Embed Size (px)
Citation preview
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA APLICACIÓN ELECTRÓNICA PARA EL
AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN UNA VIVIENDA DEL SECTOR RURAL
UTILIZANDO UNA ENERGÍA ALTERNATIVA
JUAN CARLOS CARDONA GÓMEZ
DIEGO MAURICIO HERNÁNDEZ PORRAS
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA CALI
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
SANTIAGO DE CALI
2013
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA APLICACIÓN ELECTRÓNICA PARA EL
AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN UNA VIVIENDA DEL SECTOR RURAL
UTILIZANDO UNA ENERGÍA ALTERNATIVA
JUAN CARLOS CARDONA GÓMEZ
DIEGO MAURICIO HERNÁNDEZ PORRAS
INFORME PROYECTO DE GRADO
Presentado a:
Comité Programa de Ingeniería Electrónica
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA CALI
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
SANTIAGO DE CALI
2013
NOTA DE ACEPTACIÓN
Mg. Juan Carlos Cruz Ardila Director de Proyecto
Jurado 1
Jurado 2
Santiago de Cali, Junio de 2013
AGRADECIMIENTOS
Primeramente a Dios, quien fue nuestro guía en el camino de nuestra formación como
Ingenieros electrónicos y nos permitió llevar a cabo satisfactoriamente esta etapa de
formación.
A nuestros padres, quienes nos brindaron las herramientas necesarias y el apoyo
incondicional para nuestra formación como profesionales.
Al Ing. Juan Carlos Cruz Ardila, que como Docente, Director y Compañero nos brindó su
colaboración constante en nuestra formación profesional y durante todo el desarrollo de
nuestro Proyecto de Grado.
JUAN CARLOS CARDONA GÓMEZ
DIEGO MAURICIO HERNÁNDEZ PORRAS
TABLA DE CONTENIDO
Pág.
0 INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………. 1
1 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO……………………………………………………… 2
1.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA……………………………………………………. 2
1.2 OBJETIVOS…………………………………………………………………………. 3
1.2.1 Objetivo General ……………………………………………………………. 3
1.2.2 Objetivos Específicos……………………………………………………….. 3
1.3 JUSTIFICACIÓN. …………………………………………………………………… 4
2 MARCO DE REFERENCIA……………………………………………………………… 5
2.1 ESTADO DEL ARTE……………………………………………………………….. 5
2.2 MARCO TEÓRICO…………………………………………………………………. 13
2.2.1 Energías Renovables……………………………………………………….. 13
2.2.1.1 Energía solar………………………………………………………… 14
2.2.1.2 Energía Eólica………………………………………………………. 15
2.2.1.3 Energía de Biomasa………………………………………………... 15
2.2.1.4 Energía Hidráulica………………………………………………….. 16
2.2.1.5 Energía Geotérmica………………………………………………... 16
2.2.2 Selección de la Fuente de Energía Renovable a Utilizar………………... 18
2.2.3 Sistemas Fotovoltaicos y Almacenadores de Energía…………………... 19
2.2.3.1 Elemento de captación de la energía solar……………………... 20
2.2.3.1.1 Tipos de paneles solares………………………………. 20
2.2.3.1.2 Características de los paneles………………………… 23
2.2.3.2 Estructura soporte…………………………………………………. 25
2.2.3.3 Elemento de almacenamiento de energía……………………… 25
2.2.3.3.1 Principio de funcionamiento…………………………… 26
2.2.3.3.2 Tipos de baterías……………………………………….. 28
2.2.3.4 Elemento de Regulación………………………………………….. 30
2.2.3.4.1 Tipos de reguladores de carga……………………….. 31
2.2.3.5 Elemento de transporte de energía……………………………… 33
2.2.3.6 Elemento de protección…………………………………………… 35
2.2.4 Coeficiente de Rendimiento……………………………………………… 37
2.2.4.1 Calculo del Coeficiente de Rendimiento………………………… 37
2.2.5 Uso Consciente de la Energía Eléctrica………………………………….. 38
3 DESARROLLO DEL PROTOTIPO……………………………………………………. 40
3.1 Descripción de la Operación del Sistema Fotovoltaico………………………... 40
3.2 Identificación de Variables………………………………………………………... 41
3.3 Caracterización del Sistema Fotovoltaico………………………………………. 42
3.3.1 Estimación de las Cargas a Alimentar…………………………………... 43
3.3.2 Dimensionamiento de los Componentes del Sistema…………………. 44
3.4 Diseño del sistema de generación eléctrica Fotovoltaico…………………….. 46
3.4.1 Construcción del Prototipo………………………………………………... 46
3.4.2 Equipos del Sistema Fotovoltaico…………………………….…………... 48
3.4.2.1 Sistema de Transferencia Eléctrica….………….……………….. 48
3.4.2.2 Regulador de Carga Solar…………….……….………………….. 53
3.4.2.3 Panel Solar………………………………………………………….. 56
3.4.2.4 Batería de Ciclo Profundo……………..………………………..... 57
3.4.2.5 Luminarias………………………………….………………………… 58
3.4.2.6 Dispositivo de rectificación………………………………………… 59
4 VALIDACIÓN DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO……………………………………… 60
4.1 Pruebas Técnicas de los Dispositivos……………………………………………. 60
4.1.1 Determinación de Perdidas en los conductores…………………………. 60
4.1.2 Operación del Regulador STECA………………………………………..... 61
4.1.3 Operación del sistema de Transferencia Eléctrica………………………. 62
4.2 Pruebas Operacionales del Sistema Fotovoltaico……………………………… 64
5 CONCLUSIONES……………………………………………………………….………… 66
6 BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………..…………… 69
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Tipos de Paneles Solares………………………………………………………. 21
Figura 2. Conexión Serie de Paneles…………………………………………………….. 22
Figura 3. Conexión Paralela de Paneles………………………………………………… 23
Figura 4. Batería de Plomo-ácido……………………………..……………………… 26
Figura 5. Componentes Batería de Plomo-ácido……………………………………… 29
Figura 6. Control de Carga en Paralelo………………………………………………….. 32
Figura 7. Control de Carga en Serie……………………………………………………… 32
Figura 8. Panel Solar Cableado a una Batería…………………………………………. 34
Figura 9. Sistema de Puesta a Tierra……………………………………………………. 36
Figura 10. Diagrama de Bloques Sistema Fotovoltaico…………………………….. 41
Figura 11. Sistema Fotovoltaico Desarrollado ……………..………………………… 47
Figura 12. Diagrama de Bloques Sistema de Transferencia………...………………. 49
Figura 13. Circuito Sistema de Transferencia…….………………………………….... 50
Figura 14. Estados del Sistema de Transferencia en Display………………………… 51
Figura 15. IC Sensor ACS714ELECTR-20A ………………………………………….. 51
Figura 16. Pin Out ACS714ELECTR-20A…………………………………………….. 52
Figura 17. Salida de Voltaje Versus Corriente Sensada ACS714ELECTR-20A….… 52
Figura 18. Regulador Solar STECA……………………………………………………... 53
Figura 19. Panel Fotovoltaico SIEMENS………………………………………………. 56
Figura 20. Batería DUNCAN Power Solar……………………………………………... 57
Figura 21. Luminaria PHOCOS CLD12………………………………………………… 58
Figura 22. Dispositivo de Rectificación………………………………………………… 59
Figura 23. Conexiones Evaluación de pérdidas en conductores………………….. 60
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Comparación Entre las Diferentes Fuentes de Energía Renovables…...….. 17
Tabla 2. Velocidad del Viento y Radiación Solar en el Sur del Valle del Cauca.…….. 18
Tabla 3. Tipos y Características de Baterías…………...……………………………….. 28
Tabla 4. Estrategias de Ahorro Energético………………………………………………. 39
Tabla 5. Cargas del Sistema Fotovoltaico……………………………………………….. 44
Tabla 6. Calculo de Capacidad del Generador y el Acumulador……………………… 44
Tabla 7. Equipos del Sistema Fotovoltaico…………………………………………….... 46
Tabla 8. Ficha Técnica Regulados STECA……………………………………………….. 54
Tabla 9. Indicaciones LED Regulador STECA…………………………………………… 55
Tabla 10. Ficha Técnica Panel Solar ASM150P_12V…………………………………… 56
Tabla 11. Ficha Técnica Batería DUNCAN……………………………………………….. 57
Tabla 12. Características Técnicas Luminaria PHOCOS CLD12.……...…………….. 58
Tabla 13. Datos Técnicos Dispositivo de Rectificación.……...……………………..…. 59
Tabla 14. Perdidas en Conductores con Tensiones DC……………………………….. 60
Tabla 15. Indicaciones LED´s Regulador STECA……………………………………….. 61
Tabla 16. Estados de Control Sistema de Transferencia…………………………….... 63
Tabla 17. Prueba operacional tiempo de descarga de batería…………………………. 64
RESUMEN
En el presente proyecto se realiza una investigación acerca de los diferentes tipos de
energías alternativas disponibles en nuestro país, para conocer las características de
cada una de ellas y evaluar su utilización en la zona sur del Valle del Cauca. Encontrando
que la energía solar y la eólica son las más adecuadas por las condiciones geográficas de
este territorio, lo cual conlleva a evaluar entre estas dos opciones, la más adecuada para
el desarrollo de un sistema de generación eléctrica en una vivienda del sector rural del
Municipio de Jamundí. Escogiendo finalmente la energía solar por presentar diferentes
ventajas frente a la eólica en cuanto a instalación y mantenimiento.
El proyecto fue desarrollado en pro y junto al grupo de investigación LEA de la
Universidad de San Buenaventura Cali, dentro del proyecto macro de la construcción de
una vivienda ecosostenible. Por motivos de tiempos y necesidad de presentar resultados
como proyecto de grado, se plantea la opción de realizar la implementación del sistema
de generación mediante energía fotovoltaica, en un prototipo a escala para el laboratorio
de energías de la Facultad de Arquitectura de nuestra Universidad.
Después de realizarse la selección de la energía solar se procede a evaluar las opciones
de implementación para su aplicación en una vivienda, encontrando una limitante en el
alto costo de implementación de los sistemas fotovoltaicos, lo cual enfoca el desarrollo del
proyecto hacia un objetivo adicional que consiste en la reducción de costos para la
implementación de este tipo de sistemas.
Es en el desarrollo de este objetivo que se decide realizar el desarrollo de la aplicación
para la iluminación de la vivienda y el suministro de energía para un computador o
televisor según la frecuencia de uso. Además se decide innovar en cuanto a la
implementación de los sistemas fotovoltaicos convencionales sustrayendo la etapa de
Inversión y utilizando luminarias con tensiones de operación de 12 VDC, lo cual reduce
costos significativamente.
Aclarando que en el mercado de los sistemas fotovoltaicos que ha venido ampliándose
significativamente en los últimos tiempos ya se cuenta con electrodomésticos (Neveras,
Televisores, Lámparas, Radios) que operan con tensiones de 12 y 24 VDC, lo cual lleva a
hacer innecesaria la utilización de los sistemas de Inversión.
El desarrollo del proyecto se encuentra documentado en 4 capítulos principales, que
siguen el siguiente orden:
El primer capítulo realiza una breve descripción del proyecto, donde se plantea la
problemática, los objetivos y su justificación. El segundo capítulo presenta un estado del
arte de la temática de energías alternativas y un breve resumen de estas, junto a un
enfoque teórico sobre la energía alternativa escogida para el proyecto que es la energía
Solar. El tercer capítulo presenta el desarrollo del prototipo, explicando su funcionamiento
y características técnicas, incluyendo cada uno de los dispositivos escogidos. El cuarto
capítulo muestra las pruebas realizadas y los resultados obtenidos con el desarrollo del
proyecto.
Finalmente se realiza la evaluación de los equipos necesarios para la implementación del
sistema fotovoltaico y se procede a realizar su implementación en un tablero didáctico
para el Laboratorio de Arquitectura, el cual permite realizar conexiones, manipulación y
clases didácticas para los sistemas de iluminación de viviendas, permitiendo así que los
estudiantes de dicha facultad se relacionen y conozcan acerca de los nuevos sistemas de
generación de energía eléctrica.
1
INTRODUCCIÓN
Las energías alternativas están presentes en el día a día aunque muchas veces se
desconozca por la humanidad. Además de ser totalmente gratuitas son energías limpias y
protectoras del medio ambiente, es por ello que diferentes entidades protectoras
incentivan y apoyen el uso de este tipo de energías, que se adaptan cada una de ellas a
una región geográfica, brindando unas más aprovechamiento que otras.
Hoy en día se constituyen como una alternativa eficiente e importante los sistemas
fotovoltaicos, que permiten aprovechar la radiación solar presente en el ambiente para la
generación de energía eléctrica, especialmente en aplicaciones en las que se requiere
alimentar dispositivos eléctricos en áreas no interconectadas o donde las condiciones de
distribución de este recurso se hacen más costosa e incluso imposible.
La comercialización de estos sistemas ha venido aumentando los últimos años, gracias a
que con los avances en tecnología se han podido reducir costos de los equipos que
conforman un sistema fotovoltaico, pero aun así siguen siendo costosos en la etapa de
implementación y es por ello que uno de los alcances que se pretende con el desarrollo
del proyecto es reducir los costos de un sistema fotovoltaico, para además de generar un
ahorro en la parte del consumo de una red eléctrica, se genere un ahorro en la
implementación de estos sistemas.
A pesar de los altos costos que han tenido los sistemas fotovoltaicos, en muchos casos
imposibles para una comunidad del sector rural, en nuestro país y demás países como
México, España, Panamá, se han realizado implementaciones de este tipo, financiados
parcial y totalmente por entidades protectoras del medio ambiente e incluso entidades
gubernamentales.
2
1. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO
1.1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
La energía ha tenido presencia en el desarrollo de la humanidad, y desde mucho antes de
ser conocida por el hombre, rigiendo todos los procesos de la vida cotidiana, por lo que no
es sorprendente que con todos los descubrimientos técnicos y científicos, esta se haya
convertido en un recurso imprescindible.
