PROXECTO FIN DE MÁSTER: Estudio de viabilidad de...

Máster en Energías Renovables e Sustentabilidad Energética

PROXECTO FIN DE MÁSTER:

Estudio de viabilidad de un sistema energético sostenible en la Isla Cerro de los Morreños (Ecuador)

.

Juan Peralta Jaramillo

USC-2011

Tesis titula

Estudio de viabilidad de un sistema energético sostenible en la Isla Cerro de los Morreños (Ecuador)

Presentado Por

Juan Peralta Jaramillo

FACULTAD DE FISICA

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE COMPOSTELA

Para la Obtención del

Grado de Máster

Directora

Dra. Ángeles López Agüera

Santiago de Compostela, Febrero 2011

AGRADECIMIENTOS

Quiero expresar mi agradecimiento especial y sincero a la a Secretaría Nacional de Educación Superior, Ciencia, Tecnología e Innovación (Senescyt) por la toda la confianza y apoyo brindado.

A la Universidad de Santiago de Compostela y a la Faculta de Física por permitirme cursar la Maestría en Energías Renovables y Sostenibilidad Energética. A sus profesores y en especial a la Dra. Ángeles López directora del presente Proyecto de Fin de Máster por lo aprendido, por su paciencia, pero sobre todo su invaluable ayuda.

Al Dr. Alfredo Barriga por su apoyo constante y consejos. Además a los Ingenieros Emérita Delgado, Jessica Guevara y Gustavo Aveiga que me brindaron su compresión y apoyo.

A mi familia por haberme brindado todo su apoyo incondicional, colaboración, ánimo para la realización de este trabajo.

Contenido CAPITULO 1. INTRODUCCION .................................................................................................................. 1

1.1. Motivación. ...................................................................................................................................... 1

1.2. Objetivos General. ............................................................................................................................ 1

1.3. Objetivos Específicos. ....................................................................................................................... 1

1.4. Alcance. ............................................................................................................................................ 2

CAPITULO 2. ANTECEDENTES GENERALES DEL PROYECTO ....................................................................... 3

2.1. Energización en Localidades Rurales Aisladas. .................................................................................. 3

2.2. Electrificación Rural en Ecuador. ....................................................................................................... 3

CAPITULO 3. DESCRIPCION DE LA ZONA DE ESTUDIO ............................................................................. 5

Figura 1. Islas del Golfo de Guayaquil ................................................................................................... 5

3.1. Localización. ..................................................................................................................................... 5

Figura 2. Ubicación del Área Estudio .................................................................................................... 6

3.2. Climatología ...................................................................................................................................... 6

3.2.1. Precipitación .................................................................................................................................. 7

3.2.2. Viento ............................................................................................................................................ 7

3.2.3. Temperatura .................................................................................................................................. 8

3.2.4 Irradiación Solar .............................................................................................................................. 9

Figura 3. Mapa de Radiación Global en el Golfo de Guayaquil .............................................................. 9

3.3. Aspectos socioeconómicos y culturales ............................................................................................. 9

Figura 4. Comunidad Cerro de los Morreños ..................................................................................... 10

CAPITULO 4. DISPONIBILIDAD Y ANALISIS DE RECURSOS ENERGETICOS ................................................. 11

4.1. Recurso Solar .................................................................................................................................. 11

4.1.1. Análisis Detallado del Recurso Solar ............................................................................................. 11

4.1.1.1 Radiación Directa y Difusa .......................................................................................................... 12

4.2. Energía Eólica ................................................................................................................................ 15

4.2.1 Análisis Detallado del Recurso Eólica ............................................................................................. 16

4.2.1.1 Perfil de Velocidad y Potencial del Viento .................................................................................. 19

4.2.1.1 Distribución de Weibull .............................................................................................................. 21

4.3. Energía Mareomotriz ...................................................................................................................... 23

4.4. Energía de la Biomasa ..................................................................................................................... 24

CAPITULO 5. ANALISIS DE LA DEMANDA ................................................................................................ 25

5.1. Introducción ................................................................................................................................... 25

5.2. Estimación Demanda Actual ........................................................................................................... 25

5.2.1 Categoría Residencial .................................................................................................................... 26

5.2.2. Categoría Comunitaria ................................................................................................................. 26

5.3. Estimación de la demanda con proyecto ........................................................................................ 29

5.3.1. Categoría Residencial. .................................................................................................................. 29

5.3.2. Categoría Comunitaria ................................................................................................................. 30

5.4 Estimación de la curva de potencia ................................................................................................. 31

5.4.1 Consumo Residencial .................................................................................................................... 31

4.4.2 Consumo Comunitario .................................................................................................................. 32

5.4.3 Consumo Total .............................................................................................................................. 33

CAPITULO 6. ANÁLISIS ALTERNATIVAS DE SUMINISTRO ELÉCTRICO ...................................................... 34

6.1. Introducción ................................................................................................................................... 34

6.2 Dimensionamiento del sistema Fotovoltaico .................................................................................... 34

6.2.1 Elementos que componen la instalación ....................................................................................... 34

6.2.2. Determinación del consumo de los equipos ................................................................................. 35

6.2.3. Determinación de la Inclinación Óptima de los Paneles ................................................................ 37

6.2.4. Dimensionado del Campo de Captación ....................................................................................... 39

6.2.5. Dimensionado del Sistema de Acumulación ................................................................................. 40

6.2.6. Selección del Regulador ............................................................................................................... 41

6.2.7 Selección del Inversor ................................................................................................................... 42

6.2.8. Dimensionamiento de conductores .............................................................................................. 42

6.2.8.1 Calculo del Cableado del Sistema ............................................................................................... 43

6.3. Componentes finales del Sistema ................................................................................................... 44

6.4 Costo de los sistemas ....................................................................................................................... 45

CAPITULO 7. CONCLUSIONES ................................................................................................................. 47

BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................................ 49

ANEXOS ................................................................................................................................................. 51

Índice de Figuras

Figura 1. Islas del Golfo de Guayaquil ……………………………………………………………………………………………………..5

Figura 2. Ubicación del Área Estudio ………………………………………………………………………………………………………6

Figura 3. Mapa de Radiación Global en el Golfo de Guayaquil…………………………………………………………………9

Figura 4. Comunidad Cerro de los Morreños ………………………………………………………………………………………..10

Figura 5. Componentes de la radiación global incidente sobre una superficie inclinada……………………...12

Figura 6. Rosa de los Vientos…………………………………………………………………………………………………………………18

Figura 7. Perfil de Velocidad en función de la altura………………………………………………………………………………20

Figura 8. Mareas del Golfo de Guayaquil……………………………………………………………………………………………….23

Figura 9. Manglares aledaños a la Isla……………………………………………………………………………………………………24

Figura 10. Viviendas de la Comunidad…………………………………………………………………………………………………..25

Figura 11. Paneles Fotovoltaicos y Baterías……………………………………………………………………………………………27

Figura 12. Infraestructura de la Escuela………………………………………………………………………………………………...27

Figura 13. Esquema del Sistema Hibrido de Generación………………………………………………………………………..35

Índice de Gráficos Gráfico 1. Precipitación Mensual del Área de Estudio……………………………………………………………………….……7

Gráfico 2. Velocidad Promedio Mensual………………………………………………………………………………………………….7

Gráfico 3. Frecuencia de Vientos Predominantes……………………………………………………………………………………8

Gráfico 4. Temperatura superficial del aire promedio mensual………………………………………………………………8

Gráfico 5. Declinación y Angulo Cenital Solar…………………………………………………………………………………………12

Gráfico 6. Radiación sobre una placa a diferentes ángulos de inclinación kWh/m2-dia………………………….14

Gráfico 7. Distribución de Magnitud de Velocidades……………………………………………………………………………..18

Gráfico 8. Condiciones de Viento Local………………………………………………………………………………………………….19

Gráfico 9. Perfil de Velocidad…………………………………………………………………………………………………………………21

Grafica 10. Curva carga diaria categoría residencial por vivienda…………………………………………………………..32

Grafica 11. Curva carga diaria categoría comunitaria…………………………………………………………………………….32

Grafica 12. Curva carga diaria total……………………………………………………………………………………………………….33

Índice de Tablas

Tabla 1. Potencial Solar del Ecuador………………………………………………………………………………………………………11

Tabla 2. Radiación Directa horizontal media mensual recibida en la zona estudiada kWh/m2-dia………..13

Tabla 3. Radiación Difusa media mensual recibida en la zona estudiada kWh/m2-dia…………………………13

Tabla 4. Albedo Existente de la zona estudiada……………………………………………………………………………………13

Tabla 5. Irradiación media diaria (KWh/m2/día) para distintas Inclinaciones de una Superficie…………….14

Tabla 6 Hora de sol Promedio Mensual…………………………………………………………………………………………………15

Tabla 7. Hora Solar Pico (HSP) ……………………………………………………………………………………………………………….15

Tabla 8. Ubicaciones de Potencial Eólico en el Ecuador…………………………………………………………………………16

Tabla 9. Resumen del Tratamiento Estadístico………………………………………………………………………………………17

Tabla 10. Frecuencia de datos diez minútales de Velocidad medida a 10 metros…………………………………17

Tabla 11. Valores Aproximados de Z0…………………………………………………………………………………………………….20

Tabla 12. Resumen del clima de viento regional……………………………………………………………………………………22

Tabla 13. Demanda estimada de Energía por Vivienda………………………………………………………………………….26

Tabla 14. Demanda estimada para la categoría residencial en situación actual……………………………………..26

Tabla 15. Demanda estimada de Energía en la Escuela…………………………………………………………………………28

Tabla 16. Demanda estimada para la categoría comunitaria en situación actual……………………………………28

Tabla 17. Demanda estimada global en situación actual……………………………………………………………………….28

Tabla 18. Demanda estimada de Energía por Vivienda con el Proyecto…………………………………………………29

Tabla 19. Demanda estimada para la categoría residencial con el Proyecto…………………………………………..29

Tabla 20. Demanda estimada de Energía en la Escuela…………………………………………………………………………30

Tabla 21. Demanda estimada de Energía en la Sala Comunitaria-Dispensario Medico…………………………30

Tabla 22. Demanda estimada para la categoría comunitaria con el Proyecto……………………………………….31

Tabla 23. Demanda estimada total para situación con proyecto…………………………………………………………..31

Tabla 24. Consumo eléctrico de equipos para cada Vivienda en la Categoría Residencial…………..………….36

Tabla 25. Consumo eléctrico de equipos en la Escuela Categoría Comunitaria……………………………………..36

Tabla 26. Consumo eléctrico de equipos en la Sala Comunitaria-Dispensario Medico…………………………..36

Tabla 27. Relación (P) de consumos Viviendas/radiación para diferentes inclinaciones…………………….…37

Tabla 28. Relación (P) de consumos de la escuela/radiación para diferentes inclinaciones………………….38

Tabla 29. Relación (P) de consumos de la Sala Comunitaria/radiación para diferentes inclinaciones……38

Tabla 30. Resumen de Resultados del sistema de Captación…………………………………………………………………39

