N° tesis: ##

PROYECTO FIN DE CARRERA

Presentado a

LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

Para obtener el título de

INGENIERO ELÉCTRICO

Por

WILLIAM RICARDO LEÓN GARCÍA

Uso de fuentes de energía renovable y generación distribuida para mejorar la eficiencia

energética en edificios no residenciales en Bogotá

Sustentado el día de mes de año frente al jurado:

Composición del jurado

- Asesor: Gustavo Ramos López PhD., Profesor Asistente/Universidad de Los Andes

- Jurados : Mario Alberto Ríos Mesías PhD., Profesor Asociado /Universidad de Los Andes

TABLA DE CONTENIDO

TABLA DE CONTENIDO ........................................................................................................................ 2 ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................................................. 3 ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................................................................... 4 ÍNDICE DE ANEXOS .............................................................................................................................. 5 RESUMEN EJECUTIVO .......................................................................................................................... 6

Identificación del proyecto ............................................................................................................. 6 Objetivo general .............................................................................................................................. 6 Objetivos específicos ....................................................................................................................... 7 Desarrollo ........................................................................................................................................ 7 Resultados ....................................................................................................................................... 8

MARCO TEÓRICO ................................................................................................................................. 8

Dimensionamiento económico y ambiental de conductores eléctricos ......................................... 8 Eficiencia energética ....................................................................................................................... 9 Generación distribuida y energías renovables .............................................................................. 10

Planta solar fotovoltaica............................................................................................................ 11

Dimensionamiento ................................................................................................................ 11

Microturbinas a gas natural ...................................................................................................... 12

Calidad de la potencia ................................................................................................................... 12

Perturbaciones y fluctuaciones de tensión ............................................................................... 12

Subida de tensión (voltage rise) ............................................................................................ 13 Bajada de tensión (voltaje dips) ............................................................................................ 13

Sensibilidad en equipos: .................................................................................................... 13

Parpadeo (voltage flicker) ..................................................................................................... 14 Desequilibrio (voltage unbalance) ........................................................................................ 14

Distorsión armónica .................................................................................................................. 15 Puesta a tierra ........................................................................................................................... 16

Malla de tierra ....................................................................................................................... 16 Electrodo de tierra ................................................................................................................ 17

Dispositivos de electrónica de potencia........................................................................................ 17

Dispositivos de conversión de DC/AC ....................................................................................... 17 Dispositivos de conversión AC/DC ............................................................................................ 18

DISEÑO DE LA TOPOLOGÍA DEL SISTEMA ELÉCTRICO PARA UN EDIFICIO DE USO COMERCIAL: ETAPAS (AVANCES) ............................................................................................................................ 18

Diseño conceptual ......................................................................................................................... 18 Diseño básico ................................................................................................................................ 19 Diseño detallado ........................................................................................................................... 20

Estimación de la demanda ........................................................................................................ 20

Descripción del edificio de uso comercial ............................................................................. 20

Cálculo de cargas eléctricas .................................................................................................. 20

Iluminación ........................................................................................................................ 21 Tomacorriente o receptores de corriente de uso general ................................................ 21 Ascensores......................................................................................................................... 22 Sistemas de bombeo de agua ........................................................................................... 22 Sistemas de ventilación ..................................................................................................... 23 Sistemas de información ................................................................................................... 24 Servicios de seguridad y emergencia ................................................................................ 24

Cuadro de cargas total .......................................................................................................... 25

Diagrama Unifilar ...................................................................................................................... 25

Dimensionamiento de los conductores ................................................................................ 26 Dimensionamiento de transformadores ............................................................................... 26 Dimensionamiento de los generadores ................................................................................ 27

Diseño de una planta solar fotovoltaica............................................................................ 27

Microturbina a gas ................................................................................................................ 30

MODELO COMPUTACIONAL DEL SISTEMA ELÉCTRICO ..................................................................... 30

Modelo de la microturbina ........................................................................................................... 31

Control de velocidad ................................................................................................................. 31 Control de combustión .............................................................................................................. 32 Compresor ................................................................................................................................. 32 Generador síncrono magnético permanente (PMSG) .............................................................. 32

Modelo de la planta solar ............................................................................................................. 33 Modelo del rectificador ................................................................................................................. 34

Rectificador trifásico no controlado .......................................................................................... 34 Rectificador trifásico con conversor DC/DC .............................................................................. 34

Modelo del inversor ...................................................................................................................... 35 Filtro LCL ........................................................................................................................................ 36

RESULTADOS Y ANÁLISIS: ASPECTOS SOBRE LA CALIDAD DE LA POTENCIA ..................................... 36

Potencia activa y reactiva .............................................................................................................. 36

Caso 3: Fuentes interconectadas (Red de distribución, Planta Solar y Microturbina).............. 37 Casos 4 y 5: Sistema aislado (Planta Solar y Microturbina) ...................................................... 37 Casos 6 y 7: Sistema aislado (Microturbina) ............................................................................. 37

Voltaje, corriente y distorsión armónica ....................................................................................... 37

CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO ................................................................................................ 38 REFERENCIAS ..................................................................................................................................... 39

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Componentes típicos de un sistema de generación de energía solar conectado a la red (imagen de (3)) .................................................................................................................................. 11

Figura 2. Diagrama de bloques específico (izq. Ref. (5)) y general (der. Ref. (6)) de una microturbina ........................................................................................................................................................... 12 Figura 3. Curva de bajada de tensión y tolerancia de equipos (disponible en (12)) ......................... 13 Figura 4. Ejemplo de un parpadeo de tensión o flicker .................................................................... 14 Figura 5. Espectro armónico típico de un puente de seis pulsos (der.), imágenes sacadas de (15) . 15 Figura 6. Malla de puesta a tierra (izq.) y conductores de bajada del pararrayos (der.) .................. 16 Figura 7. Puente inversor con filtro para interconexión con la red .................................................. 17 Figura 8. Opciones de conexión de los sistemas de generación. ...................................................... 19 Figura 9. Esquema de las cargas presentes en el edificio comercial estudiado................................ 21 Figura 10. Distancia entre paneles .................................................................................................... 28 Figura 11. Configuración del arreglo de paneles de la planta, los paneles se ubican en serie a lo largo de cada columna. ..................................................................................................................... 29 Figura 12. Esquema general del modelo computacional .................................................................. 31 Figura 13. Componentes de una microturbina (imagen obtenida de (41)) ...................................... 31 Figura 14. Implementación en PSCAD del control de velocidad de la microturbina ........................ 31 Figura 15. Implementación en PSCAD del control de combustión de la microturbina..................... 32 Figura 16. Implementación en PSCAD del sistema de compresión de la microturbina .................... 32 Figura 17. Izq. Bloque diferencial que relaciona la velocidad del rotor (w) con el torque eléctrico y mecánico. Der. Bloque PMSG de PSCAD; su entrada es w y sus salidas son: el torque eléctrico (Te) y la potencia eléctrica trifásica (Pe) .................................................................................................. 33 Figura 18. Expresión y circuito equivalentes para el modelo de un módulo solar fotovoltaico ....... 33 Figura 19. Filtro LCL empleado a la salida del inversor ..................................................................... 36 Figura 22. Diagrama unifilar con interconexión en AC de fuentes distribuidas ................................ 44 Figura 23. Gráficas que reflejan el proceso de selección de conductor económico. Ejes: Y, costo total en Millones de $COP; X, calibre en AWG o kcmils .................................................................... 46 Figura 24. Gráficas que reflejan el proceso de selección de conductor económico. Ejes: Y, costo total en Millones de $COP; X, calibre en AWG o kcmils .................................................................... 47 Figura 25. Gráficas que reflejan el proceso de selección de conductor económico. Ejes: Y, costo total en Millones de $COP; X, calibre en AWG o kcmils .................................................................... 48 Figura 26. Gráficas que reflejan el proceso de selección de conductor económico. Ejes: Y, costo total en Millones de $COP; X, calibre en AWG o kcmils .................................................................... 49 Figura 27. Gráficas que reflejan el proceso de selección de conductor económico. Ejes: Y, costo total en Millones de $COP; X, calibre en AWG o kcmils .................................................................... 50 Figura 28. Resultados del dimensionamento de transformadores. Ejes: Y, costo total en Millones de $COP; X, potencia nominal del trago en kVA ............................................................................... 51 Figura 29. Interfaz del programa PVSYST .......................................................................................... 52 Figura 30. Gráfico de producción normalizada (por kWp) a lo largo del año ................................... 53 Figura 31. Diagrama de pérdidas durante todo el año en la planta solar ......................................... 53 Figura 32. Modelo completo de la microturbina en PSCAD .............................................................. 54

ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Descripción de variables y constantes que aparecen en el cálculo del conductor económico ........................................................................................................................................... 9 Tabla 2. Ventajas y desventajas de la generación distribuida y las energias renovables ................. 10 Tabla 3. Tabla de pérdidas totales en una planta solar (datos redondeados obtenidos de (4)) ...... 11 Tabla 4. Tabla de sensibilidad de los equipos ................................................................................... 14

Tabla 5. Límites a la inyección de corrientes armónicas según IEEE 519-1992 ................................ 15 Tabla 6. Características generales del edificio comercial .................................................................. 20 Tabla 7. Asignación de espacios del edificio comercial ..................................................................... 20 Tabla 8. Demanda total de iluminación ............................................................................................ 22 Tabla 9. Carga demandada por tomacorrientes ............................................................................... 22 Tabla 10. Información de un ascensor marca sigma ......................................................................... 22 Tabla 11. Corriente total consumida por los ascensores .................................................................. 22 Tabla 12. Cálculo del consumo total de agua del edificio comercial ................................................ 23 Tabla 13. Cálculo de la potencia del motor para el bombeo de agua ............................................... 23 Tabla 14. Datos sobre la ventilación del edificio ............................................................................... 24 Tabla 15. Cálculo de la demanda en ventilación a partir de los datos de los ventiladores .............. 24 Tabla 16. Cálculo de la potencia consumida por los sistemas de información en kva ..................... 24 Tabla 17. Cálculo de demanda en kva de los sistemas de seguridad y emergencia ......................... 24 Tabla 18. Componentes de los diagramas unifilares ........................................................................ 26 Tabla 19. Parámetros para el cálculo del conductor económico ...................................................... 26 Tabla 20. Características de los transformadores seleccionados ..................................................... 27 Tabla 21. Información geográfica ...................................................................................................... 27 Tabla 22. Características del sitio de instalación............................................................................... 27 Tabla 23. Datos técnicos de un panel de marca CNPV. Información disponible en (36) .................. 28 Tabla 24. Resultados de los cálculos realizados ................................................................................ 28 Tabla 25. Características del combustible ......................................................................................... 30 Tabla 26. Características ambientales ............................................................................................... 30 Tabla 27. Características eléctricas ................................................................................................... 30 TABLA 28. CUADRO DE CARGAS TOTAL ............................................................................................ 43 TABLA 29. Clasificación y caracterización de conductores del diagrama unifilar ............................. 45

ÍNDICE DE ANEXOS

ANEXO I. CUADRO DE CARGAS .......................................................................................................... 43 ANEXO II. DIAGRAMA UNIFILAR 1 ..................................................................................................... 44 ANEXO III. RESUMEN DE CONDUCTORES DEL DIAGRAMA UNIFILAR ............................................... 45 ANEXO IV. RESULTADOS DEL DIMENSIONAMIENTO DE CONDUCTORES ......................................... 46 ANEXO V. RESULTADOS DEL DIMENSIONAMIENTO DE TRANSFORMADORES ................................. 51 ANEXO VI. INTERFAZ DEL SOFTWARE PVSYST5 ................................................................................. 52 ANEXO VII. RESUMEN DE RESULTADOS DE PVSYST5 ........................................................................ 53 ANEXO VIII. MODELO DE UNA MICROCTUBINA EN PSCAD ............................................................... 54 ANEXO IX. ESQUEMA DEL SISTEMA DE GENERACIÓN CON MICROTURBINA EN PSCAD .................. 55 ANEXO X. ESQUEMA DE SISTEMA DE GENERACIÓN CON PLANTA SOLAR EN PSCAD ....................... 56 ANEXO XI. ESQUEMA DEL DIAGRAMA UNIFILAR DE LAS CARGAS EN PSCAD ................................... 57 ANEXO XII. POTENCIA ACTIVA Y REACTIVA ....................................................................................... 58 ANEXO XIII. CARACTERÍSTICA DEL VOLTAJE ...................................................................................... 59 ANEXO XIV. VOLTAJE INSTANTÁNEO ................................................................................................ 60 ANEXO XV. CORRIENTE INSTANTÁNEA ............................................................................................. 61 ANEXO XVI. THD TOTAL DE VOLTAJE Y CORRIENTE .......................................................................... 62

RESUMEN EJECUTIVO

Identificación del proyecto

Título: “Uso de fuentes de energía renovable y generación distribuida para mejorar la eficiencia energética en edificios no residenciales en Bogotá”

Autor: William Ricardo León García

Asesor: Gustavo Andrés Ramos López PhD, Profesor Asistente, Universidad de los Andes

Objetivo general

La energía eléctrica es un recurso secundario proveniente de la transformación de un recurso primario extraído del ambiente. Con el objetivo de suplir la amplia demanda de electricidad surgió la generación a gran escala que explota recursos tales como agua, carbón o gas natural. Durante años la sociedad ha explotado dichos recursos desmesuradamente y es por esto que hoy en día se están agotando y el medio ambiente se está dañando. Una forma de actuar frente a estos problemas es generar una cultura de ahorro. Sin embargo, el ahorro no es un concepto bien recibido principalmente en sectores como comercial e industrial, pues el consumo de electricidad es proporcional al nivel de producción y éste a su vez a una ganancia económica. Es entonces cuando surge el concepto de eficiencia energética, el cual consiste en mantener un nivel de producción constante para un consumo de energía menor, generando beneficios económicos y ambientales. Adicionalmente, pueden implementarse medios de generación de electricidad propios que empleen recursos renovables con el fin de amortiguar el consumo de electricidad de la red. Esto reduce pérdidas eléctricas en los sistemas de distribución y transmisión beneficiando el medio ambiente y reduciendo costos en consumo de electricidad. En la actualidad el diseño de sistemas eléctricos tiene en cuenta una mayor cantidad de variables de diseño debido al alto costo de la energía en términos económicos y ambientales. En ese orden de ideas el objetivo general del proyecto de grado presentado en este documento es el siguiente:

Diseño de un sistema eléctrico con fuentes de generación distribuida y energía renovable para un edificio no residencial considerando aspectos de calidad de la potencia.

