anÁlisis tÉcnico y econÓmico del potencial de …
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ANÁLISIS TÉCNICO Y ECONÓMICO DEL POTENCIAL DE GENERACIÓN ELÉCTRICA A TRAVÉS DE DISPOSITIVOS PIEZOELÉCTRICOS.
RODRIGO SOTELO DELGADILLO EDWIN DUVAN NIETO CAÑÓN
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR DE TECNOLOGÍA EN ELECTRICIDAD E INGENIERÍA ELÉCTRICA POR CICLOS PROPEDEUTICOS
BOGOTÁ D.C. 2018
ANÁLISIS TÉCNICO Y ECONÓMICO DEL POTENCIAL DE GENERACIÓN ELÉCTRICA A TRAVÉS DE DISPOSITIVOS PIEZOELÉCTRICOS.
RODRIGO SOTELO DELGADILLO EDWIN DUVAN NIETO CAÑÓN
MONOGRAFÍA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO ELÉCTRICO
Director: ING. LUIS ANTONIO NOGUERA VEGA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR DE TECNOLOGÍA EN ELECTRICIDAD E INGENIERÍA ELÉCTRICA POR CICLOS PROPÉDEUTICOS
BOGOTÁ D.C. 2018
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NOTA DE ACEPTACIÓN.
El trabajo de grado titulado: Análisis Técnico y Económico del Potencial de Generación Eléctrica a través de dispositivos Piezoeléctricos, ha sido aprobado por cumplir los requerimientos exigidos por la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.
ING. LUIS ANTONIO NOGUERA VEGA Director
ING. CLARA INÉS BURITICÁ ARBOLEDA Jurado
Bogotá D.C., octubre de 2018
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AGRADECIMIENTO.
Lo imposible solo tarda,
un poco más (Botto, 2013). Fue un largo y difícil camino,
de sacrificio y de mucho esfuerzo, agradezco a Dios por su misericordia,
a mis padres por la orientación, a mis hermanos por el apoyo,
a mi esposa e hijos por su comprensión, a los profesores por la enseñanza,
a los colegas por la compañía, y al alma mater UDFJC por la oportunidad,
pues con ello, he podido alcanzar mi título de Ingeniería Eléctrica.
DEDICATORIA.
Dedico este logro, a mi amada esposa Aura Elena, quien estuvo ahí siempre; apoyándome y animándome, a mis adorados hijos: Andrea Carolina y Adrián Felipe,
para que vean en mí, un ejemplo a seguir, y se concienticen que el estudiar,
es el camino hacia el éxito.
Rodrigo Sotelo Delgadillo
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AGRADECIMIENTO.
Este proyecto es el resultado del esfuerzo, el trabajo y la sinergia de muchas personas
quienes buscando un objetivo común logramos concebir y desarrollar el presente trabajo. Por esto agradezco en primer lugar a nuestro director, Ing. Luis Antonio Noguera Vega, a
mi compañero Rodrigo Sotelo Delgadillo, quien a lo largo de este trabajo ha puesto su mejor esfuerzo en la consecución del mismo, a mis padres quienes han creído en mí, a mi hermana con quien siempre he contado, y a todas las personas que me han apoyado en
cada momento de mi vida, a mis profesores que durante todo el proceso de formación han puesto enseñanzas para mi desarrollo personal y profesional y a la Universidad Distrital
Francisco José de Caldas que abre sus puertas para que podamos construir día a día una mejor sociedad.
DEDICATORIA.
Dedico este trabajo a Dios quien ha puesto en mi vida cada una de las circunstancias para lograr este objetivo, circunstancias que me han enseñado el para qué de las
situaciones que han construido de mi lo que soy, a mis padres, quienes han sido los pilares fundamentales en mi vida y quienes con amor y esmero se convierten cada día en
un ejemplo a seguir y me motivan siempre a dar un paso más, a mi hermana a quien admiro por ser un ejemplo de fortaleza y tenacidad quien siempre está presente para
aportar una palabra de apoyo. Por último, a todos mis amigos y familiares que aportaron aprendizajes en mi vida sin los cuales no se hubiera alcanzado este gran objetivo.
