -0.50 = 4.16 HSP el presente dato se tendrá en cuenta para el dimensionamiento del sistema.

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BATERÍAS

Las baterías son recargadas con la energía producida por el panel fotovoltaico atreves de un regulador de carga, quien es el que permite que estas sean recargadas, para seleccionar correctamente una batería se debe reconocer sus características las cuales se encuentran en la ficha técnica que proporciona el proveedor o fabricante en ella se identificaran las siguientes características:

4.4.1. Selección del voltaje del sistema y capacidad

Para la selección del voltaje en la que se hace un diseño, es importante conocer la potencia total que se conecta a las baterías, para el caso de estudio actual la carga es de 30W, teniendo en cuenta este valor y de una manera simplificada como se observa en la Tabla 19. Donde dependiendo del valor de potencia conectada se seleccionó el rango de potencia más adecuado, para este caso de estudio la potencia conectada son 30 W su sistema más óptimo será a 12 voltios ya que se encuentra en el rango de 0-700 watts (Silva, 2020)

Tabla 19.Selección del voltaje del sistema

RANGO DE POTENCIA SISTEMA

0-700 watts Sistema a 12 voltios

700 w-2400w Sistema a 24 voltios

>2400 w Sistema a 48 voltios


Capacidad de la batería

La capacidad de la batería es definida como la cantidad de electricidad que puede existir en una descarga completa, teniendo en cuenta que la batería se conserva en un estado total de su carga y vuelva a sus nivele óptimos, esta capacidad es medida en amperios (Ah),

La fórmula básica para calcular la capacidad de la batería se obtiene multiplicando el número de días de autonomía por el consumo diario esto dividió por la profundidad de descarga requerida. Véase la siguiente ecuación

𝑪 =𝐸 𝑋 𝑁

𝑉 𝑋 𝑃𝑑

(6)

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Donde:

E: consumo energético real

N: Número de días de autonomía de la instalación

V: Voltaje del sistema

Pd: profundidad de descarga

Remplazándolos valores en la ecuación

𝑪 =360 𝑤 𝑋 2

12 𝑣 𝑋 0.5= 𝟏𝟐𝟎 𝑨𝒉

(7)

Con el valor de la capacidad mínima que debe tener el banco de baterías se procede a seleccionar una batería de 150 Ah, teniendo en cuenta que esta debe ser de un valor comercial según la Tabla 16 para baterías de 12 voltios tipo AGM.

Valores comerciales de baterías

En el mercado de las baterías existen dos categorías de voltaje 12 V y 2 V, en la cual cada una maneja un rango de amperios hora

Las baterías a 12v son usadas principalmente para proyectos pequeños hasta medianos y las baterías de 2 v son usadas ocasionalmente para proyectos grandes

Tabla 20. Rango de corrientes para baterías de 12v y 2v

Batería RANGO DE CORRIENTE

12 Voltios 100Ah,150Ah,165Ah,200Ah,250Ah,300Ah

2 Voltios 300Ah-3000Ah


4.4.2. Características generales de una batería

Eficiencia de la batería

Se define como una relación para recargar la batería después de cada ciclo de uso, lo más ideal es que el valor este más cercano al 100% por lo general en el mercado de estas baterías cuentan con una eficiencia del 80% (0.8), cuando la eficiencia de una batería muy baja se tendrá que un mayor de paneles fotovoltaicos.

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Profundidad de descarga

La profundidad de descarga se define como la energía, obtenida de una batería durante un ciclo de descarga, teniendo en cuenta que la batería este totalmente cargada, está estrictamente relacionado con la vida útil de una batería ya que si los ciclos de descarga son cortos tendrá una mayor vida útil

Vida útil de la batería en ciclos de descarga

La vida útil de una batería se encuentra en las fichas técnicas que suministra el proveedor, como se observa en la Figura 43, entre más corto sea el ciclo de descarga de una batería mayor vida útil tendrá por lo general para el cálculo de arreglo de banco de las baterías se busca que como máximo sea un 50% de profundidad de descarga para que el ciclo de duración de estas sea medio.

Figura 42. Vida útil de una batería en ciclos

Tomado de: (Victron Energy, 2020)

Baterías con tecnología VRLA

El tipo de tecnología para baterías VRLA (Valve Regulated Lead Acid), si cuentan con esta tecnología serán libre de mantenimiento ya que por medio de las válvulas de seguridad abra un escape de gas en caso de una sobre carga o cuando un componente falle en ellas.(Victron Energy, 2020)

Tipo AGM Es una batería libre de mantenimiento y son más adecuadas para corrientes elevadas en periodos cortos, gracias a su reacción recombinada esta evitara fugas de hidrogeno y oxigeno gases que en baterías comunes son expulsados, son más recomendadas para climas con fríos extremos. Tipo GEL Es una batería libre de mantenimiento gracias a la tecnología VRLA, la cual usa electrolito gelatinizado, recombinada para que no exista una fuga de hidrogeno y oxígeno, es una batería que se puede ajustar cualquier posición y presentan mayores ciclos de vida útil por lo general son un poco más costosas que las AGM

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4.4.3. Dimensionamiento de banco de baterías para el sistema

Para siguiente procedimiento se tendrán en cuenta los datos consolidados en la Tabla 21. Explicando el paso a paso de la manera en la que se debe realizar dimensionamiento adecuado del sistema de banco de baterías.

Tabla 21. Datos para diseño de baterías

DATOS

Carga diaria promedio 360 W

Voltaje seleccionado para el sistema 12 voltios

Voltaje de cada batería 12 voltios

Profundidad de descarga de la batería 50% (0.50)

Días de autonomía 2

Capacidad de batería (amperios) 150 A


Paso 1.