A partir de la caracterización de un edificio comercial se busca diseñar un sistema eléctrico mediante prácticas de dimensionamiento económico que garanticen bajas pérdidas y mejor eficiencia. También se considera que la instalación de fuentes de energía en edificaciones no residenciales en Bogotá puede llegar a ser una tendencia que represente ahorros de electricidad en el futuro y pueda contribuir a mitigar el crecimiento de la demanda. Por tanto, se estudia el impacto que pueden tener las fuentes de generación distribuida sobre la red eléctrica en cuanto a calidad de la potencia. Se busca alcanzar el objetivo principal mediante el cumplimiento de unos objetivos específicos que se explican a continuación.

Objetivos específicos

1. Diseño de la arquitectura y la topología (diagrama unifilar) seleccionando componentes eléctricos como cargas típicas, cargas sensibles e interfaces de conexión de las fuentes de energía renovable.

A partir de una caracterización de las cargas presentes en un edificio comercial, se diseña un diagrama unifilar que pueda suplirlas. Se dimensionarán conductores eléctricos, transformadores y fuentes de generación.

2. Desarrollo de un modelo computacional de acuerdo a la topología diseñada.

Se realizan los modelos computacionales de las fuentes de generación y sus interfaces de electrónica de potencia. De acuerdo con el diseño previo, se establece la carga a suplir y la forma en que se suple y se toman mediciones de potencia, voltaje, corriente y distorsión armónica en el punto de interconexión de las fuentes con las cargas para su posterior análisis.

3. Análisis de resultados de la simulación del diseño realizado teniendo en cuenta aspectos de la calidad de la potencia.

Se simulan una serie de casos para observar las señales de potencia, voltaje, corriente y distorsión armónica con el fin de determinar si se cumple o no con los límites en cuanto a calidad de la potencia según las normas técnicas

Desarrollo

El documento se divide en cuatro secciones principales. En “diseño de la topología del sistema eléctrico para un edificio de uso comercial” se muestran las etapas de diseño conceptual, básico y detallado que incluye la caracterización de cargas eléctricas del edificio comercial, el diseño de un diagrama unifilar, la selección de las fuentes de generación distribuida y el dimensionamiento de conductores, transformadores y fuentes. En el “modelo computacional del sistema eléctrico, resultados y análisis: aspectos sobre la calidad de la potencia” se describen los modelos computacionales empleados para simular el comportamiento de las fuentes de generación y el sistema completo de simulación, se muestran los resultados de las simulaciones para unos casos definidos y se realizan análisis. En “conclusiones y trabajo futuro” se describe el nivel de cumplimiento de los resultados y se proponen estudios que pueden derivarse del presente proyecto o que quedan pendientes para poder llegar a un estudio de mayor detalle que requiera mayor trabajo por más tiempo.

La información aquí presentada está documentada y referenciada y en su mayor parte obtenida de recursos informáticos. Se hizo uso de Microsoft Office Excel para el desarrollo de los cálculos de cargas y procesos de dimensionamiento y de PSCAD V4.2 para las simulaciones del sistema y el estudio de la calidad de la potencia. Para el dimensionamiento de la planta solar, se hizo uso de un software llamado PVSYST que asiste de manera adecuada al usuario y presenta información muy útil y detallada sobre plantas solares. También se revisaron normas técnicas las cuales sirvieron de referencia en los procedimientos de diseño y de análisis para obtener los valores límite en cuanto a calidad de la potencia.

Resultados

El resultado principal de este proyecto es tener el diagrama unifilar del sistema eléctrico de un edificio comercial cuyos elementos eléctricos como conductores y transformadores garantizan eficiencia energética en el sentido en que son los que generan menores pérdidas económicas para un periodo de 25 años de vida útil. La inclusión de fuentes de generación distribuida representan una disminución de alrededor de 200kW de la demanda vista por la red de distribución lo cual se traduciría en un ahorro en el costo de facturación que genera unos ahorros anuales al edificio comercial y habría que entrar en el detalle de estudiar si estos ingresos anuales pueden pagar la inversión en la instalación de la planta solar y la microturbina. En cuanto a la calidad de la potencia los resultados son buenos cuando ambas fuentes trabajan en interconexión con la red de distribución pues no se presentan fluctuaciones en las ondeas de tensión y corriente y el índice de distorsión de la corriente es mínimo. En síntesis puede decirse que los objetivos específicos se han cumplido, aunque en cuanto al diseño del sistema eléctrico se puede ahondar en cuanto a aspectos no tocados en este proyecto como el sistema de puesta a tierra, apantallamiento, estudios presupuestales y financieros más detallados con el fin de generar un proyecto aplicable y que pueda ser implementado más adelante, primero mediante un prototipo experimental a escala y después en un proyecto de construcción real.

MARCO TEÓRICO

Dimensionamiento económico y ambiental de conductores eléctricos

Un ingeniero electricista busca suplir las cargas de manera confiable, segura y eficiente a través de un conductor eléctrico. La selección del tipo de conductor y su dimensionamiento puede basarse en aspectos técnicos (pérdidas eléctricas, caída de voltaje), ambientales (emisiones de gases nocivos a la atmósfera) o económicos (costos y tasa de recuperación de la inversión). Una mala selección del conductor puede impactar en la eficiencia debido a pérdidas por sobrecalentamiento en cables, cortos circuitos o fallas en la puesta a tierra. Para el caso de estudio, este dimensionamiento se basa en la norma IEC 60287-3-2 (ver (1) y (2)) que garantiza la reducción del impacto ambiental y menores pérdidas eléctricas a lo largo de la vida útil del conductor. Tradicionalmente, la selección del tamaño de un conductor buscaba minimizar el costo de inversión cumpliendo requerimientos técnicos. Sin embargo, la selección de conductores de mayor calibre y mayor costo de inversión puede representar una oportunidad de ahorro del orden del 50% en un periodo de 25 años. La ecuación de costo de donde surge el conductor económico es la siguiente

( ⁄ )

(

⁄ )

( ⁄ )

⁄

El método consiste en comparar los costos totales para diferentes calibres del conductor

seleccionándose aquel cuyo costo total sea mínimo. Los parámetros y variables de las ecuaciones se encuentran en la Tabla 1.

Tabla 1. Descripción de variables y constantes que aparecen en el cálculo del conductor económico

Variable/cte Descripción Unidades

Costo total $

Costo de inversión $

Carga máxima conducida por el conductor

Resistencia del conductor por unidad de longitud

Longitud del conductor Número de conductores por fase por circuito

Número de circuitos que llevan el mismo tipo y valor de carga

Tiempo equivalente de pérdidas ⁄

Es el costo de un Wh de energía al nivel de tensión pertinente ⁄

Costo anual de la energía ⁄

Tasa de descuento sin inflación para cálculo del VPN

Vida económica del conductor

Incremento anual de la carga ( ) %

Incremento anual del costo de la energía sin inflación %

Q, r Coeficientes

Eficiencia energética

El concepto de eficiencia energética surge dentro de un marco industrial en donde se busca obtener las mismas unidades de producción en un periodo de tiempo definido con un mínimo consumo de energía. Un indicador de la eficiencia energética es la intensidad energética:

La intensidad energética es una relación entre productividad y consumo energético. Puede ser difícil cuantificar un nivel de producción para un edificio de uso comercial o encontrar una variable proporcional al producto del trabajo de los empleados de un edificio; es más complejo aún relacionar esto al consumo de energía del edificio. Sin embargo, se pueden analizar los siguientes escenarios según la relación de intensidad energética para poder dar un mejor entendimiento de lo que sería la eficiencia energética en un edificio comercial.

Escenario de máxima eficiencia energética:

Suponga que para un nivel de producción dada se consume una cantidad nula de energía. En este caso la intensidad energética tiende a infinito. En un edificio comercial, esto equivale a decir que los trabajadores del edificio son productivos sin gastar ningún tipo de recurso energético. Los costos de la energía son cero, al igual que el nivel de emisiones de contaminantes al ambiente. No obstante, este es un escenario irreal pues se necesitan aparatos electrónicos, iluminación, bombas de agua y acondicionamiento del aire para generar un ambiente productivo de trabajo en un complejo de oficinas. En síntesis, no existe un edificio que no consuma energía para poder cumplir sus funciones.

Escenario de mínima eficiencia energética:

El escenario opuesto es aquel en donde las unidades de producción son cero para cierto nivel de consumo de energía, siendo cero la intensidad energética. Esto significa que un edificio, que tiene un nivel de consumo determinado pues cuenta con diversos recursos energéticos, se encuentra vacío. Como nadie realiza ninguna actividad productiva solo hay pérdidas económicas y afectación del medio ambiente.

En ese orden de ideas, la eficiencia energética en un edificio comercial consiste en acercarse lo más que se pueda al primer escenario o alejarse del segundo. En este proyecto la eficiencia se centra en el ámbito eléctrico, por lo que la eficiencia energética para el presente caso de estudio radica en suplir electricidad al edificio garantizando el menor gasto económico en un período de 25 años. Esto pretende lograrse de varias maneras:

Mediante prácticas de diseño eficientes de sistemas eléctricos que garanticen mínimas pérdidas eléctricas en conductores y transformadores.

Inclusión de sistemas de generación distribuida eficientes, garantizando el beneficio económico mediante ahorros en consumo de electricidad de la red de distribución y a la inclusión de bajos niveles de distorsión armónica en las señales de tensión y corriente.

Generación distribuida y energías renovables

La generación distribuida consiste en la generación de electricidad cerca del punto de utilización de la misma. Generalmente es diseñada y operada por particulares ya sea en el sector residencial, comercial o industrial. Las energías renovables son aquellas que generan electricidad a partir de un recurso energético ilimitado presente en el ambiente como el sol o el viento. Las energías renovables pueden también hacer parte de un sistema de generación distribuida. Las microturbinas y las celdas solares fotovoltaicas (dos sistemas de generación propuestos para el presente proyecto) son tecnologías utilizadas comúnmente en la infraestructura de tipo comercial cuya capacidad de generación se encuentra en los rangos de 50-1000kW y 0,1-100kW respectivamente. La generación distribuida y las energías renovables tienen ventajas y desventajas de diversos tipos como puede evidenciarse en la siguiente tabla.

Tabla 2. Ventajas y desventajas de la generación distribuida y las energias renovables

Ventajas Desventajas

Generación distribuida

Reducción de demanda pico y pérdidas Altos costos de inversión en conexión

Posibilidad de aprovechar el calor producido en la generación de electricidad

Problemas de coordinación de protecciones

Mejora de la seguridad de la red y disminución se sobrecarga

Retos en medición

Energías renovables

Cero contribución a la emisión de gases contaminantes al ambiente

Depende de la disponibilidad del recurso en la zona

Insensibilidad a los precios de los combustibles

Capacidad de generación es impredecible pues depende de factores ambientales

Menores costos de operación Altos costos de inversión inicial

Planta solar fotovoltaica

Convierte la energía solar en electricidad. Para edificios ubicados en cascos urbanos, un sistema de generación solar fotovoltaico entrega la electricidad producida a la red sin necesidad de almacenamiento reduciendo costos de inversión. Los componentes fundamentales de este sistema se observan en la siguiente figura. El proceso de conversión de la energía inicia con un arreglo de módulos solares fotovoltaicos generando un nivel de tensión en DC. Los módulos son conectados en serie o en paralelo según sea necesario para coincidir con los requerimientos de entrada del inversor y de potencia. Fusibles, interruptores o varistores se emplean como mecanismos de protección antes del inversor.

Figura 1. Componentes típicos de un sistema de generación de energía solar conectado a la red (imagen de (3))

El inversor se convierte de corriente directa a corriente alterna para la conexión de las cargas y la interconexión con la red. El inversor debe ser lo suficientemente eficiente y sofisticado para evitar pérdidas y afectar lo menos posible la calidad de la potencia del sistema eléctrico. Hoy en día muchos fabricantes de inversores incluyen un sistema de rastreo del punto de potencia pico (MPPT) del arreglo de paneles con el fin de optimizar su potencia de salida. Se puede utilizar uno o varios inversores dependiendo de la potencia del sistema o del diseño eléctrico. En un sistema interconectado con la red, la planta solar se desconecta de las cargas al tiempo con la red.

Dimensionamiento

La potencia anual generada por una planta solar depende de las características de los módulos empleados, de la inclinación de los mismos y del promedio anual de radiación solar en el sitio de instalación. Un factor de rendimiento disminuye la potencia eficaz del sistema y tiene en cuenta la temperatura de operación de los paneles solares, los índices de contaminación y reflectancia y aspectos técnicos como la eficiencia de los paneles, inversores y conductores. Todos estos factores van a ayudar a determinar el número de paneles y la capacidad de inversores y conductores. La ecuación siguiente (ver (4)) calcula la potencia anual que produce la planta solar.