Tabla 31.Cuadro de resultados del conjunto de Batería…………………………………………………………………………40

Tabla 32. Corriente de Carga y Descarga………………………………………………………………………………………………..40

Tabla 33. Corriente de Descarga Nocturna…………………………………………………………………………………………….41

Tabla 34. Corriente del Regulador por Sistema………………………………………………………………………………………41

Tabla 35. Regulador Seleccionado…………………………………………………………………………………………………………41

Tabla 36. Valores de Potencia Mínima del Inversor………………………………………………………………………………42

Tabla 37. Calibres de Conductores Generador- Regulador……………………………………………………………………43

Tabla 38. Calibres de Conductores Regulador- Batería……………………………………………………………..……………43

Tabla 39. Calibres de Conductores Batería-Inversor………………………………………………………………………………43

Tabla 40. Especificaciones Técnicas del Panel Fotovoltaico……………………………………………………………………44

Tabla 41. Especificaciones Técnicas de la Batería…………………………………………………………………………………..44

Tabla 42. Especificaciones Técnica de los reguladores de Carga………………………………………………………….…44

Tabla 43. Especificaciones Técnica de los Inversores……………………………………………………………………………..45

Tabla 44. Precios de los componentes del sistema Vivienda-Residencial………………………………………………45

Tabla 45. Precios de los componentes del Escuela-Comunitario……………………………………………………………46

Tabla 46. Precios de los componentes de la Sala Comunitaria-Dispensario Medico………………………………46

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CAPITULO 1. INTRODUCCION

1.1. Motivación.

El Gobierno del Ecuador en el año 2008 crea el Ministerio de Electrificación y Energías Renovables teniendo como misión es fomentar el conocimiento y la aplicación de las energías renovables, crear capacidades locales; aprovechar los recursos renovables para el desarrollo sostenible, con base en la seguridad y la diversificación de estos recursos.

En ese mismo periodo, el gobierno ecuatoriano determinó la inconveniencia de continuar con el modelo financiamiento existen de la energización rural y la electrificación urbano-marginal que se basaba en un cobro de 10% en la planilla eléctrica a sus abonados de tipo comercial e industrial. A partir del 2008 y durante los siguientes cuatro años, la electrificación rural y urbano marginal se financiará con recursos del presupuesto general del Estado, para lo cual se ha dispuesto la asignación de recursos por 120 millones de dólares anuales. (CONELEC, MEER, OLADE, 2008)

El propósito del Gobierno en el 2010, es acelerar el desarrollo de la electrificación, para alcanzar una mayor cobertura en todo el territorio en función del Plan del Buen Vivir Actualmente esta necesidad obliga a los diferentes actores de la sociedad a la búsqueda de proyectos de energización en sectores ubicados en el área andina, insular y amazónica, además de establecimiento de mecanismos para evaluación de los recursos disponibles en cada uno de los sectores seleccionados

Finalmente para este proyecto se selecciona una zona de estudio ubicada en el golfo de Guayaquil se estimada que posee un recurso solar que puede ser utilizarse con fines de energización para mejorar la calidad de vida de los residentes de la localidad a estudiar. Asimismo, el hecho de desarrollar un proyecto que considere energías limpias, está acorde a los acuerdos internacionales para estabilizar las concentraciones de gases de efecto invernadero que se emiten a la atmósfera en generación de electricidad.

1.2. Objetivos General.

El objetivo general de este trabajo de título es contribuir al proceso de electrificación rural en Ecuador y al consiguiente mejoramiento de la calidad de vida de lugares aislados, a través de la realización de estudios y evaluaciones necesarias para desarrollo sostenible en la localidad de Cerrito de los Morreños en el Golfo de Guayaquil-Ecuador

1.3. Objetivos Específicos.

A partir del objetivo general antes definido, se identifican los siguientes objetivos específicos: Adquirir una visión de la situación socio-económica de la comunidad Cerrito de los Morreños Conocer la disponibilidad de recursos energéticos en el recinto Cerrito de los Morreños,

enfocado principalmente en el recurso Solar. Conocer en detalle la demanda eléctrica actual y potencial de cada una de las viviendas y

establecimientos comunitarios Cerrito de los Morreños.

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Definir la mejor alternativa, desde el punto de vista técnico - económico, para abastecer de electricidad las 24 horas del día a la localidad.

1.4. Alcance. Para este proyecto se han definido los siguientes puntos tendientes a definir el alcance del mismo: El análisis de los recursos energéticos disponibles en el sector, se enfoca en el recurso Solar. Sin

embargo, se deja la plantea la posibilidad futuros estudios en otros recursos renovables de la zona, como el recurso eólico, etc.

Para la evaluación de las alternativas de suministro eléctrico de la localidad, se establecerá la demanda energética de la localidad.

La solución propuesta no se limita a un uso exclusivo de recursos renovables, sino que trata de incorporar, en la medida que tenga sentido técnico y económico, las alternativas de generación eléctrica con que actualmente cuenta la localidad

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CAPITULO 2. ANTECEDENTES GENERALES DEL PROYECTO

2.1. Energización en Localidades Rurales Aisladas.

La electrificación rural descentralizada (sin conexión a red pública), se basa en la instalación de sistemas autónomos – basados en energía fotovoltaica (FV), eólica, mini- hidráulica y biomasa - en los hogares rurales, o en la puesta en marcha de mini redes eléctricas alimentadas por energías renovables (ER) o en combinación con fuentes de energía convencionales (gas licuado o diesel).

La tecnología renovable basada en sistemas aislados o mini redes es variada en términos de escala y de los servicios prestados, pero se pueden destacar una serie de importantes características comunes:

• Generación de energía “in situ”.

• Flexibilidad para adaptarse a diversas zonas geográficas.

• Optimización de la utilización de los recursos naturales.

• Fácil instalación y mantenimiento.

• Costes mínimos de instalación y mantenimiento: combustible gratuito.

• Respetuosa con el medio ambiente (reducción efecto invernadero).

El reto de la electrificación rural en los países en vías de desarrollo es acentuado por algunas características específicas, tales como:

• Gran dispersión de los consumidores con reducida demanda.

• Concentración de la demanda en un breve periodo del día.

• Limitado poder de compra de los consumidores para el consumo de electricidad.

Por estas características, en muchos casos la electrificación rural no tiene interés económico para inversiones privadas y requiere consecuentemente de subsidios públicos

2.2. Electrificación Rural en Ecuador.

La demanda de energía eléctrica en los sectores rurales y alejados a líneas de interconexión es muy alta en Ecuador, este déficit se trata de suplir con generación termoeléctrica por motores de combustión interna o generadores los cuales proporcionan electricidades muy pocas horas al día en varios poblados, y acrecienta la dependencia al suministro de periódico de combustibles

Actualmente la normativa relativa a la electrificación rural vienen marcada fundamentalmente por la LRSE (LEY DE REGIMEN DEL SECTOR ELECTRICO), en la que se especifica que el Estado promoverá los proyectos de desarrollo de electrificación rural y urbano - marginal, y las obras de electrificación destinadas a la provisión de agua potable. Además se establece el Fondo de Electrificación Rural y Urbano - Marginal (FERUM).

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Las normas generales que deben observarse para la planificación y aprobación de proyectos y para la ejecución de obras que se financien con los recursos económicos del FERUM están definidas en el “Reglamento para la Administración del Fondo de Electrificación Rural-Urbano Marginal”.

Desde la creación del FERUM se estima que se ha conseguido aumentar la cobertura de electricidad total en las zonas rurales en un 6%Según las estadísticas de censo y vivienda del año 2001 la electrificación en el sector rural alcanzaba el 79 %, en el sector urbano el 91,5% y la cobertura nacional el 89%. La cobertura estimada para el año 2009 es del 85,7 % en el sector rural, 92,7 % en el sector urbano y el 90,4 % la cobertura nacional. (TECH4CDM, 2009)

La evaluación y financiamiento de los proyectos de electrificación rural está a cargo del CONELEC. Los requisitos, establecidos por la regulación para ser proyectos calificados son:

• Haber realizado estudios de factibilidad, sostenibilidad y estudios ambientales que cumplan con las disposiciones del Reglamento Ambiental para Actividades Eléctricas.

• Limite de monto a solicitar al FERUM, sea máximo hasta los siguientes valores por vivienda o local de servicio comunitario beneficiado:

Generación eólica: USD 1.350/vivienda

Generación Fotovoltaica:

Usuario Tipo I: USD 3.200/vivienda

Usuario Tipo II: USD 3.500/vivienda

Centros Comunales, Salud y Educación: USD 3.800/vivienda

Bombeo de Agua: USD 4.000/vivienda

Generación con Biomasa: USD 600/vivienda

Generación con minicentrales hidroeléctricas: USD 2.400/vivienda

Finalmente existen en las zonas rurales del Ecuador alrededor 233.275 viviendas que no tienen acceso a la electricidad; por lo cual se estima que un millón de ecuatorianos cuentan con electricidad en la actualidad.

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CAPITULO 3. DESCRIPCION DE LA ZONA DE ESTUDIO

Uno de los sectores de mayor demanda de sistemas de generación, corresponde al Golfo de Guayaquil donde existen 13 islas y varios islotes, donde el 50% de la población tiene acceso a la electricidad por medio generador térmico que funciona a diesel (existen instalaciones fotovoltaicas puntuales para ciertas grupos aislados principalmente camaroneras) en un promedio de 11 horas diarias. Una población característica de esta área es el recinto de Cerritos de los Morreños ubicada en la isla Chupadores Chico

Figura 1. Islas del Golfo de Guayaquil

Fuente: Colección L.N.S. (1999)

3.1. Localización.

El recinto de Cerritos de los Morreños ubicado en la isla Chupadores Chico, forma parte de una serie de pequeñas poblaciones rurales ubicadas en la parte central del estuario interior del Golfo de Guayaquil, su ubicación geopolítica es en la parroquia Ximena del Cantón Guayaquil-Ecuador.

Se encuentra ubicada geográficamente en latitud -2.47356 y longitud -79.90783 aproximadamente una hora y media en lancha desde las riveras del Estero Salado de la ciudad de Guayaquil, la distancia al poblado más cercano es aproximadamente de 30 km.

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Figura 2. Ubicación del Área Estudio

Fuente: Google Earth

3.2. Climatología

En el Ecuador, la zona costera, presenta características principalmente de clima tropical, sin embargo se pueden encontrar sub - clasificaciones para regiones más pequeñas, pero en general existen dos estaciones, una fría y seca; y una húmeda y lluviosa. La época de lluvias que en esta zona comienza en Enero y termina en Abril

La estación meteorológica más cercana a la población de Cerrito de los Morreños es la ubicada en la Isla Puna, la cual está en las coordenadas 2°44'15''S y 79°54'30''W con una elevación de 10 m. en la misma se monitorea la precipitación del área, temperatura del aire y velocidad de Viento. La estación es administrada por el INOCAR (INSTITUTO OCEANOGRÁFICO DE LA ARMADA DEL ECUADOR).

