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DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y OPERACIÓN DE LA MICRORRED SOLAR

FOTOVOLTAICA PARA AUTOMATIZACIÓN DE UNA PLANTA COMPACTA DE

POTABILIZACIÓN DE AGUA EN ZONAS NO INTERCONECTADAS.

OTTO FERNEY BAYONA PEÑALOZA

UNIVERSIDAD DE SANTANDER –UDES-

PROGRAMA DE POSGRADOS

MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS

BUCARAMANGA, septiembre de 2015

DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y OPERACIÓN DE LA MICRORRED SOLAR

FOTOVOLTAICA PARA AUTOMATIZACIÓN DE UNA PLANTA COMPACTA DE

POTABILIZACIÓN DE AGUA EN ZONAS NO INTERCONECTADAS.

OTTO FERNEY BAYONA PEÑALOZA

Trabajo de Grado para optar al título de Magíster en Sistemas Energéticos

Avanzados

DIRECTOR: M.Sc. MANUEL EPALZA CONTRERAS

UNIVERSIDAD DE SANTANDER –UDES-

PROGRAMA DE POSGRADOS

MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS

BUCARAMANG, AGOSTO DE 2015

Nota de aceptación:

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Firma del presidente del jurado:

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Firma del jurado:

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Firma del jurado:

Dedicatoria

A mis padres por brindarme su apoyo desde siempre y ser parte fundamental en el desarrollo de mi proyecto de vida.

A Juliana, mi prometida, que siempre ha visto lo mejor de mí y me impulsa en cada reto.

A mi director, mis amigos y compañeros por su actitud, responsabilidad y compromiso en la realización de cada tarea de este proyecto.

Trabajo de Grado - i.

“Diseño, construcción y operación de la microred solar fotovoltaica para la automatización de una planta compacta de potabilización de agua en zonas no interconectadas”

CONTENIDO

RESUMEN ............................................................................................................... 7

1. INTRODUCCIÓN. ............................................................................................. 8

2. FORMULACIÓN/DECLARACIÓN DEL PROBLEMA..................................... 10

3. ANTECEDENTES, MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL. ............................ 12

3.1 ANTECEDENTES ..............................................................................................................12 3.2 MARCO TEÓRICO .............................................................................................................15

3.2.1 Teoría solar fotovoltaica .............................................................................................15 3.3 MARCO CONCEPTUAL ....................................................................................................18

3.3.1 Energía .......................................................................................................................18 3.3.2 Regulador de carga ....................................................................................................20 3.3.3 Diseño ........................................................................................................................21 3.3.4 Instalación fotovoltaica aislada de red .......................................................................21 3.3.5 Células y paneles fotovoltaicos ..................................................................................21 3.3.6 Generador fotovoltaico ...............................................................................................22 3.3.7 Acumulador o batería .................................................................................................22 3.3.8 Baterías de plomo - ácido de electrolito liquido .........................................................22 3.3.9 Baterías selladas ........................................................................................................23 3.3.10 Inversor ......................................................................................................................24 3.3.11 Células solares comerciales ......................................................................................24 3.3.12 Sistemas y automatización ........................................................................................26 3.3.13 PLC ............................................................................................................................27 3.3.14 Planta compacta de potabilización de agua ..............................................................27 3.3.15 Zonas no interconectadas ..........................................................................................27

3.4 SITUACIÓN ACTUAL ...............................................................................................................27

4. MOTIVACIÓN Y JUSTIFICACIÓN. ................................................................. 29

5. OBJETIVOS. ................................................................................................... 30

5.1 OBJETIVO GENERAL .......................................................................................................30 5.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..............................................................................................30

6. RESULTADOS Y PRODUCTOS. ................................................................... 31

6.1 IMPACTOS .........................................................................................................................31 6.1.1 Impactos científicos y tecnológicos de la tesis ..........................................................31 6.1.2 Impactos sobre la productividad y competitividad del sector productivo de la región o el país 32 6.1.3 Impactos sobre el medio ambiente y la sociedad ......................................................33

7. METODOLOGÍA Y PLAN DE TRABAJO. ...................................................... 34

7.1 FASES DE INVESTIGACIÓN .....................................................................................................34 7.2 CRONOGRAMA .................................................................................................................36 7.3 RECURSOS Y PRESUPUESTO ........................................................................................37

Trabajo de Grado - ii.


8. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. ...................................................................... 38

8.1 MICRORRED PROYECTADA PARA BARICHARA ...........................................................38 8.1.1 Generador FV .............................................................................................................38 8.1.2 Controlador de carga .................................................................................................39 Inversor DC/AC ..........................................................................................................................41 8.1.3 Acumulador ................................................................................................................41 8.1.4 Sección de cable ........................................................................................................41

8.2 CARACTERIZACIÓN ENERGÉTICA DE LA PTAP ...........................................................41 8.3 MONTAJE .............................................................................................................................45 8.4 PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE ..........................................................47

8.4.1 Válvula solenoide .......................................................................................................49 8.4.2 Cono de Mezcla. ........................................................................................................50 8.4.3 Floculador ...................................................................................................................51 8.4.4 Sedimentador. ............................................................................................................51 8.4.5 Filtro rápido ................................................................................................................52 8.4.6 Tanques para almacenamiento de químicos. ............................................................53 8.4.7 Sensor de nivel del tanque de almacenamiento de agua potable. ............................53 8.4.8 Tablero de control ......................................................................................................54

8.5 ESCENARIO RADIACIÓN Y DEMANDA ENERGÉTICA BARICHARA .............................55 8.5.1 Demanda Energética PTAP .......................................................................................57

8.6 CAPACIDAD DE LA PLANTA ............................................................................................63 8.7 DISEÑO DE LA MICRORRED BARICHARA, METODOLOGÍA PARA SISTEMAS AUTÓNOMOS. ...............................................................................................................................65

8.7.1 Número de paneles: ...................................................................................................66 8.7.2 Acumulador ................................................................................................................67 8.7.3 Controlador de carga .................................................................................................67 8.7.4 Inversor ......................................................................................................................68

8.8 MICROGRID ARCHITECTURE DIAGRAM. ...................................................................................69 8.9 EVALUACIÓN TÉCNICA-FINANCIERA ............................................................................70

9. CONCLUSIONES. .......................................................................................... 74

10. RECOMENDACIONES. ............................................................................... 76

11. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................... 77

ANEXOS ................................................................................................................ 81

Trabajo de Grado - iii.


LISTA DE FIGURAS

Fig.1.Esquema metodológico……………………………………………………………………….. 35

Fig.2.Panel fotovoltaico 100w………………………………………………………………………. 39

Fig.3.Controlador de Carga…………………………………………………………………………. 40

Fig.4.Inversor DC/AC……………………………………………………………………………….... 41

Fig.5.Sensores y Procesador………………………………………………………………………… 42

Fig.6.Tensión de salida Inversor DC-AC…………………………….…………………………… 43

Fig.7.Intensidad de corriente en AC durante operación………………………………………. 44

Fig.8.Consumo de corriente en AC en modoStand-by………………………………………… 44

Fig.9.Localización Barichara, Santander, Colombia………………………………….………… 45

Fig.10.Imagen Satelital Barichara Santander[34]……………………………………………….. 46

Fig.11.Ubicación seleccionada para los prototipos……………………………………………. 46

Fig.12.Mapas de Brillo solar departamento de Santander[36]………………….…………… 47

Fig.13.Disposición PTAP……………………………………………………………………………… 49

Fig.14.Válvula solenoide 1/2"………………………………………………………………………. 49

Fig.15.Ubicación Válvula Solenoide y dosificación coagulante……………………………… 50

Fig.16.Bomba dosificadora de coagulante……………………………………………………….. 50

Fig.17.Vistageneral PTAP…………………………………………………………………………….. 51

Fig.18.Paneles Biopack……………………………………………………………………………….. 52

Fig.19.Sensor de nivel de agua…………………………………………………………………….. 53

Fig.20.Elementos de control por compuertas lógicas…………………………………………. 54

Fig.21.Consulta en ASDC-NASA……………………………………………………………………. 55

Fig.22.Histórico de radiación y precipitaciones en Barichara, Santander[40]……………. 57

Fig.23.Promedio anual de radiación disponible por unidad de área……………………….. 57

Fig.24.Registro de consumo de agua potable…………………………………………………… 58

Fig.25.Resultado simulación Mayo 1993…………………………………………..…………….. 62

Fig.26.Generación y demanda Mayo de 1993 situación 4 días sin generación………….. 62

Fig.27.Acumulado degeneración y consumo de energía Mayo de 1993………………….. 63

Fig.28.Generación y demanda real en experimentación……………………………………... 64

Fig.29.Acumulado de Generación y Demanda………………………………………………….. 64

Fig.30.Componente generación energía de la Microrred…………………………………...... 69

Fig.31.Diagrama Componente de demanda y control PTAP……………………………….. 69

Fig.32.Esquemático en Homer del escenario actual…………………………………………… 71

Fig.33.Resumende Costos microrred solar FV………………………………………………….. 72

Fig.34.Esquemático con generador DIESEL………………………………………………………. 73

Fig.35.ResumendecostosconGeneradorDIESEL………………………………………………….. 73

Trabajo de Grado - iv.


