Energia Solar.docx

Titulo principal: ESTUDIO DE ELECTRIFICACIÓN DE UNA COMUNIDAD EN NARIÑO CUNDINAMARCA

ESTUDIO DE ELECTRIFICACIÓN DE UN CONJUNTO DE VIVIENDAS EN NARIÑO CUNDINAMARCA CON ENERGÍA RENOVABLE Camila Alejandra Bonilla Segura Emily Castañeda Puentes Nicolás Tovar Suescun Cristian Fabian Parra Raúl Correa Jorge Montañez

Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica

Abstract El abstract deberá tener un solo párrafo que no exceda las 120 palabras. Es un resumen de los elementos más importantes de su artículo (paper). Todos los números en el abstract, excepto aquellos que comienzan una frase, deben escribirse como dígitos en lugar de las palabras. Para contar el número de palabras en este párrafo, puede seleccionar el párrafo y en la barra de herramientas/revisar, hacer click en “contar palabras”

ESTUDIO DE ELECTRIFICACIÓN DE UN CONJUNTO DE VIVIENDAS EN NARIÑO CUNDINAMARCA CON ENERGÍA RENOVABLE Planteamiento del problema Se pretende realizar un estudio de electrificación de un conjunto de viviendas en Nariño Cundinamarca, el proyecto de electrificación pretende beneficiar aproximadamente a una población de trescientos cincuenta personas que no cuentan con suministro de energía eléctrica, en este, se contempla la necesidad de llevar a cabo un estudio donde se analicen los diferentes recursos naturales con los que cuenta la ubicación del proyecto, esto con el objetivo principal de realizar un análisis que detalle con precisión los diferentes tipos de electrificación que se tendrán en cuenta. Dado que Nariño Cundinamarca cuenta con alta radiación solar [21], el estudio contempla la energía solar fotovoltaica como fuente principal de generación eléctrica, no obstante, se pretende analizar otros recursos de energía renovable como biomasa y eólica para determinar qué tipo de tecnología es la óptima desde el punto de vista energético, ambiental y económico. Cabe resaltar que se identificaron las necesidades básicas insatisfechas (NBI) en la comunidad y se detectó que se carece de suministro de energía eléctrica, no obstante, las otras necesidades ya estas cubiertas, por ende, el enfoque de este estudio esta basado únicamente en un sistema de electrificación. Con base en la información obtenida, el planteamiento del problema y justificando la necesidad de llevar a cabo esta investigación se crea un diseño de un sistema eficiente de electrificación para esta comunidad empleando un recurso renovable en la ubicación del proyecto. Justificación La ley 1715 de 2014 expedida por el Ministerio de Minas y Energía [22], incentiva a la inclusión de las energías renovables dentro del Sistema Interconectado Nacional (SIN) Estimular la

inversión, la investigación y el desarrollo para la producción y utilización de energía a partir de fuentes no convencionales de energía, principalmente aquellas de carácter renovable, esto con el objetivo principal de atender criterios de sostenibilidad a nivel ambiental, social y en el aspecto económico. Nariño es un municipio de Cundinamarca que se encuentra a 149 km de la ciudad de Bogotá, su población es de al menos 2042 habitantes, algunas zonas remotas del municipio que están habitadas no cuentan con servicio de energía eléctrica, este trabajo pretende desarrollar el estudio de factibilidad para aproximadamente una comunidad de 350 personas que no cuentan con suministro de electricidad, algunas viviendas cuentan con un grupo electrógeno conformado por un motor diésel y un generador, no obstante la mayor parte del tiempo está fuera de funcionamiento debido a la escasez de combustible en la zona; debido a la ubicación geográfica de esta urbanización donde la radiación solar es un recurso energético importante, y siendo una de las zonas de Cundinamarca que se ve afectada en gran manera por el fenómeno del niño [23], la implementación de un sistema solar fotovoltaico por unidad de vivienda puede ser una alternativa viable, sin descartar preliminarmente otras alternativas de generación. El proyecto además del estudio de electrificación se enfoca en dar solución a un problema social que puede beneficiar una población que cuenta con bajos recursos económicos, una investigación que aporte resultados eficientes podría incentivar la inversión de entidades públicas o privadas para la financiación del proyecto, uno de los objetivos esenciales de esta investigación es crear conciencia entre la población del uso de fuentes de energías alternativas tanto para el beneficio del medio ambiente como además un medio de economizar costos de consumo de energía eléctrica a mediano y largo plazo.

Declaración sobre impacto ambiental del proyecto Como lo expresa la Unidad de Planeación Minero Energética (UPME), cerca del 81% de la población es dependiente a recursos fósiles como el petróleo, carbón y gas natural, por lo que en los últimos diez años se ha incentivado a la investigación en el uso de recursos renovables [22], , también existe una concientización de que estos recursos disponibles considerados relativamente abundantes en la realidad son finitos y por tanto se ha iniciado en respuesta a ello en muchos países la necesidad de promulgar una transición hacia el uso de recursos energéticos de carácter renovable que den solución a coyunturas económicas y geopolíticas asociadas con su distribución geográfica y su dominio y a su vez para contribuir a la reducción de emisiones de gases efecto invernadero y a la mitigación del cambio climático y calentamiento global según lo pactado en el acuerdo de Paris en el año 2015 [24]. El estudio a llevar acabo pretende crear un sistema de electrificación para una comunidad en Nariño, Cundinamarca empleando un recurso de energía renovable, con esta alternativa de generación se brinda una opción de generación eléctrica diferente a las convencionales. Al crear un sistema de generación con recursos naturales se mitiga el impacto de los gases invernaderos producidos por las empresas de generación térmica, al igualmente se reduce en gran medida el impacto ambiental como daño a la fauna, flora y el desvió del cauce de afluentes producidos por las hidroeléctricas.

