VIABILIDAD DE LA ENERGÍA SOLAR PARA UNA CASA EN LA...
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VIABILIDAD DE LA ENERGÍA SOLAR PARA UNA CASA EN LA LOCALIDAD 19 DE LA CIUDAD DE BOGOTÁ JULIAN STEVEN CORONADO RAMOS YADY CATELIN CASTRO RODRIGUEZ UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES TECNOLOGÍA EN GESTIÓN AMBIENTAL Y SERVICIOS PÚBLICOS BOGOTÁ D.C 2018
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VIABILIDAD DE LA ENERGÍA SOLAR PARA UNA CASA EN LA LOCALIDAD 19 DE
LA CIUDAD DE BOGOTÁ
JULIAN STEVEN CORONADO RAMOS
YADY CATELIN CASTRO RODRIGUEZ
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES
TECNOLOGÍA EN GESTIÓN AMBIENTAL Y SERVICIOS PÚBLICOS
BOGOTÁ D.C
2018
VIABILIDAD DE LA ENERGÍA SOLAR PARA UNA CASA EN LA LOCALIDAD 19 DE
LA CIUDAD DE BOGOTÁ.
JULIAN STEVEN CORONADO RAMOS
Cód. 20152081836
YADY CATELIN CASTRO RODRIGUEZ
Cód. 20152081050
TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE TECNOLOGÍA EN GESTIÓN
AMBIENTAL Y SERVICIOS PÚBLICOS
DIRIGIDO POR: INGENIERO RAFAEL EDUARDO LADINO PERALTA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES
TECNOLOGÍA EN GESTIÓN AMBIENTAL Y SERVICIOS PÚBLICOS
BOGOTÁ D.C
2018
TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN……………………………………………………………………………………...01
1. INTRODUCCIÓN………………………………..………………..…..……………...........03
1.1. Planteamiento del problema……………………………….……….…………...…04
1.2. Antecedentes…………..………………………..……………….……………….....05
1.3. Justificación……………………...……………….…………………………….......10
1.4. Objetivo general…………………………………………………..………….….....11
1.4.1. Objetivos específicos……………………………………………….….................11
2. MARCO REFERENCIAL………………………………….………………….………......12
2.1. Marco teórico……………………………………………………..…………….......12
2.1.1. Las energías limpias y renovables...........................................................................12
2.1.2. Energía solar...........................................................................................................13
2.1.2.1. Termica.......................................................................................................14
2.1.2.2. Fotovoltaica................................................................................................15
2.1.3. Efecto fotoeléctrico……………………………………………………………….15
2.1.4. Sistemas fotovoltaicos y tipos.................................................................................16
2.1.5. Panel o modulo solar...............................................................................................17
2.1.6. Reguladores de carga..............................................................................................18
2.1.7. Baterías para sistemas solares………………………………...……......................18
2.1.8. Inversores para sistemas solares.............................................................................19
2.1.9. Accesorios y tipos de conexiones............................................................................19
2.1.10. Ventajas de usar energías limpias................................................................19
2.2. Marco normativo………………………..………………………………….………21
3. PROCESO METODOLÓGICO...........................................................................................22
3.1. Reconocimiento y diagnostico …………………….....…….....................................23
3.1.1. Planos de la vivienda en estudio…..........................................................................26
3.2. Diagnostico técnico…………………………..…...…...……………….……….......28
3.2.1. Análisis de consumos energéticos...........................................................................28
3.3. Línea base..................................................................................................................31
4. CALCULO DE LA INSTALACIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA....................................33
4.1. Ecuaciones y cálculos para el diseño de la propuesta de red eléctrica alimentada
con energía solar fotovoltaica...................................................................................34
4.1.1. Necesidad del usuario.............................................................................................38
4.1.2. Rendimiento de la instalación…………………………………………………….38
4.1.3. Número de paneles..................................................................................................39
4.1.4. Baterías ..................................................................................................................40
4.1.5. Regulador e inversor...............................................................................................41
4.1.6. Área necesaria…………………………………….................................................42
4.2. Uso de calculadora de sistemas fotovoltaicos online...............................................43
4.3. Presupuesto ...............................................................................................................47
4.3.1. Precios y características de los accesorios y módulos del sistema a usar.................49
5. VIABILIDAD Y PROPUESTA DE SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS.......................51
5.1. Artefacto propuesto..................................................................................................51
5.1.1. Utilidad y caracteristicas.........................................................................................52
5.2. Análisis costo/beneficio.............................................................................................53
6. PROTOTIPO DE CARGADOR FOTOVOLTAICO PARA CELULAR……………….56
6.1. Metodología de construcción...................................................................................56
6.2. Características y funcionamiento.............................................................................57
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS……………………………..……………..........................60
8. CONCLUSIONES……………..……………………………………………………….......62
9. RECOMENDACIONES………………………….……………………………………......65
10. REFERENCIAS………………………………………………………………..……….......66
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 Evolución de la energía solar en Colombia. Fuente: La guía solar. Energía solar en
Colombia..................................................................................................................................05
Gráfico 2 Reconocimiento ubicación. Fuente: Alcaldía local de ciudad bolívar....................23
Gráfico 3 Ubicación barrio de la casa modelo. Adaptado de: Openstreetmap 2017………..24
Gráfico 4 Ubicación dentro de la zona. Adaptado de: Google maps 2018.............................25
Gráfico 5 Plano planta piso 1. Fuente: Autor..........................................................................26
Gráfico 6 Plano planta piso 2. Fuente: Autor..........................................................................27
Gráfico 7 Plano planta piso 3. Fuente: Autor..........................................................................27
Gráfico 8 Comportamiento consumo mensual. Adaptado de: Facturas de Codensa…..……30
Gráfico 9 Conexión entre baterías, tensión 24 v. Fuente: Autor.............................................41
Gráfico 10 Panel solar a usar. Fuente: Ambientes soluciones s. a 2016.................................50
Gráfico 11 Calentador solar propuesto. Fuente: Ambientes & soluciones s.a........................51
Gráfico 12 Planos de estructura del cargador prototipo. Fuente: Autor....................................57
Gráfico 13 Circuito del prototipo en paralelo. Fuente: Autor……………………………….58
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Consumos nominales piso 1. Fuente: autor...............................................................28
Tabla 2 Consumos nominales piso 2. Fuente: autor...............................................................29
Tabla 3 Consumos nominales piso 3. Fuente: autor...............................................................29
Tabla 4 Calculo del peor mes con el factor de energía. Fuente: Autor……………………...31
Tabla 5 Tensión sugerida del sistema fotovoltaico según su potencia. Fuente: Manual calculo
fotovoltaico Inge mecánica. España 2014................................................................................32
Tabla 6 Cálculo de HSP Aprovechables Fuente: Autor...........................................................34
Tabla 7 Aglomerada de datos de resultados en el cálculo de HSP aprovechables.................35
Tabla 8 Cálculo Radiación sobre panel inclinado Fuente: Autor...........................................36
Tabla 9 Resultados HSP Aprovechables Fuente: Autor.........................................................36
Tabla 10 Valores escogidos para hallar las pérdidas del sistema Fuente: Autor....................39
Tabla 11 Datos de cálculo de número de Paneles...................................................................39
Tabla 12 Características del panel; informe detallado online. Fuente:
calculationsolar.com......................................................................................................... .......44
Tabla 13 Características del regulador, informe detallado online Fuente:
calculationsolar.com................................................................................................................45
Tabla 14 Características de las baterías, informe detallado online, Fuente:
calculationsolar.com................................................................................................................45
Tabla 15 Características del inversor, informe detallado online; Fuente:
calculationsolar.com................................................................................................................46
Tabla 16 Estimación de precios de elementos necesarios. Fuente: autor...............................47
Tabla 17 Recuperación de la Inversión Anual fuente: Autor....................................................48
Tabla 18 Comparación de paneles solares fotovoltaico. Fuente: página web de empresa
ambiente y soluciones y Green energy......................................................................................49
Tabla 19 Características del calentador solar. Fuente: autor....................................................52
Tabla 20 Consumo de un calentador a gas en kWh, Fuente: propanogas.com; selectra
España, 2014............................................................................................................................53
Tabla 21 Ahorro energéticos con el uso de la EST, Fuente: autor..........................................55
Tabla 22 Características del Módulo Usado. Fuente: Autor...................................................58
Tabla 23 Características de funcionamiento prototipo cargador solar. Fuente: Autor……...59
LISTA DE ANEXOS
ANEXO 1 Facturas de energía Marzo – Abril – Mayo 2018....................................................69
ANEXO 2 Planos del Domicilio modelo..................................................................................73
ANEXO 3 Datos de radiación obtenidos del visualizador online de la NASA.........................77
ANEXO 4 Resultados del simulador online, calculation solar.com.........................................79
ANEXO 5 Características Batería Planteada en el cálculo.......................................................86
ANEXO 6 Planos Prototipo cargador solar fotovoltaico..........................................................88
ANEXO 7 Esquema de la instalación solar fotovoltaica.........................................................90
Lista de siglas
kWh Kilowatt Hora
Wh Watt Hora
Hps Hora Pico Solar
m² Metros cuadrados
w Watt
Kg Kilogramo
Pmax Potencia Máxima
V Voltio
A Amperio
Dc Corriente Directa
°C Centigrados
mm Milimetros
IP Índice de Protección
Ahd Amperio Hora Día
Whd Watt Hora Día
Nu Necesidades del Usuario
Ec Energía consumida
KT coeficiente de pérdidas totales
Kb Pérdidas por rendimiento de la batería
Kc Pérdidas por rendimiento del convertidor
Kr Pérdida por el rendimiento del regulador
Kx Otras pérdidas por caída de tensión, etc.
Ka Pérdida por Auto Descarga Diaria de la bateria
Daut Días de autonomía
Pd Profundidad de Descarga (Batería)
Cmax Consumo máximo
Pp Potencia del Panel
ηP Rendimiento del Panel Solar
Np Número de paneles
Ep Energía suministrada por el panel
Cb Capacidad de la Batería
Ie Intensidad Entrada del regulador
Isc Corriente de cortocircuito
IMOD, SC Corriente unitaria del módulo en cortocircuito
Vmax Velocidad Máxima
Ah Amperio Hora
Ci Capacidad del inversor
kWp Kilowatt Potencia
EST Energía solar térmica
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RESUMEN
El presente proyecto tiene como propósito disminuir el uso de las fuentes convencionales de
electricidad y a cambio utilizar fuentes renovables, entre las cuales se escogió la energía solar para
el uso a nivel doméstico, de igual manera se realizaron varios estudios sobre esta opción de
producción, con el fin de conocer las características para la implementación del sistema solar
fotovoltaico en el lugar de estudio, que está ubicado en la localidad 19 de Bogotá.
Se determinó que con el uso de la fuente solar disminuiría el valor de la factura de energía
eléctrica del hogar, para ello se analizaron todos los consumos energéticos del lugar de estudio y
se realizaron los respectivos cálculos para proponer el uso de esta energía en el lugar, ya que
Bogotá se considera una de las ciudades con mayor demanda energética (79,69 GWh) a nivel
nacional (UPME 2017), asimismo se busca que la ciudad gradualmente adquiera un desarrollo
sostenible, mejorando sus condiciones ambientales, que en la mayoría de casos, los impactos
negativos son causados por el uso de fuentes convencionales.
El principal propósito de la investigación es estudiar la viabilidad de la energía solar fotovoltaica
y térmica en un hogar de la localidad 19 de la ciudad de Bogotá, para ello se indagaron varias
condiciones en cuanto a tecnología y horas picos solares de la zona de estudio, no obstante, también
se comparó la viabilidad del sistema solar fotovoltaico frente a los usos de la energía convencional
para lo cual se estudió la factibilidad frente a precios de adquisición y uso.
Se realizó el respectivo análisis de las herramientas necesarias para la instalación solar y sus
principales características para el funcionamiento, algunas de las herramientas son, módulos
solares, reguladores de carga, baterías e inversores para sistemas solares, se analizó varios
aspectos de los dispositivos solares, como eficiencia, potencia, costos y además de las cantidades
necesarias para la instalación solar fotovoltaica; de igual manera se analizaron algunas
aplicaciones que se le puede dar a la energía térmica, entre ellos, el calentador solar. Finalmente,
se realizó el diseño y elaboración de un cargador fotovoltaico para celular, con el fin de demostrar
algunos de los usos que se puede dar a la energía solar.
PALABRAS CLAVE: Desarrollo sostenible, Energía solar, Fotovoltaico, Generación, Modulo
o panel, Proceso fotoeléctrico, Servicio Doméstico.
2
ABSTRACT
The objective of this project is to reduce the use of conventional energies and, in turn, to use
renewable energies, among which solar energy was chosen for domestic use, in the same way
several studies were carried out on this energy in order to know the optimal characteristics for the
implementation of the photovoltaic solar system in the study site that is located in the location 19
of Bogotá.
It was determined that with the use of solar energy some costs of the household energy bill
would be reduced, for this purpose all the energy consumptions of the place of study were analyzed
and the respective calculations were made to propose the use of this energy in the place, since
Bogotá is considered one of the cities with the highest energy demand, and it is also sought that
the city will gradually acquire a sustainable development, improving its environmental conditions,
which in most cases, the negative impacts are caused by the use of energy conventional.
The main objective of the research is to study the feasibility of photovoltaic and thermal solar
energy in a home in the city of Bogotá, for which several conditions were investigated in terms of
technology and solar peak hours in the study area. Compared the viability of solar energy versus
the uses of conventional energy, for which feasibility was studied against acquisition and use
prices, which showed that long-term alternative energy can be free.
The respective analysis of the necessary tools for the solar installation and its main
characteristics for the correct operation was carried out, some of the tools are, solar modules,
charge regulators, batteries and inverters for solar systems, several aspects of solar devices were
analyzed , as efficiency, power, costs and in addition to the quantities necessary for the
photovoltaic solar installation; He also studied some applications that can be given to thermal
energy, including the solar heater. Finally, for demonstrate some of the uses that can be given to
solar energy we were the design and development of a charger that works with photovoltaic solar
energy, which is composed of 4 solar modules each with a power of 300 mAp and a voltage of 5V,
which were connected in parallel.
KEYWORDS: Sustainable development, Domestic service, Solar energy, Photovoltaic,
Generation, Module or panel, Photoelectric process.
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1. INTRODUCCIÓN
La mejor manera para ahorrar energía y reducir el costo de la factura de energía eléctrica es
utilizando energías renovables. Actualmente, ya es posible empezar a utilizar esta energía en el
hogar. Sería bastante favorable para todos que su uso se vuelva cada vez más común en una ciudad
como Bogotá. Aunque cueste tiempo y trabajo concientizar a la población ciudadana sobre los
impactos que genera la vida cotidiana y manifestar que es hora de cambiar nuestras costumbres al
respecto.
“Bogotá es una de las ciudades más grandes de latino América e igualmente una de las que
genera una alta demanda energética que cada día es más amplia” (DANE, 2010, Proyección de
Demanda de Energía en Colombia; Revisión octubre de 2010), por esto se piensa en implementar
nuevas alternativas energéticas para el hogar, más simples, funcionales y viables para avanzar en
las comodidades domésticas y al mismo tiempo cuidando el medio ambiente para llevar la ciudad
a un desarrollo sostenible.
Tal situación ha impulsado a la realización de estudios para analizar otras fuentes energéticas
que sean renovables, inagotables y amigables con el ambiente, que permitan dar una alternativa de
solución que satisfaga la demanda energética de la sociedad y a su vez contribuya a la mitigación
de la problemática del cambio climático. Entre estas fuentes alternativas encontramos al sol, del
cual se puede captar la energía solar para transformarla en energía eléctrica, mediante la instalación
de un sistema fotovoltaico. Este tipo de tecnología puede ser implementada en cualquier parte del
país, ya que existe el potencial energético.
Lo que se busca con esto es estudiar nuevas alternativas para producir energía de una forma
limpia, económica y de menos impacto que las energías existentes en el país y por ende en la
ciudad, con el fin de no reemplazar totalmente las convencionales, pero si reducir en un porcentaje
importante el uso de estas, además de conseguir producirlas a nivel domiciliario.