PR es el factor de rendimiento mencionado anteriormente. También se tiene en cuenta el factor de inclinación que depende del ángulo de inclinación de los paneles y de la latitud geográfica.

Tabla 3. Tabla de pérdidas totales en una planta solar (datos redondeados obtenidos de (4))

Temperatura Inversor Conductor Tolerancia del

Panel Contaminación, polvo y

reflectancia Sombras

Otras pérdidas

9% 4%-6% <2% <3% <5% <4% <2%

100% 91% 86% 85% 83,5% 81% 77% 75%

Microturbinas a gas natural

Es una turbina de combustión de tamaño reducido cuyo rango de generación de potencia está entre 30kW-1MW. Entre las ventajas que ofrece esta tecnología está la flexibilidad de conexión con la red, pocas emisiones, bajos niveles de ruido, vibración y peso. Funciona para un amplio rango de combustibles líquidos y gaseosos entre ellos el gas natural. Sus ventajas se deben principalmente a dos factores:

La eficiencia de la turbina interna la cual tiene la capacidad de aprovechar al máximo el combustible gracias a un ciclo recuperador de calor.

Una interfaz de electrónica de potencia que emplea un sistema de conversión AC/DC/AC con un sistema de control y medición. Incluye un filtro LC para garantizar la calidad de la señal de salida y poder tener un funcionamiento tanto aislado como conectado con la red.

Los principales componentes de una microturbina que deben llegar a modelarse son (ver Figura 2): turbina (1), interfaz de electrónica de potencia con sistema de control y medición (2, 3 y 4), filtrado (5 y 6) e interruptor (7).

Figura 2. Diagrama de bloques específico (izq. Ref. (5)) y general (der. Ref. (6)) de una microturbina

Una de las marcas especializadas en el diseño de microturbinas es Capstone® Turbine Corporation (ver (7)). El nivel de voltaje de salida de una microturbina está entre 400-480 VAC @ 50/60 Hz y su conexión es trifásica mediante 3 cables de fase y 1 neutro (hoja de datos disponible en (8)). En esta marca se ofrecen rangos de potencia generada entre 15kW-1MW.

Calidad de la potencia

La energía eléctrica debe suministrarse garantizando que ésta se encuentre dentro de los límites de variación permitidos para satisfacer al usuario. Los problemas relacionados con la calidad de la potencia que se estudiarán en este proyecto son: bajadas o huecos de tensión (sags) en los que el nivel de tensión desciende por debajo de su valor nominal; la subida de tensión que es el caso contrario; los parpadeos que consisten en una fluctuación periódica del nivel de tensión perceptible en los sistemas de iluminación; los desequilibrios en sistemas trifásicos; por último, la distorsión armónica, que puede producirse por la presencia de cargas no lineales en la red. Uno de los objetivos de este proyecto es garantizar la calidad de la potencia desde la etapa de diseño de un sistema eléctrico. La información disponible en (9), (10) y (11) ha servido como base teórica.

Perturbaciones y fluctuaciones de tensión

Son problemas relacionados directamente con los valores de magnitud y fase de la señal de voltaje. Las fluctuaciones de tensión se caracterizan por la amplitud de la variación de tensión, el número de cambios de tensión en una ventana de tiempo y los efectos que se producen a partir de la variación originada por la perturbación. Los principales fenómenos se listan a continuación.

Subida de tensión (voltage rise)

Según la información en (11), la potencia activa producida por las unidades de generación distribuida incrementan la tensión de estado estable, y la potencia reactiva que produce o consumen estas unidades pueden también incrementar o disminuir el voltaje dependiendo de la tecnología. El valor del incremento de voltaje en el punto de conexión de la generación distribuida a un alimentador radial es aproximadamente,

( ) ( )

Donde y son la potencia activa y reactiva del generador; y son la potencia

activa y reactiva de la carga; U es el voltaje de línea en el punto de conexión del generador distribuido; y es la impedancia entre la subestación principal y el punto de

conexión del generador distribuido.

Bajada de tensión (voltaje dips)

Según documentación en (12), es una reducción o pérdida total de la tensión eficaz (RMS) de alimentación de un sistema eléctrico durante un breve periodo de tiempo. Se representa por el porcentaje de la tensión RMS y por su duración. Como consecuencia las cargas no reciben la energía necesaria para su funcionamiento. Se dan principalmente por la puesta en marcha de grandes cargas en un circuito (arranque de motores), debido a fallas en la red o por maniobras de conexión y desconexión de fuentes de generación distribuida.

Sensibilidad en equipos:

Las bajadas de tensión son un problema de calidad de la potencia que afecta el funcionamiento de cierto tipo de cargas. La imagen presenta la curva típica para una bajada de tensión, la curva ITIC que representa la tolerancia de los equipos informáticos frente a este problema y la curva de tolerancia requerida de los equipos. En la tabla se presentan algunos dispositivos y problemas que pueden presentarse.

Figura 3. Curva de bajada de tensión y tolerancia de equipos (disponible en (12))

Tabla 4. Tabla de sensibilidad de los equipos

Equipo Descripción

Fuentes de alimentación en equipos electrónicos

Poseen un condensador interno que por lo general no está dimensionado para soportar bajadas de 75% de la tensión RMS por más de 20ms.

Control de velocidad en motores

Pueden sufrir grandes daños por lo cual poseen sistemas de protección a tensiones entre el 15-30% de la tensión nominal.

Interruptores y Relés Muy sensibles y pueden desactivarse incluso en un valor de tensión superior al mínimo requerido.

Lámparas de descarga de sodio

Cuando el nivel de tensión no es el adecuado se apagan y tardan mucho tiempo en encenderse debido a que la tensión de formación del arco es mayor cuando están calientes. La tensión de apagado puede variar entre el 2% y el 45% por debajo de la tensión nominal.

Parpadeo (voltage flicker)

Según (13) es la impresión de inestabilidad de la sensación visual por un estímulo luminoso cuya distribución espectral fluctúa con el tiempo. Se asocia a una variación cíclica en las lámparas debido a una fluctuación de la tensión de alimentación que puede ser causada por perturbaciones en la generación, transmisión o distribución, o también por la presencia de cargas que demandan potencia activa y reactiva que fluctúa rápidamente.

Figura 4. Ejemplo de un parpadeo de tensión o flicker

En oficinas las cargas que pueden originar fluctuaciones de tensión son los motores de bombas y ascensores. Si el edificio cuenta con generación distribuida, estos generadores pueden también producir parpadeo. En sistemas fotovoltaicos, por ejemplo, el nivel de tensión de salida puede fluctuar debido a sombras en la superficie de los paneles producidas por nubes en movimiento. Cuando el parpadeo es detectado por el ojo humano tiene efectos fisiológicos causando fatiga y produciendo molestias que pueden llegar a deteriorar la calidad del trabajo o incluso causar accidentes laborales.

Desequilibrio (voltage unbalance)

Según la definición dada en (14), un sistema de energía trifásico está desequilibrado cuando las tensiones y corrientes trifásicas no tienen la misma amplitud o presentan un desplazamiento de fase distinto a 120° entre ellas. Un índice del desequilibrio se obtiene de la relación entre las magnitudes de las componentes de secuencia negativa y positiva de tensión ( ) y corriente ( ) respectivamente o a partir de la potencia aparente de la carga ( ) y la potencia de cortocircuito ( ) del circuito de alimentación. El índice de desequilibrio debe ser menor al 2% para sistemas de baja y media tensión según las normas IEC 1000-3-x (según (14).

Una de las causas de los desequilibrios de voltaje en los sistemas de distribución es la inclusión de sistemas de generación distribuida que se conectan a la red mediante conversores monofásicos. La conexión de grandes cargas a nivel monofásico o bifásico produce también desbalances de los sistemas trifásicos. En un edificio de oficinas por ejemplo, las diferentes cargas son conectadas a una red monofásica. Así la misma cantidad de carga se distribuya para cada fase, la variación de los ciclos de trabajo genera desbalances a través del tiempo. Otra de las causas son las fallas de fase a tierra. Los desbalances pueden producir calentamiento excesivo en máquinas de inducción y máquinas sincrónicas. La capacidad de carga de transformadores, cables y líneas disminuye. Los convertidores electrónicos de potencia que utilizan los adaptadores para PC, los variadores de velocidad en ascensores o sistemas de iluminación eficiente, van a enfrentar la aparición de nuevas componentes armónicas debido a los desbalances.

Distorsión armónica

Para esta sección fue de gran utilidad la información disponible en (15). Los armónicos son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental de alimentación. En instalaciones eléctricas los armónicos más preocupantes son aquellos relacionados a la forma de onda de las corrientes del sistema. Éstas pueden afectar equipos eléctricos y generar malos funcionamientos y pérdidas. La medida de la distorsión armónica total es el indicador de referencia para tomar acciones correctivas respecto a los armónicos. Los equipos que generan armónicos que están presentes en este proyecto pueden ser los motores de los ascensores y las fuentes de alimentación de funcionamiento conmutado presentes en los sistemas de generación distribuida.

√∑

Figura 5. Espectro armónico típico de un puente de seis pulsos (der.), imágenes sacadas de (15)

Según (11), las unidades de generación distribuida que utilizan conversores de electrónica de potencia pueden inyectar corrientes armónicas en la red y su magnitud depende de la tecnología del conversor y la configuración de la interconexión. Los generadores de tipo rotativo también son fuentes de armónicos que dependen del diseño del embobinado y la puesta a tierra. En la norma IEEE 519-1992 se imponen límites para la distorsión armónica total y por órdenes armónicos como se muestra en la siguiente tabla.

Tabla 5. Límites a la inyección de corrientes armónicas según IEEE 519-1992

Orden %

<11ro 4,0

<11ro al <17mo 2,0

<17mo al <23ro 1,5

<23ro al <35to 0,6

<35to y superior 0,3

THD 5,0

Puesta a tierra

La información aquí expuesta ha sido obtenida de (16) y (17). Un sistema de puesta a tierra debe garantizar la protección y seguridad del personal y los equipos eléctricos de un edificio contra rayos y cortocircuitos. El sistema consiste en una vía con elevada capacidad de transporte de corriente con una relativa baja impedancia a la frecuencia fundamental de tal forma que las tensiones que se produzcan en el momento de disipar corrientes de defecto elevadas no sean peligrosas. En (16) y (11) se recomienda que la configuración de un sistema de puesta a tierra de una instalación de un edificio comercial sea TN-S, que se compone de un conductor neutro y un conductor de protección. Éste último debe proporcionar una ruta para las corrientes de fuga y las corrientes parásitas de alta frecuencia (ruido) y ser una referencia de tensión para señales informáticas. Las corrientes de fuga representan un riesgo para las personas puesto que de no tener una ruta adecuada a tierra pueden alcanzar niveles letales.

Malla de tierra

La malla de tierra se emplea para proteger la red contra descargas eléctricas y corrientes de falla que se puedan presentar. Se compone de una serie de conductores (de cobre preferiblemente) horizontales y verticales interconectados. Cada piso del edificio debe tener este sistema. Este sistema se une con un anillo y unos electrodos enterrados en la tierra que a su vez se une con los conductores de bajada del pararrayos. La siguiente figura aclara dicho sistema.

Figura 6. Malla de puesta a tierra (izq.) y conductores de bajada del pararrayos (der.)

La malla de puesta a tierra se diseña de acuerdo a parámetros que dictan las normas de instalación de sistemas eléctricos que establecen límites a los voltajes de paso y de toque y a la resistencia y tensión de tierra. El diseño realizado debe garantizar que la magnitud de las tensiones de paso y de contacto sea mínima mediante un electrodo de tierra que asegure una baja impedancia y controle la forma del campo eléctrico. El cobre es el conductor recomendado para este tipo de sistemas. El costo de este tipo de sistema es razonable si se tiene en cuenta desde la etapa de diseño del edificio y no después.

Un sistema enmallado suaviza la curva de distribución del potencial sobre la superficie del terreno disminuyendo las magnitudes de los voltajes de toque y de paso. La ecuación mediante la cual se calcula la resistencia de puesta a tierra para un sistema enmallado es la siguiente:

∑

Malla cuadrada

√

Malla rectangular

Donde es la resistividad del terreno, ∑ es la suma de la longitud de los lados de todas las

mallas y se calcula dependiendo de si la malla tiene una forma aproximadamente cuadrada o si tiene una forma rectangular.

Electrodo de tierra

Para edificios comerciales nuevos se emplea mucho la utilización de la parte enterrada de la cimentación como electrodo de puesta a tierra. En la cimentación se insertan pletinas o barras de acero para disminuir la resistividad del suelo. El cálculo de la resistencia de puesta a tierra en este caso se realiza mediante la siguiente ecuación.

√

Dispositivos de electrónica de potencia

Este punto se refiere a aquellos dispositivos de conversión de potencia basados en electrónica de potencia que se emplean para interconectar fuentes a la red y que hacen parte de plantas solares y microturbinas. Debido a que este tipo de generadores producen una potencia que no coincide con las características de la red, se suelen encontrar convertidores DC /AC (inversores) como dispositivos de interconexión. El Anexo C del estándar de interconexión de fuentes de generación distribuida con los sistemas eléctricos de potencia de la IEEE (ver (18)) se refiere a las tecnologías de conversión de potencia. Según dicha norma se identifican dos tipos de voltajes de salida de generación distribuida que no están en sincronía con la red y el dispositivo de conversión empleado para su interconexión:

o Voltajes DC producidos por generadores DC como celdas de combustible y plantas solares: Convertidores de potencia DC/AC

o Voltajes AC producidos por generadores síncronos funcionando a velocidades no síncronas, o por generadores asíncronos: Convertidores de potencia AC/DC/AC

Dispositivos de conversión de DC/AC

Se realiza mediante un puente H o de inversión de potencia formado por dispositivos de conmutación como transistores generalmente del tipo IGBT. La siguiente figura explica mejor.