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3.2.1. Precipitación

El área de estudio, como ya se ha indicado se encuentra en el área del Golfo de Guayaquil (Provincia del Guayas), en términos normales en esta zona precipita un acumulado anual de 680 mm, pero con lluvias muy escasas durante el verano. En la grafica se puede apreciar los promedios mensuales de precipitación típicos.

Gráfico 1. Precipitación Mensual del Área de Estudio

Fuente: Inocar – Ecuador

3.2.2. Viento

En lo que se refiere al viento de la zona, el mayor valor de intensidad se presenta entre los meses de agosto a diciembre con 3.6 m/s aproximadamente mientras que el menor valor se presenta entre los meses de enero a abril con una valor cercano a los 3 m/s. La dirección predominante del viento es desde el Sur Oeste. En la siguiente grafica se presenta los promedios mensuales de velocidad de viento.

Gráfico 2. Velocidad Promedio Mensual

Fuente: Inocar-Ecuador, Estadística 10 últimos años

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Gráfico 3. Frecuencia de Vientos Predominantes

Fuente: Inocar – Ecuador

3.2.3. Temperatura

Sobre la costa sur (Puna, Puerto Bolívar y Guayaquil) las máximas temperaturas alcanzan ocasionalmente los 32°C, y las mininas temperaturas presentan de igual manera valores menores a 20°C. El promedio anual de temperatura oscila en 24.7 °C

Gráfico 4. Temperatura superficial del aire promedio mensual

Fuente Inocar-Ecuador, Estadística 10 últimos años

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3.2.4 Irradiación Solar

En el sector de Golfo de Guayaquil no existe medición por medio de estaciones meteorológicas de la irradiación solar por parte de ninguna entidad, por lo cual la información presentada corresponde a datos provenientes de bases internacionales a partir de datos satelitales.

Figura 3. Mapa de Radiación Global en el Golfo de Guayaquil

Fuente: (CIE, 2008)

3.3. Aspectos socioeconómicos y culturales

En la actualidad las poblaciones existentes en las diferentes islas o islotes de la parte baja del Golfo de Guayaquil son de escasos recursos siendo su actividad económica principal en su 90% de la pesca artesanal y recolección de productos del ecosistema manglar, principalmente concha y cangrejos, los cuales son vendidos en la ciudad de Guayaquil.

El recinto tiene una población que oscila entre 480 y 520 personas distribuidas en 140 familias, la comuna ocupa 600 de los 800 metros de ribera que tiene la isla, dentro de una superficie que abarca 15 hectáreas de extensión. (Telegrafo, 2009)

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Figura 4. Comunidad Cerro de los Morreños

Fuente: Propia

La población cuenta con una sola escuela con 6 computadoras y un sistema fotovoltaico para su alimentación. La escuela trabaja en horario matutino y vespertino, en el último según el Ministerio de Educación estudian 54 niños y 50 niñas en el año 2008.

Con lo relacionado a los recursos básicos para el suministro de electricidad utilizan un generador eléctrico de 145KW que funciona con diesel, que fue donado recientemente por el Municipio de Guayaquil, las instalaciones eléctricas se encuentran en mal estado actualmente y el suministro de combustible es irregular. (Expreso, 2010)

No cuenta con sistema de agua de dulce, las pocos pozos existen son de agua salobre. La cisterna general es abastecida por la donación del líquido que realizan las camaroneras del sector. El consumo promedio oscila ente 60 m3 mensuales

Existe un dispensario médico que brinda servicios en forma esporádica, solo consultas y primeros auxilios, en la casa comunal de la población.

Cuenta con una organización comunitaria denominada comité de Mejoras de Cerrito de los Morreños, la cual actúa como medio de enlace con las instituciones y gobiernos locales, desde hace10 años realizando gestiones en favor de su comunidad.

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CAPITULO 4. DISPONIBILIDAD Y ANALISIS DE RECURSOS ENERGETICOS

En el Ecuador se empezaron los estudios de Potencial de recursos utilizando los registros de cinco estaciones meteorológicas del INMAHI a finales de la década del 70 durante un periodo de 6 años. Esta información se encuentran en el “Estudio del Potencial Solar y Eólico del Ecuador” realizado por el desaparecido Instituto Nacional de Electrificación (INECEL) en conjunto con el también extinto Instituto Nacional de Energía (INE). Este estudio se lo hizo en base a los datos de medición entre 1968 y 1980 y fue publicado en 1981, desde esta fecha no se realizado ningún estudio para valoración de recursos y solo se han realizado estimaciones a partir de mediciones aisladas y mediciones satelitales. (CHIRIBOGA)

4.1. Recurso Solar

El Ecuador debido a su situación geográfica, tiene un alto potencial solar. La radiación media horizontal es de alrededor de 3-4 kWh/m2/día. En la siguiente tabla se muestra los valores medios estimados por región.

Tabla 1. Potencial Solar del Ecuador

Región Radiación Media

Costa 4.5 kWh/m2 año.

Sierra 3.5 kWh/m2 año.

Oriente 3.8 kWh/m2 año.

Galápagos 4.5 kWh/m2 año.

Fuente (IDAE, 2004)

Existen regiones en las que los altos niveles de nubosidad afectan el aprovechamiento de este recurso, sin dejar por ello de ser factible el uso de esta energía.

4.1.1. Análisis Detallado del Recurso Solar

La zona a estudiar se encuentra localizada geográficamente en el estuario del Golfo de Guayaquil en una latitud 2.47356 grados Sur, partiendo de esta información se puede calcular para todo el año la declinación solar y el ángulo cenital solar, cuando el sol se encuentra a su máxima altura (12 horas o medio día) respectivamente

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Gráfico 5. Declinación y Angulo Cenital Solar

Fuente: Propia

Los datos de la radiación solar horizontal difusa y directa son determinados a partir de la información existente en la plataforma de datos Surface meteorology and Solar Energy (NASA, 2010), la cual remite la información para puntos en grillas de 40x40 Km respectivamente, además se ha utilizado el software METEONORM Versión 5.1 para completar los datos requeridos.

4.1.1.1 Radiación Directa y Difusa

Se define como radiación directa normal, aquella que se mide sobre una superficie orientada directamente hacia el sol, de tal manera que los rayos solares resultan siempre perpendiculares a dicha superficie. La radiación difusa en cambio corresponde a la radiación solar dispersada por los diferentes componentes de la atmósfera. (CEDDET, 2008)

Figura 5. Componentes de la radiación global incidente sobre una superficie inclinada

Fuente: (Valeriano Ruiz,Manuel A. Silva)

-30

-20

-10

0

10

20

301 16 31 46 61 76 91 106

121

136

151

166

181

196

211

226

241

256

271

286

301

316

331

346

361

Declinacion Solar

Angulo Cenital Solar

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En la Tabla 2 se pueden ver los valores promedios mensuales estimados de radiación solar diaria sobre una superficie horizontal, teniendo un promedio de 3.56 kWh/m2-dia a lo largo del año.

Tabla 2. Radiación Directa horizontal media mensual recibida en la zona estudiada kWh/m2-dia

Meses E F M A M J J A S O N D

Directa 3.38 3.26 3.82 3.97 3.83 3.58 3.18 3.55 3.51 3.12 3.68 3.84

Fuente: (NASA, 2010)

En la Tabla 3 se pueden ver los valores promedios mensuales de radiación solar difusa diaria, teniendo un promedio de 2.15 kWh/m2-dia a lo largo del año.

Tabla 3. Radiación Difusa media mensual recibida en la zona estudiada kWh/m2-dia


Difusa 2.22 2.31 2.33 2.15 1.97 1.88 1.94 2.08 2.26 2.31 2.22 2.16


Con respecto a la radiación reflejada por el suelo conocida como albedo en la zona se reportan los siguientes valores mensuales

Tabla 4. Albedo Existente de la zona estudiada


Albedo 0.16 0.17 0.16 0.14 0.13 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.16 0.17


Debido al movimiento aparente del sol en el transcurso del año, la irradiación sobre la superficie varía considerablemente. Por lo cual la inclinación de una superficie permite aumentar la radiación que recibe (aumentar la captación de energía solar.)

Mediante una superficie que esté continuamente apuntada al sol, con seguimiento solar, se maximiza en todo momento la energía colectada. No obstante en las aplicaciones fotovoltaicas de tipo plano es habitual utilizar una estructura fija que es necesario orientar adecuadamente.

Para establecer los valores de Radiación Global que puede recibir una placa a una inclinación, se ha procedido a sumar las componentes de la radiación directa y difusa, basándonos en el modelo de cielo isotrópico. En donde la expresión para la irradiación total recibida por una superficie inclinada es:

(Ecuación 4.1)

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En donde:

GT: Irradiancia sobre una superficie inclinada

Gb: Irradiancia sobre una superficie horizontal

Rb: Factor geométrico de corrección angular

ρβ: Albedo

Gd: Irradiancia difusa

Este proceso se lo ha realizado a diferentes ángulos de inclinación como son: 15, 30, 45 y 60 grados respectivamente. A continuación se presenta curvas de la radiación calculada que recibiría una placa o superficie a diferentes ángulos de inclinación, β, con respecto a la horizontal.

Gráfico 6. Radiación sobre una placa a diferentes ángulos de inclinación kWh/m2-dia

Fuente: Elaboración Propia

Tabla 5. Irradiación media diaria (KWh/m2-día) para distintas Inclinaciones de una Superficie

Ángulos E F M A M J J A S O N D

0 5.600 5.570 6.150 6.120 5.800 5.460 5.120 5.630 5.770 5.430 5.900 6.000

15 5.744 5.590 6.051 6.191 6.046 5.772 5.359 5.757 5.709 5.397 6.027 6.213

30 5.603 5.340 5.652 5.943 5.973 5.778 5.324 5.592 5.367 5.107 5.852 6.112

45 5.186 4.836 4.981 5.392 5.585 5.479 5.016 5.145 4.767 4.579 5.385 5.702

60 4.522 4.115 4.084 4.576 4.910 4.895 4.457 4.447 3.952 3.849 4.659 5.012


15

Tabla 6 Hora de sol Promedio Mensual

E F M A M J J A S O N D

Promedio 12.2 12.1 12.1 12.0 12.0 11.9 12.0 12.0 12.0 12.1 12.2 12.2


Como se puede apreciar en la tabla 6 en la comunidad recibe radiación solar con un promedio aproximado de 12 horas al día durante todo el año.

A partir de este criterio obtenemos la Horas de Sol Pico (HSP) para las diferentes inclinaciones analizadas. Se entiende como HSP el número de horas de sol en media diaria a una radiación de 1000 W/m² o es equivalente a la energía recibida durante una hora con irradiaciancia promedio de 1000W/m2.