La tecnología en Gestión Ambiental y servicios Públicos se relaciona con el presente proyecto ya
que como tecnólogos, uno de los ejes temáticos de investigación de la carrera es buscar una
producción más limpia que relacionen el ambiente y el hombre de manera sustentable, por esta
razón se enfoco el proyecto en la viabilidad de la energía solar en un hogar de la zona urbana con
el fin de promocionar en el futuro el uso de nuevas alternativas de energía limpia a nivel doméstico.
4
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
“Bogotá es la ciudad más poblada de Colombia” (DANE, PROYECCIONES MUNICIPALES
2006-2020, 2008); por esta razón también es la que más energía eléctrica consume a nivel
doméstico, al ser Colombia un productor de energía hidráulica (energía producida a través de
corrientes o flujos de agua), implica también grandes construcciones de represas y generadoras en
distintos causes o ríos del país, las cuales generan un gran impacto negativo al ecosistema del lugar
e igualmente a nuestras fuentes hídricas aunque en menor nivel, (Redacción Nacional, Alerta por
daño ambiental de hidroeléctricas en Colombia Ago. 2016), además de este, otra problemática
tiene que ver con el avance tecnológico del país y el desarrollo en general de la ciudad, puesto que,
está atrasada en esta parte (Mónica Escobar Mesa,2016), es por ello que se necesita un reajuste a
la hora del consumo y el uso de la electricidad moderna en los hogares de Bogotá, en general los
problemas principales serian la alta demanda energética, y el bajo desarrollo tecnológico y
energético en el sector doméstico de la ciudad de Bogotá.
En la actualidad, se pierde mucha energía proveniente del sol que puede ser utilizada a nivel
doméstico, con el fin de reducir los impactos al ambiente y resolver las altas demandas de energía,
pues cada hogar tendría la posibilidad de generar parte de la energía que consume y en algunos
casos ser totalmente autónomos con la energía eléctrica que demandan, además de darle un cambio
al sistema de cobro y la red eléctrica, pues cada uno tendría su propia red y no dependería de una
red pública.
5
1.2 ANTECEDENTES
La implementación de la energía solar se ha convertido en un asunto muy importante en los
últimos años, constantemente se está creando estrategias y herramientas que ayuden al
aprovechamiento de dicha energía renovable. En este sentido, una de las bases fundamentales para
la creación de proyectos y programas han sido las instituciones educativas y empresas (la
Universidad de los Andes, la Universidad Nacional en Bogotá, la Universidad del Valle, entre
otras)(Rodríguez Murcia Humberto. 15 de enero de 2009), en donde se han utilizado varios
instrumentos para crear nuevas soluciones sostenibles, que relacionen al hombre y el medio
ambiente de una manera más eficiente.
La energía solar, como su naturaleza inagotable y renovable, y además de ser una alternativa
amigable con el medio ambiente; esta energía puede ser transformada en calor y electricidad. Son
diferentes aplicaciones que se le puede dar a esta energía, algunas de ellas son los calentadores
solares y la producción de electricidad en pequeña escala.
Gráfico 1 Evolución de la energía solar en Colombia. Fuente: La guía solar. Energía solar en
Colombia. 2016
6
Según el Banco Mundial, “en varios países, el costo de la energía fotovoltaica ya es inferior al
del carbón y el gas”, tanto así, que en un futuro cercano muy posiblemente las energías renovables
desplacen a los combustibles fósiles; actualmente la energía solar encabeza una de las fuentes de
energía renovable para crear electricidad a nivel mundial (Banco Mundial. 29 de noviembre de
2017. Energía solar: un mega planta de energía solar de 750 megavatios contribuirá a alimentar
la red ferroviaria metropolitana de Delhi (India)). En 2017, IFC (Corporación Financiera
Internacional) financio la construcción de 13 plantas de energía solar que generará 752 megavatios
(MW) en el Parque solar Benban de Egipto que proporcionará electricidad a 350.000 clientes
residenciales, además evitará aproximadamente 2 millones de toneladas al año de emisiones de
gases de efecto invernadero (Banco Mundial, 2017).
Grandes empresas le han apostado a la sostenibilidad ambiental y al uso de tecnologías limpias,
entre ellas, la empresa Italo, productora de comestibles, aliado con Codensa, que ha empezado a
formalizar un proyecto de gran escala en la zona industrial de Bogotá. “Con 1.080 paneles solares
se cubrió parte del techo de la fábrica, desde donde se van a generar 490 megavatios de energía
cada año, lo suficiente para abastecer cada mes a 3.300 hogares” (El tiempo, Abril 2018).
Según el informe ‘Tendencias globales de inversión en energía renovable 2018’, de ONU
Medioambiente (El tiempo. 14 de Abril de 2018.), en 2017 el incremento de la energía solar
fotovoltaica representó el 38 por ciento de la nueva capacidad de generación energética
mundial, superando el crecimiento de otras fuentes como el carbón (con 35 GW) o las
hidroeléctricas (con 19 GW).
Se han planteado y realizado varios proyectos relacionados con la implementación de la energía
solar en la ciudad, uno de ellos pertenece al propuesto por el Ingeniero Electrónico Diego
Alexander Rodriguez (2017), de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, a través de su
tesis: “Energía solar en el departamento de Cundinamarca” realiza un recorrido histórico sobre el
desarrollo de la energía solar a nivel mundial, latinoamericano y finalmente colombiano, con el
fin de dar a conocer avances en cuanto a energía solar en diferentes países del mundo,
principalmente en España, Alemania, Japón, Estados Unidos, Italia, Republica Checa y Bélgica.
Introduce el tema de la radiación solar en Colombia incorporando unos mapas que fueron
generados por el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM) y la
Unidad de Planeación Minero Energética (UPME), de los cuales realiza un breve análisis de los
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factores más relevantes. Toma como referencia las metodologías de medición de radiación solar,
realizadas por el IDEAM, para proponer los instrumentos de medición necesarios que miden la
potencia incidente del sol en la superficie que se quiere estudiar.
Realizada la investigación escoge el lugar donde se va a colocar el instrumento de medición,
teniendo en cuenta las condiciones más óptimas, entre las cuales se encuentra la temperatura,
potencia y fenómenos naturales que inciden en lo largo de la investigación, por ejemplo, la
incidencia de los rayos solares sobre las celdas fotovoltaicas. Realiza un solarímetro casero que
determina la radicación solar instantánea, para estimar los datos en una zona en particular.
La investigación tiene como objetivo generar datos de la radiación solar en el Alto Magdalena
para mirar la viabilidad del uso de la energía solar con un instrumento de medición colocado en
varios puntos. De igual manera, fue recopilada varia información que posteriormente usamos en
nuestro proyecto como una herramienta guía. El propósito era concientizar acerca del gran
potencial que poseen las energías renovables y el gran terreno que hay por explorar para el
adecuado uso de estas alternativas.
Finalmente, el Ingeniero Rodriguez concluye que el desarrollo de un instrumento de radiación
solar, amplia el conocimiento para determinar el potencial solar presente en una determinada zona;
el instrumento fabricado por él tiene como objetivo, recolectar información en periodos largos de
tiempo de manera autónoma para generar datos en un sistema fotovoltaico. Determinó que sí es
viable el uso de energía solar en el alto Magdalena ya que existe un gran potencial energético y
permitió una disminución en el uso de energías convencionales(Diego Alexander Rodriguez
Zamora. (2017). Energía solar en el departamento de Cundinamarca. Universidad Distrital
Francisco José de Caldas).
Este trabajo se relaciona con la investigación planteada, ya que en este proyecto se encuentra
bastante información acerca de los avances de la energía solar a nivel, mundial, colombiano y
latinoamericano, lo cual nos contextualiza un poco en cuanto a energía fotovoltaica. De igual
manera realiza un buen análisis de los mapas de radiación solar en Colombia que sirve de guía en
el proceso del presente proyecto. También se tuvo en cuenta información cualitativa y cuantitativa
de entidades muy importantes, expertos en el tema, como la UPME y el IDEAM.
8
Un segundo trabajo de Diana Alejandra Garzón Suárez y Juan Sebastián Martínez Salamanca
(2017), se denomina: “Estudio de la factibilidad para la implementación de energía solar
fotovoltaica en la zona prescolar del colegio Agustiniano Suba”. Se trata de un proyecto orientado
a la recolección de información cuantitativa con el fin de verificar la viabilidad de implementación
de paneles fotovoltaicos en el colegio Agustiniano. Su problemática principal se basa en el uso de
energía convencional, queriendo reemplazar dicha energía por una alterativa más viable como lo
es la energía solar.
La monografía se estructuro alrededor de 3 fases, importantes en el desarrollo de la
investigación, en primer lugar está el diagnostico, en donde se realizó la recolección de
información para posteriormente hacer observaciones, en segundo lugar se ejecutó el análisis de
la información, en donde se mira consumos y se propone posibles soluciones, y por último se
plantea un presupuesto para implementar la energía solar fotovoltaica a un bajo costo, además de
elaborar un análisis de costo beneficio.
La principal problemática planteada por los estudiantes Garzón y Martínez en su monografía es
disminuir el uso de la energía convencional para satisfacer la demanda energética a través de
energía renovable, con ello también pretenden disminuir los impactos ambientales que son
producidos por la energía convencional.
El objetivo principal de la monografía indagada, como lo plantean los estudiantes Garzón y
Martínez es: “Estudiar la factibilidad para la implementación de energía solar fotovoltaica en la
red eléctrica de la zona de preescolar, del Colegio Agustiniano Suba”. En los objetivos específicos
plantean observar el consumo energético y el sistema de alumbrado, analizar costos de elementos
necesarios y finalmente verificar la viabilidad.
En conclusión, dan algunas alternativas de solución para mitigar el impacto ambiental que
producen las energías convencionales, mediante prácticas sostenibles como el uso del potencial
solar. El lugar fue escogido debido a que es un espacio independiente por lo cual fue fácil la
implementación del sistema fotovoltaico. Por otro lado, la disminución del consumo energético
fue considerable, al igual que los costos para la implementación de la propuesta; por lo tanto, el
costo en la factura de energía convencional disminuyó. Se describe como un proyecto factible y
económico(Diana Alejandra Garzón Suarez y Juan Sebastián Martínez Salamanca. (2017).
9
Estudio de factibilidad para la implementación de energía solar fotovoltaica en la zona preescolar
del colegio Agustiniano Suba.)
Este trabajo se relaciona con la investigación planteada, ya que las monografías tienen varias
similitudes, en cuanto a objetivos, planteamientos, metodología, información de los elementos
cualitativos y cuantitativos necesarios en el sistema fotovoltaico y demás; de igual manera el sitio
de estudio se encuentra en el mismo lugar que la monografía indagada, es decir en la ciudad de
Bogotá, solamente que en localidades diferentes. La monografía de Garzón y Martínez contiene
bastante información en cuanto a factores necesarios para la implementación del sistema
fotovoltaico, desarrollando y explicando cada uno de ellos, por lo cual fue una herramienta base
en el desarrollo del proceso planteado en la presente monografía.
10
1.3. JUSTIFICACION
Debido a que la ciudad tiene la necesidad de un desarrollo sostenible y sustentable para
garantizar un buen futuro, se debe tener en cuenta uno de los factores más importantes para dicho
desarrollo: el uso de energía y tecnología a nivel doméstico la cual debe ser sostenible y
sustentable, dicha energía con la cual hoy en día la ciudad no cuenta, por esta razón en esta
monografía se estudia una de las opciones para el cambio o la mejora en la calidad de vida de los
ciudadanos. Además de ser esta la forma o metodología por la cual se podrá culminar y alcanzar
el título de tecnología en gestión ambiental y servicios públicos, y adquirir un conocimiento
técnico y practicó en el tema de las energías limpias.
La tendencia al alza de los precios de la electricidad frente al riesgo de un fenómeno natural con
impacto negativo y los decrecientes costos que se vienen obteniendo en tecnologías de
transformación de la energía solar fotovoltaica, la convierten en una oferta atractiva a considerar;
de igual manera, el incremento en la explotación y participación de las energías renovables
reducirá paulatinamente el consumo de las fuentes fósiles utilizadas en el sector eléctrico. (UPME,
Resumen Ejecutivo “Integración de las energías renovables no convencionales en Colombia”,
2015).
La tecnología en Gestión Ambiental y servicios Públicos se relaciona con el presente proyecto ya
que como tecnólogos, unos de los ejes temáticos de investigación de la carrera es la generación de
energía y la producción más limpia que relacionen el ambiente y el hombre de manera sustentable,
por esta razón enfocamos el proyecto en la viabilidad de la energía solar en un hogar de la zona
urbana con el fin de promocionar en el futuro el uso de otras alternativas de energía limpia a nivel
doméstico.
11
1.4. OBJETIVO GENERAL
Determinar la viabilidad de la energía solar y su uso en un hogar de la localidad 19 de la ciudad
de Bogotá, para el desarrollo de parámetros tecnológicos sostenibles, económicos y ambientales
con el fin de promocionar el uso de nuevas alternativas de energía a nivel doméstico.
1.4.1 OBJETIVOS ESPECIFICOS
1. Estudiar las diferentes tecnologías para la aplicación de la energía solar a nivel doméstico
y sus características, además de las horas picos solares de la zona de estudio.
2. Contrastar la viabilidad entre la generación de la energía solar del hogar o la factibilidad
frente a la comercialización con otros sectores productores de energía.
3. Evaluar los costos de las instalaciones solares (fotovoltaico y térmico) que se tendría en la
casa de la localidad 19 de Bogotá.
4. Demostrar uno de los usos de la energía solar fotovoltaica en el hogar a través del diseño
y realización de un cargador que funcione con energía solar fotovoltaica
12
2. MARCO REFERENCIAL
2.1 MARCO TEORICO
2.1.1 ENERGÍAS RENOVABLES
Las energías renovables, son energías que se obtienen de fuentes consideradas inagotables que
son transformadas en electricidad, calor, entre otros, por medio de instalaciones tecnológicas, para
que se dé un posterior uso. Las energías renovables son también conocidas como energías no
convencionales o energías alternativas, debido a que sus fuentes de obtención no son utilizadas
comúnmente. Entre estas energías encontramos: La eólica, mareomotriz, geotérmica, solar,
biomasa, entre otras (Méndez, J., & Cuervo, R. 2007. Energía solar fotovoltaica. Fundación
Confemetal, Madrid, 27-28).
Por otro lado, las energías limpias son la mejor alternativa para el medio ambiente. Se
encuentran en la naturaleza en una cantidad ilimitada y, una vez consumidas, se pueden regenerar
de manera natural o artificial. Según el Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía
(IDAE), frente a las fuentes convencionales, las energías renovables son recursos limpios cuyo
impacto es prácticamente nulo y siempre reversible.
Tipos de energías renovables
Entre los diferentes tipos de energías limpias encontramos los siguientes:
Energía hidráulica. Es la producida por la caída del agua. Las centrales hidroeléctricas en
represas utilizan el agua retenida en embalses o pantanos a gran altura. El agua en su caída
pasa por turbinas hidráulicas, que trasmiten la energía a un alternador, el cual la convierte
en energía eléctrica.
Energía eólica. Es la energía cinética producida por el viento. A través de los
aerogeneradores o molinos de viento se aprovechan las corrientes de aire y se transforman
en electricidad. Dentro de la energía eólica, podemos encontrar la eólica marina, cuyos
parques eólicos se encuentran mar adentro.
Energía solar. Este tipo de energía nos la proporciona el sol en forma de radiación
electromagnética (luz, calor y rayos ultravioleta principalmente). El uso de la energía del
sol se puede derivar en energía solar térmica (usada para producir agua caliente de baja
13
temperatura para uso sanitario y calefacción) solar fotovoltaica (a través de placas de
semiconductores que se alteran con la radiación solar), etc.
Energía geotérmica. Es una de las fuentes de energía renovable menos conocidas y se
encuentra almacenada bajo la superficie terrestre en forma de calor y ligada a volcanes,
aguas termales, fumarolas y géiseres. Por tanto, es la que proviene del interior de la Tierra.
Energía mareomotriz. El movimiento de las mareas y las corrientes marinas son capaces
de generar energía eléctrica de una forma limpia. Si hablamos concretamente de la energía
producida por las olas, estaríamos produciendo energía undimotriz. Otro tipo de energía
que aprovecha la energía térmica del mar basado en la diferencia de temperaturas entre la
superficie y las aguas profundas se conoce como maremotérmica.