Declaración de pertinencia social Nariño Cundinamarca cuenta con una población cercana a 2042 habitantes, algunos habitantes en sus zonas aledañas están sin servicio de electricidad, otros cuentan con un servicio deficiente de energía donde en muy pocas viviendas se cuenta con un grupo electrógeno antiguo, el cual este

acoplado con un motor Diésel, no obstante, debido a la escasez de combustible en la zona este solo provee energía durante horas de la noche. Todo lo anterior no permite un desarrollo social y acercamiento tecnológico de la población, por lo que esta investigación pretende crear un diseño de electrificación que beneficie a una población de trescientos cincuenta personas esto con el fin de brindar una mayor disponibilidad en horas de servicio del servicio de electricidad en muchos hogares que cuentan con bajos recursos y están aislados del sistema interconectado nacional (SIN). Otro aspecto relevante consiste en empoderar a la comunidad de Nariño Cundinamarca para que garantice la sostenibilidad de su sistema eléctrico fotovoltaico y establezca un liderazgo de algunos miembros de su comunidad para que se capacite y sean el respaldo para la continua y correcta operación del sistema. Impacto esperado

Promover la investigación e inversión en materia de energías renovables.

Plazo(años) después de finalizar el proyecto corto (1-4), mediano (59), largo (10 o más) Corto plazo: Alertar a la población y a las empresas relacionadas con el sector eléctrico la importancia de crear alternativas de generación para mitigar el daño causado al planeta tierra por el cambio climático. Mediano Plazo: Incentivar a las entidades del sector eléctrico a invertir en proyectos energéticos con energías renovables.

Regiones y comunidades

Largo Plazo: Beneficio de la comunidad de

Concientizar a la población y a entidades del sector energético sobre el uso de energías renovables.

Indicador Verificable

Si

Si

Si

Supuestos

Para logar este impacto se requiere realizar campañas de concientización sobre el uso eficiente de recursos renovables

Para lograr este impacto se requiere la implementación del proyecto donde se verifique ante entidades del sector energético la rentabilidad de este. Se requiere financiación de

beneficiadas por el Proyecto.

Nariño Cundinamarca y sus alrededores, con un servicio de energía eléctrica eficiente.

entidades públicas o privadas para poder abastecer de energía a más viviendas en los alrededores de Nariño.

OBJETIVOS Objetivo General Desarrollar un estudio de electrificación de una comunidad no interconectada al sistema nacional interconectado (SIN) en el municipio de Nariño, Cundinamarca Objetivos específicos: 1. Identificar el recurso energético disponible en la zona para el abastecimiento eléctrico de la comunidad 2. Caracterizar y diseñar el sistema eléctrico para la electrificación de las viviendas.

DESARROLLO DEL ESTUDIO DE ELECTRIFICACIÓN Análisis de fuentes no convencionales de energía y condiciones climáticas del proyecto A continuación, se presenta un estudio de los recursos energéticos en materia de fuentes no convencionales disponibles en Nariño Cundinamarca para el abastecimiento eléctrico de las unidades de vivienda. Con esto se pretende recopilar información de variables ambientales con el fin de seleccionar la fuente más adecuada de acuerdo con las condiciones y criterios del proyecto para la electrificación de las siete unidades de vivienda. Ubicación del proyecto La ubicación del proyecto de electrificación a llevar a cabo se encuentra a 2 km del municipio de Nariño, perteneciente al departamento de Cundinamarca y a una distancia de 153

km de la ciudad de Bogotá, limita al Este con Tocaima, al Noreste con Jerusalén, al Norte con Guataquí, al Oeste con Tolima y al Sureste con Girardot.

Ilustración 1. ubicación del proyecto

EVALUACIÓN DE LOS RECURSOS ENERGÉTICOS DISPONIBLES EN LA ZONA. Las fuentes no convencionales de energía que se evaluaran para el proyecto son las siguientes: 

Radiación solar.



Viento.



Biomasa. A continuación, se llevará un respectivo análisis con información brindada por el IDEAM

(Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales), y con satélites de la NASA en relación con las características de variables de viento y radiación solar en Nariño Cundinamarca, para diferentes temporadas del año. Por otra parte, para estudiar el potencial energético con relación a la biomasa se tomará como referencia en específico el atlas de Biomasa residual brindado por la UPME (Unidad de Planeación Minero-Energético) [1].

