ESTUDIO TÉCNICO DE APLICACIÓN DE ALUMBRADO PÚBLICO...

ESTUDIO TÉCNICO DE APLICACIÓN DE ALUMBRADO PÚBLICO CON PV A LA ZONA DEPORTIVA DEL BARRIO

VERBENAL SUR

SANDRA MILENA GÓMEZ PEDRAZA

INGRID LORENA QUINTERO RAMIREZ

Monografía para optar por:

Título de Ingeniería Eléctrica

Director: Diego Armando Giral Ramírez

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

INGENIERÍA ELÉCTRICA POR CICLOS PROPEDEUTICOS

2019

ESTUDIO TÉCNICO DE APLICACIÓN DE ALUMBRADO PÚBLICO CON PV A LA ZONA DEPORTIVA DEL

BARRIO VERBENAL SUR

Sandra Gómez & Lorena Quintero 2

ESTUDIO TÉCNICO DE APLICACIÓN DE ALUMBRADO PÚBLICO CON PV A LA ZONA DEPORTIVA DEL BARRIO

VERBENAL SUR

SANDRA MILENA GÓMEZ PEDRAZA

INGRID LORENA QUINTERO RAMIREZ

Monografía para optar por:

Título de Ingeniería Eléctrica

Director: Diego Armando Giral Ramírez

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

INGENIERÍA ELÉCTRICA POR CICLOS PROPEDEUTICOS

2019


BARRIO VERBENAL SUR


Tabla de contenido 1. RESUMEN .....................................................................................................................8

2. INTRODUCCIÓN ..........................................................................................................9

3. MARCO TEÓRICO ..................................................................................................... 10

3.1 Radiación solar ....................................................................................................... 10

3.2 Radiación directa y difusa....................................................................................... 10

3.3 Sistema solar fotovoltaico ....................................................................................... 11

3.4 Aplicaciones y sistemas fotovoltaicos ..................................................................... 11

3.5 Beneficios y utilización .......................................................................................... 12

4. ENERGÍA SOLAR EN COLOMBIA ........................................................................... 13

4.1 Potencial actual en regiones de Colombia ............................................................... 14

4.2 Índice de radiación y potencial en la zona objeto de estudio:................................... 16

4.3 Demanda actual y potencial .................................................................................... 17

4.4 Leyes y políticas energéticas .................................................................................. 19

4.5 Entidades de financiación ....................................................................................... 20

5. MERCADO NACIONAL ............................................................................................. 21

5.1 Antecedentes .......................................................................................................... 21

5.2 Estructura del mercado eléctrico ............................................................................. 21

5.3 Mercado mayorista de generación solar en Colombia ............................................. 23

5.4 Mercado minorista en generación solar en Colombia .............................................. 24

5.5 Fabricantes de paneles solares ..................................................................................... 26

6. DISEÑO DE ILUMINACION Y DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA

FOTOVOLTAICO ............................................................................................................... 27

6.1 Aspectos a considerar ............................................................................................. 27

6.2 Lugar de implementación ....................................................................................... 27

6.3 Definiciones, tomadas del RETILAP ...................................................................... 28

6.2 Parámetros para el diseño de iluminación según el reglamento RETILAP ................... 29

6.4 Desarrollo del diseño .............................................................................................. 37

6.5 Selección de luminaria............................................................................................ 38

6.6 Selección del poste ................................................................................................. 39

6.7 Fotoceldas para alumbrado ..................................................................................... 41


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6.8 Software para el diseño........................................................................................... 41

6.9 Características de las luminarias ............................................................................. 41

7. RESULTADOS ............................................................................................................ 44

7.1 Vista frontal y lateral de la cancha simulada ........................................................... 44

7.2 Led street light zd216 100w nw v2 ......................................................................... 45

7.3 Led street light zd216 120w nw v2 ......................................................................... 47

7.4 Led reflector jeta 100w dl ....................................................................................... 49

8. DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO ..................................... 53

8.1 Consumo energético diario ..................................................................................... 53

8.2 Factor de pérdidas .................................................................................................. 53

8.3 Ángulo de inclinación ............................................................................................. 54

8.4 Dimensionamiento del panel solar .......................................................................... 56

8.5 Dimensionamiento de las baterías ........................................................................... 57

8.6 Dimensionamiento del regulador de carga .............................................................. 58

8.7 Dimensionamiento del inversor .............................................................................. 58

8.8 Sistema de puesta a tierra ....................................................................................... 60

8.9 Conductor de tierra de masas metálicas .................................................................. 60

9. EVALUACIÓN SISTEMA FOTOVOLTAICO ............................................................ 61

9.1 Software PV solar................................................................................................... 61

9.2 Resultados .............................................................................................................. 61

9.3 Análisis: ................................................................................................................. 66

10. UBICACIÓN DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO .................................................... 67

11. MANTENIMENTO PARA LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ........................... 68

11.1 Mantenimiento preventivo .................................................................................. 68

12. ANÁLISIS DE COSTOS ........................................................................................... 69

12.1 Costos de inversión ............................................................................................. 69

12.2 Costos de mantenimiento .................................................................................... 71

13. DELIMITACION DE ALCANCES ........................................................................... 72

14. CONCLUSIONES ..................................................................................................... 75

15. PROYECTO VERBENAL SUEÑA ........................................................................... 76

16. REFERENCIAS ........................................................................................................ 79

17. ANEXOS ................................................................................................................... 81

17.1 FICHAS TECNICAS LUMINARIAS ................................................................. 81


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17.2 POSTES ............................................................................................................. 84

17.3 PANEL SOLAR ................................................................................................. 85

17.4 BATERIA........................................................................................................... 86

17.5 CONTROLADOR .............................................................................................. 87

17.6 INVERSOR ........................................................................................................ 88


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LISTA DE TABLAS

Tabla 1: Resumen de beneficios para la implementación de sistemas fotovoltaicos ......................................... 13 Tabla 2: Mapa de radiación solar anual y el mapa de brillo solar anual ............................................................ 15 Tabla 3: Promedios anuales de radiación recibida en la superficie. ................................................................... 15 Tabla 4: Aplicaciones para sistemas fotovoltaicos. ........................................................................................... 17 Tabla 5: Comportamiento por demanda de energía eléctrica por regiones 2018-2019. ..................................... 19 Tabla 6: Entidades de financiación .................................................................................................................. 20 Tabla 7: Estructura institucional del MEM. ...................................................................................................... 22 Tabla 8: Mercado minorista en generación solar en Colombia ......................................................................... 25 Tabla 9: Fabricantes de paneles solares ........................................................................................................... 26 Tabla 10: 510.3 b. Fotometría mínima en áreas críticas distintas a vías vehiculares ......................................... 30 Tabla 11: 560.3.1 Niveles de iluminación horizontal por tipo de juego y nivel de competencia .......................... 30 Tabla 12: 580.2.3 Aspectos a considerar en el cálculo del factor de mantenimiento FM del A.P. ....................... 32 Tabla 13: Clasificación de los niveles de contaminación ................................................................................... 33 Tabla 14: 580.2.3 e. Factores de ensuciamiento de las Luminarias, según el nivel de polución, índice de

hermeticidad y el período de limpieza ............................................................................................................. 34 Tabla 15: 580.2.3 C Periodos máximos para realizar limpieza del conjunto óptico de luminarias....................... 35 Tabla 16: Clasificación con relación a la protección mecánica contra choques de cuerpos solidos (Índice IK) ..... 36 Tabla 17: Marcas de luminarias ...................................................................................................................... 38 Tabla 18: Fotometría de las luminarias propuesta ........................................................................................... 39 Tabla 19: Resistencia mecánica ....................................................................................................................... 40 Tabla 20: Características de luminarias marca Sylvania ................................................................................... 43 Tabla 21: Resultados luminaria a 100 W .......................................................................................................... 45 Tabla 22: Resultados luminaria a 120 W .......................................................................................................... 47 Tabla 23: Resultados reflector a 100 W ........................................................................................................... 49 Tabla 24: Resultado de uniformidad e iluminancia promedio de las tres propuestas ......................................... 51 Tabla 25: Energía al día caso de estudio .......................................................................................................... 53 Tabla 26: Dimensionamiento de equipos, con plantilla en Excel del manual técnico de instalaciones solares .... 59 Tabla 27: Proveedores consultados ................................................................................................................. 69 Tabla 28: Costos de la instalación .................................................................................................................... 70 Tabla 28: Mantenimiento de equipos .............................................................................................................. 71 Tabla 30: Delimitación de alcances .................................................................................................................. 74


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LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Azimut Solar ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 10 Figura 2: Sistema fotovoltaico aislado de la red eléctrica.-------------------------------------------------------------------- 11 Figura 3: Sistema fotovoltaico conectado a la red eléctrica. ----------------------------------------------------------------- 11 Figura 4: Índice de demanda energética real ------------------------------------------------------------------------------------ 13 Figura 5: Participación por tecnología en la matriz eléctrica del sector colombiano. ---------------------------------- 14 Figura 6: Índice de Radiación solar promedio Bogotá D.C, Boyacá y Huila. ---------------------------------------------- 16 Figura 7: Demanda histórica 2005-2017 de energía anual en Colombia. ------------------------------------------------- 18 Figura 8: Demanda de energía eléctrica por regiones 2018-2018. --------------------------------------------------------- 19 Figura 9: Granja solar Celsia Yumbo. ---------------------------------------------------------------------------------------------- 23 Figura 10: Granja solar Celsia Bolívar. -------------------------------------------------------------------------------------------- 24 Figura 11: Ubicación geográfica del barrio Verbenal -------------------------------------------------------------------------- 27 Figura 12: Cancha de estudio para diseño de alumbrado a partir de un sistema fotovoltaico ----------------------- 28 Figura 13: Conjunto óptico de una luminaria Led------------------------------------------------------------------------------- 37 Figura 14: Conjunto óptico y eléctrico de una luminaria led ----------------------------------------------------------------- 37 Figura 15: Cancha deportiva del barrio el Verbenal sur ----------------------------------------------------------------------- 40 Figura 16: Dimensiones de la Fotocelda seleccionada ------------------------------------------------------------------------- 41 Figura 17: Vista frontal --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 44 Figura 18: Vista lateral del diseño para la cancha ------------------------------------------------------------------------------ 45 Figura 19: Iluminación de la cancha a 100 w ------------------------------------------------------------------------------------ 46 Figura 20: Gama de colores que representa las zonas con la intensidad de iluminación en lx ----------------------- 46 Figura 21: Iluminación de la cancha a 120 w ------------------------------------------------------------------------------------ 48 Figura 22: Gama de colores que representa las zonas con la intensidad de iluminación en lx ----------------------- 48 Figura 23: Iluminación de la cancha con reflector de 100 W ----------------------------------------------------------------- 50 Figura 24: Gama de colores que representa las zonas con la intensidad de iluminación en lx ----------------------- 50 Figura 25: ángulo de inclinación ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 55 Figura 26: Dimensiones del panel solar seleccionado ------------------------------------------------------------------------- 56 Figura 27: Tipo de instalación en el software PVSOL. -------------------------------------------------------------------------- 62 Figura 28: Consumo de carga mensual, en software PVSOL. ---------------------------------------------------------------- 62 Figura 29: Descripción geografica proyecto simulado en PVSOL. ----------------------------------------------------------- 63 Figura 30: Ubicación geografica satelital del proyecto. ----------------------------------------------------------------------- 63 Figura 31: Ubicación detalla de objetos 3D en el perimetro del proyecto. ------------------------------------------------ 64 Figura 32: Dispocición final de estructuras y colinas en el perimetro del proyecto. ------------------------------------- 65 Figura 33: Resultados de perdidas en el sistema PV debido a sombras. --------------------------------------------------- 66 Figura 34: Esquema fotovoltaico --------------------------------------------------------------------------------------------------- 67


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1. RESUMEN

El sol suministra energía en forma de radiación, esta energía se genera a través de la fusión de los

átomos en elementos más densos, parte de la masa de estos átomos se transforma en energía. Solo

una pequeña porción de la radiación del sol llega a la superficie terrestre, cerca de 1𝑥1018𝑘𝑊ℎ/𝑎.

Esta cantidad de energía es equivalente a aproximadamente 10000 veces los requerimientos energéticos

de la tierra. (Manuel, Juan y Calderón 2019)

Por tanto, se puede considerar la energía solar como una de las fuentes de energía renovable más limpia

y abundante, con versatilidad para innumerables usos, consiste básicamente en la implementación de

paneles fotovoltaicos que permiten captar la radiación solar que atraviesa la atmosfera y transformarla

en energía útil. Posee cualidades en cuanto a bajo costo de mantenimiento, cero emisiones por

generación, versatilidad de usos, fácil implementación entre otras.

En el presente trabajo se analizará y evaluará, el potencial existente para la implementación de energía

solar fotovoltaica en la zona deportiva del barrio El Verbenal sur, como una solución energética

alternativa, económica y autónoma que brinde beneficios directos a una población vulnerable.

Haciendo énfasis en el índice de radiación (potencial) que existe en la zona demográfica objeto de

estudio, base primordial para el desarrollo del proyecto; posteriormente se realizara el análisis técnico

para la selección de los componentes necesarios para el sistema de iluminación tales como, postes,

luminarias, paneles solares, fotoceldas, inversores y baterías. Durante la selección de componentes será

determinante la eficiencia y costo de los mismos.

Seguidamente se presentará el diseño de iluminación planteado para la zona deportiva, dando

cumplimiento a las regulaciones vigentes en el país, para finalmente plantear el análisis de costos del

proyecto y concluir con la viabilidad del proyecto.