Se debe tener en cuenta la carga diaria promedio Wh/día del sistema 360 Wh véase Tabla 17 y este valor dividiéndolo en el voltaje más adecuado para el sistema que para este caso son 12 v en referencia a la Tabla 17, obteniendo como resultado la carga diaria conectada promedio los amperios, este valor es variable para el tipo de luminaria que se seleccione.

𝐸𝑡 =

360

12= 30 𝑊 (8)

Tabla 22.Amperios hora/día promedio del sistema

Carga diaria promedio Wh/día

/ Voltaje del sistema

= Amperios hora/día

promedio

360 Wh/d 12 voltios 30 w


Paso 2

Conociendo el valor de los amperios h/día promedio se deberá definir los días de autonomía con los que se desea que funcione el sistema de iluminación, esto dividiéndolo por el límite de descarga de la batería que lo más aconsejable es un máximo del 50%(0.50), luego se deberá dividir este valor por la capacidad de (Ah) de la batería este valor es ajustable como

69

se explicó anteriormente, buscando que el valor complete la mayor capacidad de la batería para este caso de estudio el resultado obtenido fue de 0.8 lo cual nos indica que requiere de una sola batería.

Tabla 23.Numero de baterías en paralelo

Amperios

hora/día promedio

x Días de autonomía

/ Límite de descarga de la

batería

/ Capacidad de la batería (Ah)

= Numero de baterías en

paralelo

30 w 2 0.50 150 (Ah) 0.8 Tomado de: Elaboración propia

Paso 3

En el siguiente paso se multiplico el valor de las baterías en paralelo y en serie para tener un total de las baterías a implementar en nuestro caso de estudio se observa que solo se requiere una batería por luminaria

Tabla 24. Total, de baterías para el sistema

Voltaje del

sistema

/ Voltaje de cada

batería

= Baterías en serie

X Baterías en paralelo

= Número total de baterías

12 v 12 v 1 1 1 Tomado de: Elaboración propia

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PANELES SOLARES

El panel solar está conformado por células solares, conectadas eléctricamente y encapsuladas, su función principal es captar y aprovechar la energía solar esto recibe el nombre de modulo solar. Proporciona en su salida de conexión una tensión continua y estos valores son de (6V, 12V y 24V) que permiten determinar la tensión que manejara el sistema fotovoltaico.

Estas celdas están construidas en su parte superior de vidrio y aluminio permitiendo que haya la protección completa de algunas anomalías meteorológicas. Sabiendo que la última capa se constituye de una caja de conexión para poder sujetarlo. Ver Figura 44.

Figura 43. Capas de paneles solares.

Tomado: (OTECH)2020.

Los paneles solares se dividen en tres tipos:

Paneles monocristalinos: Estos paneles se pueden reconocer y diferenciar de los otros paneles ya que el color azul es el más oscuro, negro o gris oscuro, siendo colores muy homogéneos, los bordes son redondos esto da mayor eficiencia, su fabricación es de silicio, su alta pureza le permite tener mayor eficiencia en condiciones de poca luz. (Solar, 2020)

Paneles policristalinos: A diferencia de los paneles monocristalinos estos contienen distintos tonos azules, estás celdas están estructuradas en cristales, la fabricación de estas celdas emplea fundición de silicio (impurezas) y al ser fabricados con impurezas disminuye su eficiencia. también es vertido en moldes cuadrados y se disminuye en el número de fase cristalización.

Paneles de capa fina: Se presentan como una innovación económica, estéticamente atractiva y eficiente. Está constituido por varias capas de vidrio, el color es homogéneo marrón, su estructura es sin marcos hace que estos sean semiflexibles y pueden ser de láminas delgadas, son fabricados de algunos materiales como silicio amorfo, cobre, galio, indio y selenio

71

En la Figura 45 se observan los diferentes tipos de celdas sus diferencias físicas y técnicas de cada uno de ellos, los más utilizados por su eficiencia y los que son más comerciales en el mercado.

Figura 44. Tipos de paneles solares

Tomado de: (Escuela técnica superior de diseño) 2020

4.5.1. Características técnicas del panel solar

Al seleccionar un panel solar es importante conocer los datos eléctricos que proporciona el fabricante, con el fin de realizar una correcta implementación, en la ficha técnica del panel solar se podrán encontrar los parámetros con los cuales fue fabricado.

Potencia máxima:

En la ficha técnica se encontrará la potencia del panel fotovoltaico para el caso de estudio, se analizan los datos de un panel de 175 w, Dato el cual se deberá tener en cuenta al momento de realizar la configuración de conexiones en serie o en paralelo véase Tabla 25

Tabla 25. Conexión en serie o paralelo

Tipo de conexión característica

Conexión en serie Voltaje se suma Potencia se suma

Corriente será igual

Conexión en paralelo Voltaje será igual Corriente se suma Potencia se suma

Tomado de: Elaboración Propia

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Tensión de circuito abierto

La tensión de circuito abierto será el voltaje en los terminales cuando no cuentan con ninguna carga, es importante verificar este valor para conocer si el módulo se encuentra en perfecto estado su valor deberá ser próximo al de la ficha técnica para el caso de estudio será de 21.9 voltios.

Figura 45. Datos eléctricos paneles fotovoltaicos

Tomado de: (Victron Energy, 2020).