Tabla 7. Hora Solar Pico (HSP)

Ángulos E F M A M J J A S O N D

0 5.6 5.6 6.2 6.1 5.8 5.5 5.1 5.6 5.8 5.4 5.9 6.0 15 5.8 5.7 6.1 6.1 5.9 5.7 5.3 5.7 5.7 5.5 6.1 6.3 30 5.8 5.5 5.7 5.7 5.8 5.6 5.1 5.4 5.3 5.3 6.0 6.3 45 5.4 5.1 5.1 5.1 5.3 5.2 4.8 4.9 4.7 4.8 5.7 6.0 60 4.8 4.4 4.2 4.2 4.6 4.5 4.2 4.1 3.8 4.1 5.0 5.4


Como se puede observar para nuestra posición geográfica los valores de radiación máximos se dan en la posición de 15 grados de la superficie con respecto a la horizontal, siendo el mes de Julio el más desfavorable. Este criterio será fundamental en el dimensionamiento del sistema fotovoltaico. Cabe recalcar que por esta ubicado en el hemisferio sur la placa deberá estar orientada mirando al norte.

4.2. Energía Eólica

En la región ecuatoriana no hay muchas zonas con vientos permanentes que presente una magnitud velocidad alta. Hay viento disponible principalmente en lugares específicos dentro de micro zonas de la región interandina y la región costera como se muestra en la siguiente tabla.

Hasta la fecha en el Ecuador no existe un inventario completo de recursos eólicos, ni campanas de monitoreo por parte de ninguna entidad pública o privada, toda la información existente es de carácter histórica de las estaciones meteorológicas con un marguen de error considerable.

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Tabla 8. Ubicaciones de Potencial Eólico en el Ecuador

ZONA PROVINCIA POBLACIÓN Velocidad media (m/s)

NORTE INTERANDINA

CARCHI IMBABURA

El Ángel 6.6

Salinas 7

CENTRAL INTERANDINA

PICHINCHA Tabacundo 5

Machachi 7.1

Malchinguí 6.6

COTOPAXI Olmedo 5.3

AZUAY Páramo del Cotopaxi

5.9

Huascashaca 7.9

SUR INTERANDINA

LOJA Saraguro 5.2

Yangana 5.5

Lucardi 5.6

COSTA MANABÍ Boyacá 5.6

Fuente: (IDAE, 2004)

La disponibilidad del recurso eólico es de carácter localizado como se puede observar, pues si bien existen áreas del país en donde se presentan altas velocidades de viento (3-8m/s), es necesario para su aprovechamiento energético que también exista continuidad en las corrientes. Su aplicación en electrificación rural es mínima, principalmente por la falta de estudios de potencial y disponibilida en las zonas aisladas o rurales, además de barreras regulatorias y de mercado. En la actualidad El primer parque eólico del país se inauguró en octubre del 2007 en la isla San Cristóbal del Archipiélago de Galápagos, con una potencia instalada de 2,4 MW

4.2.1 Análisis Detallado del Recurso Eólica

Para el estudio del potencial eólico del sector Cerrito de Cerro Morreños, se utilizaron datos de velocidad y dirección del viento, registrados durante el año 2009 en forma diezminutal a una altura de 10 metros de altura. Estos datos pertenecen a la estación meteorológica ubicada en la isla Puna a una distancia de 3 Km del punto de análisis.

Se procedió al tratamiento estadístico de los datos obteniéndose la frecuencia por dirección y grupo de velocidad, tal como se muestra en la Tabla 10.

Al procesar los datos 52742 de la estación meteorológica de Puna correspondientes a la magnitud de la velocidad de viento podemos observar que la mayoría de las mediciones realizadas están en el rango de 1 – 3 m/s, con un promedio magnitud de velocidad anual de 3.28 m/s.

17

Tabla 9. Resumen del Tratamiento Estadístico

Media 3.280

Mediana 2.9

Moda 1.9

Desviación estándar 1.866

Mínimo 0

Máximo 14.4

Fuente:Propia

Tabla 10. Frecuencia de datos diez minútales de Velocidad medida a 10 metros

Dirección 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12 >1-13

0-22.5 209 395 473 129 15 5

22.5-45 221 323 346 72 15 3

45-67.5 247 289 334 117 19 6 1 1

67.5-90 244 327 362 103 30 3

90-112.5 241 331 395 138 36 13

112.5-135 256 428 619 215 74 25 6 1

135-157.5 245 510 813 361 132 35 8 2 3 1

157.5-180 239 486 988 551 218 93 41 17 6 6

180-202.5 237 501 1447 1272 873 462 270 111 51 23 20 3 4

202.5-225 263 580 1987 2351 1999 1427 960 555 302 172 77 34 15

225-247.5 250 574 1706 2096 1803 1240 842 451 220 113 50 21 16

247.5-270 328 581 1318 1161 775 437 244 117 46 15 6 4

270-292.5 352 675 1112 643 324 141 49 13 7 3 1

292.5-315 410 754 1153 433 125 41 13 2 1

315-337.5 319 663 879 279 54 11 2

337.5-360 318 522 716 190 26 7 2 1

Fuente: Propia

18

Gráfico 7. Distribución de Magnitud de Velocidades

Fuente: Propia WRPLOT

Fuente: Propia WRPLOT A continuación se obtiene la representación grafica denominada rosa de los vientos representativa del área de análisis. Esta grafica ha sido generada usando el programa Wrplot View perteneciente a la compañía Lakes. En la misma se puede observar un comportamiento direccional predominantemente del viento desde la dirección SSW.

Figura 6. Rosa de los Vientos

Fuente: Propia WRPLOT

19

Con la información obtenida se procede a valor las condiciones existentes en el área en función de la velocidad viento, a partir del siguiente criterio:

• Calma: Velocidades menores a 3 m/s, • Nominal: Velocidades entre 3 a5 m/s, • Ráfagas: Velocidades entre 5 a 8 m/s, • Fuertes Ráfagas: Velocidades entre 8 a 15 m/s, • Ráfagas Violentas: Velocidades mayores de 15 m/s.

A partir de este análisis se determina que la área presenta características nominales en alrededor de 6300 horas al año aproximadamente

Gráfico 8. Condiciones de Viento Local

Fuente: Propia

4.2.1.1 Perfil de Velocidad y Potencial del Viento

Se considera que la velocidad de viento se afecta por diferentes factores, entre los que se pueden mencionar:

• Factores Naturales: Temperatura, vegetación natural, estaciones del año, cultivos. Orografía del

terreno.

• Factores Artificiales: Obstáculos permanentes y temporales de construcciones, tales como

edificios, cercas, casas, etc.

Existen un conjunto de expresiones teóricas que permiten determinar los perfiles de temperatura de velocidad de viento según la altura de análisis. La más común de las expresiones es la ley de potencial de Hellman, que es utilizada para relacionar la velocidad del viento en alturas distintas al contar con la velocidad para cierto nivel de referencia: Esta ley se expresa como:

(Ecuación 4.2)

20

Donde V es la velocidad a la altura Z, V0 es la velocidad a la altura referencial, nuestro caso será de 10

metros y α es el coeficiente de fricción. Este coeficiente está en función del tipo de terreno donde se esté midiendo el viento.

Figura 7. Perfil de Velocidad en función de la altura

Fuente: (Mathur, 2009)

Tabla 11. Valores Aproximados de Z0

Tipo de Superficie Valor de Zo

Mar abierto y campo abierto llano sin Obstáculos ( p.e. zonas costeras llanas, desiertos, ....)

0.001-0.01

Mar con oleaje muy fuerte y campo abierto, llano u ondulado, con obstáculos dispersos (p.e. praderas, paramos, etc.).

0.01-0.3

Superficies boscosas, campo con obstáculos abundantes y pequeñas zonas urbanas (obstáculos con alturas entre 9 y 15 m).

0.3-1.0

Superficies con grandes y frecuentes obstáculos, y grandes ciudades.

1.0-5.0

Fuente: (Estado)

21

En nuestro caso utilizaremos el valor para Zo de 0.01. El área de estudio es mar abierto básicamente la isla presenta un único obstáculo cerro de aproximadamente 50 metros. Ahora procedemos a calcular

el valor aproximado de α a partir de la ecuación: (Máster Enerxías Renovables e Sostenibilidade Enerxética. Prof. V. Pérez Muñuzuri, 2010)

(Ecuación 4.2)

Con lo cual se obtiene un valor de α= 0.11942, Con este valor procedemos a estimar la magnitud de la velocidad de viento a 30 y 50 metros respectivamente

En la grafica 10 se muestra el perfil de Velocidad de Viento a partir de la velocidad promedio anual medida a una altura referencia de 10 metros.

Gráfico 9. Perfil de Velocidad


4.2.1.1 Distribución de Weibull

El conocimiento de la distribución de frecuencias del viento, también denominada distribución de probabilidades del viento, es muy importante para poder determinar el potencial eólico disponible.

La expresión analítica más usada en estudios de energía eólica para representar la probabilidad de distribuciones de viento, P(V), es la distribución de Weibull, cuya expresión es:

(Ecuación 4.3)

P(V): representa la probabilidad estadística de que ocurra una determinada velocidad de viento

C: es el denominado factor de escala, cuyo valor es cercano a la velocidad media en el emplazamiento

k: es el denominado factor de forma.

0

10

20

30

40

50

60

3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2

Alt

ura

(m)

Velocidad (m/s)

22

Es importante estimar el potencial eólico disponible de un lugar como la potencia media eólica por unidad de superficie para un tiempo suficientemente largo (un año al menos), supuesta una densidad del aire constante (valor de la densidad de se lo establece a una temperatura de 24.697 `C)

(Ecuación 4.4)

En la siguiente tabla se muestra un resumen del clima de viento en el área de estudio , donde se muestran los valores de los parámetros de Weibull (c y k), la velocidad media (Vm), la potencia disponible y la función de densidad de probabilidad Weibull; calculados para diferentes alturas y considerando una clase de rugosidad 1 (0.01m).

Tabla 12. Resumen del clima de viento regional

Altura (m)

k c [m/s] Vm

[m/s] Pd (W/m2) Distribución de Weibull

10 1.780 3.776 3.360 13.494

30 1.786 4.343 3.864 20.272

50 1.785 4.631 4.120 24.558


23

Como se puede apreciar en la tabla 12 la potencia eólica disponible presenta valores relativamente bajos, además el aerogenador nunca podrá captar toda esta potencia disponible.

4.3. Energía Mareomotriz

En lo que respecta a los recursos naturales la información es prácticamente nula. No existen estudios ni registros de mediciones acerca de gradiente térmico, olas o mareas. La única información existente es la que proporciona el Instituto Oceanográfico de la Armada (INOCAR). , el único posible proyecto de evaluación de potencial de este tipo fue planteado por la SENPLADES dentro de su planificación para el sector de Manglaralto provincia de Santa Elena en el actual gobierno. En el Ecuador el INOCAR mantiene una tabla de mareas de los principales puertos, dentro del control marítimo nacional. Por ejemplo en Guayaquil-Rio encontramos un promedio de Pleamar de 3,74 metros y una bajamar de 0,74 metros lo que nos da una diferencia de caída de 3 metros, lo cual plantea un interés a futuro.

Figura 8. Mareas del Golfo de Guayaquil

Fuente ( Instituto Oceanografico de la Armada del Ecuador)

Como se puede apreciar no existen estudios detallados que permitan concluir si existe la factibilidad de realización de proyectos pilotos en este campo.