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2. INTRODUCCIÓN

El crecimiento desmedido de la población, la generación excesiva de desechos, el uso irracional e

incontrolado de los recursos naturales, las actuales formas de generación de energía a partir de

combustibles fósiles que emiten gases de efecto invernadero y el aumento de temperatura en la tierra

han sido factores determinantes en el ambiente, llevando al gran problema del calentamiento global que

trae consigo deterioro de los polos, aumentos en los niveles del mar, cambio en los ecosistemas entre

otros grandes problemas.(UPME 2018)

Las formas de generación de energía eléctrica en Colombia y a nivel mundial se fundamentan en las

fuentes no renovables, sumándose a esto que aun con el enorme deterioro que se genera no es posible

suplir la demanda energética; donde existe un gran porcentaje de demanda en zonas alejadas de las

redes de distribución del SIN conocidas como zonas no interconectadas ZNI según el instituto de

planificación y promoción de soluciones energéticas para la zonas no interconectadas IPSE equivale al

51% del territorio nacional(Checa, Francisco Eraso - De la Cruz 2017), el desarrollo de la vida diaria en

estas zonas imposibilita en gran manera el crecimiento social, económico y tecnológico, facilitando la

inseguridad, el desarrollo de actividades no legales y por ende disminuyendo la calidad de vida de sus

habitantes.

El barrio Verbenal sur, queda ubicado en la localidad ciudad bolívar, arriba del caí del paraíso; se

desconoce el número exacto de habitantes, tratándose de un barrio de invasión. El proyecto busca

desarrollar los conocimientos obtenidos en la carrera generando un aporte social a una comunidad

vulnerable, supliendo el suministro energético en la zona deportiva del barrio Verbenal con el fin de

incentivar la creación de un espacio cultural, que permita al desarrollo social de la comunidad.

Este proyecto pretende incentivar el desarrollo de nuevas ideas a nivel tecnológico en zonas vulnerables,

en cada una de las áreas de conocimiento que alberga la Universidad Distrital Francisco José de Caldas,

aportando al crecimiento social, tecnológico y educativo del país.


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3. MARCO TEÓRICO

3.1 Radiación solar

La irradiación solar fluctúa entre 1325𝑊/𝑚2 y 1420𝑊/𝑚2 en el transcurso de un año en una

superficie perpendicular al sol. El promedio anual es llamado constante solar ver ecuación (1)

𝐸0 = 1367𝑊/𝑚2 (1)

Este nivel de irradiación no se alcanza en la superficie terrestre. La atmosfera de la tierra la reduce

mediante, reflexión absorción y dispersión. Con buen clima al medio día, la irradiación puede alcanzar

1000𝑊/𝑚2, este valor es más o menos independiente de la ubicación (Fernando, Manuel , Quiroz,

Castro y Julio 2016)

3.2 Radiación directa y difusa

La radiación solar sobre la superficie de la tierra está compuesta por una porción directa y otra difusa. La

radiación directa viene de la dirección del sol y produce sombra, a diferencia de la radiación difusa que

se dispersa y no tiene una dirección definida. Dependiendo de la nubosidad y de la hora del día, la

potencia radiada la proporción directa y difusa puede variar significativamente.

Un conocimiento exacto del recorrido del sol es importante para calcular los valores de irradiación y el

rendimiento de los sistemas de energía solar. La posición del sol puede ser descrita en cualquier

localización por medio de la altura solar el azimuth solar.

Figura 1: Azimut Solar Fuente: (Manuel, Juan y Calderón 2019)

La intensidad de la irradiación solar depende, entre otras cosas del ángulo de elevación solar 𝑦𝑠. Este

ángulo se mide horizontalmente. A medida que el sol se mueve, el ángulo de elevación cambia durante

el día y también durante el transcurso del año. Cuando la elevación 𝑦𝑠 es igual a 90°, la luz solar toma

el camino más corto. Si el ángulo es diferente el camino es más largo, lo cual resulta en mayor absorción

y dispersión de la radiación. El factor de masa de aire (AM) especifica cuantas veces debe recorrer un

rayo solar el espesor de la atmosfera de la tierra. La relación entre la altitud solar y la masa de aire está

definida como se muestra en la ecuación (2).

𝐴𝑀 =1

sin 𝑌𝑆

(2)


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3.3 Sistema solar fotovoltaico

Un sistema solar fotovoltaico se compone de uno o más paneles solares, que, de manera conjunta con

dispositivos como inversores, baterías y otros equipos eléctricos, permiten aprovechar la energía solar y

generar electricidad.

Figura 2: Sistema fotovoltaico aislado de la red eléctrica. Fuente: Elaboración propia

Figura 3: Sistema fotovoltaico conectado a la red eléctrica. Fuente: Elaboración propia

3.4 Aplicaciones y sistemas fotovoltaicos

Los sistemas fotovoltaicos se pueden agrupar en sistemas autónomos (aislados) y sistemas conectados

a la red, actualmente más del 90% de los sistemas en el mundo están conectados a la red, es útil y muy

implementado en países en vía de desarrollo en las que se cuenta con vastas áreas no interconectadas.


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Su uso puede ser va desde tecnologías básicas como cargadores de celular, baterías, linternas hasta

diseños de iluminación, abastecimiento de energía eléctrica para hogares, abastecimiento en maquinaria

agrícola y demás. La Figura 1 muestra un sistema fotovoltaico aislado de la red eléctrica principal para

la aplicación de una luminaria; mientras que la Figura 2 muestra un sistema fotovoltaico acoplado a la

red eléctrica.

Estos sistemas funcionan a partir de la luz solar que irradia directamente sobre la superficie de una celda,

lo cual permite generar un flujo de electrones por medio de un proceso llamado efecto fotovoltaico. La

electricidad producida por una celda es muy pequeña, así que se vinculan con otras celdas formando así

un panel fotovoltaico que es capaz de generar mayores cantidades de energía eléctrica; los paneles

solares generan electricidad en corriente continua por lo cual dependiendo de la aplicación final del

sistema se usa o no un inversor DC-AC, junto con un banco de baterías que permitirá suministrar energía

eléctrica cuando no exista luz solar. Finalmente se usa un controlador que regula el nivel de tensión para

uso final

3.5 Beneficios y utilización

Los beneficios de utilizar sistemas fotovoltaicos varían en diferentes aspectos; por ejemplo, esta

tecnología busca consigo traer la reducción de fuentes de energía convencionales reduciendo precios

nacionales en generación. Quizás el beneficio más importante en la implementación de sistemas

fotovoltaicos es que su recurso energético es total gratis y esta característica permite que la inversión

asociada a dichos sistemas, sea recuperable en un tiempo relativamente corto; así como también permite

reducir considerablemente emisiones de dióxido de carbono (CO2), donde se estima que por kilovatio

hora (KWh) reduce un 0.6 Kg/KWh de emisiones de CO2 (Gómez, Jhonnatan, Murcia y Jairo 2018). La

Tabla 1 muestra los principales beneficios en la implementación de sistemas fotovoltaicos.

Tipo Beneficio

Ambiental -Genera baja emisiones de dióxido de carbono (CO2), efecto invernadero, lluvia acida y óxido de azufre (Makridis 2017) -Reduce el uso de combustibles fósiles.

Económico -Recuperación de la inversión en tiempo corto. -Después de recuperada la inversión siempre se generarán ganancias. -Posibilidad de vender energía al SIN (Ley 1715 de 2014). -Fuente del recurso energético totalmente gratis.

Tributario La 1715 de 2014 ofrece grandes beneficios para personas naturales o jurídicas que implementen fuentes no convencionales de energía (FNCE) como: -Disminución del 50% en la declaración de renta. - Los generadores a pequeña y gran escala, podrán vender al SIN, el excedente de energía que ellos no consuman, según disponga la CREG. (Congreso de Colombia 2014) - Tasa de depresión acelerada menor o igual al 20% anual (Congreso de Colombia 2014). - Todos los equipos y dispositivos utilizados en sistemas fotovoltaicos nacionales o importados estarán exentos de IVA (Congreso de Colombia 2014). entre otros beneficios.


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Tabla 1: Resumen de beneficios para la implementación de sistemas fotovoltaicos

Fuente:(Gómez, Jhonnatan, Murcia y Jairo 2018)

4. ENERGÍA SOLAR EN COLOMBIA

En la actualidad Colombia busca enfocar la generación de energía eléctrica a partir de la implementación

de energías renovables debido a la alta contaminación que se ha presentado. La energía solar FV hoy

en día representa la segunda fuente avanzada de energía renovable de mayor penetración en el mundo

(UPME 2019), teniendo en cuenta que es de fácil instalación, hace uso de una fuente inagotable (sol), y

aun cuando presenta una alta inversión inicial, muestra una recuperación de capital y beneficios

energéticos a corto plazo.

Colombia cuenta con una demanda energética actual de aprox. 5759.8 GWh según el sistema de

información eléctrico Colombiano SIEL(UPME 2018), sin embargo la capacidad instalada en generación

renovable equivale solamente a 32.2 MW lo que corresponde a un 0.18% de la capacidad instalada total

a 2018(IDEAM - Instituto de Hidrología 2019).

Figura 4: Índice de demanda energética real

Fuente: (Electrico 2018)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Ene Feb Mar Abr May

Ten

den

cia

-D

eman

da

Rea

l GW

h

Demanda Real, GWh - 2019

Demanda Real


BARRIO VERBENAL SUR


Figura 5: Participación por tecnología en la matriz eléctrica del sector colombiano. Fuente: (UPME 2019)

Colombia cuenta con una radiación promedio de 4,577 kWh/m2 por día según la información contenida

en la base de datos del atlas de radiación solar ultravioleta y ozono de Colombia. (Manuel, Juan y

Calderón 2019)

4.1 Potencial actual en regiones de Colombia

Para determinar el potencial de generación solar en el territorio de Colombia, el Instituto de Hidrología,

Meteorología y Estudios Ambientales – IDEAM, en conjunto con la Unidad de Planeación Minero

Energética – UPME miden a partir de 37 estaciones distribuidas alrededor de Colombia la radiación solar

en kilovatios hora metro cuadrado (KWh/m2) (Nuñez et al. 2019). La Figura 1 muestra el mapa de

radiación solar donde se evidencia que el mayor potencial se encuentra en regiones de la Costa atlántica,

la Orinoquia y la región central, estas presentan respectivamente cerca de 6 a 8 horas, 5 a 6 horas y de

4 a 5 horas de brillo solar en un promedio anual según datos del IDEAM(UPME 2014) (Ver Figura 2)


BARRIO VERBENAL SUR


Mapa de radiación solar anual. Mapa de brillo solar anual.

Tabla 2: Mapa de radiación solar anual y el mapa de brillo solar anual Fuente: (Nuñez et al. 2019).

La tabla 2 indica las condiciones ambientales en un promedio anual para Colombia, son bastante

favorables para la implementación de generación solar; además los registros de radiación solar

mensuales del IDEAM, indican que durante el año se puede contar con el recurso solar, manteniendo

una radiación promedio de 4.577 KWh/m2 por día (IDEAM - Instituto de Hidrología 2019), superando el

valor promedio mundial que corresponde a 3.9 KWh/m2 por día (UPME and BID 2015).

La Tabla 3 muestra el promedio anual de radiación por región de Colombia, a partir de las medidas

anuales registradas por las estaciones meteorológicas propiedad del IDEAM. Los valores indican que la

región con mayor potencial es la región Caribe con un valor de 5.201 KWh/m2 por día, seguida por la

región insular, la Orinoquia y la andina.

Región Valor promedio (KWh/m2 por día)

Andina 4.300 Caribe 5.201

Orinoquia 4.735

Amazonia 3.819

Pacífica 4.037

Insular 4.818

Tabla 3: Promedios anuales de radiación recibida en la superficie.

Fuente: IDEAM.


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Si se implementan sistemas de generación fotovoltaica en ciudades principales como Bogotá, Cali y

Medellín basándose en los mapas de radicación su valor promedio alcanza valores entre 4.03 y 4.33

KWh/m2 por día, ayudaría no solo a suplir la demanda que carga el SIN, sino que también ayudaría a

disminuir las perdidas por transporte de energía eléctrica, y aumentaría la confiabilidad de generación

para mitigar futuras alertas por racionalización de energía a nivel nacional debido al cambio climático.

4.2 Índice de radiación y potencial en la zona objeto de estudio:

La disponibilidad de energía procedente del sol depende de la localización geográfica de un punto en la Tierra (latitud, longitud, elevación) además de los factores astronómicos como la época del año y la duración del día. Todos estos factores pueden ser determinados con menor o mayor grado de exactitud para estimar la cantidad de energía solar disponible. Sin embargo, el factor que afecta mayormente su disponibilidad efectiva son las nubes y otras condiciones meteorológicas.

Teniendo en cuenta lo anterior, como se mencionó anteriormente Colombia cuenta con 37 estaciones de

radiación global , para la ciudad de Bogotá dicha estación se encuentra ubicada en el aeropuerto el

Dorado, con una radiación promedio de 4337,7𝑊ℎ/𝑚2. Para el desarrollo del proyecto se hará uso de

la radiación promedio para Bogotá teniendo en cuenta que para departamentos cercanos a Bogotá como

(IDEAM - Instituto de Hidrología 2019) Boyacá y Huila según el IDEAM el índice de radiación promedio

es el mismo como se muestra en los mapas a continuación. De tal manera que el porcentaje de variación

dentro de Bogotá es despreciable.

Radiación promedio en

Bogotá 4 − 4,5 𝑊ℎ/𝑚2

Radiación promedio en Boyacá

4 − 4,5 𝑊ℎ/𝑚2

Radiación promedio en Huila 4 −4,5 𝑊ℎ/𝑚2

Figura 6: Índice de Radiación solar promedio Bogotá D.C, Boyacá y Huila. Fuente: (IDEAM - Instituto de Hidrología 2019)

Nota: Para el desarrollo del proyecto no se hizo uso de plataformas libres como NASA Power, teniendo

en cuenta que no existe trazabilidad entre los datos establecidos por el IDEAM y los obtenidos por dicha

plataforma para las mismas coordenadas geográficas, por tanto, no hay seguridad para el uso de dicha

información.


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4.3 Demanda actual y potencial

Las aplicaciones de la energía solar fotovoltaica varían en gran medida desde cargar un celular, hasta

generación eléctrica para grandes ciudades; así que de manera general se pueden clasificar en

aplicaciones en sistemas aislados y sistemas no aislados.

La Tabla 4 muestra algunas aplicaciones en las que suelen usar los sistemas fotovoltaicos, y dado que

estas aplicaciones albergan diferentes sectores la demanda ha crecido en los últimos años en

porcentajes muy importantes.