LISTA DE TABLAS

TABLA 1. MEJORES EFICIENCIAS REPORTADAS PARA DIVERSOS TIPOS DE CÉLULAS SOLARES [21] ...................... 26

TABLA 2. INDICADORES DE LOS RESULTADOS DEL TRABAJO DE INVESTIGACIÓN. .............................................. 31

TABLA 3. CRONOGRAMA DEL TRABAJO DE INVESTIGACIÓN. ............................................................................. 36

TABLA 4. PRESUPUESTO GLOBAL DE TRABAJO DE GRADO. ................................................................................. 37

TABLA 5. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS PTAP .................................................................................................. 48

TABLA 6. RESUMEN PARÁMETROS DE LA INFORMACIÓN DESCARGADA. ............................................................. 56

TABLA 7. CONSUMO DE AGUA Y ENERGÍA......................................................................................................... 59

TABLA 8. EJEMPLO SIMULACIÓN GENERACIÓN Y DEMANDA DE ENERGÍA ........................................................... 60

TABLA 9. SIMULACIÓN GENERACIÓN, DEMANDA Y ACUMULACIÓN DE ENERGÍA. ............................................... 61 TABLA 10. RADIACIÓN SOLAR DISPONIBLE PARA HISTÓRICO DE JUNIO 19. .................................................... 65

TABLA 11 ARQUITECTURA DEL SISTEMA CON MICRORRED ACTUAL. ................................................................. 71

Trabajo de Grado - v.


LISTA DE ANEXOS

ANEXO 1. CARTAS CLIMATOLÓGICAS AEROPUERTO PALO NEGRO .................................................................. 81

ANEXO 2. DISPOSICIÓN PANELES FV EN LA PLANTA ........................................................................................ 81

ANEXO 3. PLANOS 1 DE 3 DE DISEÑO DE LA PTAP ........................................................................................ 82



ANEXO 6. LAYOUT MICRORRED FV PTAP ...................................................................................................... 83

ANEXO 7. RENDER 1 PTAP CON MICRORRED ADOSADA ................................................................................ 84

ANEXO 8. RENDER 2 PTAP CON MICRORRED ADOSADA ................................................................................ 84

ANEXO 9. REGISTRO CON MULTÍMETRO DE INTENSIDAD DE CORRIENTE Y TENSIÓN DE UN PANEL FV ............. 85

ANEXO 10. FOTOGRAFÍA DE LA PLANTA ......................................................................................................... 85

ANEXO 11. TABLERO DE CONTROL Y SENSO DE PARÁMETROS ........................................................................ 86

ANEXO 12. MEDICIÓN DE INTENSIDAD DE CORRIENTE DE LOS DOS PANELES CONECTADOS EN PARALELO ...... 86

ANEXO 13. FOTOGRAFÍA ESTADO ACTUAL DE LA PLANTA DE POTABILIZACIÓN .............................................. 87

ANEXO 14. ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE DATA DESCARGADA DE LA NASA ...................................................... 87

ANEXO 15. CARACTERÍSTICAS DE LA BATERÍA SELLADA ................................................................................. 88

ANEXO 16. MANEJO DE DATOS Y GRÁFICAS SEGÚN INFORMACIÓN DE LA NASA ............................................ 89

ANEXO 17. MANEJO DE DATOS Y GRÁFICAS SEGÚN INFORMACIÓN DE LA NASA ........................................... 90

ANEXO 18. MANEJO DE DATOS Y GRÁFICAS SEGÚN INFORMACIÓN DE LA NASA ........................................... 91




ANEXO 22. SIMULACIÓN SEGÚN HISTÓRICO DE LA NASA .............................................................................. 95

ANEXO 23. SIMULACIÓN DE GENERACIÓN Y DEMANDA ACUMULADA .............................................................. 96

ANEXO 24. DATOS EXPERIMENTALES DEL INVERSOR CADA MINUTO MEDIDOS EN 18 DE JULIO DE 2015 ...... 96

ANEXO 25. INFORMACIÓN Y GRÁFICAS DE EXPERIMENTACIÓN EL 7 DE JUNIO DE 2015 ................................. 97

ANEXO 26. INFORMACIÓN Y GRÁFICAS DE EXPERIMENTACIÓN EL 18 DE JUNIO DE 2015 .............................. 97

ANEXO 27. INFORMACIÓN Y GRÁFICAS DE EXPERIMENTACIÓN EL 7 DE JUNIO DE 2015 ................................. 98

ANEXO 28. INFORMACIÓN Y GRÁFICAS DE EXPERIMENTACIÓN EL 18 DE JUNIO DE 2015 ............................. 98

Trabajo de Grado – “Diseño, construcción y operación de la microred solar fotovoltaica para la automatización de una planta compacta de potabilización de agua en zonas no interconectadas”. Hoja: 7 De: 102.

RESUMEN

Título: Diseño, construcción y operación de la microrred solar

fotovoltaica para la automatización de planta compacta

de potabilización de agua en zonas no interconectadas.

Director M.Sc. Jesús Manuel Epalza Contreras, [email protected]

Autor: Otto Ferney Bayona Peñaloza, [email protected]

Tipo de Investigación: Experimental

Costo Total: $ 18.536.172,00

SON: DIEZ Y OCHO MILLONES QUINIENTOS TREINTA Y SEIS

MIL CIENTO SETENTA Y DOS PESOS M/L.

Plazo 6 meses

Programa Nacional de

Ciencia y Tecnología:

Posibles Entidades

Interesadas en los

Resultados

Instituto de Planificación y Promoción de Soluciones Energéticas

para las Zonas no Interconectadas –IPSE-

Fondo de apoyo financiero para la energización de las ZNI

Gobernación de Santander, Plan Departamental de Aguas-PDA-

Breve reseña:

Proporcionar acceso al agua y la energía impacta profundamente una comunidad en términos de mejora de la calidad de vida, la educación y el medio ambiente. El presente trabajo de investigación demuestra el diseño, la construcción y operación de una microrred solar fotovoltaica -FV- para suplir requerimientos energéticos de una planta compacta de bajo costo para la purificación del agua en Barichara (Santander). La viabilidad de la planta se calcula por las variaciones en la demanda de agua, y el consumo de energía de la planta en una escala de tiempo de 1 año. Se encuentra que una radiación media de 5,34 kwh/m

2/d es suficiente para

satisfacer la demanda de energía de la planta de tratamiento de agua fuera de la red para cubrir las necesidades de agua de un pequeño grupo de personas en un período de un año; estos resultados permiten dilucidar la viabilidad y fiabilidad del desarrollo de sistemas así o más complejos en áreas que no están conectados al sistema nacional de suministro de electricidad en Colombia.

Trabajo de Grado – “Diseño, construcción y operación de la microrred solar fotovoltaica para la automatización de una planta compacta de potabilización de agua en zonas no interconectadas”. Hoja: 8 De: 102.

1. INTRODUCCIÓN.

El sector energético colombiano comprende diversas entidades y empresas que cumplen con funciones de generación, transmisión, comercialización y distribución de energía para el mercado interno y mercados internacionales. El sector está en cabeza de la Presidencia de la República y se representa en el Departamento Nacional de Planeación, el Ministerio de Hacienda y Crédito Público y el Ministerio de Minas y Energía (MME). Según el MME son trece las principales empresas electrificadoras encargadas de prestar el servicio de energía en Colombia, entre ellas CODENSA, Emgesa y las filiales de EPM, ISA (transporte), ISAGEN (genera y comercializa), Electrificadora de Caquetá S.A., Empresa Distribuidora del Pacífico, Electrificadora del Huila, Electrificadora del Meta, Centrales Eléctricas de Nariño, Electrificadora del Tolima, Centrales Eléctricas del Cauca, Empresa de Energía del Amazonas, Gestión Energética S.A., Corporación Eléctrica de la Costa Atlántica y la Generadora y Comercializadora de Energía del Caribe[1].

Sin embargo, a pesar de registros de la Unidad Minero Energética -UPME- [2] en cuanto al Índice de Cobertura de Energía Eléctrica –ICEE- con porcentajes a 2012 del 96,10%, desagregados en urbano 99,59% y rural 84,84%, aún existen Zonas no Interconectadas (ZNI) al Sistema Interconectado Nacional (SIN), así como poblaciones cuya capacidad de distribución energética no es óptima y donde la prestación del servicio se hace principalmente mediante plantas de generación diésel por supuesto altamente contaminantes, con paneles solares y pequeñas centrales hidroeléctricas[3], que no abastecen de manera suficiente y efectiva la energía necesaria para el funcionamiento de por ejemplo, plantas de tratamiento de agua potable.