Energía de la biomasa. Es la procedente del aprovechamiento de materia orgánica animal
y vegetal o de residuos agroindustriales. Incluye los residuos procedentes de las actividades
agrícolas, ganaderas y forestales, así como los subproductos de las industrias
agroalimentarias y de transformación de la madera.
2.1.2 ENERGÍA SOLAR
Hoy en día, el calor y la luz del Sol puede aprovecharse por medio de diversos captadores como
células fotovoltaicas, helióstatos o colectores térmicos, pudiendo transformarse en energía
eléctrica o térmica. La energía solar es una energía limpia y renovable, obtenida a partir del
aprovechamiento de la radiación electromagnética procedente del Sol. La radiación solar que
alcanza la Tierra ha sido aprovechada por el ser humano desde la Antigüedad, mediante diferentes
tecnologías que han ido evolucionando. Es una de las llamadas energías renovables o energías
limpias, que podrían ayudar a resolver algunos de los problemas más urgentes que afronta la
humanidad.
Las diferentes tecnologías solares se pueden clasificar en pasivas o activas según como
capturan, convierten y distribuyen la energía solar. Las tecnologías activas incluyen el uso de
paneles fotovoltaicos y colectores solares térmicos para recolectar la energía. Entre las técnicas
pasivas, se encuentran diferentes técnicas enmarcadas en la arquitectura bioclimática: la
orientación de los edificios al Sol, la selección de materiales con una masa térmica favorable o que
14
tengan propiedades para la dispersión de luz, así como el diseño de espacios mediante ventilación
natural.
En 2011, la Agencia Internacional de la Energía afirmó que «El desarrollo de tecnologías
solares limpias, baratas e inagotables supondrá un enorme beneficio a largo plazo. Aumentará la
seguridad energética de los países mediante el uso de una fuente de energía local, inagotable y,
aún más importante, independientemente de importaciones, aumentará la sostenibilidad, reducirá
la contaminación, disminuirá los costes de la mitigación del cambio climático, y evitará la subida
excesiva de los precios de los combustibles fósiles. Estas ventajas son globales. De esta manera,
los costes para su incentivo y desarrollo deben ser considerados inversiones; deben ser realizadas
de forma correcta y ampliamente difundidas» (Solar Energy Perspectives: Executive Summary»
(PDF). International Energy Agency. 2011. Archivado desde el original el 3 de diciembre de 2011)
2.1.2.1 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
Es importante entender que la tecnología solar térmica no es lo mismo que la tecnología de
paneles solares o fotovoltaicos. La generación de energía solar termoeléctrica concentra la luz del
sol para crear calor, y ese calor se utiliza para hacer funcionar un motor térmico, que enciende un
generador para generar electricidad. El fluido de trabajo que es calentado por la luz solar
concentrada puede ser un líquido o un gas. Los diferentes fluidos de trabajo incluyen agua, aceite,
sales, aire, nitrógeno, helio, etc. Diferentes tipos de motores incluyen motores de vapor, turbinas
de gas, motores Stirling, etc. Todos estos motores pueden ser bastante eficientes, a menudo entre
30% y 40%. Y son capaces de producir de 10 a 100 MW de potencia.
También aprovecharse para cocinar alimentos o para la producción de agua caliente destinada
al consumo de agua doméstico, ya sea agua caliente sanitaria, calefacción, o para producción de
energía mecánica y, a partir de ella, de energía eléctrica. Adicionalmente puede emplearse para
alimentar una máquina de refrigeración por absorción, que emplea calor en lugar de electricidad
para producir frío con el que se puede acondicionar el aire de los locales.
Los colectores de energía solar térmica están clasificados como colectores de baja, media y alta
temperatura. Los colectores de baja temperatura generalmente son placas planas usadas para
calentar agua. Los colectores de temperatura media también usualmente son placas planas usadas
para calentar agua o aire para usos residenciales o comerciales. Los colectores de alta temperatura
15
concentran la luz solar usando espejos o lentes y generalmente son usados para la producción de
energía eléctrica. La energía solar térmica es diferente y mucho más eficiente que la energía solar
fotovoltaica, la que convierte la energía solar directamente en electricidad.( Solar Thermal and PV
Efficiency Breakthrough – Stanford Solar Energy Researchers Make Big Claims». Archivado
desde el original el 14 de mayo de 2012.) “Mientras que las instalaciones generadoras
proporcionan solo 600 megavatios de energía solar térmica a nivel mundial a octubre de 2009,
otras centrales están bajo construcción por otros 400 MW y se están desarrollando otros proyectos
de energía termo solar de concentración por un total de 14 gigavatios.”(Manning, Paddy, 10 de
octubre de 2009)
2.1.2.2 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
La energía solar fotovoltaica consiste en la transformación directa de la radiación solar en energía
eléctrica.
Esta transformación en energía eléctrica se consigue aprovechando las propiedades de los
materiales semiconductores mediante las células fotovoltaicas. El material base para la fabricación
de paneles fotovoltaicos suele ser el silicio. Cuando la luz del Sol (fotones) incide en una de las
caras de la célula solar genera una corriente eléctrica. Esta electricidad generada se puede
aprovechar como fuente de energía.
La fabricación las células fotovoltaicas es un proceso costoso, tanto económicamente como en
tiempo. El silicio con el que se fabrican las células fotovoltaicas es un material muy abundante en
la Tierra. Sin embargo, el procesamiento del silicio es laborioso y complicado. Mediante unos
procesos muy complicados se elaboran lingotes de silicio. Posteriormente, de estos lingotes de
silicio se cortarán las obleas (células fotovoltaicas)(Solar, E, 2007, Energía solar fotovoltaica.
Página consultada en la web: solar-energia.net el 2018).
2.1.3 PROCESO FOTOELÉCTRICO
Es el fenómeno en el que las partículas de luz llamadas fotón, impactan con los electrones de
un metal arrancando sus átomos. El electrón se mueve durante el proceso, dado origen a una
corriente eléctrica. Este fenómeno es aprovechado en las plantas que utilizan paneles solares, los
cuales reciben la energía lumínica del sol transformándola en electricidad.
16
La corriente eléctrica es el movimiento de electrones, siendo estos portadores de cargas
eléctricas negativas. Cuando los electrones se mueven, se origina una corriente eléctrica. La
corriente es igual al número de cargas en movimiento entre un intervalo de tiempo.
“Cuando una lámina de metal está expuesta a la luz a una sola frecuencia, la luz solar, se
produce electricidad en su interior de esta manera: la luz cuando viaja se comporta como una onda,
pero al intercambiar su energía con cualquier objeto lo hace como una partícula que es llamada
fotón. Cuando el fotón choca con un electrón de un átomo de la lámina metálica, desaparece y
cede toda su energía al electrón, expulsándolo hacia otro átomo. Esta expulsión electrónica es
precisamente la corriente eléctrica”
Como el fotón desaparece durante la colisión, se hace fácil comprender que la energía de
movimiento absorbida por el electrón depende de un solo fotón. Esto indica que la electricidad
resultante no depende de la intensidad de la luz, sino más bien de la energía que porta el fotón.
Tomando en cuenta que la lámina metálica contiene una cantidad enorme de átomos, debe
contener una cantidad mayor de electrones y como la frecuencia de la onda lumínica es la misma,
su intensidad será la misma; así cada electrón expulsado absorbe la misma cantidad de energía.
(Otto Nuñez, 2016, ¿Qué es el efecto fotoeléctrico? Vix)
2.1.4 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Y TIPOS
La energía solar fotovoltaica está indicada para un amplio abanico de aplicaciones donde se
necesite generar electricidad, bien sea para satisfacer las necesidades energéticas de aquellos que
no disponen de la red eléctrica (sistemas fotovoltaicos autónomos) o bien para generar energía a
la red eléctrica (sistemas conectados a la red).
Se puede realizar una primera clasificación de los sistemas fotovoltaicos en función de si están
o no conectados a la red eléctrica convencional:
• Sistemas fotovoltaicos autónomos son aquellos que están aislados de la red eléctrica.
• Sistemas fotovoltaicos conectados a la red son aquellos que están directamente conectados a la
red eléctrica.
Una de las principales características de los generadores fotovoltaicos que los diferencia de
otras fuentes de energía renovable es que únicamente producen electricidad cuando reciben la luz
17
del Sol (irradiancia solar) y además la cantidad de energía que generan es directamente
proporcional a la irradiancia solar que incide sobre su superficie. Resulta evidente que en multitud
de aplicaciones el consumo energético se produce independientemente de la radiación solar (claro
ejemplo resulta un sistema de iluminación donde precisamente de lo que se trata es de tener energía
durante la noche). En este tipo de aplicaciones es necesario incluir un sistema de almacenamiento
energético o de acumulación, en los sistemas FV la energía producida por los módulos FV se
almacena en baterías. En otras aplicaciones, como el bombeo de agua o los sistemas conectados a
la red no se necesitan baterías, en el primer caso la energía se acumula en forma de energía
hidráulica mientras que en el segundo la energía se acumula en la propia red eléctrica.(Abella, M.
A. (2005). Sistemas fotovoltaicos. SAPT Publicaciones Técnicas, SL)
En general, un sistema fotovoltaico estará formado por:
• Un generador fotovoltaico.
• Una batería de acumulación.
• Un regulador de carga.
• Un inversor.
• El consumo.
2.1.5 PANEL O MODULO SOLAR
Los módulos fotovoltaicos o paneles solares son dispositivos que se utilizar para capturar la
energía de la luz. Los módulos solares fotovoltaicos contienen un conjunto de células solares que
convierten la luz en electricidad . Las células solares a veces se llaman células fotovoltaicas , y la
fotovoltaica significa literalmente "luz-electricidad". Las células solares tienen el efecto
fotovoltaico para absorber la energía del sol y hacer que la corriente eléctrica fluya entre dos capas
cargadas en la dirección opuesta.
Un módulo fotovoltaico es un conjunto de células fotovoltaicas interconectadas entre sí
protegidas del exterior por una estructura compuesta básicamente por un vidrio y un marco rígido.
Las células fotovoltaicas son unos elementos que gracias a las propiedades del silicio permiten
transformar la radiación solar en energía eléctrica a muy baja tensión mediante el efecto
18
fotovoltaico. El panel fotovoltaico tiene la función de agrupar todas estas pequeñas tensiones
generadas para proporcionar una tensión nominal más alta al sistema.
Los módulos fotovoltaicos proporcionan una tensión en corriente continua. El resto de los
elementos del sistema fotovoltaico se encargaran de gestionar y transformar esta tensión
en corriente alterna, si fuera necesario.(Módulo fotovoltaico. ¿Qué es? (2018). Energía solar)
2.1.6 REGULADORES DE CARGA
“Este aparato tiene como función regular la carga y la descarga de las baterías. Así, puede
reducir la intensidad de corriente producida por los módulos fotovoltaicos hacia las baterías en
función del nivel de carga de éstas, y llegar a desconectarlas del campo fotovoltaico si han
completado su carga. También puede cortar el suministro de consumo desde las baterías si detecta
que las mismas están a un nivel de carga peligrosamente bajo. Los reguladores deben tener un
indicador de alarma (sonoro o luminoso) para avisar de que el estado de carga de las baterías
empieza a ser demasiado bajo, y otro indicador que se enciende cuando se produce la desconexión
o la limitación por carga completa. El primero sirve para indicar que se debería reducir el consumo
y el segundo indica que hay energía excedente que se puede utilizar” (Max Gutiérrez Vargas.
(2002). Proyecto de Trabajo Comunal Universitario: Soluciones energéticas para la vida
cotidiana, pp.3-4)
2.1.7 BATERÍAS PARA SISTEMAS SOLARES
La función de la batería en un sistema de energía solar fotovoltaica, es acumular la energía
producida por los paneles fotovoltaicos durante las horas de Sol para poderla utilizar durante la
noche o en días nublados. El uso de baterías también permite proveer una intensidad de corriente
superior que la que puede ofrecer un panel fotovoltaico en funcionamiento. Este sería el caso si se
utilizaran varios aparatos eléctricos en un mismo instante.
“Una batería consta de pequeños acumuladores de 2V integrados en el mismo elemento;
tiene corriente continua a 6, 12, 24 o 48V. El acumulador es la celda que almacena energía a través
de un proceso electroquímico. De este modo, cuando hablamos de una batería de 12V, estamos
hablando de un conjunto en serie de 6 celdas de plomo-ácido de 2V cada una” (Baterías solares,
2017. Energía solar. Recuperado de: https://solarenergia.net/definiciones /baterias.html)
19
2.1.8 INVERSORES PARA SISTEMAS SOLARES
Los sistemas de paneles solares requieren de un dispositivo especial para transformar la
corriente directa en corriente alterna característica para el uso doméstico. Estos aparatos se llaman
inversores solares y pueden ser conectados directamente a la electricidad convencional casera.
Este inversor monitorea el volumen, la frecuencia y la fase energética de una línea doméstica.
Con esta información, el aparato suministrará energía a la electricidad cuando esté encendido.
Una vez que los paneles solares son conectados a los inversores, el medidor de energía eléctrica
del hogar bajará su velocidad y comenzará a girar, ahora en el sentido contrario. Se debe tomar en
cuenta que los paneles solares no estén defectuosos o que reciban luz solar en la salida de la
corriente directa, pues de lo contrario la actividad se verá afectada al mínimo, resultando lo
contrario una vez que los paneles estén conectados en serie. (Calefacción solar y energías
renovables 2014-2018 Para qué sirven los inversores solares)
2.1.9 ACCESORIOS Y TIPOS DE CONEXIONES
Estructuras de sujeción de los módulos. “Este componente de la instalación tiene la función
de mantener los módulos en una posición correcta, fijar el conjunto del campo fotovoltaico a una
estructura sólida (pared, cubierta, suelo, etc.) y garantizar la integridad de los módulos contra la
acción del viento, los cambios de temperatura y hasta un cierto punto, el vandalismo y el robo.
También existen sistemas de estructuras de soporte de los módulos capaces de seguir el Sol de
levante a poniente. Estos sistemas automáticos tienen la ventaja de aumentar el número de horas
de sol aprovechables por los módulos, respecto a los sistemas de módulos fijos” (Max Gutiérrez
Vargas. 2002)
2.1.10 VENTAJAS DE USAR ENERGÍAS LIMPIAS
Las energías limpias, como su propio nombre indica, no dañan el medio ambiente. Por un lado,
no provocan la emisión de gases contaminantes a la atmósfera o, en su defecto, las emisiones son
mínimas. Por tanto, no contribuyen a efectos como el cambio climático, el calentamiento global o
el agujero de la capa de ozono, algunos de los principales problemas medioambientales de la
actualidad (y del futuro como no pongamos medidas al respecto).
20
“Las energías limpias, por otro lado, no producen residuos o, al menos, producen mucho menos
residuos que otro tipo de energías. Además, muchos de estos residuos son contaminantes y de
difícil almacenamiento, como en el caso de la energía nuclear. Sin embargo, si ponemos como
ejemplo la energía solar o la energía eólica, está claro que no producen ningún tipo de residuos.
En este sentido, muchas industrias gastan enormes cantidades de dinero solo para tratar y
almacenar estos residuos, por ejemplo, las compañías extractoras de oro, un dinero que podría
ahorrarse con el uso de energías limpias.”(Energías limpias, residuos 28 sep. 2016 escrito por
renovable)
Se denominan energías limpias porque para su producción no interviene ningún tipo de reacción
química o combustión. Casualmente, los recursos capaces de producir tal energía por sí mismos
provienen de la propia naturaleza (el sol, el viento). Por tanto, no es casualidad que la mayor parte
de energías limpias sean además energías renovables, es decir, recursos inagotables que siempre
van a estar presentes. No hay que preocuparse de que el sol vaya a apagarse o que un día deje de
soplar el viento.
Energías alternativas: “Las energías alternativas también pueden ser renovables y limpias, pero
específicamente son aquellas fuentes de energía que son diferentes a las tradicionales o a las más
utilizadas actualmente, como los combustibles fósiles o la energía nuclear. Para algunos expertos
las energías alternativas pueden ser equivalentes a las energías renovables, pero en realidad son
todas aquellas que no implican la quema de consumibles fósiles”( Blog de cemaer; 2017. Autor
anónimo).