4.5.2. Diferencia de tecnología en los módulos fotovoltaicos

Tabla 26. Diferencias entre los tipos de celdas solares

Panel Policristalino Panel Monocristalino

Su valor es menor frente a las celdas monocristalinas

Su tipo de fabricación es más económica ya que el silicio implementado presenta algunas impurezas

Reduce su eficiencia ligeramente frente a la de los módulos monocristalinos.

Posee un color azulado heterogéneo

Presente un mayor coeficiente de temperatura frente al monocristalino, por lo que su rendimiento es mayor a altas temperatura

Se recomienda la instalación de paneles monocristalinos en climas fríos y nublados en condiciones donde la exposición solar no es muy alta

Tienen un mayor índice de eficiencia en el mercado del 16 -20%

Presenta un mayor costo por su composición de silicio de alta pureza

Presentan un menor rendimiento a altas temperaturas

Capacidad e producir mayor energía en menos espacio

Tomado de: Autor

73

4.5.3. Dimensionamiento del arreglo fotovoltaico

Paso 1

Teniendo en cuenta el valor de Ah mencionado anteriormente, este se dividió por la eficiencia de la batería el cual en la mayoría de casos son de un 80% (0.80), dato que proporciona el fabricante en su ficha técnica, luego de ello se dividio dicho valor por 4.16 HSP horas pico solares, este valor es la corrección de media hora (0.50) que se le realizo al dato tomado en la Tabla 15 del mes más crítico durante el año, obteniendo como resultado la corriente pico que deberá asumir el arreglo fotovoltaico. (Silva, 2020)

Tabla 27. Corriente pico del arreglo fotovoltaico

Dimensionamiento para paneles solares

Ah promedio

día

/ Eficiencia de la batería

/ Horas pico sol día = Corriente pico del arreglo

fotovoltaico

30 w 0.8 4.16 9.01


Paso 2

Como siguiente paso se tomó el resultado de la corriente pico y se dividió por la corriente máxima (Imp.) del módulo, esta información se encontrará en la ficha técnica del panel fotovoltaico seleccionado y deberá ser suministrada por el proveedor o fabricante, obteniendo como resultado la cantidad de módulos que irán conectados en paralelo

Tabla 28. Numero de módulos en paralelo

Corriente pico del arreglo

fotovoltaico

/ Corriente Max del módulo fotovoltaico

= Módulos en paralelo

9.01 9.56 1


Paso 3

Para determinar el toral de módulos se divido el voltaje del sistema seleccionado el cual fue 12v, por el voltaje nominal del panel fotovoltaico multiplicándolo por el valor de los módulos en paralelo y se obtendrá la cantidad total de paneles que requiere dicho sistema

Tabla 29. Total, de módulos fotovoltaicos

Voltaje CD del sistema

/ Voltaje nominal del

modulo

= Módulos en serie

x Módulos en paralelo

= Total módulos

12 12 1 1 1


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REGULADOR DE CARGA

En el proceso de conversión de la energía solar en energía eléctrica mediante el uso de celdas fotovoltaicas posen una compleja relación ya que son diferentes variables que se deberán regular, como lo es la temperatura la radiación y la resistencia produciendo una curva de salida no lineal entre corriente – tensión, es por esto que es de vital importancia a que al variar los parámetros climáticos también varía la curva de comportamiento del sistema y es en ese instante donde el regulador adquiere relevancia.

Regulador de carga es un conversor de potencia que se ubica entre los paneles solares y las baterías, este dispositivo controla el flujo de energía que circula entre estos dos componentes del sistema fotovoltaico evitando situaciones de sobrecarga y sobre descarga de la batería evitando perjudicar el sistema, además el regulador tiene la capacidad de bloquear la corriente inversa y asegurar una carga óptima para la batería.(Silva, 2020)

4.6.1. Etapas de trabajo de un regulador

Estos controladores manejan tres etapas de trabajo mencionados a continuación:

Etapa Bulk: Esta es la primera etapa cuando la batería se encuentra descargada por lo cual el controlador suministra corriente a la batería a una máxima intensidad hasta que este alcance los niveles de tensión necesarios y una vez la batería se encuentre cargada a un 90% reduce la corriente de carga y se sitúa en niveles de tensión de 14.4v a 14.8v, si el controlador no se encargara de esta etapa inicial los paneles fotovoltaicos podrían llegar a destruir una batería por sobrecarga.

Etapa Absorción: En la etapa de absorción ya cuando la batería está casi completamente cargada la corriente se disminuye lentamente hasta que la batería llegue a un 100% de carga y mantendrá los niveles de tensión por encima de los 14v, con la finalidad de recuperar bien los electrolitos perdidos en una descarga profunda.

Etapa Flotación: En esta etapa la batería se encuentra con una carga del 100%, la corriente proveniente de los paneles solares ya no ingresa a las baterías evitando sobre cargas en ellas y se mantendrá en potenciales bajos con un nivel de tención de 13.8 V y este no variará más del 1% según lo especificado por el fabricante.

75

Figura 46. Etapa de trabajo de un regulador solar

Tomado de: (Calculosolar, 2020)

El control del flujo de energía será controlado por el regulador con el fin de alargar la vida útil de las baterías y asegurar un manejo adecuado de las cargas constantemente, en el mercado del reguladores o controladores de carga existes dos tipos de reguladores que varían en su gestión de energía los cuales son:

Regulador PWM:

Modulación por ancho de pulso estos controladores forzaran a los módulos fotovoltaicos a trabajar bajo al mismo voltaje que la batería, utilizando siempre el voltaje que requiere la batería es decir si el módulo fotovoltaico en el momento de trabajo está generando 18 v y las baterías funcionan a 12 v el controlador solo suministrara los 12 voltios de la batería y los 6 v restantes no serán aprovechados

MPPT (Maximum Power Point):

El regulador MPPT o seguidor de punto de máxima potencia es un conversor de corriente continua a corriente continua DC/DC, tiene la capacidad de leer la salida del voltaje que genera el panel solar y compararlo con el voltaje de la batería para así determinar cuál sería la mejor potencia que el panel puede proporcionarle a la batería para ser recargada, maximizando y aprovechando la tensión generada por los paneles y obteniendo el mejor amperaje para la batería, estos reguladores cuentan con una eficiencia del 93%-97% obteniendo ganancias mayores que otros reguladores .