Sector Descripción

Telecomunicaciones En aplicaciones a pequeña escalara en celulares, antenas y aplicaciones más grandes en sistemas de comunicación reduciendo el consumo de energía que proviene del SIN o abasteciendo sistemas aislados (XM S.A E.S.P 2017)

Viviendas y edificaciones En inmuebles privados y públicos, iluminación interior, calefacción, entre otras donde la mayor demanda se encuentra para electrodomésticos (Gómez, Jhonnatan, Murcia y Jairo 2018).

Viviendas aisladas En ZNI usualmente, o en zonas vulnerables, permitiendo alimentar electrodomésticos e iluminación (Gómez, Jhonnatan, Murcia y Jairo 2018).

Sector industrial En sistemas contra incendios, vigilancia y control, maquinaria e iluminación en industrias.(XM S.A E.S.P 2017)

Sector rural En aplicaciones agrícolas de bombeo de agua, controles de riego, invernaderos, electrificación de cercas entre otras (Gómez, Jhonnatan, Murcia y Jairo 2018).

Control y señalización En estaciones ambientales, registro de datos, cámaras de vigilancia, señalización vial, plataformas petrolíferas, entre otras aplicaciones de instalaciones pequeñas y usualmente aisladas(XM S.A E.S.P 2017).

Iluminación publica En cruces de carreteras, áreas de descanso, para de autobuses, entre otras; debido a que resulta ser una solución económica de implementación (XM S.A E.S.P 2017).

Tabla 4: Aplicaciones para sistemas fotovoltaicos. Fuente: Elaboración propia

Según los informes del Sistema de Información Eléctrico Colombiano – SIEL la demanda del año 2019

con respecto al 2018 ha crecido en un 0.44% (UPME 2019) y si se observan los registros históricos de

la demanda real en Colombia mostrados en la figura 1, en la década seguida al 2005 el crecimiento en

la demanda fue de un 26.21% y en los últimos años ha mantenido un comportamiento estable cerca de

los 66 GWh anual (XM S.A E.S.P 2017).


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Figura 7: Demanda histórica 2005-2017 de energía anual en Colombia.

Fuente: (XM S.A E.S.P 2017).

Sin embargo, el pronóstico de la demanda de energía eléctrica para los próximos años mantiene un

crecimiento en porcentajes anuales entre el 1.7% y 3% (MINMINAS 2018). Para las regiones en Colombia

el mayor crecimiento en la demanda para el último año fue la región oriente con un 13.2% seguida de la

región Caribe con un crecimiento del 8.2%, mientras que la región central tuvo un crecimiento del 2.4%

(XM S.A E.S.P 2019).

Como se indica en la Figura 6 las regiones que presentan mayor demanda de energía eléctrica, también

corresponden a regiones que cuentan con un gran potencial en energía solar fotovoltaica; siendo esta

tecnología un nicho de oportunidad con potencial para brindar beneficios importantes en el sector

energético nacional; permitiendo que lo sistemas fotovoltaicos tengan costos competitivos con

tecnologías actuales, y la instalación de estos a pequeña escala han brindado confiabilidad y flexibilidad

a los usuarios para generar su propia energía, brindando también sensibilización ambiental.


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Figura 8: Demanda de energía eléctrica por regiones 2018-2018.

Fuente: (XM S.A E.S.P 2019)

Región 2018 CREG 2018 2019 CREG 2019

Antioquia 717.68 1.50% 744.23 3.70%

Caribe 1114.17 2.50% 1270.29 8.20%

Centro 1298.72 1.90% 1329.75 2.40%

Choco 18.8 -2.30% 18.48 -1.60%

CQR 207.57 0.50% 212.06 2.20%

Guaviare 4.75 3.50% 5.03 5.90%

Oriente 514.94 -2.70% 584.06 13.20%

Sur 147.64 -1.70% 152.78 3.50%

THC 215.37 4.40% 226.33 5.10%

Valle 543.97 0.20% 566.73 4.20%

Tabla 5: Comportamiento por demanda de energía eléctrica por regiones 2018-2019.

Fuente:(XM S.A E.S.P 2019)

4.4 Leyes y políticas energéticas

La finalidad de la “sostenibilidad energética” alberga conceptos tales como seguridad energética,

sostenibilidad ambiental y equidad social, si bien es imposible que actualmente Colombia supla la

demanda a partir de Energías renovables, están deben cubrir un mayor porcentaje que las

convencionales en el país; sin embargo, existe un desconocimiento en cuanto a las estrategias existentes

para incentivar las condiciones de generación y uso de energías renovables. Por lo tanto, es de vital

importancia esclarecer las leyes y políticas actuales establecidas a partir de entes reguladores como el

Ministerio de Minas y Energía (MME), la Unidad de Planeación Minero Energética (UPME) y la comisión

de Energía y Gas (CREG).


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Desde inicios de los 90, el gobierno nacional crea la ley 29 de 1990 y el decreto 393 d 1991, impulsando

la investigación y el uso racional de la energía a través de Colciencias.

Desde entonces se han presentado una serie de leyes y políticas energéticas con el fin de generar

estrategias en pro de mejorar las condiciones de disponibilidad y abastecimiento de energía renovable.

La ley 1715 de 2014 regula la integración de las energías renovables no convencionales tanto en el

sistema interconectado nacional como en las zonas no interconectadas de Colombia, fortaleciendo los

esfuerzos que se habían estancado en años anteriores.

Con la ley 1753 de 2015 se establecieron varios puntos de importancia como la implementación de

esquemas de incentivos para fomentar la inversión en fuentes no convencionales de energía y eficiencia

energética, establecidos en el decreto 2143 del 2015. Adicionalmente la creación de un fondo de energías

no convencionales y gestión eficiente de la energía, mediante el decreto 1543 del 2017 (Fenoge), que

tiene como prioridad entregar recursos para la investigación y para los planes pilotos de proyectos

relacionados con la producción de energías limpias (UPME 2014).

Antes de la ley 1753 no había regulaciones, con la entrada en vigencia de esta se ha venido desarrollando

un nuevo marco que contribuye con la eficiencia energética, como el decreto 2143 del 2015 mencionado

arriba, regulado posteriormente por la CREG en las resoluciones 030 y 032 del 2018, así mismo se prevé

la autogeneración a pequeña escala en el decreto 348 del 2017, la autogeneración a gran escala en el

decreto 2469 de 2014 y regulada en las resoluciones CREG 024 de 2015 y 032 de 2018.

4.5 Entidades de financiación

Mediante la resolución 204 de 2013 se establecen las funciones de la UPME de conceptuar sobre la

viabilidad técnica y financiera de los proyectos para ser financiado a través de los fondos administrados

por el Ministerio de Minas y Energía.

El estado cuenta fondos financieros para la ampliación de la cobertura de los servicios públicos de

Energía, como se describen en la tabla 5

SIGLAS INSTITUCIÓN

FAER Fondo de apoyo financiero para la energización de las zonas rurales interconectadas.

FAZNI Fondo de apoyo financiero para la energización de las zonas no interconectadas.

PRONE Programa de normalización de redes eléctricas.

SGR Sistema general de regalías

FINDETER Tasa de redescuento financiera de desarrollo territorial S.A.

Tabla 6: Entidades de financiación Fuente: (Gómez, Jhonnatan, Murcia y Jairo 2018)


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5. MERCADO NACIONAL

El objetivo de realizar el análisis de mercado en Colombia para aplicaciones de sistemas fotovoltaicos es

determinar el crecimiento del sector en energía solar, la capacidad y nichos de oportunidad para utilizar

este tipo de tecnología en sistemas de alumbrado público.

5.1 Antecedentes

A finales de la década de 1960 el mercado eléctrico colombiano se formalizaba debido a la interconexión

nacional en 1967; posteriormente se vio la necesidad de realizar una regulación que dieron paso a la

reforma constitucional de 1991 y las leyes 142 y 143 de 1994; sin embargo, para antes de 1995 el

mercado se caracterizaba por no ser tan confiable, por ser un monopolio del estado, tener una minina

inversión privada y esquema de subsidios indirectos. Además, todas las actividades comprendidas desde

generación hasta distribución se encontraban gestionadas por una sola entidad (ISA 2010).

A partir del siglo XXI el mercado eléctrico se amplió y reconfiguro el esquema regulatorio con el objetivo

de asegurar la confiabilidad en el suministro de energía eléctrica en Colombia a largo plazo; por lo

anterior, el 03 de octubre de 2006 la CREG (Comisión de Regulación de Anergia y Gas) presenta la

aprobación de un nuevo esquema que permitiría establecer las ventajas y compromisos que derivan para

todos aquellos participantes del Mercado de Energía Mayorista – MEM y sus futuros inversiones

potenciales (CREG · Comisión de Regulación de Energía y Gas 2019).

Ahora el impacto ambiental mundial ha provocado que los países regulen los causantes del impacto y

miren hacia las energías no convencionales. Colombia en la década de 2010 ingreso a la Agencia

Internacional de Energías Renovables – IRENA, que en conjunto con más de 50 países ratifica la posición

de ser un país gestor en el desarrollo de tecnología de producción limpia y amigable con el medio

ambiente (Schneider Electric Francia 2012). La energía solar es un gran potencial con el que cuenta el

territorio colombiano y fue prácticamente que hasta el 2014 por medio de la Ley 1715 se formalizara el

mercado de energías renovables en Colombia en pequeña y gran escala.

Estadísticas de la UPME evidencian que el 88.3% de los proyectos radicados tienen que ver con energía

solar; es decir, que 9 de cada 10 propuestas corresponden a proyectos nuevos para generación de

energía por medio de paneles fotovoltaicos, lo que llego a presentar un crecimiento del 32% del mes de

Julio al mes de Noviembre del año 2017(EPSA 2018), y se estima que en los próximos años cuando la

CREG genere más reglamentación se mantenga la tendencia de generación por energía solar. Así como

también estima la UPME y el MinMinas en su planeación de expansión que para el 2030 cerca del 10%

del consumo energético en Colombia va a provenir de proyectos fotovoltaicos (EPSA 2018).

5.2 Estructura del mercado eléctrico

La estructura institucional que se observa en la Tabla 4, representa como se encuentra organizado el

mercado eléctrico en Colombia, el cual se divide en seis labores que desempeñar. La participación del

estado desde 1994 ha permanecido sin modificaciones, donde la Dirección de todo el mercado es

gestionado por el Ministerio de Minas y energía – MinMinas, seguido por la Unidad de Planeación Minero

Energética – UPME donde tiene como parte de sus funciones establecer requisitos energéticos del país

y generar un plan ante dichos requisitos del sector eléctrico. La labor de regular es realizada por la

Comisión de Regulación de Energía y Gas la cual está integrada por ocho entidades (El MinMinas, quien

la preside el Ministerio de hacienda y Crédito público, El director del departamento Nacional de


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planeación y Cinco expertos en asuntos energéticos) (CREG · Comisión de Regulación de Energía y Gas

2019).

La labor de control y vigilancia la desempeña la superintendencia de servicios públicos domiciliarios, y la

superintendencia de industria comercio; además, para la labor de consejo y comité se encuentra

desempeñada por el Consejo Nacional de Operación – CON y el Comité Asesor de Comercialización –

CAC, los cuales son organismos privados que tienen como función principal establecer aspectos a nivel

técnico que garanticen la operación del Sistema Interconectado Nacional – SIN de manera segura,

confiable y económica (CNO 2019).

Finalmente, la labor de administrar y operar el sistema es realizada por la Compañía de Expertos en

Mercados – XM, quien coordina la operación del SIN de la cadena productiva del sector eléctrico

colombiano.

Labor Entidad

Dirección Ministerio de Minas y Energía

Planeación Unidad de Planeación Minero

Energética

Regulación Comisión de Regulación de

Energía y Gas

Control y Vigilancia Superintendencia de Servicios

Públicos - SSPD y Superintendencia de Industria y Comercio - SIC

Consejo y Comité Consejo Nacional de Operación –

CON y Comité Asesor de Comercialización - CAC

Administración y operación del sistema

Compañía de Expertos en Mercados - XM

Tabla 7: Estructura institucional del MEM.

Fuente: (CODENSA 2014) .


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Para el mercado de la energía solar fotovoltaica la estructura institucional de dirección, regulación y

operación es la misma que se indica anteriormente; aunque para aquellas instalaciones de pequeña

escala y aplicaciones específicas básicamente solo están reglamentadas por la Ley 1715 de 2014.

5.3 Mercado mayorista de generación solar en Colombia

En el territorio Colombiano existen muy pocos proyectos a gran escala que se encuentren conectados al

SIN; CELSIA se considera la empresa pionera y líder hasta la fecha de energía solar en Colombia con la

implementación de dos granjas solares, la primera de ellas se encuentra ubicada en Valle del Cauca y

se denomina Celsia Solar Yumbo con una capacidad instalada de 9.8 MW siendo esta la más grande del

territorio Colombiano, llegando a generar cerca de 16.5 GWh año de energía equivalente al consumo de

ocho mil hogares.

La Figura 10 muestra la granja solar más grande de Colombia propiedad de Celsia y operada por EPSA,

la cual evitara cerca de 160.000 toneladas de dióxido de carbono durante 25 años, con un área construida

de 18 hectáreas sobre los cimientos de lo que era Termoyumbo, lo que implica un factor muy importante

ya que representa el cambio de producción energética al pasar de utilizar un recurso como el carbón a

un recurso renovable (CELSIA 2018).

Figura 9: Granja solar Celsia Yumbo. Fuente: (CELSIA 2018)

La segunda granja solar de Colombia que se observa en la Figura 11 se encuentra en Bolívar con una

capacidad instalada de 8.06MW propiedad de Celsia y operada por EPSA con cerca de 32 mil paneles

solares instalados en un área de 12 hectáreas, que generan cerca de 15.542 MWh al año, y en un lapso

de 30 años evitara más de 170.000 toneladas de emisiones de dióxido de carbono (CELSIA 2018)


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Figura 10: Granja solar Celsia Bolívar. Fuente: (CELSIA 2018)

5.4 Mercado minorista en generación solar en Colombia

El mercado minorista en Colombia a diferencia del mayorista tiene una gran competencia y demanda;

como se mencionaba anteriormente para los últimos años 9 de cada 10 proyectos radicados en la UPME

son relacionados a energía solar fotovoltaica, por lo cual existen gran cantidad de empresas que se

dedican a la implementación de energías renovables en aplicaciones específicas que van desde el

alumbrado de una pequeña vivienda al alumbrado público de un barrio entero. La tabla 5 muestra algunas

empresas líderes en Colombia para la implementación de energías renovables más precisamente en

energía solar fotovoltaica.