El hombre a través de su existencia se ha valido de recursos que le brinden confort en su
diario vivir, como es el caso de la energía eléctrica que tiene un papel muy importante en
el desarrollo de la sociedad, brindándole acceso a avances tecnológicos que traen
consigo recreación, entretenimiento, educación, entre otros, pero demandando un mayor
consumo de energía. Cabe destacar que la energía eléctrica debe ser generada,
transportada, distribuida, medida y facturada, por una empresa especializada, siendo esta
la principal beneficiada del incremento en los consumos.
Hoy en día en una vivienda se encuentra por lo menos un dispositivo que para su
funcionamiento requiera el uso de energía eléctrica, por lo que en algunos casos se
presenta una alta demanda y hasta desperdicio cuando hay una cantidad considerable de
estos dispositivos. Dicho desaprovechamiento afecta en mayor proporción al sector rural y
estratos bajos, que aunque tengan tarifas subsidiadas, sufren incrementos en los costos,
pagando así por la demanda de consumo generada por otros sectores despreocupados
por el alto valor en el pago del servicio de energía.
Al desarrollar este proyecto se pretende reducir el consumo de energía de la red pública
en una vivienda del sector rural y cargar una parte de la red de la vivienda, ya sea tiempo
completo o en los tiempos de mayor consumo, a un sistema de generación y
almacenamiento de energía privado, contribuyendo así con un proyecto social que genere
un ahorro económico a los habitantes del sector rural y un beneficio ambiental, todo esto
en conjunto con el grupo de investigación (LEA) de la Universidad de San Buenaventura
Cali, en su proyecto de viviendas ecológicas.
3
¿Qué aplicación electrónica, utilizando energía alternativa, es la más adecuada para
disminuir el costo del consumo de energía eléctrica suministrado por una red pública a
una vivienda del sector rural?
1.2. OBJETIVOS
1.2.1. Objetivo General
Diseñar e implementar una aplicación electrónica, utilizando una energía alternativa, para
disminuir el costo del consumo de energía eléctrica suministrado por una red pública a
una vivienda del sector rural del municipio de Jamundí.
1.2.2. Objetivos Específicos
• Realizar una investigación completa sobre los diferentes tipos de energías alternativas que se pueden utilizar en Colombia para la generación de energía eléctrica.
• Identificar y definir dentro de los tipos de energías alternativas, la más adecuada para
la implementación en una vivienda del sector rural en el departamento del Valle del Cauca.
• Diseñar y desarrollar una aplicación electrónica para la generación de energía eléctrica
utilizando una fuentes de energía alternativa. • Implementar la aplicación electrónica desarrollada, en una vivienda ubicada en el
sector rural del departamento del municipio de Jamundí. • Validar el funcionamiento de la aplicación electrónica y confirmar que se generó un
ahorro en el consumo de energía de la red pública por parte de la vivienda.
4
1.3. JUSTIFICACIÓN
Generalmente una vivienda está alimentada eléctricamente por una red pública de una
empresa que es la encargada de comercializarla pero no siempre brinda un buen servicio
o buenos precios, especialmente para el sector rural.
Actualmente existen cantidad de mecanismos convencionales de generación de energía
eléctrica, la cual no está presente en la naturaleza, sino que es el resultado de un proceso
de transformación, como la energía química, mecánica, hidroeléctrica, etc. Pero en los
últimos tiempos se han realizado avances tecnológicos que permiten la generación de
energía utilizando como fuentes primarias el agua, el sol, los flujos de viento, las mareas,
etc.
Estas fuentes se están renovando constantemente y si no se utilizan en beneficio del
hombre, se transforman y se degradan de otra forma, dejando pasar un elemento que
brinda la naturaleza, tal vez para evitar los daños que conllevan el utilizar fuentes de
energía no renovables.
Por lo cual es de gran importancia dar un buen uso y aprovechamiento de los recursos
naturales, y a la vez obtener un beneficio tan importante para el hombre como lo es la
generación de energía eléctrica, lo que significa un ahorro en el consumo de energía de la
red pública y hasta en algunos casos la independencia eléctrica de la vivienda con dicha
red.
5
2. MARCO DE REFERENCIA
2.1. ESTADO DEL ARTE
El estudio de las energías renovables actualmente se presenta como una herramienta de
gran utilidad debido a la escasez de las fuentes de energía convencionales, que se han
venido explotando desde hace ya varios años sin pensar que ello conllevaría a la
humanidad a un punto en el cual se agotarían dichos recursos.
Es por ello que hoy en día ya diferentes entidades gubernamentales han comenzado a
impulsar el estudio y ejecución de proyectos basados en energías renovables, que son
aquellas que se están produciendo de forma continua y son inagotables para la
humanidad, entre ellas las más importantes son: Eólica, Solar, Hidráulica y Biomasa. Este
tipo de fuentes de energía son conservativas del medio ambiente, no queriendo decir con
esto que no sea perjudicial para su entorno, pero estos efectos negativos son demasiado
pequeños si se comparan con los impactos ambientales que conllevan el uso de las
fuentes de energía convencionales (petróleo, gas, carbón), anotando además que dichos
efectos negativos por parte de las energías renovables son casi siempre reversibles (Diaz
Narvaez & Diez Cardona, 2007).
Es difícil establecer una línea de tiempo exacta que determine el instante en el que se
descubrió la posibilidad de aprovechar los recursos naturales e inagotables para
aplicaciones en beneficio del hombre como: un medio de locomoción, calefacción para un
hogar, o simplemente transformar la energía encontrada en el medio ambiente en la
energía que hoy en día se ha vuelto imprescindible para el día a día de la humanidad.
Dentro de las primeras aplicaciones de estas energías renovables se encuentra el
transporte, teniendo como principal ejemplo a la navegación a vela, para lo cual se
empleaba la energía eólica presente en una marea permitiendo impulsar navegaciones a
vela.
6
Posteriormente otra aparición fueron los molinos de viento y los molinos de agua en los
que se asentaban las primeras bases en la generación de Energía Hídrica. Al mismo
tiempo se iban desarrollando avances en ingeniería que buscaban ubicar las edificaciones
de manera estratégica para el aprovechamiento de la energía solar durante el día.
Pero con la llegada de la Revolución Industrial todos estos progresos se vieron dejados
de lado, por lo que se presentó una gran demanda en el uso de combustibles fósiles
(eRENOVABLE, 2011).
Profundizando en cada una de las energías renovables se observa que uno de los
principales tipos de energía a partir de la radiación solar es la energía solar fotovoltaica,
cuyo efecto fue reconocido por primera vez en 1839 por el físico francés Alexandre
Edmon Becquerel y sus estudio sobre el espectro solar, la electricidad, óptica y
magnetismo sol el pilar científico de esta energía (Markvart, 2001).
En el año 1883 Charles Fritts, un inventor norteamericano, creó la primera celda solar que
tenía una eficiencia del 1%, que fue construida utilizando un material semiconductor como
el Selenio acompañado de una capa de oro muy delgada. Pero su uso se restringió
únicamente a sensores de luz en la exposición de cámaras fotográficas debido a su alto
costo de fabricación (Pacheco, 2010).
Hoy en día se utilizan celdas de Silicio que provienen de la patente del inventor
norteamericano Russell Ohl que se realizaron en 1946 aunque la celda fue construida en
1940. La época moderna de la celda de Silicio llega en 1954 en los Laboratorios Bells,
donde de manera accidental al realizar un experimento con materiales semiconductores
se encontró la gran sensibilidad a la luz por parte del Silicio con algunas impurezas. Y
estos avances contribuyeron a la producción comercial de celdas fotovoltaicas,
alcanzando una eficiencia del 6% (Pacheco, 2010) (Jofra, 2010).
La primera utilización práctica de la generación de energía con celdas fotovoltaicas fue en
los dos primeros satélites geoestacionarios de URSS en el año 1957 y USA un año
después en febrero de 1958. La celda de Silicio entra en el escenario de la industria y
7
empieza el desarrollo comercial buscando siempre una mejor eficiencia (Pacheco, 2010)
(Jofra, 2010).
A pesar del éxito que presentó la tecnología fotovoltaica a nivel espacial, los costos de
estos paneles seguían siendo bastante altos para comercializarlos y crear aplicaciones a
nivel terrestre. Lo cual cambió cuando a comienzos del año 70, el Doctor Elliot Berman
creó una célula solar mucho menos costosa, utilizando un silicio con un grado menor de
pureza y unos materiales de encapsulado más baratos. Fue ahí donde apareció la primera
celda conocida comercialmente que estaba instalada en una calculadora (Pacheco, 2010)
(Jofra, 2010).
Ya en los años 80 surgieron diferentes iniciativas para la electrificación de las sociedades
de los países menos favorecidos y aparecen las primeras casas con electrificación
fotovoltaica en los países más desarrollados. En los años 90 y a comienzos del siglo XXI,
las celdas fotovoltaicas experimentaron y siguen experimentando una reducción en su
precio, además de presentar mejoras en su eficiencia y evitarse costos de mantenimiento
y transporte de las líneas eléctricas. Gracias a estos factores y a la necesidad de algunos
gobiernos por buscar nuevas fuentes de energía, esta tecnología ha tenido un gran
avance e impulso en la generación de electricidad por radiación solar. También se ha
introducido este tipo de energía en los sistemas de carga para baterías de artículos
portátiles como teléfonos móviles, cámaras fotográficas, reproductores de música, etc
(Pacheco, 2010) (Jofra, 2010).
La energía eólica tuvo sus inicios en los molinos de viento utilizados para bombear agua u
moler granos, después de estos fueron apareciendo diferentes variaciones de estos
molinos como los rotores de 3 y cuatro aspas. Acompañado de los avances tecnológicos
los molinos convencionales fueron modernizados, implementando mecanismos internos,
convirtiéndolos en equipos mecánicos con un alto grado de automatización (Rodriguez,
2004).
Los actuales generadores eólicos toman sus bases del inventado en 1925 por el ingeniero
Francés Darrieus, que fue patentado en Estados Unidos y se retomaron sus estudios en
8
Canadá en 1973 y en Estados Unidos a partir de 1975. Actualmente en Estados Unidos
los laboratorios Sandia en Alburquerque y Nuevo México estudian y comercializan los
molinos de viento Darrieus.
El primer aerogenerador fue construido en 1929 en Francia, pero sufrió una ruptura
debido a una violenta tormenta. Posterior a ello otra compañía electromecánica construyó
un aerogenerador de 20 metros de diámetro pero de igual manera fue destruido por las
fuertes ráfagas de viento.
En 1931 en Crime Rusia frente al mar muerto, se puso en funcionamiento un
aerogenerador de 30 metros, del cual se esperaba una generación de 100 kW para una
base rusa, pero solo se obtuvieron cerca de 32 kW.
A principios de los años 70, diferentes regiones de Norteamérica al estar enfrentados a
problemas de abastecimiento de energía dieron inicio a un amplio programa de
explotación de la energía eólica. En esos momentos se estimaba que el costo de proveer
energía eléctrica con esta energía renovable sería igual o menor al de una central térmica
(Sacristan, 2001) (Muñoz, 2002).
De estos desarrollos pudo concluirse que el uso del recurso eólico está limitado al estudio
del impacto de esta fuente, en la región precisa donde se desee implementar dicha
tecnología y a consideraciones de los equipos a utilizar, contemplando su robustez y
aguante a las condiciones climáticas.
Dentro de los proyectos desarrollados con energías renovables se encuentra, que el país
con más desarrollo en estas fuentes de energía es España, tanto con proyectos
académicos y gubernamentales como también con empresas ya establecidas que
brindan los servicios de electrificación con energías alternativas y comercialización de
equipos para estas instalaciones.
En el artículo publicado por Cayetano Espejo Marín (Marín, 2004), se manifiesta
nuevamente que España a principios de los años 90 presentó una gran expansión en el
aprovechamiento del recurso eólico para la generación de electricidad. Gracias a la
9
disponibilidad de zonas con potencial eólico y las políticas de apoyo a estas energías, se
han presentado grandes desarrollos a nivel industrial y tecnológico, lo cual convierte a
España en líder mundial en potencia instalada, donde ocupa el tercer puesto detrás de
Alemania y Estados Unidos (Marín, 2004).
Los diferentes trabajos académicos desarrollados, que toman como temática la
generación de energía eléctrica para viviendas, utilizan principalmente energía solar
fotovoltaica y se basan en unos estudios de factibilidad previamente realizados. Dentro de
estos proyectos se encuentran trabajos de grado de la Universidad de Cataluña en
Barcelona en el año 2009, donde se realizó la instalación de una planta fotovoltaica en
una vivienda y la construcción de otra vivienda en una zona rural totalmente sostenible,
basados en estudios previos y simulaciones que permitieron determinar la viabilidad y
ventaja en costos y reducción de contaminación al utilizar la energía fotovoltaica en lugar
de la electrificación convencional (Perez, 2009) (Arias Navarro, 2009).
Otro proyecto de la universidad de Cataluña fue la instalación para el ahorro de energía y
agua en una vivienda unifamiliar situada en Sant Gregori (Girona), que comprende la
instalación de un sistema de captación de energía solar térmica analizando las
necesidades energéticas y de calefacción además de la instalación de un sistema de
energía solar fotovoltaico con conexión a la Red Eléctrica, que permitió la venta del KW/h
a la Red eléctrica pública (Rojo Gallardo, 2010).
En la India también se han desarrollado diferentes proyectos con energías renovables,
principalmente la energía fotovoltaica debido a sus condiciones geográficas, la mayoría
de estos buscando alimentar eléctricamente sistemas para limpieza de agua, permitiendo
así brindar agua potable a diferentes comunidades. Una de las empresas dedicadas a
estos proyectos y con gran fuerza en la India es Punjab Energy Development Agency, que
ha desarrollado diferentes proyectos utilizando energías renovables como la
hidroeléctrica, la biomasa y la fotovoltaica (McNelis, 2007).