ESTUDIO DE RADIACIÓN SOLAR EN NARIÑO CUNDINAMARCA. El IDEAM junto con la UPME, realizaron el atlas de radiación solar en Colombia, este contiene 13 mapas, uno para cada mes del año y uno del promedio en general, como a la vez se cuenta con un mapa de estaciones meteorológicas [2], en este es posible evidenciar que para el departamento de Cundinamarca existen múltiples estaciones muchas de ellas cercanas al Municipio de Nariño, lo que otorga mayor credibilidad a la utilización de dichos mapas en este proyecto. La medida de la intensidad se indica en los mapas mediante convenciones de colores que van desde el azul oscuro hasta el rojo oscuro, en la tabla 1 se presentan los niveles de radiación para el municipio de Nariño. Además de los niveles de radiación para los diferentes meses del año, el IDEAM desarrollo los mapas de brillo solar, es decir, mapas que indican la cantidad de horas de radiación directa al día para cada región del país [3], en la tabla 1 se presentan estos datos para cada mes del año. Por otra parte, la NASA en una página web [4], donde se insertan los datos de latitud igual a 4040056 y longitud igual a -74.8358, indicando la radiación para cada mes del año de dicha ubicación. Cabe aclarar que para mayor precisión en los datos se consultaron las dos fuentes en conjunto, tanto del IDEAM como de la NASA para una previa comparación.

VARIACIÓN CONDICIÓNES CLIMATICAS TEMPERATURA

Radiación

BRILLO

MES [˚C]

IDEAM

NASA

SOLAR

[kWh/𝒎𝟐 ]

[kWh/𝒎𝟐 ]

[h/día]

Enero

26,7

4,5-5

4,86

5-6

Febrero

26,9

4,5-5

4,83

4-5

Marzo

26,8

4,5-5

4,91

4-5

Abril

26,6

4,5-5

4,65

4-5

Mayo

26,5

4,5-5

4,72

4-5

Junio

26,3

4,5-5

4,83

4-5

Julio

26,7

5-5,5

5

5-6

Agosto

27,1

5-5,5

5,07

5-6

Septiembre

27

5-5,5

5,03

5-6

Octubre

26,4

4,5-5

4,7

4-5

Noviembre

26

4,5-5

4,6

4-5

Diciembre

26,3

4,5-5

4,6

5-6

Anual

26,6

4,5-5

4,82

5-6

Tabla 1. niveles de radiación en Nariño Cundinamarca. [1] [2] [3].

La ilustración 2 muestra la temperatura por mes en la ubicación del proyecto a desarrollar, estos datos fueron tomados directamente del satélite de la NASA [4], como se puede apreciar la temperatura oscila aproximadamente entre los 26 y 27 grados centígrados, siendo enero el mes con la temperatura más elevada durante el transcurso del año.

Temperatura [˚C]

Temperatura 27.5 27 26.5 26 25.5 25

Mes

Ilustración 2. Temperatura anual en Nariño Cundinamarca, fuente: propia.

Por otra parte, en la ilustración 3 se puede apreciar la radiación para cada mes del año en Nariño Cundinamarca, estos valores igualmente fueron tomados directamente de la página oficial de la NASA, como se puede apreciar los meses de agosto y septiembre presentan la mayor radiación solar.

Radiacion [kWh/𝒎²]

Radiación solar 5.2 5.1 5 4.9 4.8 4.7 4.6 4.5 4.4 4.3

Mes

Ilustración 3. radiación solar en Nariño Cundinamarca. Fuente: propia.

CALCULO DE LA IRRADIANCIA O ENERGÍA POR UNIDAD DE SUPERFICIE.

La radiación solar que llega a la superficie de la tierra se denomina directa o difusa, teniendo en cuenta esto, se aclara que en la tabla 1, se presenta el número de horas con que la radiación será directa. Por otra parte, la radiación difusa proviene de un ángulo de inclinación no tan directo u objetos que la obstruyan lo cual se denomina sombra. La tabla 1 presentada previamente se deberá tener en cuenta posteriormente para la dimensión del sistema fotovoltaico, la radiación, datos que provienen de mapas de la UPME o la NASA, son la energía proveniente del sol la cual es el área bajo la curva de la irradiación diaria para cualquier lugar de la tierra, la cual no es la más óptima cuando sale el sol, ni tampoco en horas de la tarde, es decir, cuando el sol se oculta, sino que es sobre el medio día donde se presenta la energía del sol más óptima. El cálculo de la energía total recibida en un metro cuadrado de superficie terrestre (o de un panel fotovoltaico) horizontal, es representado por el área bajo la curva de la gráfica de irradiación en el tiempo. Donde el rectángulo representado en la figura 6 muestra una aproximación del área. La ecuación de la energía por metro cuadrado se muestra en la ecuación 1. 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎(𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑐𝑢𝑎𝑑𝑟𝑎𝑑𝑜) = 𝐼𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 ∗ 𝑇

Ecuación 1

Donde las unidades de irradiación corresponden a [W/𝑚2 ], el tiempo se determina en horas [h] y por lo tanto las unidades de energía o irradiación por unidad de superficie equivalen a [h*W/𝑚2 ]

Ilustración 4. Curva irradiación solar al día [10].