76

Conversor DC/DC

El conversor DC/DC o Buck transforma un voltaje de entrada el cual no está regulado en un voltaje de salida regulado, pero siempre siendo inferior al de la entrada, su método de control se basa en frecuencias de trabajo fijas y modulación PMW Modulación de ancho de pulso la cual podrá ser programada con un microcontrolador

funcionamiento básico de este tipo de conversores consiste en 3 pasos lo cuales son conmutación, elemento de acumulación de energía y filtrado de señal.

En el bloque de conmutación se encarga de segmentar la señal de entrada según la frecuencia y el ciclo de trabajo, la acumulación de la energía se regirá por el primer bloque cuando este determine que debe ser liberada hacia la carga del sistema y por último el filtrado de la señal conmutada. (S. Cuestas, 2014)

Figura 47.Conversor Buck

Tomado de: (Delgado Flores, 2016)

El circuito del conversor buck se compone de:

Diodo: El diodo permitirá que la corriente fluya atreves del circuito. Interruptor de alimentación o llave electrónica: Este interruptor es generalmente

un transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor son usados para el control de dispositivos electrónicos de potencia, ya que su capacidad de soportar corrientes en el orden de decenas de amperes y voltajes en el orden de KV.

Inductor y capacitor: los cuales se encargan de hacer el filtrado de la señal de salida.

Resistencia: es la carga de la salida en la etapa de potencia.

77

Dependiendo de la radiación solar daría el sistema se modificara el valor medio de la señal misma técnica implementada para el control de velocidad de un motor, ya que esta modulación PMW se basa en modificar el tiempo de trabajo de una onda cuadrada para periodos constantes, técnica la cual es también usada para el control de velocidad de un motor, esta modulación es generalmente generada por el micro controlador, en base a algoritmos de control de punto de máxima potencia(S. Cuestas, 2014) Figura 48.PWM ancho de pulso

Tomado de: (S. Cuestas, 2014)

En el siguiente plano esquemático se muestra el sistema de completo de un regulador MPPT en donde se encuentra se encuentran el bloque de potencia y el bloque de control Figura 49.Esquema de un regulador MPPT

Tomado de: (S. Cuestas, 2014)

78

4.6.2. Dimensionamiento del Regulador

A continuación, se demuestra dos métodos parta el dimensionamiento de un regulador que cumpla con las características del sistema, teniendo en cuenta los valores ya obtenidos

Método 1

En la selección de un regulador se debe garantizar un 25% como factor de seguridad entre la potencia máxima de los paneles solares y el regulador, es por esta razón que siempre se debe calcular el número de paneles solares antes de calcular el regulador utilizando la siguiente ecuación.

𝑁𝑟 =

(𝑁𝑝𝑝 𝑥 𝐼𝑝) + (𝑁𝑝𝑝 𝑥 0.1)

𝐼𝑟

(9)

Donde:

Nr: número de reguladores

Npp: Numero de paneles en paralelo

Ip: intensidad pico del panel seleccionado multiplicado por 25% como factor de seguridad

Ir: Intensidad máxima del regulador

𝑁𝑟 =(1 𝑥 10.24) + (10.54𝑥 0.1)

15𝐴= 0.853 = 1 𝑅𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑑𝑒 15𝐴

(10)

Método 2

Para este método se tomó la corriente de corto circuito (ISC) del panel fotovoltaico seleccionado anteriormente, y ser multiplicado por el número de paneles solares en paralelo (Dato obtenido anteriormente en el diseño del arreglo fotovoltaico).

El valor debe ser multiplicado por un factor de seguridad o de corrección del 1.25 es decir un 25% más para evitar que el mayor pico de corriente afecte el controlador, al realizar la operación se obtendrá el tamaño del controlador de carga.

79

Tabla 30. Dimensionamiento del controlador

DIMENSIONAMIENTO DE CONTROLADOR

Corriente de corto circuito

del panel seleccionado

(Isc)

X Módulos en

paralelo

X Factor de seguridad

= Corriente de corto

circuito del arreglo

Controlador necesario

10.24 1 1.25 12.8 15 A Tomado de: Autor

Al obtener el valor de corriente de corto circuito del arreglo, el cual es el tamaño del controlador es importante mencionar que los fabricantes diseñan los controladores en una escala de 10-15-20-30-40 Amperios progresivamente, es por ello que se deberá seleccionar el más próximo y para este caso el más cercano es de 15 Amperios.

Regulador MPPT 75/15

El Regulador seleccionado, para este tipo de arreglo fotovoltaico de luminarias es el modelo BlueSolar MPPT 75/15 de marca Victron Energy

Este controlador es de tipo MPPT con una corriente de carga de 15 A y una tensión de paneles de 75 v cuenta con un seguimiento ultrarrápido del punto máximo de potencia y cuenta con opciones de configuración de atenuaciones de iluminación para brindar un menor consumo de corriente de las baterías, esto gracias a que es compatible para su configuración con dispositivos bluetooth o cable VE.Direct de salida digital, al igual permite la programación de sus parámetros de funcionamiento por medio de la aplicación Victron Energy y obtener un seguimiento del estado de cada uno de los componentes del sistema.