Empresa

Experiencia

América fotovoltaica

Proyectos residenciales hasta de 3KW. Proyectos de instalaciones comerciales Desarrollo de huertos solares.

SunColombia

Proyecto “Aulas Amigas” que brinda una solución integral de un sistema solar fotovoltaico para salones del municipio de El Carmen de Bolívar – Zona no interconectada. Proyecto de un modelo de luminaria para alumbrado público. Sistema de energía solar para el Centro de Cultura del Banco de la Republica en Buenaventura, con una potencia instalada de 16.4 KW. Proyectos de soluciones fotovoltaicas individuales para usuarios rurales de ZNI.

Senergysol

Proyectos de soluciones residenciales y empresariales en ciudades como Facatativá, Cali, Ruitoque, Bogotá, Bucaramanga, con una potencia instalada hasta de 97.9 KW.

Hybrytec

Proyecto Invesa, de un sistema solar fotovoltaico de 800KW de autogeneración conectado a la red eléctrica.


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Empresa

Experiencia

Proyecto Elemento, de un sistema solar fotovoltaico conectado a la red de 80KW. Proyecto Enel Comestibles, para alimentar una industria de alimentos con una capacidad instalada de 351KW. Proyecto Celsia/EPSA para alimenta un porcentaje de consumo de una trilladora con una potencia instalada de 122 KW. Implementación de 40 soluciones solares para viviendas aisladas en aplicaciones para cargar el celular y refrigeración de alimentos. En Aguachica Cesar la implementación de 230 sistemas no interconectados para iluminación de viviendas rurales.

Green Energy Latin America

Implementación de proyectos aislados y no aislados en lugares como Cúcuta, Cartagena, barranquilla, Medellín, norte de Santander, Maicao, Galapa, Islas del rosario, Alta guajira, Riohacha con capacidades instaladas de 0.75 KW a 100KW.

Solar Plus

Proyecto residencia en Guarne, Antioquia con una capacidad instalada de 3KW. Proyecto residencial MGM innova, en llanogrande Antioquia con una capacidad instalada de 6KW. Proyecto residencial ED. Trivento en Medellín con una capacidad instalada de 4.5KW.

Greendipity

Solución empresarial para Imporfenix en Cali con una capacidad instalada de 216W. Sistema solar implementado para una hacienda con una carga de 16 KW. Sistema fotovoltaico para una ladrillera en Puerto tejada con una capacidad instalada de 150W.

ERCO

Sistemas implementados de energía solar fotovoltaica para industria, empresas y casas con aplicaciones asiladas como un cargador para vehículo eléctrico hasta un sistema interconectado de una empresa con una potencia instalada de 130KW.

Tabla 8: Mercado minorista en generación solar en Colombia Fuente: (Gómez, Jhonnatan, Murcia y Jairo 2018)


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5.5 Fabricantes de paneles solares

Empresa País Descripción

CANADIAN SOLAR

Canadá Es uno de los fabricantes de paneles solares líderes en el mundo con más de 32 GW de paneles fotovoltaicos instalados en todo el mundo.

TRINA SOLAR China Trina Solar es un proveedor líder de soluciones solares, ya que ha entregado más de 30 GW de módulos solares en todo el mundo.

FIRST SOLAR Estados Unidos

Es una empresa con una capacidad instalada de energía solar de 17 GW a nivel mundial.

JINKO SOLAR China JinkoSolar ha construido una cadena de valor de producto solar integrada verticalmente, con una capacidad anual integrada de 7 GW para lingotes y obleas de silicio, 4.5 GW para celdas solares y 8 GW para módulos solares, al 30 de septiembre de 2017.

JA SOLAR China Fabricante global líder de tecnología solar, con una capacidad solar instalada total de 27 GW a nivel mundial.

SUN POWER CORP

Estados Unidos

Ha sido líder mundial en innovación solar desde 1985, con sede en Silicon Valley. Los paneles fotovoltaicos Sun Power han generado más de 18 000 000 MWh hasta la fecha.

LG ENERGY Corea del sur

LG Energy, una subsidiaria de LG Electronics, una compañía de Corea del Sur, fabrica paneles solares fotovoltaicos y soluciones de almacenamiento de energía. Los paneles solares fotovoltaicos de LG Energy constan de una serie de propiedades únicas que mejoran su rendimiento general.

WINAICO Taiwán Fabricante de paneles fotovoltaicos cristalinos de alto rendimiento, así como un proveedor de sistemas fotovoltaicos.

HANWHA Q CELLS

Corea del sur

Fabricante de paneles fotovoltaicos para el mercado residencial y comercial y también tienen una división EPC (Ingeniería, Adquisiciones y Construcción) para la implementación de proyectos fotovoltaicos.

MITSUBISHI ELECTRIC

Japón Ha estado en el negocio de paneles solares durante más de 40 años, fabrican paneles fotovoltaicos de alta calidad para el mercado comercial y residencial y también proporcionan financiamiento para proyectos.

Tabla 9: Fabricantes de paneles solares Fuente: (Fernando, Manuel , Quiroz, Castro y Julio 2016)


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6. DISEÑO DE ILUMINACION Y DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO

6.1 Aspectos a considerar

El diseño de la instalación contara con un sistema de alimentación auto sostenible que le brindara

independencia de la red de distribución. En esta sección se analiza el diseño y dimensionamiento,

primero se muestra la localización del proyecto seguido por una previa revisión de algunos conceptos y

parámetros del reglamento técnico de iluminación y alumbrado público RETILAP, seguido por el

dimensionamiento, características de los elementos que se usaran para el sistema de iluminación y el

sistema fotovoltaico, posteriormente se tienen los cálculos y resultados de las simulaciones.

6.2 Lugar de implementación

Como se mencionaba al inicio del proyecto el lugar de implementación del sistema fotovoltaico es en la

zona deportiva del barrio Verbenal sur, este queda ubicado en la localidad ciudad bolívar, arriba del caí

del paraíso en el sur de Bogotá, como se puede observar mediante la herramienta de google maps.

Figura 11: Ubicación geográfica del barrio Verbenal Fuente: Google maps

La zona deportiva a la que se le realizara el diseño de iluminación y dimensionamiento del sistema

fotovoltaico se observar en la figura 13.


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Figura 12: Cancha de estudio para diseño de alumbrado a partir de un sistema fotovoltaico Fuente: Registro fotográfico propio

6.3 Definiciones, tomadas del RETILAP

Conjunto óptico: Hacen parte los elementos necesarios para controlar y dirigir la luz producida por una

o varias bombillas.

Depreciación lumínica: Disminución gradual de emisión luminosa durante el transcurso de la vida útil

de una fuente luminosa.

Eficiencia de una luminaria: relación del flujo luminoso, en lúmenes, emitido por una luminaria y el

emitido por la bombilla.

Factor de balasto: balasto se define como la relación entre el flujo luminoso de la bombilla funcionando

con el balasto de producción y el flujo luminoso de la misma bombilla funcionando con el balasto de

referencia.

Factor de mantenimiento Fm: factor usado en el cálculo de la luminancia e iluminancia después de un

periodo dado y en circunstancias establecidas. Este factor tiene en cuenta la hermeticidad de la luminaria,

la depreciación del flujo luminoso de la bombilla niveles de contaminación y limpieza de la luminaria.

Fotometría: Este parámetro es la relación de la medición de cantidades asociadas con la luz

Flujo luminoso: La unidad del flujo luminoso es el lumen (lm), este parámetro indica cuanta potencia

luminosa se percibe por la fuente luminosa.

Iluminancia (E): Densidad de flujo luminoso que incide sobre una superficie, la unidad de iluminancia es

el lux (lx).

Lúmen (lm): Es la unidad de flujo luminoso en el sistema internacional (SI).

Lux (lx): Unidad de medida de iluminancia en el sistema internacional (SI)


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Luminancia (L): se interpreta como a relación entre la intensidad luminosa en una dirección dada

producida por un elemento de la superficie que rodea el punto.

Uniformidad (𝑬𝒎𝒊𝒏/𝑬𝒎𝒂𝒙) : Es la relación entre el valor del nivel de iluminación existente en el área

del puesto donde se realiza la tarea y el alumbrado general. El área donde se desarrolla la tarea debe

ser iluminada de la manera más uniforme posible, así como las áreas circundantes deben ser iluminadas

en proporción al nivel dado para el área de la tarea.

Visibilidad: Cualidad o estado de ser perceptible por el ojo. En aplicaciones exteriores, la visibilidad se

define en términos de distancia a la cual un objeto puede ser percibido escasamente por el ojo.

6.2 Parámetros para el diseño de iluminación según el reglamento RETILAP

Con el sistema de alumbrado público diseñado en este proyecto se busca que este cumpla con las

exigencias y especificaciones mínimas para garantizar un correcto desempeño, con la finalidad de que

garantice a la comunidad seguridad y bienestar, de igual forma se busca que los productos empleados

en el diseño sean acordes a las necesidades cumpliendo con todos los certificados de calidad y

certificación nacional.

En la sección de diseño se tendrá en cuenta el capítulo 5 sección 560 Alumbrado público e iluminación

exterior de donde tomaremos los siguientes lineamientos:

510.3 Niveles exigidos de luminancia e iluminancia en alumbrado público.

Niveles exigidos de luminancia e iluminancia en alumbrado público: los sistemas de alumbrado

público se deben diseñar y construir con los valores fotométricos de las tablas 510.3 a y 510.3 b de la

sección 510.3 del reglamento técnico de alumbrado público para el caso de este proyecto usaremos la

tabla 510.3 b fotometría mínima en áreas críticas distintas a vías vehiculares.


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Clasificación

Clase de

iluminación

Iluminancia promedio

(luxes)

Iluminancia promedio

(luxes)

Canchas múltiples recreativas C0 50 40

Plazas y plazoletas C1 30 33

Pasos peatonales subterráneos C1 30 33

Puentes peatonales C2 20 33

Zonas peatonales bajas y aledañas a puentes peatonales y vehiculares

C2 20 33

Andenes, senderos, paseos y alamedas peatonales en parques

C3 15 33

Ciclo-rutas en parques C2 20 40

Ciclo-rutas, senderos, paseos, alamedas y demás áreas peatonales adyacentes a rondas de ríos, quebradas, humedales, canales y demás áreas

distantes de vías vehiculares iluminadas u otro tipo de áreas iluminadas

C4

10

40

Tabla 10: 510.3 b. Fotometría mínima en áreas críticas distintas a vías vehiculares Fuente: RETILAP

Según la tabla 9 seleccionamos la categoría de canchas múltiples, una clase de iluminación como C0,

con una iluminancia promedio de 𝐸𝑝𝑟𝑜𝑚 = 50, uniformidad general mayor o igual a 40, se deben tener

muy presente no exceder estos valores al momento de corroborar con el software, así verificaremos la

adecuada selección de la luminaria garantizando que sobre la zona de estudio haya buena visibilidad y

así aprovechar al máximo la eficiencia de la luminaria a seleccionar.

Sección 560.3 iluminación de escenarios deportivos o recreativo Iluminancia horizontal:

Determina el nivel de luz en el terreno de juego, este parámetro es responsable de la luminancia que se

presenta en el campo deportivo, la siguiente tabla 560.3 -1 muestra los niveles de luminancia horizontal

en luxes de acuerdo con el uso que se le vaya a dar al escenario. (MINMINAS 2010).

Deporte Nivel de juego Uniformidad (Emin/Emax)

Recreativo Entrenamiento Competencia Entrenamiento Competencia

Fútbol 50(100) 60(150) >600 1:03 2:30

Voleibol 60 100 300 a 600 1:03 2:30

Baloncesto 60 100 300 a 600 1:03 2:30

Tenis 150 250 400 a 700 1:03 2:30

Béisbol 150 250 400 a 700 1:03 2:30

Tabla 11: 560.3.1 Niveles de iluminación horizontal por tipo de juego y nivel de competencia Fuente: RETILAP


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Para el caso de estudio se tomara la zona deportiva solo será para fines recreativos, se podrá usar para

cualquier deporte o como zona común del barrio el Verbenal sur nada para uso profesional,

entrenamiento ni competencia, según lo anterior se tendrá en cuenta un Eprom de 50 que

compararemos más adelante con la simulación en el software.

560.3.3 Dispositivos de soportes de los equipos de alumbrado de campos deportivos

Los postes o apoyos para la iluminación de campos deportivos exteriores de uso público se ubican en

disposición lateral al campo de juego o en los vértices del campo. La distancia mínima de separación

entre la cancha y el pie de los postes depende en general de la calidad del escenario.

580.2.3 Cálculo del factor de mantenimiento

El parámetro de factor de mantenimiento recopila valores que se calculan para que el sistema se

mantenga en un funcionamiento estable a través del tiempo y así mantener buena calidad en la

iluminación, por ello es necesario considerar los factores de depreciación luminosa, depreciación por

ensuciamiento y el factor de balasto como se detallara en la siguiente ecuación (Pablo Andres, Alonso,

Carlos y Delgado 2016).:

El factor de mantenimiento está determinado por la ecuación (3) según el RETILAP:

𝑭𝑴 = 𝑭𝑬 × 𝑫𝑩𝑳 × 𝑭𝑩 (3)

Dónde:

𝐹𝑀 = Factor de mantenimiento

𝐹𝐸 = Depreciación de la luminaria por ensuciamiento

𝐷𝐵𝐿 = Depreciación por descendimiento del flujo luminoso de la bombilla

𝐹𝐵 = Factor de balasto

Mediante la siguiente tabla observaremos los factores a tener a considerar en el cálculo del factor de

mantenimiento, solo se usarán los efectos que se puedan controlar.