21
2.2 MARCO NORMATIVO
LEY 1715 DE 2014 (Mayo 13) Por la cual se regula la integración de las energías
renovables no convencionales al Sistema Energético Nacional.
LEYES 142 y 143 de 1994 Por las cuales se regula la GENEREACION y comercialización
del sector energético en Colombia.
La Ley 788/02 exime del impuesto a la renta las ventas de energía con fuentes renovables.
La Ley 697/01, sobre Uso Racional de Energía
LEY 1665 Por medio de la cual se aprueba el "ESTATUTO DE LA AGENCIA
INTERNACIONAL DE ENERGÍAS RENOVABLES (IRENA)", hecho en Bonn,
Alemania, el 26 de enero de 2009.
Decreto 2469 de 2014 Establece lineamiento de política energética en materia de entrega
de excedentes de autogeneración. La CREG regula la actividad de autogeneración a gran
escala en el SIN, en la Resolución 024 de 2015.
Decreto 2492 de 2014 Define disposiciones en materia de implementación de mecanismos
de respuesta de la demanda
Decreto 1623 de 2015 Establece una expansión de cobertura del servicio de energía
eléctrica en el Sistema Interconectado Nacional y en las ZNI. Resolución Upme 281 de
2015 Define el límite máximo de autogeneración a pequeña escala
Decreto 2143 de 2015 Reglamentación de los incentivos tributarios de Ley 1715
Resolución Upme 045 de 2016 Procedimiento para certificación a proyectos FNCER para
acceder a incentivos tributarios Ley 1715
Resolución Upme 143 de 2016 Registro de proyectos FNCER en la Upme.
22
3. PROCESO METODOLÓGICO
Se realizará una investigación de tipo cuantitativa como cualitativa, enfocada a la recolección
de datos numéricos, y cualidades del hogar que permitan concluir y dar soporte de la viabilidad
que podría tener la implementación de sistema solar fotovoltaico.
Por otro lado, se llevará a cabo un estudio de “sujeto único” ya que solo se evaluarán las
características de una casa lo que es totalmente cualitativo y sus resultados no pueden emplearse
para generalizar información.(Martínez Ruiz, H., & Ávila Reyes, E. (2010). Metodología de la
investigación)
Para llevar a cabo dicha metodología, se va a tener en cuenta el método deductivo, donde el
punto de partida va a ser la problemática central que es el uso de energías convencionales en
Bogotá y se particularizará a un estudio de caso, el cual consiste en estudiar a profundidad una
situación de la vida real, mediante la obtención de datos de fuentes cuantitativas y cualitativas de
la zona de estudio.
1. Diagnóstico: Por medio de la observación de planos del hogar y documentación (facturas de
consumo energético), se conocerá la situación actual de la red eléctrica de la residencia, para
establecer cuánto es el consumo energético total de dicha red.
2.Análisis de la información: Por medio de los datos del consumo que se genera en la residencia,
se realizará una propuesta de ahorro y un planteamiento de una posible red eléctrica alimentada
con Energía Solar Fotovoltaica que abastezca el consumo requerido en la red eléctrica.
3. Construcción del presupuesto para implementar Energía Solar Fotovoltaica y la alternativa de
bajo consumo en la red eléctrica.
4. Análisis costo – beneficio: Por medio de tablas y gráficas, se evaluará los beneficios que tendrá
la inversión tanto a nivel económico, social y ambiental.
23
3.1 RECONOCIMIENTO Y DIAGNOSTICO
Gracias a la caracterización y división de los hogares por estratos se logra tener una línea base
para la elaboración del proyecto. Esto se logra por medio de la observación e investigación de
diferentes fuentes primarias y sobre todo fuentes secundarias de información las cuales
concluyeron ciertas características en el sector energético de la ciudad.
La residencia modelo la cual se tomará como ejemplo para evaluar la viabilidad de la energía solar
se encuentra ubicada en la localidad 19 de la ciudad de Bogotá y pertenece al estrato 2.
Gráfico 2 Reconocimiento Ubicación. Fuente: Alcaldía local de Ciudad Bolívar
24
Ciudad Bolívar es la localidad nº 19 del Distrito Capital de Bogotá, capital de Colombia. Se
ubica en el sur de la ciudad. La localidad es la tercera más extensa de la ciudad después de las
localidades de Sumapaz y Usme.(Alcaldía Mayor de Bogotá. Localidad Ciudad Bolívar.
Consultado el 11 de abril de 2018)
La localidad 19 está repartida entre 8 UPZ (Unidades de Planeamiento Zonal) en la parte
urbana y corregimientos en la Rural, dentro de estas la casa modelo del proyecto está ubicada
dentro de la UPZ 66 (111941) San Francisco que comprende los barrios : San Francisco, Las
Acacias, Candelaria La Nueva, Gibraltar, Colmena, La Casona, Juan José Rondón, San Luis Sur,
San Fernando Sur, Santa Inés de la Acacia, Millan Los Sauces, Puerta del Llano, Sauces, Hortalizas
y El Recuerdo. La residencia está ubicada en el barrio Juan José Rondón, sector: El Plan.
Gráfico 3 ubicación barrio de la casa modelo. Adaptado de: OpenStreetMap 2017
25
Gráfico 4 Ubicación dentro de la zona. Adaptado de: google maps 2016.
La casa modelo ubicada exactamente en las coordenadas: 4.563935, -74.150560 con un código
postal 111941 y una dirección: Cr 21 # 68 – 26 Sur. La cual por problemas de error en la
nomenclatura la dirección física en la que en realidad se encuentra el predio es Cr 21 # 68bis-26
sur en contraste con la dirección que registra oficialmente la casa.
26
3.1.1 PLANOS DE LA VIVIENDA EN ESTUDIO
Teniendo en cuenta la casa de estudio se elaboraron los siguientes planos; la casa cuenta con tres
plantas, la planta del primer piso tiene dos habitaciones, dos salas, cocina, baño y un patio pequeño,
allí se encuentran las escaleras que llevan a la segunda planta en la cual hay tres habitaciones, en
este piso se localiza el comedor, de igual manera cuenta con su respectiva cocina y baño además
de un balcón; finalmente se tiene la tercera planta que tiene dos habitaciones en las que se guardan
cosas de poco uso, el resto de espacio pertenece a la terraza.
Los respectivos planos que se presentan a continuación fueron realizados mediante la herramienta
informática AutoCAD, las medidas que se encuentran en los planos son medidas reales de la casa
en estudio, a escala y están en metros.
Gráfico 5 Plano planta piso 1. Fuente: autor
27
Gráfico 6 Plano planta piso 2. Fuente: autor
Gráfico 7 Plano planta piso 3. Fuente: autor.
28
3.2 DIAGNOSTICO TÉCNICO
3.2.1 ANÁLISIS DE CONSUMOS ENERGÉTICOS
Se procedió a analizar los consumos básicos mediante tablas de consumos con valores promedio
de uso diario de los mismos.
Tabla 1 Consumos nominales piso 1
Fuente: Autor
Sector Artefactos Cantidad
Potencia
unitaria
(w)
Horas de
uso Día
Total de
energía
Habitación 1
Tv 32” Lcd 1 70 3 210
Computador de Mesa HP 1 110 1 110
Computador portátil Acer 1 45 0,05 2,25
Impresora Hp 1 90 0,01 0,9
Juego de video Ps4 Súper Slim 1 80 1 80
Bombillo 53W 1 53 3 159
Modem Internet 1 8 12 96
Decodificador de tv 1 12 12 144
Habitación 2
Tv 21” Panasonic de cola 1 184 2,5 460
Decodificador tv 1 12 12 144
Plancha de ropa 1 750 0,01 7,5
Secador cabello 1 712 0,01 7,12
Plancha Cabello 1 420 0,03 12,6
Bombillo incandescente 60W 1 60 3 180
Cocina
Nevera challenger R13a 1 350 5 1750
Licuadora 1 140 0,02 2,8
Microondas Simply 1 820 0,03 24,6
Bombillo 60W 1 60 3 180
Patio Bombillo Ahorrador 14 W 1 14 4 56
Lavadora Whirlpool 1 410 0,12 49,2
Baño Bombillo incandescente 60W 1 60 0,5 30
Sala 1
Tv 21" Pan. plana de cola
Samsun 1 120 0,01 1,2
Bombillo 53w 1 53 2 106
Sala 2 Bombillo Ahorrador 14W 1 14 1 14
Teléfono inalámbrico Alcatel 1 9 4 36
Total 25 4656 69 3863,17
29
Tabla 2 Consumos nominales piso 2
Fuente: Autor
Tabla 3 Consumos nominales piso 3
Fuente: autor
Se obtuvieron un total de 48 Artefactos propios de la casa consumidores o resistentes de
energía eléctrica de los cuales se analizarán sus consumos para posteriormente definir la cantidad
de energía demanda por estos. Los datos de potencia unitaria fueron tomados de las placas de cada
uno de los electrodomésticos.
Cuartos Artefactos Cantidad
Potencia
unitaria
(w)
Horas de
uso Día
Total de
energía
Habitación 1
Tv 32" Lcd Lg 1 70 3 210
Bombillo Ahorrador 14W 1 14 3 42
Brilladora pisos 1 85 0,01 0,85
Plancha ropa 1 750 0,02 15
Habitación 2 TV 41" pantalla plana cola 1 140 0,5 70
Bombillo incandescente 60W 1 60 2 120
Cocina
Nevera Challenger 1 320 5 1600
Licuadora 1 140 0,02 2,8
Bombillo incandescente 60W 1 60 1 60
Pasillo Bombillo Ahorrador 14W 1 14 1 14
Baño Bombillo Ahorrador 14W 1 14 0,5 7
Ducha eléctrica 1 1150 0,5 575
Habitación 3
Tv 32" Lcd Lg 1 70 3 210
Equipo de sonido Sony 1 62 0,02 1,24
DVD Samsum 1 25 0,01 0,25
Lámpara de mesa 60W 1 60 0,01 0,6
Bombillo incandescente 60W 1 60 1 60
Comedor Bombillo 53W 1 53 1 53
Total 18 3147 21,59 3041,74
Cuartos Electrodomésticos Cantidad
Potencia
unitaria
(w)
Horas de
uso Día
Total de
energía
Cuarto 1 Bombillo Incandescente 60w 1 60 0,05 3
Cuarto 2 lavadora Whirlpool 1 390 0,12 46,8
Bombillo Incandescente 60w 1 60 0,05 3
Terraza Bombillo Ahorrador 14W 2 14 0,05 1,4
Total 5 542 0,28 54,2
30
En Bogotá y por ende en la vivienda la empresa encargada de la facturación, distribución y todo
lo que contenga el servicio de energía con la residencia lo maneja la empresa: CODENSA S.A la
cual es una empresa dedicada a la Distribución y comercialización de energía eléctrica, líder en el
mercado nacional con el 24% de la participación total. Tiene presencia en Bogotá, en 97
municipios de Cundinamarca, 8 municipios de Boyacá y 1 de Tolima.
Por consiguiente, es la encargada de hacer las mediciones del consumo mensual de la residencia
con los cuales se basó el proyecto además de los análisis básicos. Además de los soportes de
facturación los cuales entregan la empresa a la residencia.
De las tablas anteriores se obtuvo un uso total de energía de 6959,11 watts-hora/día.
6,95911 KwH/día.
208,7733 KwH/mes.
Consumos según medidor comercial y factura de energía eléctrica:
Gráfico 8 Comportamiento consumo mensual. Fuente: Factura mensual; Condensa. S.A
Se tomó como referencia los consumos facturados entre el año 2017 y, las mediciones se realizaron
el día 20 de cada mes, según las facturas de energía eléctrica de la residencia. (Ver Anexo 1)
180
160 160
180 183
197
157165
187195
204
183
90
110
130
150
170
190
210
230
Kw
h-m
es
Año 2017
Energía consumida (kWh-mes)
31
3.3 LINEA BASE
Consumo: Para el análisis de consumos se determinó el peor mes para tomarlo como referencia
del cálculo de sistema fotovoltaico aislado, para definir este mes se usó el método de factor de
energía el cual relaciona el consumo de energía diario con la radiación solar del mismo mes, la
cual se definió gracias a El software de gestión de energías limpias RETScreen (generalmente
abreviado como RETScreen) el cual según su página web (www.retscreen.com), es un paquete de
programas desarrollado por el Gobierno de Canadá. En 2016, RETScreen Expert se destacó en la
séptima Clean Energy Ministerial en San Francisco. El software se ofrece en 36 lenguas diferentes
incluyendo el idioma Español.
Tabla 4: Calculo del peor mes con el factor de energía.
Mes Radiación
(kWh/m²/d)
Energía
consumida
(kWh-mes)
N-° de
días
Energía
(kwh-día)
F de
energía
Enero 5,01 180 31 5,80645 0,86283
Febrero 4,66 160 28 5,71429 0,81550
Marzo 4,47 160 31 5,16129 0,86606
Abril 3,93 180 30 6,00000 0,65500
Mayo 3,7 183 31 5,90323 0,62678
Junio 3,8 197 30 6,56667 0,57868
Julio 4,04 157 31 5,06452 0,79771
Agosto 4,33 165 31 5,32258 0,81352
Septiembre 4,31 187 30 6,23333 0,69144
Octubre 4,33 195 31 6,29032 0,68836
Noviembre 4,1 204 30 6,80000 0,60294
Diciembre 4,55 183 31 5,90323 0,77077
Fuente: Autor
El factor de energía se calculó relacionando el valor de la radiación solar obtenida por el
software RETSCREEN (Ver Anexo 3), dividiendo este valor por la energía consumida en kWh-
día tomando en cuenta la cantidad de días que contempla cada mes.
Se obtuvo que el peor mes y el más ineficiente en radiación frente al consumo fue el mes de
junio de 2017 pues tiene el factor de energía más bajo, mes el cual cuenta con un consumo de
6.56667 Kwh-día.
32
Energía Necesaria Básica: 6566.67 Wh-día.
Tabla 5: Tensión Sugerida del sistema fotovoltaico según su potencia.
Fuente: manual calculo fotovoltaico Ingemecánica España 2014.
Intensidad (Amperaje): Se manejó una tensión de Corriente de 48V con esto se obtiene que el
amperaje el producto de dividir el total de potencia en la tensión siendo:
6566.67 Watts / 48 Voltios= 136.08 Amperios
Horas Pico Solar: Hsp se calcularon de acuerdo con los datos de radiación dados por la nasa, y
en contraste con los dados por los mapas de radiación de la UPME obteniendo los siguientes
resultados:
Horas pico solar o Hsp UPME= 4000
𝑘𝑤ℎ
𝑚2
1000𝑘𝑤ℎ
𝑚2
= 4– 4.5 Bogotá.
Para la zona con coordenadas: 4.563935, -74.150560
Calculo de HSP sobre los datos obtenidos por el RETScreen software: se Obtuvieron un total de
3.9788 HSP aprovechables de las 4 en la zona de estudio tomando en cuenta la inclinación de los
paneles instalados la cual puede disminuir en cierta parte la cantidad de radiación directa que
reciben, para el cálculo se tomaron en cuenta las horas aprovechables de las normales; el
procedimiento de las mismas se contempló dentro del cálculo mismo de los paneles en el capítulo
4.
Inclinación de Instalación paneles: Estará dada por la inclinación que tiene el tejado de la
vivienda siendo esta de 20°.
Potencia de la Instalación en Watts Voltaje de Trabajo del sistema en Voltios
≤1500 12
1500 - 5000 24
5000 - 12000 48
≥12000 120 o mas
33
4. CÁLCULO DE LA INSTALACIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA.
El método de cálculo se ha basado en un balance energético diario en las condiciones más
desfavorables, en Wh/día.
Al final habrá que pasar el valor obtenido de la capacidad de la batería de Whd a Ahd, que es
la denominación normalizada. El método utiliza valores medios mensuales de radiación global
diaria y de la carga (Calculados anteriormente). Se considerarán sólo los valores correspondientes
al mes más desfavorable en la relación carga-HSP. Además, definir el número máximo de días de
autonomía previstos para la instalación, en función de las características climáticas de la zona, el
uso o finalidad de la instalación, y el número de usuarios. Los cuales se definieron como 3 días de
autonomía debido a los pronósticos de nubosidad de la ciudad de Bogotá.