ESTUDIO DE ENERGÍA EÓLICA EN NARIÑO CUNDINAMARCA. El IDEAM realizó el atlas interactivo del viento en Colombia, este contiene una serie de mapas, tales como, velocidad promedio, velocidad máxima, dirección del viento, potencial eólico, entre otros [5], es posible evidenciar que para el departamento de Cundinamarca existen múltiples escenarios por mes muchas de ellas cercanas al Municipio de Nariño, lo que otorga mayor credibilidad a la utilización de dichos mapas en este proyecto. Según el documento de la UPME, Atlas de Viento y Energía Eólica de Colombia, capítulos 4 y1 [7], las velocidades del viento más bajos se registran en el departamento de Cundinamarca con velocidades promedio durante el año de 2.2m/sg. En las siguientes ilustraciones se puede apreciar la velocidad el viento en Nariño Cundinamarca para los diferentes meses del año, donde se representa con una escala de colores la magnitud del viento. Siendo el color violeta la mínima intensidad (2m/sg) y el rojo el valor superior equivalente a los 13m/sg.

Ilustración 5. Mapa del viento de enero y febrero. [5]

En la ilustración 6 se observa el comportamiento del viento promedio en los meses de marzo y abril respectivamente.

Ilustración 6. Mapa del viento de marzo y abril. [5] .

En la ilustración 7 se observa el comportamiento del viento promedio en los meses de

mayo y junio respectivamente.

Ilustración 7. Mapa del viento de mayo y junio. [5]

En la ilustración 8 se observa el comportamiento del viento promedio en los meses de julio y agosto respectivamente.

Ilustración 8. Mapa del viento de julio y agosto. [5]

En la ilustración 9 se observa el comportamiento del viento promedio en los meses de septiembre y octubre respectivamente.

Ilustración 9. Mapa del viento de septiembre y octubre. [5]

En la ilustración 10 se observa el comportamiento del viento promedio en los meses de noviembre y diciembre respectivamente

Ilustración 10. Mapa del viento de noviembre y diciembre. [5]

Observando los mapas anteriores para cada mes de año, se puede apreciar que la tendencia en la velocidad del viento en Nariño oscila aproximadamente entre los 5 y 6 metros por segundo,

ahora si se compara con la velocidad del viento producida en la Alta Guajira donde se encuentra el parque eólico Jepirachi, donde el viento alcanza velocidades de 10 metros por segundo, se puede apreciar que las corrientes de aire no son altas ni tampoco son constantes para diseñar un sistema de generación eólico eficiente.

ESTUDIO DE ENERGÍA CON BIOMASA. El principal elemento para generar energía eléctrica por biomasa son los residuos [8], los cuales pueden ser provenientes de la naturaleza como los desechos de animales, de la intervención directa del hombre, como en las petroleras donde se extrae gas del petróleo y cultivos afines energéticos, como las plantaciones de palma de aceite, de estos residuos se obtiene la biomasa, este material al entrar en combustión emite grandes cantidades de calor el cual transforma el agua de vapor, el vapor a presión sale de calderas a turbinas, las cuales transmiten el movimiento a un generador convirtiendo la energía cinética en eléctrica. Según el atlas de biomasa residual de la UPME [9], el cual muestra el potencial energético y generación de biomasa a nivel regional del país Colombia, el cual clasifica al departamento de Cundinamarca con una capacidad energética de biomasa para el sector agrícola es de 261.75 TJ/año. En el Atlas de Biomasa de la UPME [12], se muestra el potencial energético de este recurso para los diferentes municipios de Colombia, para el caso particular de Nariño Cundinamarca el potencial anual corresponde a 33.33 TJ/año como se muestra en la ilustración 14.

Ilustración 14. Potencial energético biomasa en Nariño Cundinamarca. [12].

Según la clasificación de potencial energético de Biomasa, Nariño Cundinamarca se encuentra en los rangos más bajos de clasificación según la UPME, como lo muestra la ilustración 15, donde el color amarillo perteneciente a Nariño representa un potencial bajo de producción de Biomasa en comparación con otros municipios.

Ilustración 15. Niveles de potencial energético de Biomasa. [12].

ANÁLISIS DE RESULTADOS SISTEMA DE GENERACIÓN ALTERNATIVA DEL PROYECTO Tabla 2. Características de las fuentes no convencionales en la ubicación del proyecto

Energía Eólica

Energía Biomasa

Energía Fotovoltaica

El recurso

Genera energía

Los módulos tienen

requerido para

limpia no

un periodo de vida

este tipo de

perjudicial para el

hasta de 20 años.

energía es

medio

Se puede integrar

inagotable [13].

ambiente [15].

en las estructuras de construcciones

Ventajas Genera

Por efectos de la

nuevas o

energía limpia

Fotosíntesis, el

existentes.

no perjudicial

carbono que se

para el medio

genera al quemar la

ambiente.

biomasa puede llegar a ser

Se pueden hacer módulos de todos los tamaños. El trasporte de todo

Compatible a

absorbido lo cual no

el material es

otras

generaría gases de efecto

practico.

actividades,

invernadero.

como la agricultura.

El costo disminuye a medida que la

El aprovechamiento

tecnología va

de desechos

avanzando.

reduce el costo

Es un sistema de

para la obtención

aprovechamiento

del combustible

de energía idóneo

(Biomasa).

para zonas rurales. . Los paneles fotovoltaicos son limpios y silenciosos y no generan emisiones de dióxido de carbono. El recurso requerido para este tipo de energía es inagotable.