24

4.4. Energía de la Biomasa

El sector seleccionado no cuenta con este recurso, su principalmente fuente posible de biomasa seria el manglar que circunda la isla, el cual está seriamente afectado emprendimientos industriales, principalmente, por la acuacultura del camarón, que para la instalación de las piscinas para la cría y cultivo del crustáceo tala todo el bosque de manglar en el área de las piscinas camaroneras. Actualmente existe la Asociación de Usuarios del Manglar de Cerrito de los Morreños conformada aproximadamente por 50 familias quienes tienen una concesión de 3400 hectáreas de manglar por parte del gobierno dentro del Programa de Defensa de Ecosistema del Manglar.

Figura 9. Manglares aledaños a la Isla

Fuente: Propia

25

CAPITULO 5. ANALISIS DE LA DEMANDA

5.1. Introducción Uno de los aspectos fundamentales para la elaboración de un sistema de generación es la evaluación de la demanda existente en la zona. Con esto, es posible realizar un dimensionamiento adecuado de los distintos equipos y así diseñar un sistema eficiente, confiable y optimo para la demanda existente o proyectada, y en nuestro caso particularmente garantizar la autonomía de generación en un periodo apropiado. El estudio de la demanda actual y futura se realiza dividiendo en categoría residencial, y categoría comunitaria. Así se podrá realizar una mejor diferenciación de los entes consumidores, estimando una curva de carga diferente para cada sector.

5.2. Estimación Demanda Actual

En la actualidad, las viviendas están conectadas a un generador trifásico diesel de 145 KW marca Perkins, el cual fue instalado a mediados del año 2010 , cuyo costo de operación es subsidiado principalmente por la municipalidad, la subvención equivale a alrededor de 1000 [l/mes] del consumo total de diesel (Expreso, 2010). Lamentablemente el transporte del diesel es ocasional lo que dificulta la operación del equipo, y además se suma el mal estado de toda la infraestructura de distribución de energía en la comunidad La estimación de la demanda residencial se realiza tomando una vivienda promedio, es decir, se calculan los consumos de artefactos presentes en una vivienda con 5 habitantes con total de 500 residentes aproximadamente. Esto se justifica debido a la homogeneidad que presenta el sector residencial en cuanto a consumos.

Figura 10. Viviendas de la Comunidad

Fuente: Propia

26

5.2.1 Categoría Residencial Son consumidores de tipo residencial aquellos habitantes que presentan un requerimiento de energía que se orienta principalmente a la iluminación de viviendas y el uso de aparatos electrodomésticos. Más específicamente, son las viviendas habitadas que poseen cargas fáciles de clasificar, como iluminación, electrodomésticos y artefactos de audio/video principalmente. Consumo promedio vivienda: Actualmente en todas las viviendas se ha reemplazado los focos tradicionales de 100 W por ahorradores de entre 20 y 25 W por parte de la Corporación Electricidad de Guayaquil en promedio cada casa cuenta 4 ó 5 focos, un radio, un televisor y algún otro pequeño artefacto. El consumo diario se obtiene multiplicando las potencias de los artefactos con sus respectivos factores y tiempos de uso. Obteniendo así la demanda estimada para la categoría residencial de Cerrito de los Morreños por vivienda. Para el cálculo se estima alrededor de 4 horas de funcionamiento de los focos y demás artefactos electrodomésticos en un rango de utilización de 2-3 horas. En la siguiente tabla se presentan la demanda de energía estimada por vivienda actualmente.

Tabla 13. Demanda estimada de Energía por Vivienda Equipos Potencia

(W) P Numero

de equipo N

horas días/ funcionamiento

H

consumo wh/día N*P*H

Foco Ahorrador 20W

20 5 4 400

Radio 40 1 3 120

Televisor 65 1 1 65

Otros 50 1 2 100


A partir de este cálculo se determinar que la demanda diaria o consumo diario de energía es 685 W/día por vivienda, En la siguiente tabla se presenta la demanda estimada para la categoría residencial de Cerrito de los Morreños en la situación actual con aproximado de 100 viviendas:

Tabla 14. Demanda estimada para la categoría residencial en situación actual Energía Diaria 68.5 kWh

Energía Mensual 2055 kWh Energía Anual 25002.5 kWh


5.2.2. Categoría Comunitaria

En esta categoría se encuentran los consumos de los servicios públicos; Escuela, Sala Comunitaria (dispensario médico) y alumbrado público. El alumbrado Público consiste de la lámparas de Sodio de 70 W existen alrededor de 10 unidades las cuales se enciende para actividades especificas de la comunidad.

27

Primeramente analizaremos el consumo de la Escuela, donde reciben educación alrededor de 250 estudiantes de los cuales 120 son nativos de la isla y el resto de comunidades vecinas. Entre los equipos de consumo eléctrico podemos citar: 3 ventiladores, Dvd, Televisor, 6 lámparas, 6 computadores de escritorio y una impresora (esto dos últimos donados en el 2006). La escuela cuenta con tres paneles fotovoltaicos de 100 W (donados por el Ministerio de Energía y Minas en el 2006) conectados a batería de camiones usados, las cuales tienen como objetivo suministrar energía a las 6 computadoras y una impresora que solo se utilizan en forma demostrativa en periodos menores de una 1 hora. EL mantenimiento de los paneles y el sistema de almacenamiento está a cargo de la comunidad.

Figura 11. Paneles Fotovoltaicos y Baterías

Fuente: Propia

Figura 12. Infraestructura de la Escuela

Fuente: Propia

28

Tabla 15. Demanda estimada de Energía en la Escuela

Equipos Potencia (W) P

Numero de

equipo N


H


Foco Ahorrador de 20W

20 6 2 240

Computadora 300 6 0.5 900

Ventilador 100 3 2 600

DVD 75 2 2 300

Televisor 65 1 2 130

Radio 40 1 1 40

Impresora 150 1 0.4 60


Con respecto a la sala comunitaria solo se las usa en las mañanas por lo cual no existen artefactos eléctricos de igual forma el dispensario médico funciona solamente cuando la comunidad es visitada por representantes del ministerio de Salud aproximadamente cada 15 días (en horario de 10 a 15 horas). En el mismo se atiende alrededor de 50 personas al día perteneciente a la comunidad y poblaciones de otras islas Todo lo que respecta a medicinas o vacunas son llevadas al continente para su almacenamiento. Finalmente se determina que la demanda diaria o consumo diario de energía es 2270 Wh/día, lo que equivale a 2.27 kWh/d.

Tabla 16. Demanda estimada para la categoría comunitaria en situación actual Energía Diaria 2.27 kWh

Energía Mensual 68.5 kWh

Energía Anual 817.2 kWh Fuente: Elaboración Propia

Una vez conocida la demanda de energía a nivel residencial y comunitario se puede establecer el consumo total de energía que actualmente tiene la comunidad.

Tabla 17. Demanda estimada global en situación actual Energía Diaria 70.77 kWh

Energía Mensual 2123.1 kWh

Energía Anual 25477.2 kWh Fuente: Elaboración Propia

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5.3. Estimación de la demanda con proyecto

Una vez que la comunidad posea suministro continuo de energía eléctrica, la demanda presentara un aumento y tendrá un comportamiento característico a comunidades rurales. Se generarán actividades a nivel residencial y comunitario, por lo tanto nuevos consumos. La escuela podrá utilizar sus artefactos para el adecuado desarrollo docente, se podrá acondicionar el dispensario con más equipos y los habitantes podrán adquirir nuevos artefactos eléctricos para mejorar su calidad de vida.

5.3.1. Categoría Residencial.

En las visita realiza se pregunto cuales son las necesidades más urgentes en cuanto a artefactos eléctricos se refiere, para así estimar adecuadamente los artefactos que se adquirirán una vez teniendo suministro continuo, entre los cuales se cito ventiladores, plancha, etc. Con esta información se ha recalculado el consumo promedio de una vivienda con suministro continuo. Existe un propuesta de tener un congelador general para la comunidad por lo cual no se ha considerado dentro del consumo residencial la presencia de una refrigeradora en las viviendas

Tabla 18. Demanda estimada de Energía por Vivienda con el Proyecto Equipos Potencia

(W) P Numero de equipo N


H


Foco Ahorrador

20W

20 5 6 600

Radio 40 1 3 120



Otros 50 1 2 100


Como se puede observar la demanda diaria o consumo diario de energía puede presentar un considerable aumento, el valor estimado seria de 1.315 KWh/d por vivienda, En la siguiente tabla se presenta la demanda estimada para la categoría residencial de Cerrito de los Morreños en la situación actual con aproximado de 100 viviendas:

Tabla 19. Demanda estimada para la categoría residencial con el Proyecto Energía Diaria 131.5 kWh

Energía Mensual 3945 kWh Energía Anual 47340 kWh Fuente: Elaboración Propia

30

5.3.2. Categoría Comunitaria

Como se dijo anteriormente, en esta categoría se encuentran los consumos de los servicios públicos; escuela, dispensario médico, sala comunitaria y alumbrado público. Escuela: Con la visita realizada en terreno se obtuvo en detalle la cantidad de artefactos eléctricos presentes. Sus potencias, factores y tiempo de uso se estimaron con la colaboración del encargado de la escuela, que controla las actividades docentes y el uso de artefactos como computadores, impresoras, TV, etc. Cabe destacar que el consumo producido por la escuela se presenta sólo de lunes a viernes.

Tabla 20. Demanda estimada de Energía en la Escuela Equipos

Potencia (W) P

Numero de equipo

N


H


Foco Ahorrador de 20W 20 6 4 480

Computadora 300 6 2 3600


DVD 75 1 2 150


Radio 40 1 1 40


Fuente: Elaboración Propia Sala Comunitaria-Dispensarios: Una vez instalado un sistema de generación continua se prevé la instalación de congeladores para almacenamiento de productos, además de una refrigeradora con la única finalidad de almacenamiento de medicamentos y vacunas

Tabla 21. Demanda estimada de Energía en la Sala Comunitaria-Dispensario Medico Equipos Potencia



H


Refrigeradora 400 1 8 3200

Foco Ahorrador 20W

20 3 4 240

Congelador 1000 1 10 10000

Fuente: Elaboración Propia La demanda estimada global en la categoría comunitaria seria la suma 5.605 kWh/d de la escuela, 13.44 kWh/d de sala Comunitaria y se le deberá sumar también el que existirá por alumbrado público el cual se propone utilizar desde la 19 horas hasta la 5 de la mañana con una demanda de 7 kWh/d. y Con la cual en la categoría comunitaria se obtiene un total de 26.05 kWh/d.

31

Tabla 22. Demanda estimada para la categoría comunitaria con el Proyecto Energía Diaria 26.05 kWh

Energía Mensual 781.35 kWh Energía Anual 9376.2 kWh

Fuente: Elaboración Propia Con los análisis y estimaciones hechos previamente se calcula la demanda total que presentará la localidad en la situación con proyecto. En la siguiente tabla, se muestra la demanda total estimada incluyendo la categoría residencial y comunitaria.