Figura 7. Puente inversor con filtro para interconexión con la red

Estos dispositivos emplean sistemas de control que miden la corriente y el voltaje de salida del inversor para generar las señales de disparo de los IGBT del puente que garanticen un nivel de tensión y frecuencia constantes y a niveles nominales a la salida.

Dispositivos de conversión AC/DC

En este proyecto se emplea este tipo de dispositivo para convertir la señal de tensión AC de salida de la microturbina a una señal en DC y así poder sincronizar este generador con la red mediante un dispositivo de conversión DC/AC teniendo en cuenta que la frecuencia de generación de la microturbina en sus bornes es del orden de kHz y el voltaje mayor a 500V. Este es un rectificador trifásico cuya salida se puede controlar mediante tiristores. Con esto se busca que exista un nivel de voltaje regulado a la salida. Mediante este circuito es posible regular el valor medio de voltaje de salida variando el desfase entre el paso por cero de la tensión de entrada y el disparo de los tiristores. Este desfase es un ángulo denominado α (como en la figura anterior parte izquierda). Por lo tanto el sistema de control debe modificar el ángulo de disparo α para mantener el voltaje medio de salida constante. Este circuito puede introducir armónicos del orden de donde n es el orden del armónico, p es el número de pulsos del rectificador y k es un numero entero positivo.

DISEÑO DE LA TOPOLOGÍA DEL SISTEMA ELÉCTRICO PARA UN EDIFICIO DE USO COMERCIAL: ETAPAS (AVANCES)

Diseño conceptual

El objetivo principal es diseñar un sistema eléctrico para un edificio comercial de oficinas en Bogotá que contenga generación distribuida utilizando fuentes de energía renovables. La intención es mejorar la eficiencia energética del edificio, haciendo un enfoque en el área de la ingeniería eléctrica, buscando oportunidades de reducción de emisiones de CO2 y costos de facturación. Dichas oportunidades se encuentran en diferentes aspectos del diseño del sistema eléctrico de un edificio como en el dimensionamiento de los conductores eléctricos, la inclusión de fuentes de generación locales, auditorías energéticas, planes de gestión energética, eficiencia de las cargas eléctricas, entre otros. En este documento se tocarán dos de estas oportunidades de eficiencia que son la generación local y el dimensionamiento económico y ambiental de conductores eléctricos. En el diseño de un sistema eléctrico se tendrán en cuenta normatividad vigente y proyectos similares que puedan servir como guía. Las siguientes son las etapas a realizar para lograr tener un modelo válido y detallado del sistema:

Diseño de la topología del sistema eléctrico y esquemas unifilar incluyendo las posibles formas de conexión de las fuentes de generación.

Estimación de la demanda eléctrica de un edificio teniendo en cuenta que es de uso comercial.

Dimensionamiento de todos los componentes del sistema eléctrico potencialmente útiles para la simulación del mismo a través de un modelo computacional, estos son:

o Cálculo del tamaño de conductores de los circuitos alimentadores y ramales. o Capacidad de corriente de los dispositivos de protección. o Cantidad y potencia de los transformadores conectados a la red de distribución. o Dimensionamiento de los generadores.

Diseño de un sistema de puesta a tierra del sistema eléctrico y dimensionamiento del cable neutro.

Diseño básico

En esta parte se analizarán diferentes modelos para la topología del sistema eléctrico del edificio. En primer lugar se definen dos tipos de fuentes de generación para el edificio. Se diseñará una planta solar fotovoltaica cuya potencia de generación será determinada por el área disponible para la misma en la terraza del edificio. También se incluirá una microturbina cuyo combustible para su funcionamiento será el gas natural, el cual presenta menores índices de contaminación y emisiones que los demás combustibles líquidos y gaseosos. Para la conexión de éstas fuetes al sistema eléctrico se plantean tres opciones iniciales que serán evaluadas según su aporte a la eficiencia del edificio, según sus características técnicas y su impacto sobre la calidad de la potencia. Las tres opciones se muestran en la figura siguiente.

Opción I Opciones II y III

PV Microturbina

Interruptores de transferencia y/o paralelismo

AC

DC AC

AC

Red

EDIFICIO

kWh

AC

DCII: Un solo inversorIII: Inversor por grupo de cargas

PV Microturbina

Interconexión en DC

DC

DC AC

DC

EDIFICIO

kWh

Red

Figura 8. Opciones de conexión de los sistemas de generación.

Opción I: Como puede verse en la figura anterior, la opción I consiste en interconectar mediante interruptores y barrajes comunes las fuentes de generación para entregar de manera constante energía a la red. El medidor de energía de la compañía distribuidora se encuentra antes de la interconexión con las fuentes de generación por lo cual la medición que vería ya tendría en cuenta la generación local sacándola del cálculo de la facturación.

Opciones II y III: Estas dos opciones tienen en común que las fuentes son interconectadas mediante un bus en DC para luego utilizar un inversor como interfaz entre éstas y las cargas en corriente alterna. Nuevamente la medición de la energía entregada por la red de distribución se realiza antes de la interconexión para que la facturación incluya la disminución en consumo por generación local. La bifurcación de este sistema que genera dos opciones diferentes se da cuando se evalúan las siguientes opciones:

Un único inversor para toda la red (opción II). Un inversor por cada piso o por cada grupo de cargas distinguible en la red (opción III).

Diseño detallado

Estimación de la demanda

Es indispensable conocer la demanda total del edificio para diseñar el sistema eléctrico que se encargará de suplirlo adecuadamente. Para estimar la demanda se necesita saber la cantidad y el tipo de cargas eléctricas presentes en el edificio. Esto depende de características de su uso, el área que ocupa, los servicios que requiere, entre otros. A partir de dicha estimación se podrá establecer el tamaño de los conductores de los circuitos ramales, alimentadores y acometidas. También se podrán escoger el tamaño de los transformadores, la capacidad de generación de los paneles fotovoltaicos y las microturbinas y la demanda total a la red de media tensión. Un buen diseño eléctrico garantiza que la potencia requerida por las cargas será suplida con confiabilidad, seguridad, economía y menor impacto ambiental garantizando así la eficiencia del sistema. En las siguientes secciones se caracteriza el edificio comercial a grandes rasgos y se realizan los cálculos de las diferentes cargas basados en normas nacionales e internacionales.

Descripción del edificio de uso comercial

El edificio modelo para la realización de este proyecto es de tipo comercial. La información que se presenta en la Tabla 6 ha sido asumida con el fin de tener practicidad y poder enfocar el esfuerzo en los análisis de eficiencia energética y calidad de la potencia. A pesar de esto los datos asumidos se mantienen dentro de márgenes razonables y trata de mantenerse dentro de un orden de magnitud apropiado. Además es información necesaria para la estimación de la demanda de electricidad del edificio. Tabla 6. Características generales del edificio comercial

Área útil por piso [ ] 1200

# P ntas Pisos 8 Sótanos 1

Área útil total [ ] 10800

Tabla 7. Asignación de espacios del edificio comercial

Planta Designación del Espacio

Sótano Parqueaderos, sistema hidráulico,

subestación eléctrica Piso 1 Recepción y l cales comerciales Pisos 2-8 Oficinas

Según lo anterior se trata entonces de un edificio de ocho pisos y un sótano. Es importante

designar el uso que se le dará a los espacios puesto que de éste depende la demanda en iluminación y tomacorrientes. Para este caso se asumirá entonces una repartición de espacios como la de la Tabla 7. El primer piso dispone de área suficiente para la recepción del edificio y locales comerciales como bancos, restaurantes y almacenes; el espacio disponible en las demás plantas del edificio (de la 2da a la 8va) está destinado únicamente para oficinas. Además se asume un sótano para la construcción de estacionamientos y cuartos para equipos eléctricos como la acometida de media tensión y los motores que componen el sistema hídrico.

Cálculo de cargas eléctricas

El conocimiento de las cargas de la edificación permitirá establecer los niveles de voltaje apropiados, la topología de distribución y la potencia total del sistema. En la Figura 9 hay un esquema en donde se muestran claramente las cargas que puede haber en un edificio comercial destinado al uso por oficinas.

Iluminación

Cargas rotativas

Tomacorrientes

Sistemas de información

Seguridad y Emergencia

Oficinas

Locales comerciales

Ascensores

Bombas

Ventilación/Aire Acondicionado

Servidores

Enrutadores

Alarmas

Iluminación emergencia

Detectores humo

e.g.

e.g.

e.g.

e.g.

Car

gas

Pérdidas

Figura 9. Esquema de las cargas presentes en el edificio comercial estudiado.

En las secciones que se presentan a continuación, se realizarán los procedimientos necesarios para estimar la potencia consumida en kVA para cada una de las cargas del edificio apreciadas en el esquema anterior. Para cumplir este objetivo se realizaron algunas operaciones básicas obtenidas de normas como la Norma Técnica Colombiana 2050 de 1998, la IEEE 241-1990 y varias otras fuentes a las que se hará referencia durante el procedimiento. Finalmente se sintetizarán los resultados de dichos cálculos en una tabla cuyo contenido se basa en la Tabla 16 (Estimación de Carga Eléctrica) que aparece en (19).

Iluminación

El procedimiento a seguir se basa en la Tabla 220-3. b) Cargas de alumbrado general por tipo de ocupación que aparece en (20), donde se muestra la carga mínima en kVA (a un factor de potencia del 90%) por metro cuadrado de superficie de suelo según la ocupación. Para esto es importante conocer las áreas destinadas a cada ocupación. Se asumió la información que aparece en la Tabla 8, en donde también se calcula la potencia que se requiere para iluminar cada ocupación y se calcula la potencia total en kVA. El área total a iluminar es de 10800 lo que representa una carga eléctrica total de 312,60kVA, que es la potencia mínima requerida por alumbrado. El área total dispuesta para oficinas es de 7000 repartidos en siete pisos de 1000 . El primer piso consta de un lobby de 100 y espacio para ascensores y escaleras. También tiene espacio para 5 restaurantes de 100 cada uno, dos bancos del mismo área y 8 locales comerciales de 50 cada uno. Los espacios referidos como otros se refieren a pasillos, escaleras, armarios y semejantes.

Tomacorriente o receptores de corriente de uso general

Los receptores de corriente de uso general según (20) deben soportar una carga de no menos de 180VA cada uno a un factor de potencia del 100%. Se debe entonces estimar un total de tomacorrientes según los espacios a utilizar en el edificio. Dicha estimación se observa en la Tabla 9. Según (20) en espacios para bancos y oficinas la carga en tomacorrientes no debe ser menor a

10 , en este caso se tomó del doble: 20 . Para los demás espacios se asumió un número razonable de tomacorrientes y se multiplicó por 180VA que es la mínima carga asignada por cada tomacorriente. Con ésta información se obtiene como resultado que en el edificio habrá un total de 1070 tomacorrientes que dan un total de 192,60kVA (con un factor de potencia de 100% según (20)).

Tabla 8. Demanda total de iluminación

Espacio Área [ ] kVA

Lobby 100,00 22,00 2,20 Restaurantes 500,00 22,00 11,00 Bancos 200,00 38,00 7,60 Tiendas 400,00 32,00 12,80 Parqueadero 1200,00 5,00 6,00 Oficinas 7000,00 38,00 266,00 Otros 1400,00 5,00 7,00 Total 10800,00 312,60

Tabla 9. Carga demandada por tomacorrientes

Espacio # Tomas kVA

Lobby NA 20 3,60 Restaurantes NA 100 18,00 Bancos 20,00 22 3,96 Tiendas NA 80 14,40 Oficinas 20,00 778 140,04 Otros NA 70 12,60 Total 1070 19 2,60

Ascensores

En el código eléctrico colombiano (20) las cargas como ascensores, sistemas de ventilación, bombas de agua, entre otros, son tratados todos como motores. Se especifica que los conductores que alimentan grupos de cargas que incluyen varios motores deben soportar una corriente total resultado de la suma del 125% de la corriente nominal a plena carga del motor más grande, más la suma de las corrientes nominales de todos los motores, más 10A que se estima es la corriente consumida por los controladores electrónicos del ascensor. Se asume una carga de tres elevadores. De (21) se obtuvo la información de la Tabla 10.

Tabla 10. Información de un ascensor marca sigma

Vel. (m/min)

Cap. Ascensor Pot. Motor

(kW) Personas Carga (kg)

60,00 10 680,00 5,50

Tabla 11. Corriente total consumida por los ascensores

Corriente según tabla NTC (fp=80%) 11,00 Corriente a plena carga 19,25 Corriente controladores ascensor 10 Corriente total 92,56 kVA total @480V 76,96

Una potencia de 5,5kW equivale a 7,38HP. Según la tabla 430-15 de la NTC (20), la corriente nominal para un motor trifásico de corriente alterna de 7,5HP (aproximando 7,38HP hacia un valor superior para coincidir con la tabla) es de 11A. A este valor se aplica un factor de 1,25 debido a que se asume un factor de potencia del 80% y la tabla asume 100%. También se asume que el ascensor es de servicio intermitente con motor de servicio continuo por lo cual a la corriente nominal del motor se aplica un factor de 140%. Los resultados están en la Tabla 11.

Sistemas de bombeo de agua

Para dimensionar el motor que deberá bombear agua hasta el tope del edificio se decidió calcular el consumo de agua. Para dicha estimación se utilizaron las siguientes relaciones obtenidas de (22) y (23).