Teniendo en cuenta lo anterior, se propuso el proyecto diseño, Construcción y operación de la microrred solar fotovoltaica para automatización de una planta compacta de potabilización de agua en zonas no interconectadas, con el objetivo de establecer un proceso de diseño estándar para el sistema de generación de energía con tecnología solar fotovoltaica (microrred), que le otorgara autonomía a una planta de potabilización de agua.

Se siguió una metodología cuantitativa y de corte experimental, en tanto direccionó el diseño del sistema teniendo en cuenta criterios como facilidad de acceso y factores de seguridad para los equipos. También orientó la implementación de la microrred diseñada en un escenario real en el municipio de Barichara -Santander-. Dicha elección brinda las condiciones de una ZNI, por lo que además permite normalizar las condiciones de operación del sistema en una plantas compacta de potabilización de agua; cuestión que validó a su vez, la instalación masiva de este sistema en los lugares donde se requieren.


Finalmente, se presentan los resultados de eficiencia de la microrred solar fotovoltaica; como alternativa viable de generación de energía eléctrica en el desempeño de una PTAP compacta.


2. FORMULACIÓN/DECLARACIÓN DEL PROBLEMA.

A pesar de registros de la Unidad Minero Energética -UPME-[2] en cuanto al Índice de Cobertura de Energía Eléctrica –ICEE- con porcentajes a 2012 del 96,10%, desagregados en urbano 99,59% y rural 84,84%, aún existen Zonas no Interconectadas (ZNI) al Sistema Interconectado Nacional (SIN). Resulta alarmante que según resultados obtenidos del Plan indicativo de cobertura 2013-2017, hay un total de 470.244 viviendas sin servicio de energía eléctrica –VSS- y si se diera el escenario de evaluación en el que se implementan soluciones de generación distribuida con posibilidad de interconexión de tipo Diesel en dichas zonas, aún habría 55.809 viviendas sin servicio, que equivalen al 12% aproximadamente, sin ninguna posibilidad de interconexión[4].

Así mismo, existen en el territorio nacional poblaciones cuya calidad de distribución energética no es óptima y donde la prestación del servicio se hace principalmente mediante plantas de generación diesel-altamente contaminantes-, paneles solares y pequeñas centrales hidroeléctricas [3], que no abastecen de manera suficiente y efectiva la energía necesaria para el funcionamiento de por ejemplo, plantas de tratamiento de agua potable convencionales.

Sumado a lo anterior, generalmente estas regiones tienen problemas de abastecimiento de agua potable; “para 2015 un año seco, el 66% de los municipios de las regiones Andina y Caribe tendrán un alto grado de desabastecimiento de sus acueductos”[5].

El departamento de Santander en particular presenta varios municipios con un índice alto de escasez y vulnerabilidad por disponibilidad de agua entre ellos se encuentra Barichara, Bucaramanga, Floridablanca, Barrancabermeja, Enciso, San Miguel y Cepitá [6].

Así mismo, en los departamentos de Guajira, Cesar, Santander, Boyacá, Quindío y Nariño, entre el 25% y el 50% de los municipios reseñan en los planes de desarrollo que el servicio de acueducto es interrumpido. Además, en los departamentos de Tolima y Huila, entre el 50% y el 75% de los municipios reseña la falta de continuidad en el servicio de acueducto. Por otro lado, sólo en los departamentos de Arauca, Caldas, Risaralda, Valle, Vichada y Vaupés, más del 75% de los municipios tienen un servicio de acueducto sin interrupciones[7].

Teniendo en cuenta lo mencionado anteriormente, se formuló el problema de investigación de sí:

¿Es posible mejorar las condiciones de una ZNI en cuanto a cobertura y calidad energética y abastecimiento de agua potable, gracias al diseño, construcción y operación de una microrred solar fotovoltaica Off-grid carga


AC y DC con acumulador, para la automatización de planta compacta de potabilización de agua?


3. ANTECEDENTES, MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL.

3.1 ANTECEDENTES

Con el aumento de la población y la industrialización y el agotamiento de recursos de clase combustibles fósiles, la utilización de la energía solar ha ganado popularidad en el ámbito mundial. A diferencia de los sistemas actuales, esta energía es renovable, genera nimias cantidades de residuos y es ambientalmente sostenible. Sin embargo, se debe afrontar un número de barreras y obstáculos tales como: diseños adecuados de producción y distribución, viabilidad operativa y económica, financiación y factores de riesgo involucrados en la ejecución, entre otros, con el fin de asegurar la implementación exitosa de este tipo de tecnologías. En décadas anteriores, estas tecnologías poseían altos costos, pero el descenso rápido y continuo de los precios de los sistemas Fotovoltaicos o “FV” ha demostrado que ahora su costo es competitivo en comparación con el de los recursos energéticos convencionales[8]. De otro lado, está el hecho de que los gobiernos incentiven su desarrollo e implementación mediante leyes de apoyo, políticas y ayudas financieras.

Hoy en día en Colombia, como lo describe Rafael Ladino: “La energía es un factor fundamental para el desarrollo de las comunidades urbanas y rurales; en nuestro país es evidente que aquellas comunidades apartadas en la geografía colombiana, -en lo que algunos autores denominan la Colombia olvidada- presentan problemas de abastecimiento de agua, saneamiento básico, baja cobertura de luminosidad en la noche, falta de comunicaciones, lo cual repercute en los índices de calidad de vida y desarrollo por la falta de este servicio” [9]. Sin embargo es destacable que dentro de los objetivos y estrategias del Plan Energético Nacional se enuncia la energía solar fotovoltaica y sus diferentes tecnologías como alternativas energéticas, mediante programas de masificación de diseños para el aprovechamiento de la luz y el calor en vivienda unifamiliar [10]. Los tiempos estimados de pago de dichos proyectos rodean 25 años. En este orden de ideas, es posible concebir la paridad de costos entre tecnologías debido en gran medida a la impredecible variación de precios del petróleo que abaratan o encarecen las materias primas para la elaboración de microrredes fotovoltaicas [10].

Con respecto al diseño de sistemas fotovoltaicos, se debe partir de que la optimización del diseño ingenieril de microrredes permite una mejoría significativa en la coordinación entre la red de distribución convencional de energíay los generadores distribuidos. La producción de células fotovoltaicas con una mejor eficiencia y calidad de potencia a través de los sistemas de control de despacho más sofisticados. En este punto es importante conocer las fluctuaciones tanto en los requerimientos energéticos como en la oferta fotovoltaica. Frakagiet al [11]


demostraron que existen variaciones significativas en los requerimientos de almacenamiento energético durante tiempos largos con algunas tendencias en el comportamiento entre años, ello permite identificar características detalladas de los datos de radiación solar, que afectan el almacenamiento de energía a largo plazo. Por su parte, Ghafoor et al [8], a partir de la aplicación de un sistema fotovoltaico fuera de la red para cumplir con la carga requerida por una casa residencial en Faisalabad (Pakistán), encontraron que en una región como la mencionada el costo unitario de la electricidad generada utilizando el sistema FV fuera de la red es menor que la de red convencional de suministro eléctrico a las áreas residenciales. Este modelo se puede utilizar para diseñar y evaluar la viabilidad económica de fuera de la red de electrificación fotovoltaica en cualquier ubicación geográfica del mundo con saber los datos de entrada, radiación, el costo de la energía convencional, así como los precios de mercado de los componentes de la red fotovoltaica aislada. En el trabajo mencionado [5], también se llegó a la conclusión de que la electricidad fotovoltaica aislada es técnica y económicamente viable para la electrificación y usos residenciales en las condiciones tropicales de Pakistán. Una investigación más compleja realizada por Maet al [12] donde se evaluó el rendimiento global de un sistema fotovoltaico autónomo durante 2011, destacó el campo fotovoltaico, inversores y la eficiencia de ida y vuelta del banco de baterías durante el año fue de 74.3 % , con los valores del SOC encima del 50% el 88 % del año. El grupo referenciado también halló que el bajo coeficiente de utilización de la energía de carga y la falta de correspondencia entre la producción y el consumo de energía demuestran que es indispensable una selección del diseño óptimo de las capacidades del banco fotovoltaico de baterías y tener en cuenta aspectos técnicos (por ejemplo, la calidad del suministro/fiabilidad, eficiencia energética), problemas económicos (por ejemplo, costos de energía) y cuestiones sociales (futura expansión)[12].