Edwin Duvan Nieto Cañón
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CONTENIDO. LISTA DE TABLAS. ............................................................................................................................. 9
LISTA DE FIGURAS. ........................................................................................................................ 10
LISTA DE ANEXOS. ......................................................................................................................... 11
RESUMEN. ........................................................................................................................................ 12
ABSTRACT. ...................................................................................................................................... 13
INTRODUCCIÓN............................................................................................................................... 14
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. ...................................................................................... 15
1.1 DESCRIPCIÓN. ................................................................................................................. 15
1.2 FORMULACIÓN. ............................................................................................................... 16
1.3 JUSTIFICACIÓN. .............................................................................................................. 16
2 OBJETIVOS .............................................................................................................................. 18
2.1 OBJETIVO GENERAL ...................................................................................................... 18
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................. 18
3 MARCO TEÓRICO. ................................................................................................................... 19
3.1 CONSUMO ENERGÉTICO. .............................................................................................. 19
3.1.1 Escenario Energético Mundial. .................................................................................. 19
3.1.2 Escenario Energético Colombiano. ........................................................................... 19
3.1.3 Generación de energía limpia. .................................................................................. 20
3.2 EFECTO PIEZOELÉCTRICO. .......................................................................................... 20
3.2.1 Efecto Piezoeléctrico Directo. ................................................................................... 21
3.2.2 Efecto Piezoeléctrico Inverso. ................................................................................... 21
3.3 MATERIALES PIEZOELÉCTRICOS. ................................................................................ 21
3.3.1 Piezoeléctricos artificiales. ........................................................................................ 22
3.4 RESEÑA HISTÓRICA DEL EFECTO PIEZOELÉCTRICO. .............................................. 23
3.5 FORMULACIÓN MATEMÁTICA DEL EFECTO PIEZOELÉCTRICO. .............................. 24
3.6 TRANSDUCCIÓN PIEZOELÉCTRICA. ............................................................................ 24
3.7 OBTENCIÓN DE ENERGÍA DEL CUERPO HUMANO. ................................................... 25
3.7.1 Energía humana. ....................................................................................................... 25
3.7.2 El cuerpo humano como fuente de energía. ............................................................. 25
3.7.3 La actividad física del caminar. ................................................................................. 26
3.7.4 Modelo del caminar (marcha humana)...................................................................... 27
3.7.5 Características generales de la marcha. ................................................................... 27
3.8 APLICACIONES RECIENTES DE GENERACIÓN DE ENERGÍA POR MEDIO DEL
EFECTO PIEZOELÉCTRICO Y MARCHA HUMANA. .................................................................. 28
7
3.9 SISTEMA PIEZOELÉCTRICO. ......................................................................................... 30
3.9.1 Dispositivos piezoeléctricos. ..................................................................................... 30
3.9.2 Regulador de tensión. ............................................................................................... 31
3.9.3 Batería o acumulador de energía generada. ............................................................ 31
3.9.4 Inversor o conversor CC/CA ..................................................................................... 32
4 METODOLOGÍA: ALCANCE Y DELIMITACIONES. ................................................................. 33
5 CARACTERIZACIÓN DEL TRÁNSITO PEATONAL. ............................................................... 37
5.1 TÉCNICAS DE MEDICIÓN DEL TRÁNSITO PEATONAL. ............................................... 37
5.2 MEDICIÓN TRÁNSITO PEATONAL DE LA FACULTAD TECNOLÓGICA. ..................... 37
5.2.1 Planeación de la medición. ....................................................................................... 37
5.2.2 Conteo del tránsito peatonal. .................................................................................... 38
5.2.3 Análisis del tránsito peatonal. .................................................................................... 40
5.2.4 Modelo estadístico de flujo peatonal. ........................................................................ 42
6 ILUMINACIÓN PERIMETRAL, FACULTAD TECNOLÓGICA. ................................................. 43
6.1 LEVANTAMIENTO DE CARGAS DE ILUMINACIÓN PERIMETRAL. .............................. 43
6.2 DEMANDA DE ENERGÍA DE LA ILUMINACIÓN PERIMETRAL. .................................... 43
6.3 COSTO POR ILUMINACIÓN PERIMETRAL. ................................................................... 44
6.4 ALTERNATIVA DE ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO. .................................................... 44
6.4.1 Consideraciones de diseño. ...................................................................................... 44
6.4.2 Consideraciones para zonas de tráfico peatonal. ..................................................... 44
6.4.3 Selección de luminarias............................................................................................. 45
6.5 PROPUESTA ILUMINACIÓN PEATONALES PERIMETRAL FACULTAD. ..................... 45
6.5.1 Cálculo por el método del Coeficiente de Utilización. ............................................... 45