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Efectos no controlables en la operación

1 Efectos ambientales, como condiciones atmosféricas (temperatura, humedad)

2 Variaciones abruptas de tensión

3 Depreciación de la luminaria debido al envejecimiento y a la degradación de sus materiales

4 Variación de las características de reflexión de la calzada (FR)

Efectos controlables

5 Depreciación del flujo luminoso de la bombilla (DLB)

6 Factor de balasto

7 Reemplazo de las bombillas

8 Depreciación de la luminaria por ensuciamiento dentro y fuera del conjunto óptico (FE) Ke: Factor de depreciación debido a la acumulación de suciedad por fuera de la luminaria. Ki: Factor de depreciación interno debido a la acumulación de suciedad dentro de la luminaria. Kp: Factor de depreciación permanente debido al envejecimiento y a la degradación del material en el conjunto óptico

Tabla 12: 580.2.3 Aspectos a considerar en el cálculo del factor de mantenimiento FM del A.P. Fuente: RETILAP

Depreciación del flujo luminoso de la bombilla (DBL): Este parámetro indica la influencia de la

depreciación en la frecuencia de sustitución de las bombillas, es la relación entre el balasto de pruebas

en laboratorio y el balasto con el que el proveedor entrega la luminaria, para el caso de estudio se tomara

un factor de balasto igual a 1, dado que las luminarias que usaremos en los casos de estudio son de

tecnología Led con balasto Driver, en el desarrollo del diseño se explicara porque se usó la tecnología

led.

Depreciación por ensuciamiento, factor de ensuciamiento (FE): Es la acumulación de suciedad en

el conjunto óptico de la luminaria, esto afecta el rendimiento de la luminaria provocando que la luminaria

disminuya los niveles de iluminación en la zona de estudio para determinar la categoría para estos

parámetros se revisara la tabla 580.2.3(MINMINAS 2010).


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Categoría Descripción Nivel de partículas Observaciones

I Ambientes poco polucionados

Bajo Menor 80 μg/m3

No existen actividades generadoras de polvo o humos en la cercanía, tráfico ligero, generalmente limitado a áreas residenciales o rurales

II

Ambientes medianamente polucionados

Medio 80 – 150 μg/m3

Existen actividades generadoras de polvo o humos en la cercanía, tráfico pesado, generalmente limitado a áreas residenciales e industriales ligeras.

III

Ambientes muy polucionados y zonas industriales

Alto 150 – 400 μg/m3

Existen actividades generadoras de nubes de polvo o humos en la cercanía, que pueden envolver ocasionalmente las instalaciones. Áreas altamente industriales

IV Ambientes excesivamente polucionados

Excesivo Superior a 400μm3

Como la categoría anterior pero las instalaciones están envueltas en humo y polvo

Tabla 13: Clasificación de los niveles de contaminación Fuente: RETILAP

Aunque el barrio Verbenal no cuenta con zonas industriales, esta zona si está expuesta a polvo por ser

un barrio en situación de invasión las calles no se encuentran en su totalidad con pavimentos, como se

mencionaba anteriormente actualmente esta zona no cuenta con actividades generadoras de humos

como grandes industrias sin embargo el exceso de polvo puede ser dañino para la eficiencia en la

iluminación y el conjunto óptico de las luminarias también se ve afectado es por esta razón que se

selecciona la categoría II para ambientes donde hay generación de polvo y está cercano a áreas

residenciales.

El valor numérico del factor de ensuciamiento se determinará de acuerdo con la tabla 11.


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Tipo de vía o clase de iluminación

Nivel de contaminación

Índice de hermeticidad (IP) de la luminaria

Periodo, en meses, de limpieza del conjunto óptico de la luminaria

Factor de Ensuciamiento FE

Avenidas en el centro

de algunas ciudades (*)

lV 6X (a) 6 0,91

6X (b) 6 0,93

M2 y M3 Ill 6X (a) 12 0,91

6X (b) 12 0,93

M4 y P1 a P3 ll 6X (a) 24 0,89

6X (b) 24 0,91

M5, P4 a P7 y parques

I 6X (a) 36 o cambio de la bombilla

0,9

6X (b) 0,95

Tabla 14: 580.2.3 e. Factores de ensuciamiento de las Luminarias, según el nivel de polución, índice de hermeticidad y el período de limpieza Fuente: RETILAP

Se selecciona un índice de hermeticidad 6x tipo (b) dado que las luminarias que se seleccionaron para

las tres propuestas tiene un conjunto óptico completamente sellado a este índice le corresponde un factor

de ensuciamiento igual a 0.95 que se usara en el cálculo del factor de mantenimiento.

Periodo de limpieza de las luminarias

Para determinar el periodo de tiempo en el que debemos realizar la limpieza para quitar la suciedad

acumulada en el conjunto óptico de la luminaria es necesario tener en cuenta el ambiente en el cual se

instala y también el grado de hermeticidad.

El código IP (Índice de protección contra polvo y agua) como su nombre lo indica representa el grado de

protección; a las luminarias de alumbrado público se les realiza pruebas de calentamiento, rigidez

dieléctrica, este código es de dos dígitos, en el primero encontramos la protección contra cuerpos

extraños sólidos, el segundo digito representa la protección del equipo frente al agua. (Alexander and

Gascón 2014)

El código IK (Índice de protección contra impacto) (EVOLUX 2016) código generalmente es usado para

luminarias de exterior debido a que las luminarias estas expuestas a golpes o vandalismo, estos valores

de IP e IK lo encontraremos en la ficha técnica de las luminarias.


BARRIO VERBENAL SUR


Categoría

Nivel de partículas

Periodo de limpieza (meses)

I Ambientes poco polucionados < 80 μg/m3 36 o cambio de bombilla

II Ambientes medianamente polucionados 80 – 150 μg/m3 24

III

Ambientes muy polucionados y zonas industriales 150 – 300 μg/m3 12

300 – 400 μg/m3 6

I

V

Ambientes excesivamente polucionados 400 – 600 μg/m3 6

> 600 μg/m3 3

Tabla 15: 580.2.3 C Periodos máximos para realizar limpieza del conjunto óptico de luminarias Fuente: RETILAP

Se selecciona la categoría II porque la cancha se encuentra en un ambiente medianamente polucionado

como se indicó anteriormente la zona de estudio aún no cuenta con pavimentos por esta zona transitan

carros de tráfico pesado que generan ciertas cantidades de polvo que daña el conjunto óptico de la

luminaria, de acuerdo a esta clasificación el periodo de limpieza para las luminarias será de 24 meses,

sin embargo, se propone que la limpieza sea anualmente.

Clasificación con relación a la protección mecánica contra choques de cuerpos solidos (Índice

IK)

Para determinar la hermeticidad de las luminarias se debe tener en cuenta el código IK dado que este

código indica el nivel de protección provisto por el envolvente de los materiales eléctricos contra algún

golpe o choque mecánico externo, el IK comprende 11 grados como se evidencia en la siguiente tabla.

(MINMINAS 2010)


BARRIO VERBENAL SUR


ÍNDICE IP ÍNDICE IK

Primera cifra Segunda cifra

IP Protección contra cuerpos sólidos

IP Protección contra Líquidos

IK Protección contra el impacto Energía

de Impacto (JOULES)

0 Sin protección 0 Sin protección 0 0

No protegido

1 Ф ≥ 50 mm (Contactos involuntarios)

1 Caída vertical de gotas de

agua

0 1

0,15

2 Ф ≥ 12 mm (Contactos involuntarios)

2 Caída de agua hasta 15° de

la vertical

0 2

0,2

3 Ф ≥ 2,5 mm (Herramientas cables)

3 Agua lluvia hasta 60° de la

vertical

0 3

0,35

4 Ф ≥ 1 mm (herramientas finas -

cables)

4 Proyección de agua en todas las direcciones

0 4

0,5

5 Protegido contra polvo 5 Lanzamiento de agua en todas las direcciones

0 5

0,7

6 Totalmente protegido contra polvo

6 Lanzamiento de agua similar a los golpes de

mar

0 6

1

7 Inmersión 0 7

2

8 Efectos prolongados de inmersión bajo presión

0 8

5

0 9

10

0 1

20

Tabla 16: Clasificación con relación a la protección mecánica contra choques de cuerpos solidos (Índice IK) Fuente: RETILAP


BARRIO VERBENAL SUR


6.4 Desarrollo del diseño

En la figura 13 se observa la zona deportiva real, en la figura 16 se muestran las dimensiones de la

misma, para el desarrollo del diseño se hace una previa selección de la tecnología a usar en este caso

se selecciona una tecnología tipo Led ya que esta tiene un conjunto óptico por luminaria a comparación

de las luminarias de sodio utilizadas en el alumbrado público, las luminarias de sodio se deben cambiar

con mayor periodicidad este factor incrementa los costos dado que no tienen un programa de

mantenimiento, al seleccionar la tecnología Led se optimiza la vida útil de las lámparas y mejora los

costos de mantenimiento,(Alexander and Gascón 2014) por ultimo al implementar esta tecnología se

cumple con los parámetros y requisitos mínimos de iluminación y luminancia establecidos en el RETILAP,

por estas razones se seleccionan las luminarias tipo Led. En las figuras 14 y 15 se podrá observar el

conjunto óptico de una luminaria tipo Led.

Figura 13: Conjunto óptico de una luminaria Led Fuente: (Alexander and Gascón 2014)

Figura 14: Conjunto óptico y eléctrico de una luminaria led Fuente: (Alexander and Gascón 2014)


BARRIO VERBENAL SUR


6.5 Selección de luminaria

Para el diseño de iluminación se consultaron varios fabricantes de luminarias tipo Led para alumbrado

público como Roy Alpha, Philips y Sylvania es importante resaltar que no es posible para un diseño de

este tipo seleccionar una luminaria de exterior pues las luminarias de alumbrado público cuentan con un

ensayo adicional a las anteriores conocido como IK índice de impacto. Se realizó una previa cotización

para consultar precios de luminarias con potencias entre un rango de 70 W a 100 W como se muestra

en la tabla No 16

Marca de la luminaria Descripción Valor unitario

Philips Led 72 W $ 650.000

Roy Alpha Led 72 W $ 790.000

Sylvania Led light 100 W $ 436.473

Tabla 17: Marcas de luminarias Fuente: Cotización

De acuerdo a lo anterior, por calidad, garantía y precio se selecciona el fabricante Sylvania para la

realización del estudio en el software DIALux, para el diseño se mostraran tres propuestas con luminarias

Led de potencias de 100W, 120W y un reflector de 100W de esta manera se pretende determinará cual

luminaria se adapta mejor a las condiciones ambientales del lugar, cual ofrece mejor uniformidad mejor

vida útil, considerando que los parámetros para su selección estén bajo los requerimientos exigidos en

el reglamento técnico de iluminación y alumbrado público (RETILAP).

A continuación, se muestran las fotometrías de las luminarias seleccionadas para el estudio de

iluminación


BARRIO VERBENAL SUR


Luminaria Fotometría

LED STREET LIGHT ZD216 100W NW V2


LED REFLECTOR JETA 100W DL

Tabla 18: Fotometría de las luminarias propuesta Fuente: Ficha técnica luminarias Sylvania

6.6 Selección del poste

Para la selección de los postes, se tiene en cuenta lo mencionado en la sección 560.3.3 Dispositivos de

soportes de los equipos de alumbrado de campos deportivos como el objeto de estudio es la zona

deportiva que consta únicamente de una cancha con las dimensiones expuestas en la figura 16, es de

resaltar que la cancha es para fines netamente recreativos se simulan cuatro postes ubicados dos postes

en disposiciones laterales de la cancha, la ubicación de los postes se realiza según criterios del

diseñador.


BARRIO VERBENAL SUR


Figura 15: Cancha deportiva del barrio el Verbenal sur Fuente: Elaboración propia

Se seleccionan los postes de material metálico con una altura de 9 metros brazo sencillo, los postes son

tubulares con una carga de rotura de 150Kg y con un espesor de 3mm, esta altura representa buenas

características de desempeño dando que la cancha no supera 390 metros cuadrados, estos postes son

de larga durabilidad y calidad garantizando que cumplen con las condiciones ambientales de la zona. El

valor de la carga de rotura del poste seleccionado se encuentra por debajo del valor que se muestra para

la categoría de postes de 9 metros como se muestra la en la norma (Likinormas 2014)

Descripción Carga de Rotura [Kg]

Deflexión máxima

Carga Aplicada [Kg]

Deflexión máxima a 200mm de la cima [mm]

Poste metálico 9m. 280 187 630

Poste metálico 10 m. 252 168 700




Tabla 19: Resistencia mecánica Fuente: (Likinormas 2014)

Según la norma ET2014, a los postes para alumbrado público a la hora de instalarlos se les debe hacer

una base nivelada de concreto, estos postes deben ser fabricados en láminas de acero, estas láminas

deben cumplir con características mecánicas mínimas de resistencia de tracción, elongación.

La ubicación de los postes, se realiza teniendo en cuenta las entradas a las viviendas que están cerca

de la zona deportiva, actualmente cerca no hay parqueaderos, ni garajes es por ellos que se diseñan con

dos postes en las disposiciones laterales de la cancha.