Otras consideraciones presentes a la hora de diseñar sistemas fotovoltaicos es la cantidad de datos previos, pues entre más larga sea la serie de tiempo, más precisos serán los resultados; así mismo, las correlaciones día a día de la radiación solar también son fundamentales para determinar el tamaño del sistema, teniendo en cuenta que los valores promedio mensuales pueden ocultar una gran cantidad de información con respecto a la radiación disponible para años caracterizados por secuencias de baja radiación solar. Técnicamente la incertidumbre en la capacidad de almacenamiento mínima requerida se puede aminorar significativamente por la elección de una combinación de un arreglo grande y un tamaño de almacenamiento más pequeño, que reduce significativamente las pérdidas de carga en caso de una secuencia imprevista desfavorable de la radiación solar.

De igual manera, la automatización y control de los procesos constituyen una mejora del desempeño de los sistemas FV aislados, por cuanto permiten limitar el factor de intervención humano en cualquier punto, a fallas eventuales.


En la actualidad y según los criterios de diseño de sistemas FV sugeridos por la UPME [13], la implementación de tales sistemas en zonas no interconectadas es viable económica y socialmente siempre y cuando se cumplan los programas planteados y comunicados a los habitantes sobre uso racional de energía. En conclusión puede suceder lo que algunos expertos, denomina “paradoja de Jevon´s” sobre la demanda por la adhesión de un nuevo servicio o el incremento en su disponibilidad[14]. Para el caso del presente proyecto, en cuanto a garantizar la satisfacción de la demanda actual y futura de energía o el acceso al agua potable.

Antecedente de lo anterior, es el trabajo desarrollado por Tina y Grasso[15], que describe la implementación de un sistema de adquisición de datos mediante monitoreo remoto en seis meses en una aplicación web. Estos investigadores concluyeron que la detección temprana de fallas ahorra dinero, mejora la fiabilidad de las fuentes de energía renovables de suministro; y sostienen que los datos medidos se pueden utilizar para mejorar el rendimiento general del sistema.

En cuanto al procesamiento posterior de los datos medidos utilizado para comprobar el diseño inicial y el tamaño del sistema, se destaca la investigación desarrollada por Aristizabal y Gordillo [16], quienes durante dos años monitorearon el desempeño operacional del primer sistema BIPV conectado a red instalada en Bogotá mediante la instrumentación virtual de concepto. Estos resultados permitieron la evaluación del desempeño general y la calidad de la energía eléctrica generada por la instalación fotovoltaica; y se concluyó que este tipo de sistemas conectados a la red cumplen las especificaciones exigidas de estándares nacionales e internacionales.

En el tema de la irradiación solar global que llega a la superficie terrestre, diversos estudios confirman que se puede considerar como la suma de tres componentes asociados a los fenómenos que sufre la radiación al atravesar la atmósfera e incidir sobre la propia superficie de la Tierra. Estos componentes son:

- Radiación directa: energía proveniente directamente del disco solar.

- Radiación difusa: energía proveniente de todo el hemisferio celeste a excepción del disco solar. El origen de esta radiación se encuentra en la reflexión y dispersión de radiación directa por las nubes, los gases de la atmósfera y sustancias en suspensión como polvo o aerosoles.

- Radiación de albedo: energía directa que ha sido reflejada hacia el generador. [17]

Teniendo en cuenta lo anterior existen metodologías para predecir tanto el comportamiento del sistema fotovoltaico como las pérdidas por baja irradiación. Para el caso colombiano, los autores Mulcué-Nieto y Mora-López [18] determinaron que aunque se pueden utilizar prácticamente todo tipo de cubiertas fachadas en Colombia, no es posible usarlas en latitudes bajo 7°. En cuanto a los


límites de pérdidas por sombras, ellos son inferiores a los autorizados para España, esto debido a que el país tiene una mayor fracción de la radiación difusa que el europeo. Esto es coherente cuando se compara la cantidad de irradiación que se puede perder debido a la sombra, es decir, la suma de la difusa circunsolar y componentes directos. Esta cifra fue menor en 2009 en Colombia que en España, con un 67% y 84%, respectivamente. Para establecer un porcentaje límite de pérdida sola debido a la sombra para toda la Colombia, este debe ser igual al 16%.

Aquí vale destacar los aportes de descritos en [19] quienes desarrollaron un programa que permite predecir el comportamiento de un sistema fotovoltaico. La metodología desarrollada en este estudio permitió determinar las funciones de densidad de probabilidad que representan de una manera estadísticamente fiable el comportamiento de la radiación y la temperatura a partir de mediciones reales; así como la definición de polinomios estadísticamente fiables que superan los problemas conectados a dicho procedimiento. Esto admite deducir que es deseable tener una buena base de datos para lograr una mejor predicción de los resultados y que la metodología desarrollada en este trabajo [19], permite la predicción del comportamiento en estado estacionario eléctrica de la red de distribución de una manera estadísticamente confiable; el estudio de la potencia máxima nominal de generación que debe instalarse antes de condiciones inusuales en los voltajes y las corrientes se generan; colabora a que los usuarios logren obtener la óptima generación de energía para minimizar pérdidas de la red, que tendrá un valor favorable por hora. Sin embargo, en este punto vale aclarar que para una mejor optimización, se sugiere que esta tecnología se implemente junto a SmartsGrids, para que se regule automáticamente la generación.

3.2 MARCO TEÓRICO

3.2.1 Teoría solar fotovoltaica

El efecto fotovoltaico fue descubierto en 1839 por Becquerel, mientras estudiaba la incidencia de la luz en las células electrolíticas [20]. Este efecto consiste en la conversión directa de la luz incidente en electricidad por una unión de semiconductores [21]. Aunque el fenómeno fue conocido por casi un siglo, el logro generalmente aceptado en la era moderna de la generación de energía FV fue la producción en 1954 de una célula solar de silicio cristalino 6%[21]. A partir de allí las células solares se desarrollaron rápidamente debido a los programas espaciales pues se usaban en satélites (Si cristalino, o c-Si, para células solares con eficiencia de 6-10%). La crisis energética de la década de 1970 en gran medida estimulo la investigación y desarrollo (I+D) en tecnología fotovoltaica.


Desde el principio se hizo evidente que tales células solares eran una manera conveniente de generar energía en lugares remotos por ejemplo para la alimentación de equipos de comunicaciones o estaciones meteorológicas e ideal para el suministro de energía para los satélites y los vehículos que se estaban desarrollando para la industria espacial en rápida expansión. Ahora la tecnología también se ha desplegado para una amplia gama de aplicaciones, incluyendo el suministro de energía para productos de consumo como calculadoras electrónicas, las luces del jardín y para suministrar energía en los países en desarrollo, por ejemplo para el bombeo de agua y alumbrado público.

Implicaciones

Una vez desarrollada la tecnología FV, en la década de 1980 los investigadores comenzaron a considerar las implicaciones ambientales de esta tecnología por la presión aplicada por la comunidad científica que pedía que todos los costos de los sistemas de energía, renovables y tradicionales, debieran tenerse en cuenta. La crisis del petróleo había demostrado la necesidad de reducir la dependencia externa, mientras que el accidente de Chernobyl había alertado al mundo sobre los peligros de la energía nuclear. Otros problemas ambientales como el calentamiento global y la lluvia ácida también reiteraron la necesidad de disminuir la dependencia de los combustibles fósiles[21].

Un taller Américo-Alemán se organizó en Ladenburg, Alemania en octubre de 1990 para discutir los ''Los costes ambientales externos de la Energía Eléctrica: Análisis e internalización''. En este taller consideraron los daños ambientales y las formas en que los costos ambientales pueden ser internalizados. La tecnología fotovoltaica no se discutió específicamente en este taller; Sin embargo, los impactos de los costes externos en materia de energía eólica se cubrieron y esto fue relevante para la industria fotovoltaica. El grupo de Ottinger en la Universidad Pace, publicó un extenso análisis de costos vs riesgos ambientales y abordó todas las tecnologías de generación de electricidad, incluidas las instalaciones fotovoltaicas. También se discutieron varios modelos de costos ambientales, lo que ha sido la base de muchos de los estudios sobre los costes externos-ambientales que se han publicado. Sorensen publicó un extenso informe sobre el análisis de ciclo de vida en relación con los sistemas de energía.

Más adelante surgió el proyecto ExternE, introducido y financiado por la Comisión Europea con el fin de desarrollar una metodología para el cálculo de los costes externos causados por el consumo de energía y la producción. Los costes externos se definen como la cuantificación monetaria del daño socio-ambiental, expresada en céntimos de euro/kwh, con la posibilidad de proporcionar una base científica para las decisiones políticas y propuestas legislativas, como la subvención de tecnologías más limpias y los impuestos energéticos para internalizar los costes externos. El proyecto ExternE mira a todas las tecnologías de producción de energía utilizando una metodología que permite a los distintos ciclos de combustible ser comparados. Sin embargo, el estudio inicial se aplicó a


una muestra muy pequeña de los sistemas fotovoltaicos y los resultados no son consistentes. Ha habido mucha presión de la industria FV para que se rehaga un estudio con los mismos lineamientos pero utilizando una muestra más amplia de los sistemas más representativos.