Figura 50. Regulador de carga solar blue solar MPPT 75/15


80

Las características del regulador se encuentran en la ficha técnica que deberá ser proporcionada por el fabricante o proveedor véase Anexo I y se deberá revisar las características técnicas como lo muestra la siguiente tabla:

Tabla 31. Especificaciones técnicas del controlador

Características del controlador

Modelo MPPT 75/15

Tensión de la batería 12/24V

Corriente de carga nominal 15A

Potencia nominal de Fv 220 W

Corriente de corto circuito máxima 15 A

Tensión máxima del circuito abierto Fv 75V

Eficiencia máxima 98%

Tensión de carga absorción 14.4V/28.8V (ajustable)

Tensión de carga flotación 13.8V/27.6V (ajustable)

Temperatura de trabajo −30℃ + 60℃

Dimensiones mm 100X113X50

peso 0.6 Kg

Tomado de:(Victron Energy, 2020)

Este regulador cuenta con la capacidad de ajustar automáticamente la tensión nominal de la batería sin importar la tensión a la que se encuentre el sistema, y mejora la capacidad de recoger la energía hasta un 30%, cuenta con una eficiencia del 98%, también protegerá la batería contra una descarga profunda cortando el paso de corriente y contra un corto circuito

Configuración del regulador

Para reducir el consumo energético que las luminarias generan, se realizó una configuración de atenuación automática en el controlador seleccionado con el fin de maximizar la autonomía de la batería esta atenuación se podrá realizar de diferentes maneras, se aconseja 4 horas con una iluminación al 100%, 4 horas con una iluminación al 66% y 4 horas con una iluminación al 33% , para un total de 12 horas de uso.

Dentro de los ajustes del controlador podrá verificar y modificar los diferentes modos de operación:

Función de puerto Tx : se podrá configurar "Atenuación de la luz (normal)" o "Atenuación de la luz PWM dirigida en porcentaje de iluminación según la hora, como se mencionó

81

anteriormente se podrá establecer un porcentaje de iluminación cada 4 horas, mientras no haya una demanda de usuarios en la zona

Función de alumbrado público: "ON", configure el programa de temporizador como desee para su aplicación teniendo en cuenta si la atenuación es normal o PWM.

Figura 51. Ajustes del sistema de operación con Victron Energy


4.6.3. Interfaz de la aplicación Victron Energy

Dentro de la aplicación de Victron Energy disponible para dispositivos móviles, Windows y Mac el operario podrá verificar el estado de cada componente que integra el sistema solar de iluminación, como lo es tensión y corriente de los paneles fotovoltaicos, tensión y corriente de las baterías, el estado de la luminaria y su consumo el sistema facilita un histórico de sus datos los cuales son descargables para su análisis, esto permitiendo en verificar si el sistema presenta perdidas por elevaciones de temperatura u otros factores.

Figura 52. Interfaz de control de datos del controlador


82

CALIBRE DEL CABLEADO PARA LA INSTALACIÓN Y PROTECCIONES

Cuando se realiza la selección del se considera las máximas caídas de tensión en cada sección del sistema véase la Tabla 32.

Tabla 32.Caídas de tensión

SECCIÓN VALORES ADMISIBLES MAXIMOS

RECOMENDADOS

PANELES SOLARES-REGULADOR

3% 1%

REGULADOR -BATERÍAS 1% 0.5

REGULADOR-LUMINARIA 1% 1%

Tomado de: (Alvarado, 2015)

Para el cálculo correcto del calibre del cableado, se usará la siguiente ecuación.

𝑠(𝑚𝑚2) =

2𝑥𝑙𝑥𝑖

𝑘𝑥∆𝑣 (11)

Donde:

l: longitud

k: conductividad

i: corriente

∆𝒗: caída de tensión en cada tramo

4.7.1. Panel solar – Regulador

Teniendo en cuenta la tensión máxima del panel solar V= 12v se calcula la caída de tensión según la recomendación de la Tabla 29 es del 3%, la cual será

∆𝒗: 12v x 0.03 = 0.36 v

(12)

Reemplazando en la siguiente ecuación se consideró la corriente máxima que puede producir el panel seleccionado (Impp) esta será encontrada en la ficha técnicas del fabricante del panel fotovoltaico para este caso es de 9.56 A y se aproxima a 10 A como margen de seguridad, la longitud entre el panel fotovoltaico y el regulador es de 2m. (Ruedas Cardeas, 2019)

83

𝒔(𝒎𝒎𝟐) =

2𝑥2𝑚𝑥10𝐴

56𝑥0.36𝑣

𝒔 = 1.98 (𝑚𝑚2)

(13)

El valor 1.98 (𝑚𝑚2) es un valor que según la tabla de conductores eléctricos AWG donde deberá aproximarse a la sección geométrica para lo cual corresponde a un calibre de 14 en la norma AWG

Batería - Regulador

Para hallar el calibre entre la batería y el regulador se tendrá en cuenta los siguientes datos L=1m distancia entre la batería y el regulador i=10A corriente (Impp) y V= 12 voltaje al cual está trabajando la batería con una caída de tensión del 1% según recomendación de la Tabla 25, remplazando la información en la siguiente tenemos

∆𝒗: 12v x 0.01 = 0.12 v

Conociendo la caída de voltaje en eta sección y reemplazando en la siguiente ecuación:

𝒔(𝒎𝒎𝟐) =2𝑥1𝑚𝑥10𝐴

56𝑥0.12

(14)

𝒔 = 2.96 𝑚𝑚2

El valor 2.96 (𝑚𝑚2) es un valor que según la tabla de conductores eléctricos AWG donde deberá aproximarse a la sección geométrica para lo cual corresponde a un calibre de 9 en la norma AWG

84

4.7.2. Protecciones para el sistema fotovoltaico

Una vez se conocen los valores nominales de los equipos con ayuda de las fichas técnicas se procede al cálculo de las protecciones para el sistema.