Tabla 23. Demanda estimada total para situación con proyecto Energía Diaria 157.55 kWh

Energía Mensual 4726.5 kWh Energía Anual 56718 kWh


5.4 Estimación de la curva de potencia

La estimación de la curva de carga o potencia, representa el comportamiento de la demanda del sistema en régimen de funcionamiento. La conducta del sector rural está definida por las costumbres de sus habitantes, en el caso particular de Cerrito de los Morreños esta se regida a las actividades de pesca y recolección de productos del manglar, esperando así, una curva de carga diaria máxima típica durante la vida útil del sistema. No obstante, existirán cambios periódicos que se deben al crecimiento productivo, a la adquisición de aparatos electrodomésticos. Estas fluctuaciones son debidamente analizadas y consideradas en los análisis de consumo y carga. A continuación, se presenta el análisis hecho para un día de alto consumo tanto para la categoría residencial y comunitaria.

5.4.1 Consumo Residencial

El comportamiento de los habitantes con respecto al consumo de energía durante un día típico se resuelve de la siguiente manera:

• Televisores: Uso aproximado de 3 horas diarias en promedio. Generalmente, en el rango de 11:00 y 14:00, entre 20:00 y 23:00 horas típicamente

• Radio: Uso aproximado de 3 horas diarias en promedio. Generalmente, entre 5:00 y 7:00 horas, entre 12:00 y 14:00 horas y ente 19:00 y 21:00 horas.

• Ventilador: Uso aproximado de 3 hora diaria en promedio. Generalmente, entre 11:00 y 16:00 horas, entre 19:00 y 22:00 horas.

• Iluminación: Uso aproximado de 6 horas diarias en promedio. Generalmente, entre 19:00 y 24:00 horas y entre 6:00 y 8:00 horas.

• Otros: Uso aproximado dos horas al día en promedio. Generalmente, entre 12:00 y 14:00 horas, entre 20:00 y 22:00 horas.

Con este comportamiento se obtiene una curva de carga para la categoría residencial en un día de alto consumo.

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Grafica 10. Curva carga diaria categoría residencial por vivienda

Fuente: Propia

De la grafica 11, se aprecia que entre las 19:00 y 23:00 horas se produce el mayor consumo para la categoría residencial por vivienda con un valor aproximado de 365 W. Si asumimos el escenario más crítico de consumo, el cual significa que las 100 vivienda estas demandando electricidad tendría un máximo valor de 36.5 KW

4.4.2 Consumo Comunitario

Con respecto al consumo comunitario la escuela tiene actividades desde la 8 de la mañana hasta 18 horas de la tarde en dos jornadas de trabajo normalmente. Con respecto a la sala comunitaria los equipos de interés serian los congeladores (en la práctica compresor opera entre 8 y 10 horas promedio al día). Por lo cual se establecen como periodo de operación entre las 6:00 y 8:00, entre las 11:00 y 13:00, entre las 18:00 y 20:00.

Grafica 11. Curva carga diaria categoría comunitaria

Fuente: Propia

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Wat

ios

Horas

33

De la Grafica 12, se aprecia que existen dos grandes periodos de consumo el primero entre 9:00 y 11:00 de 4.300 KW, y el otro 16:00 a 18:00 de 3.900 KW.

5.4.3 Consumo Total

Con los análisis hechos previamente de las curvas diarias de cargas para los consumos residenciales, comunitarios, se obtiene la curva total de demanda para un día de alto consumo en la comunidad de Cerrito de los Morreños. En este caso particular se asume un escenario donde la coincidencia de demanda residencial es del 50% (MIDEPLAN, 2004)

Grafica 12. Curva carga diaria total

Fuente: Propia

De la Grafica 13, se observa que el consumo punta de potencia se encuentra entre las 19:00 y 21:00 horas, con un valor de 20.13 kW. La energía consumida diaria se estima en 150.94 kWh, dando una demanda promedio, en 24 horas, de 6.3 KW

34

CAPITULO 6. ANÁLISIS ALTERNATIVAS DE SUMINISTRO ELÉCTRICO

6.1. Introducción

Del capítulo 3, se concluye que de los recursos existe en la población de Cerrito de los Morreños, la energía solar es el recurso renovable con mayor abundancia. No obstante, se dispone en la actualidad se disponible de un generador que opera a partir de diesel el cual también se deberá considerar al momento de la selección y dimensionamiento del sistema de energización. Una ventaja adicional de utilizar energía solar en el caso de Cerro es que el tiempo de radiación solar disponible es constante todo el año con un promedio en la práctica 11 horas al día. Uno de los principales problemas que se tiene en la comunidad es el control de consumo de energía, por lo cual se ha selecciona dividir se propone 3 sistemas para el suministro eléctrico continuo.

• Sistema 1: Instalación Fotovoltaica Residencial por vivienda • Sistema 2: Instalación Fotovoltaica Comunitaria-Escuela • Sistema 3: Instalación Fotovoltaica Comunitaria-Sala Comunal

Los tres sistemas estarán conectados al generador existen por lo cual en su conjunto se puede considerar como sistema hibrido. Cabe destacar que se define como sistema híbrido a aquel que se vale de varias fuentes de generación de energía eléctrica. En este caso se utilizara una fuente renovable que es el caso de la energía fotovoltaica y una fuente de generación térmica fósil, que será un generador a diesel.

6.2 Dimensionamiento del sistema Fotovoltaico

6.2.1 Elementos que componen la instalación

Una instalación fotovoltaica consta de diferentes elementos, cumpliendo una función diferente cada uno de ellos, Típicamente son necesarios los siguientes componentes:

• Estructuras de soporte de módulos fotovoltaicos. • Módulos fotovoltaicos. • Baterías. • Regulador. • Inversor. • Energía auxiliar de apoyo: Grupo electrógeno. • Cableado. • Dispositivos de seguridad. • Dispositivos de control. • Aislamiento.

Una alternativa de gran importancia en el diseño de sistemas de electrificación para zonas rurales son los sistemas híbridos En este tipo de diseño, se combina un sistema fotovoltaico de generación con una fuente de respaldo como un motorgenerador (grupo electrógeno) que opera con diesel en nuestro

35

caso, que se enciende cuando las baterías están descargadas y suministra energía a la cargas conectadas al mismo tiempo que recarga el banco de baterías. En la siguiente figura se presenta un esquema del sistema planteado

Figura 13. Esquema del Sistema Hibrido de Generación

Fuente: Propia

6.2.2. Determinación del consumo de los equipos

Es muy importante considerar para el análisis y dimensionamiento del sistema de energización, la estimación de la demanda de energía que existirá cuando esta operación el proyecto, por lo cual dentro del capítulo 4 se realizo un análisis detallado de esta variable en función de un listado de los diversos aparatos conectados al sistema, el número de horas de uso diario y el voltaje nominal de operación de cada uno. Dichos resultados serán utilizados dentro del dimensionamiento de nuestro sistema. Adicionalmente se considera un margen de seguridad del 10 % correspondiente a las perdidas del cableado y un 90% de eficiencia en el inversor. En las siguientes tablas se muestran el consumo eléctrico de los equipos tanto en la categoría residencial (viviendas), como la categoría comunitaria (centro de educación y Sala Comunitaria)

36

Tabla 24. Consumo eléctrico de equipos para cada Vivienda en la Categoría Residencial Equipos Potencia



H


Foco Ahorrador 20W

20 5 6 600

Radio 40 1 3 120



Otros 50 1 1 500

Consumo ( Wh/día) 1265

Consumo Total Diarios ( Wh/día) (G) 1546.11

Fuente: Propia

Tabla 25. Consumo eléctrico de equipos en la Escuela Categoría Comunitaria Equipos Potencia

(W) P Numero

de equipo N


H


Foco Ahorrador 20W

20 6 2 240

Computadora 300 6 2 3600


DVD 75 1 2 150

Radio 40 1 1 40




Fuente: Propia

Tabla 26. Consumo eléctrico de equipos en la Sala Comunitaria-Dispensario Medico Equipos Potencia



H


Refrigeradora 400 1 8 3200

Foco Ahorrador 20W

20 3 4 240



Fuente: Propia La comunidad tienen el interés de cubrir la demanda de carga tanto del congelador como del alumbrado público por medio de generador, por lo cual estos equipos no se están considerados en el análisis de consumo

37

6.2.3. Determinación de la Inclinación Óptima de los Paneles

Para la selección de la inclinación del panel se debe determinar primero si utilizaremos una sola dirección o la instalación permita dos orientaciones posibles. En nuestro caso seleccionamos una sola posición esto basado en los resultados obtenidos en el capitulo donde el ángulo de 15 grados nos permite captar la mayor radiación de solar al día. Es importante verificar estos resultados cuando existe variación de consumo a lo largo del año. Es importante para realizar un correcto dimensionamiento determinar la relación consumo/radiación, la cual se calcula por medio de la siguiente expresión:

(Ecuación 6.1)

Donde: Gt: Consumos (Wh/día) Rd: Radiación media diaria (kWh/m2/día) Las unidades de P son m210-3. Ahora calcularemos la relación para cada sistema en diferentes inclinaciones posibles, posteriormente seleccionaremos el mes menos favorable (mes más desfavorable) en función de que mes tenga mayor valor de P para cada inclinación dada, posteriormente se escoge el menor de los valores seleccionados, identificando a que inclinación corresponde.

Tabla 27. Relación (P) de consumos Viviendas/radiación para diferentes inclinaciones Angulo E F M A M J J A S O N D

0 226 227 206 207 218 232 247 225 219 233 214 211

15 217 223 208 208 213 223 240 223 223 231 206 200

30 219 230 221 220 219 227 246 234 239 240 209 200

45 232 250 249 247 239 244 265 259 270 264 223 211

60 261 288 302 299 278 278 305 306 329 307 253 235

15 -30 217 223 206 207 213 223 240 223 219 231 206 200

15-45 219 227 206 207 218 227 246 225 219 233 209 200

15-60 226 227 206 207 218 232 247 225 219 233 214 211

30-45 226 227 206 207 218 232 247 225 219 233 214 211

30-60 217 223 208 208 213 223 240 223 223 231 206 200

45-60 217 223 208 208 213 223 240 223 223 231 206 200

Fuente: Propia Para el sistema Comunitario Escuela se obtiene que la mejor inclinación fija seria a 15 grados en doble existan algunas combinaciones entre 15 grados con 30, 45, 60 respectivamente obteniendo en todos los casos un valor de P de 240 m210-3.