BARRIO VERBENAL SUR


6.7 Fotoceldas para alumbrado

La fotocelda es primordial para esta propuesta de alumbrado público, dado que este es el controlador de

encendido y apagado de cada luminaria, este elemento es sensible a la presencia de luz, cada luminaria

debe tener su propia fotocelda, las fotoceldas irán colocadas encima de la luminaria para que de esta

manera capte los haces de luz. Por lo general en el mercado se encuentran fotoceldas diseñadas con

una tensión de entrada que esta entre 100 a 305 voltios. (Alexander and Gascón 2014)

La fotocelda al igual que la luminaria se encuentran expuestas al ambiente, la fotocelda debe cumplir con

un índice de protección de polvo y agua mayor a 54 (IP>54). En Colombia las fotoceldas por tema de

seguridad se usan tipo fail on, esto quiere decir que son diseñadas para mantener encendida la luminaria

en caso de una posible falla de la fotocelda. (Alexander and Gascón 2014)

De acuerdo a lo expuesto anteriormente se selecciona una fotocelda con una tensión de operación que

esta entre 105 a 305 voltios de operación, con un grado IP de 65 con una carga máxima de 1000W

Figura 16: Dimensiones de la Fotocelda seleccionada Fuente: Ficha técnica fotocelda

6.8 Software para el diseño

El diseño de iluminación se realizó con el software DIALux 4.13, este software permite simular la

iluminación de la zona de estudio, DIALux 4.13 arroja resultados fotométricos del entorno, se verifica

según la sección 520.2 Uso de software en el diseño fotométrico de alumbrado público, que este software

cumple con los requerimientos técnicos necesarios para la elaboración del diseño permitiendo la previa

evaluación de los parámetros como: luminancia media, uniformidad, iluminancia media y mínima, Fe

(Factor de mantenimiento), establecidos en el reglamento (MINMINAS 2010)

6.9 Características de las luminarias

En la tabla 20 se puede observar algunas características ópticas, físicas y datos eléctricos tomadas de

las fichas técnicas suministradas por el fabricante

ESTUDIO TÉCNICO DE APLICACIÓN DE ALUMBRADO PÚBLICO CON PV A LA ZONA DEPORTIVA DEL BARRIO VERBENAL SUR


CARACTERISTICAS DE LAS LUMINARIAS

LED STREET LIGHT

ZD216 100W NW V2

Datos ópticos Flujo luminoso 1300 lm

Vida útil 100000 h *

Eficacia 130 lm/W

Temperatura del color 4000K (NW)

Datos físicos Grado de protección IP - IK

IP65 / IK08

Dimensiones (WxLxH) 430x290x84 mm

Tipo de montaje Brazo horizontal

Datos eléctricos Potencia de entrada 100 W

Tensión de operación 100-240V 50/60Hz

Corriente de entrada 0.48 A @ 220 V

Factor de potencia 0.95



Vida útil 100000 h *

Eficacia 130 lm/W

Temperatura del color 4000K (NW)


IP65 / IK08


Tipo de montaje Brazo horizontal




Tensión de operación 100-240V 50/60Hz


Factor de potencia 0.95

LED REFLECTOR JETA 100W DL


Vida útil 30000 h L70

Eficacia 85 lm/W

Temperatura del color 6500 K (DL)


IP65


Tipo de montaje Sobreponer


Tensión de operación 100-240 V 50/60 Hz


Factor de potencia >0.90

Tabla 20: Características de luminarias marca Sylvania Fuente: Elaboración propia


BARRIO VERBENAL SUR


7. RESULTADOS

Es de resaltar que los diseños de alumbrado público siempre deben tener presente la aplicación de

los conceptos de uso racional y eficiente de energía; en esta sección se encuentra los resultados de

las tres simulaciones, en la figura 18 y 19 se puede observar el esquema general de la cancha con la

vista frontal y lateral de la simulación en DIALux de las cuatro luminarias con los respectivos puntos

físicos de 9 metros cada uno, en la simulación las luminarias se instalan con diez grados de inclinación

para las tres propuestas, la separación entre puntos físicos es de 13 metros, la separación entre la

cancha y donde se instalan los puntos físicos es de 0.5 metros. Como se mencionaba anteriormente

para la simulación se requiere de las fichas técnicas para tomar datos como medidas de la luminaria,

potencia, vida útil.

El sistema fotovoltaico para alumbrado público que se plantea en este proyecto consiste en que cada

luminaria tenga su respectiva batería, controlador, inversor y fotocelda.

7.1 Vista frontal y lateral de la cancha simulada

Figura 17: Vista frontal Fuente: Simulación DIALux


BARRIO VERBENAL SUR


Figura 18: Vista lateral del diseño para la cancha Fuente: Simulación DIALux

Es importante al simular corroborar en el software el mismo grado de inclinación para todas las

luminarias ya que este parámetro afecta los resultados de uniformidad promedio, máxima y mínima

que arroja DIALux.

7.2 Led street light zd216 100w nw v2

Al simular con las cuatro luminarias de 100 W obtenemos el siguiente gráfico de luxes con una trama

de 13 x 7 puntos, en el que se puede observar que en la zona central de la cancha se ilumina con más

intensidad encontrando valores de 𝐸𝑚𝑎𝑥 = 68 luxes mientras que en los puntos extremos de la

cancha el 𝐸𝑚𝑖𝑛 = 30 luxes en el grafico con la gama de colores se puede observar que con estas

luminarias no se presentan muchos puntos oscuros en la ilustración se ve el tono naranja que es el

que presenta poca iluminación, es decir la cancha no presenta tantos puntos sin iluminación.

Resultados

Luminaria Em [lx] Emin [lx] Emax [lx] Emin/Em Emin/Emax [%]

Led de 100W 54 30 68 0,56 44

Tabla 21: Resultados luminaria a 100 W

Fuente:RETILAP



Figura 19: Iluminación de la cancha a 100 w

Figura 20: Gama de colores que representa las zonas con la intensidad de iluminación en lx


BARRIO VERBENAL SUR


7.3 Led street light zd216 120w nw v2

Al simular con las luminarias de 120 W obtenemos el siguiente gráfico de luxes con una trama de 13

x 7 puntos, en el que se puede observar que en la zona central de la cancha se ilumina con más


cancha el 𝐸𝑚𝑖𝑛 = 40 luxes es decir en esta zona la iluminación no alcanza a llegar con la misma

intensidad lumínica.

Según las figuras 19 y 29 se puede observar como zona iluminada en color verde no tiene la misma

intensidad a comparación de la luminaria de 100 w la de la presente simulación no abarca suficiente

área dejando en sombra los alrededores o extremos de la cancha. Del software tenemos los siguientes

datos arrojados como resultado de la simulación para luminarias de 120 w:

Resultados


Led de 120W 64 40 80 0,63 50

Tabla 22: Resultados luminaria a 120 W

Se puede corroborar de acuerdo a la tabla 510.3 b. Fotometría mínima en áreas críticas distintas a

vías vehiculares, el valor de luminancia promedio sobrepasa en 14 luxes al que se indica en la tabla y

la uniformidad se cumple siendo para este caso mayor de 50% entre más cercano al 40% es mejor

por norma.



Figura 21: Iluminación de la cancha a 120 w



BARRIO VERBENAL SUR


7.4 Led reflector jeta 100w dl

Al simular con los reflectores de 100 W obtenemos el siguiente gráfico de luxes con una trama de 13

x 7 puntos, en el que se puede observar que en la zona central de la cancha se ilumina con más


cancha el 𝐸𝑚𝑖𝑛 = 40 luxes es decir en esta zona la iluminación no alcanza a llegar con la misma

intensidad lumínica.

Para el caso del reflector tenemos que a comparación de las anteriores simulaciones con las

luminarias de 100 w y 120 w respectivamente, este no ilumina de la misma manera como se puede

observar en la ilustración de tramas y en la ilustración gama de colores se observa que el máximo

valor de iluminación es de 32 luxes además solo se ilumina una pequeña parte al lado de los apoyos

donde que es donde se encuentran las luminarias, aun usando la misma potencia de 100 w.

Resultados


Reflector de 100W 27 17 32 0,66 55

Tabla 23: Resultados reflector a 100 W

Por ultimo con los datos suministrados por DIALux al hacer el análisis sobre el reflector de 100 W se

puede observar que no cumple con la 𝐸𝑝𝑟𝑜𝑚 esta tienen un valor de 27, este valor está por debajo de

lo que indica la tabla 510.3 b. Fotometría mínima en áreas críticas distintas a vías vehiculares.



Figura 23: Iluminación de la cancha con reflector de 100 W



BARRIO VERBENAL SUR


De acuerdo a los resultados de las simulaciones anteriores se puede observar que la propuesta No 1 con la luminaria de 100W cumple con los valores fotométricos de iluminancia promedio de 54 luxes para una clasificación para canchas múltiples recreativas y teniendo una uniformidad mayor al 40% siendo esta de 44% como se puede observar en la tabla No 18 de resultados, los valores a comparar se encuentran en la tabla 510.3.b fotometría mínima en áreas críticas distintas a vías vehiculares. Al comparar la propuesta No 1 con las demás propuestas como la luminaria de 120W y el reflector de 100W se observa que aunque la luminaria de 120W cumple con una uniformidad mayor al 40% presenta una iluminancia muy por encima del valor estimado que es 50 de igual forma pasa con el reflector esta luminaria presenta un valor por debajo del promedio con un valor de 27 luxes es así como se descartan y se selecciona la luminaria de 100W.

Resultados

Luminaria Em [lx] Emin [lx]

Emax [lx] Emin/Em Emin/Emax [%]

Led de 100W 54 30 68 0,56 44

Led de 120W 64 40 80 0,63 50

Reflector de 100W 27 17 32 0,66 55

Tabla 24: Resultado de uniformidad e iluminancia promedio de las tres propuestas

Para calcular el factor de mantenimiento se utiliza la ecuación (3) según el reglamento:

𝐹𝑀 = 𝐹𝐸 × 𝐷𝐵𝐿 × 𝐹𝐵 (3)

1. Se toma un factor de ensuciamiento igual a 0,95 tomado de la tabla 5: 580.2.3 e. Factores de

ensuciamiento de las luminarias, según el nivel de polución, índice de hermeticidad y el

período de limpieza utilizado teniendo en cuenta que se selecciona la luminaria con un

conjunto óptico completamente sellado.

2. El factor de balasto para este parámetro se toma un valor de uno dado que la tecnología de

la luminaria escogida es led a esta tecnología le corresponde un balasto tipo driver con factor

uno.

3. De acuerdo al literal f) Factor de reemplazo de bombillas (R) de la sección 580.2.3 Cálculo del

factor de mantenimiento, se tiene que el factor de reemplazo de la bombilla estará

determinado por la vida útil (70% del flujo luminoso) la ficha técnica de la luminaria indica que

la referencia LED STREET LIGHT ZD216, P27808 tiene una vida útil LED L70 LM80 para esta

luminaria, esto quiere decir que en el proceso de verificación LM – 80 garantiza que se

mantendrá como mínimo el 80% de su luminosidad tras 50.000 horas de uso. De acuerdo con

lo anterior tenemos que cumple con el 70% estipulado en el reglamento.


BARRIO VERBENAL SUR


4. De las características de la luminaria tenemos que el flujo luminoso es de: 13000 lm

13000 𝑙𝑚 → 100%

𝑥 ← 70%

𝑥 = 9100𝑙𝑚

Se realiza el anterior cálculo en el que se determina el flujo luminoso para cuando la luminaria tiene

un 70% de su luminosidad. De acuerdo con lo mencionado, en la norma dejamos caer un 30% el flujo

luminoso, de esta manera ampliamos el periodo de cambio de las luminarias.

𝐹𝑀 = 0,95 × 0,70 × 1

𝐹𝑀 = 0,7

Para encontrar el factor de reemplazo de las luminarias (R) tenemos según la ficha técnica que la vida

útil es de 100.000 horas, según el reglamento se debe tener en cuenta el 70% ya que las luminarias

terminan su vida útil antes de lo esperado, realizamos el cálculo para determinar las horas en las que

debería de cambiar estas luminarias.

Dentro de las condiciones establecidas en el presente proyecto se considera realizar anualmente una

limpieza a las luminarias y a todo el conjunto óptico.

100.000 ℎ → 100%

𝑥 ← 70%

𝑥 = 70.000 ℎ

Tenemos que el cambio de las luminarias se debe hacer cuando esta cumpla con las 30.000 horas de

uso. Antes de realizar la operación de limpieza, se debe comprobar la desconexión previa al suministro

eléctrico del circuito completo al que pertenezca, después se procederá a limpiar la suciedad y

residuos de polución preferiblemente en seco, utilizando esponjas que no rayen la superficie.

En seguida se calcula el uso anual de iluminación de la luminaria

𝑈𝑎 = 12ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 × 7 𝑑ì𝑎𝑠 × 4 𝑠𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎𝑠 × 12 𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠

(4)

𝑈𝑎 = 4032

𝐶𝑎𝑚𝑏𝑖𝑜 𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑎𝑟𝑖𝑎 =30.000

4032

𝐶𝑎𝑚𝑏𝑖𝑜 𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑎𝑟𝑖𝑎 = 7 𝑎ñ𝑜𝑠


BARRIO VERBENAL SUR


Se estima que alrededor de unos 7 años se tendrá que hacer el cambio de la luminaria en la zona

deportiva.

8. DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO

Para el dimensionamiento del sistema fotovoltaico, es indispensable conocer el valor de la carga que

se conectara, es decir conocer la potencia requerida por las cargas a alimentar y por supuesto cuantas

horas de demanda diaria requerirá.

8.1 Consumo energético diario

Para el caso de estudio y dado que la carga es netamente para alumbrado público, se estima una

intensidad de 12 horas por día de uso, que va de 6pm a 6am

Equipo Potencia [W] Cantidad Horas/día Energía [KWh/día]

Luminarias 100 4 12 0,8

Tabla 25: Energía al día caso de estudio Fuente: Elaboración propia

Según el consumo de las luminarias se tiene la energía en el día, pero es necesario conocer el

rendimiento energético del sistema fotovoltaico teniendo en cuenta un factor de seguridad del 20%

recomendado en el documento (Molina, Fabián y Forero 2016) se le debe ajustar un factor de pérdidas

para obtener la energía real en el día, como se muestra a continuación:

8.2 Factor de pérdidas

Se recomienda utilizar un factor de seguridad de un 20% por encima de la energía estimada. Se

realizará el cálculo teniendo en cuenta la simplicidad del sistema y obtendremos la energía real al día

con la ecuación (5) (Molina, Fabián y Forero 2016)

𝜂 = (1 − 𝐾𝐵 − 𝐾𝐶 − 𝐾𝑉) (1 −𝐾𝑎𝑁

𝑃𝑑)

(5)

Kb: hace referencia a la perdida por rendimiento en las baterías

0,1 valor aplicador para montajes que generan descargas profundas o sistemas con baterías

usadas

0,05 valor aplicado para baterías que no demandan descargas profundas

Kc: Hace referencia a las perdidas presentadas por el inversor, normalmente varía entre el 75% y 95%

en caso de que no se especifique.

0,1 valor para trabajo en circunstancias no optimas

0,05 valores para inversores sinusoidales puros

Kv: Hace referencia a las perdidas presentadas por factores varios


BARRIO VERBENAL SUR


0,1 para aplicaciones en general donde no se conocen las potencias

0,05 para aplicaciones que tienen en cuenta los rendimientos de carga instalada

Ka: Hace referencia a la auto descarga diaria de las baterías y aumento de la temperatura

0,002 este valor aplica para las baterías NiCd que presenta baja descarga o las que no

requieren mantenimiento.