Al ser sistema de corriente continua, se conectará al conductor de la línea positiva (+), como objetivo de proteger el panel el regulador la batería

Figura 53.Símbolo de interruptor termo magnético unipolar

Tomado de:(Alvarado, 2015)

Interruptor termo magnético el panel solar y el regulador

Para el cálculo del interruptor termo magnético entre el panel solar y el regulador el valor de corriente de corto circuito se define por la siguiente ecuación:

𝑰 𝒊𝒏𝒕𝒆𝒓𝒓𝒓𝒖𝒑𝒕𝒐𝒓 𝟏 = 𝑰𝒔𝒄 𝒅𝒆𝒍 𝒑𝒂𝒏𝒆𝒍

𝐼𝑠𝑐 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙 = 𝐷𝑎𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑎𝑏𝑟𝑖𝑐𝑎𝑛𝑡𝑒

(15)

𝑰 𝒊𝒏𝒕𝒆𝒓𝒓𝒓𝒖𝒑𝒕𝒐𝒓 𝟏 = 10.24 𝐴

Interruptor termo magnético entre el regulador y la batería

Entre el regulador y la batería, se tomará I panel multiplicado por el factor de 1.1

𝑰 𝒊𝒏𝒕𝒆𝒓𝒓𝒓𝒖𝒑𝒕𝒐𝒓 𝟐 = 𝑰 𝒑𝒂𝒏𝒆𝒍 (16)

𝑰 𝒊𝒏𝒕𝒆𝒓𝒓𝒓𝒖𝒑𝒕𝒐𝒓 𝟐 = 𝐼 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙 ∗ 1,1 (17)

𝑰 𝒊𝒏𝒕𝒆𝒓𝒓𝒓𝒖𝒑𝒕𝒐𝒓 𝟐 = 9.56𝐴 ∗ 1,1

𝑰 𝒊𝒏𝒕𝒆𝒓𝒓𝒓𝒖𝒑𝒕𝒐𝒓 𝟐 = 10.516 𝐴

85

Interruptor termo magnético entre el regulador y la carga

Para el interruptor termo magnético que se instala entre el regulador y la carga, se tuvo en cuenta la carga conectada al sistema para este caso la luminaria led de 30 W y el voltaje del sistema siguiendo la siguiente ecuación.

𝑰 𝒊𝒏𝒕𝒆𝒓𝒓𝒖𝒑𝒕𝒐𝒓 𝟑 =

𝑪𝒂𝒓𝒈𝒂 𝒊𝒏𝒔𝒕𝒂𝒍𝒂𝒅𝒂

𝑽𝒐𝒍𝒕𝒂𝒋𝒆 𝒅𝒆𝒍 𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒎 (18)

𝑰 𝒊𝒏𝒕𝒆𝒓𝒓𝒖𝒑𝒕𝒐𝒓 𝟑 = 30 w

12 V

𝑰 𝒊𝒏𝒕𝒆𝒓𝒓𝒖𝒑𝒕𝒐𝒓 𝟑 = 2.5A

4.7.3. Instalación del sistema

Para una correcta instalación del regulador se recomendó el uso de un gabinete con protección contra el agua, dentro de este gabinete se ubica la batería y el controlador. Desde el controlador saldrán 6 cables identificados por color negro (-)n y rojo(+) de corriente directa, los cuales un par de ellos irán a la batería otro par a los paneles fotovoltaicos y el último par ira conectado a la carga ( luminaria led), se recomienda realizar la conexión con ayuda de dos bornes porta fusible montadas sobre un riel omega con el fin de proteger la batería y el panel fotovoltaico véase la Figura 54 para una mayor comprensión diagrama de conexión.

Tabla 33.Resumen componentes del sistema

Características Valor

Panel solar

Potencia 175 w

Voltaje de salida 12V

Numero de paneles 1

Corriente de salida 9.56 A

Batería

Voltaje de salida 12 v

Amperios/hora 150 Ah

Numero de baterías 1

86

Característica valor

Regulador

Voltaje de salida 12 v

Corriente máxima 15A

Eficiencia 98%

Luminaria

Potencia 30 W

Temperatura de color 4000 k

Grado de protección conjunto óptico IP66/IP66

Eficacia 145 l/W

Interruptor termo magnético 15A, 5A

Tomado de: Autor

En la Figura 55 se muestra el diagrama de conexión del sistema de iluminación

Figura 54. Diagrama de Conexión del sistema de iluminación

Tomado de: Autor

87

4.7.4. Validación del sistema fotovoltaico

Para la validación del sistema se usó dos software de uso libre, el primer software Solar Pro dimensionamiento de componentes fotovoltaicos de la entidad casa solar (Silva, 2020), se implementó con la finalidad de comprobar que los componentes fueron dimensionados correctamente y el segundo software PVGIS mencionado también en la sección de radiación solar, el cual también funciona para conocer el HSP horas pico solares, se implementó para analizar el rendimiento del sistema fotovoltaico diseñado obteniendo como resultado porcentajes de descargas de baterías, energía media no capturada y energía media faltante.