Energía Eólica

Energía Biomasa

Energía Fotovoltaica

Desventajas

Depende en

Para su

Los costos de

gran manera

construcción

instalación son

de variables

requiere de una

altos, requiere de

como la

amplia zona, y con

una gran inversión

densidad del

maquinarias que

inicial.

viento y su

pueden llegar a ser

velocidad [13]

costosas.

Los lugares donde hay mayor radiación solar, son

Requiere por sus elementos

Para el

lugares desérticos y

almacenamiento

alejados de las

de

ciudades.

de generación

la Biomasa se

de grandes

requiere con un

extensiones

espacio aislado

energía difusa, la

de territorio.

grande, ya que es

luz solar es una

cercanos al

un material de un

energía

mar por ser un

olor desagradable

relativamente de

sitio con sus

y hasta

Es una fuente de

baja densidad.

niveles altos

contraproducente

de densidad

para la salud

limitaciones con

de viento y

humana.

respecto al

velocidades.

Posee ciertas

consumo ya que no En procesos donde

puede utilizarse

se requiera

más energía de la

recolección

acumulada en

los tiempos de

procesamiento y

periodos en donde

demanda en

almacenamiento,

no haya sol.

el día y la

este proceso puede

noche no

llegar a ser

Por lo general

coinciden con

costoso

los periodos

para la obtención

del día donde

de la Biomasa.

los vientos son mas fuertes.

Energía Eólica

Energía Biomasa

Energía Fotovoltaica

A los tres

Se realiza

Mantenimiento del

meses

Anualmente.

panel solar

comprobación

Se debe realizar

fotovoltaico [16]:

de pernos y

en

limpieza periódica

tornillería,

los meses de

del vidrio del panel.

Mantenimiento

revisión

verano, limpieza

Se recomienda

requerido para

exhaustiva del

cada sistema

aéreo

de generación

generador [14].

de

cada dos meses, calderas y

limpieza

renovable. A los 18

revisar terminales, el soporte del panel

general de las

debe estar en

instalaciones.

buenas

meses cambio

condiciones.

de cambio de

Cada 4 años se

aceite

realizara una

Mantenimiento de

multiplicadora.

limpieza de este

las baterías: antes

sistema A los 5 años cambio de

y se comprueban y

aceite grupo hidráulico.

de empezar el mantenimiento se debe tener mucho

reajustan todos los

cuidado al contacto con el ácido diluido

parámetros para

de las baterías el

optimizar y alargar la vida útil del sistema de generación.

cual puede llegar a causar quemaduras, posteriormente se deberá verificar el nivel electrolítico, limpiar bornes y aplicar a esta grasa antioxidante.

Mantenimiento Acumuladores: verificar que no presente ruidos anormales y que el fusible de entrada este en buen estado.

Energía Eólica

Energía Biomasa

Energía Fotovoltaica

Según el

Según el atlas de

Según el

documento de la

Biomasa residual

documento de la

UPME, Atlas de

de la UPME [12],

UPME, Mapas brillo

Viento y Obtención Energía Eólica de Colombia,

del

capítulos 4 y

recurso en relación a la ubicación del proyecto

el

solar [18] y por cual muestra el

medio se establece

potencial

que las horas de

energético

brillo solar al día en

1[17], las velocidades

y generación de

del viento más bajos

biomasa a nivel

se

regional del país

Cundinamarca son

registran en el

Colombia, el cual

de 4-5 horas al día,

departamento

clasifica al

tiempo en el cual

de

municiono de

es donde más se

Cundinamarca

Nariño

este municipio cercano a

podrá aprovechar

con velocidades

Cundinamarca con

la energía lumínica

en promedio

una capacidad

del sol.

durante el ano

energética de

de 2.2 m/s.

Biomasa de 33,33

Según el satélite de la

TJ/año, como se mostró

NASA y la información

en la ilustración 14,

brindada por el IDEAM, la

Nariño está clasificado

radiación

en la mínima escala (color amarillo) de potencial energético, por

promedio para Nariño Cundinamarca es de 4.5 – 5 KWh/m.

lo que lo hace una fuente ineficiente para la implementación de un sistema de electrificación

Teniendo en cuenta los datos de la tabla anterior, se decide emplear energía solar fotovoltaica como fuente de electrificación, teniendo en cuenta que en Nariño se cuenta con niveles adecuados de radiación solar, esencial para la generación de energía fotovoltaica, como también los costos de maquinaria y equipos requeridos pueden llegar a ser aceptables teniendo en cuenta que se busca es una generación autónoma para cada unidad de vivienda dependiendo de la demanda de carga. Por otra parte, los sistemas de generación eólica y biomasa son de costo más alto, además que no es el potencial más fuerte en la zona del proyecto como se mostró anteriormente con la información brindada por los satélites del IDEAM y los atlas de la UPME. También se evidencia que el mantenimiento de los sistemas fotovoltaicos es sencillo y no