0,005 aplicando para las baterías Pb- acido, estacionarias, las cuales son de uso normal en

las instalaciones con aplicaciones solares.

Pd: Hace referencia a la profundidad de descarga de la batería por día, dicho valor no debe

superar el 85%.

N: Es la cantidad de días en la cual la instalación es autónoma, por la escasez del sol, esta

variable se toma entre 4 a 10 días, teniendo en cuenta que el sistema consumirá mayor

cantidad de energía por la ausencia de este. En este caso se tomará como 4 días.

Factor de sobredimensionamiento

Energía por día [KWh/día] 0,2

Sobredimensionamiento 20%

Energía total día [KWh/día] 0,24

Rendimiento energético

Kb 0,05

Kc 0,05

Kv 0,05

Ka 0,005

N 4

Pd 64%

n 0,8234375

Energía real día [KWh/día] 1,0634375

Tabla 5: Energía real al día, teniendo en cuenta el factor de sobredimensionamiento (“Estudio de factibilidad para un sistema de energía alternativa del proyecto de casas Prana en Apulo Cundinamarca,” 2016

Fuente: Elaboración propia

8.3 Ángulo de inclinación

Como se mencionaba anteriormente es necesario tener presente el ángulo de inclinación del panel

solar, con la finalidad de recolectar la mayor radiación posible en el panel, si la radiación solar es

perpendicular a la superficie del módulo se obtiene la energía máxima generada en el sistema.

(Arenas, Oviedo 2009).

Para hallar el valor del ángulo óptimo para la instalación es necesario tener los datos de latitud del

lugar y el valor promedio del ángulo para un año.


BARRIO VERBENAL SUR


Figura 25: ángulo de inclinación Fuente: (Pablo Andres, Alonso, Carlos y Delgado 2016)

𝜃𝑧 = ∅ − 𝛿

(5)

Donde ∅ es el ángulo para la latitud del lugar y 𝛿 corresponde al ángulo promedio para un año. Según

la ecuación anterior, se realiza el cálculo del ángulo de inclinación de los paneles solares., se resalta

que este ángulo maximiza la producción de energía durante todo el año, del software PV solar

tomamos las coordenadas geográficas de la ciudad de Bogotá como latitud norte de 4º54’73’’52. El

ángulo promedio de inclinación es de aproximadamente 4 dado que Bogotá se encuentra en el

hemisferio norte a 12 grados del ecuador este valor puede variar en función de la aplicación entre ±5º

𝜃𝑧 = 4º

La UPME define lo siguiente respecto al ángulo de inclinación: “Dadas las condiciones de operación

y la ubicación geográfica de Colombia, el modulo o el campo fotovoltaico debe orientarse de tal manera

que las regiones de Colombia que están en el hemisferio norte tengan una inclinación no mayor de

15° con respecto a la horizontal y orientados hacia el sur. Para las regiones ubicadas en el hemisferio

sur la inclinación no debería ser mayor a 12° con respecto a la horizontal y orientados hacia el norte.

En todo caso, se recomienda que la inclinación no sea menor de 10°”. De acuerdo a lo anterior para

el proyecto de estudio se selecciona un ángulo de inclinación igual a 10°(UPME and BID 2015)

Para dimensionar el sistema fotovoltaico del proyecto que ilumina la cancha recreativa del barrio

Verbenal, se realizó un previo diseño de iluminación donde se determinó que el consumo energético

para las cuatro luminarias Led es de 1,783 KWh/día con un brillo solar representado en horas que va

de 4 a 5 horas de tiempo en el cual se recibe una irradiación promedio de 4037,7𝑊ℎ/𝑚2 por día.

Aunque actualmente los paneles solares tienen costos elevados a nivel nacional, para efectos de este

proyecto se plantea que cada luminaria tenga su propio sistema fotovoltaico con baterías,

controladores e inversores por separado con esta propuesta se pretende tener sistemas autónomos


BARRIO VERBENAL SUR


8.4 Dimensionamiento del panel solar

Antes de dimensionar el panel para el sistema fotovoltaico, mencionaremos las diferencias entre el

panel monocristalino y el policristalino; Los paneles solares monocristalinos a diferencia de los

policristalinos tienen alta sensibilidad para la captación de la energía solar, están constituidos por

silicio de muy alta pureza, presentan un color oscuro y sus bordes son redondeados estos en el

mercado se encuentran a un alto precio.

Los paneles policristalinos al contrario, son más económicos, son perfectos para instalaciones de bajo

consumo, también son fabricados en silicio, tienen alta resistencia al sobrecalentamiento por ende son

eficientes para trabajar en climas cálidos.(AUTO SOLAR 2019)

Para efectos de este proyecto se selecciona un panel policristalino, ya que el sistema de iluminación

de la zona deportiva no demanda un alto consumo y absorben el calor a mayor velocidad, además la

zona donde se instalarán cuenta con altos índices de inseguridad

De acuerdo con lo anterior se seleccionan un panel policristalino de 150W el modulo tiene una

eficiencia del 15.10%, las dimensiones del panel mencionado son: ancho del panel de 0,666m, largo

del panel de 1,487m según la ficha técnica que nos suministra el proveedor, al calcular el área del

panel tenemos que es de 0,99 m2 se aproxima a 1 𝑚2.

Figura 26: Dimensiones del panel solar seleccionado Fuente: Ficha técnica panel

La potencia que recibe el panel se calcula a continuación: (Molina, Fabián y Forero 2016)

𝑃𝑟 = 1 ∗ 0,0043𝑊

𝑚2= 0,0043𝑊

(6)


BARRIO VERBENAL SUR


𝑃𝑠 = 𝜂 ∗ Pr

𝑃𝑠 = 15,10% ∗ 0,0043𝑊 = 0,0649𝑊

Si se quisiera implementar un sistema general para la alimentación de alumbrado público para la

cancha se determinaría la cantidad de paneles mediante la siguiente ecuación: (Molina, Fabián y

Forero 2016)

# 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎

𝑊𝑃𝑎𝑛𝑙𝑒𝑟 ∗ 𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑏𝑟𝑖𝑙𝑙𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟

(7)

# 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 =1,783𝐾𝑊ℎ

150𝑊 ∗ 5ℎ = 2,37 ≈ 3 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠

Es de resaltar nuevamente que este proyecto plantea la instalación por separado de cada sistema

fotovoltaico en cada poste, por tanto, se usaran 4 paneles de 150W.

Se realizará la análisis, verificación y se mostrará la viabilidad de la instalación de paneles

policristalinos en el barrio Verbenal sur mediante el software PV SOLAR, este análisis se desarrollara

en la sección 9 del presente proyecto.

8.5 Dimensionamiento de las baterías

Debido a que la generación de energía eléctrica a partir de la energía solar no es constante, se requiere

de baterías para almacenarla. En el mercado nacional se encuentran baterías de 12 y 36 Voltios, hay

varios tipos de baterías para paneles solares entre las cuales tenemos: baterías de plomo acido, tipo

gel que utiliza una combinación de azufre y silicio, baterías opzs las cuales requieren agua destilada,

la capacidad de estas baterías son muy altas al igual que el costo ya que este es más elevado en

comparación con las anteriores.

Cuando se compran baterías de plomo acido o de gel es importante comprarlas teniendo en cuenta

que la profundidad de descarga no sea cercana al 100% dado que este indicador representa deterioro

en corto tiempo para la batería. Para encontrar la capacidad de las baterías para el proyecto se

implementa la ecuación (8) (Molina, Fabián y Forero 2016).

La profundidad de descarga es de 64% a 12 V, la capacidad del banco se muestra en la ecuación 8,

y el número de baterías lo podemos ver en la ecuación 9:

𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 =1,783𝐾𝑊ℎ

12 𝑉 × 64%= 232,16𝐴ℎ

(8)


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⋕ 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 =212,16𝐴ℎ

200𝐴ℎ= 1

(9)

⋕ 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 = 1

8.6 Dimensionamiento del regulador de carga

Este dispositivo del sistema fotovoltaico es el encargado de proteger las baterías por sobre carga o

baja profundidad de descarga, para calcular este dispositivo se toma la corriente del panel y se

multiplica por el número de paneles además de un factor de seguridad de 11% (Molina, Fabián y

Forero 2016), ecuación 10

𝐼𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 𝐼𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙 ∗ 𝑁 ∗ 1,1 (10)

𝐼𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 7,47 ∗ 3 ∗ 1,1

𝐼𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 24,61 𝐴

Para determinar cuántos reguladores son necesarios para el proyecto se realiza el cálculo de acuerdo

de la ecuación 11, con la corriente de carga y capacidad del regulador.

𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 =𝐼𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎

𝐼𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 =

24,21𝐴

40 𝐴= 0,6

(11)

𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 = 1

8.7 Dimensionamiento del inversor

Este equipo es de gran de gran utilidad ya que convierte la corriente directa de los paneles en corriente

alterna, para seleccionarlo debemos tener en cuenta el número de paneles por la potencia de estos,

el cálculo se realiza como se indica en la ecuación 12: (Molina, Fabián y Forero 2016)

𝑊𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 = 𝑊 ∗ 𝑁 (12)

𝑊𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 = 320𝑊 ∗ 3 = 960𝑊

Si se desea implementar el sistema fotovoltaico de manera general, se puede hacer uso de una

herramienta que se encuentra en la web de forma gratuita, esta herramienta es una tabla en Excel

que permite dimensionar los equipos que se usan para sistemas fotovoltaicos con ella se pueden

corroborar las cantidades de equipos para el sistema completo, esta plantilla fue desarrollada como

proyecto de grado por estudiantes de Ingeniería Eléctrica por ciclos propedéuticos de la Universidad

Distrital Francisco José de Caldas (Nieto, Luisa; Daza 2019). Como se mencionaba anteriormente esta


BARRIO VERBENAL SUR


plantilla permite dimensionar los equipos a usar en la instalación solo con diligenciar datos como

energía y brillo solar al día (tabla 26).

1

15,10%

1000

5

3

12

64,00%

232,1614583

2

7,47

1

PASO 5. INVERSOR

Este dato se obtiene de la ficha tecnica del panel.

Comparar este valor con las corrientes de los reguladores de

carga del mercado, si este sobrepasa dichos valores realizar el

paso (a)

La corriente del regulador de carga es de [A]: 24,651

Ingrese la corriente maxima de cada panel [A]:

Seleccionar este valor de acuerdo a lo que se encuentra en el

mercado.Capacidad de cada bateria [Ah]: 200,00

El numero de baterias es:

PASO 4. REGULADOR DE CARGA

NOTAS

Ingrese la potencia de salida del panel de acuerdo

a lo que se encuentra en el mercado [W]: 150

Seleccionar en el mercado un panel que maneje una potencia

de este valor o en su defecto cercano.La potencia de salida del panel es de [W]: 151

PASO 2. NUMERO DE PANELES NECESARIOS

Ingrese area del panel [m2]:

Ingrese la eficiencia del panel [%]:

La potencia que recibe el panel es de [W]:

Ingrese el valor de energía consumida por día

[kWh/día]:1,783

Ingrese el numero de horas de brillo solar [h]:

PASO 1. FACTOR DE PERDIDAS

El numero de paneles es:

PASO 3. CALCULO DE LAS BATERIAS

Ingrese el voltaje [V]:

Ingrese profundidad de descarga [%]:

La capacidad del banco es de [Ah]:

Ingrese la potencia indicada en la ficha tecnica del

panel seleccionado [W]:320

PASO (a)

Ingrese la corriente del regulador de carga

seleccionado del mercado [A]:40

El numero de reguladores de carga es:

Comparar este valor con las potencias de los inversores del

mercado, si este sobrepasa dichos valores realizar el paso (b)La potencia del inversor es de [W]: 960

Tabla 26: Dimensionamiento de equipos, con plantilla en Excel del manual técnico de instalaciones solares Fuente:(Nieto, Luisa; Daza 2019.)


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8.8 Sistema de puesta a tierra

En el informe SAND96-2797 se establece que un sistema fotovoltaico aislado, deberá tener uno de

sus dos conductores de la parte de corriente continua a tierra (normalmente negativo). El conductor

de puesto a tierra será el conductor negativo de la instalación (Pablo Andres, Alonso, Carlos y Delgado

2016).

8.9 Conductor de tierra de masas metálicas

De acuerdo con el informe mencionado anteriormente el conductor de tierra, es un conductor que no

circula normalmente corriente en él, cuya función es conectar partes metálicas accesibles de los

equipos al electrodo de tierra. La carcasa del módulo debe estar aterrizada por medio de un conductor

calibre No 8 AWG en alambre desnudo, todas las estructuras metálicas lo deben estar.


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9. EVALUACIÓN SISTEMA FOTOVOLTAICO

Con la finalidad de evaluar la implementación y viabilidad técnica de los paneles fotovoltaicos

policristalinos de 150W ref. A-150P de Atersa seleccionados para el proyecto, se hizo uso del software

PV Solar en versión demo.

9.1 Software PV solar

PV Solar es una representación del mundo real que tiene en cuenta el sombreado de los objetos

circundantes, es extremadamente importante para calcular con precisión el rendimiento en paneles

fotovoltaicos. PV Solar Premium puede realizar un análisis teniendo en cuenta sombras en sistemas

PV, además de visualizar sistemas integrados o montados o hasta 10.000 módulos paralelos en el

techo en 3D y calcular el sombreado sobre la base de objetos 3D.

El beneficio del software es la visualización en modo 3D, el cual proporciona información detallada

sobre las sombras proyectadas en diferentes momentos del día y año, y consecuentemente las

posibles reducciones en el rendimiento de los paneles fotovoltaicos por dicho efecto.

9.2 Resultados

Dado que el software permite el dimensionamiento del diseño, la simulación dinámica y la evaluación

de rendimientos para instalaciones de energía solar fotovoltaica no solo para sistemas conectados a

la red sino para sistemas autónomos, seleccionaremos la ubicación exacta del proyecto con la finalidad

de importar los perfiles climáticos, como se mencionó en el numeral 4 índice (a) del presente

documento se usará la estación el dorado.