California es un estado que también cuenta con sistemas de generación de energía
fotovoltaicos desde hace ya varios años, por lo cual observaron la necesidad de
10
desarrollar estudios para medir la eficiencia de los sistemas fotovoltaicos, debido a que se
conoce que están instalados y generando un beneficio pero no se tienen datos concretos
del ahorro y generación de energía, entre estos estudios se tiene uno llamado “¿Just How
Big Is a 2 kW Photovoltaic System?”, en el cual se mide el desempeño en campo de 19
sistemas fotovoltaicos instalados en California, recogiendo datos netos de producción de
energía, potencia de salida e impacto sobre las cargas del sistema eléctrico público entre
1999 y 2001 (Scheuermann, 2003).
En Colombia, hacia el año 2005 la Unidad de Planeación Minero Energética, en conjunto
con el Instituto de Estudios Medioambientales IDEAM, publicó el Atlas de radiación solar y
el Atlas de viento, que son los documentos oficiales de estos recursos energéticos en el
país. En este documento se encuentran registrados los valores de referencia del recurso
energético para el desarrollo de sistemas de energía solar y energía eólica en Colombia
(UPME & Energia, 2005).
Las aplicaciones más difundidas en Colombia son el calentamiento de agua y la
generación de electricidad a pequeña escala. Otras menos difundidas son el secado solar
de productos agrícolas y la destilación solar de agua de mar u otras aguas no potables.
Entre estas aplicaciones se encuentra que por la crisis del petróleo en 1973, las
universidades de los Andes, la Nacional de Bogotá, la Universidad del Valle, entre otras,
sentaron las bases para la instalación de calentadores domésticos solares y otros
calentadores más robustos para hospitales o cafeterías. Para la generación de energía se
presentaron desarrollos con sistemas fotovoltaicos que generalmente han estado dirigidos
hacia las zonas rurales o zonas no interconectadas, uno de ellos fue el Programa de
Telecomunicaciones Rurales de Telecom a mediados de 1990 con la asistencia técnica
de la Universidad Nacional.
Esta tecnología presenta grandes perspectivas en Colombia, teniendo en cuenta que
cerca de 1 millón de familias carecen del servicio de energía eléctrica en el sector rural.
En proyectos realizados en este sector, el sistema convencional para un hogar ha
constado de un panel solar de 50 a 70 Wp (Watts pico), una batería entre 60 y 120 Ah y
11
un regulador de carga, suministrando energía para iluminación, radio y TV cubriendo las
necesidades realmente básicas de los campesinos (Murcia, 2008).
Desde el año 2007 la Universidad Autónoma de Occidente dio inicio en su campus
universitario a un proyecto de energías renovables, mediante el cual le apunta a la
generación de energía con fuentes renovables, que remplacen la energía eléctrica que se
utiliza actualmente proveniente de fuentes no renovables. Para ello utilizando sus
experiencia en este tema, ha abierto las puertas prestando asesoría y apoyo en proyectos
similares.
La Institución inició su recorrido en el tema de las energías renovables con la creación de
un Laboratorio de Energías Alternativas y la instalación de un Sistema Solar Aislado en el
Laboratorio de Vapor, que provee de energía eléctrica al sistema de iluminación del
laboratorio. Esta iniciativa fue desarrollada como proyecto de grado de Fabián Díez y
Hedier Díaz del programa de Ingeniería Eléctrica en el 2007 (Diaz Narvaez & Diez
Cardona, 2007).
Para darle continuidad a los proyectos los ingenieros Yuri Ulianov López y Carlos Borrero
instalaron en el Campus Universitario de la Autónoma de Occidente la estación ambiental
'Weather Station Vantage pro2 Plus' que consta de un grupo de sensores, una consola
receptora y un software que permiten registrar distintas variables ambientales como
radiación solar, humedad relativa, presión barométrica, dirección y velocidad del viento,
temperatura, cantidad de lluvia y rayos ultravioleta, entre otras (Sánchez & Orozco, 2009).
La universidad estudia la posibilidad de instalar otra estación meteorológica similar a la
que tiene en su campus, en el Jardín Botánico de Cali para cubrir esa zona de la ciudad y
registrar las variables meteorológicas (MinEducacion Nacional, 2007).
Luis Gerardo Cortes y John Edison Montañez, estudiantes de ingeniería eléctrica de la
Universidad de La Salle en Bogotá, en el año 2010, también observaron la necesidad de
suplir de energía a las zonas no interconectadas, expresando que a pesar del crecimiento
12
gradual de demanda de energía y la venta de energía a otros países, el 66% del territorio
nacional no se encuentra interconectado, es por ello que plantean en su trabajo de grado
realizar el diseño y estudio de tecnologías renovables (solar, biomasa y eólica) para el
suministro de electricidad en zonas no interconectadas ( Montañez & Cortes, 2010).
En el año 2011 el Ingeniero Yuri Ulianov López, profesor de la Universidad Autónoma de
Occidente, desarrolló un documento sobre el Análisis de recurso solar y eólico en
Colombia, en el cual detalla y compara con el documento oficial de energías renovables
en Colombia, la intensidad y recurso de estas energías en el territorio Nacional.
Encontrando que sobre la mayor parte del territorio colombiano la incidencia de radiación
global tiene un promedio de 4 y 4,5 kWh/m2 por día, especialmente en la región Andina y
la Amazonia. Lo cual demuestra que Colombia por su posición geográfica, cuenta con una
gran disponibilidad del recurso solar. Mientras que por otro lado para el recurso eólico, los
valores promedios medidos en las regiones no interconectadas se clasifican de acuerdo a
su intensidad, donde la zona con menor intensidad de promedios de vientos fue
clasificada con menor de 3 m/s, la siguiente es una zona más pequeña con promedios
entre 3 y 5 m/s. y por último, se tiene una región muy pequeña con promedios entre 5-8
m/s, caracterizando casi toda Colombia con un recurso eólico poco aprovechable (Lopez,
2011).
En La Guajira, las Empresas Públicas de Medellín (EPM) a principios del 2004,
implementaron un parque eólico que constaba de 15 generadores en una zona con
velocidad promedio de vientos de 8,01 m/s y forman parte del Sistema Interconectado
Nacional. Dirigido más como un programa de responsabilidad social empresarial que
trajera consigo beneficios a los usuarios. Desde el punto de vista energético, su impacto
sobre la oferta total de electricidad fue insignificante (0,1%) y en ningún año pudieron
generarse los megavatios esperados (EPM, Gerencia Generación Energía, 2006)
(Betancur, 2009).
En cuanto al marco jurídico que rige el uso y comercialización de las energías renovables,
en octubre 3 de 2011 se sancionó la ley 697, que mediante sus artículos 1, 9 y 10
13
fomenta el uso racional y eficiente de la energía, se promueve la utilización de energías
alternativas y se dictan otras disposiciones. Esta ley define como propósito nacional
avanzar hacia la utilización de fuentes renovables en pequeña escala y particularmente,
brinda apoyo a la investigación básica y aplicada, buscando que con el tiempo, se
reduzcan costos y se amplíe la capacidad de energías como la eólica, la solar, la
geotérmica o la de biomasa.
La Ley 788 del 27 de Diciembre de 2002, con el artículo 18 presenta un beneficio, al
eximir del impuesto a la renta a las compañías dedicadas a la venta de energía con
fuentes renovables, durante quince años, condicionado a que se obtengan los certificados
de reducción de emisiones de carbono previstos en el Protocolo de Kioto, los cuales
generan ingresos a los empresarios (Betancur, 2009).
2.2. MARCO TEÓRICO
2.2.1. Energías Renovables
Se consideran como energías renovables a aquellas que se están produciendo de forma
continua y son inagotables para la humanidad, pero si no son utilizadas en su beneficio,
se transforman y se degradan de otra forma. Entre las más importantes se encuentran: las
fuentes Eólica, Solar, Hidráulica y Biomasa. Este tipo de fuentes de energía se
caracterizan por ser conservativas del medio ambiente, no queriendo decir con ello que no
sea perjudicial para su entorno, pero los efectos negativos que implican son demasiado
pequeños al compáralos con los impactos ambientales que conllevan el uso de las
fuentes de energía convencionales. Cabe anotar que además dichos efectos negativos,
por parte de las energías renovables, son casi siempre reversibles (Diaz Narvaez & Diez
Cardona, 2007).
El agotamiento de las fuentes de energía convencionales ha llevado a una gran cantidad
de países del mundo a encontrar soluciones en energías alternativas. Colombia, gracias a
14
su posición geográfica, cuenta con un gran potencial en la generación de este tipo de
energías por lo que actualmente presenta avances en el desarrollo de estas.
En Colombia la producción de energía primaria proviene de la hidroelectricidad, por la
abundancia de agua en la mayoría de zonas del país, y en un segundo lugar de los
combustibles fósiles (petróleo, gas y carbón), cuyas reservas ya se están agotando.
Según La Unidad de Planeación Nacional Minero Energética (UPME), las energías
renovables cubren actualmente cerca del 20% del consumo mundial de electricidad
(UPME & Energia, 2005).
Las energías alternativas provienen de recursos que están relacionados con los ciclos
naturales del planeta, haciendo posible que se disponga del recurso de manera
permanente. Cada una de las energías implica diferentes tipos de tecnologías con las
cuales se obtiene energía en forma de electricidad, fuerza motriz, calor o combustibles.
Se pueden clasificar en los siguientes grupos principales: Energía Solar, Energía Eólica,
Energía de la Biomasa, Energía Hidráulica y Energía de la Geotermia (MinEducación,
2008).
2.2.1.1. Energía solar
Esta es la fuente primaria de luz y calor en la tierra, es por ello que se puede considerar
como una fuente renovable utilizando la radiación solar que llega a la tierra. Se
caracteriza por no generar emisiones contaminantes y ser silenciosa, además, de tener la
gran facilidad de adaptarse al paisaje urbano para su integración y montaje. Presenta
también una gran aplicación en zonas rurales aisladas en donde existe una gran dificultad
para el acceso de las energías convencionales.
En el territorio Colombiano se puede generar a mayor escala en zonas como Magdalena,
La Guajira, san Andrés y Providencia (MinEducación, 2008).
15
2.2.1.2. Energía Eólica
El viento es el resultado del movimiento del aire, que se presenta como forma indirecta de
la energía solar al ser proveniente de la misma fuente. El movimiento de las masas de
aire es generado por las diferencias de temperatura causadas por la radiación solar en la
tierra. Cuando el aire se calienta, su densidad se hace menor y sube, mientras que las
capas frías descienden, así se establece una doble corriente de aire.
Esta energía que proviene de las corrientes de viento puede transformarse en energía
eléctrica mediante aerogeneradores o en fuerza motriz empleando molinos de viento.
Presenta como desventajas que la velocidad del viento es variable, los aerogeneradores
producen ruido y afectan la vida silvestre, no se integra de manera óptima al paisaje y
requiere constante mantenimiento.
En el territorio Colombiano, la zona norte cuenta con un gran potencial para generar este
recurso. En zonas como la alta Guajira, ya se han realizado implementaciones como el
parque eólico, desarrollado por las Empresas Públicas de Medellín (MinEducación, 2008).
2.2.1.3. Energía de Biomasa
La biomasa es cualquier material de tipo orgánico proveniente de seres vivos que puede
utilizarse para producir energía. Se produce al quemar biomasa, como madera o plantas.
Utilizan tecnologías que dependen de la cantidad y clase de biomasa disponible. Con los
principales sistemas de transformación pueden obtenerse combustibles, energía eléctrica,
fuerza motriz o energía térmica.
Este tipo de energía emite poco dióxido de carbono y podría ser una solución a los
métodos alternativos para eliminar desechos (entierro de basura y quema al aire libre). La
dificultad es que requiere alta inversión de capital y su rentabilidad sólo se vería a largo
plazo.
En Colombia se tienen estudios de producción de biomasa con el bagazo de la caña, que
se estima una producción anual de 1.5 millones de toneladas y de cascarilla de arroz, con
la que se producen más de 457.000 toneladas al año. Las zonas más adecuadas para
16
generar esta energía son los Santanderes, los Llanos Orientales y la Costa Atlántica
(MinEducación, 2008).
2.2.1.4. Energía Hidráulica
Es aquella que usa como fuente, la fuerza del agua de ríos y lagos. Se transforma
mediante las plantas de generación hidráulica y genera electricidad.
La hidroelectricidad es un método altamente eficiente en la generación de electricidad y
no contamina. Sólo es aconsejable para los países que tienen climas y topografías
apropiadas, como Colombia, donde hay un gran desarrollo de estas infraestructuras.
Para generar este tipo de energía se deben construir represas, que pueden incluir la
desviación del curso de ríos, inundación de tierras arables y el desplazamiento de
personas. Por otro lado, los hábitats silvestres son afectados y los peces pueden morir
atrapados en las turbinas (MinEducación, 2008).
2.2.1.5. Energía Geotérmica
Proviene del calor procedente del centro de la tierra. Se transforma mediante
perforaciones muy profundas para usar la fuerza calorífica bajo la superficie de la tierra
para producir electricidad. Esta energía es libre de contaminación, pero cuesta dos o tres
veces más de lo normal y es limitada en zonas con actividad tectónica.
El Atlas Geotérmico de Colombia destaca como zonas de mayor potencialidad los
volcanes Chiles - Cerro negro, el volcán Azufral en el departamento de Nariño, El Parque
Nacional de los Nevados y el Área Geotérmica de Paipa - Iza Boyacá (MinEducación,
2008).
En la Tabla 1, se muestran algunos de los aspectos positivos y negativos de los diferentes
tipos de energías.
17
Tabla 1. Comparación Entre las Diferentes Fuentes de Energía Renovables.
FUENTES DE ENERGÍA
ASPECTOS POSITIVOS ASPECTOS NEGATIVOS
SOLAR
* No contamina el medio ambiente * Muy abundante en diferentes regiones * Es Inagotable * Sus Sistemas requieren poco mantenimiento * Fácil ingreso a zonas no interconectadas * Fácil integración con el entorno y el medio ambiente
* Difícil de almacenar * Su instalación es costosa * La radiación varía según la ubicación
EÓLICA
* No contamina el medio ambiente * Es inagotable * Fácil ingreso a zonas no interconectadas * Está presente en diferentes regiones
* Su impacto visual en el ambiental es negativo * Las corrientes de viento no son constantes * Destruye ecosistemas * Sus sistemas requieren constante mantenimiento
BIOMASA * Elimina residuos y trata aguas residuales * Respetuosa con el medio ambiente.