Actualmente el análisis del ciclo de vida se usa como herramienta analítica para las células fotovoltaicas. El ciclo de vida de un producto comienza cuando las materias primas se extraen de la tierra, seguido de la producción, transporte, uso y termina con la gestión de residuos, incluido el reciclado y disposición final. A menudo se llama enfoque "de la cuna a la tumba". Hoy día se están realizando esfuerzos para encontrar una metodología común para usar que proporcionará un consenso entre los grupos que trabajan en este ámbito. La CE a través de su Centro Común de Investigación de Ispra, organizó un taller en marzo de 2004 con el fin de reunir a todos los expertos en el campo en dos áreas, Análisis de Ciclo de Vida y reciclaje; realizaron un examen completo de los temas y los métodos utilizados.

Los científicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven en los EE.UU., han estado publicando información, en temas de salud y ambiente, de interés para la industria fotovoltaica desde 1970 en su mayoría financiados por el Departamento de Energía de los Estados Unidos. El trabajo fue iniciado por Moskowitz y luego continuó hasta el día de hoy por Fthenakis. Fueron los primeros estudios de Moskowitz los que alertaron a la industria fotovoltaica y científicos del medio ambiente de los posibles riesgos asociados con la fabricación, uso y eliminación de los módulos fotovoltaicos. En 1995, publicaron un estudio integral de la salud y del medio ambiente cuestiones de la fabricación, uso y eliminación de células delgadas película[22]. Examinaron los peligros asociados con la producción y el uso de Si, CdTe y módulos de película delgada de la CEI. Centrándose en el potencial de los trabajadores de estar expuestos en las instalaciones de fabricación a bajos niveles crónicos de Cd. Asimismo, revisar los reglamentos y las opciones de control que puedan minimizar los riesgos para los trabajadores. También discuten las opciones de reciclaje y eliminación de módulos. Las conclusiones de este estudio son que la fabricación a gran escala de Si, CdTe y CIS células delgadas fotovoltaicas película puede presentar riesgos de salud y seguridad si no se toman las precauciones adecuadas. Los peligros más significantes de seguridad están relacionados con el uso de pirofóricas SiH4 en la fabricación de células de silicio amorfo. Los efectos sobre la salud están relacionados principalmente con compuestos de Cd, y como existe relativamente poca información disponible sobre la inhalación de tales compuestos, luego la exposición a ellos debe ser estrictamente controlada. Hynes, Baumann y compañeros de trabajo en el Reino Unido han publicado varios trabajos sobre los aspectos ambientales de procesos de deposición de paneles de película delgada. Estos incluyen la evaluación del riesgo ambiental y la evaluación de riesgos de la fabricación de células de película delgada basadas en CIGS lm FV [23] la deposición de baño químico de CdS [24] y la deposición de materiales para


ventanas alternativas a CdS para su uso en módulos de película delgada [25]. Steinberger, del Instituto Fraunhofer de Munich ha investigado los riesgos de módulos de película delgada de CdTe y CIS en la fase de operación [26], teniendo en cuenta los peligros que pueden ocurrir debido al fuego, el tiempo en influencias o daños del módulo debido a un mal manejo. Steinberger primero indentificó la cantidad de material en los módulos y luego investigó las concentraciones de selenio, cadmio y telurio en el aire debido a un incendio que duró aproximadamente 1 h. Sus resultados muestran que no existe peligro agudo que plantee este tipo de fuegos, y que las emisiones de cadmio o selenio a partir de la quema de un módulo FV son menos que los que recibieron por una central eléctrica de carbón en funcionamiento normal. Fthenakis [27] ha considerado las emisiones de cadmio de teluro de cadmio células de película delgada. Ha tomado un enfoque de la cuna a la tumba y llega a algunas conclusiones interesantes. El Cd presente en una batería NieCd es elemental Cd y no CdTe, una forma mucho más estable e insoluble. El carbón y las plantas de energía de petróleo producen rutinariamente emisiones de Cd, mientras que una célula fotovoltaica no produce emisiones de Cd durante su funcionamiento. El Cd se produce como un subproducto de la producción de zinc, puede ser usado o descargado en el medio ambiente, donde normalmente es enterrado como residuos peligrosos. El encapsulado de CdTe en un módulo fotovoltaico es un método mucho más amigable con el medio ambiente que la eliminación.

3.3 MARCO CONCEPTUAL

3.3.1 “Energía”

La energía se define como la entidad intangible por medio de la cual podemos generar movimiento, trabajo y calor, la energía junto con la materia son los 2 ingredientes básicos que componen todo el universo que nos rodea. La energía es la fuente invisible que mantiene unido a los átomos y partículas subatómicas que componen toda la materia del universo, también es la fuente por medio la cual podemos aplicar movimiento a la materia, la materia es sustancia y la energía es lo que mueve a la sustancia.

Un pilar básico y fundamental de la física es el Principio de la conservación de la energía, dicho principio nos indica que la energía no se crea ni se destruye sólo se transforma, por ejemplo en nuestro automóvil una parte de la energía química almacenada en el combustible la utilizamos para generar movimiento a las ruedas como energía mecánica y la otra parte se disipa en forma de calor o en energía térmica, es decir toda la energía química solo se ha transformado en energía mecánica y en energía térmica.


Por otro lado utilizamos diferentes fuentes de energía presentes en la naturaleza para alimentar múltiples máquinas y dispositivos que realizan trabajo y nos ayudan en nuestra vida cotidiana, así pues utilizamos la energía eléctrica para hacer funcionar multitud de máquinas como ordenadores, fotocopiadoras, motores, lámparas... Utilizamos la energía química almacenada en minerales y gases para generar calor o producir movimiento a nuestros vehículos así como utilizamos la energía solar y la energía gravitacional para desplazar a nuestros satélites y aeronaves por el espacio, somos unos grandes consumidores de energía.

Gracias a la famosa ecuación de Einstein e=mc2 la física demostró la realidad de que todo lo que nos rodea es energía, los átomos, las moléculas, los seres vivos, los planetas, las galaxias y todo el vasto universo son en última instancia energía. La teoría del big bang indica como el origen del universo se creó a raíz de una gran explosión de energía la cual genero las partículas fundamentales que componen toda la materia de nuestro universo.

Esta ecuación demostró que la materia es energía y la energía es materia, mientras que la materia es una entidad física que ocupa un espacio y posee masa la energía es un concepto abstracto e inmaterial que sabemos que existe pero no podemos verla, podemos afirmar que la materia es la representación física de la energía.

Formas de la energía

La energía puede presentarse o manifestarse de diferentes formas, todo cuerpo material es capaz de poseer energía en función de su movimiento, posición, temperatura, masa, composición química así como otras propiedades, es necesario conocer las diferentes formas en las que se manifiesta la energía con el objetivo de extraerla y utilizarla para nuestros fines, en la siguiente lista puedes encontrar las formas más comunes en las que la energía suele presentarse en la naturaleza:

Mecánica que es el resultado de la suma de la energía cinética y potencial que posee cualquier cuerpo en función de su movimiento y posición. Térmica como resultado de la temperatura interna que posee cualquier sustancia, la utilizamos para calentar agua, generar movimiento o calor entre otras aplicaciones. Eléctrica originada por el movimiento de cargas eléctricas las cuales utilizamos para producir luz artificial, generar calor y magnetismo. Química es la que se produce en las reacciones químicas como en una pila. Radiante proveniente de las ondas electromagnéticas como la luz, las microondas o los infrarrojos. (Esta es la que el profe te dice que evites frases de una sola oración!)

Nuclear es la energía que se encuentra almacenada en los átomos la cual se libera y se utiliza en las centrales nucleares para la generación de energía eléctrica.


Por otro lado los últimos descubrimientos físicos y cosmológicos han demostrado la existencia de una nueva y misteriosa energía que hace que nuestro universo se expanda a gran velocidad, una energía fruto de una fuerza repulsiva bautizada con el nombre de energía oscura la cual equivale al 72% de la energía presente en todo nuestro universo.

Fuentes de energía

Las fuentes de energía son los recursos disponibles en la naturaleza por medio del cual los humanos extraemos la energía que utilizamos para alguna utilidad, podemos clasificar las fuentes energéticas presentes en la naturaleza en función de su disponibilidad, así pues disponemos de fuentes de energías renovables y no renovables.