Solar pro

Para el uso de este software es importante ingresar los datos correctos en base a los conceptos mencionados anteriormente, ya que el programa realiza los cálculos correspondientes a los datos ingresados, se tuvo en cuenta la latitud y longitud del lugar donde se realizó el dimensionamiento fotovoltaico, potencia de la carga conectada, horas de trabajo, características del panel fotovoltaico, días de autonomía del sistema y capacidad de la batería seleccionada

Figura 55.Software Solar Pro

Tomado de: (La Escuela Casa Solar, 2020)

88

En el análisis de resultados obtenidos con el software se obtuvo la siguiente información véase Figura 57. Como primer dato relevante se obtuvo la recomendación de ángulo de orientación de los paneles fotovoltaicos ya que este no cuenta con sistema de rotación variable sino fija, el ángulo de orientación siempre será muy próximo al valor de latitud donde se ubique el proyecto, también se obtuvo el número de baterías en paralelo y en serie lo cual para este caso es 1, ya que el sistema es de una carga pequeña y no requiere de más baterías interconectadas entre sí.

Para el número de paneles solares policristalinos, en serie y paralelo los datos de corrientes suministrados en el software pertenecen a un panel de 175 w, para lo cual en la tabla de resultados cumple con la demanda de energía para este sistema y solo requiere una unidad con estas características.

Figura 56.Resultados software Solar Pro

Tomado de:(Silva, 2020)

En el tamaño del controlador como resultado obtuvimos que es necesario un regulador de 9.47 A, para la cual como se mencionó en la sección de dimensionamiento del regulador se escogerá uno igual o mayor a la capacidad mencionada, también es importante mencionar que a este valor se deberá multiplicar por 1.25 como factor de seguridad por sobre picos de corrientes del sistema, para el breaker y también llamado interruptor termo magnético los valores obtenidos también son similares, el software nos permite confirmar que la selección de los componentes y los criterios mencionados en esta guía permiten realizar un sistema de iluminación correctamente.

89

PVGIS

El software PVGIS nos permitió analizar el rendimiento del sistema y confirmar que su funcionamiento fuera optimo, para el uso de esta herramienta es necesario tener información puntual del proyecto como Latitud: 5.890 Longitud: -73.659, ya que el programa cuenta con bases de datos de HSP horas pico solares, y realizara los cálculos de manera automática.

Figura 57.Interfaz de software PVGIS para análisis de rendimiento


Potencia FV pico instalada: Potencia del panel fotovoltaico con el cual se trabajó en el proyecto para este caso un panel de 175 W polycristalino

Capacidad de la batería: Para este dado el sistema lo solicita en términos de Wh, vatios hora, si en vez de este dato se dispone del voltaje de la batería, 12 v y la capacidad de la batería en amperios hora Ah se podrá calcular de la siguiente manera:

90

𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑒𝑡𝑖𝑐𝑎 = 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑥 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑

(19)

𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑒𝑡𝑖𝑐𝑎 = 12𝑣 𝑥 150 𝐴ℎ = 1800𝑊ℎ

Limitador de descarga: el valor empleado para limite descarga de la batería se estipulo en el dimensionamiento en un 50%.

Consumo diario: En el consumo diario tenemos 360 w

Figura 58.Producción estimada para el sistema fotovoltaico


En los resultados de simulación obtenidos se tiene que el Angulo de inclinación sugerido es de 6 grados, como se mencionó en la guía el ángulo más óptimo para el sistema es correspondiente a la latitud donde se desarrolló el proyecto, también según los resultados se aprecia que la batería estará en un 98.5 cargada todos los días, en el porcentaje de energía media no capturada tenemos 275 w lo cual quiere decir que mi panel fotovoltaico está produciendo más energía y el sistema no la esta se está capturando en su totalidad, pero el sistema no tiene en cuenta los que ha sido diseñado con 2 días de autonomía, es decir por un evento diferente en el clima como días nublados u otras perturbaciones climáticas que impidan una radiación optima en el sector.

Cada diseño fotovoltaico será diferente ya que depende de diferentes variables como potencia de carga, horas pico solares, días de autonomía punto de ubicación etc, los proyectos se dimensionarán en cumplimiento a las regulaciones luminotécnicas, que ya han sido establecidas para brindarle la seguridad a los usuarios pero pueden variar en cuanto horas de trabajo de los equipos de iluminación, días de autonomía y esto variara los valores de los componentes seleccionados en un sistema fotovoltaico.

91

5. CONCLUSIONES

En este proyecto, se desarrolló una guía teórica practica de iluminación y alumbrado público, logrando diseñar un sistema de iluminación en cumplimiento al capítulo 5 de la normativa RETILAP (Reglamento técnico de iluminación y alumbrado público) en zonas ecológicas tropicales, del municipio de Puente Nacional Santander, por primera vez.

Además, se realizó un reconocimiento inicial del área, con el fin de establecer las características y los niveles de iluminación correspondientes a el área ecológica también para saber que sombras que inciden en el entorno a causa de los arbustos, determinando un correcto funcionamiento de los paneles solares sin ningún tipo de obstáculo que impida que la radiación llegue directamente a ellos.

Se tuvieron en cuenta factores de seguridad, perdidas por temperatura, correcciones HSP horas pico sol, y fue validado con ayuda de diferente software como Nasa Power, PVGIS y solar pro, generando una alta confianza a la metodología de dimensionamiento utilizada en el presente proyectos

Por otro lado, se recomendó el uso de luminarias led para este tipo de proyectos a futuro, debido a que el flujo luminoso que estas emiten por unidad de energía es mayor, mitigando las emisiones de CO2.