* Es una fuente que requiere altos costos de producción * No es inagotable * Produce cierta cantidad de dióxido de carbono
HIDRÁULICA
* Fácil transporte * No contaminante * Bajo coste
* Puede crear obstáculos a la emigración de peces * Requiere zonas de implementación muy precisas.
GEOTÉRMICA
* Limitada en zonas con actividad tectónica * Apta para zonas montañosas cercanas a volcanes * No contaminante
* Sólo es accesible donde la corteza terrestre es fina * Su desarrollo es muy costoso.
18
2.2.2. Selección de la Fuente de Energía Renovable a Utilizar
En cumplimiento de uno de los objetivos planteados para el desarrollo del proyecto, se
realiza el análisis de los diferentes tipos de energías alternativas disponibles en el
territorio Colombiano, haciendo especial énfasis hacia el lado Sur de la ciudad de Cali en
el departamento del Valle del Cauca, en donde se encontró que las fuentes de energía
más apropiadas por sus condiciones geográficas son la energía eólica y la energía solar.
Posteriormente se procede a analizar los datos tanto de la velocidad del viento en
superficies como los de radiación solar, en la zona determinada para el desarrollo del
proyecto (Sur del Valle del Cauca). Dichos datos, que fueron extraídos de los mapas de
radiación solar y velocidad del viento del IDEAM y la UPME, se pueden observar en la
Tabla 2:
Tabla 2. Velocidad del Viento y Radiación Solar en el Sur del Valle del cauca.
//////////// ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO
Velocidad del Viento (m/s) 1.5 - 2.0 1.5 - 2.0 1.5 - 2.0 1.0 - 1.5 1.0 - 1.5 1.0 - 1.5
//////////// JULIO AGOSTO SEPT OCTUBRE NOV DIC PROM
Velocidad del Viento (m/s) 2.0 - 2.5 2.0 - 2.5 1.5 - 2.0 1.5 - 2.0 1.0 - 1.5 1.5 - 2.0 1.5 - 2.0
//////////// ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO
Radiación Solar (Kwh/m2) 4.5 - 5.0 4.5 - 5.0 4.5 - 5.0 4.0 - 4.5 4.0 - 4.5 4.0 - 4.5
//////////// JULIO AGOSTO SEPT OCTUBRE NOV DIC PROM
Radiación Solar (Kwh/m2) 5.0 - 5.5 4.5 - 5.0 4.5 - 5.0 4.5 - 5.0 4.0 - 4.5 4.0 - 4.5 4.0 - 4.5
Al utilizar un aerogenerador de potencia nominal aprox. 6 KW, con velocidades de viento
de 2 m/s, es posible generar aproximadamente 1405Kwh anualmente, considerando
periodos de venteo inconstantes. Mientras que al utilizar un panel solar de 1 m2 con una
radiación solar de 4.5 Kwh/m2 util durante 5 horas diarias, es posible generar 8212Kwh
anualmente. La diferencia es considerablemente notable debido a las bajas velocidades
de viento obtenidas en esta zona. (CRIADO, 2008)
19
Es por ello que se procede a desarrollar el proyecto utilizando la Energía Solar, además
de contar con las siguientes ventajas con su escogencia:
• Permite tener una independencia de hasta el 100% de la red eléctrica.
• Permite suministrar energía eléctrica a lugares no interconectados o donde no es posible el acceso a las fuentes de energía convencionales, simplemente asegurando que se tenga acceso al recurso solar.
• Según su diseño y aplicación, estos sistemas permiten una línea de ingresos
económicos cuando se realiza un sistema con capacidad de entregar energía a la red eléctrica pública.
• Las labores de mantenimiento no son costosas y se realiza en periodos
relativamente largos.
• Comparada con otros tipos de energías alternativas esta no tiene un impacto visual negativo para el medio ambiente.
2.2.3. Sistemas Fotovoltaicos y Almacenadores de Energía
Los sistemas de generación de energía eléctrica, basados en paneles fotovoltaicos
utilizan la radiación solar como fuente de energía renovable, cuentan con los siguientes
elementos:
• Elemento de captación de la energía solar (Panel fotovoltaico).
• Elemento de almacenamiento de energía (Batería).
• Elemento de regulación (Regulador).
• Elemento de transporte de energía (Cableado).
• Elementos de protección.
20
2.2.3.1. Elemento de captación de la energía solar
El panel fotovoltaico es el encargado de convertir las radiaciones del sol en energía
eléctrica, con unas características de corriente y tensión dependientes de la temperatura;
la arquitectura y la radiación que incide sobre este. Los paneles generalmente están
conformados por un arreglo de celdas solares y para aplicaciones de gran tamaño se
utilizan sistemas conformados por varios paneles.
En un panel fotovoltaico las celdas que conforman el arreglo deben tener iguales
características de operación. Se pueden conectar en serie y/o en paralelo, buscando que
la corriente suministrada por el panel se ajuste al valor deseado. En la mayoría de
paneles solares, la construcción se realiza conectando primero las celdas en serie hasta
conseguir el nivel de tensión deseado y posteriormente se conectan en paralelo varios
arreglos en serie para alcanzar el nivel de corriente deseado (Cortes & Montañez, 2010).
2.2.3.1.1. Tipos de paneles solares
La fabricación de paneles solares se realiza con un grupo de minerales semiconductores,
entre los cuales el más utilizado es el silicio, que se encuentra en abundancia en todo el
mundo ya que es un componente mineral de la arena. Este debe ser de alta pureza para
lograr el efecto fotovoltaico y es por ello que se generan altos costos en el proceso de
fabricación de celdas fotovoltaicas.
En el mercado actualmente existe una gran cantidad de fabricantes y modelos de paneles
solares, los cuales se clasifican según el material utilizado para su fabricación:
• Paneles de silicio monocristalino: estos son los más utilizados por su confiabilidad y
duración, pero a su vez implican costos más altos.
• Paneles de silicio policristalino: presentan una eficiencia menor que los
monocristalinos y es por ello que su costo es más accesible.
21
• Paneles de silicio amorfo: tienen mucho menor eficiencia, son delgados y ligeros,
arquitectura flexible y se adaptan fácilmente como parte de un techo o una pared.
El empaque de cada panel varía según el fabricante, teniendo ciertas condiciones
similares y caracterizándose todos por realizar una estructura en forma de sándwich para
lograr que ambos lados de las celdas queden mecánicamente protegidos (Cortes &
Montañez, 2010). Ver Figura 1.
Figura 1. Tipos de paneles solares.
Fuente. (Diaz Narvaez & Diez Cardona, 2007)
Conexión de los Paneles
Para interconectar los paneles se deben seguir las reglas básicas de la electricidad, ya
sea para conexión en serie o en paralelo, ajustándose a los requerimientos de corriente y
tensión deseados. Se debe tener en cuenta que todos los paneles a interconectar deben
ser de iguales características eléctricas (Diaz Narvaez & Diez Cardona, 2007).
Conexión en serie
Esta conexión consiste en conectar el terminal positivo de un panel con el negativo del
siguiente y así sucesivamente hasta finalizar la serie. Los terminales de este sistema
serán: el positivo, el del último panel mientras que el negativo será el del primer panel.
Para mayor claridad observar la figura 2.
22
Figura 2. Conexión Serie de Paneles.
En este tipo de conexión, la tensión de salida es la suma de las tensiones de todos los
paneles, mientras que la intensidad de salida es igual a la intensidad de cada panel. En
caso de fallar uno de los paneles conectados en serie, el sistema entra en falla, para lo
cual se aconseja conectar diodos de bloqueo paralelos a cada panel, que funcionan como
puente, haciendo que aunque falle el panel, la corriente siga su camino. Este tipo de
conexión es utilizada generalmente cuando se requieren tensiones superiores a 24 voltios
(UPME & Energia, 2005).
Conexión en paralelo
Esta conexión consiste en conectar por un lado todos los terminales positivos de los
paneles y por otro lado los terminales negativos. Los terminales de salida del sistema
serán el terminal positivo que es común en todos los paneles y el terminal negativo que de
igual manera es común.
Para mayor claridad observar la figura 2.
23
Figura 3. Conexión Paralela de Paneles.
En este tipo de conexiones, la tensión de salida será igual a la tensión de cada panel,
mientras que la intensidad será la suma de las corrientes de todos los paneles
interconectados. Este tipo de conexiones se utilizan generalmente cuando se requieren
intensidades superiores a 20 amperios.
Se debe considerar que por efecto Joule (Calentamiento de conductores), genera unas
pérdidas, por lo cual se requiere utilizar conductores de mayor sección para intensidades
elevadas (Cortes & Montañez, 2010).
2.2.3.1.2. Características de los paneles
Entre los parámetros que definen el funcionamiento eléctrico de un panel fotovoltaico se
encuentran:
• Intensidad de cortocircuito (Icc o Isc): La intensidad de cortocircuito de un panel
es igual a la de una de las celdas multiplicada por el número de filas conectadas
en paralelo. Es la máxima intensidad que se puede obtener de un panel.
Experimentalmente se puede medir con el amperímetro conectado a la salida de
los bornes del módulo fotovoltaico. Su valor cambia proporcionalmente en función
de la radiación solar.
24
• Tensión nominal (VN): es el valor de la tensión de trabajo del panel.
• Tensión a circuito abierto (Vca o Voc): es el máximo voltaje, que se mediría entre
los bornes de un panel si se dejaran los terminales en circuito abierto (I=0). Esta
medida se toma conectando un voltímetro entre los bornes del módulo cuando no
hay carga conectada entre los extremos.
• Intensidad de potencia máxima (IPmax): es el valor de la corriente que puede
suministrar el panel cuando trabaja a máxima potencia.
• Tensión de potencia máxima (VPmax): es el valor de la tensión cuando la potencia
también es máxima, cuando el panel está suministrando la máxima intensidad de
la corriente.
• Potencia máxima (PM): es el máximo valor obtenido al multiplicar la intensidad
IPmax(intensidad cuando la potencia es máxima o corriente en el punto de máxima
potencia) y VPmax(tensión cuando la potencia también es máxima o tensión en el
punto de máxima potencia). También se le llama potencia pico del módulo o panel
(WP).
La eficiencia de conversión de los paneles fotovoltaicos, es la relación entre la energía
eléctrica generada y la energía luminosa utilizada para obtenerla. Esta relación es dada
en forma porcentual, como se muestra a continuación:
�% =�����������
������ ���������
25
2.2.3.2. Estructura soporte
La estructura para soporte es la encargada de sostener los paneles a la intemperie. Su
diseño se realiza buscando una fácil adaptación de la orientación y el ángulo de
inclinación para el generador fotovoltaico. Para su diseño se debe garantizar que:
• Los módulos se encuentran ubicados de modo óptimo de cara a maximizar la
generación de energía eléctrica a lo largo de todo el año, en lo que se refiere a
orientación, inclinación y ausencia de sombras, en el caso de estructuras fijas.
• Los módulos se soportan sobre un objeto móvil de manera que en cada momento
se sitúan en la posición óptima para que la irradiación recibida sea máxima, en el
caso de estructuras móviles.
2.2.3.3. Elemento de almacenamiento de energía
Las instalaciones basadas en fuentes de energía renovables que no están
interconectadas a una red pública, necesitan de un sistema de almacenamiento para
suplir las demandas de energía en periodos en los cuales no haya generación de energía.
Para el almacenamiento de la energía se utilizan baterías, que permiten una mayor
flexibilidad, pero a la vez se debe considerar que la fiabilidad del sistema depende en gran
medida de estos elementos de almacenamiento.
La característica que permite utilizar una batería como un elemento portátil de
almacenamiento y generación de energía eléctrica, es la doble conversión de energía,
llevada a cabo mediante el uso de un proceso electro-químico. La primera conversión que
consiste en transformar la energía eléctrica en energía química, toma lugar durante el
proceso de carga. La segunda conversión que consiste en transformar la energía química
en eléctrica, ocurre cuando la batería es descargada. Para que puedan realizarse etas
conversiones son necesarios dos electrodos metálicos inmersos en un medio que los
vincule, llamado electrolito. En el proceso electrolítico cada uno de los electrodos toma
una polaridad diferente. Es por ello que la batería tiene un terminal negativo y otro
26
terminal positivo, que están claramente identificados en la empaquetadura de plástico con
sus respectivos símbolos ( - ) y ( + ) (Cortes & Montañez, 2010).
Las baterías comerciales, para poder ofrecer un voltaje de salida práctico, poseen varias
celdas conectadas en serie. Cada celda está compuesta de varias placas positivas y
negativas, las que tienen separadores intermedios. Todas las placas de igual polaridad,
dentro de una celda, están conectadas en paralelo. El voltaje proporcionado por una
batería de acumulación es de Corriente Continua. Para cargarla se necesita un generador
de Corriente Continua, el que deberá ser conectado con la polaridad correcta: positivo del
generador al positivo de batería y negativo del generador al negativo de batería (Diaz
Narvaez & Diez Cardona, 2007).
Figura 4. Batería de Plomo-ácido.
.
Fuente. (Blog Corporativo de Energias Renovables)
2.2.3.3.1. Principio de funcionamiento
Su funcionamiento consiste básicamente en un proceso reversible llamado redox
(reducción-oxidación), que consiste en que uno de los componentes se oxida (gana
electrones) y el otro se reduce (pierde electrones), es decir, sus componentes no se
consumen o se pierden sino que cambian su estado de oxidación.
Para una batería se deben considerar aspectos como:
27
• Su tensión de operación.
• La autodescarga, que es la pérdida de carga de la batería cuando esta permanece
en circuito abierto. Normalmente se expresa como un porcentaje de la capacidad
nominal, medida durante un mes, y a una temperatura de 25°C.