requiere en ciertos trabajos mano de obra especializada, como también la durabilidad que presenta este sistema de generación es muy buena. Por esta razón se decide trabajar con el sistema de generación fotovoltaica y se descartan los siguientes sistemas de generación teniendo en cuenta la información brindada en la tabla 2: Generación por medio de Biomasa: Un primer inconveniente con esta fuente de energía renovable es que presenta grandes costos para su implementación (alrededor de $30´000.000, solo para maquinaria) [11]. Como también, teniendo en cuenta que en Nariño Cundinamarca donde se encuentra ubicado el proyecto se cuenta con biomasa animal (principalmente de ganado), pero en cuanto a la recolección, procesamiento y almacenamiento de la misma, presentaría costos extras [11], aparte de la maquinara necesaria para su procesamiento; además se debe tener en cuenta que la biomasa no es un recurso ilimitado como lo es el aire o la radiación solar, esto teniendo en cuenta que para la aplicación del presente proyecto se quiere que cada residencia cuente con un sistema de generación autónomo. Finalmente se descarta este recurso debido a que como se mostró anteriormente en la ilustración 14, Nariño que cuenta con un potencial energético de Biomasa de 33,33 TJ/año y está clasificado en la mínima escala (color amarillo) de potencial energético, por lo tanto, un sistema de electrificación con Biomasa no sería eficiente. Generación Eólica: se tiene en cuenta que en la ubicación del proyecto no se cuenta con estándares adecuados de velocidad del viento y densidad del aire para la generación de energía eléctrica eólica, cabe resaltar que según Atlas de potencial Eólico de la UPME, Nariño cuenta con un promedio de velocidad de viento de 5 a 6 m/seg, de esto cabe resaltar que para este tipo de energía se recomienda que sea utilizada en sitios cercanos al mar ya que los niveles de velocidad del viento tienen mayor magnitud y son más constantes. Dado lo anterior se descarta

implementar un sistema de generación eólico, dado que para que el sistema sea eficiente se requieren vientos con velocidades superiores a los 6 metros por segundo [19]. DISEÑO DEL SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO Para llevar a cabo el dimensionamiento del sistema fotovoltaico del sistema del proyecto en Nariño Cundinamarca se tuvo en cuenta el plano arquitectónico para una casa tipo del proyecto, donde se realizó un prediseño eléctrico en AUTOCAD. Ver la ilustración 16, con el fin de determinar el tipo de cargas que alimentara el sistema solar fotovoltaico. Posteriormente se realizó un cuadro de cargas para estimar un consumo energético por circuito (ver Tabla 3), donde se estimó que dispositivos se pueden conectar con un promedio de horas al día que funcionan estas cargas, los equipos que se encuentren sombreados representan cargas especiales, es decir, que no todo el tiempo consumen potencia nominal como es el caso de la Nevera. Tabla 3 Consumo eléctrico diario por unidad de vivienda

Consumo energético diario Artefactos de cocina cir

equipo

cuito

potencia [W]

1

can tidad

hora s/día

Total Energía [KWh/día] 800

Nevera

Subtotal

0,8

Tomas sala y comedor cir

equipo

cuito

potencia [W]

1

Televisor

can tidad

150

hora s/día

1

Total Energía [KWh/día]

4

0,6

1

dvd

200

1

2

0,4

2

Ventilador

50

4

5

1

1

Equipo de sonido

300

1

0,3

0,09

Subtotal

2,09

Iluminación sala, cocina y comedor cir

equipo

cuito

potencia [W]

can tidad

hora s/día

Total Energía [KWh/día]

3

iluminación sala

10

4

3

0,12

3

iluminación

10

2

2

0,04

10

2

2

0,04

comedor 3

iluminación cocina

Subtotal

0,2

Tomas cuartos Ci

equipo

rcuito

potencia [W]

can tidad

hora s/día

Total Energía [KWh/día]

4

Televisor

100

1

3

0,3

4

Tomas aux.

80

4

0,8

0,384

subtotal

0,684

iluminación cuartos Ci

equipo

rcuito 4

potencia [W]

baños

can tidad

10

hora s/día

2

Total Energía [KWh/día]

0,5

0,01

4

cuartos

10

4

2

0,08

Subtotal

0,09

Total Energía [kWh/día]

3,064

CANTIDAD DE PANELES NECESARIOS Con base en la energía real calculada en la Tabla 3. Se dimensiona el sistema fotovoltaico con un 20% de la potencia nominal, esto equivale a 3,67kW. Con el objetivo de reducir el número de paneles por vivienda se buscó en el mercado paneles con la mayor capacidad, de los cuales se encontraron de 200W, 255W y 315 W. #𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎/(𝑊𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙 ∗ 𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑏𝑟𝑖𝑙𝑙𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟) Ecuación 2

Empleando paneles con potencia nominal de 315W: #𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 =

3,67𝑘𝑊 = 2,52 ≈ 3 315𝑊 ∗ 4,6

En la ilustración 17 se muestra las dimensiones del panel solar a emplear.

Ilustración 17. Dimensiones del panel solar de 315W CÁLCULO DE LAS BATERÍAS Para hallar la capacidad del banco de baterías es necesario recurrir a la Ecuación 3.