El consumo total se obtiene a partir del producto entre la dotación de agua y un factor

k que depende del nivel de consumo (ver (22)). El resultado se transforma de litros por día (lpd) a litros por segundo (lps). Los resultados del procedimiento anterior se muestran en la Tabla 12.

Tabla 12. Cálculo del consumo total de agua del edificio comercial

Dotación oficinas y bancos 6,00 / Dotación restaurantes 40,00 / Dotación tiendas 20,00 / Dotación total 80200,00 Factor K 9,00

Consumo 8,35

Tabla 13. Cálculo de la potencia del motor para el bombeo de agua

Altura por piso 3,00 m Altura máxima 27,00 m Eficiencia Bomba 85,00 % Potencia de la bomba 3,76 HP Potencia pérdidas 0,38 HP HP total bomba 5,38 HP HP motor 6,99 HP HP motor según NTC 7,00 HP Corriente motor (fp=80%) 13,75 A Corriente total 17,19 A kVA total @480V 14,29 kVA

La dotación de agua depende de su uso según el área. La dotación de agua es la cantidad de agua en litros por día por unidad de metro cuadrado que debe suministrarse a un lugar. El factor k es de 9 para una dotación total entre 500001 y 100000 litros por día (lpd) según se enuncia en la página 3 de (22). A partir de esto se obtuvo que el consumo total ( ) para el edificio comercial es de 8,35 litros de agua por segundo (lps). Esta cantidad debe ser bombeada a 27 metros que es la altura del edificio. Asumiendo una eficiencia de 85% y dado el calculado anteriormente, se tiene que la potencia de la bomba que es de 3,76 HP. A ésta potencia se suma un factor de sobrecarga de 30% (ver (23)) y un factor de pérdidas en ductos del 10% (ver (22)). El resultado es 5,38 HP. La potencia del motor eléctrico según (22) se halla multiplicando la potencia de la bomba por un factor de 1.3 para motores trifásicos (23). Luego se aproxima a un valor aproximado a los que aparecen en la tabla 430-150 de (20) para así obtener la corriente a plena carga que sería en este caso de 13,75 A para un factor de potencia de 80%, la cual finalmente se multiplica por un factor de 125% establecido en la misma norma para obtener 17,19 A. Finalmente la carga en kVA a 480V que representa el bombeo de agua sería de 14,29kVA.

Sistemas de ventilación

Para los sistemas de ventilación se realizó una aproximación basada en el volumen de aire en metros cúbicos (m3) que debe evacuarse de la edificación por hora. Se realizaron ciertos cálculos de acuerdo al capítulo D.5 del acuerdo 20 de 1995 del distrito capital de Bogotá que trata sobre los requisitos para la iluminación y la ventilación en edificaciones (24). Luego se investigaron hojas técnicas de fabricantes de ventiladores para mover dicho volumen de aire obteniendo así información acerca de la corriente máxima a un voltaje de operación determinado. Se desconoce el diseño del sistema de ventilación pues para éste trabajo la información relevante es el consumo de potencia de dicho sistema. De tal forma se generó la tabla siguiente.

Tabla 14. Datos sobre la ventilación del edificio

Garajes 0,45 / Sanitarios 10,00 / Oficinas 1,10 / Total garajes 32400,00 / T tal otros 47100,00 /

Tabla 15. Cálculo de la demanda en ventilación a partir de los datos de los ventiladores

Datos Ventilador Garages Otros Unidades

Imax @ 480V 3,04 6,09 A Corriente total 10,66 A kVA total 8,9 kVA

En el edificio propuesto hay garajes, sanitarios y oficinas. Para cada tipo de ocupación hay en (24) diferentes tasas que relaciona un volumen de aire a evacuar con un área o una cantidad de personas como se puede apreciar en la tabla anterior. Según las áreas disponibles para cada ocupación (se asumió un total de 100 m2 por piso para sanitarios) y una cantidad de 350 personas se calcularon los caudales mínimos en m3/hora para garajes y para las demás zonas del edificio. De acuerdo a esto se buscaron ventiladores cuyo caudal fuera cercano a los calculados. En la Tabla 14 se muestra la información que se encontró acerca de estos ventiladores.

Se emplearon dos ventiladores: uno para la ventilación de garajes y el otro para el resto del edificio funcionando a un voltaje nominal de 480V @ 60Hz. La empresa SODECA® ofrece ventiladores de gran robustez helicoidales murales o tubulares. En garajes se emplearía el ventilador HCT-100-8T-1,5 (ver (25)) con corriente de operación a plena carga de 3,04 A @480V. Para las demás zonas del edificio el ventilador de referencia HCT-100-6T-4 (ver (25)), con corriente de operación a plena carga de 6,09 A @480V. Siguiendo la norma (20), se suman las corrientes de los motores más el 25% de la corriente más alta para obtener la corriente de alimentador. A partir de dicho valor de corriente se obtiene la potencia en kVA que se consume por cuestión de ventilación que como se puede ver en la tabla es de 8,9 kVA.

Sistemas de información

Para este tipo de cargas se buscaron referencias comerciales de los dispositivos que puede tener el edificio. Sabiendo la cantidad de dispositivos y sus datos eléctricos, se estima una potencia en kVA asumiendo un factor de potencia del 95%. Para este caso se asume que se tendrán 24 servidores de montaje en torre tipo rack de marca Dell y 70 puntos de acceso Wi-Fi de Cisco. Las hojas de datos se pueden encontrar en (26) y (27).La demanda estimada por los sistemas informáticos se muestra en la Tabla 16.

Servicios de seguridad y emergencia

Siguiendo el mismo procedimiento que en la sección anterior, se estableció que los servicios de seguridad y emergencia incluyen alarmas contraincendios, detectoras de humo y CCTV. En la Tabla 17 se muestra la información.

Tabla 16. Cálculo de la potencia consumida por los sistemas de información en kva

Descripción P (W) Cantidad kVA total

Servidores 870,00 12 10,99 Wi-Fi 13,00 70 0,96 Otros NA NA 1 kVA total 12,95

Tabla 17. Cálculo de demanda en kva de los sistemas de seguridad y emergencia

Descripción P (W) Cantidad kVA total

Detectoras de humo 16,63 250,00 4,38 Fuentes DC para CCTV 187,06 2,00 0,39 Otros NA NA 5,00 kVA total 9,77

La potencia que consumen los detectores de humo y las los rectificadores que alimentan el sistema CCTV se calculó a partir de las hojas de datos en (28) y (29). Se da un margen de seguridad de 5 kVA. El consumo total en seguridad y emergencia es de 9,77 kVA.

Cuadro de cargas total

El cuadro de cargas está basado en la tabla 16 de la sección 2 del estándar 241-1990 de la IEEE (19). Se toman los consumos totales y de acuerdo al factor de demanda correspondiente se calcula la capacidad de potencia requerida por las cargas, que sería la potencia nominal correspondiente a la suma total de transformadores y/o generadores que serán utilizados. Los factores de demanda fueron obtenidos de la NTC 2050 (20). Según dicha norma para iluminación se asume un factor de demanda del 100% (tabla 220-11 de la NTC 2050 (20)), para una cantidad de 3 ascensores de uso intermitente es del 90% (tabla 620-14 de la NTC 2050 (20)) y para las demás cargas se asume un 100%. Para tomacorrientes se asume un 100% para los primeros 10kVA y 50% a partir de dicho valor (tabla 220-13 de la NTC 2050 (20)).

La carga demandada en kW se calcula a partir de la capacidad requerida dividida por el factor de potencia según la carga. En las secciones anteriores ya se han mencionado dichos factores que son: 90% para iluminación, 80% cargas rotativas, 95% para dispositivos electrónicos y 100% para tomacorrientes.

El factor de diversidad es un factor que está relacionado con la intensidad horaria del uso de las cargas o de la demanda. Para un edificio comercial este factor se encuentra entre el 50%-70% por lo cual es correcto asumir en este caso un factor de 65%. Según esto la demanda sería efectiva 15,6 horas del día. El porcentaje se emplea para calcular la carga real en kVA requerida y consumida por el edificio, y el valor horario se emplea para calcular el valor en kWh del consumo del edificio.

El cuadro de cargas definitivo se puede ver en el ANEXO I. Los resultados totales se muestran en las filas:

a. Carga total conectada (Total Connected Load) y total carga demandada (Gross Demand Load) de 487,23 kW y 539,11 kVA respectivamente. También está el consumo del edificio en MWh.

b. Factor de diversidad de 65% c. El factor de crecimiento que es el 10% de TCL y GDL. d. Capacidad a proveer al edificio que son: un TCL de 365,50 kW y un GDL 404,40 kVA y un

consumo total horario de 3051,70 MWh.

Diagrama Unifilar

Una vez se conoce en detalle la demanda eléctrica del edificio comercial, se diseña la forma como se van a suplir las cargas. En base al diseño básico, se diseñó el diagrama unifilar a estudiar. Más adelante se evaluarán los aspectos de calidad de la potencia del mismo. Cada componente será dimensionado con respecto a metodologías que aseguren una selección económica; en especial conductores y transformadores. También se dimensionarán las fuentes de generación distribuida. Según el diagrama unifilar del ANEXO II se realizó la siguiente tabla que describe sus componentes.

Tabla 18. Componentes de los diagramas unifilares

# Descripción # Descripción

1 Planta solar fotovoltaica 9 Interruptor de potencia 2, 8 Fusibles 11, 16, 24 Transformadores 4, 6, 9, 12, 15, 18-23, 25-34 Interruptores 13 Microturbina 3 Inversor de acople a la red 14 Conversor de AC/DC/AC 5, 10, 17 Medidor de potencia 7 Red de distribución

Dimensionamiento de los conductores

Los conductores del diagrama unifilar se seleccionan según un criterio económico. Se seleccionan aquellos que reflejen los menores costos totales durante una vida útil, costo que tiene en cuenta la inversión y las pérdidas por calentamiento. En la siguiente tabla se muestran los parámetros que se emplean en el método de dimensionamiento.

Tabla 19. Parámetros para el cálculo del conductor económico

Factor de pérdidas 30% Tiempo equivalente de pérdidas 8760*0.3 = 2628 h/año Costo de la energía $ 410,90 $/kW.h Costo anual energía (tomado de (30)) $ 3.599.487,50 $/kW.año Tasa de descuento sin inflación 15% Vida útil 25 Años Incremento anual de la carga 3% Incremento anual costo energía 6,5% Coeficiente r 98,25% Coeficiente Valor Presente Q 20,3880 Pérdidas caída de tensión (máximo permitido, sección 210-19 de (20)) 3,00%

En la tabla del ANEXO III aparecen los conductores seleccionados para el diagrama unifilar. Para cada uno se establece la corriente máxima que conduce al nivel de tensión nominal según la carga, el número de fases, la longitud y la cantidad de conductores del calibre resultante según el cálculo realizado. En el ANEXO IV se muestran los resultados del procedimiento de dimensionamiento de conductores. Los precios de los conductores por metro se encuentran en (31) al igual que sus características de capacidad, tamaño y resistividad por metro. En varias ocasiones se consideró que el conductor que representaba el menor costo durante los 25 años era sobredimensionado excesivamente. Por lo tanto, se consideró que se podía elegir un conductor de menor calibre considerando que el ahorro es a 25 años y la diferencia entre el conductor económico y el elegido no resulta significante en una ventana de tiempo tan amplia.

Dimensionamiento de transformadores

El dimensionamiento de los transformadores partió del mismo concepto del dimensionamiento de los conductores eléctricos pero teniendo en cuenta las pérdidas relacionadas al transformador como las pérdidas con carga (en el cobre ( )) y sin carga (en el hierro ( )) obtenidas de la tabla 1 de la NTC819 (ver (32)).

⁄

El precio de los transformadores de media tensión (11,4kV/208V) en $COP se encuentra en (33), a pesar que son precios del año 2006 esto es indiferente al sistema de selección debido a que los precios son proporcionales a la potencia de los transformadores. El precio de los transformadores en baja tensión (208V/480V) en $USD se basa en los precios que aparecen en (34) que, a pesar de no encontrar tensiones de 480V sino de 415V, son precios válidos para transformadores de baja tensión puesto que el precio solo varía de acuerdo a la potencia nominal y no al nivel de tensión. El número de transformadores se calcula teniendo en cuenta un factor de utilización del 80% para no sobredimensionar excesivamente. En el ANEXO V se encuentran los resultados para el dimensionamiento de los transformadores.

Tabla 20. Características de los transformadores seleccionados

Trafo No.

Tensión 1rio/2rio

Potencia nominal (kVA)

Potencia Utilizada (kVA)

Precio por unidad $COP

Costo Total $COP (25 años)

11 11,4kV/208V 800 570 $ 58.858.000 $ 923.284.724 16 408V/208V 300 200 $ 28.120.000 $ 396.455.379 24 208V/480V 150 95 $ 19.910.000 $ 216.839.789

Dimensionamiento de los generadores

Diseño de una planta solar fotovoltaica

Como el edificio se encuentra dentro del casco urbano de la ciudad no se requiere un sistema de almacenamiento pues la red de distribución se considera confiable. Se va a diseñar un sistema centralizado conectado a la red en el cual la energía producida por la planta solar es entregada constantemente a la red. Bajo estas circunstancias, el generador solar fotovoltaico será desconectado al tiempo con la red. De esta forma reducirá costos de facturación generando ingresos netos al edificio a partir del año en que se recupere la inversión. El edificio también será más eficiente pues podrá realizar las mismas funciones pagando menos energía al proveedor. El esquema de conexión de la planta solar fotovoltaica se muestra en la Figura 1. Cabe mencionar que el diseño de la planta solar se apoya en un documento disponible en (4), y en un software llamado PVSYST: Studies, Sizing and Simulations (disponible de forma gratuita en versión de prueba de 30 días en (35)) que tiene información muy completa para realizar el prediseño, diseño del proyecto y demás herramientas útiles en el tema de las plantas solares. En primer lugar se sitúa geográficamente el proyecto. La planta solar estará ubicada en Bogotá cuyas características geográficas se obtienen del software mencionado y se muestran en la siguiente tabla.