• La Capacidad nominal Cn (Ah), que es la capacidad de carga que es posible extraer
de una batería en 20 horas, medida a una temperatura de 20°C, hasta que la
tensión entre sus terminales llegue a 1,8 V.
• El régimen de carga (o descarga). Es el parámetro que relaciona la capacidad
nominal de la batería y el valor de la corriente a la cual se realiza la carga (o la
descarga). Se expresa normalmente en horas y se representa como un subíndice
en el símbolo de la capacidad y de la corriente a la cual se realiza la carga (o la
descarga). Por ejemplo, si una batería de 100 Ah se descarga en 20 horas a una
corriente de 5 A, se dice que el régimen de descarga es 20 horas (C20=100Ah) y la
corriente se expresa como I20=5 A.
Para la instalación de las baterías se debe garantizar algunos aspectos según las
siguientes recomendaciones de los fabricantes:
• La batería se ubique en un lugar ventilado y con acceso restringido para evitar
constantes contactos.
• Se deben tomar medidas de protección que garanticen que no se produzca un
cortocircuito accidental, utilizando cubiertas aislantes entre los bordes.
• Se debe tene en cuenta la vida útil en función de los ciclos de carga.
• Se debe evitar la descarga de las baterías por completo.
28
2.2.3.3.2. Tipos de baterías
Comercialmente se encuentra una amplia variedad de baterías, que se podrían dividir en
dos grupos: las baterías de Níquel-cadmio (Ni-Cd) y las de plomo-ácido.
Su diferencia radica básicamente en que la Ni-Cd tienen mejores características pero un
elevado costo, mientras que las de plomo-ácido son más sencillas, aunque se adaptan a
cualquier corriente de carga y son mucho más económicas (Cortes & Montañez, 2010)
(Diaz Narvaez & Diez Cardona, 2007).
Tabla 3. Tipos y Características de Baterías
.
Tipo Energía
(Wh)
Peso
(Kg)
Tensión
por
elemento
(V)
Duración
(número
de
recargas)
Tiempo
de
carga
Auto-
descarga
por mes (%
del total)
Plomo 30 Wh 50 kg 2 V 1000 8-16h 5%
Li-Po 100 Wh 130 kg 3,7 V 5000 1h-2h 15%
Li-ion 110 Wh 160 kg 3,16 V 4000 2h-4h 30%
Ni-Cd 48 Wh 80 kg 1,25 V 1500 10-12h 4 %
Ni-Mh 60 Wh 120 kg 1,25 V 1000 2h-4h 20%
Batería de Pb-ácido.
La batería de Plomo ácido (Figura 5) presenta una variedad de aplicaciones entre las
cuales las más comunes son en baterías para autos y baterías para sistemas fotovoltaicos
o también llamadas baterías solares.
Generalmente las baterías solares son mucho más costosas que las baterías para autos,
es por ello que se hace importante precisar sus diferencias.
29
La baterías utilizadas en automóviles están diseñadas para sostener corrientes elevadas
(200 a 350 A) por muy breves instantes (segundos) durante el arranque del motor,
mientras que el resto del tiempo la batería está siendo cargada o está inactiva.
Las baterías solares, por el contrario, deben ser capaces de sostener corrientes
moderadas, durante varias horas, además, en muchas aplicaciones, deberá permanecer
activa sin recibir carga (servicio nocturno). Normalmente, los periodos de reposo son
nulos, ya que está siendo cargada o descargada constantemente (Rojo Gallardo, 2010)
(Diaz Narvaez & Diez Cardona, 2007).
Figura 5. Componentes Batería de Plomo-Acido.
Fuente. (Blog Corporativo de Energias Renovables)
Batería de Ni-Cd
Estas baterías presentan un alto costo, que está entre 6 a 8 veces el de una batería
equivalente en plomo-ácido. Sin embargo, el costo operacional (largo plazo) es mucho
menor que el de una batería de igual capacidad del tipo Plomo-ácido debido a su larga
vida útil y bajo mantenimiento.
Existen dos métodos de fabricación para estas baterías, pero el recomendado para una
batería solar es llamado de “placa compacta” (pocketplate).
30
Este tipo de baterías usa placas de acero inoxidable, las que poseen depresiones donde
se coloca el material activo. El electrolito de estas baterías es una solución de agua e
hidróxido de potasio, el que requiere una capa de aceite protector, para evitar su
oxidación por el oxígeno del ambiente. En términos genéricos, una batería de Ni-Cd que
usa este método de fabricación tolera más abuso que su equivalente de Pb-ácido.
2.2.3.4. Elemento de Regulación
Considerando las variaciones en la radiación solar y por ende en la tensión entregada por
el elemento de captación, se hace necesaria la implementación de un elemento que
controle la relación entre el elemento de generación (panel) y el elemento de
almacenamiento (batería). Además se debe garantizar un nivel de tensión apropiado para
las cargas.
El regulador de carga es el encargado de proteger a la batería frente a sobrecargas y
sobredescargas profundas. Durante la noche el voltaje de salida de los paneles
fotovoltaicos es nulo y al amanecer, atardecer o en días nublados, el nivel de radiación es
bajo y los paneles no pueden cargar las baterías. En estos casos el control de carga
cumple un rol pasivo, aislando la batería del elemento de captación, evitando su
descarga. Cuando la radiación aumenta, se presenta una tensión en la salida del panel
reanudando así el proceso de carga que consiste en el rol activo del control de carga.
La misión del regulador es contrarrestar la inestabilidad de la fuente primaria, funcionando
como un servomecanismo, en el que se compara el valor deseado en la carga con uno de
referencia y efectúa los cambios necesarios para compensar las variaciones de la fuente
primaria y las debidas a la carga.
El regulador de tensión controla constantemente el estado de carga de las baterías y
regula la intensidad de carga de las mismas para alargar su vida útil. También debe tener
la capacidad de generar alarmas en función del estado de dicha carga.
31
Su programación elaborada permite un control capaz de adaptarse a las distintas
situaciones de forma automática, permitiendo la modificación manual de sus parámetros
de funcionamiento para instalaciones especiales (Cortes & Montañez, 2010).
2.2.3.4.1. Tipos de reguladores de carga
Al momento de seleccionar un regulador de carga se debe considerar los parámetros
eléctricos del sistema fotovoltaico (Tensión y corriente), los detalles del diseño (número de
bloques de carga, tipo de batería, tipo de montaje), y las funciones auxiliares ofrecidas por
el fabricante.
Existen dos tipos de reguladores de carga y su clasificación está relacionada con el paso
que toma la corriente de carga, respecto al banco de baterías, cuando el control comienza
a restringir la gasificación:
Reguladores lineales
• Operan con corriente continua a la entrada.
• Equivalen a una resistencia con valor de ajuste automático.
• Basan su funcionamiento en la caída de tensión en elementos disipativos.
• Tienen un bajo rendimiento.
Reguladores conmutados
• Incorporan un conmutador que interrumpe la corriente en la fuente en intervalos de
duración variable.
• Tienen un rendimiento elevado.
Su conexión puede ser bien sea paralelo o en serie, en el regulador en paralelo, cuando el
voltaje de batería alcanza un valor predeterminado (batería cargada), la corriente de los
paneles es desviada a un circuito que está en paralelo con el banco de baterías. Cuando
el voltaje de batería disminuye por debajo de un valor mínimo, predeterminado por el
fabricante, el proceso de carga se restablece nuevamente. El control en serie funciona de
la misma manera que el control en paralelo, la única diferencia es que el control en serie
no utiliza el diodo serie, que cumple la función de aislar el banco de baterías de los
32
circuitos que le preceden, sino que utiliza un interruptor en serie (Diaz Narvaez & Diez
Cardona, 2007).
Figura 6. Control de Carga en Paralelo.
Fuente: (Gasquet, 2004)
Figura 7. Control de Carga en Serie.
Fuente: (Gasquet, 2004)
Tanto en el control en paralelo, como en el control en serie, el máximo valor de la
corriente de carga está determinado por la diferencia entre el voltaje de salida de los
paneles y el de baterías. En el control en paralelo la corriente de carga existe o se anula
33
totalmente. En el control en serie, dependiendo del diseño, se tiene un proceso similar o
de valor variable.
Los primeros controladores de carga, eran los controles en paralelo, pero su operación
era muy rudimentaria, consistía en que al alcanzar una tensión referenciada como carga
completa, se efectuaba una desviación de la corriente de los paneles hacia un circuito
paralelo que estaba conformado por una resistencia fija, la cual disipaba la energía
proporcionada por los paneles, en forma de calor. (Diaz Narvaez & Diez Cardona, 2007).
Existen diferentes criterios de diseño para los controles en serie, dependiendo de lo que el
fabricante considera el control óptimo de la corriente de carga. Sin embargo, en todos
ellos existen dos características que le son comunes:
• Alternan periodos activos de cargas con periodos de inactividad.
• La acción del circuito de control depende del estado de carga del banco de baterías.
• Durante el periodo activo algunos modelos usan un voltaje de carga de valor
constante, mientras que en otros éste valor está limitado por la diferencia de voltaje
entre los paneles y las baterías.
• La configuración del regulador de carga en serie suele utilizarse cuando la carga es
grande. La configuración del regulador de carga en paralelo suele utilizarse cuando
la carga es pequeña.
• En este caso el circuito está autoprotegido frente a cortocircuitos.
2.2.3.5. Elemento de transporte de energía
El transporte de toda la energía eléctrica del sistema fotovoltaico se realiza a través de la
instalación aislada mediante líneas eléctricas, generalmente cables fabricados a partir de
conductores de sección circular o una agrupación de estos.
Se deben tener en cuenta varios criterios a la hora de diseñar este subsistema que serían
básicamente los mismos que en cualquier instalación eléctrica de baja tensión, donde se
debe establecer:
34
• El tipo de cable.
• El modo de la instalación del cable.
• La sección de los conductores.
Figura 8. Panel Solar Cableado directamente a una Batería.
Fuente. (eRENOVABLE, 2011)
Todo procedimiento que se lleve a cabo con el tipo de cable a ser utilizado debe cumplir
con lo establecido en la legislación vigente. Los conductores deberán tener la sección
adecuada para reducir las caídas de tensión y calentamientos.
Para cualquier condición de trabajo, los conductores de la parte DC deberán tener la
sección suficiente para tener una caída de tensión inferior a las mencionadas a
continuación:
• Caídas de tensión máxima entre generador y regulador/inversor: 3%
• Caídas de tensión máxima entre regulador y batería: 1%
• Caídas de tensión máxima entre inversor y batería: 1%
• Caídas de tensión máxima entre regulador e inversor: 1%
• Caídas de tensión máxima entre inversor/regulador y cargas: 3%
Se incluirá toda la longitud de cable para cada aplicación, evitando esfuerzos sobre los
elementos de la instalación. Se tendrá un protocolo de separación donde los positivos y
35
los negativos de la parte continua de la instalación se conducirán protegidos, separados y
señalizados de acuerdo a la normativa vigente, en cuanto a los cables exteriores estarán
totalmente protegidos contra la intemperie (Diaz Narvaez & Diez Cardona, 2007)
(Gasquet, 2004).
2.2.3.6. Elemento de protección
Además de la eficiencia y la prestabilidad del sistema, se pretende obtener un
funcionamiento de la instalación de manera fiable y segura, donde se cuente con una
precisión en los dispositivos que realicen la protección a dicha instalación.
En el sistema fotovoltaico se debe implementar protecciones contra los siguientes
aspectos:
• Protección contra cortocircuito.
• Protección contra conexión en polaridad invertida.
• Protección de la batería contra sobredescargas.
• Protección de las cargas y la batería contra sobretensión.
• Protección contra sobrecarga del panel solar.
• Protección de retorno de corriente en estados de no generación de energía por
falla del panel.
Estas protecciones se logran mediante circuitos de medición y desconexión por corriente
o voltaje, que en algunos casos se encuentran integrados dentro del circuito regulador de
carga o en otros casos deben ser diseñados según las características técnicas del
sistema fotovoltaico.
Además de lo anterior se debe considerar una protección muy importante que es la
puesta a tierra de todas las instalaciones que manejen tensiones superiores a 48 VDC, las
36
cuales brindan la protección y bienestar de las personas que tengan contacto directo o
indirecto con la instalación.
Figura 9. Sistema de Puesta a Tierra.
Fuente. (DIAZ ZEDANO)
37
2.2.4. Coeficiente de Rendimiento
El coeficiente de rendimiento es una de las magnitudes más importantes para evaluar la
efectividad que brinda una instalación fotovoltaica. Expresando la relación del rendimiento
energético real con respecto al rendimiento energético teóricamente posible.
Este constituye una magnitud dependiente del lugar de ubicación y la calidad de la
instalación, por lo cual permite indicarse también como un factor de calidad. Se indica en
porcentaje y expresa la relación entre el rendimiento real y el rendimiento nominal de la
instalación fotovoltaica. De esta forma indica qué proporción de la energía está realmente
disponible para la alimentación tras haber descontado las pérdidas energéticas
2.2.4.1. Calculo del Coeficiente de Rendimiento
Para el cálculo del coeficiente de rendimiento se deben considerar la siguiente
información:
• Período de estudio (Optimo 1 año)
• Irradiación solar medida durante el período de estudio
• Superficie del generador de la instalación fotovoltaica
• Rendimiento de los módulos fotovoltaicos
• Rendimiento real leído de la instalación
• Rendimiento nominal calculado de la instalación
38
����.���������(%) = ����������������������� ó�(���)
��������� ���� �! ��������� ó�(���)
Dónde:
Rendimiento Real leído de la instalación: Indicado por un sistema de medición
Rendimiento Nominal calculado de la instalación: Producto de la Irradiación solar X la
Superficie del generador X el Rendimiento del Panel Fotovoltaico.
2.2.5. Uso Consciente de la Energía Eléctrica
Junto a la estrategia de implementación de sistemas fotovoltaicos, se debe realizar una
concientización que permita a la comunidad realizar un uso consciente de la energía
eléctrica. Esto no consiste en una medida de eficiencia energética, ya que solo consiste
en consumir una cantidad menor de energía utilizando los mismos equipos en tiempos de
uso necesarios y eficientes, incentivando un consumo consciente de este recurso.