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Tabla 28. Relación (P) de consumos de la escuela/radiación para diferentes inclinaciones Angulo E F M A M J J A S O N D

0 1001 1006 911 916 966 1027 1095 996 971 1032 950 934

15 960 988 921 920 944 989 1064 990 988 1023 915 886

30 968 1018 981 975 972 1005 1089 1036 1057 1065 927 886

45 1029 1106 1105 1096 1059 1080 1176 1146 1198 1169 990 933

60 1158 1274 1336 1323 1231 1234 1350 1355 1459 1362 1121 1041

15 -30 960 988 921 920 944 989 1064 990 988 1023 915 886

15-45 960 988 921 920 944 989 1064 990 988 1023 915 886

15-60 960 988 921 920 944 989 1064 990 988 1023 915 886

30-45 968 1018 981 975 972 1005 1089 1036 1057 1065 927 886

30-60 968 1018 981 975 972 1005 1089 1036 1057 1065 927 886

45-60 1029 1106 1105 1096 1059 1080 1176 1146 1198 1169 990 933

Fuente: Propia

Para el sistema Comunitario Escuela se obtiene que la mejor inclinación fija seria a 15 grados en doble existan algunas combinaciones entre 15 grados con 30, 45, 60 respectivamente obteniendo en todos los casos un valor de P de 1046 m210-3. Tabla 29. Relación (P) de consumos de la Sala Comunitaria/radiación para diferentes inclinaciones

Angulo E F M A M J J A S O N D

0 614 618 559 562 593 630 672 611 596 634 583 573

15 589 606 565 565 579 607 653 607 606 628 561 544

30 594 625 602 599 596 617 668 636 649 654 569 544

45 631 679 678 673 650 663 721 703 735 717 607 573

60 710 782 820 812 755 757 828 832 896 836 688 639

15 -30 589 606 565 565 579 607 653 607 606 628 561 544

15-45 589 606 565 565 579 607 653 607 606 628 561 544

15-60 589 606 565 565 579 607 653 607 606 628 561 544

30-45 594 625 602 599 596 617 668 636 649 654 569 544

30-60 594 625 602 599 596 617 668 636 649 654 569 544

45-60 631 679 678 673 650 663 721 703 735 717 607 573

Fuente: Propia

Para el sistema Comunitario Escuela se obtiene que la mejor inclinación fija seria a 15 grados en doble existan algunas combinaciones entre 15 grados con 30, 45, 60 respectivamente obteniendo en todos los casos un valor de P de 653 m210-3. Finalmente al observar las diferentes tablas podemos determinar la mejor opción de inclinación fija en la posición de 15 grados y una posición doble en 15-30 grados para todos los sistemas de interés. En ambos caso mirando hacia el sur

39

6.2.4. Dimensionado del Campo de Captación

En nuestro caso hemos seleccionado un panel de potencia de captación (C) de 100 Wp/12 V de la marca Exmork que actualmente se encuentra en el mercado nacional para todos nuestros sistemas, teniendo una área (A) de 0.7571 m2 Con esta información se procede a calcular el rendimiento del panel (ρ), que viene dada por la expresión:

(Ecuación 6.2)

Siendo los valores nominales utilizados por el fabricante para la prueba de rendimiento de 1000 W/m2, Am1.5 y 25°C Realizando los cálculos correspondientes se obtiene un eficiencia de 13.21% para el panel seleccionado. Con esta información se procede a calcular cuantos metros cuadrados de panel se necesita a partir de la expresión:

(Ecuación 6.3) f: Es un factor con un valor de 1.1 que se aplica para compensar posibles pérdidas debidas a errores en la orientación, la limpieza, conexiones, etc. Luego se divide el valor calculado de área de captación para el valor de área de un solo panel, obteniendo así el número de paneles a necesitar (Np). Si multiplicamos este valor por la potencia pico (C) obtendremos la potencia A continuación se presenta los valores obtenidos para los tres sistemas a dimensionar.

Tabla 30. Resumen de Resultados del sistema de Captación Parámetros Unidades Vivienda Escuela Sala Comunal

Margen de seguridad 1.1 1.1 1.1

Rendimiento de los paneles

13.21 13.21 13.21

Potencia mes desfavorable m2 10-3 240 1046 653

Área total de paneles m2 1.999 8.71 5.44

Numero de paneles 3 12 7

Potencia captación (paneles)

Wp 100 100 100

Potencia total( instalación )

Wp 300 1200 700

Fuente: Propia

40

6.2.5. Dimensionado del Sistema de Acumulación La capacidad de la batería se calcula en función del número de días de autonomía y del consumo medio diario existente. Dentro de nuestro dimensionamiento se establece tener 3 días de autonomía, se selecciona este valor debido que en la comunidad existe un elemento de apoyo de generación eléctrica actual como es el caso del motorgenerador. Se utilizarán baterías de ciclo profundo de 150Ah con un costo individual de $290.00 en el mercado local, marca CAPSA/MAC, de 12V, las mismas que son de plomo ácido líquido.

Tabla 31.Cuadro de resultados del conjunto de Batería Unidades Vivienda Escuela Sala Comunal

Días de autonomía días 3 3 3

Profundidad de descarga % 70 70 70

Tensión de la instalación V 12 12 12

Tensión de la batería 2 2 2

Baterías Nb 6 6 6

Margen de seguridad % 110 110 110

Consumo Wh/d 1546 6851 4204

Capacidad acumulación C100

Ah 607 2691 1652

Fuente: Propia Con esta información se estima el número de baterías a utilizar en serie en función de la capacidad de acumulación, estos resultados se presentan a continuación:

• Sistema Residencial-Vivienda: 4 baterías • Sistema Comunitario-Escuela: 18 baterías • Sistema Comunitario- Sala Comunal: 11 baterías.

Es importante verificar que la corriente de carga suministrada por los paneles fotovoltaicos no supere la capacidad de acumulación de las baterías. Además de estimar la peor situación cuando tengamos las máximas cargas y así obtener la corriente de descarga.

Tabla 32. Corriente de Carga y Descarga Sistema Potencia

(Wp) Corriente de carga

( A)

Porcentaje Corriente de descarga

(A)

Porcentaje

Vivienda-Residencial

300.0 25.0 4.1 8.3 1.4

Escuela-Comunitario

1200.0 100.0 4.1 150.0 6.1

Sala Comunitaria-Dispensario Medico

700.0 58.3 7.8 33.3 4.4

Fuente: Propia

Como se puede apreciar el porcentaje con respecto a la capacidad de acumulación del conjunto de baterías es menor al 10%

41

El caso particular de la noche es importante analizar debido que el sistema tratara de dejar las baterías en flotación. Los consumos máximos de potencia nocturna son obtenidos del análisis realizado en el previamente en el capítulo 4.

Tabla 33. Corriente de Descarga Nocturna Sistema Potencia

(Wp) Corriente de

carga ( A) Porcentaje

Vivienda-Residencial 365.0 30.4 5.0

Escuela-Comunitario 3900.0 325.0 13.3

Sala Comunitaria-Dispensario Medico 400.0 33.3 4.4

Fuente: Propia

Cabe recordad que una tasa de descarga más lenta que un C100, repercutirá favorablemente en la vida de la batería pues tasas de descarga C100 y ciclados máximos de un 20 % nos acercan a los 20 años de vida de éstas. Al quedar nuestros sistemas de acumulación durante su operación con un valor inferior al 20% se comprueba este criterio (Lopez, 2010)

6.2.6. Selección del Regulador

En la gran mayoría de los sistemas fotovoltaicos autónomos con baterías es necesario un sistema de regulación de carga. Las características eléctricas que definen un regulador son la tensión nominal y la intensidad máxima de trabajo. Para calcular el regulador de carga necesaria, se multiplica la corriente de cortocircuito (Icc) de cada panel por el número de paneles en paralelo necesarios (N). Ese producto será la máxima intensidad nominal a la que trabajara el regulador (Imax).En el caso particular de la escuela se tendrá dos ramales de en paralelo, cada uno con 6 paneles en serie

Tabla 34. Corriente del Regulador por Sistema Sistema I regulador (A)

Vivienda-Residencial 18.42

Escuela-Comunitario 12.28

Sala Comunitaria-Dispensario Medico 42.98

Fuente: Propia A partir de este análisis se seleccione los siguientes reguladores de carga para los sistemas:

Tabla 35. Regulador Seleccionado Sistema I regulador (A) Marca

Vivienda-Residencial 20 Morningstar

Escuela-Comunitario 20 Morningstar

Sala Comunitaria-Dispensario Medico 45 Morningstar

Fuente: Propia

42

6.2.7 Selección del Inversor El panel fotovoltaico produce corriente continua (DC). En sistemas fotovoltaicos autónomos, para poder utilizar cargas en corriente alterna se necesita un dispositivo electrónico, denominado inversor, que convierta la corriente continúa en corriente alterna (AC) Se procede a ahora a evaluar la potencia del Inverso en función de las simultaneada de uso de las cargas existentes, como se aprecia todos los equipos son de corriente alterna a excepción de los focos. Por lo cual necesitamos un inverso que como mínimo sea igual a la suma de potencia de todos los equipos.

Tabla 36. Valores de Potencia Mínima del Inversor Sistema Potencia Mínima del Inversor (W)

Vivienda-Residencial 255

Escuela-Comunitario 2365

Sala Comunitaria-Dispensario Medico 460

Fuente: Propia

6.2.8. Dimensionamiento de conductores

El cableado ha de dimensionarse adecuadamente con el objeto de minimizar las caídas de tensión en la instalación. Para ello es necesario seleccionar el tipo de cable (tipo de aislamiento, resistencia intemperie, etc.), su longitud y su sección. La longitud del cableado depende en gran medida del emplazamiento de la instalación. Se ha de procurar minimizar las longitudes de cableado entre los distintos elementos que componen la instalación. La sección de los conductores se calcula en función de la longitud de los cables y de la corriente que circula por ellos. Se recomiendan los valores especificados a continuación: Caídas de tensión máxima entre generador y regulador/inversor: 3% Caídas de tensión máxima entre regulador y batería: 1% Caídas de tensión máxima entre inversor y batería: 1% Caídas de tensión máxima entre regulador e inversor: 1% Caídas de tensión máxima entre inversor/regulador y cargas: 3% La diferencia en costos entre un calibre de cable y su inmediato superior suele ser mínima, si se la compara a los costos globales de construcción. Además, los conductores escogidos sin los criterios mencionados pueden causar rendimientos inferiores a los esperados del sistema y acortar la vida útil de los componentes del mismo. Los valores máximos de caída de voltaje tolerables en un sistema son de 8% según normativa del CONELEC.

43

6.2.8.1 Calculo del Cableado del Sistema

Los sistemas fotovoltaicos a proyectar se han dividido en varios tramos de conexión entre los diferentes equipos y cajas de conexión que la componen. Dichos tramos de cableado poseerán diferente sección de conductores puesto que la carga que circulará por cada uno de ellos será diferente dependiendo los equipos que interconecten. Para el cálculo de la sección en los tramos de corriente continua se utilizara la ecuación:

(Ecuación 6.4)

- S es la sección teórica del conductor en mm2. - L es la longitud del conductor m. - Icc es la corriente máxima que va a circular por los conductores y es la de cortocircuito de los paneles A. -U es la caída de tensión V que como máximo podrán tener los conductores. -C es la conductividad del elemento que forma el conductor, en este caso siempre se utilizara cobre y su conductividad es 56m/Ω*mm2.