34
4.1 ECUACIONES Y CÁLCULOS PARA EL DISEÑO DE LA PROPUESTA DE RED
ELÉCTRICA ALIMENTADA CON ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
1. Horas Pico Solar
Tabla 6: Calculo de HSP Aprovechables
Fuente: Autor
Formulas necesarias para el cálculo de HSP aprovechables Unidad Resultado
Declinación Solar
Grados 23,3144
Ángulo de salida del sol Grados -91,9715
Ángulo de salida del sol
sobre un plano Inclinado Grados -83,1656
Factor de excentricidad
NA 1,0329
Radiación sobre el plano
horizontal Wh/m2 10297,65
Índice de claridad
NA 0,3593
Fracción difusa de la
radiación NA 0,5939
Radiación difusa
Wh/m2 2197,74
Radiación que llega al
plano inclinado Wh/m2 1502,25
Factor de corrección NA 0,7520
Radiación directa sobre
el panel inclinado Wh/m2 1129,71
Radiación difusa sobre
el panel inclinado Wh/m2 2131,47
Radiación albedo sobre
el panel inclinado
Wh/m2 717,68
Radiación total sobre el
panel inclinado Wh/m2 3978,87
Horas pico Solares
h 3,9788
𝛿 = 23,45 𝑆𝑒𝑛 (360 284 + 𝑑𝑛
365)
𝜔𝑠 = − arccos(− tan(𝛿) . tan(∅))
𝜔𝑠𝑠 = max {𝜔𝑠, − arccos(− tan(𝛿) . tan(∅ − 𝛽))}
휀 = 1 + 0,033 . cos (2𝜋 . 𝑑𝑛
265 )
𝐻𝑑,𝑚(0) = (𝑇
𝜋) 𝐼0 . 휀0 . [− (
𝜋
180) . (𝜔𝑆𝑆 . 𝑠𝑒𝑛(∅) . sen(𝛿)) − (cos(∅) . 𝑐𝑜𝑠(𝛿) . 𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑠𝑠))]
𝐾𝑇𝑀 = (𝐺𝑑,𝑚(0)
𝐻𝑑,𝑚(0))
𝐹𝐷𝑚 = 1 − 1,13 . 𝐾𝑇𝑀
𝐷𝑑,𝑚(0) = 𝐺𝑑,𝑚(0) . 𝐹𝐷,𝑚(0)
𝐻 = 𝐺𝑑,𝑚(0) − 𝐷𝑑,𝑚(0)
𝐾 = (𝜔𝑆𝑆 . (
𝜋180) . 𝑠𝑒𝑛(𝛿). 𝑠𝑒𝑛(∅ − 𝛽) + (cos(𝛿) . cos(∅ − 𝛽) . 𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑠𝑠))
𝜔𝑠 . (𝜋
180) . 𝑠𝑒𝑛(𝛿) . 𝑠𝑒𝑛(∅) + (cos(𝛿) . cos(∅) . 𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑠))
𝐻(𝛽,𝛼) = 𝐻 . 𝐾
𝐷(𝛽,𝛼) = 𝐷(𝑑,𝑚) . (1 + cos (𝛽)
2)
𝐴𝐿(𝛽,𝛼) =𝜌 . 𝐺(𝑑,𝑚) . (1 − cos(𝛽))
2
𝐺(𝛽,𝛼) = 𝐻(𝛽,𝛼) + 𝐷(𝛽,𝛼) + 𝐴𝐿(𝛽,𝛼)
𝐻𝑃𝑆 =𝐺(𝛽,𝛼)𝑘𝑊ℎ/𝑚2𝑑í𝑎
1𝑘𝑊/𝑚2𝑑í𝑎
35
En Resumen:
Tabla7: Aglomerado de Datos y resultados en el cálculo de HSP
Ángulo de salida del sol Valor
Declinación solar 23,3144
∅ Latitud del lugar 4,563935
Ángulo de salida del sol sobre un plano Inclinado Valor
Angulo de salida del sol -91,9715
Declinación solar 23,3144
∅ Latitud del lugar 4,563935
𝛽 Inclinación del panel solar en el techo 20
Factor de excentricidad Valor
dn Número del día del año 166
Radiación sobre el plano horizontal Valor
T Longitud del día (h) 24
𝐼0 Constante solar (W/m2) 1367
휀0 Factor de excentricidad 1,0329
Angulo de salida del sol en un plano inclinado -83,1656
∅ Latitud del lugar 4,563935
Declinación solar 23,3144
Índice de claridad Valor
𝐺𝑑,𝑚(0) Radiación solar global (Wh/m2) 3700
Radiación solar horizontal (Wh/m2) 10297,64
Fracción difusa de radiación Valor
Índice de claridad 0,3593
Radiación difusa Valor
Fracción difusa 0,5939
𝐺𝑑,𝑚(0) Radiación solar global (Wh/m2) 3700
Radiación que llega al plano inclinado Valor
𝐺𝑑,𝑚(0) Radiación solar global (Wh/m2) 3700
Radiación difusa (Wh/m2) 2197,74
Factor de corrección Valor
Angulo de salida del sol en un plano inclinado -83,1656
Angulo de salida del sol -91,9715
Declinación solar 23,3144
∅ Latitud del lugar 4,563935
𝛽 Inclinación del panel solar en el techo 20
Fuente: Autor
𝛿
𝛿
𝛿
𝛿
𝜔𝑠
𝜔𝑠
𝜔𝑠𝑠
𝜔𝑠𝑠
𝐻𝑑,𝑚(0)
𝐾𝑇𝑀
𝐹𝐷𝑚
𝐷𝑑,𝑚(0)
36
Tabla 8: Cálculo de Radiación sobre el panel Inclinado
Radiación directa sobre el panel inclinado Valor
H Radiación que llega al plano inclinado (Wh/m2) 1789,34
K Factor de corrección 0,752
Radiación difusa sobre el panel inclinado Valor
Radiación difusa (Wh/m2) 2197,74
𝛽 Inclinación del panel solar en el techo 20
Radiación albedo sobre el panel inclinado Valor
𝜌 Reflectividad del suelo se supone un valor 0,2
𝐺𝑑,𝑚(0) Radiación solar global (Wh/m2) 3700
𝛽 Inclinación del panel solar en el techo 20
Fuente: Autor
Tabla 9: Resultados HSP Aprovechables
Radiación total sobre el panel inclinado Valor
Radiación directa sobre el panel inclinado (Wh/m2) 1129,71
Radiación difusa sobre el panel inclinado (Wh/m2) 2131,47
Radiación albedo sobre el panel inclinado (Wh/m2) 717,68
Horas pico solares Valor
Radiación total sobre el panel inclinado
(kWh/m2)
3,9788
Fuente: Autor
2. Rendimiento de la Instalación.
𝑅 = 1 − [(1 − 𝑏 − 𝑐 − 𝑣) . 𝑎 .𝑁
𝑃𝑑] − 𝑏 − 𝑐 − 𝑣
Los valores típicos de cada coeficiente, a falta de conocerlos exactamente al facilitarlos el
fabricante son:
a: 0'005 a falta de datos del fabricante, (0'5% diario). Recordar que aumenta con la
temperatura, y varía con el tipo de batería, estimando el coeficiente de descarga diaria de:
⇒ 0'002 para las de NiCd o de PbCa sin mantenimiento.
⇒ 0'005 para las estacionarias de plomo-ácido, Pb.
b: en general 0'05 y 0'1 para viejos acumuladores, para fuertes descargas, o bajas
temperaturas.
𝐷𝑑,𝑚(0)
𝐻(𝛽,𝛼)
𝐷(𝛽,𝛼)
𝐴𝐿(𝛽,𝛼)
𝐺(𝛽,𝛼)
37
C: contempla el rendimiento del convertidor c.c.-c.a. que suele variar del 75%÷95% a falta
de otros datos, se tomará el valor de 0'25 a 0'05, y 0 si no lo hay.
V: agrupa a cualquier otro tipo de pérdida no considerada, tomando normalmente el valor
de 0'15 cuando se conocen las potencias teóricas; 0'1 en general, sin conocer los
rendimientos; puede reducirse hasta 0'05 si se han tenido en cuenta los rendimientos de
cada carga instalada.
3. Necesidades del Usuario
𝐸 =𝐸𝑡
𝑅 (𝑊ℎ
𝑑í𝑎⁄ )
Et: Energía del peor mes (Wh)
R: Rendimiento de la Instalación
4. Energía del panel o potencia pico:
𝑃𝑝 =𝐸𝑁𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑎
𝐻𝑆𝑃
6. Numero de Paneles:
𝑁𝑃 ≥𝑃𝑃
0,9 . 𝑃𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜
P modulo:310 W
7. Capacidad de la batería
Cb =E Necesaria* Días de autonomía
Profundidad de Descarga
8. Intensidad entrada regulador
Ie= 1.25 * IMOD, SC* NP
38
Siendo:
(IMOD, SC): La corriente unitaria del módulo fotovoltaico en condiciones de cortocircuito, en
este caso, Isc = 8.99 A. Se usa la corriente de cortocircuito para el cálculo de la corriente de entrada
al regulador por que será la máxima corriente que podría ser generada por el módulo fotovoltaico
y será esa la que se tendrá en cuenta para evitar pérdidas de rendimiento.
NP: El número de ramas en paralelo.
1,25: Es un factor de seguridad para evitar daños ocasionales al regulador
Las fórmulas anteriores fueron tomadas de la guía de proceso de cálculo de sistemas fotovoltaicos
del curso de energía solar fotovoltaica dado por Senergitel S.A.S. (Calculo Instalación Solar,
Senergitel S.A.S- curso de energía solar fotovoltaica- Proceso aisladas, 2014).
4.1.1 NECESIDADES DEL USUARIO
De acuerdo con los análisis de consumo y los datos medidos mensuales y gráficas proyectadas
anteriormente se determinó el dato más alto obtenido de los últimos seis meses en este caso fue de
197 Kwh/mes (Jun. 2017) puesto que es un dato más confiable debido a los medidores instalados
y con menos margen de error, a la estimación de uso de los artefactos y electrodomésticos
consumidores dentro del hogar.
197 kWh/mes = 6.5 kWh/día = 6566.7 Wh/día
4.1.2 RENDIMIENTO DE LA INSTALACIÓN
Se definieron 3 días de autonomía dado los parámetros climatológicos de Bogotá como se explicó
anteriormente.
𝑅 = 1 − [(1 − 𝑏 − 𝑐 − 𝑣) . 𝑎 .𝑁
𝑃𝑑] − 𝑏 − 𝑐 − 𝑣 = 𝟎, 𝟖𝟏𝟗𝟎𝟎
39
Tabla 10: Valores escogidos para hallar las pérdidas del sistema.
Rendimiento de la Instalación Valor
b Coeficiente de pérdidas por rendimiento de la batería 0,05
c Coeficiente de pérdidas en el inversor 0,06
v Coeficiente de otras pérdidas 0,05
a Coeficiente de descarga 0,005
N Días de autonomía 3
Pd Profundidad de descarga 0,6
Fuente: Autor
Con el dato anterior calculamos la Energía necesaria:
Energía Necesaria
Et Energía del peor mes (Wh) 6566,00
R Rendimiento de la Instalación 0,81900
E =Et
R (Wh
día⁄ ) = 8017,09
4.1.3 NUMERO DE PANELES
Para esto se tomara en cuenta el resumen de todos los cálculos hechos anteriormente en la siguiente
tabla:
Tabla 11: Datos del cálculo de Número de Paneles
Potencia pico Valor
Energía necesaria (Wh) 8017,09
Horas pico solares (h) 3,97
Número de paneles solares Valor
Potencia pico (W) 2015,12
Potencia del módulo (W) 310
Fuente: Autor
𝑁𝑃 ≥𝑃𝑃
0,9 . 𝑃𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜= 7,22 ≈ 𝟖
40
Y luego el número de paneles será:
Np = 7.22 ≈ 8 Paneles de 310 Whp
Respecto a la conexión de los módulos calculados en serie o paralelo, teniendo en cuenta que el
Módulo a usar tiene una tensión en circuito abierto =45,6 Volt.
N serie= Tensión sistema/ Tensión máxima modulo en V.
N serie = 48/ 45.6 = 1.052 ≈ 2
Esto significa que todos los paneles serán conectados en paralelo con uno unido en serie creando
así 7 ramas en paralelo una en serie con un panel por rama.
4.1.4 BATERÍAS
Se procedió a calcular la capacidad de la batería que este sistema debe usar:
Relacionando el consumo por los días de autonomía y con el porcentaje de profundidad de
descarga máxima esperado (p.d. del 60%) tendremos la capacidad expresada en vatios, pero hay
que dividir por la tensión de servicio (48 V) para obtener la capacidad adecuada del acumulador
en Ah:
Cb=8017.09 * 3
0.6 = 40085.45Wh/48V = 835.19 Ahd
Se aplicó un factor de seguridad de las baterías adicional de 10%, entonces contemplando este
la capacidad de las baterías seria de: 918.62 Ahd.
Profundidad de descarga:
Pd= ((E necesaria* días. Auto.) / Cb) *100 = ((8017.09*3)/40085.4)*100= 0.59999
Banco de Baterías= Batería Nominal: 300 Ah – 12 V
Para obtener la capacidad de almacenamiento se usarán 4 baterías de 300 ah cada una.
300 ah * 4 = 1200 ah.
Lo cual está por arriba de la necesidad y será óptimo para el uso en el sistema.
41
Para obtener la tensión del sistema (48v) se hará las siguientes conexiones en serie en la instalación
del banco de baterías.
Gráfico 9 Conexión entre baterías, Tensión 48 V, Fuente: Autor
Como se puede apreciar en la imagen la conexión entre las 4 baterías se realizó de tal manera
que todas las baterías quedaran conectadas en serie, cada una con una tensión de 12 v, sumando
sus voltajes y quedando estas con una tensión de 48 v.
4.1.5 REGULADOR E INVERSOR
Para calcular la corriente de entrada al regulador se hace el producto corriente de cortocircuito
de un módulo, en este caso Isc = 8.99 A, y multiplicado por el número de las ramas (la corriente
de cada rama en paralelo será aproximadamente la misma) en paralelo calculado anteriormente.
Ie= 8.53 A * 8 = 68.24
Así pues, el regulador de carga debería soportar una corriente, como mínimo de 68.24 Amp. A
su entrada. Seleccionando una potencia nominal por encima de este valor siendo de: 80 Ah, 48 V
y 4500 Wp
42
Inversor: Para el cálculo del inversor para solar aislada, únicamente se ha de calcular la suma de
las potencias de las cargas de alterna. La cual es de 6566.67 wh/dia. Según los datos obtenidos por
el medidor de energía eléctrica del domicilio.
CI= 6566,67 * 1.25 = 8208,34 watts
Así pues, se usará un inversor nominal de 9000 watts, incluyendo un 25% de más debido a la
seguridad del sistema puesto que algunos electrodomésticos que cuentan con motor al arranque
consumirán más energía generando picos de consumo con este porcentaje se protege el sistema de
estos picos para asegurar un correcto funcionamiento.
4.1.6 ÁREA NECESARIA
Medidas del Panel: 1.96 Largo x 0.99 Ancho x 0.04 Grosor (metros)
Cada panel posee un área de = 1,9404 m2
Se Consideró un 5% más en las dimensiones del panel dentro de la instalación por ubicación siendo
2.058 m de Largo x 1.0395 m de Ancho.