Las fuentes renovables son aquellas que siempre están presentes en nuestro sistema o que tienen la propiedad de regenerarse en un corto espacio de tiempo y por ello las podemos considerar como recursos ilimitados, energías como la luz solar, la eólica, la geotérmica o la hidráulica son ejemplos entre otros.

Las fuentes no renovables son aquellas las cuales no pueden regenerase en un espacio relativamente corto de tiempo siendo considerados unos recursos limitados como son las energías provenientes de los combustibles fósiles tales como el gas natural o el petróleo.

3.3.2 “Regulador de carga”

Es el dispositivo encargado de proteger a la batería frente a sobrecargas y sobre descargas profundas.

El regulador de tensión controla constantemente el estado de carga de las baterías y regula la intensidad de carga de las mismas para alargar su vida útil. También genera alarmas en función del estado de dicha carga.

Los reguladores actuales introducen microcontroladores para la correcta gestión de un sistema fotovoltaico. Su programación elaborada permite un control capaz de adaptarse a las distintas situaciones de forma automática, permitiendo la modificación manual de sus parámetros de funcionamiento para instalaciones especiales. Incluso los hay que memorizan datos que permiten conocer cuál ha sido la evolución de la instalación durante un tiempo determinado.

Para ello, consideran los valores de tensión, temperatura, intensidad de carga y descarga, y capacidad del acumulador.

Existen dos tipos de reguladores de carga, los lineales y los conmutados para la selección del adecuado se ha de tener en cuenta la tensión nominal del sistema que en este caso será 12V y la intensidad nominal que ha de ser mayor que la recibida en total del campo de paneles FV.


3.3.3 “Diseño”

Se define como el proceso previo de configuración mental, "pre-figuración", en la búsqueda de una solución en cualquier campo. Utilizado en el contexto de la industria e ingeniería de este caso específico.

3.3.4 Instalación fotovoltaica aislada de red

Componentes

Generador Fotovoltaico: Grupo de paneles fotovoltaicos interconectados para el aprovechamiento de la radiación solar del lugar.

Regulador de carga y grupo de baterías. El regulador de carga se encarga, principalmente, de evitar la descarga profunda de las baterías o la sobrecarga de las mismas, alargando de esta forma su vida útil. Las baterías acumulan la energía producida por el sistema de generación para que la vivienda disponga de suministro en los momentos en que ninguno de los generadores de la instalación está produciendo energía por falta de sol. Y también en los momentos en que la demanda energética de la misma es superior a la generada en esos instantes por los paneles FV. Se plantea el diseño de una microrred porque es considerada como un conjunto de carga y generación inteligente que ofrece muchas ventajas para el sistema. Los beneficios importantes son el aumento de fuentes de energías renovables y la profundidad de la penetración en el mercado de éstas, la disminución de emisiones al medio ambiente, la utilización de calor residual, la prestación de servicios auxiliares, el equilibrio entre la generación y el consumo, y la fuente de alimentación de respaldo continuo de los procesos redundantes y sensibles [3]. Los recursos renovables, como la eólica y la solar fotovoltaica (FV) son naturalmente intermitente y, por tanto, los sistemas de almacenamiento de energía como la batería pueden ser explotados conjuntamente con ellos para compensar esta desventaja.

3.3.5 “Células y paneles fotovoltaicos”

Una célula solar produce 2w aproximadamente. Los módulos tienen entre 40 y 100 células conectadas todas entre ellas y al conjunto de células solares se les denominan módulo o panel fotovoltaico.

Los principios de funcionamiento de las células solares han sido discutidos en la literatura[28]. Las células fotovoltaicas se fabrican con semiconductores que son elementos que tienen una conductividad eléctrica muy pequeña, pero superior a la de un aislante, los más utilizados son los de silicio por ser un material abundante. En una celda fotovoltaica básicamente sucede que cuando los rayos del sol inciden, los fotones con energías mayores que el intervalo de banda de energía del semiconductor se absorben, promoviendo electrones de la banda de valencia a la banda de conducción, dejando un número correspondiente de orificios en la


banda de valencia. Si se generan los pares electrón-hueco dentro de la región de agotamiento de la unión P-N el campo eléctrico presente en la región de agotamiento los separa y los lleva a través de una carga externa. La corriente se mantendrá mientras la célula esté iluminada[29].

3.3.6 “Generador fotovoltaico”

Se conocen popularmente como paneles solares o placas solares. Son los encargados de transformar la energía del sol en energía eléctrica. Su orientación ideal es hacia el Sur geográfico y con una inclinación equivalente a la latitud del lugar donde se vaya a realizar la instalación.

3.3.7 “Acumulador o batería”

La función prioritaria de las baterías en un sistema de generación fotovoltaico es la de acumular la energía que se produce durante las horas de luminosidad para poder ser utilizada en la noche o durante periodos prolongados de mal tiempo.

Otra importante función de las baterías es la de proveer una intensidad de corriente superior a la que el dispositivo fotovoltaico puede entregar. Tal es el caso de un motor, que en el momento del arranque puede demandar una corriente de 4 a 6 veces su corriente nominal durante unos pocos segundos.

Normalmente el banco de baterías y los módulos fotovoltaicos trabajan conjuntamente para alimentar las cargas. La entrega de energía a la carga se distribuye a lo largo del día. Durante la noche toda la energía demandada por la carga la provee el banco de baterías. En horas tempranas de la mañana los módulos comienzan a generar, pero si la corriente que entregan es menor que la que la carga exige, la batería deberá contribuir en el aporte. A partir de una determinada hora de la mañana la energía generada por los módulos fotovoltaicos superada la energía promedio demandada. Los módulos no solo atenderán la demanda sino que además, todo exceso se almacenara en la batería que empezara a cargarse y a recuperarse de su descarga de la noche anterior. Finalmente durante la tarde, la corriente generada decrece y cualquier diferencia con la demanda la entrega a la batería. En la noche, la generación es nula y todo el consumo lo afronta la batería.

3.3.8 “Baterías de plomo - ácido de electrolito liquido”

Las baterías de plomo - ácido se aplican ampliamente en los sistemas de generación fotovoltaicos.

Dentro de la categoría plomo - ácido, las de plomo - antimonio, plomo - selenio y plomo - calcio son las más comunes.

La unidad de construcción básica de una batería es la celda de 2 Volts.


Dentro de la celda, la tensión real de la batería depende de su estado de carga, si está cargando, descargando o en circuito abierto.

En general, la tensión de una celda varía entre 1,75 Volts y 2,5 Volts, siendo el promedio alrededor de 2 Volts, tensión que se suele llamar nominal de la celda.

Cuando las celdas de 2 Volts se conectan en serie (POSITIVO A NEGATIVO) las tensiones de las celdas se suman, obteniéndose de esta manera, baterías de 4,6,12 Volts, etc...

Si las baterías están conectadas en paralelo (POSITIVO A POSITIVO Y NEGATIVO A NEGATIVO) las tensiones no cambian, pero se sumaran sus capacidades de corriente. Solo se deben conectar en paralelo baterías de igual tensión y capacidad.

Se puede hacer una clasificación de las baterías en base a su capacidad de almacenamiento de energía (medido en Ah a la tensión nominal) y a su ciclo de vida (número de veces en que la batería puede ser descargada y cargada a fondo antes de que se agote su vida útil).

La capacidad de almacenaje de energía de una batería depende de la velocidad de descarga. La capacidad nominal que la caracteriza corresponde a un tiempo de descarga de 10 horas. Cuanto mayor es el tiempo de descarga, mayor es la cantidad de energía que la batería entrega. Un tiempo de descarga típico en sistemas fotovoltaicos es 100 hs. Por ejemplo, una batería que posee una capacidad de 80 Ah en 10 hs (capacidad nominal) tendrá 100 Ah de capacidad en 100 hs.

Dentro de las baterías de plomo - ácido, las denominadas estacionarias de bajo contenido de antimonio son una buena opción en sistemas fotovoltaicos. Ellas poseen unos 2500 ciclos de vida cuando la profundidad de descarga es de un 20 % (es decir que la batería estará con un 80 % de su carga) y unos 1200 ciclos cuando la profundidad de descarga es del 50 % (batería con 50 % de su carga).

Las baterías estacionarias poseen además, una baja auto-descarga (3 % mensual aproximadamente contra un 20 % de una batería de plomo - ácido convencional) y un reducido mantenimiento.

Dentro de estas características se encuadran también las baterías de plomo-calcio y plomo- selenio, que poseen una baja resistencia interna, valores despreciables de gasificación y una baja auto descarga.

3.3.9 “Baterías selladas”

Gelificadas

Estas baterías incorporan un electrolito del tipo gel con consistencia que puede variar desde un estado muy denso al de consistencia similar a una jalea. No se


derraman, pueden montarse en casi cualquier posición y no admiten descargas profundas.