Tabla 37. Calibres de Conductores Generador- Regulador Sistema S mm2 AWG

Vivienda-Residencial 12.53 6

Escuela-Comunitario 2.78 8

Sala Comunitaria-Dispensario Medico 58.48 2/0

Fuente: Propia- (Electricasas)

Tabla 38. Calibres de Conductores Regulador- Batería Sistema S mm2 AWG



Sala Comunitaria-Dispensario Medico 26.79 2


Tabla 39. Calibres de Conductores Batería-Inversor Sistema S mm2 AWG



Sala Comunitaria-Dispensario Medico 77.14 3/0


44

6.3. Componentes finales del Sistema

A continuación se describen las características principales de los componentes seleccionados en el dimensionamiento del sistema fotovoltaico:

Tabla 40. Especificaciones Técnicas del Panel Fotovoltaico Tipo 100Wp / 12V

Material Si-Poli-cristalino

Modelo actual 100P

Medidas (mm) 1130x670x35

Voltaje max. Voc 22V +/-0.5V

Corriente max Isc 6.14A +/-0.1A

Voltaje max Pot 17.5 +/-0.1A

Corriente max Pot 5.71 +/-0.1A

Variación potencia 3%

Fuente: (ProViento S.A.)

Tabla 41. Especificaciones Técnicas de la Batería Batería CAPSA/MAC

Modelo 8D

Capacidad C100 (Ah) 150

Voltaje (V) 12

Dimensiones (mm) 507 x270x240


Tabla 42. Especificaciones Técnica de los reguladores de Carga Sistema Modelo Voltaje (V) Corriente (A)

Vivienda-Residencial Morningstar SunSaver SS

12 20

Escuela-Comunitario Morningstar SunSaver SS

12 20

Sala Comunitaria-Dispensario Medico Morningstar TriStar

12 45


45

Los inversores seleccionados para el sistema residencial y Sala comunitaria son de la marca EXMORK con salida en 110VAC/60Hz sinoidal pura disponen de indicadores de voltaje para la salida AC como de entrada en DC y un indicador de amperaje para la recarga. El inversor de la Escuela-Comunitario es el modelo VFX2812 de la marca Outback Sinusoidal pura - 2800W cont. 4800W max. - 12VDC/120VAC

Tabla 43. Especificaciones Técnica de los Inversores Sistema Potencia (W) Voltaje (A) DC Voltaje (V)

AC Vivienda-Residencial 500 12 110

Escuela-Comunitario 2800 12 120

Sala Comunitaria-Dispensario Medico

500 12 110


El Sistema fotovoltaico Vivienda-Residencial deberá constar de 3 paneles en paralelo, 4 baterías conectadas en serie, un regular de carga de 20A de la marca Morningstar y un inverso de 500 W El Sistema fotovoltaico Escuela-Comunitario tendrá 12 paneles distribuidos en dos ramales de 6 paneles en serie, 18 baterías conectadas en serie, un regulador de carga 20A de la marca Morningstar y un inverso de 2800 W. El Sistema fotovoltaico Sala Comunitaria-Dispensario Médico tendrá 7 paneles en paralelo, 11 baterías conectadas en serie, un regulador de carga de 45A de la marca Morningstar y un inverso de 500W. Cabe destacar que todos los componentes seleccionados actualmente existen y son vendidos en el Ecuador

6.4 Costo de los sistemas

A continuación se describen los costos de los componentes principales de los sistemas fotovoltaicos dimensionados.

Tabla 44. Precios de los componentes del sistema Vivienda-Residencial Componente Precio Unitario $ Numero Precio Total $

Panel Fotovoltaico 400 3 1200

Batería 290 4 1160

Regulador de Carga 160 1 160

Inversor 380 1 380

Costo Total 2900

Fuente: Propia

46

Tabla 45. Precios de los componentes del Escuela-Comunitario Componente Precio Unitario $ Numero Precio Total $


Batería 290 18 5220


Inversor 160 1 380

Costo Total 12880

Fuente: Propia

Tabla 46. Precios de los componentes de la Sala Comunitaria-Dispensario Medico Componente Precio Unitario $ Numero Precio Total $


Batería 290 11 3190


Inversor 380 1 380

Costo Total 6625

Fuente Propia

Con esta información finalmente se puede estimar el precio total de los equipos para los tres sistemas propuestos, Cabe recalcar que en valor del sistema Vivienda-Residencial por el número de vivienda existen que son 100. Al sumar todos los valores obtenidos se obtiene un monto total de $309505 mas un 10% aproximadamente que representa costo de cableado y equipamiento auxiliar si fuera necesario.

47

CAPITULO 7. CONCLUSIONES

• La alternativa de energizacion por medio del recurso solar resulta la más conveniente de aplicar

para la comunidad debido principalmente a la horas de sol disponibles , con respecto a la

energía eólica la media de viento local no supere los 3.2 m/s, situación a partir de la cual la

alternativa eólica no resulta apropiada y ni viable

• El diseño planteado obedece al comportamiento de las necesidades reales de consumo. La

utilización del generador incorporándolo dentro de un sistema hibrido permitirá abastecer en

forma continua a la comunidad. Siendo el suministro eléctrico una necesidad básica que influye

directamente en el desarrollo socioeconómico, se establece un diseño que garantice cubrir el

consumo durante 3 días sin luz solar. Esta autonomía ha sido una variable de interés para el

desarrollo del diseño del proyecto.

• Gracias al desarrollo del proyecto se logró estimar la demanda actual y futura de la localidad. La

energía consumida actualmente es aproximadamente de 70KWh al día. Se estimó que una vez

que el proyecto de abastecimiento continuo de energía eléctrica entre en operación se tendrá

una demanda diaria aproximada para la categoría residencial, comunitaria de 157 kWh al día

aproximadamente. Además, con la proyección del comportamiento de los habitantes en cuanto

a hábitos de consumo, se calculó que para un día de alta demanda, la potencia punta se

encuentra entre las 19:00 y 21:00 horas con un valor aproximado de 20,13 KW Esto calculado

con un factor de coincidencia 0,5.

• El consumo medio por vivienda ha sido calculado teniendo en cuenta parámetros generales de

las necesidades de consumo existente. Por lo ello la configuración del sistema vivienda-

residencial no atiende a criterios específicos de alguna vivienda en particular, lo que permite

replicar los valores demanda estimados a toda la comunidad

• Para la implementación del proyecto se estimó que se necesitan un total de 319 paneles solares

de 100Wp cada uno, distribuidos de la siguiente forma: 300 para el sistema vivienda-residencial,

12 para el sistema escuela-comunitaria y 7 para Sala Comunitaria-Dispensario Médico.

48

• Los sistemas híbridos fotovoltaicos (generador fotovoltaico y motorgenerador) constituye una

alternativa de gran importancia en el campo de la electrificación rural. Este tipo de sistema

permite brindar una mayor autonomía y reducir los costos totales asociados a un sistema

puramente fotovoltaico. La disposición de una fuente alternativa de generación eléctrica para

suplir la demanda y recargar baterías, permite diseñar el sistema FV para una cantidad menor de

días de autonomía lo que se traduce en una reducción en la cantidad de baterías necesarias.

• Desde un punto de vista logístico la utilización de un sistema fotovoltaico hibrido permitiria

reducir el transporte de diesel en forma considerable, Se estimada que la demanda de diesel

bajo el mismo régimen de consumo seria de 750 gal al mes aproximadamente, lo que se traduce

en 1875 $ mensuales que incluye costo de flete y transporte. Con la instalación del sistema

diseñado se reduciría esta demanda de combustible al 80% al menos.

• Asumiendo un valor total de inversión de $ 371406 para la puesta en marcha de este proyecto,

considerando un 20% de gastos adicionales (ingeniería, gastos administrativos, instalación,

cableado, protecciones y otros gastos generales). El ahorro que se generaría por la disminución

del consumo de diesel permitiría pagar la misma en un periodo de 21 años aproximadamente

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ANEXOS

Frecuencia Relativa y Acumulada de la Velocidad de Viento

Velocidad de Viento a 10m Velocidad de Viento a 30m Velocidad de Viento a 50m

Clase Frecuencia %

acumulado Clase Frecuencia %

acumulado Clase Frecuencia %

acumulado

0 561 1.07% 0 561 1.07% 0 561 1.07% 0.5 0 1.07% 0.5 0 1.07% 0.5 0 1.07% 1 5277 11.13% 1 2475 5.79% 1 2475 5.79%

1.5 0 11.13% 1.5 2802 11.13% 1.5 2802 11.13% 2 8124 26.61% 2 3190 17.21% 2 1554 14.09%

2.5 7753 41.38% 2.5 6557 29.70% 2.5 6570 26.61% 3 6457 53.69% 3 7551 44.09% 3 6318 38.65%

3.5 5440 64.06% 3.5 5036 53.69% 3.5 5451 49.04% 4 4287 72.23% 4 5440 64.06% 4 5853 60.19%

4.5 3449 78.80% 4.5 3465 70.66% 4.5 3833 67.50% 5 2744 84.03% 5 2987 76.35% 5 3254 73.70%

5.5 2117 88.06% 5.5 3019 82.11% 5.5 2677 78.80% 6 1647 91.20% 6 1900 85.73% 6 2247 83.08%

6.5 1311 93.70% 6.5 1926 89.40% 6.5 1816 86.54% 7 969 95.55% 7 1218 91.72% 7 1498 89.40%

7.5 714 96.91% 7.5 1040 93.70% 7.5 1218 91.72% 8 490 97.84% 8 969 95.55% 8 1283 94.16%

8.5 338 98.48% 8.5 585 96.66% 8.5 726 95.55% 9 249 98.96% 9 435 97.49% 9 585 96.66%

9.5 190 99.32% 9.5 397 98.25% 9.5 435 97.49% 10 129 99.57% 10 231 98.69% 10 323 98.11%

10.5 77 99.71% 10.5 229 99.12% 10.5 256 98.59% 11 60 99.83% 11 132 99.37% 11 192 98.96%

11.5 34 99.89% 11.5 101 99.57% 11.5 166 99.28% 12 22 99.94% 12 77 99.71% 12 129 99.52%

12.5 14 99.96% 12.5 53 99.82% 12.5 72 99.66% 13 10 99.98% 13 37 99.89% 13 54 99.76%

13.5 6 99.99% 13.5 17 99.92% 13.5 40 99.84% 14 1 99.99% 14 18 99.95% 14 29 99.89%

14.5 3 100.00% 14.5 9 99.97% 14.5 21 99.93% 15 0 100.00% 15 7 99.98% 15 10 99.95%

15.5 0 100.00% 15.5 5 99.99% 15.5 9 99.97% 16 0 100.00% 16 1 99.99% 16 8 99.98%

y mayor... 0 100.00% y mayor... 3 100.00% y mayor... 8 100.00%

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Características del Panel Fotovoltaico

53

Características de los Reguladores de Carga

55

Características de los Inversores

Marca EXMORK

56

Marca OutBack

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Tabla de valores referenciales AWG

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