Tabla 21. Información geográfica

Ciudad, País Bogotá, Colombia

Latitud 4,2°N

Longitud 73,5°W

Altitud 2650 m Irradiación promedio 4,85 kWh/m2xdía Temperatura promedio 14 °C Irradiancia base 1 kW/m2

Tabla 22. Características del sitio de instalación

Ancho 25 m Largo 40,00 m Área disponible 1000,00 m2 Superficie Plana

El diseño parte de una potencia pico objetivo de 60kWp. A partir de dicho parámetro, el software PVSYST permite seleccionar el nivel de inclinación de los paneles y el fabricante a partir del cual se tomarán los datos técnicos de paneles e inversores para poder calcular la capacidad de generación total. Los datos técnicos de los paneles a utilizar son los siguientes.

Tabla 23. Datos técnicos de un panel de marca CNPV. Información disponible en (36)

Tecnología Monocristalina

Ángulo de inclinación* 6 ° Ancho 1,650 m Largo 0,992 m Marca CNPV

Potencia pico nominal 250 Wp Voltaje de potencia pico 26 V

* El ángulo de inclinación óptimo es de |Latitud-10|. Este ángulo garantiza un menor porcentaje de pérdidas causadas por almacenamiento de polvo en la superficie del panel.

A partir de estos datos se calcula manualmente la planta solar para luego verificar los resultados con el software. En primer lugar se parte de encontrar la distancia entre paneles con el fin de no generar sombras entre ellos. Dicho cálculo se basa en (4) (ver Figura 10) y tiene en cuenta la altura del panel que puede generar sombra y un coeficiente de inclinación que depende del ángulo de inclinación y la latitud del sitio geográfico. Éste coeficiente es de 0,99 para el caso de Bogotá para una inclinación de 6°. La altura del panel sobre el suelo se define como su largo por el coseno del ángulo de inclinación.

Tabla 24. Resultados de los cálculos realizados

Altura sobre el suelo 103,69 mm Factor de inclinación (k) 0,99

Distancia entre paneles 104,74 mm Largo sobre el suelo 0,987 m Área total por panel 1,801 m2 Potencia pico 60,00 kWp Factor de rendimiento* 77,8% Potencia anual 81,81 MWh/año Voltaje de entrada al inversor 260 V Módulos en serie 10 Series en paralelo 24 #Paneles 240 Largo fila en serie 16,5 m Largo módulos paralelo 26,2 m Área ocupada por módulos 432,16 m2

*PR: factor de rendimiento que calcula PVSYST5

Figura 10. Distancia entre paneles

⁄

El largo que ocupa el panel en el suelo equivale al largo por el seno del ángulo de inclinación y esto sumado a la distancia entre paneles da como resultado el largo total que ocupa un panel en el área disponible. Finalmente el área total por panel (suponiendo que a lo ancho éstos se encuentran contiguos) es el valor de multiplicar el largo total por el ancho del panel. La potencia pico a generar es de 60 kWp. Paso seguido, se determina la potencia anual generada de acuerdo a las horas pico solar de la ubicación geográfica,

⁄ ⁄

Ahora, se tiene que para lograr un voltaje de interconexión con la red de 208V se debe tener un voltaje DC de entrada al inversor de al menos 30% más que ese valor. Esto es 260V. Se deben ubicar varios paneles en serie para que la salida de voltaje de cada panel en esta configuración se sume. Los paneles solares seleccionados generan un voltaje de 26V a potencia pico. Si se ubican 10 módulos en serie se obtiene un voltaje de 260V en DC. A partir de esta cantidad se calcula la cantidad de series en paralelo para poder generar los 60kWp requeridos. El procedimiento es el siguiente.

Esto da como resultado un total de 10x24 = 240 módulos solares que generan una potencia pico total de 60kWp y una energía anual de 81,81MWh/año. Los 10 paneles en serie ocuparían una distancia de 10 x 1,650m = 16,5m y la configuración en paralelo una distancia de 24 x (0,987+0,105) m = 26,2m. Lo anterior significa que para generar la potencia requerida se necesita un área disponible de 16,5m x 26,2m = 432,16m2 lo cual es menor al área disponible de 1000m2. Un solo inversor de 60kW de potencia sería empleado para interconectar dicho sistema a la red. La siguiente imagen ilustra el arreglo de paneles descrito, en donde se configuran 10 módulos en serie (10 módulos por columna) y estos a su vez en paralelo (24 columnas).

Figura 11. Configuración del arreglo de paneles de la planta, los paneles se ubican en serie a lo largo de cada columna.

Ahora se procede a corroborar los cálculos con PVSYST5. Se procuró que las características nominales de módulos e inversor coincidieran en ambos cálculos; de hecho, los datos técnicos de dichos elementos fueron tomados del software para el cálculo manual. En el Figura 27 se observa la interfaz del programa. El procedimiento es similar al anterior; al ubicar el proyecto en Bogotá, el programa genera los datos geográficos necesarios para el diseño. Incluso existe la posibilidad de caracterizar un perfil de obstáculos o de simular las sombras que pueden incidir en los paneles por medio de un modelo en tres dimensiones del entorno en donde serán instalados pero en este caso no se requiere tal especificidad. Para el modelado del sistema se ingresa como ayuda al dimensionado una potencia nominal deseada de 60kWp. Se selecciona un módulo solar fotovoltaico que es el mismo que aparece en (36) y ya el programa contiene la información técnica necesaria para los cálculos como dimensiones, potencia pico y voltaje. También se selecciona el inversor que en este caso es de la empresa Fronius y de donde se obtuvo la hoja técnica del inversor (37). En seguida se establece el número de paneles en serie y el número de cadenas o paralelos. En este punto, el software brinda alertas cuando el inversor está sobredimensionado o sub dimensionado para la configuración elegida y ofrece rangos permitidos para determinar el número de paneles en serie y paralelo. También muestra un resumen con información sobre potencia nominal generada y voltaje mpp de salida del inversor.

El programa simula el diseño y arroja un resumen de resultados en donde se muestran los valores de potencia total generados, los parámetros empleados en la simulación e incluso un diagrama de pérdidas. Según el resumen el sistema genera 82,592 MWh/año con un factor de rendimiento de 77,8%, un total de 240 módulos que ocupan un área de 391m2. A una temperatura de operación del sistema de 50°C, el voltaje Vmpp es de 276V y la potencia pico 53,0 kWp. Este resumen se encuentra en el ANEXO VII.

Microturbina a gas

El objetivo de tener este sistema de generación es poder estudiar sus efectos en la calidad de la potencia de la red y además de mejorar la eficiencia energética del edificio mediante la disminución del pago de la electricidad al proveedor del servicio. La microturbina Capstone C200 (ficha técnica en (8)) tiene una potencia nominal de 200kW. Sus dimensiones son de 1,7 x 3,8 x 2,5 m (ancho x profundidad x altura) y un peso de 2776kg. Otras características principales de dicha microturbina son las siguientes.

Tabla 25. Características del combustible

Gas natural HHV 30,7-47,5 MJ/m2 Presión de toma del gas 75-80 Psig Flujo de combustible 2400 MJ/hr Poder calorífico 10,9 MJ/kWh

Tabla 26. Características ambientales

NOx/Potencia de salida 0,14 lb/MWhe Flujo del gas de ecape 1,3 kg/s T° del gas de escape 280 °C Energía de escape 1420 MJ/hr

Tabla 27. Características eléctricas

Potencia eléctrica de salida 200 kW Voltaje 480 VAC Tipo de conexión Trifásica, 4 cables Frecuencia 60 Hz Máxima corriente de salida 290 A Eficiencia eléctrica con CHP 33 %

Sin embargo, debido a las condiciones ambientales de Bogotá se debe aplicar un factor de derrateo (derating factor) a la potencia nominal de la microturbina. Este factor se determina a partir de la figura 3 que aparece en (38). Para una microturbina de 65kW del mismo fabricante, a una altura de 2600m(8500ft aprox.) sobre el nivel del mar y una temperatura ambiente de 13,5°C (56,3°F), la salida es de 51kW aprox., lo cual da un factor de 51kW/65kW ≈ 78,5%. Por consiguiente, para 200kW nominales, aplicando dicho factor de derrateo se obtendrían efectivos únicamente 200kWx0,785 = 157kW.

MODELO COMPUTACIONAL DEL SISTEMA ELÉCTRICO

El modelo computacional del sistema eléctrico será implementado en PSCAD debido a que los modelos de las fuentes no convencionales de energía, de los conversores, las cargas e interruptores se pueden diseñar en este entorno. Otra de las ventajas de este software de simulación es que se pueden estudiar los aspectos de calidad de la potencia como distorsión armónica de la corriente y variaciones de tensión. El esquema general del sistema a implementar se muestra en la siguiente figura.

Figura 12. Esquema general del modelo computacional

Modelo de la microturbina

El modelo matemático para representar el comportamiento dinámico de una microturbina se basa en la documentación en (39), (40) y (41). Los sistemas allí propuestos consisten en un sistema con control de velocidad, control de combustible, sistema de compresión, control de temperatura y de aceleración. En este caso se omiten los sistemas de control de temperatura y aceleración debido a que no son objetos de estudio los comportamientos termodinámicos ni mecánicos de la microturbina. Las constantes de los controladores presentes en el sistema modelado en PSCAD se encuentran en (41).

Figura 13. Componentes de una microturbina (imagen obtenida de (41))

Control de velocidad

En el control de velocidad se compara la velocidad del rotor de la microturbina con una velocidad de referencia en por unidad. Según (41), un controlador PID se emplea para modelar el control de velocidad cuya salida será proporcional al error de velocidad.

G = 8.33 T1 = 0.4s T2 = 0.33s

Figura 14. Implementación en PSCAD del control de velocidad de la microturbina

Control de combustión

Tal como es expuesto en (41), al control de combustión ingresa la salida del control de velocidad multiplicada por la velocidad del rotor y este resultado representa la cantidad de combustible necesaria en un punto de operación dado. Esto es escalado por un factor K2 = 1 - K1 donde K1 es la cantidad mínima de combustible del sistema sin carga; este escalamiento sirve para garantizar un proceso de combustión continuo. Finalmente esto pasa a través de una válvula de combustible y un actuador modelados cada uno por una función de transferencia. La salida de este bloque es Wf que es la demanda de combustible (en por unidad) necesaria para alcanzar la velocidad requerida.

G = 1 Tv = 0.05s Ta = 0.04s

Figura 15. Implementación en PSCAD del control de combustión de la microturbina

Compresor

El sistema de compresión tiene como entrada la demanda de combustible Wf. Ésta pasa primero a través de un retardo asociado a la reacción de combustión y por función de transferencia con un tiempo de atraso asociado al volumen de descarga del compresor. Esta nueva señal es denominada en (41) como Wf2. Una función de torque determina el torque mecánico en newton-metro a partir de la siguiente fórmula.

( )

Retardo reacción de combustión: - Texp = 0.01s Atraso debido al volumen de descarga del compresor: - Tlag = 0.2s - G = 1

Figura 16. Implementación en PSCAD del sistema de compresión de la microturbina

Generador síncrono magnético permanente (PMSG)

El modelo de un PMSG se encuentra en la librería de PSCAD y recibe como entrada la velocidad del rotor a partir de la cual genera una potencia eléctrica a un nivel de voltaje línea a línea y frecuencia definidos entre sus parámetros. En una microturbina el nivel de voltaje en los bornes del PMSG es mayor a 500V llegando incluso a los 6000V pico a pico como en (41). La frecuencia es alta y del orden de los kHz. El bloque que se muestra en la parte izquierda de la

siguiente figura relaciona el torque eléctrico Te con el torque mecánico Tm y genera una velocidad w proporcional a dicha relación mediante un bloque integrador. De dicha forma el sistema de control de la microturbina recibe información de la carga que se está solicitando al PMSG debido a que el torque eléctrico varía con la carga. El bloque que se muestra a la derecha es el PMSG de PSCAD que como puede verse recibe como entradas la velocidad del rotor y genera una potencia eléctrica (Pe) de acuerdo a los parámetros deseados de voltaje y frecuencia. El esquema del sistema total se encuentra en el ANEXO VIII.

Figura 17. Izq. Bloque diferencial que relaciona la velocidad del rotor (w) con el torque eléctrico y mecánico. Der.

Bloque PMSG de PSCAD; su entrada es w y sus salidas son: el torque eléctrico (Te) y la potencia eléctrica trifásica (Pe)

Modelo de la planta solar

El modelo de una planta solar se ha estudiado y ha sido determinado experimentalmente a partir de la relación corriente/voltaje de los paneles. Se ha determinado que dicha relación es bien descrita por la expresión y el circuito siguiente,

(

)

Figura 18. Expresión y circuito equivalentes para el modelo de un módulo solar fotovoltaico

Por simplicidad, el modelo de la planta solar consiste en una fuente de corriente constante cuyo valor corresponde a la corriente fotovoltaica que es la corriente en amperios que puede generar una célula fotovoltaica. Los valores de Iph, Rp y Rs fueron determinados con el fin de obtener una potencia pico a la salida del inversor de 60kW. Para determinar dichos valores fácilmente mediante prueba y error se tomaron como referencia los valores de voltaje de circuito abierto y corriente de corto circuito del fabricante del panel solar seleccionado en los procedimientos de diseño anteriormente realizados. El circuito anterior se mantenía abierto y para un valor de Iph que asegurara un nivel de voltaje DC de al menos 600V en la entrada del inversor se modificaron los valores de la resistencia en serie y paralelo. De esta forma se determinó un valor de Iph de 120A, Rs de 0.47Ohm y Rp de 1900Ohms.