Electrolito absorbido

El electrolito se encuentra absorbido en una fibra de vidrio micro poroso o en un entramado de fibra polimérica. Al igual que las anteriores no se derraman, admiten cualquier posición y admiten descargas moderadas.

Tanto estas baterías como las Gelificadas no requieren mantenimiento en forma de agregado de agua, no desarrollan gases evitando el riesgo de explosión, pero ambas requieren descargas poco profundas durante su vida de servicio.

Níquel - Cadmio

Las principales características son:

1) El electrolito es alcalino

2) Admiten descargas profundas de hasta el 90% de la capacidad nominal

3) Bajo coeficiente de auto descarga

4) Alto rendimiento ante variaciones extremas de temperatura

5) La tensión nominal por elemento es de 1,2 Volts

6) Alto rendimiento de absorción de carga (mayor al 80 %)

7) Muy altos costo comparadas con las baterías ácidas.

Al igual que las baterías de plomo - ácido, estas se pueden conseguir en las dos versiones, standard y selladas, utilizando la más conveniente según la necesidad de mantenimiento admisible para la aplicación prevista. Dado su alto costo, no se justifica su utilización en aplicaciones rurales.

3.3.10 “Inversor”

La mayoría de los electrodomésticos convencionales en nuestro país necesitan para funcionar corriente alterna a 110V y 60hz de frecuencia. Los paneles como las baterías trabajan siempre en DC, es necesaria la presencia de un inversor que transforme la corriente continua en alterna DC/AC.

Las principales características vienen determinadas por la tensión de entrada del inversor, que se debe adaptar a la del generador, la potencia máxima que puede proporcionar la forma de onda en la salida (sinusoidal pura o modificada, etc.), la frecuencia de trabajo y la eficiencia, próximas al 85%.

3.3.11 “Células solares comerciales”

Silicio monocristalino: este material tiene una eficiencia del 16 – 19%, tiene una estructura cristalina uniforme y se fabrica en lingotes cilíndricos que son cortados


posteriormente en finas láminas. Se gasta mucha energía en su construcción, se usa en las industrias.

Silicio policristalino: tiene una eficiencia del 13–15%, tiene una estructura cristalina no uniforme. Se fabrica en moldes rectangulares y es más barato que el monocristalino.

Silicio amorfo: este tiene una eficiencia del 7–10%, tiene una estructura no cristalina y su potencia disminuye conforme pasa el tiempo, este tipo de material es muy barato.

Sin embargo, la mayoría de las células solares fabricadas y vendidas en el mundo se basan en el uso de silicio policristalino o silicio monocristalino con eficiencias típicamente en el intervalo 10-16%. Mayores eficiencias se han logrado en el laboratorio, demostrando que el extremo superior de la gama se puede extender a> 20%. Aunque estos productos han mostrado una excelente estabilidad (>25 años bajo iluminación intensa) no son económicamente competitivas con otras formas de generación en el mercado[20]. Esto ha llevado a mucha investigación para economizar la producción, por ejemplo, por retención de la luz, conduce a la utilización de láminas de silicio más delgadas, reduciendo la cantidad de material. Los costos alcanzados por el crecimiento del mercado (economía de escala) en el desarrollo de dispositivos basados en capas finas de silicio serán esenciales para lograr el objetivo de la competitividad con otras formas de generación de energía a gran escala.

El futuro puede incluir el desarrollo de estructuras de células solares que utilicen materiales orgánicos, tales como colorantes, polímeros semiconductores o dispositivos que incorporan la nanotecnología en su diseño. Un desarrollo adicional más probable es el de los dispositivos de tándem/unión múltiple que utilizan más completamente el espectro solar para generar energía[30].


Tabla 1. Mejores eficiencias reportadas para diversos tipos de células solares [21]

Fuente: “Photovoltaic solar cells: An overview of state-of-the-art cell development and environmental issues”

Para la investigación se plantea un sistema solar fotovoltaico DC y AC con almacenamiento de carga y compuesto por dos paneles de 100 w de silicio policristalino, la Tabla 1.muestra las mejores eficiencias reportadas para diferentes materiales de paneles fotovoltaicos.

3.3.12 “Sistemas y automatización”

Sistemas de automatización mecánica: engranajes, correas de transmisión, palancas, tornos, fresadoras, relojes mecánicos etc.

Sistemas de Automatización Neumática: compresores, electroválvulas, émbolos, frenos de ferrocarriles, máquinas de disparo neumático etc.

Sistemas de Automatización Hidráulica: similares a los mecanismos neumáticos, solo que el mando hidráulico tiene un tiempo de respuesta inferior al mando neumático, dirección de automóvil, prensas hidráulicas etc.

La automatización eléctrica y electrónica es la más extendida en la actualidad, los sistemas de actuación eléctrica son bien conocidos, motores, actuadores electromagnéticos etc., el mando eléctrico suele implantarse mediante relés. El mando electrónico puede ser implementado mediante componentes electrónicos discretos digitales o mediante sistemas de lógica programable (fpga). El método de automatización electrónico más extendido es el microprocesador.


El control mediante microprocesador permite la ejecución de un programa que se ejecuta de forma secuencial, esta secuencia se realiza de forma cíclica ejecutando lo que se denomina bucle de control.

La ejecución del bucle está sincronizada por el reloj del sistema, esta estructura permite la implantación de sistemas de mando secuenciales.

3.3.13 “PLC”

Máquina electrónica programable por personal no informático, destinada a cumplir en un ambiente industrial y en tiempo real funciones de automatismos lógicos, combinatorios y secuenciales.

3.3.14 “Planta compacta de potabilización de agua”

Corresponde a un prototipo desarrollado como proyecto de aula por los estudiantes del programa de Ingeniería Ambiental de la UDES. Fue automatizada por un estudiante de Ingeniería Electrónico y estandarizada en su operación por un estudiante como proyecto de pregrado en Ingeniería Ambiental.

Es una planta para potabilizar agua con un tren de procesos completo que incluye aireación, floculación, sedimentación, filtrado y desinfección para una comunidad o una casa.

3.3.15 “Zonas no interconectadas”

Corresponden a los municipios, corregimientos, localidades y caseríos no conectados al Sistema Interconectado Nacional, SIN[31]. A continuación se denominará ZNI a aquellos lugares donde no hay servicio de energía eléctrica de la red y los convierte en un lugar de prioridad para el emplazamiento de sistemas solares fotovoltaicos o cualquier otro método no convencional de transformación de la energía.

3.4 Situación actual

Durante los últimos años se ha producido un gran avance en el área de las tecnologías fotovoltaicas FV, es por esto que se constituyen como una de las mejores alternativas para satisfacer la demanda de energía eléctrica futura en Colombia.

En la actualidad, el consumo mundial de energía es de 10 Tera vatios (Tw) por año, y para 2050, se prevé que sea aproximadamente 30 Tw. El mundo necesitará alrededor de 20 Tw de energía que provenga de fuentes que no emitan CO2 para estabilizar el CO2 en la atmósfera a mediados de siglo. El escenario más simple es uno en el que la energía fotovoltaica (FV) y otras energías renovables cubran la


electricidad (10 Tw), el hidrógeno para el transporte (10 Tw), y los combustibles fósiles para calefacción a nivel residencial e industrial (10 Tw)[32].

Para el Gobierno Nacional es prioridad mejorar las condiciones de energización en las ZNI a partir de soluciones viables financieramente y que sean sostenibles a largo plazo. Por lo tanto, la política energética nacional tiene como objetivo: ampliar la cobertura y aumentar las horas de prestación del servicio, asegurando un suministro de energía confiable y de bajo costo para los usuarios. La formulación de la política energética nacional se encuentra plasmada en el Plan Energético Nacional; en los Documentos CONPES, que tienen como objetivo direccionar la aplicación de las políticas y plantear estrategias; y en la normatividad, mediante las cual se adoptan las decisiones de política de cumplimiento obligatorio[33].


4. MOTIVACIÓN Y JUSTIFICACIÓN.

El trabajo de diseño, construcción y operación de la microrred solar fotovoltaica para la automatización de una planta compacta de potabilización de agua en zonas no interconectadas está motivada en el hecho de que exista personas en el territorio nacional que no dispongan de servicios como la energía y el agua apta para consumo humano.

Esta propuesta se justificó en tanto se orientó a desarrollar una investigación que propendía por la mejora de la calidad de vida de comunidades en estados de vulnerabilidad, donde ideas de este tipo, a pequeña escala y costo moderado solucionan requerimientos puntuales en energía y agua de los individuos. Así mismo, el trabajo da cuenta de lo importante que resulta para la academia abordar estos tópicos y realizar investigación pues constituye un beneficio real y directo para la sociedad yendo más allá de los cálculos y la ingeniería en el papel.