A continuación, se presentara el paso a paso la evaluación del sistema:

1. Se selecciona un sistema autónomo, ubicado en Colombia, estación global de radiación El

Dorado


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Figura 27: Tipo de instalación en el software PVSOL.

Fuente: Software PVSOL.

2. Se establece el consumo de carga del sistema, dado que el software no permite la

configuración de cargas DC se estableció un consumo total de 1 kw.

Figura 28: Consumo de carga mensual, en software PVSOL. Fuente: Software PVSOL.


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3. Se selecciona los datos de ubicación geográfica de la zona.

Figura 29: Descripción geografica proyecto simulado en PVSOL.


Figura 30: Ubicación geografica satelital del proyecto.



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4. Una vez se cuenta con la ubicación de la zona deportiva, se empieza colocando las

estructuras cercanas que puedan generar sombra a las celdas fotovoltaicas y disminuir la

eficiencia de las mismas.

Figura 31: Ubicación detalla de objetos 3D en el perimetro del proyecto.



BARRIO VERBENAL SUR


5. Una vez se hayan establecido los objetos cercanos, se estableció la ubicación de los paneles,

teniendo en cuenta que se trata de un sistema autónomo y que para el diseño son 4 sistemas

con la misma carga, se realizara la simulación de un solo sistema que evaluara la eficiencia

en la ubicación más crítica (cercano a los edificios más altos).

Figura 32: Dispocición final de estructuras y colinas en el perimetro del proyecto.


6. Finalmente, la simulación arroja la cantidad de sombra a la que estarían expuestos los

paneles, como se observa a continuación, para el diseño establecido en el proyecto la sombra

es mínima, por lo tanto, la eficiencia de los paneles supera el 90%.


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Figura 33: Resultados de perdidas en el sistema PV debido a sombras.


9.3 Análisis:

La implementación del sistema fotovoltaico propuesto para la cancha del barrio el paraíso en el

software PV Solar, permitió definir las perdidas en los módulos fotovoltaicos, debido a las sombras de

objetos extremos al sistema sobre la superficie de estos módulos que afectan la eficiencia del sistema

a lo largo del año.

La Figura 33 muestra la distribución del sistema fotovoltaico en el área de análisis del proyecto, aquí

se puede observar la importancia de definir los efectos en la perdida de la eficiencia debido a las

sombras proyectadas por los objetos cercanos. Sin embargo, el porcentaje de perdidas sobre los

módulos a lo largo del año son prácticamente despreciables, debido a que los objetos cercanos se

encuentran fuera del área de captación de radiación debido a la altura de los postes, lo que hace el

diseño viable y eficiente durante todos los meses del año.


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10. UBICACIÓN DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO

El panel solar se debe instalar en una estructura donde se mantenga un soporte fijo para mantener el

mismo nivel de inclinación y orientación, el panel debe estar a una altura mínima de 30 cm del nivel

del suelo (FINDETER 2017)para este caso de estudio, la propuesta es instalar los paneles en cada

poste ya que estos cuentan con una altura de 9 metros, cumpliendo con la altura mínima requerida,

los paneles tendrán un soporte fijo.

Siempre se debe garantizar que el módulo fotovoltaico quede bien sujeto al poste bien orientado para

que los rayos del sol incidan sobre la superficie de igual forma garantizar que las baterías nunca

queden directamente sobre el suelo, con el fin de evitar acumulación de gases, se propone que el

sistema se instale como se muestra en la figura 28.

Figura 34: Esquema fotovoltaico

Fuente: Elaboración propia


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11. MANTENIMENTO PARA LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

11.1 Mantenimiento preventivo

Este tipo de mantenimiento tiene como finalidad mitigar y evitar las consecuencias debido a fallos

repetitivos o averías en los equipos, disminuyendo de esta manera puntos muertos por paradas,

aumentar la vida útil de los equipos usados, reducir los costos debido a compra nueva de equipos y

reparaciones.(Forero 2019)

Se debe verificar que el modulo fotovoltaico tenga una correcta fijación a la estructura de soporte, y

que el torque de la tornillería este de manera correcta. Esta revisión se puede realizar anualmente.

Revisar que el cableado no presente quemaduras ni roturas y que se encuentren correctamente

conectados entre sí.

Corroborar la entrada de humedad e infiltración de agua o por los ductos por donde va el cableado del

sistema

Realizar verificación visual de las conexiones a tierra de las estructuras metálicas, de igual forma

revisar posibles oxidaciones, roturas o deformaciones.


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12. ANÁLISIS DE COSTOS

Para este proyecto se tendrá en cuenta el costo de inversión o instalación y los costos de

mantenimiento

12.1 Costos de inversión

Para los costos de inversión se realizó la consulta de precios a algunos proveedores nacionales y

extranjeros con el fin de determinar el costo de los equipos eléctricos, mecánicos que se necesitan

para el desarrollo del sistema de iluminación con paneles solares fotovoltaicos.

A continuación se muestran algunos proveedores consultados:

Empresa Productos cotizados

Forma de contacto

Contacto

Improinde SAS Paneles solares, baterías, controlador

e inversores

Correo electrónico Telefónicamente

[email protected] Asesor: Erika Yohana Amaya

Ramírez Cel. 3023360375 Dpto. de Ventas

Maeléctricos Luminarias Telefónicamente Asesor: Diana Nieto Cel. 3138324015

Tel. 3 647373 ext:140

Colpilas Paneles solares, baterías, controlador

e inversores

Telefónicamente Ejecutivo ventas: Tatiana Vargas Cel. 3229120966

Ambiente Soluciones

Paneles solares, baterías, controlador

e inversores

Sitio Web Telefónicamente

Asesor: Luis Quiroga Comercial@ambientesoluciones.

com Cel.3014765349

Tabla 27: Proveedores consultados Fuente: Elaboración propia

En la tabla No 28 se puede observar los costos aproximados que se requieren para la instalación del proyecto en estudio teniendo en cuenta los costos que se incurren por la mano de obra necesaria para la ejecución del proyecto


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Costos de instalación

Equipo Valor Cantidad Total

Panel solar policristalino 150w $ 484.770 4 $ 1.939.080

Batería 250Ah GEL $ 1.149.192 4 $ 4.596.768

Regulador de carga 40 A $ 103.001 4 $ 412.004

Inversor 2000 W $ 97.599 4 $ 390.396

Conectores $ 10.345 20 $ 206.900

Soporte panel $ 200.000 4 $ 800.000

Poste de metal 9mts $ 500.000 4 $ 2.000.000

Costos de instalación luminaria $ 200.000 4 $ 800.000

Fotocelda 1000W $ 15.000 4 $ 60.000

Luminarias Sylvania 100 W $ 436.437 4 $ 1.745.748

Mano de obra técnico $ 1.225.000 3 $ 3.675.000

Sub Total $ 16.625.896

IVA $ 921.189

Total de la instalación $ 17.547.085

Tabla 28: Costos de la instalación Fuente: Elaboración propia


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12.2 Costos de mantenimiento

Estos costos son los que surgen durante la vida operativa de los equipos y el mantenimiento de la

misma. Los elementos importantes de operación y mantenimiento de una instalación fotovoltaica

incluyen el mantenimiento periódico del inversor y la limpieza periódica de los paneles, así como el

reemplazo de las baterías de acuerdo a la vida útil que se indica en la ficha técnica. (Pablo Andres,

Alonso, Carlos y Delgado 2016) [

Equipo Mantenimiento a realizar Periodicidad

Luminarias Limpieza Anual

Panel solar Limpieza(Lavado) 6 meses

Inversor Ajuste de terminales, etc 6 meses

Regulador Ajuste de terminales, etc 6 meses

Baterías Verificación de tensión en terminales 3 meses

Tabla 29: Mantenimiento de equipos Fuente: Elaboración propia



13. DELIMITACION DE ALCANCES

Objetivo especifico Metas Actividades Resultados Páginas de referencia

Realizar una

investigación previa que

involucra ubicación

demográfica del lugar

previsto para

implementación,

condiciones

meteorológicas de

Bogotá (Radicación

solar).

M1. Investigar todo sobre

ubicación geográfica de la

zona de estudio, teniendo en

cuenta factores

demográficos y las

características específicas

de la radiación.

A1.1 Consultar y analizar la

ubicación demográfica, nivel

de radiación solar, la

población, latitud y demás

características del barrio

Verbenal.

A1.2 Determinar mediante

la investigación los recursos

disponibles

R.1 Con la información

obtenida se seleccionaran

las características técnicas

de la zona de estudio y de

esta manera empezar a

determinar su viabilidad,

esto se muestra en la

sección 3 y 4 del presente

documento.

Página 11 a página 21

Analizar el mercado

nacional para

aplicaciones de PV en

alumbrado público.

M2. Investigar acerca de la

tecnología que se usa y se

desarrolla actualmente para

alumbrado público con

sistemas solares

fotovoltaicos

A2.1Analizar el

comportamiento de la oferta

y demanda.

A2.2 Establecer los

materiales con mejor vida

R.1. Obtener información

acerca de la estructura

actual del mercado

eléctrico mayorista y

minorista en lo referente a

paneles solares, esta




útil para el desarrollo del

estudio.

información se encuentra

en la sección 5.

Diseñar el sistema de

alumbrado público de la

zona deportiva del barrio

Verbenal Sur.

M3. Proponer un diseño para

alumbrado

A3.1 Desarrollar el sistema

de alumbrado, mediante

algún software y

simuladores que permiten

determinar la opción más

óptima de iluminación para

la zona deportiva.

R3.1 Lograr el diseño de la

zona deportiva con óptimos

y eficientes niveles de

iluminación si en dado caso

se quiere implementar.

Visible en la sección 6

donde también se muestra

el diseño del sistema

fotovoltaico


Realizar una

socialización del

proyecto, que pretenda

describir e identificar los

impactos ambientales y

sociales, permitiendo

infundir una buena

gestión futura del

proyecto con planes de

M.4 Lograr informar a la

comunidad sobre el uso de

paneles solares y el impacto

ambiental y social que

genera el uso de estos

sistemas.

A4.1 Mediante la previa

socialización informar a la

comunidad acerca de la

necesidad del alumbrado

público para la zona

deportiva de esta manera

incentivar a las personas

R4.1 Resumen ejecutivo

más oficio de socialización,

se encontrará en los

anexos. Oficio presentado a la

Junta de acción

comunal (ANEXOS)



control y vigilancia para

la ampliación del mismo.

para difundir la información

que se les brinde

Tabla 30: Delimitación de alcances Fuente: Elaboración propia


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14. CONCLUSIONES

El presente proyecto forma parte de un macroproyecto conocido como “Verbenal Sueña” Liderado por

el docente Giovanny Mancilla, que busca fomentar en los estudiantes la implementación de los

conocimientos adquiridos en sus carreras, para generar un cambio social, cultural y ambiental en

poblaciones vulnerables, para mejora de la calidad de vida, por lo tanto, el estudio realizado en este

proyecto queda a servicio de la universidad Distrital Francisco José de Caldas para su futuro

desarrollo.

Del proyecto de alumbrado público a partir de un sistema fotovoltaico para la iluminación de la zona

deportiva del barrio el Verbenal sur se considera viable de acuerdo a los niveles de radiación,

condiciones ambientales, factores de uniformidad lumínica, condiciones económicas y el gran impacto

social que generaría la implementación.

Con el diseño de iluminación con luminarias tipo Led, se garantiza la confiabilidad y calidad en el

servicio de alumbrado público para la zona deportiva, dado que se presenta una mejora en la calidad

visual de los alrededores de la cancha, abra una disminución de las zonas inseguras ya que

actualmente no se cuenta con iluminación.

Se observa que para la realización de este proyecto se reflejan costos de alrededor de 30.000.000 de

inversión, sin embargo la implementación se puede obtener por donación o compra, la implementación

de este sistema generara un gran impacto social que beneficiara a niños, adultos mayores entre otros,

las ganancias serán para la comunidad ya que al tener un sistema de iluminación autónomo a partir

de fuentes de energías alternativas, la población no tendrá que pagar altas sumas de dinero por un

servicio público, que será gratuito y de calidad.

La propuesta de instalar un sistema fotovoltaico por cada luminaria representa la ventaja de que si en

dado caso llegara a fallar una luminaria esta no interviene en la operación de las restantes ya que

tienen circuitos independientes mejorando así la confiablidad en el servicio.

Es viable usar luminarias tipo Led para alumbrado público dado que la calidad de vida de estas

luminarias es mejor, se reducen costos de mantenimiento a comparación de las luminarias con

lámparas amarillas como las tradicionales de sodio (Na)

De acuerdo con la investigación realizada a cerca del panorama de la energía solar fotovoltaica en

Colombia se encontró un bajo desarrollo de esta tecnología por debajo de un 50% comparado con

otros países latinos y Europeos, es por ello que con este proyecto y muchos otros se quiere mostrar

la gran alternativa de obtención de energía eléctrica a partir de la radiación solar en las periferias de

la ciudad de Bogotá o lugares con difícil acceso a este recurso, se tendrá generación de energía

eléctrica a partir de sistemas totalmente ecológicos incentivando el uso racional y eficiente de la

energía.


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15. PROYECTO VERBENAL SUEÑA

El presente proyecto forma parte de un macroproyecto conocido como “Verbenal Sueña” Liderado por

el docente Giovanny Mancilla, que busca fomentar en los estudiantes de la Universidad Distrital

Francisco José de Caldas la implementación de los conocimientos adquiridos en sus carreras, para

generar un cambio social, cultural y ambiental en poblaciones vulnerables, para mejora de la calidad

de vida.

A través de la universidad actualmente se están desarrollando en la comunidad proyectos relacionados

con iluminación de la zona deportiva y el salón comunal del barrio, así como el trazado y estructuración

de la cancha deportiva, tramites y diseño para alcantarillado, reciclaje con cementación para

construcción de muros, entre otros.


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16. REFERENCIAS

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XM S.A E.S.P. 2019. Informe GENERAL DEL MERCADO Febrero 2019.


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17. ANEXOS

17.1 FICHAS TECNICAS LUMINARIAS


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17.2 POSTES


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17.3 PANEL SOLAR


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17.4 BATERIA


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17.5 CONTROLADOR


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17.6 INVERSOR


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