Modelo del rectificador

Como los niveles de voltaje y frecuencia generados por la microturbina no son nominales, es necesario implementar una interfaz AC/DC/AC para poder realizar su interconexión con la red a 208V y 60Hz los cuales son los valores de interconexión para el presente proyecto. Se probaron tres esquemas para el rectificador de la microturbina. El primero un rectificador no controlado que consta de un puente de diodos trifásico, el segundo un rectificador no controlado en serie con un conversor DC-DC y finalmente un rectificador controlado que consta de un puente trifásico de IGBT’s conmutado mediante seis señales de control.

Rectificador trifásico no controlado

El rectificador no controlado es el que se muestra en la siguiente figura. Los valores que se muestran allí fueron los empleados para la simulación. Este rectificador es el que se comporta mejor en el sistema debido a que al no tener elementos que conmuten a alta frecuencia no introduce ruido adicional ni a la red ni a la señal que viene de la microturbina. De todas formas el rectificador no requiere que sea controlado debido a que el flujo de potencia puede controlarse únicamente desde el inversor. Este esquema es el empleado en (41).

Rectificador trifásico con conversor DC/DC

Este es la topología implementada en (39), la cual consta de un rectificador como el anterior descrito pero adicionalmente tiene conectado un conversor DC/DC en cascada. Esto con el fin de controlar el nivel de voltaje a la salida mediante la variación del ciclo útil de la señal de control (g) del IGBT. La señal de control se obtiene mediante el error entre un voltaje de referencia y el voltaje DC a la salida. Mediante un controlador PI se obtiene una cantidad proporcional a dicho error y a esta cantidad se multiplica un factor D o la relación entre salida y entrada dando como resultado una corriente de referencia. Se obtiene luego un error de corriente restando la corriente medida en la línea DC para finalmente emplear otro controlador PI y obtener un nivel DC de referencia para ser comparado por una señal triangular a alta frecuencia. Según el autor se busca reducir la alta fluctuación del voltaje de salida de la microturbina. Este método no fue empleado en el esquema total del sistema eléctrico debido a que se decidió implementar el rectificador no controlado por simplicidad.

Modelo del inversor

Se empleó un inversor trifásico controlado que consta de un puente de IBGT con seis señales de control para su conmutación generadas por un SPWM cuya señal de referencia es la salida de un sistema de control proporcional integral que tiene como referencia la corriente y el voltaje de salida del mismo inversor y busca mantener los niveles de potencia y voltaje en los niveles nominales según la carga y el nivel de voltaje de interconexión con la red definido que es de 208V.

Filtro LCL

El filtro LCL consta de una impedancia RL en serie y una RC en paralelo con el fin de filtrar las componentes armónicas de alta frecuencia de la señal de salida del inversor, la cual es una señal modulada en frecuencia resultado de la conmutación del puente trifásico de IGBT. El filtro trifásico permite obtener únicamente la componente fundamental de las señales de voltaje y corriente para evitar introducir componentes armónicas a la red y a las cargas en el punto de interconexión. Dicho filtro se muestra a continuación.

R1 = 4E-3 Ohm R2 = 300E-3 Ohm L = 2 mH C = 99 Uf V1=V2=208Vrms Solar: 75 kVA MTG: 200 kVA

Figura 19. Filtro LCL empleado a la salida del inversor

Los valores de las resistencias, condensadores e inductancias se seleccionan cuidadosamente teniendo en cuenta que valores altos de inductancia puede reducir el nivel de ruido a la salida pero a su vez reduce el nivel de voltaje a la salida. Valores altos del condensador puede filtrar mejor altas frecuencias pero puede introducir un nivel dc en la señal de salida. Por tanto debe lograrse un balance entre ambos resultados.

RESULTADOS Y ANÁLISIS: ASPECTOS SOBRE LA CALIDAD DE LA POTENCIA

Los modelos computacionales completos pueden observarse en ANEXO IX, ANEXO X y ANEXO XI. En este último anexo se puede ver que se decidió tener un sistema simplificado que tiene en cuenta cinco grupos de cargas y las tres fuentes de generación. Las variables a estudiar fueron: potencia activa y reactiva, voltaje RMS, voltaje y corriente instantánea y THD. Se observaron siete casos que se describen en el ANEXO XIII.

Potencia activa y reactiva

Los resultados se pueden observar en el ANEXO XII. La potencia es entregada adecuadamente en los tres primeros casos, en los cuales las fuentes de generación distribuida funcionan en interconexión con la red.

Caso 3: Fuentes interconectadas (Red de distribución, Planta Solar y Microturbina)

La microturbina entra en funcionamiento y presenta una oscilación en el flujo de potencia activa y reactiva que está entregando. Esta oscilación es introducida en realidad por la planta solar, pero es mitigada o contrarrestada por la red evitando que ésta sea percibida por las cargas. Como existe un flujo de potencia reactiva de la red hacia la microturbina, ésta última se encuentra entregando una potencia activa mayor a su potencia nominal (que es de 150kW).

Casos 4 y 5: Sistema aislado (Planta Solar y Microturbina)

La red se desconecta del sistema. La Planta Solar entrega la máxima potencia que puede y la microturbina suple lo restante. Se observa una oscilación menor en la potencia. El voltaje rms se cae (ver ANEXO XIII) debido a las potencias activa y reactiva no pueden ser entregadas en su totalidad a las cargas (Caso 4) por los dos sistemas de generación distribuida. Por lo tanto se realiza un deslastre de carga y se saca la iluminación del sistema (Caso 5). En este punto el voltaje rms de línea incrementa sin embargo solo llega a un 96,15% del voltaje nominal de 208V, es decir, 200V.

Casos 6 y 7: Sistema aislado (Microturbina)

La planta solar se desconecta del sistema. El voltaje rms cae nuevamente pues la microturbina ya se encuentra en su máxima capacidad, incluso entrega un poco más de su potencia nominal pero el voltaje solo alcanza un 90% del nominal aproximadamente (Caso 6). Al sacar la carga que corresponde a las cargas rotativas (Caso 7) el voltaje rms sube al 98% de la carga nominal, y la potencia activa entregada es de alrededor de 150kW que es la potencia nominal o capacidad de la microturbina.

Voltaje, corriente y distorsión armónica

Las formas de onda de voltaje y corriente para los diferentes casos se muestran en ANEXO XIV y ANEXO XV. En interconexión con la red (Casos 1-3) tanto el voltaje como la corriente no presentan perturbaciones en su forma instantánea. En ausencia de la red de distribución se observan algunas imperfecciones que no llegan a ser significativas. Esto se ve reflejado en el factor de distorsión armónica total que para los casos 1-3 es de cero, en los casos 5 y 6 llega a ser de 3% y en el caso 7 de 4.25%. Esto es por supuesto algo ideal que en la práctica no es igual puesto que las distintas cargas pueden incrementar este valor inyectando armónicos a la señal de la red de distribución que tampoco es libre de distorsiones desde su llegada de la subestación. Otro aspecto importante a resaltar aquí es ver como el voltaje rms del sistema varía con las maniobras que se realizan en el sistema. Al entrar o salir una fuente se genera una oscilación inicial que tarda un tiempo en estabilizarse. El mejor funcionamiento se presenta en interconexión con la red, pues el nivel de voltaje lo mantiene la red de distribución. En operación aislada se debe ser cuidadoso con que la carga no sobrepase los límites de potencia nominales de las dos fuentes de generación pues de lo contrario el voltaje comienza a caer a medida que la demanda de carga es mayor. Otro aspecto de la operación aislada de la red es que se generan fluctuaciones en el nivel de tensión (ver flickr en el ANEXO XIV) que podrían llegar a afectar cargas como la iluminación generando parpadeo molesto para los usuarios.

CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO

En cuanto a calidad de la potencia el sistema presenta resultados positivos. Los mejores resultados se dieron en los casos en los cuales las fuentes de generación distribuida funcionan en interconexión con la red. Para estos casos, la distorsión armónica es menor a 2% el cual es el límite según la norma IEC 519-1992 y el voltaje se encuentra dentro del rango permitido para el nivel de tensión de 208V, el cual es entre +5% y -10% según la NTC 1340. Al dejar la totalidad de la carga conectada y aislar el sistema de la red, el voltaje se sale de sus valores nominales estando por debajo del 10%. Pero al realizar un deslastre de carga el voltaje regresa a sus valores nominales. Por esto se considera que el sistema puede funcionar aislado de la red, sin embargo, se debe asegurar que la potencia demandada por la carga no supere la potencia máxima que pueden entregar las fuentes que corresponde a 200kW, lo cual es un 40% de la carga total de 500kW. En cuanto a la distorsión armónica, se puede ver que el sistema aislado de la red tiene una calidad reducida con respecto al interconectado. En primer lugar, al aislarse de la red, el sistema presenta fluctuaciones en la tensión como flickr el cual puede representar un problema para los usuarios del edificio. Este fenómeno es mayor a mayor carga por lo tanto debe tenerse en cuenta la carga máxima a alimentar para evitar la aparición de éste fenómeno. Por otro lado, el factor de distorsión armónica total de la corriente para el sistema aislado llega a tener un valor máximo de 4.25% y se tiene que el valor máximo de distorsión según la IEC 519-1992 es de cerca del 6% para armónicos hasta el número 17 por lo tanto se está por debajo de los límites establecidos por norma y se podría trabajar asilado de la red si fuese necesario.

Se propone como trabajo futuro realizar un diseño mayormente detallado y aplicado en lo posible a un caso real que pueda ser aplicado a un prototipo o a un proyecto en la ciudad de Bogotá. Este trabajo sirve como base para futuros desarrollos del tema en la universidad, y se recomienda realizar un estudio económico del proyecto para determinar que resulta beneficioso en este aspecto la instalación de una planta solar y una microturbina que generen 200kW en una proporción de 25% y 75% respectivamente para un edificio de tipo comercial de consumo máximo de 500kW teniendo en cuenta costos de facturación, operación y mantenimiento. Diseños adicionales para este proyecto son el sistema de puesta a tierra, apantallamiento, protecciones eléctricas y compatibilidad electromagnética. Se hace especial énfasis en el sistema de protecciones puesto que deberá estudiarse si la inclusión de fuentes de generación distribuida impacta en la coordinación de protecciones del sistema y que diferencias pueden existir entre el sistema interconectado y el sistema aislado. También pueden desarrollarse modelos más sofisticados para el control del inversor empleado para ambos sistemas de generación y para los modelos de las fuentes como incluir un sistema de rastreo de la potencia pico máxima (MPPT) para la planta solar o un modelo más sofisticado para la microturbina.

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ANEXO I. CUADRO DE CARGAS

TABLA 28. CUADRO DE CARGAS TOTAL

1 2 3 4 5 6 7 8

Tipo de

carga Descripción

Carga conectada

[kVA]

Factor de demanda

Capacidad requerida

[kVA]

Factor de

potencia

Carga demandada

[kW]

Consumo [MWh]

Ilu

mia

ció

n

Parqueaderos, pasillos, escaleras, entre otros

13,00

Locales de restaurantes y lobby 13,20

Locales de tiendas 12,80

Bancos y oficinas 273,60

Total 312,60 100% 312,60 90% 281,34 1601,95

Tom

as d

e

corr

ien

te

Lobby 3,60

Locales de restautantes 18,00

Locales de tiendas 14,40

Bancos y oficinas 144,00

Otros 12,60

Total 192,60 100% 50% 101,30 100% 101,30 576,80

Car

gas

rota

tiva

s

Ascensores 76,96 90% 69,26 80% 55,41 315,49

Motores del sistema hidráulico

14,29

Motores del sistema de ventilación

8,86

Total 23,15 100% 23,15 80% 18,52 105,45

Sist

em

as d

e

info

rmac

ión

Servidores 11,00

Wireless 1,00

Otros 1,00

Total 13,00 100% 13,00 95% 12,35 70,32

Segu

rid

ad y

Eme

rge

nci

a Detectores de humo 4,40

CCTV 0,40

Otros 5,00

Total 9,80 100% 9,80 95% 9,31 53,01

Pé

rdid

as

Conductores 10,00

10,00 90% 9,00 51,25

Otros

a Carga total conectada (TCL) y Total de carga demandada (GDL)

561,15

539,11

487,23 2774,27

b Factor de diversidad

0,65

0,65

c Capacidad de reserva por crecimiento (10% de GDL)