Sumado a lo anterior, el diseño, construcción y operación de la microrred solar fotovoltaica para la automatización de planta compacta de potabilización de agua en zonas no interconectadas investigó sobre un tema de gran vigencia hoy en día: la tecnología solar fotovoltaica. Dicha tecnología ha alcanzado un punto en la curva de desarrollo que la vuelve una alternativa muy atractiva para proyectos de las dimensiones y características que se busca diseñar aquí. Además la situación geográfica de Colombia hace que dispongamos de una gran cantidad de energía solar, energía que por cierto no está siendo cosechada de una manera significativa.

Conseguir la autonomía de un sistema compacto de potabilización de agua mediante un sistema energético solar fotovoltaico, al cual se le han establecido sus condiciones de operación estándar, constituye un logro importantísimo en la masificación de soluciones de este tipo y aporta en gran medida al cambio de paradigma de que la obtención de energía eléctrica por fuentes no convencionales es inviable o está fuera de consideración para un país en vía de desarrollo como Colombia.

Finalmente el estudio e investigación en Sistemas Energéticos Avanzados me permitió ahondar en formas alternativas de generación de energía de impacto ambiental menor al que presentan las centrales térmicas e hidroeléctricas actuales. Como profesional en Ingeniería Ambiental, estos procesos de apropiación de metodologías de diseño y transferencia tecnológica, fortalece mis competencias profesionales en cuanto me capacita para implementar soluciones congruentes con la dinámica del ambiente y la situación actual de crisis energética mundial.


5. OBJETIVOS.

5.1 OBJETIVO GENERAL

Diseñar y construir un sistema de generación de energía eléctrica tipo microrred solar fotovoltaica Off-grid carga AC y DC con acumulador, para suplir la demanda de energía de una Planta Potabilizadora de Agua - PTAP-, en Zonas aisladas del Sistema de Interconexión colombiano.

5.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Establecer condiciones de radiación solar media de diseño para el lugar de

instalación de la planta y el prototipo.

Ajustar un montaje y entorno de operación controlado para la medición de las

variables.

Construir curvas de radiación y demanda energética por las cargas en AC

típicas de la planta de potabilización para normalizar su operación.

Realizar la evaluación técnica y financiera de la solución solar fotovoltaica,

para los requerimientos de la planta frente a combustibles fósiles tradicionales.

Evaluar la capacidad de la planta frente a variaciones en demanda de líquido y

consumo de energía interno de acuerdo a la radiación disponible.

Realizar el Microgrid Architecture Diagram.

Cuantificar y estandarizar la fiabilidad de la microrred de acuerdo a las

circunstancias de operación tipo.


6. RESULTADOS Y PRODUCTOS.

Tabla 2. Indicadores de los Resultados del trabajo de Investigación.

RESULTADO INDICADOR VERIFICABLE

Estimación y análisis histórico de radiación. Tabulación y curvas de radiación

disponible

Diseño y adose del sistema solar

fotovoltaico a la PTAP.

Infraestructura y sistema en

operación

Medición y análisis de generación-

demanda, construcción de curvas.

Reportes de medición con

instrumentos disponibles y curvas de

Energía disponible y de uso.

Evaluación técnica y financiera. Informe técnico.

Layout de la planta y prototipo. Diseños esquemáticos.

Estimación de fiabilidad del sistema. Reporte de fiabilidad del sistema.

Fuente: Autor.

6.1 IMPACTOS

6.1.1 Impactos científicos y tecnológicos de la tesis

Formación de recursos humanos en investigación, nuevas tecnologías y en

gestión tecnológica

Se vinculó un estudiante de maestría y uno de pregrado en el corto plazo. En

el mediano y largo plazo se fortalecerá el spin-off de la Universidad.

Indicador: 1proyecto de pregrado; Plazo: 6 meses después de iniciado el

proyecto

Indicador: 1 proyecto de maestría; Plazo: 6 meses después de iniciado el

proyecto

Indicador: Reconocimiento del spin-off como un ente dinámico en la

transferencia tecnológica a nivel ciudad.

Registro y homologación de patentes


Registro de la solicitud de patente para la planta de potabilización y microrred

solar fotovoltaica.

Indicador: 1 registro de solicitud de patente; mediano plazo

Registro y documentación técnica del Know-How

Se generó un criterio de operación estándar del módulo solar fotovoltaico.

Indicador: Criterio de operación estándar, al finalizar el proyecto.

Consolidación de capacidades para realizar actividades de investigación en la

Universidad

Dotación de laboratorios de investigación y desarrollo de planta piloto a

mediano y largo plazo

Desarrollo o consolidación de Grupos de Investigación

El proyecto contó con el apoyo del grupo y docentes de investigación GAIA

Indicador: proyecto finalizado; corto plazo.

Mejoramiento en la oferta de servicios tecnológicos

La Universidad de Santander ofrecerá un servicio técnico de soluciones

energéticas basado en aplicación de la tecnología solar fotovoltaica.

Indicador: Asesorías. Inicio al finalizar el trabajo.

6.1.2 Impactos sobre la productividad y competitividad del sector productivo de la región o el país

Impactos sobre la productividad y competitividad de la entidad beneficiaria o el

sector relacionado

Se fortalecerá el área de servicios tecnológicos ofrecidos por el spin-off de la

Universidad de Santander con la adhesión del diseño de plantas de

potabilización y microrredes solares fotovoltaicas aislados en su portafolio.

Indicador: Asesoría. Inicio al finalizar el presente trabajo.

Regiones o comunidades beneficiadas por la tesis

La satisfacción de necesidades energéticas y la solución de demanda de agua

potable tienen el potencial de ser un impacto nacional. Permitiría mejorar la

calidad de vida a aquellas personas que se encuentran en áreas

descentralizadas de todo el territorio nacional.


Indicador: Asesoría a empresa o ente regional. Mediano y largo plazo.

6.1.3 Impactos sobre el medio ambiente y la sociedad

Reducción en el consumo de energía

La solución solar fotovoltaica evita el uso de combustibles fósiles tradicionales

para mover motores y con la operación en condiciones estándar se minimizan

las pérdidas en energía.

Indicador: Operación de la PTAP. Al término del trabajo.

Aprovechamiento sostenible de nuevos recursos naturales

La sostenibilidad del aprovechamiento de la energía solar es un hecho en la

escala humana y el cambio de paradigma hacia tecnologías alternativas será

fundamental para las generaciones futuras.

Indicador: Micro red para PTAP; Plazo: a término del trabajo.


7. METODOLOGÍA Y PLAN DE TRABAJO.

La metodología abordada es de corte experimental y tal como se ve en Fig 1. Comprendió desde la adquisición de información hasta la presentación de resultados y reportes con fundamentos técnicos tanto de configuración como de operación de la microrred en Barichara.

7.1 Fases de investigación

Fase 1: Contexto: planteamiento de problema, construcción de la pregunta de investigación y consulta de antecedentes para estructurar el presente estudio.

Fase 2: Información disponible: búsqueda, revisión y análisis de información referente a cobertura energética y Sistema Interconectado Nacional, condiciones geográficas, climáticas del sitio tentativo para emplazamiento y parámetros de diseño de sistemas solares fotovoltaicos. Se realizó una búsqueda de información de reportes científicos, documentos oficiales y académicos, especialmente sobre energía y fuentes no convencionales.

Fase 3: Montaje: se seleccionaron algunos sitios posibles para la construcción de las instalaciones, pero teniendo en cuenta la disponibilidad del lugar y la facilidad de desplazamiento para el estudiante se decidió hacer el montaje en Barichara, Santander. La decisión de ubicar la PTAPC e instalar el sistema de generación solar fotovoltaico en Barichara Santander también atiende a que se pudo determinar por medio de información de las bases de datos de acceso libre de la NASA [27] que la radiación en este lugar en particular es alta y por lo tanto con la instalación de los módulos fotovoltaicos se tendría datos valiosos de generación en condiciones casi óptimas. Con dicha información igualmente se pudo establecer un preliminar de las condiciones de radiación solar media a las cuales iba a estar expuesto el prototipo. Todos los elementos se fijaron ordenadamente para controlar y facilitar la medición de las variables.

Fase 4: Acopio de datos: Al poner en operación la PTAPC se capturó datos que permitieron construir curvas de radiación y demandas por las cargas en AC y DC típicas de la planta, esto fue necesario porque se quería evaluar la capacidad de la planta frente a variaciones en demanda de líquido y consumo de energía interno de acuerdo a la radiación disponible, se debe aclarar que la demanda y los usos del agua que trató la planta son los

Propuesta de Tesis Doctoral±o, construcción y...-FV- para suplir requerimientos energéticos de...

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