Cada Panel contemplaría un Área de 2,139291 m2
Al ser 8 paneles= 2,139291 m2 * 8 = 17,114328 m2
Para las Baterías según sus Características (Ver anexo: Batería 12v 300Ah a Usar y Características)
Se obtiene un Área Necesaria de:
Medidas de la Batería: Largo: 521mm x Ancho: 269mm
Área = 1401,49 cm2
Cuatro Baterías: 5605.96 cm2 y estimando un 10% más por Instalación: 6.166.56 cm2
Siendo en m2 un total de: 0,616656 m2
Área total: 17,114328 m2 + 0,616656 m2= 17.7 ≈ 18 m2
43
4.2 USO DE CALCULADORA DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ONLINE
Se decidió realizar la prueba online y el cálculo con la herramienta calculationsolar.com. Es
una página web que se encarga de realizar diferentes ecuaciones conforme a las características de
un lugar y elementos a usar en una instalación fotovoltaica aislada, esta es una de las calculadoras
solares más conocidas y eficientes a la hora del cálculo, puesto que considera bastantes
características, arroja datos completos y además es una plataforma gratuita para todo tipo de
usuarios. (Calculationolar.com- herramienta calculo solar- España 2018). Obteniendo los
siguientes resultados:
Cálculo instalación solar fotovoltaica aislada
Se realiza un informe de una instalación solar fotovoltaica aislada de la red a partir de los datos
de entrada introducidos considerando los consumos estimados según las necesidades y el uso de
estos y la radiación solar en función a la ubicación, orientación e inclinación de la instalación.
Datos de ubicación y orientación
La instalación está situada: En las coordenadas: 4.563935, -74.150560
Inclinación :20 º
Usará un sistema de corriente alterna con un voltaje de 110 V, El sistema dispone de generador
auxiliar.
Total energía teórica diaria 6800 Wh/día
Para el cálculo del rendimiento (Performance Ratio) se han utilizado los siguientes parámetros:
Coeficiente perdidas en batería 5 %
Coeficiente auto descarga batería 0.5 %
Profundidad de descarga batería 60 %
Coeficiente perdidas conversión DC/AC 6 %
Coeficiente perdidas cableado 5 %
Autonomía del sistema 3 d
Rendimiento General 81.9 %
Lo que nos proporciona los siguientes resultados de energía.
44
Total energía real diaria (Wh/día): 8302.81
Para el cálculo del campo fotovoltaico se ha tenido en cuenta la inclinación y orientación
elegidas, las HSP, la ratio de aprovechamiento del regulador de carga y las temperaturas medias
mensuales diurnas del lugar elegido. Dando los siguientes valores:
El mes más desfavorable según consumos: Junio
Inclinación optima anual: 6.85º
Inclinación optima anual por consumos: 15.36º
Inclinación elegida:20º
Azimut módulos : 0º
Temperatura media mensual máxima diaria (3 meses): 22.15º
Horas Sol Pico en meses más desfavorables: 4.66 HSP
Energía Real Diaria desde módulos: 8302.81 Wh/d
Ratio de aprovechamiento regulador: 1
Potencia pico módulos calculada: 1802 Wp
Tabla 12: Características del panel; informe detallado online.
Fuente: Calculationsolar.com 2018
Para la elección del regulador se tienen en cuenta los valores de tensión del sistema, los parámetros
de los módulos Fotovoltaicos, lo que nos aporta un determinado grado de optimización. Ver a
continuación:
45
Tensión sistema: 48 V
Tensión módulos Circuito abierto: 45.6 V
Tensión módulos máxima potencia : 36.3 V
Corriente de cortocircuito modulo: 8.99 A
Corriente a potencia máxima modulo: 8.53 A
Nº de módulos serie instalar: 2
Nº de módulos paralelo instalar: 4
Total módulos instalar: 8
Intensidad modulo a tensión sistema (cerrado) : 8.53 A
Intensidad total sistema (abierto) : 36 A
La elección del regulador ha sido la siguiente:
Tabla 13: Características del regulador, informe detallado online.
Fuente: calculationsolar.com 2018
Para el cálculo de la batería, se ha tenido en cuenta, la energía necesaria, la tensión del sistema,
así como la profundidad de descarga y la autonomía de dicho sistema en días.
Tabla 14: Características de las baterías, informe detallado online,
Fuente: calculationsolar.com 2018
46
Para el cálculo de la batería, se ha tenido en cuenta, la energía necesaria, la tensión del sistema, así
como la profundidad de descarga y la autonomía de dicho sistema en días.
Tensión nominal de baterías: 48 V
Profundidad de descarga de baterías: 60 %
Autonomía del sistema: 3 días
Energía Real Diaria: 8016 Wh/día
Capacidad útil baterías calculadas: 501 Ah
Capacidad real baterías calculadas: 835 Ah
De lo que se desprende, que, adaptándonos al fabricante, utilizaremos una batería con 4 vasos en
serie de 1 series en paralelo de 230 Ah en C100, por serie, dando un total de 230 Ah en C100 y 48
V. Con esta acumulación se tendría la capacidad de almacenamiento de 3 días, con los consumos
teóricos.
La elección del inversor-cargador ha sido la siguiente:
Tabla 15: Características del inversor, informe detallado online.
Fuente: calculationsolar.com 2018
Para el dimensionado del inversor se han utilizado los siguientes datos:
Tensión sistema DC: 48 V
Tensión salida AC: 110 V
Potencia máxima:1700 W
Coeficiente Simultaneidad: 0.7
Potencia mínima necesaria: 1190 W
Factor de seguridad: 0.8
47
Aspectos técnicos y ambientales
Porcentaje del consumo eléctrico atendido con fotovoltaica 100%
Producción anual deseada con fotovoltaica 2244kWh - año
Potencia instalada 1.70 KWp
Número necesario de paneles solares # 7
Área instalable 18 m2
Número equivalente de árboles sembrados # 57
Inversión y ahorros
Inversión inicial $ COP $15.300.000
Ahorros generados por su instalación solar fotovoltaica $ COP $29.791.729
Valor presente NETO (ahorros - costos) $ COP $14.491.729
Fuente: Informe detallado, calculo sistema fotovoltaico, América fotovoltaica Colombia
Para mayores detalles, ver anexos: informe detallado “calculo sistema fotovoltaico 26-07-2018”
4.3 PRESUPUESTO
Tabla 16: Estimación de Precios de Elementos necesarios ESF
DESCRIPCION UNID. PRECIO UND.
($COP) TOTAL ($COP) FUENTE
Panel Solar ASE-0123 8 $ 934.000 $ 7.472.000 Ambientes&solu.
Baterías FL1290 4 $ 1.050.000 $ 4.200.000 Ambientes&solu.
Inversor Victron multiplus
c24/120-50 1 $ 932.000 $ 932.000 Import. c&m
Regulador Axpert VM ll 1 $ 950.000 $ 950.000 Mercado Libre C
Cableado N.A $ 200.000 $ 200.000 Estimación
Mano de Obra N.A $ 1.500.000 $ 1.500.000 Estimación
Material de Instalación N.A $ 100.000 $ 100.000 Estimación
TOTAL $ 15.354.000
Fuente: Autor
48
Se ha estimado un valor de $ 15.354.000 el cual puede tener un rango de error de más, menos
$1.000.000 quedando el valor de instalación entre $14.354.000 - $16.354.000 COP.
Costos de Mantenimiento: se definieron los costos de mantenimientos entre COP $202.900 por
año considerando las diferentes fallas y remplazos que pueden llegar a ocurrir al año.
Se determinó que por cada año el costo de la energía varía entre los COP$973.220 con base a los
datos del año 2017, para los años posteriores se usó un aumento del 6% respecto al primer año.
(2017). Contemplando el IPC y realizando una aproximación a los siguientes 25 años. Se realizo
la recuperación tomando el valor total de la instalación fotovoltaica y el costo anual de
mantenimiento obteniendo un total de $20.049.900.
Tabla 17: Recuperación de la Inversión Años
Recuperación Inversión- Ahorro ESF
Año Ahorro
Kwh/Año
Costo Energía Eléctrica
COP
Costo / Beneficio
1 2151 $ 973.220 $ 15.756.900
2 2151 $ 1.031.613 $ 14.928.187
3 2151 $ 1.093.510 $ 14.037.576
4... 2151 $ 1.159.121 $ 13.081.356
12 2151 $ 1.551.165 $ 3.535.243
13 2151 $ 1.644.235 $ 2.093.908
14 2151 $ 1.742.889 $ 553.918
15 2151 $ 1.847.463 $ (1.090.644)
16 2151 $ 1.958.310 $ (2.846.054)
17 2151 $ 2.075.809 $ (4.718.963)
18 2151 $ 2.200.357 $ (6.716.421)
19 2151 $ 2.332.379 $ (8.845.900)
20 2151 $ 2.472.322 $ (11.115.321)
21 2151 $ 2.620.661 $ (13.533.082)
22 2151 $ 2.777.901 $ (16.108.083)
23 2151 $ 2.944.575 $ (18.849.757)
24 2151 $ 3.121.249 $ (21.768.106)
25 2151 $ 3.308.524 $ (24.873.730)
Fuente: Autor
49
Según la base de datos anterior se calculó que la recuperación de la inversión se podrá realizar en
14 - 15 años, con una vida útil del sistema de 25 años se considera un adecuado tiempo de
recuperación de inversión y esto sin contemplar los posibles casos de compra de energía producida
a la red eléctrica según la ley 143 de 1994. Obteniendo un ahorro para los 25 años de 24 millones.
4.3.1 DEFINICIÓN DE PRECIOS Y CARACTERÍSTICAS DE LOS MÓDULOS DEL
SISTEMA A USAR
Características básicas
Los Módulos Fotovoltaicos (Paneles Solares) que se analizaron, se trabajaron bajo parámetros
óptimos de eficiencia y demás características de este.
Se consideraron dos Comercializadores de estos productos (Ambientes Soluciones 2017.Y
Green Energía Latín América) Con precios para personas naturales en el país con valores en pesos
colombianos con los siguientes resultados:
Ambientes soluciones: Referencia: ASE0123 - Panel solar de 310W
Tabla 18: Comparación de paneles solares fotovoltaico.
PANEL SOLAR FOTOVOLTAICO
Características Ambientes & Soluciones Green Energy
Material Silicio Policristalino Silicio Policristalino
Tensión en circuito abierto 45,6 V 45,9 V
Intensidad en Cortocircuito 8,99 A 9,26A
Temperatura de funcionamiento 42 - 85°C 45°C
Potencia Máxima 310 W 330W
Eficiencia del Modulo 17% 16%
Dimensiones L1960 x A990 x P40 (mm) L1956 x A992 x P50 (mm)
Peso 25.5 kg 23 kg
Precio $ 934.000 $ 1.142.000
Fuente: página web de empresa ambientes y soluciones y Green energy.
Estos precios varían mucho en cuanto a las características del módulo (panel), se decidió que
para el proyecto el panel más eficiente y que cumple con los criterios requeridos es el panel
ofrecido por la empresa ambiente y soluciones (ASE0123- 310 w)
50
“Otras Características: Tensión en Pmax: 36.3, Intensidad en Pmax: 8.53 A, Tensión en circuito
abierto: 45.6 V, Intensidad en cortocircuito: 8.99 A, Tensión máxima del sistema: 1000 V Dc,
Valor máximo del fusible en serie: 15 A, Limitación de corriente inversa: 15 A, Rango de
temperatura de funcionamiento: -40°C to 85°C, Cubierta frontal (material / espesor): Vidrio
templado de bajo contenido en hierro / 4,0 mm, Célula solar (cantidad / tipo / dimensiones / número
de busbar): 72 / silicio poli cristalino / 156 x 156 mm / 3 o 4, Marco: Aluminio anodizado, Caja
de conexiones (grado de protección): ≥ IP65” (Ambientes Y soluciones S.A- Compañía
Comercializadora de paneles y artículos de sistemas fotovoltaicos)
Gráfico 10 Panel solar a usar Fuente: Ambientes Soluciones S.A, 2016
Precio: COP $ 934.000
51
5. VIABILIDAD Y PROPUESTA DE SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS.
Se propuso usar dispositivos que aprovechan la energía calorífica, entre estos el más usado
comercialmente el calentador solar, dispositivos los cuales pueden sustituir los calentadores
convencionales a gas o energía eléctrica, estos llegando a tener niveles muy bajos de
contaminación.
El funcionamiento de los calentadores solares es muy sencillo, la luz solar al tocar la placa
térmica se convierte en calor, se suele utilizar una placa obscura para una mejor recolección del
calor debajo de la placa se encuentran los cabezales de alimentación y circulación de agua en el
cual el agua entra fría y sale caliente. Debido a una diferencia de temperatura producida por el
calentamiento del sol, el agua circula por el sistema mediante un mecanismo de termosifón donde
el agua caliente tiende a subir. Para mantener la temperatura del agua es necesario un termotanque
el cual debe estar forrado con aislante térmico.
Por otro lado, también se consideró la energía usada del calor del sol, en el momento de secar
las prendas luego de ser lavadas, teniendo en cuenta que el hogar no cuenta con secadora de ropas.
5.1 ARTEFACTO PROPUESTO
Calentador solar:
El calentador solar que se consideró para la implementación del calentador solar ASE0502 -
calentador presurizado con reflector 200 litros, el cual tiene un valor de $ 4´293.000 COP
(Ambientes y Soluciones, 2018)
Gráfico 11 Calentador solar Propuesto. Fuente: Ambientes & Soluciones S.A
52
5.1.1 UTILIDAD Y CARACTERÍSTICAS
Calentador solar ASE0502 - calentador presurizado con reflector 200 litros tiene un valor de $
4´293.000 COP. El cual cuenta con las características apropiadas para el uso doméstico entre estas
están:
Tabla 19: Características del calentador solar.
Características del calentador solar ASE0502
Cantidad de tubos 15 unidades
Dimensiones L1,98 x A1,85 x P1,2 (m)
Peso 89kg (sin agua)
Capacidad 200 lts
Área de instalación 2,30 m x 2,00 m
Sistema Presión
Fuente: Autor
Produce temperaturas más altas que cualquier otro calentador presurizado
NO produce caída de presión adicional al sistema
Ideal para reemplazar calentadores de paso
No requiere tanque auxiliar
Si se rompe un tubo sigue su funcionamiento porque mantiene su hermeticidad
Estructura en aluminio
Por ser presurizado se puede instalar por debajo del nivel de duchas.
53
Los calentadores solares en un principio pueden parecer costosos, pero se obtienen muchos
beneficios a largo plazo, entre ellos que el uso de esta energía al transcurrir cierto tiempo será
gratis. Los beneficios obtenidos debido al uso de calentadores solares son grandes, como que se
está aprovechando de manera eficiente una energía limpia, el impacto ambiental disminuye, los
costos en cuanto a consumo energético bajarán de una manera significativa, ya que disminuye el
uso de dispositivos convencionales consumidores y costosos, también que los costos de
explotación son reducidos a diferencia del gas, es de fácil mantenimiento y no requieren tanto
espacio para su instalación.(Greenpeace México,2006. Calentadores solares: energía renovable
en tu hogar. Campaña de energía y cambio climático)
5.2 ANÁLISIS COSTO/BENEFICIO
En este caso se consideró el tiempo de inversión y la disminución de energía consumida tanto
del calentador solar como de la energía usada para secar las prendas lavadas.
Para el calentador solar:
Precio Calentador: $ 4´293.000 COP.
Precio Instalación: $200.000 COP.
Total: $4´493.000 COP.
Ahorro con un calentador convencional a gas:
Consumo de calentador a gas:
El consumo medio de gas propano para el agua caliente sanitaria. El propano permite un
calentamiento de agua simple y adaptable para todas las viviendas. La instalación necesaria es a la
vez económica, fácil de utilizar y fácil de instalar.
54
Tabla 20: consumo de un calentador a gas en kWh,
Fuente: Propanogas.com; Selectra España, 2014.
El consumo de propano para el agua caliente sanitaria aumenta con el número de ocupantes en
la vivienda. Para estimar en kilogramos el consumo medio del hogar, es importante de saber que
un kilo de propano corresponde a 13,835 kWh. (Propano Gas; Selectra Company España;
Obtenido de propanogas.com el 15 de julio de 2018)
Basado en los datos anteriores y considerando que en hogar son 5 personas y haciendo una
aproximación se obtiene que para cinco personas el consumo seria de 5737 Kwh.
Se contemplaría un ahorro hipotético de 5737 Kwh/año dado que el hogar no cuenta con este
tipo de calentador.
Calentador eléctrico.
Un Calentador eléctrico común de 150 lts consume alrededor de 9,8 KWh/día. Para 5 personas
(Laura Benitez Editor Hola Luz, Cómo funcionan y cuánto consumen los calentadores eléctricos
03 de diciembre de 2012)
Ducha.