53,91

48,72 277,43

d Capacidad total a ser proveída al edificio

404,40

365,50 3051,70

ANEXO II. DIAGRAMA UNIFILAR 1

Figura 20. Diagrama unifilar con interconexión en AC de fuentes distribuidas

ANEXO III. RESUMEN DE CONDUCTORES DEL DIAGRAMA UNIFILAR

TABLA 29. Clasificación y caracterización de conductores del diagrama unifilar

# Alimentador Conductor Nivel

Tensión (V) Imax (A) Imax1 (A) #fases L (m) #-AWG/KCMIL

1

Ilu

min

ació

n Pisos S-8 Bus 208VAC-100A 120 99,30 100,00 1 20 1-2

Int25-Bus 208VAC 208 297,91 300,00 3 30 1-300

Int26-Bus 208VAC 208 297,91 300,00 3 20 1-300

Int27-Bus 208VAC 208 297,91 300,00 3 10 1-300

Int22-Iluminación 208 893,72 900,00 3 10 3-500

2

Tom

aco

rrie

nte

s Pisos S-8 Bus 208VAC-33A 120 32,18 33,00 1 20 1-6

Int29-Bus 208VAC 208 96,54 100,00 3 30 1-4/0

Int30-Bus 208VAC 208 96,54 100,00 3 20 1-4/0

Int31-Bus 208VAC 208 96,54 100,00 3 10 1-4/0

Int23-Tomas 208 289,62 300,00 3 10 1-300

3

Car

gas

Ro

tati

vas Cargas Rotativas-86A 480 85,81 86,00 3 20 1-3/0

Cargas Rotativas-18A 480 17,70 18,00 3 50 1-8

Cargas Rotativas-11A 480 10,98 11,00 3 20 1-10

Int28-Cargas Rotativas 480 114,48 115,00 3 10 1-4/0

4

Sist

em

as d

e In

form

ació

n,

Segu

rid

ad y

Em

erg

en

cia

Pisos S-8 Bus 208VAC-11A 120 11,25 11,00 1 20 1-14

Int32-Bus 208VAC 208 33,76 33,00 3 30 1-2

Int33-Bus 208VAC 208 33,76 33,00 3 20 1-2

Int34-Bus 208VAC 208 33,76 33,00 3 10 1-2

Int21-IT/SEG/SOS 208 101,28 100,00 3 10 1-4/0

Servidores-11A 120 10,48 11,00 1 20 1-14

Int19-Servidores 208 31,45 33,00 3 10 1-2

Int20-Trafo24 208 265,38 266,00 3 10 1-250

Int12-Bus 208VAC 208 1581,45 1600,00 3 10 4-500

ANEXO IV. RESULTADOS DEL DIMENSIONAMIENTO DE CONDUCTORES

Figura 21. Gráficas que reflejan el proceso de selección de conductor económico. Ejes: Y, costo total en Millones de $COP; X, calibre en AWG o kcmils

$ 9,11 $ 6,17 $ 5,20 $ 4,54 $ 4,11 $ 4,00 $ 3,98 $ 4,02 $ 4,18 $ 4,73

$ 39,70

$ 25,62

$ 20,74

$ 17,12 $ 14,32

$ 12,82 $ 11,73 $ 10,90 $ 10,59 $ 10,55

$ 26,47

$ 17,08 $ 13,83

$ 11,41 $ 9,55

$ 8,54 $ 7,82 $ 7,27 $ 7,06 $ 7,03

$ 13,23

$ 8,54 $ 6,91 $ 5,71 $ 4,77 $ 4,27 $ 3,91 $ 3,63 $ 3,53 $ 3,52

$ 0,00

$ 5,00

$ 10,00

$ 15,00

$ 20,00

$ 25,00

$ 30,00

$ 35,00

$ 40,00

$ 45,00

2 1/0 2/0 3/0 4/0 250 300 350 400 500

Bus 208VAC-100A

Int29-Bus 208VAC

Int30-Bus 208VAC

Int31-Bus 208VAC

Int21-IT/SEG/SOS

$ 223,20

$ 177,36

$ 142,42

$ 114,36 $ 97,23

$ 80,84 $ 69,26 $ 62,43

$ 52,00

$ 148,80

$ 118,24

$ 94,95 $ 76,24

$ 64,82 $ 53,89

$ 46,17 $ 41,62 $ 34,67

$ 74,40 $ 59,12

$ 47,47 $ 38,12 $ 32,41 $ 26,95 $ 23,09 $ 20,81 $ 17,33

$ 0,00

$ 50,00

$ 100,00

$ 150,00

$ 200,00

$ 250,00

1/0 2/0 3/0 4/0 250 300 350 400 500

Int25-Bus 208VAC

Int26-Bus 208VAC

Int27-Bus 208VAC

Int23-Tomas

Figura 22. Gráficas que reflejan el proceso de selección de conductor económico. Ejes: Y, costo total en Millones de $COP; X, calibre en AWG o kcmils

$ 5,12

$ 3,25

$ 2,09

$ 1,38 $ 0,98

$ 0,78 $ 0,75 $ 0,90 $ 1,04 $ 1,23

$ 1,48 $ 1,81

$ 2,13 $ 2,46

$ 2,79

$ 3,62

$ 1,73

$ 1,12 $ 0,75

$ 0,54 $ 0,45 $ 0,45 $ 0,54 $ 0,77 $ 0,94

$ 1,15 $ 1,42

$ 1,75 $ 2,09

$ 2,42 $ 2,76

$ 3,59

$ 0,00

$ 1,00

$ 2,00

$ 3,00

$ 4,00

$ 5,00

$ 6,00

14 12 10 8 6 4 2 1/0 2/0 3/0 4/0 250 300 350 400 500

Cargas Rotativas-11A

Bus 208VAC-11A

Servidores-11A

$ 27,28

$ 17,25

$ 11,02

$ 7,18 $ 4,90

$ 3,74 $ 3,44 $ 3,35 $ 3,41 $ 3,70 $ 4,04 $ 4,40 $ 4,81 $ 5,93

$ 18,19

$ 11,50

$ 7,35

$ 4,79 $ 3,27 $ 2,49 $ 2,29 $ 2,23 $ 2,27 $ 2,47 $ 2,69 $ 2,93 $ 3,21 $ 3,95

$ 9,09

$ 5,75 $ 3,67

$ 2,39 $ 1,63 $ 1,25 $ 1,15 $ 1,12 $ 1,14 $ 1,23 $ 1,35 $ 1,47 $ 1,60 $ 1,98 $ 0,00

$ 5,00

$ 10,00

$ 15,00

$ 20,00

$ 25,00

$ 30,00

10 8 6 4 2 1/0 2/0 3/0 4/0 250 300 350 400 500

Bus 208VAC-33A

Int32-Bus 208VAC

Int33-Bus 208VAC

Int34-Bus 208VAC

Int19-Servidores

Figura 23. Gráficas que reflejan el proceso de selección de conductor económico. Ejes: Y, costo total en Millones de $COP; X, calibre en AWG o kcmils

$ 665,35

$ 526,34

$ 419,51

$ 333,38

$ 279,63 $ 236,33

$ 200,56 $ 179,09

$ 145,27

$ 0,00

$ 100,00

$ 200,00

$ 300,00

$ 400,00

$ 500,00

$ 600,00

$ 700,00

1/0 2/0 3/0 4/0 250 300 350 400 500

Int22-Iluminación

$ 12,82

$ 10,46

$ 8,73

$ 7,42 $ 6,77

$ 6,32 $ 6,00 $ 5,93 $ 6,13

$ 0,00

$ 2,00

$ 4,00

$ 6,00

$ 8,00

$ 10,00

$ 12,00

$ 14,00

1/0 2/0 3/0 4/0 250 300 350 400 500

Cargas Rotativas-86A

Figura 24. Gráficas que reflejan el proceso de selección de conductor económico. Ejes: Y, costo total en Millones de $COP; X, calibre en AWG o kcmils

$ 34,13

$ 21,55

$ 13,67

$ 8,76

$ 5,78 $ 4,05 $ 3,19 $ 3,09 $ 3,26 $ 3,61 $ 4,12 $ 4,86 $ 5,63 $ 6,40 $ 7,20

$ 9,23

$ 0,00

$ 5,00

$ 10,00

$ 15,00

$ 20,00

$ 25,00

$ 30,00

$ 35,00

$ 40,00

14 12 10 8 6 4 2 1/0 2/0 3/0 4/0 250 300 350 400 500

Cargas Rotativas-18A

$ 17,43

$ 11,18

$ 9,00

$ 7,37 $ 6,09

$ 5,37 $ 4,84 $ 4,42 $ 4,23 $ 4,07

$ 0,00

$ 2,00

$ 4,00

$ 6,00

$ 8,00

$ 10,00

$ 12,00

$ 14,00

$ 16,00

$ 18,00

$ 20,00

2 1/0 2/0 3/0 4/0 250 300 350 400 500

Int28-Cargas Rotativas

Figura 25. Gráficas que reflejan el proceso de selección de conductor económico. Ejes: Y, costo total en Millones de $COP; X, calibre en AWG o kcmils

$ 58,64

$ 46,67

$ 37,56

$ 30,26

$ 24,99 $ 21,41

$ 18,41 $ 16,65 $ 14,01

$ 0,00

$ 10,00

$ 20,00

$ 30,00

$ 40,00

$ 50,00

$ 60,00

$ 70,00

1/0 2/0 3/0 4/0 250 300 350 400 500

Int20-Trafo24

2.099,6610

1.660,4904

1.323,2757

1.049,7244 878,0291

742,3079 628,4739 559,8668

449,3188

$ 0,00

$ 500,00

$ 1.000,00

$ 1.500,00

$ 2.000,00

$ 2.500,00

1/0 2/0 3/0 4/0 250 300 350 400 500

Int12-Bus 208VAC

ANEXO V. RESULTADOS DEL DIMENSIONAMIENTO DE TRANSFORMADORES

Figura 26. Resultados del dimensionamento de transformadores. Ejes: Y, costo total en Millones de $COP; X, potencia nominal del trago en kVA

$ 321,62 $ 302,86

$ 246,64 $ 245,87

$ 343,09

$ 216,84

$ 314,71

$ 396,46

$ 607,16

$ 0,00

$ 100,00

$ 200,00

$ 300,00

$ 400,00

$ 500,00

$ 600,00

$ 700,00

15 30 45 75 112,5 150 225 300 500

$ 1.545,01 $ 1.446,51

$ 1.257,34 $ 1.339,75

$ 1.272,91 $ 1.203,24

$ 1.015,26

$ 1.230,49

$ 1.494,20

$ 923,28

$ 1.138,37

$ 0,00

$ 200,00

$ 400,00

$ 600,00

$ 800,00

$ 1.000,00

$ 1.200,00

$ 1.400,00

$ 1.600,00

$ 1.800,00

45 75 112,5 150 225 300 400 500 630 800 1000

ANEXO VI. INTERFAZ DEL SOFTWARE PVSYST5

Figura 27. Interfaz del programa PVSYST

ANEXO VII. RESUMEN DE RESULTADOS DE PVSYST5

Figura 28. Gráfico de producción normalizada (por kWp) a lo largo del año

Figura 29. Diagrama de pérdidas durante todo el año en la planta solar

ANEXO VIII. MODELO DE UNA MICROCTUBINA EN PSCAD

Figura 30. Modelo completo de la microturbina en PSCAD

ANEXO IX. ESQUEMA DEL SISTEMA DE GENERACIÓN CON MICROTURBINA EN PSCAD

ANEXO X. ESQUEMA DE SISTEMA DE GENERACIÓN CON PLANTA SOLAR EN PSCAD

ANEXO XI. ESQUEMA DEL DIAGRAMA UNIFILAR DE LAS CARGAS EN PSCAD

ANEXO XII. POTENCIA ACTIVA Y REACTIVA

Rojo: Red distribuidor, Azul: Microturbina, Verde: Planta Solar, Cian: Bus de interconexión y carga. Eje vertical: Potencia en kW (arriba) y kVAr (abajo), una línea horizontal cada 25k. Eje horizontal: tiempo en segundos, una línea vertical cada 500ms y tiempo total de 20 segundos.

ANEXO XIII. CARACTERÍSTICA DEL VOLTAJE

Voltaje rms en el bus de interconexión y carga. El eje vertical se extiende desde 150Vrms a 225Vrms con separaciones de 2.5V. El tiempo total es de 20 segundos con separaciones de 500ms. Cada caso (1-7) dura 2.5 segundos.

Los casos descritos en esta y las anteriores gráficas se definen de la siguiente forma:

1. Sistema alimentado únicamente por la red de distribución. 2. Sistema alimentado por la red y la planta solar. 3. Sistema alimentado por la red, la planta solar y la microturbina 4. Sistema alimentado por la planta solar y la microturbina con todas las cargas conectadas. 5. Sistema alimentado por la planta solar y la microturbina sin carga de iluminación que corresponde a la mayor carga del sistema. 6. Sistema alimentado únicamente por la microturbina con la misma carga de 5. 7. Sistema alimentado únicamente por la microturbina sin cargas rotativas ni iluminación.

+5% Vnom: 218,4Vrms

-10% Vnom: 187,2Vrms

ANEXO XIV. VOLTAJE INSTANTÁNEO

Caso 1,2 y 3

Caso 4

Caso 5

Caso 6

Caso 7

Gráficas de voltaje instantáneo. Eje vertical se extiende de -200V a 200V con separaciones de 25V. Eje horizontal tiene un tiempo total de 50ms con separaciones de 2.5ms.

ANEXO XV. CORRIENTE INSTANTÁNEA

Caso 1,2 y 3

Caso 4

Caso 5

Caso 6

Caso 7

Gráficas de corriente instantánea. Para los casos 1-4 el eje vertical se extiende de -2.5kA a 2.5kA con separaciones de 250A. Para los casos 5-7 el eje vertical se extiende de -1kA a 1kA con separaciones de 250A. Para todos los casos el tiempo total es de 50ms con separaciones de 2.5ms.

ANEXO XVI. THD TOTAL DE VOLTAJE Y CORRIENTE

Distorsión armónica total del voltaje (superior) y la corriente (inferior). Eje vertical en porcentaje que se extiende de 0 a 5% en separaciones de 0.25%. El tiempo va de 0 a 20 segundos con separaciones de 500ms.

IEEE 519-1992 THD <6% para n<17