Se debe realizar una evaluación de Consumos en todos los equipos eléctricos y
electrónicos de la vivienda determinando cuales son los que consumen mayor energía. Lo
cual permite crear estrategias para el uso necesario y adecuado de estos dispositivos. Por
ejemplo para la nevera que es uno de los dispositivos de mayor consumo se puede
realizar una menor cantidad de aperturas, lo cual hace necesario una refrigeración con
menor consumo.
Aunque parezca innecesario, también se debe evaluar acciones de ahorro con los
dispositivos de consumo medio y bajo, por ejemplo las luminarias, las cuales pueden ser
utilizadas solo cuando es realmente necesario, lo cual puede estar apoyado por una
creación de estrategias de iluminación natural, como lo son la apertura de ventanas o el
uso de una luminaria que abarque diferentes espacios dentro de la vivienda.
39
Los dispositivos electrónicos que utilizan pantallas con reloj o leds de indicación (equipos
de sonido, televisores, decodificadores) mientras están apagados, también generan un
consumo que aunque sea mínimo puede hacer parte de la estrategia de ahorro
desconectando estos dispositivos mientras no sean necesarios.
Gracias a las estrategias anteriores y otra cantidad como las que se muestran en la Tabla
4, es posible realizar un uso consciente de la energía eléctrica, que puede generar
disminuciones considerables en el consumo de este recurso, lo cual representa a su vez
un ahorro económico.
Tabla 4. Estrategias de Ahorro Energético.
Acción de Ahorro Ahorro de
energía (aprox.)
Reemplazar Luminarias a tecnología Ahorrador o LED
90%
Utilizar lavadora a carga completa 80-90 %
Permitir la refrigeración en la parte trasera del refrigerador
15%
Utilizar electrodomésticos de cocina a gas en lugar de eléctricos
60-70 %
Utilizar ventilador en lugar de aire acondicionado
98%
Utilizar Calentador a gas en lugar de eléctrico 60-70 %
Desconectar electrodomésticos en momentos de no uso
10%
Fuente. (SOLENER, 2000)
40
3. DESARROLLO DEL PROTOTIPO
3.1. Descripción de la Operación del Sistema Fotovoltaico
El sistema de alimentación eléctrica en corriente directa (SAED), está controlado por una
transferencia electrónica, quien determina el sistema que cargará la batería (acumulador).
La alimentación de energía está disponible de un panel solar que suministra una tensión
de 12 V y una corriente de 8A DC o un sistema que rectifica la corriente alterna. Las
luminarias y demás dispositivos que se conecten como cargas estarán alimentadas por la
batería directamente.
Para las protecciones eléctricas con que se deben cumplir, se cuenta con el regulador de
carga quien determina la conexión-desconexión automática tanto de las fuentes de
alimentación como de la batería y las cargas.
Aunque la idea es independizar el sistema de iluminación de la red eléctrica, se decide
conservar la opción de acceder a ella en caso de fallas del sistema fotovoltaico. Para este
fin se diseña un circuito electrónico que realiza una transferencia eléctrica, que activa la
alimentación de la red eléctrica externa, cuando se presenten fallas en el panel solar o en
la batería, permitiendo que haya disponibilidad del sistema de iluminación todo el tiempo.
Básicamente, este dispositivo está constantemente evaluando la corriente entregada por
el panel y en caso de presentarse fallas y tener un nivel de tensión bajo en la batería,
procede a activar la entrada correspondiente a red eléctrica. Además, también cuenta con
una pantalla LCD para indicación del estado del sistema y nivel de tensión de la batería.
Ver Figura 10.
41
Figura 10. Diagrama de Bloques Sistema Fotovoltaico.
3.2. Identificación de Variables
Para la instalación, operación y evaluación del sistema fotovoltaico se deben considerar
una serie de variables que son las que permiten evaluar su desempeño y operación
eficiente, veamos a continuación estas variables y una breve explicación de ellas:
42
Tensión de Panel: Es la tensión entregada por el panel, que generalmente en circuito
abierto es de 12VDC, cuando se realiza la conexión de una carga, esta tensión cae si no
hay suficiente corriente entregada por el panel. Su unidad de medida es Voltios (VDC).
Corriente de Panel: Es la corriente entregada por el generador solar y básicamente
depende de la radiación captada por el panel. Su unidad de medida es Amperes (A).
Tensión de la batería: Es la tensión entregada por la batería, generalmente una batería
de 12 VDC a carga completa entrega 14 VDC, y descargada entrega una tensión de 11.5
VDC aproximadamente, es por ello que la tensión para carga de batería debe ser mayor a
14VDC. Su unidad de medida es Voltios (VDC).
Corriente Nominal de la batería: Es la capacidad de carga a entregar por la batería, esta
está determinada por la corriente de consumo de las cargas y el periodo necesario para
mantenerlas alimentadas. Su unidad de medida es Amperes-hora (Ah).
Cargas: Estas constan de todos los dispositivos que deben ser alimentados
eléctricamente por el sistema fotovoltaico (Lámparas, Televisores, Computadores, etc),
que están determinados por su consumo para el cual su unidad de media es el vatio-hora
(Wh). El consumo generado por las cargas también puede expresarse en Amperios-Hora
(Ah), cuando se requiere calcular la capacidad de la batería.
3.3. Caracterización del Sistema Fotovoltaico
Una de las principales limitantes al acceso a un sistema fotovoltaico convencional, son
sus altos costos de implementación, lo cual imposibilita a varios sectores el acceso a este
tipo de tecnología.
Aunque con el pasar del tiempo y los avances tecnológicos, los equipos que conforman
un sistema fotovoltaico han venido disminuyendo sus costos con relación a años
anteriores y es por eso que en el desarrollo de este proyecto se buscó además de cumplir
43
con los objetivos planteados, realizar la evaluación de alternativas para reducción de
costos en la implementación de este tipo de sistemas.
Uno de los equipos más costosos de un sistema fotovoltaico es el inversor DC – AC, que
es el encargado de tomar la tensión entregada por el panel con una corriente DC, en una
tensión generalmente de 110V con corriente AC.
Conociendo que los bombillos ahorradores comúnmente usados en Colombia, en su
principio de operación toman una tensión de 110 V AC e internamente con circuitería
electrónica la convierten en una tensión de aproximadamente 50V DC, se plantea
desarrollar este proyecto en la parte de iluminación de una vivienda utilizando bombillos
fluorescentes que operan a 12 V DC. Lo que permite eliminar la etapa inversora del
sistema fotovoltaico generando así una disminución en los costos de su implementación.
Es importante mencionar que actualmente los bombillos fluorescentes al igual que otros
equipos como refrigeradores, lámparas, ventiladores, cargadores, radios y televisores ya
se encuentran comercialmente para ser alimentados directamente con DC. (Atmospher
Ltda, 2013) (Alta Ingenieria, 2012) (TUSWITCH, 2013)
3.3.1. Estimación de las Cargas a Alimentar
En la tabla 5 se muestran los datos de las cargas a alimentar por el sistema fotovoltaico,
en las cuales se estima su potencia promedio, la potencia total demandada y el consumo
eléctrico diario aproximado, calculado con base a una estimación de las horas de uso
promedio de cada una de las luminarias.
44
Tabla 5. Cargas del Sistema Fotovoltaico
Cantidad Carga W W Totales Horas de uso - día
Consumo diario
8 Bombillos 7 W 56 W 6 h 336 Wh/día
1 Radio 20 W 20 W 4 h 80 Wh/día
Total 416 Wh/día
3.3.2. Dimensionamiento de los Componentes del Sistema
Conociendo que el consumo total para cubrir 8 Luminarias de 7W y 1 Radio u otro
dispositivo con consumo aproximado de 20W, es de 416 Wh/día, según las horas de uso
diario indicadas en la tabla 5, se procede a realizar el cálculo de la corriente que se debe
generar y la capacidad de almacenamiento apropiada.
Tabla 6. Calculo de capacidad del Generador y el Acumulador
CÁLCULO DE LA CORRIENTE REQUERIDA
A1 Carga total diaria 416 Wh/día
A2 Tensión CD del sistema (generalmente 12 ó 24 V) 12 Voltios
A3 Carga diaria corriente (A1/A2) 35 Ah / día
A4 Multiplicar con el factor de seguridad 20% (para compensar las pérdidas en las baterías y otros componentes)
1,2
A5 Carga diaria corriente corregida (A4*A3) 42 Ah / día
A6 Promedio de horas de sol por día. 6h / día
A7 Amperaje que el sistema tendrá que producir (A5/A6) 7 A
45
CÁLCULO DEL NÚMERO DE PANELES
B1 Amperaje máximo del módulo solar seleccionado (según especificaciones del fabricante)
8 A
B2 Divida la línea A7 entre la B1 para obtener el número de módulos que se necesita
1
B3 Redondee al número completo inmediato superior 1
CÁLCULO DEL NÚMERO DE BATERÍAS
C1 Carga total diaria (A5) 42 Ah / día
C2 Días de reserva (este es el tiempo que el sistema tiene que estar funcionando sin sol)
2
C3 Capacidad nominal del banco de baterías (C1*C2) 84 Ah
C4 Factor de profundidad de descarga (generalmente 80%, significa que siempre se deja un 20% de reserva en las baterías)
0.8
C5 Capacidad corregida del banco de baterías (C3/C4) 105 A
C6 Capacidad nominal de batería (según especificaciones del fabricante)
110 A
C7 Número de baterías (C5/C6) 1
46
3.4. Diseño del sistema de generación eléctrica Fotovoltaico
3.4.1. Construcción del Prototipo
Según los cálculos realizados en las anteriores tablas, se determina que los equipos
deben cumplir con las siguientes características. Ver tabla 7:
Tabla 7. Equipos del Sistema Fotovoltaico.
CANTIDAD EQUIPO CARACTERÍSTICAS
1 Panel Fotovoltaico 12 V / 110 W
1 Batería Ciclo Profundo 12 V / 110 A
1 Regulador de Carga 12 V / 8 A
1 Sistema electrónico de
transferencia
• Evaluación Niv. Batería
• Supervisión Corriente Panel
• Control/Selección de Fuente
• Alerta/Alarmas
Buscando cubrir las necesidades de este sistema y tomando como referencia los cálculos
realizados, se plantea la implementación de un sistema fotovoltaico con la siguiente
topología:
Como se observa en la figura 11, el sistema está conformado por:
• 1 Panel solar 12V 130W
• 1 Regulador de carga 10A
• 1 Batería 12V 110A
• 1 Transferencia eléctrica
• 1 Etapa de rectificación 110VAC - 12VDC 8A
• 8 Bombillos fluorescentes 12V 7W
Figura 11. Sistema Fotovoltaico Desarrollado.
47
Este sistema para efectos de validación de funcionamiento y herramienta educativa, se
instala en un laboratorio de la facultad de Arquitectura de la Universidad de San
Buenaventura.
Para la implementación del sistema fotovoltaico en una vivienda se debe realizar el
dimensionado correspondiente, analizando las cargas a cubrir y los requerimientos de
obra civil para su implementación.
48
3.4.2. Equipos del Sistema Fotovoltaico
3.4.2.1. Sistema de Transferencia Eléctrica
El sistema se desarrolló en un procesador ATMEGA 32, utilizando programación basada
en una estructura de Tareas y corriendo sobre un sistema operativo para Sistemas
Embebidos "FreeRTOS".
El sistema verifica permanentemente el estado del panel solar (medición de corriente),
mediante una entrada análoga, en caso de presentarse fallas en este suministro, ya sea
por poca radiación solar o fallas en el panel, el sistema debe evaluar si la batería requiere
ser cargada. Si es así debe habilitar la conexión de la red eléctrica y evaluar su estado, en
caso de estar disponible el sistema habilita la alimentación mediante la red eléctrica. Si la
falla en el panel se genera y la batería aún se encuentra cargada en un nivel alto, el
sistema genera una alerta.
La habilitación de la conexión de la red eléctrica consiste en activar un relé que
mecánicamente realiza la conexión eléctrica de la etapa de rectificación, con el fin de
evitar consumos de la red eléctrica mientras no sea necesario el uso del sistema
rectificador.
Adicionalmente el sistema evalúa la tensión en la batería (mediante otro canal del ADC)
para determinar su porcentaje de carga. También, un visualizador LCD le informa al
usuario la fuente de alimentación con que se está trabajando el sistema eléctrico y el
estado de carga de la batería.
En cuanto a las alarmas, el sistema genera una señal auditiva en caso de identificar que
no hay suministro de corriente tanto del panel como de la red eléctrica, lo cual permitirá al
usuario desconectar cargas o tomar otras acciones que permitan un mayor tiempo de
duración de la carga que posee la batería.
49
Tanto para la señal de alerta como de alarma, se cuenta con un indicador visual (LED) y
un indicador auditivo (Zumbador). En cuanto a la señal auditiva, esta puede ser
identificada y silenciada mediante un pulsador, lo que permitirá suprimir el sonido de estas
señales, pero manteniendo la indicación visual.
Figura 12. Diagrama de Bloques Sistema de Transferencia
¿Panel OK?
Control= Panel
¿Red
Electrica?
Control= Red
Electrica
Alarma
LCD= Panel LCD= Red
¿Bateria
descargada?
LCD= Niv Bateria
Inicio
SI
SISI
NO
NONO
50
Figura 13. Circuito Sistema de Transferencia.