La ducha eléctrica instalada en el hogar consume alrededor de 1,150 kW con un uso promedio
de 1 hora al día.
N° de ocupantes
en la vivienda
Consumo anual de gas para el
calentamiento de agua
Consumo anual de propano
para el agua caliente
1 1430 kWh 103.4 kg
2 2580 kWh 186.5 kg
3 3720 kWh 268.9 kg
4 4590 kWh 331.8 kg
55
Con los datos anteriores se obtendría un ahorro real de 1,150 kWh/día (Ducha) y un ahorro
hipotético de 9,8 KWh/día (calentador Eléctrico) y 5737 KWh/año (calentador a gas) o 414 Kg de
gas propano.
Teniendo en cuenta que el costo de kWh en Colombia para el mes de mayo de 2018 es de $498
COP (Codensa S.A, Valor kWh Bogotá, grupo Enelsa 2017) el ahorro seria:
Ducha: $17.000 COP/Mes. - Real
Calentador eléctrico: $145.824 COP/ Mes. - Hipotético
Calentador a Gas: $238.262 COP/Mes. – Hipotético
Energía usada para secar la ropa
Ahorro: Contemplando que una secadora de ropa nominal consume un promedio de 273
Kwh/año energía la cual es Ahorrada Gracias a que se usa el calor del sol para esta tarea
incurriendo en un ahorro de $11.330 COP/Mes.
Esto con el calentador solar, al realizar el análisis de recuperación de inversión se obtendría:
Real: $28.330 COP/Mes se Recuperaría la inversión en= 123 meses (ducha y Secadora Eléctrica)
Hipotético:
$145.824 COP/Mes se recuperaría la inversión en= 24 meses (Calentador eléctrico)
$238.262 COP/Mes se recuperaría la inversión en= 15 meses (Calentador a Gas)
Tabla 21: Ahorro Energéticos con el uso de la EST
Artefacto Ahorro
Kwh/mes
Ahorro
$COP/Mes
Recuperación
Inversión (Meses)
Calentador a Gas 478 $ 238.044 15
Calentador Eléctrico 294 $ 146.412 24
Ducha Eléctrica 34,5 $ 17.181 123
Secadora Eléctrica 22,75 $ 11.330 123
Fuente: Autor
56
6. PROTOTIPO DE CARGADOR FOTOVOLTAICO PARA CELULAR
Se propuso un prototipo de cargador fotovoltaico para celulares o artefactos similares, el cual
cuenta con 4 células fotovoltaicas de 300 mAmp cada una y con una tensión de 5 Voltios, esto
con el fin de demostrar la aplicación casera de la energía solar a pequeña escala además de
incentivar al uso de una energía limpia de una forma innovadora y tecnológica. Todo esto con la
adición de que se puede realizar de manera fácil y económica en casa incentivando al aprendizaje
de diferentes circuitos y tecnologías existentes a pequeña escala, ayudando a la viabilidad de esta
energía en un hogar, objetivo que pretende estudiar este proyecto.
6.1 METODOLOGÍA DE CONSTRUCCIÓN.
Para la construcción del cargador solar fotovoltaico se usaron los siguientes elementos
Módulos Fotovoltaicos 300 mAmp – 5V (4)
Diodos rectificadores 1 amp (4)
Cable conductor 1mm cobertura amarilla y negra (1 Metro)
Cable USB ( 0.3 metros)
Puertos Micro USB 2.0
Power Bank (Batería Recargable externa)
Funda en tela.
Herramientas usadas
Cautín Soldador y estaño para soldar
Pistola de silicona
Tijeras
Luego de obtener todos los elementos de construcción se procedió a realizar las siguientes
acciones.
1. Se procedió a estañar todas las partes a soldar como los puntos de contacto positivo y
negativo de los módulos solares.
57
2. Se soldaron a los puntos de contacto positivos de los módulos, los diodos rectificadores
desde el ánodo y dejando hacia fuera el cátodo.
3. Se soldaron y unieron los puntos de contacto negativos de cada módulo entre sí con el cable
conductor de forma en que el circuito quedara en paralelo un panel del otro.
4. con el cable USB y el micro puerto se realizó la debida conexión, para que la salida de
energía producida por los módulos terminara en este puerto el cual es compatible con el
puerto de carga de la mayoría de celulares.
5. Se realizaron las pruebas pertinentes de funcionamiento y se procedió a asegurar las
conexiones con más soldadura y silicona.
6. Creación de la funda protectora con tela negra puesto que esta atrae más el calor y la luz al
no repeler la misma.
7. Se añadió la batería o power bank externa.
6.2 CARACTERISTICAS Y FUNCIONAMIENTO
Gráfico 12 Planos de estructura del cargador prototipo, Fuente: Autor.
58
Como se puede observar cada panel o modulo solar cuenta con las siguientes características:
Tabla 22: Características del Módulo Usado.
Fuente: Autor
El circuito fue realizado de manera en la que cada módulo está conectado de forma paralela al
siguiente pues con esta estructura se mantiene el voltaje en 5 V caso contrario al realizar el circuito
en serie.
No se usó ningún tipo de Regulador ni controlador de tensión además de la propia conexión.
Gráfico 13 Circuito del prototipo en paralelo. Fuente: Autor.
El funcionamiento del cargador se debe al efecto fotoeléctrico producido en las celdas
fotovoltaicos luego de esto la energía pasa por el circuito controlado por los diodos rectificadores
los cuales no permiten que la energía viaje en sentido contrario a lo necesario ni que los modelos
consuman la energía del celular en el momento en que no esté recibiendo energía.
Característica Valor
Largo 13.5 cm
Ancho 8 cm
Espesor 1 mm
Tensión 5 Voltios
Potencia 300 mAmp
Eficiencia 16.5 %
59
Se planteó la funda protectora de color negro puesto que este color no refleja la luz y por ende
esta llegara con más intensidad a los módulos con una mayor eficiencia.
La salida de corriente del cargador es tipo micro USB 2.0 el cual es compatible con la mayoría
de los dispositivos celulares actuales y otros como reproductores de audio o dispositivos bluetooth.
Energía suministrada
Como se mencionó anteriormente cada módulo cuenta con una potencia de 300 mAmp al estar
conectados en paralelo teóricamente producirá una potencia de 1200 mAmp a una tensión de 5
voltios, pero al contemplar las pérdidas generadas por el diodo el cual es de aproximadamente 0.5
voltios y 100 mAmp, se obtiene que la tensión de salida varía entre los 4.0 y 4.5 Voltios, y la
potencia varía dependiendo las condiciones de luz y radiación se encuentra entre los 650 – 850
mAmp. Obteniendo unas pérdidas muy altas.
Tabla 23: Características de funcionamiento prototipo cargador solar.
Característica Valor
Tensión 4 – 4.5 Voltios
Potencia 650-850 mAmp
Eficiencia 15%
Tipo de Módulos Poli cristalinos
Perdidas de Energía 30%
Fuente: Autor.
60
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS.
Se encontró que los datos de HSP arrojados dentro de la investigación variaron de una fuente a
la otra UPME- NASA (4.5 – 3.9) esto se debe a que la UPME arroja datos de la ciudad en general
o más específicamente de la localidad, mientras el visualizador de la Nasa arroja datos más
puntuales puesto que este se basa en las coordenadas puntuales del lugar en estudio y hace un
enfoque en la zona de este.
Aunque los métodos de cálculos usados tanto manual como en los simuladores es diferente los
datos fueron bastante cercanos, debido a que en los dos se usó las mismas características de modulo
solar y al simulador usar un valor de 4.66 HSP y un factor de perdidas muy cercano al usado
manualmente. 13% para el simulador calculación solar.com.
Resultaron ser ocho módulos en los dos cálculos más precisos de la investigación manual y
online. Se obtuvo un consumo más alto en el cálculo manual puesto a que se consideró y cálculo
de manera diferente las pérdidas del sistema, al añadir primero un factor de seguridad y luego un
coeficiente de pérdidas para cada artefacto usado dentro del sistema fotovoltaico. Aunque esto no
afecto directamente en el resultado de numero de módulos necesarios puesto que teóricamente solo
se necesitarían entre 7.1 y 7.8 módulos, pero debido a que no se pueden usar nominal mente estos
valores, 8 módulos alcanzan un rango mayor de potencia alimentando la red y el consumo
calculado por los dos métodos puesto a que son cercanos.
En cuanto al cálculo de las baterías los dos métodos arrojaron que se necesitan diferente número
de baterías para el banco de almacenamiento. Aunque en cada método se consideró un tipo
diferente de batería la primera con características de 300ah – 12V mientras el simulador considero
una batería de 255Ah – 24 V, el resultado de unidades necesarias fue diferente puesto que como
se mencionó anterior mente el método manual uso una tensión diferente de baterías siendo
necesario 4 mínimo en serie para lograr la tensión del sistema 48 V. Al igual los consumos
máximos (energía necesaria) obtenido en el simulador fue de 8302.81 Wh/dia, por otra parte, en
el cálculo manual el consumo máximo fue de 8017.91 y con las cuatro unidades se obtendrían
1200 Ah suficientes igual para las necesidades en este caso 918.62 Ahd.
El tipo de circuito a usar dentro del banco de baterías en los dos métodos cambia debido a las
características de estas, en el método manual se propuso usar un circuito en tipo serie con el fin de
61
obtener un voltaje de salida de 48 V, mientras que el simulador considero el circuito en paralelo
puesto que las baterías por si solas ya mantenían una tensión de 48 v.
El calentador solar escogido como ejemplo dentro de la investigación en comparación con los
calentadores convencionales de agua resulta ser más viable tanto en el ámbito económico como
ambiental, al ser un cálculo para 5 personas, pero al usar un número diferente menor al escogido
los costos pueden variar drásticamente, hasta volverse no viable por ejemplo para el uso
unipersonal. Dentro del mismo análisis se obtuvo la cantidad total de energía eléctrica que usa
hipotéticamente un calentador a gas usando la conversión de trabajo potencia del gas propano
donde kilo de propano corresponde a 13,835 kWh.
Los valores de costos fueron valores encontrados en páginas web colombianas a valores reales
entre los años 2017 – 2018, razón por la cual no se garantiza una precisión dentro de los mismo y
se reitera un factor de error entre los dichos valores del 5 %.
62
8. CONCLUSIONES
A través de la presente investigación, se evidencio que actualmente en la ciudad, la facilidad
de adquisición de los elementos que componen un sistema solar fotovoltaico y térmico ha venido
incrementando en el país, así como su investigación y desarrollo, lo cual hace posible la
implementación de dicha energía renovable, estos mismos adaptándose a las diferentes
características climatológicas de varias zonas.
Se logró tener diferentes datos sobre las características técnicas de las herramientas
tecnológicas usadas, entre ellas, potencia, eficiencia, tensión y otras más específicas, dando a
conocer que hay una buena oferta de estas.
La energía solar ha tenido un creciente desarrollo en el país, debido al bajo costo que genera
producirla, aunque esta cuenta con una baja eficiencia es una tecnología en desarrollo la cual días
tras día se supera. Esta energía encabeza la lista de energías renovables para la producción de
energía eléctrica y se considera una de las energías del futuro, ya que es muy posible que reemplace
las fuentes convencionales.
Dentro de esta monografía se pudo observar la variación entre los diferentes datos generales de
la ciudad con los específicos de la zona de estudio, por ejemplo, en el caso de las horas picos
solares, los cuales se investigaron gracias al visualizador de radiación solar ofrecido por la Nasa,
la cual arrojo datos puntuales del lugar investigado.
La red eléctrica del hogar modelo, al ser una red construida interna, no se pudo observar el
trayecto de esta, excepto los puntos de tomacorriente, iluminación y los relés eléctricos, este último
siento el punto donde se planteó la conexión del hogar con el sistema fotovoltaico. De igual manera
se tuvo en cuenta la ley 143 de 1994 por la cual se establece el régimen para los productores
independientes de energía, los cuales no pueden desconectarse totalmente del servicio eléctrico
interconectado, con la cual cuenta el hogar, asimismo establece, que el productor deberá otorgar
la energía producida a la red y esta será descontada de su factura eléctrica o en dado caso comprada
por la empresa prestadora del servicio al valor actual de kWh.
Aunque se realizó el estudio del consumo eléctrico por parte de los artefactos electricos de
energía eléctrica, el cual arrojo un total de 6,9 kWh/día o 208 kWh/mes, se decidió usar los valores
de consumo eléctrico que arroja la factura eléctrica suministrada por la empresa prestadora del
63
servicio, usando el valor más alto de esta el cual es para el mes de Junio del año 2017 con 197
kWh/mes, esto al considerar que el hogar no cuenta con ningún tipo de problema en la medición
y por lo tanto tampoco en el contador, arrojando datos más exactos a los calculados por
estimaciones en el estudio de consumo, aunque los valores entregados por los métodos son
cercanos. Se tomó este valor debido a que fue el peor mes en el periodo analizado y por tanto si se
logra abastecer este se podrá abastecer los demás.
Se analizados dos tipos de módulos solares y finalmente se decidió escoger el panel solar
ASE0123 de 310W debido a que ofrecía unas mejores características que el otro, como eficiencia
y precio.
Un factor a favor se debe a que la instalación está por encima de la producción optima puesto
que, por ejemplo, teóricamente se necesitan 7,22 módulos con las características mencionadas, al
usar 8 paneles se obtendrá una mayor producción a la necesaria. Caso similar ocurrió en el cálculo
de las baterías, la cual, al usar 4 por cuestiones nominales, tendrá una mayor capacidad de
almacenamiento, dando así una mayor vida útil al sistema fotovoltaico, la cual se plantea de 25
años. En cuanto a inversor y regulador solo es necesaria una unidad de cada uno.
El área necesaria a usar es óptima ya que no contempla más del 50% del área disponible, ya
que dicha área disponible son 72m2 y se utilizará alrededor de 18m2. Al utilizar un simulador de
cálculo solar fotovoltaico (calculation solar) se obtuvo resultados similares, con la misma cantidad
de módulos fotovoltaicos y baterías, con la diferencia que el simulador recomienda poner dos
grupos de cuatro módulos en paralelo conectados en serie, esto con el fin de no afectar la tensión
del sistema la cual es de 48V y cada módulo en circuito abierto ofrece 45,6V. Según el otro
simulador usado, con la instalación, se puede salvar 57 árboles, ahorrando COP $ 29.791.729.
El valor total de realizar la instalación solar fotovoltaica para el hogar en estudio se encuentra
entre COP $14.354.000 a COP $16.354.000 con una recuperación de inversión de
aproximadamente 15 años, pero sin contar con los beneficios de la energía solar ni con los posibles
pagos que tendría por vender energía a la red eléctrica reduciendo así la recuperación de la
inversión considerablemente a aproximadamente 8 años.
Al usa la energía solar térmica el hogar podría contemplar un ahorro de COP $17.000 mensuales
con una inversión alta por el calentador solar el cual contempla un valor de COP $ 4.493.000, de
64
esta manera no sería viable ya que la casa solo cuenta con una ducha eléctrica como sistema de
calentador, aunque hipotéticamente si el hogar contara con un calentador eléctrico o a gas si se
sería viable puesto que la recuperación de la inversión se daría en tan solo de 15 a 14 meses.
Se planteó la construcción de un prototipo de cargador solar fotovoltaico con el fin de dar a
conocer e incentivar el uso de la energía solar fotovoltaica a pequeña escala en el ámbito doméstico
de una manera fácil, rápida y económica, además de ser una tecnología innovadora. Para dicha
construcción fueron necesarios 4 módulos fotovoltaicos con una tensión de 5V y una potencia de
300mA conectados en un circuito paralelo.
Como Conclusión general se llegó a la afirmación que si es viable la implementación de la
energía solar en un hogar domestico de la localidad 19 de la ciudad de Bogotá, puesto que aunque
tiene unos costos un poco altos en la instalación tiene unos grandes beneficios de adquisición y
producción sobre todo en el área ambiental, con más ventajas que desventajas a la hora de producir
energía, por otro lado al ser una energía producida en situ es mucho más asequible a la hora de
replicar, el tipo de instalación en lugares alejados o no interconectados, así como su
mantenimiento, por ultimo una ventaja grande es que la persona consumidora será la misma
productora de su energía reduciendo así muchos inconvenientes en la hora de pagos de impuestos
y demás que incluyen la comercialización y distribución del servicio.