6.5.2 Cálculo de distancia de separación (S). .................................................................... 48
6.5.3 Cálculo luminotécnico, utilizando el software DIALux. .............................................. 48
6.5.4 Distribución de luminarias del alumbrado perimetral con LED ................................. 51
6.6 COSTO IMPLEMENTACIÓN DEL ALUMBRADO PERIMETRAL CON LED. .................. 53
7 GENERACIÓN DE ENERGÍA UTILIZANDO DISPOSITIVO PIEZOELÉCTRICO. ................... 54
7.1 DISPOSITIVO PIEZOELÉCTRICO DISPONIBLES EN MERCADO. ............................... 54
7.1.1 Dispositivos POWERFLOOR. ................................................................................... 54
7.1.2 Dispositivos PAVEGEN. ............................................................................................ 55
7.1.3 Dispositivos INNOWATTECH. .................................................................................. 56
7.1.4 Dispositivos ENERGY FLOORS. .............................................................................. 57
7.1.5 Dispositivos SOUNDPOWER. ................................................................................... 57
8
7.1.6 Dispositivos Waynergy. ............................................................................................. 58
7.1.7 Especificaciones y Características Técnicas de los Dispositivos Piezoeléctricos. ... 59
7.2 GENERACIÓN DE ENERGÍA DEL SISTEMA PIEZOELÉCTRICO. ................................ 61
7.2.1 Disposición física de las Sistema de Generación Piezoeléctrica. ............................. 61
7.2.2 Energía generada por la Plataforma Piezoeléctrica. ................................................. 62
7.2.3 Energía Piezoeléctrica generada respecto a la demanda de la iluminación perimetral
LED. 63
7.3 INTEGRACIÓN DEL SISTEMA DE GENERACIÓN PIEZOELÉCTRICA. ........................ 64
7.3.1 Costos de Importación y Nacionalización. ................................................................ 64
7.3.2 Costos elementos complementarios. ........................................................................ 65
7.3.3 Costos de Mano de Obra. ......................................................................................... 66
7.3.4 Costo de labores de mantenimiento. ......................................................................... 66
7.3.5 Costos Integración del Sistema de Generación Piezoeléctrica. ............................... 67
7.4 FACTIBILIDAD ECONÓMICA DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE
GENERACIÓN PIEZOELÉCTRICA. ............................................................................................. 69
7.4.1 Valor Presente Neto (VPN). ...................................................................................... 69
7.4.2 Tasa Interna de Retorno (TIR). ................................................................................. 70
7.4.3 Relación Beneficio Costo (B/C). ................................................................................ 70
7.4.4 Periodo de Recuperación (PR). ................................................................................ 70
7.4.5 Indicadores Económicos. .......................................................................................... 71
7.4.6 Flujo de Caja. ............................................................................................................ 71
7.4.7 Análisis Financiero. ................................................................................................... 74
8 FACTIBILIDAD Y ANÁLISIS DEL ENTORNO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA
DE GENERACIÓN PIEZOELÉCTRICA. ........................................................................................... 76
8.1 PERSPECTIVAS: TÉCNICA, AMBIENTAL Y FINANCIERA. ........................................... 77
8.2 ANÁLISIS ENTORNO ESTRATÉGICO. ........................................................................... 80
8.3 DEBILIDADES, OPORTUNIDADES, FORTALEZAS Y AMENAZAS ............................... 81
9 GUÍA METODOLÓGICA PARA ANÁLISIS TÉCNICO Y ECONÓMICO EL POTENCIAL DE
GENERACIÓN ELÉCTRICA A TRAVÉS DE DISPOSITIVOS PIEZOELÉCTRICOS. ..................... 82
10 CONCLUSIONES. ................................................................................................................. 89
11 BIBLIOGRAFÍA. ..................................................................................................................... 92
12 ANEXOS. ............................................................................................................................... 99
9
LISTA DE TABLAS.
Tabla 1. Investigaciones de dispositivos piezoeléctricos en Colombia. ................................ 29
Tabla 2. Alcance y Limitaciones del Proyecto. .......................................................................... 34
Tabla 3. Tránsito de estudiante, docentes y visitantes en potería salida peatonal. ............ 40
Tabla 4. Estadístico de Flujo Peatonal. ...................................................................................... 42
Tabla 5. Inventario de iluminación perimetral. ........................................................................... 43
Tabla 6. Demanda de energía iluminación perimetral Actual. ................................................. 43
Tabla 7. Costo de energía por iluminación perimetral Actual. ................................................. 44
Tabla 8. Proyección de luminarias LED necesarias. ................................................................ 52
Tabla 9. Demanda de energía iluminación perimetral LED. .................................................... 52
Tabla 10. Costo de energía por iluminación perimetral LED. .................................................. 52
Tabla 11. Costo de implementación del alumbrado perimetral con LED. ............................. 53
Tabla 12. Especificaciones técnicas y costos de los dispositivos piezoeléctricos. .............. 60
Tabla 13. Totales de energía generada por la Plataforma Piezoeléctrica. ........................... 63
Tabla 14. Costos Integración del Sistema de Generación Piezoeléctrica............................. 68
Tabla 15. Parámetros económicos de proyección. ................................................................... 71
Tabla 16. Comportamiento financiero con baldosas Pavegen, incluyendo los costos de
adecuación de infraestructura de iluminación perimetral actual por LED. ............................ 74
Tabla 17. Comportamiento financiero con baldosas Pavegen, sin los costos de
adecuación de infraestructura de iluminación perimetral actual por LED. ............................ 75
10
LISTA DE FIGURAS.