PB
0/T0
/XC
K1
PB
1/T1
2
PB
2/A
IN0/
INT2
3
PB
3/A
IN1/
OC
04
PB
4/S
S5
PB
5/M
OS
I6
PB
6/M
ISO
7
PB
7/S
CK
8
RE
SE
T9
XTA
L212
XTA
L113
PD
0/R
XD
14
PD
1/TX
D15
PD
2/IN
T016
PD
3/IN
T117
PD
4/O
C1B
18
PD
5/O
C1A
19
PD
6/IC
P1
20
PD
7/O
C2
21
PC
0/S
CL
22
PC
1/S
DA
23
PC
2/TC
K24
PC
3/TM
S25
PC
4/TD
O26
PC
5/TD
I27
PC
6/TO
SC
128
PC
7/TO
SC
229
PA
7/A
DC
733
PA
6/A
DC
634
PA
5/A
DC
535
PA
4/A
DC
436
PA
3/A
DC
337
PA
2/A
DC
238
PA
1/A
DC
139
PA
0/A
DC
040
AR
EF
32
AV
CC
30
U1
ATM
EG
A32
+5V
D7 14D6 13D5 12D4 11D3 10D2 9D1 8D0 7
E 6RW 5RS 4
VSS 1
VDD 2
VEE 3
LCD
1LM
032L
VD
D
+5V 100%
RV
2
1k
46%
RE
D E
LEC
RIC
A
10K
46%
BA
TE
RIA
10K
ALA
RM
A_S
BU
ZZE
R
RL_
CTR
L
G2R
-14-
DC
5
RL_
RE
D
G2R
-14-
DC
5
ALA
RM
A_V
LED
-RE
DR
3
10k
+5V
VI
1V
O3
GND 2
7805
7805
R1
220
123
SE
NS
OR
I P
AN
EL
CO
NN
-SIL
3+5
V
+5V
BA
TE
RIA
PA
NE
L
RE
D_E
LE
CT
OU
T
FA
SE
_RE
D_E
LE
CT
51
Figura 14. Estados del Sistema de transferencia en Display.
Elemento Sensor
El dispositivo principal de este sistema es un sensor de corriente que permite determinar
el estado del Panel Solar mediante la medición de corriente que este genera.
El sensor se encuentra ensamblado en una tarjeta electrónica junto a un juego de
condensadores que forman un filtro y un oscilador. El Circuito Integrado es el
ACS714ELECTR-20A, que permite una medición de Corrientes entre -20 y 20 Amperios,
entregando una salida de tensión proporcional entre 0.5 y 4.5 VDC con VCC= 5V.
Figura 15. IC Sensor ACS714ELECTR-20A.
Fuente. (Allegro MicroSystems)
52
Figura 16. Pin Out ACS714ELECTR-20A.
PIN Nombre Descripción
1 - 2 IP+ Terminal sensor de corriente; Fusible interno
3 - 4 IP– Terminal sensor de corriente; Fusible interno
5 GND Terminal de tierra
6 FILTER Terminal para capacitor externo que ajusta el
ancho de banda
7 VIOUT Señal de salida análoga
8 VCC Terminal de alimentación +
Figura 17. Salida de Voltaje Versus Corriente sensada ACS714ELECTR-20A.
Fuente. (Allegro MicroSystems)
53
3.4.2.2. Regulador de Carga Solar
Marca: Steca
Serie: Solsum 10.10F
Se evaluaron otras marcas de reguladores y se realizaron pruebas técnicas a uno de ellos
(PWM Solar Charge 10A), el cual no cumplió con las protecciones especificadas
(regulación de tensión de salida y protección de conexión en polaridad invertida), debido a
esto, se decide trabajar en este proyecto con el regulador STECA Solsum 10F, por el
amplio tipo de protecciones que brinda de manera integrada, evitando así el diseño e
inversión en etapas individuales de protección como las que ofrece este equipo para cada
uno de los dispositivos conectados al sistema fotovoltaico. (Colegio Humboldt Alemania,
2009) (SUNSET, 2006)
Además de presentar una completa gama de protecciones integradas, es un dispositivo
utilizado en grandes desarrollos fotovoltaicos a nivel internacional.
Figura 18. Regulador Solar STECA.
Fuente. (Company News Steca Elektronik)
FUNCIONES
• Protección contra sobrecarga
• Protección contra descarga total
• Protección contra polaridad inversa de los módulos, la carga y la batería
54
• Fusible electrónico automático
• Protección contra cortocircuito de la carga y los módulos solares
• Protección contra sobretensión en la entrada del módulo
• Protección contra corriente inversa por la noche
• Desconexión por sobretensión en la batería
Tabla 8. Ficha Técnica Regulados STECA.
FUNCIONAMIENTO
Tensión del sistema 12 V (24 V)
Consumo < 4 mA
DATOS DE ENTRADA CC
Tensión de circuito abierto del Módulo Solar
< 47 V
Corriente del módulo 10A
DATOS DE SALIDA CC
Corriente de consumo 10A
Tensión final de carga 13,9 V (27,8 V)
Tensión de carga reforzada 14,4 V (28,8 V)
Tensión de reconexión 12,4 V … 12,7 V
(24,8 V … 25,4 V)
Protección contra descarga profunda
11,2 V … 11,6 V (22,4 V … 23,2 V)
55
Tabla 9. Indicaciones LED Regulador STECA.
LED ESTADO SIGNIFICADO
Info
Encendido en Verde Operación Normal
Parpadeando en Rojo lentamente
Falla del sistema - Demasiada corriente de carga - Sobrecarga/Cortocircuito - Sobre temperatura Junto con LED Rojo: - Tensión de batería demasiado baja Junto con LED Verde: - Tensión de batería demasiado alta
Batería Rojo
Parpadeando rápidamente Batería vacía, preaviso de desconexión por baja tensión, cargas encendidas
Parpadeando lentamente Protección contra descarga profunda activada, cargas desconectadas
Batería Amarillo
Encendido Batería débil, cargas conectadas
Parpadeando lentamente Amarillo Setpoint de reconexión por descarga profunda aun no alcanzado, cargas desconectadas
Batería Verde
Encendido Buen nivel de carga en batería
Parpadeando lentamente Verde Batería full, activa regulación de carga
56
3.4.2.3. Panel Solar
Marca: Siemens
Tipo: Monocristalino
Figura 19. Panel Fotovoltaico SIEMENS.
• Cubierto por una superficie en vidrio, que permite
una máxima transmisión de luz y una resistencia a
golpes de hasta 5 pie-libra.
• Posee una caja de conexiones resistente a
condiciones de humedad, con conectores eléctricos
especiales para factores de climas húmedos.
• Dentro de la caja de conexiones incluye dos diodos de bypas para asegurar una operación confiable.
• Vida útil superior a 30 años conservando una
potencia de salida hasta del 80%.
Tabla 10. Ficha Técnica Panel Solar ASM150P_12V.
Modelo ASM150P_12V
Máxima Potencia 150 Watt
Corriente de Cortocircuito
8.9 Ah
Corriente Nominal 8 Ah
Voltaje de Cortocircuito 21,6 V
Voltaje Nominal 17 V
Resistencia al Fuego Clase C
Serie de Fusibles 15 A
57
3.4.2.4. Batería de Ciclo Profundo
Marca: Duncan
Serie: Solar Power 160Ah
Tipo: Plomo-acido Se decide trabajar con la batería DUNCAN Power Solar por cumplir con las características técnicas necesarias para aplicaciones de bancos de baterías para sistemas fotovoltaicos, además de ser una marca con buen respaldo y mercado en nuestro país. Figura 20. Batería DUNCAN Power Solar. CARACTERÍSTICAS
• Conectores tipo automotriz
• Sistema caja-tapa termosellado y fabricado en polipropileno de alto impacto
• Tapones con dispositivo antiflama
• Separadores de fibra de vidrio
Tabla 11. Ficha Técnica Batería DUNCAN.
Voltaje Capacidad Nominal
Dimensiones Peso
Largo Ancho Alto
12 V 160 Ah 500 mm 220 mm 240 mm 51 Kg
58
3.4.2.5. Luminarias
Marca: Phocos Serie: CLD 12 (7W) Se utilizan bombillos fluorescentes a 12 V DC, que proporcionan unos altos niveles de
iluminación con un bajo consumo de energía. Estos bombillos cuentan con una protección
de sobrecalentamiento y están diseñados para socket estándar de iluminación E27.
Figura 21. Luminaria PHOCOS CLD12.
Fuente. (PHOCOS AG)
Tabla 12. Características Técnicas Luminaria PHOCOS CLD12.
TIPO CLD 1207W
Rango de Voltaje 11 - 15 V
Potencia Nominal 7 W
Corriente Nominal 560 mA
Intensidad de Iluminación 380 lm
Vida Útil > 8.000 horas
59
3.4.2.6. Dispositivo de rectificación
Se evaluaron las condiciones para el diseño y ejecución de un sistema de rectificación
para casos de falla en el panel, encontrando que el costo es mucho más alto que la
compra de un equipo de iguales condiciones. Por tal motivo se decide trabajar con una
fuente regulada con una tensión de salida de 14 VDC y una corriente de 8.5A. Las
especificaciones técnicas de este dispositivo se encuentran en la siguiente tabla:
Tabla 13. Datos Técnicos Dispositivo de Rectificación
Referencia Entrada Salida
NES-100-12 110 VAC / 2.5 A 12 VDC / 8.5 A
Ruido (máx.) 120 mVp-p
Protecciones * Cortocircuito * Sobrecarga 110 - 150 % * Sobretensión 14,2 16,2 V
Tolerancia de voltaje
+/- 1%
Eficiencia 92%
Figura 22. Dispositivo de Rectificación
Fuente. (MEAN WELL Enterprises Co)
60
4. VALIDACIÓN DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO
4.1. Pruebas Técnicas de los Dispositivos
4.1.1. Determinación de Pérdidas en los conductores
Al trabajar con cargas DC, se debe considerar un factor importante que son las pérdidas
generadas por la resistencia del conductor, que pueden llegar a ser significativas. Es por
ello que previo al desarrollo del proyecto se realizó un montaje (Ver Figura 19) que
permitiera realizar el estudio para determinar estas pérdidas. Los resultados se
encuentran indicados en la Tabla 14.
Tabla 14. Perdidas en conductores con tensiones DC.
Figura 23. Conexiones Evaluación de pérdidas en conductores.
Como se observa, al utilizar un cable calibre 14 AWG, que es apropiado para
instalaciones eléctricas a 12 VDC, se tiene una perdida mínima de 0.006 V/mt, las cuales
no van a afectar el suministro de tensión necesario para las cargas.
3mt 1mt 3mt
61
4.1.2. Operación del Regulador STECA
Pala la validación del sistema de regulación se realizaron diferentes pruebas en el
laboratorio, entre ellas se revisaron los niveles de tensión de la batería a los cuales el
regulador realiza una indicación visual (LED´s) y ejecuta su acción de control para
protecciones (Ver Tabla 15). También se realizaron pruebas de respuesta a las
protecciones como:
• Conexión de polaridad invertida de la batería.
• Niveles de sobretensión en la batería.
• Niveles de sobretensión de alimentación.
• Circulación de corriente inversa hacia el panel en estados de no generación.
• Tiempos de carga y descarga de la batería.
Tabla 15. Indicaciones LED´s Regulador STECA.
62
4.1.3. Operación del sistema de Transferencia Eléctrica
Para validación del sistema de transferencia se realizaron pruebas de activación
simulando los niveles de Corriente del Panel y niveles de Tensión de Batería y del circuito
de Rectificación. A continuación se detallan dichas pruebas, las cuales arrojaron
resultados satisfactorios.
• Se realizó el corte de alimentación del Panel mientras la batería se encontraba
cargada y como resultado el sistema indica mediante el display que hay una falla
de Panel y activa una alerta auditiva y visual, la cual fue reconocida y silenciada
mediante el respectivo pulsador.
• Se realizó el corte de alimentación del Panel mientras la batería se encontraba
descargada y el resultado fue la activación del relé de habilitación del dispositivo
de rectificación y la carga de la batería mediante este dispositivo. Adicionalmente
se genera una alerta auditiva y visual, la cual fue reconocida y silenciada mediante
el respectivo pulsador.
• Se realizó la reconexión de alimentación mediante Panel y la del dispositivo de
rectificación, mientras la batería mantenía descargada y el sistema realiza
alimentación mediante Panel e indica este estado en el display.
• Se realizó el corte de alimentación del Panel y del dispositivo de rectificación,
mientras la batería se encontraba descargada y el resultado fue una indicación
mediante display de falla de fuentes y una alarma auditiva y visual, la cual fue
reconocida y silenciada mediante el respectivo pulsador.
63
• Mientras la tensión de Panel se encontraba conectada y con el nivel de suministro
de corriente adecuado (Superior a 5A), el sistema indica mediante display “Estado
OK” e indica el nivel de tensión de la batería.
En la Tabla 16 se pueden observar los estados de control del sistema de transferencia:
Tabla 16. Estados de Control Sistema de Transferencia.
Entrada Panel
(ADC1)
Entrada Rectificador
(ADC2)
Entrada Batería (ADC3)
Relé Control de Alimentación Tensión de
Salida
Relé Habilitación Rectificador
Señal Alarma
Panel Rectificador
ADC1 > 5 A - ADC3 > 5 V ON OFF Panel OFF OFF
ADC1 > 5 A - ADC3 < 5 V ON OFF Panel OFF OFF
ADC1 < 5 A - ADC3 > 5 V ON OFF Panel OFF Alerta
ADC1 < 5 A ADC2 > 5 V ADC3 < 5 V OFF ON Rectificador ON Alerta
ADC1 < 5 A ADC2 < 5 V ADC3 < 5 V ON OFF - ON Alarma
64
4.2. Pruebas Operacionales del Sistema Fotovoltaico
Como se mencionó anteriormente, se realizaron pruebas con resultados satisfactorios a
cada uno de los equipos que componen el sistema fotovoltaico, posteriormente se
procedió a realizar una serie de pruebas operacionales a todo el sistema fotovoltaico
interconectado.
Estas pruebas fueron realizadas con el fin de determinar las condiciones de operación del
prototipo desarrollado, evaluando los tiempos de carga y descarga, duración de la batería,
control por parte del sistema de transferencia, protecciones, entre otras, que permitieron
validar el correcto funcionamiento.
El sistema se interconecta y se pone en funcionamiento con 8 luminarias con las
características técnicas descritas en el capítulo anterior, obteniendo como resultado los
siguientes tiempos de duración de la batería para alimentación de estas cargas:
Tabla 17. Prueba operacional tiempo de descarga de batería.