Sin embargo, es importante tener en cuenta que los criterios determinados en este proyecto de iluminación pueden variar para proyectos futuros, ya que las variables serán siempre diferentes en su ubicación y potencia de carga, por tanto, esta guía permitirá guiar a otras entidades en el proceso de dimensionamiento del sistema.

El Condominio Campestre la Sabaneta, tomado como caso de estudio, presenta buenos niveles de radiación solares durante todo el año, lo que favorece el desarrollo de proyectos con energía fotovoltaica

Para este sistema no es necesario el uso de un inversor de onda pura, ya que todo el sistema funciona con corrientes DC-DC y no se manejan corrientes Ac.

92

6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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96


CÓDIGO DE PROYECTO: PG-20-2-04

ANEXOS


CÓDIGO: 1511006





BOGOTÁ, D.C.

2021

97

Anexo A. Reconocimiento del área Condominio Campestre La Sabaneta

Vista aérea zona ecológica del condominio campestre la Sabaneta

Tomado de: Autor

Senderos peatonales de la zona ecológica del condominio campestre la Sabaneta

Tomado de: Autor

98

Lago del condominio campestre La Sabaneta

Tomado de: Autor

99

Anexo B. Planos de la zona ecológica del condominio campestre la sabaneta

Tomado de: (Condominio campestre la Sabaneta, 2020)

Tomado de: Autor

100

Anexo C. Características técnicas de las luminarias

Datos ópticos

Temperatura de color 4000K

Flujo luminoso nominal máximo 5075 lm

Atenuable SI

Vida útil estimada 1000000h

Eficacia 145 lm/w

Reproducción de color (IRC) >70

Consistencia del color SDCM<5

Datos eléctricos

Potencia de entrada 30 w

Corriente máxima 0.17 A

Factor de potencia 0.95

Tipo de driver Corriente constate

Datos físicos

Acabado RAL7004

Grado de protección conjunto óptico/ eléctrico

IP66/IP66

Grado de protección contra impactos IK08

Dimensiones(LXWXH) 591X278X110 mm

Chasis Aluminio inyectado

Peso 6.5

Tomado de:(Sylvania, 2020)

101

Anexo D. Diseño 3D en Dialux

Elaborado en: (DIALux, 2020)

102


103


104

Anexo E. Resultados de iluminancia del sendero ecológico


105


106

ANEXO F. Ubicación de las luminarias


107


108


109

ANEXO G. Características técnicas de baterías de Gel AGM

12 Volt Deep Cycle AGM Especificaciones generales

Ah V Dimensión mm

Peso Kg

CCA RES CAP

Tecnología

240 6 320x176x247 31 Capacidad nominal: descarga en 20h a 25°

Duración de vida en flotación 7-10 años a 20°

Duración de vida en ciclos

400 ciclos 80%

600 ciclos 50%

1500 ciclos 30%

8 12 151x65x101 2.5

14 12 151x98x101 4.1

22 12 181x77x167 5.8

38 12 197x165x170 12.5

60 12 229x138x227 20 450 90

66 12 258x166x235 24 520 100

90 12 350x167x183 27 600 145

110 12 330x171x220 32 800 190

130 12 410x176x227 38 1000 230

165 12 485x172x240 47 1200 320

220 12 522x238x240 65 1400 440

12 volt deep cycle GEL

Ah V Dimensión mm

Peso Kg

CCA RES CAP

Tecnología

60 12 229x138x227 20 300 80 Capacidad nominal: descarga en 20h a

25°

Duración de vida en flotación 12

años a 20°

Duración de vida en ciclos

400 ciclos 80%

750 ciclos 50%

1800 ciclos 30%

66 12 258x166x235 24 360 90

90 12 350x167x183 26 420 130

110 12 330x167x220 33 550 180

130 12 410x176x227 38 700 230

165 12 485x172x240 48 850 320

220 12 522x238x240 66 110 440


110

ANEXO H. Ficha técnica paneles solares

DESCRIPCIÓN PESO NOMINAL Max- PODER voltaje

Max poder

current

Voltaje de

circuito abierto

Corriente corto

circuito

PMPP VMPP IMPP VOC ISC

kg W V A V A

20W-12v 1.9 20 18.4 1.09 21.96 1.18

30W-12V 2.8 30 18.2 1.66 21.80 1.80

45W-12V 3.1 45 19.1 2.36 22.90 2.55

60W-12V 4 60 19.3 3.12 23.90 3.37

90W-12V 6.1 90 19.5 4.61 23.44 4.98

115W-12V 8 115 18.94 6.08 22.73 6.56

175W-12V 12 175 18.3 9.56 21.9 10.24

260W-20V 17 260 30 8.66 36.75 9.30

270W-20V 18.4 270 31.7 8.52 38.04 9.21

330W-24V 22.5 330 37.3 8.86 44.72 9.57


111

ANEXO I. Ficha técnica controladora Victron energy

Regulador solar MPPT 75/10 MPPT75/15 MPPT 100/15 MPPT100/20

Batería voltaje 12/24V 12/24/48

Nominal PV power 12 V

10A 15A 15A 20A

Nominal PV power 24V

145W 220W 220W 290W

Nominal PV power 48V

290W 440W 440W 580W

Max, PV voltaje de circuito abierto

75 V 100 V

Eficiencia 98%

DIMESINSIONES 100X113X40 mm 100x113x50 100x113x60

peso 0.5 kg 0.6 0.65