𝐶apacidad = Capacidad =

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠∗𝑃𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 3,67𝑘𝑊 12𝑉∗40%

Ecuación 3

= 638.3Ah

Para las baterías tipo gel en el mercado se encontraron de 200 Ah, para calcular el número de baterías basta con realizar la siguiente división en la ecuación 4. #𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 = 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜/(𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎) Ecuación 4 #𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 =

638.3𝐴ℎ = 3,19 ≈ 4 200𝐴ℎ

REGULADOR DE CARGA El regulador de carga es el dispositivo en el sistema fotovoltaico encargado de proteger las baterías por sobre carga o baja profundidad de descarga, para calcular este dispositivo basta con conocer la corriente de cada panel y multiplicarla por el número de paneles además de un factor de seguridad de un 10 % por encima Ver Ecuación 5. Donde I panel representa la corriente máxima de cada panel, N el número de paneles y 1,1 es un factor de seguridad. ICarga = Ipanel ∗ N ∗ 1,1 Ecuación 5 ICarga = 8.61A ∗ 3 ∗ 1,1=28,4A Sin embargo, en el mercado existen valores normalizados de reguladores para este proyecto se consultó los de 50, 60 y 80 A. 𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 =

𝐼 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 28.4𝐴 = = 0,47 ≈ 1 𝐼 𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 60𝐴

INVERSOR Es el equipo del sistema fotovoltaico encargado de convertir la corriente directa de

los paneles en corriente alternan para los equipos de consumo general, el cual debe soportar una potencia mínima, la cual depende del número de paneles por cada potencia de estos como se presenta en la ecuación 6. W (inversor) = Wp ∗ N Ecuación 6. Donde Wp es la potencia pico del panel y N el número de paneles: W (inversor) = 315W ∗ 3=945W Para este valor en el mercado se puede utilizar un inversor de 1 Kva ÁNGULO DE INCLINACIÓN DE PANELES Con el objetivo de captar una radiación más optima se recomienda que los paneles que se encuentran en el hemisferios sur se ubiquen mirando hacia el norte, mientras que los paneles que se están en el hemisferios norte deben mirar hacia el sur, ello con el fin de captar la mayor radiación hacia el mediodía, la inclinación con respecto al suelo debe ser el ángulo de latitud con el fin de que la parte poli cristalina reciba de manera directa la radiación del sol, es decir donde se indicen los fotones de manera directa al sol [20]. La UPME define lo siguiente: “Dadas las condiciones de operación y la ubicación geográfica de Colombia, el módulo o el campo fotovoltaico debería orientarse de tal manera que las regiones de Colombia que están en el hemisferio norte tengan una inclinación no mayor de 15º con respecto a la horizontal y orientados hacia el sur. Para las regiones ubicadas en el hemisferio sur la inclinación no debería ser mayor de 12º con respecto a la horizontal y orientados hacia el norte. En todo caso, se recomienda que la inclinación no sea menor de 10º” [20] pagina 45. Por tal motivo se decide realizar una inclinación y una superficie plana de 10°

Ilustración 18. Angulo de inclinación panel solar. Fuente propia, AutoCAD

DIAGRAMA UNIFILAR DEL SISTEMA Con base en el capítulo 6 del RETIE se resumen los diagramas para realización de diagramas unifilares, este diagrama se entrega para un mayor entendimiento de la parte eléctrica conformada por los paneles solares, equipo hibrido (Regulador inversor transferencia), banco de baterías, red eléctrica y tablero del usuario.

Ilustración 19. Diagrama unifilar del sistema

Ilustración 20. Diagramas unifilares y de conexiones del sistema ALUMBRADO PUBLICO A PARTIR DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA Para llevar a cabo el diseño de alumbrado público se tiene en cuenta que el circuito de iluminación se diseñara con Bombillas Led, esto acatando la nueva reglamentación del

Reglamento Técnico de Iluminación y Alumbrado Público-RETILAB, el cual incentiva a la transición de tecnología LED. Para llevar a cabo el diseño del circuito de iluminación se tiene en cuenta que para 70 unidades de vivienda se instalaran 20 postes ubicados a una distancia de 10 metros entre cada uno, la altura del poste será de 12m según Normas Técnicas Condensa AP325. (Ver ilustración 21)

Ilustración 21. Configuración sistema poste Según el Reglamento Técnico de Iluminación y Alumbrado Público-RETILAB se debe cubrir una iluminancia de 50 lúmenes para paso peatonal, para ello se empleará bombillas LED’s DE 100W. La cantidad de paneles a utilizar se calcula como se hizo en el numeral 2.1

#𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎/(𝑊𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙 ∗ 𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑏𝑟𝑖𝑙𝑙𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟) Ecuación 2 Empleando paneles con potencia nominal de 315W: #𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 =

2𝑘𝑊 = 1,4 ≈ 2 315𝑊 ∗ 4,6

El número de baterías será:

Capacidad =

2𝑘𝑊 12𝑉∗40%

= 416,16Ah

#𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 = 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜/(𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎) #𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 =

416,6𝐴ℎ = 2,08 ≈ 3 200𝐴ℎ

Otros parámetros de diseño del circuito de iluminación: Se empleará un único regulador de carga de 60A El valor de la potencia del inversor será de 700W COSTOS DEL SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO Teniendo en cuenta las características de los equipos necesarios para el sistema fotovoltaico en Nariño Cundinamarca, se consultó los costos con algunos proveedores locales, es decir, a nivel nacional y otros extranjeros, con el fin de resumir en las tablas posteriores los costos de un sistema completo, en Bogotá se consulto con las empresas Energía solar (Inge solar ) y Copilas, en Colombia la empresa Amvar y del extranjero las empresas españolas Auto solar y Damia solar. Cabe aclarar que estos costos solo hacen referencia a los materiales, no se tiene en cuenta mano de obra. Los costos se tuvieron en cuenta para un conjunto de 70 viviendas, estos están representados en las tablas 5 y 6. EQUIPAMIENTO REQUERIDO PARA LAS UNIDADES DE VIVIENDA