Luminarias
Encendidas
Consumo de
Corriente
Duración de Batería
(Aprox.)
8 4,72 Ah 30 Horas
6 3,56 Ah 45 Horas
4 2,35 Ah 58 Horas
En la tabla anterior se puede observar que la batería a full carga, tiene una capacidad
para mantener encendida la iluminación completa (8 Luminarias) por aproximadamente 30
horas, parcialmente (6 Luminarias) por 40 horas o con carga mínima (4 Luminarias) por
58 Horas.
65
De lo anterior se puede determinar que el resultado en cuanto a la duración de la batería
a full carga, en caso de presentarse fallas en los sistemas de carga (Panel – Red
Eléctrica), según las condiciones de diseño (8 luminarias con usos de aprox. 6 horas/día),
es muy satisfactorio ya que el sistema se mantendría en correcto funcionamiento por
aproximadamente 5 días.
En cuanto a los tiempos de carga de la batería utilizando el panel solar, se obtuvieron
como resultados tiempos entre 28 y 52 horas con variaciones de corriente del Panel de 5A
- 7.2 A, considerando que la eficiencia de carga se ve reducida por las pérdidas
generadas por variaciones en la intensidad de radiación solar y los horarios de no
radiación.
Durante la operación del sistema se realizaron pruebas de funcionamiento del sistema
regulador y del sistema de transferencia, realizando conexiones con polaridad invertida,
cortocircuitos, sobretensiones en el sistema de carga, supresiones de las fuentes de
alimentación, las cuales generaron respuestas positivas por parte de los sistemas de
protección y regulación.
El sistema de transferencia diseñado presenta además un correcto funcionamiento en
cuanto al control de selección de la fuente de alimentación y en cuanto a la indicación
mediante su display de los estados del sistema y mediante indicación luminaria y sonora
de los estados de falla y alarma.
66
5. CONCLUSIONES
• Colombia es un país que cuenta con el privilegio de tener una geografía característica
que brinda la disponibilidad de diferentes tipos de energía alternativa. Como se
presentó en este proyecto, la principal tarea para la utilización de estos recursos
consiste en la evaluación de la disponibilidad de estas energías según las condiciones
geográficas, lo que permite llevar a la elección de una de ellas y dar comienzo al
aprovechamiento de estos recursos que son de accesibilidad gratuita.
• En el Valle del Cauca se cuenta principalmente y con mayores beneficios con dos tipos
de energías alternativas, que son la energía eólica y la solar, quizás las más
importantes y con más implementaciones dentro de los desarrollos realizados a nivel
mundial. Pero para este caso se decide trabajar con la energía solar, ya que la energía
eólica requiere unos periodos de mantenimiento con mayor frecuencia, se presentan
desgastes en sus piezas mecánicas, afecta el ecosistema en su ambiente biótico
directamente a las aves y en el ambiente abiótico se ve afectado por la inconsistencia
en las corrientes de viento.
• Para desarrollar este proyecto se plantearon una serie de objetivos que encaminaron el
correcto desenlace, tanto en organización como puesta en marcha y operación de un
sistema fotovoltaico, encontrando en este camino la necesidad de cubrir otros aspectos
no considerados en la problemática que dio vida al proyecto, como lo fue la necesidad
de reducir costos en la implementación de este tipo de sistemas, lo cual permitió el
planteamiento de otro objetivo encaminado a este requerimiento, el cual se cumplió
satisfactoriamente al plantear una estructura de sistema fotovoltaico muy diferente a la
estructura convencional, suprimiendo etapas y trabajando con otras tecnologías
(luminarias), que brindan el mismo servicio, beneficio y menor costo de
implementación.
67
• El desarrollo de este proyecto se plantea como una subetapa de la electrificación de
una vivienda mediante el uso de una fuente de energía alternativa, buscando disminuir
los costos pagados por este recurso para la iluminación y la alimentación de uno o dos
electrodomésticos. Se presenta como una buena opción de migración a estos
sistemas, al brindar un mayor acceso gracias a la posibilidad de una inversión
económica por etapas, el cual no se ve afectado mientras se realice un correcto diseño
y dimensionamiento.
• En todo el documento se ha mencionado la importancia de buscar una independencia
de las fuentes de energía convencionales y además, la utilización de recursos gratuitos
para la generación propia del recurso energético, para la iluminación de una vivienda o
de un laboratorio de Energías Alternativas como fue el caso de implementación de este
proyecto; por lo cual puede surgir la duda de por qué se utiliza un sistema de
transferencia en donde una de las fuentes de alimentación es la red eléctrica, a lo cual
damos como respuesta que este recurso posiblemente no se utilice nunca, ya que será
activado únicamente cuando el sistema presente fallas que no puedan ser
solucionadas durante el tiempo de reserva de la batería, situación que tiene muy poca
probabilidad de ocurrencia según las investigaciones realizadas, pero a pesar de esto,
se buscó cubrir un aspecto de seguridad en la operación del sistema permitiendo que
en momento de presentarse alguna falla de la fuente de alimentación primaria (Panel
Solar), el usuario no se vea afectado y pueda seguir utilizando el sistema mientras esta
sea corregida.
• Aunque por motivos externos al desarrollo de este proyecto, no fue posible la
implementación del sistema fotovoltaico en la vivienda propuesta, se logró la
implementación de este en el laboratorio de energías alternativas de la facultad de
arquitectura de nuestra universidad, lo que permite comprobar su correcto
funcionamiento y además se presenta como una adecuada herramienta para la
interacción de los estudiantes con este tipo de sistemas.
68
• Este desarrollo permite también el planteamiento de un trabajo futuro, consistente en el
dimensionado e implementación de un sistema fotovoltaico para cubrir las necesidades
de suministro de energía eléctrica para una vivienda, contando con una base
importantísima tanto con la parte teórica como con el prototipo desarrollado en este
trabajo.
69
6. BIBLIOGRAFÍA
Allegro MicroSystems. (s.f.). Recuperado el 10 de 01 de 2013, de
www.allegromicro.com/Products/Current-Sensor-ICs/Zero-To-Fifty-Amp-Integrated-
Conductor-Sensor-ICs/ACS714.aspx
Alta Ingenieria. (2012). ELECTRODOMESTICOS SOLARES COLOMBIA. Recuperado el 08 de 02 de
2013, de
http://www.altaingenieriaxxi.com/index.php?option=com_content&view=article&id=9&It
emid=37
Arias Navarro, A. (2009). Casa Rural Sostenible. Proyecto de Grado, Universidad de Cataluña,
Barcelona.
Atmospher Ltda. (2013). ELECTRODOMESTICOS SOLARES. Recuperado el 08 de 02 de 2013, de
http://atmospherltda.com/sitio/neveras-y-congeladores-solares/
Betancur, L. I. (2009). Energías Renovables: Marco Jurídico en Colombia. Perspectiva(21), 69-71.
Blog Corporativo de Energias Renovables. (s.f.). Blog de Energias Renovables. Recuperado el 12 de
08 de 2012, de /blog.technosun.com/?cat=19
Colegio Humboldt Alemania. (2009). Recuperado el 29 de 01 de 2013, de
http://www.exportinitiative.de/fileadmin/auslandsprojekte/solardachprogramm/Dokume
nte/Costa_Rica_Flyer_esp_01.pdf
Company News Steca Elektronik. (s.f.). Recuperado el 01 de 05 de 2012, de
www.steca.com/index.php?Steca_Solsum_F_es
Cortes, L., & Montañez, J. (2010). Metodologías de diseño para el suministro de energía eléctrica
en zonas no interconectadas a partir de energías renovables. Proyecto de Grado,
Universidad de la Salle, Bogotá.
CRIADO, V. (2008). Manual Práctico de Evaluaciónde una Instalación de Energíaeólica a Pequeña
Escala. Madrid: Universidad Politécnica de Madrid.
Diaz Narvaez, H., & Diez Cardona, F. (2007). Analisis, Modelado, Simulación y Validacion de un
sistema de generacion de energia solar autonomo. Cali.
70
DIAZ ZEDANO, R. H. (s.f.). Aspectos Genereales de Seguridad (Puesta a tierra). Recuperado el 12 de
08 de 2012, de http://www.monografias.com/trabajos76/aspectos-generales-
seguridad/aspectos-generales-seguridad2.shtml
EPM, Gerencia Generación Energía. (2006). La Energía Eólica como Posibilidad de
Aprovechamiento. Estudio Técnico, Empresas Publicas de Medellin, Guajira.
eRENOVABLE. (11 de Abril de 2011). eRENOVABLES. Recuperado el 19 de Enero de 2012, de
Historia de Energias Renovables: http://erenovable.com/2011/04/11/historia-energia-
renovable/
Gasquet, H. (Octubre de 2004). Manual Teórico y Práctico sobre los Sistemas fotovoltaicos.
Recuperado el 02 de 05 de 2012, de Solartronic:
http://www.solartronic.com/download/SistemasFV.pdf
Jofra, M. (2010). Energía Solar Fotovoltaica. Energías Renovables Para Todos.
Lopez, Y. U. (2011). Análisis de recurso solar y eólico en Colombia. Caso Valle del Cauca. EL
HOMBRE Y LA MAQUINA, 34-41.
Marín, C. E. (2004). La Energía Eólica en España. Investigaciones Geográficas(35), 45-65.
Markvart, T. (2001). Solar Electricity. West Sussex, Inglaterra: British Library.
McNelis, B. (2007). Renewable Energy Powered Water Services. INTERNATIONAL ENERGY AGENCY,
Hampshire.
MEAN WELL Enterprises Co. (s.f.). Switching Power Supply. Recuperado el 16 de 07 de 2012, de
www.meanwell.com/
MinEducacion Nacional. (12 de Marzo de 2007). Centro Virtual de Noticias. Recuperado el 08 de 10
de 2011, de http://www.mineducacion.gov.co/cvn/1665/article-174956.html
MinEducación, N. (18 de 07 de 2008). Centro Virtual de Noticias. Recuperado el 21 de 10 de 2011,
de http://www.mineducacion.gov.co/cvn/1665/article-117028.html
Montañez, J., & Cortes, L. (2010). Metodologías de Diseño Para el Suministro de Energía Eléctrica
en Zonas No Iinterconectadas a Partir de Energías Renovables. Proyecto de grado,
Universidad de La Salle, Bogotá.
Mora Navarro, D., & Hurtado Lievano, J. (2004). Guía para estudio de pre factibilidad de pequeñas
centrales hidroeléctricas como parte de sistemas híbridos. BOGOTA.
71
Muñoz, A. (Enero-Junio de 2002). Generadores de eenergía eléctrica de origen eólico. Revista de
Ingenierías de la Universidad de San Buenaventura Cali, 09, 114-124.
Murcia, H. R. (Noviembre de 2008). Desarrollo de la energía solar en Colombia y sus Perspectivas.
Revista de Ingenieria. Universidad de los Andes(28), 83-89.
Murillo Gonzaléz, R. (2005). Evaluación de la Inserción de Ssistemas Fotovoltaicos a la Red Publica
de Costa Rica. Costa Rica: Proyecto de grado Universidad de Costa Rica.
Oñate Arresti, D. (2006). Diseño de Una Instalación Solar Fotovoltaica. España: Proyecto de grado.
Pacheco, C. S. (2010). Sistemas de Energía Solar Fotovoltaica Aplicados a Viviendas Residenciales
en Entorno Urbano. Universidad Internacional de Andalucia, Andalucia, España.
Perez, J. (2009). Estudio de la aportación de la energía solar térmica y el uso de equipos de elevada
eficiencia energética a un modelo de construcción sostenible. Proyecto de Grado,
Universidad de Cataluña, Barcelona.
PHOCOS AG. (s.f.). Phocos Electrics. Recuperado el 12 de 06 de 2012, de
http://www.phocos.com/products/cl-12-7-11w
Prado Mora, C. (2008). Diseño de un sistema eléctrico fotovoltaico para una comunidad aislada.
Costa Rica: Proyecto de Grado.
Rodríguez de Luis, L. (26 de 02 de 2007). Curso de Energia Solar Fotovoltaica. Recuperado el 02 de
02 de 2012, de http://www.ujaen.es/investiga/solar/07cursosolar/
Rodriguez, L. F. (Marzo de 2004). Programa General para la Energía Eólica en Colombia. Letras
Jurídicas, 9(1), 127-139.
Rojo Gallardo, C. (2010). Proyecto de instalaciones para el ahorro de energía y agua en una
vivienda unifamiliar situada en Sant Gregori (Girona). Proyecto de Grado, Universidad de
Cataluña, Barcelona.
Sacristan, E. (Abril de 2001). Las energías del siglo XXI. Muy Interesante, 16(187), 41-53.
Sánchez, O., & Orozco, P. (2009). Diseño e Implementación de una Base de Datos y Una Aplicación
Web Para Estación Metorológica. Proyecto de Grado, Universidad Autonoma de
Occidente, Cali.
Scheuermann, K. (Enero - Junio de 2003). Just How Big Is a 2 kW Photovoltaic System? HOME
ENERGY, 24-29.
72
SOLENER. (18 de 01 de 2000). SOLENER. Recuperado el 02 de 03 de 2013, de
http://www.solener.cl/index.php?option=com_content&view=article&id=122&Itemid=11
6
SUNSET. (Marzo de 2006). Sunset Solar. Recuperado el 29 de 01 de 2013, de Auslandsreferenzen -
Internationale Schulprojekte: http://www.sunset-solar.de/index.php?lang=en/
Textos Cientificos. (04 de 07 de 2005). Celdas Solares. Recuperado el 15 de 08 de 2012, de
http://www.textoscientificos.com/energia/celulas
TUSWITCH. (2013). Electro Solar. Recuperado el 08 de 02 de 2013, de
http://tuswitch.com/productos/10/Electrodom%C3%A9sticos-Solares
UPME, & Energia, M. d. (2005). Sistema de Información de Eficiencia Energética y Energias
Alternativas. Recuperado el 19 de 10 de 2011, de http://www.si3ea.gov.co/
73
ANEXOS