65
9. RECOMENDACIONES
Se recomienda un plan de ahorro de energía en el hogar el cual contemple el cambio de algunos
bombillos luminarios los cuales no son óptimos para un bajo consumo, así como reemplazar
algunos electrodomésticos como televisores antiguos y neveras de alto consumo, dentro de este
contemplar la capacitación de los habitantes del hogar para un uso eficiente del mismo recurso.
Incentivar el desarrollo de energías renovables en la ciudad donde los elementos que componen
el sistema solar fotovoltaico sean de fácil adquisidor, económicos y de fácil aplicación para
que la viabilidad de la energía solar sea cada vez mayor.
Incentivar monetariamente por parte del estado la producción de energía solar fotovoltaica o
térmica en pequeña escala de manera que disminuya el consumo de energía convencional, y se
utilicen energías más amigables con el medio ambiente.
Ejecutar un plan de educación ambiental en las diferentes comunidades, con el fin de motivar,
al uso de la energía solar ya sea térmica o fotovoltaica.
Implementar el uso de la energía solar fotovoltaica a pequeña escala, por ejemplo, con la
replicación del cargador fotovoltaico para celulares propuesto en el presente proyecto.
Incentivar al cambio de los calentadores convencionales eléctricos o a gas por un calentador
solar para con esto obtener un mayor beneficio y ahorro en esta función además contribuir y
cuidar el medio ambiente y el recurso naturales.
Utilizar artefactos para la producción de energía solar ya sea fotovoltaica o térmica, de
preferencia nuevos con el fin de tener mayores características de calidad y eficiencia de estos.
Realizar conexiones solares fotovoltaicas que no cubran totalmente la demanda de energía del
hogar, pero si algunos electrodomésticos por ejemplo para el funcionamiento de una nevera
una lavadora etc.
Ayudar al sostenimiento de las energías limpias, principalmente de la solar con el desarrollo y
mayor investigación sobre la viabilidad que tendrían estas energías en los diferentes ámbitos
de la vida cotidiana en la ciudad.
66
10. REFERENCIAS
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y sus perspectivas. Obtenida el 19 de Julio de 2018. En
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750 megavatios contribuirá a alimentar la red ferroviaria metropolitana de Delhi (India).
Obtenida el 19 de julio de 2018. En https://www.bancomundial.org/es/results/2017/11/29/solar
El tiempo. 16 de abril de 2018. Ítalo lidera el proyecto de energía solar más grande de Bogotá.
Obtenida el 19 de julio de 2018. En https://www.elespectador.com/noticias/medio-
ambiente/italo-lidera-el-proyecto-de-energia-solar-mas-grande-de-bogota-articulo-750380fr
El tiempo. 14 de Abril de 2018. ¿Por qué la energía solar rompió récords en 2017? Obtenida
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Cundinamarca. Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Obtenida en 25 de Julio de
2018. En
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20EL%20DEPARTAMENTO%20DE%20CUNDINAMARCA...Pdf
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colegio Agustiniano Suba. Obtenido el 30 de Julio de 2018. En
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en Colombia”. Obtenido 15 de mayo de 2018. En www.upme.gov.co
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Archivado desde el original el 3 de diciembre de 2011.)
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Big Claims». Archivado desde el original el 14 de mayo de 2012.
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2018).
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68
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especialización en gerencia de obras.
ANEXO 1: Facturas de energía Año 2017
69
70
71
72
ANEXO 2: Planos del Domicilio modelo
73
0.9
0.9
3.5 4.1 3.9
2.8
2.8
0.2
0.8
6.0
12.0
3.6
0.8
1.9
2.1
74
Habitación 1
Habitación 2
Pasillo - balcón
Comedor
Habitación 3BañoCocina
12.50
6.00
3.50 4.05 4.35
1.87
2.05
0.80
0.95
0.95
0.80
1.852.05
2.70
2.85
0.15
75
Cuarto 1
Cuarto 2
Terraza
3.50
4.05 4.80
8.85
3.50
2.85
6.00
12.80
0.80
0.90
2.00
2.00
0.90
0.75
Ventanas
Puertas
76
ANEXO 3: Datos de radiación obtenidos del software RETSCREEN
77
78
ANEXO 4: Resultados del simulador online, calculation solar.com
79
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Cálculo instalación solar fotovoltaica aislada
Se realiza un informe de una instalación solar fotovoltaica aislada de la red a partir de los datos de entrada introducidos
considerando los consumos estimados según las necesidades y el uso de los mismos y la radiación solar en función a
la ubicación, orientación e inclinación de la instalación.
DATOS DE UBICACION Y ORIENTACIÓN
La instalación esta situada :
En las coordenadas :4.563935, -74.150560
El campo fotovoltaico estará dispuesto con las siguientes características:
- Inclinación :20 º
- Desorientación respecto al Sur :0 º
Usara un sistema de corriente alterna con un voltaje de 110 V
El sistema no dispone de generador auxiliar
CONSUMOS.
Se calcula el consumo a partir del uso de los electrodomésticos y la iluminación por día. A continuación se muestra las
tablas de elementos existentes y sus consumos:
Consumo electrodomesticos (día)
Aparato Horas Energía Total
Televisor 8 100 W 800 Wh
Frigorifico 8 200 W 1600 Wh
Microondas 4 800 W 3200 Wh
Computadora 2 300 W 600 Wh
TOTAL 6200 Wh/d
Consumo por Iluminación (día)
Tipo Nº Horas Energía Total
Lámpara fluorescente 2 2 50 W 200 Wh
Lámpara incandescente 2 2 50 W 200 Wh
Tubo fluorescente 2 2 50 W 200 Wh
TOTAL 600 Wh/d
TOTAL ENERGIA TEORICA DIARIA 6800 WH/DIA
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Para el calculo del rendimiento (Performance Ratio) se han utilizado los siguientes parametros:
Coeficiente perdidas en batería 5 %
Coeficiente autodescarga batería 0.5 %
Profundidad de descarga batería 60 %
Coeficiente perdidas conversión DC/AC 3 %
Coeficiente perdidas cableado 5 %
Autonomía del sistema 3 d
Rendimiento General 84.83 %
Lo que nos proporciona los siguientes resultados de energía.
TOTAL ENERGIA REAL DIARIA (WH/DIA): 8016.03
Se trata de una (vivienda de Uso habitual con los siguientes consumos distribuidos por meses a lo largo del año.
Ene Feb Mar Abl May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
% mes 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 %
Consumos (W) 8016 8016 8016 8016 8016 8016 8016 8016 8016 8016 8016 8016
HORAS SOL PICO
Para el calculo de las hora son pico, se ha utilizado la base de datos NREL-NASA, contemplando la inclinación y
orientación elegidas, así como los datos de localización del lugar.
La declinación solar se ha calculado con la siguiente formula:
Se ha elegido un día de cada més, que viene a coincidir con un día a mediados de mes.
Para el calculo de la elevación solar se han tomado los valores:
Para determinar la inclinación optima se han utilizado las siguientes premisas:
Para la estimación del parametro rad_glo_op, se ha usado la siguiente fórmula:
Para la obtención del factor de irradiancia (FI) se han utilizado las siguientes expresiones:
Finalmente las horas sol pico (HSP) es el resultado de multiplicar la radiación global óptima (Ga(ßopt)) por el factor de
irradiación (FI).
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Ene Feb Mar Abl May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
Días mes 31 28 31 30 31 30 31 31 30 31 30 31
Declinación -21.27º -13.62º -2.02º 9.78º 19.26º 23.39º 21.18º 13.12º 1.81º -10.33º -19.6º -23.4º
Nº día/año 15 45 76 106 137 168 198 229 259 290 321 351
Elevación solar 64.17º 71.82º 83.42º 95.22º 104.7º 108.82º 106.62º 98.56º 87.25º 75.11º 65.83º 62.03º
Inclinación optima 25.83º 18.18º 6.58º 5.22º 14.7º 18.82º 16.62º 8.56º 2.75º 14.89º 24.17º 27.97º
rad_glo_hor 5.18 5.15 5.11 4.78 4.84 5.02 5.17 5.22 5.31 4.91 4.82 4.91
rad_glo_op 5.7 5.41 5.15 4.81 5 5.29 5.39 5.29 5.32 5.08 5.24 5.49
FI 1 1 0.98 0.97 1 1 1 0.98 0.96 1 1 0.99
HSP/dia 5.7 5.41 5.05 4.66 5 5.29 5.39 5.18 5.11 5.08 5.24 5.43
HSP/mes 176.7 151.48 156.55 139.8 155 158.7 167.09 160.58 153.3 157.48 157.2 168.33
Temp dia max 21.92º 22.62º 22.57º 22.14º 21.73º 21.31º 21.38º 22.25º 22.6º 21.74º 21.31º 21.36º
Consu/HSP día 1406.32 1481.71 1587.33 1720.18 1603.21 1515.32 1487.2 1547.5 1568.69 1577.96 1529.78 1476.25
CALCULOS DE MODULOS
Para el calculo del campo fotovoltaico se ha tenido en cuenta la inclinación y orientación elegidas, las HSP, el ratio de
aprovechamiento del regulador de carga y las temperaturas medias mensuales diurnas del lugar elegido. Dando los
siguientes valores:
* El mes más desfavorable según consumos: Abril
* Inclinación optima anual: 6.85º
* Inclinacion optima anual por consumos: 15.36º
* Inclinación elegida:20º
* Azimut módulos : 0º
* Temperatura media mensual máxima diaria (3 meses): 22.15º
* Horas Sol Pico en meses más desfavorables: 4.66 HSP
* Energía Real Diaria desde módulos: 8016.03 Wh/d
* Ratio de aprovechamiento regulador: 1
* Potencia pico módulos calculada: 1739 Wp
La elección del módulo, tiene en cuenta los distintos parametros electricos, que determinan el rendimiento, las unidades
necesarias y su acoplamiento con el regulador y bateria.A continuación se observan los detalles del modulo y los
calculos elegidos.
ASE 0123 POLICRISTALINO
Voltaje a circuito abierto (voc): 45.6 V Voltaje a potencia máxima (vmp): 36.3 V
Corriente de cortocircuito (isc): 8.99 A Corriente a potencia máxima (imp): 8.53 A
Potencia máxima: 310 W Coeficiente de temperatura de Pmax: -0.44 %/ºC
Potencia real a Temperatura media max : 311.254 Wp Nº de módulos serie: 2
Potencia pico módulos total : 2480 Wp Nº de series paralelo: 4
Optimización instalación/necesidades mes mas desfavorable : 1.43 Total modulos : 8
El grado de optimización elección equipo/necesidades reales es de 143 %
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CALCULOS REGULADORES
Para la elección del regulador se tienen en cuenta los valores de tensión del sistema, los parametros de los módulos
fotovoltaicos, lo que nos aporta un determinado grado de optimización. Ver a continuación:
* Tensión sistema: 48 V
* Tensión modulos Circuito abierto: 45.6 V
* Tensión modulos maxima potencia : 36.3 V
* Corriente de cortocircuito modulo: 8.99 A
* Corriente a potencia máxima modulo: 8.53 A
* Nº de módulos serie instalar: 2
* Nº de módulos paralelo instalar: 4
* Total modulos instalar: 8
* Intensidad modulo a tensión sistema (abierto): 8.99 A
* Intensidad modulo a tensión sistema (cerrado) : 8.53 A
* Intensidad total sistema (abierto) : 36 A
La elección del regulador ha sido la siguiente:
AXPERT MKS II 48V 5000W MPP MPPT
Tensión: 48 V Voltaje máximo: 450 V
Potencia nominal: 4500 Wp Consumo propio: 5 mA
Capacidad de carga: 80 A Ratio aprovechamiento : 0.99
El grado de optimización elección equipo/necesidades reales es de 186 % Nº Reguladores : 1
CALCULOS BATERIAS
Para el calculo de la bateria, se ha tenido en cuenta, la energía necesaria, la tensión del sistema, ási como la
profundidad de descarga y la autonomía de dicho sistema en días.
* Tensión nominal de baterías: 48 V
* Profundidad de descarga de baterías: 60 %
* Autonomía del sistema: 3 días
* Energía Real Diaria: 8016 Wh/día
* Capacidad útil baterías calculada: 501 Ah
* Capacidad real baterías calculada: 835 Ah
De lo que se desprende, que, adaptándonos al fabricante, utilizaremos una batería con 4 vasos en serie de 1 series en
paralelo de 230 Ah en C100 , por serie, dando un total de 230 Ah en C100 y 48 V. Con esta acumulación se tendría la
capacidad de almacenamiento de 3 días, con los consumos teóricos.
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AUTOBAT I29 FLAT PLATE
Capacidades de carga en función a sus horas de descarga:
C 10: 172 Ah C 20: 190 Ah C 40: 165 Ah C 100: 230 Ah C 120: 230 Ah
Tensión: 12 V Nº de elementos serie : 4
Capacidad nominal acumulador : 230 Ah Nº de series paralelo : 1
Tensión nominal acumulador : 48 V Total elementos : 4
El grado de optimización elección equipo/necesidades reales es de 28 %
INVERSOR
Para el dimensionado del inversor se han utilizado los siguientes datos:
* Tensión sistema DC: 48 V
* Tensión salida AC: 110 V
* Potencia máxima:1700 W
* Coeficiente Simultaneidad: 0.7
* Potencia mínima necesaria: 1190 W
* Factor de seguridad: 0.8
* Potencia de calculo : 1488 W
La elección del inversor ha sido la siguiente:
SMA SB 1500
Tensión: 48 V Potencia nominal: 1600 W
Potencia continua: 1500 W Potencia pico: 1500 W
Consumo en vacio : 2 W Eficiencia : 97 %
Ratio aprovechamiento : 99 % Nº inversores : 1
El grado de optimización elección equipo/necesidades reales es de 101 %
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RESUMEN
Resumen de los elementos resultantes del calculo
Unidades Elementos
8 Modulo tipo -ASE 0123 POLICRISTALINO
1 Regulador tipo - AXPERT MKS II 48V 5000W MPP MPPT
4 Bateria tipo - AUTOBAT I29 FLAT PLATE
1 Inversor tipo -SMA SB 1500
Con los elementos de consumos seleccionados y los componentes de las instalación calculados, obtenemos la
siguiente comparativa de consumos y producción estimados a lo largo del año
Ene Feb Mar Abl May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
Consumo 248 224 248 240 248 240 248 248 240 248 240 248
Producción 434 372 384 343 380 389 410 394 376 386 386 413
Consumo total al año: 2920 Kw
Producción total al año: 4667 Kw
Total kg/año CO2 evitados: 2530
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85
ANEXO 5: Características Batería Planteada en el cálculo.
86
120
100
80
60
40
20
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
www.ambientesoluciones.com [email protected] Tel 448 03 98
Battery Terminal T5 12V 300Ah
Características Eléctricas y de Descarga
Capacidad25°C (77°F)
CapacidadAfectada porTemperatura(20 Horas)
Capacidad después de 3 MesesCapacidad después de 6 MesesCapacidad después de 12 Meses
Ciclo
Flot.
Voltaje 14.40-14.80 V Tiempo 14-16 h
Voltaje 13.50 - 13.80 V
91%82%64%
Auto Descargaa 25°C (77°F)
Carga(VoltajeConstante)
Resistencia Interna
Terminal T5
Totalmente Cargada a 25°C - 77°F
20 Hour Rate (15.8A)10 Hour Rate (30.0A)5 Hour Rate (53.2A)1 Hour Rate (179A)
2.5mΩ
40°C (104°F)25°C (77°F)0°C (32°F)-15°C (5°F)
102%100%
85%65%
100% D.O.D 50% D.O.D 30% D.O.D
Alto TotalAltoLargo
AnchoPeso Aprox
242mm220mm521mm
269mm73Kg
87
ANEXO 6: Planos Prototipo cargador solar fotovoltaico
88
Power Bank
9.5cm
2.4cm
2.1cm
2.4cm
8.0cm
13.5cm
1.5cm
89
Regulador
Inversor -
Convertidor
AC/DC
Salida a la red
Banco de Baterias
Modulos Solares
48 v
12 v
12 v12 v
12 v
90