Número de viviendas

Total Paneles

70

105

Inversores

Regulador

Baterías

35

35

140

Tabla 4. Equipamiento para el diseño del sistema fotovoltaico COSTO POR UNIDAD DE VIVIENDA VALOR EQUIPO

$

CANTIDAD

TOTAL $

Panel solar 315W

873000

3

2619000

Inversor

2015000

1

2015000

Baterías

1143000

4

1143000

Regulador

1040000

1

1040000

Polo a tierra

35700

1

35700

8345

20

166900

15430

7

108010

3700

7

25900

2500

3

7500

33681

7

235767

28000

1

28000

130000

20

2600000

Conectores MCM macho y hembra Cable Unifilar de 50 mm. 2 mts. Tubería conduit de 1" 3 mt. Tubería conduit de 3/4" 3mts. Cable unifilar 6 mm 20 mts. Cable Interconexión baterías 24 V Soporte panel instalación

COSTO TOTAL POR UNIDAD DE VIVIENDA

10.024.777

COSTO TOTAL DE LAS 70 VIVIENDAS

71.000.000

Tabla 5. Costos totales de materiales, viviendas Costos de alumbrado publico Descripcion

Valor $

Cantidad

Costo $

1200000

20

24000000

Panel solar

2015000

2

4030000

Inversor

873000

1

873000

Regulador de carga

1040000

1

1040000

Batería

1143000

3

3429000

Poste con iluminación Led

Total $

33372000

Tabla 6. Costos totales de alumbrado publico El costo total del proyecto será la sumatoria del circuito y del sistema solar fotovoltaico de las 70 viviendas, esto equivale a 104 millones de pesos, no obstante, para tener una reserva por riesgos e imprevistos del proyecto se requiere un 5% por encima del valor presupuestado se requiere una inversión de aproximadamente 109.000.000$, este valor equivale a netamente a equipos de instalación SIMULACÓN ECONOMICA DEL PROYECTO EN RETScreen RETScreen es un programa que se ejecuta mediante macros en Excel, es de adquisición gratuita apoyado por diferentes organismos como el departamento de recursos naturales de Canadá, GEF (Global Environ mental Fund), la NASA, entre otros organismos. Esta herramienta

sirve para el estudio y análisis de sistemas energéticos de preferencia en energías renovables, esto más que todo aplicable para la etapa de factibilidad de cualquier proyecto energético. Para el caso en particular del proyecto se tuvieron en cuenta factores importantes como la vida útil del proyecto (25 años), inversión inicial y la tasa interna de retorno (TIR), entre otros aspectos, la ilustración 22 representa el diagrama de flujo del proyecto, donde se aprecia que a partir del noveno año se empieza a recuperar la inversión.

Ilustración 22. Flujo acumulado del proyecto

CONCLUSIONES 

El periodo de recuperación de la inversión del proyecto calculada en el software RETScreen da a concluir que la recuperación de la inversión inicial se da a partir del noveno año para un proyecto con vida útil estimado en 25 años, lo cual

demuestra que el sistema implementado puede ser atractivo para los stakeholders que deseen patrocinar el proyecto 

Por temas de eficiencia energética se determinó que emplear energía eólica según la información brindada por los satélites de la NASA en la ubicación del proyecto no sería conveniente debido a que las corrientes de aire son escazas, igualmente se descartó un sistema generación con Biomasa porque según los Atlas de la UPME el departamento de Nariño Cundinamarca cuenta con uno de los potenciales más bajos de Biomasa, por lo tanto, se decidió suplir la demanda energética con energía solar fotovoltaica y se descartó un sistema hibrido.



Se deja abierto el llamado a toda la comunidad estudiantil y a los entes gubernamentales para que dirijan su mirada y enfoquen estudios e investigaciones que impacten favorablemente la gestión para mejorar la calidad de vida de comunidades afectadas, de igual forma se espera que con la terminación del estudio, este se convierta en la base para que futuras generaciones puedan implementarlo para contribuir con el desarrollo de las mismas.

Referencias Anderson, Charles & Johnson (2003). The impressive psychology paper. Chicago: Lucerne Publishing. Smith, M. (2001). Writing a successful paper. The Trey Research Monthly, 53, 149-150. Entries are organized alphabetically by surnames of first authors and are formatted with a hanging indent. Most reference entries have three components: 1. Authors: Authors are listed in the same order as specified in the source, using surnames and initials. Commas separate all authors. When there are seven or more authors, list the first six and then use “et al.” for remaining authors. If no author is identified, the title of the document begins the reference. 2. Year of Publication: In parenthesis following authors, with a period following the closing parenthesis. If no publication date is identified, use “n.d.” in parenthesis following the authors. 3. Source Reference: Includes title, journal, volume, pages (for journal article) or title, city of publication, publisher (for book).