Figura 1. Consumo Energético en el Mundo. ............................................................................ 19
Figura 2. Consumo Energético en Colombia. ............................................................................ 19
Figura 3. Efecto Piezoeléctrico Directo e Inverso. .................................................................... 20
Figura 4. Principio de funcionamiento del Efecto Piezoeléctrico. ........................................... 21
Figura 5. Polarización neta un material cerámico (piezoeléctrico artificial). ......................... 22
Figura 6. Recuperación de la energía que consume el cuerpo humano. .............................. 26
Figura 7. Modelo de caminar como péndulo invertido.............................................................. 27
Figura 8. Esquema estructural del Sistema de Generación Piezoeléctrica. ......................... 30
Figura 9. Proceso de transformación de energía, efecto piezoeléctrico. .............................. 31
Figura 10. Porterías peatonales Facultad Tecnológica. ........................................................... 38
Figura 11. Portería salida peatonal, Facultad Tecnológica. .................................................... 39
Figura 12. Tránsito peatonal en potería salida. ......................................................................... 41
Figura 13. Totales Tránsito peatonal día, respecto Media Flujo Peatonal día. .................... 41
Figura 14. Lámparas seleccionas para proyección de iluminación perimetral. .................... 45
Figura 15. Factores de coeficiente de utilización, luminarias tipo exterior. ........................... 46
Figura 16. Curvas de coeficiente de utilización definido. ......................................................... 47
Figura 17. Iluminancia real según el cálculo luminaria CITEA LED MINI. ............................ 49
Figura 18. Iluminancia real según el cálculo luminaria FRIZA LED. ...................................... 51
Figura 19. Baldosa Powerfloor - POWERLeap.......................................................................... 54
Figura 20. Baldosas Pavegen. ..................................................................................................... 55
Figura 21. Generadores piezoeléctricos Innowattech. ............................................................. 56
Figura 22. Suelos Sustainable Energy Floor (SEF). ................................................................. 57
Figura 23. Estera de energía piezoeléctrica Soundpower. ...................................................... 58
Figura 24. Suelos de pavimento Waynergy People. ................................................................. 58
Figura 25. Zonas de posible ubicación de la plataforma piezoeléctrica ................................ 61
Figura 26. Energía generada en la plataforma piezoeléctrica al día, respecto a la demanda
LED. .................................................................................................................................................. 64
Figura 27. Costo Total inversión inicial, generación de energía piezoeléctrica. .................. 67
Figura 28. Costo de energía por demandada de iluminación actual, respecto a la
demandada de iluminación LED propuesta. .............................................................................. 72
Figura 29. Valor Presente Positivo alternativas evaluadas. .................................................... 73
Figura 30. Flujo de Caja alternativa Pavegen. ........................................................................... 73
Figura 31. Periodo de recuperación alternativa Pavegen. ....................................................... 74
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LISTA DE ANEXOS.
Anexo 1. Inventario de alumbrado perimetral, Facultad Tecnológica. ................................... 99
Anexo 2. Determinación de coeficiente de utilización. ........................................................... 100
Anexo 3. Solicitud de grabaciones de cámaras de Facultad Tecnológica. ......................... 101
Anexo 4. Energía que se proyecta generar con la Plataforma Piezoeléctrica. .................. 102
Anexo 5. Costos de energía demanda de Iluminación LED, comparada costo de energía
demandada en Iluminación actual. ............................................................................................ 103
Anexo 6. Flujo de Caja, Alternativa con baldosas Pavegen. ................................................. 104
Anexo 7. Flujo de Caja, Alternativa con baldosas Sustainable Energy Floor SEF. ........... 105
Anexo 8. Flujo de Caja, Alternativa con baldosas Waynergy People. ................................. 106
Anexo 9. Flujo de Caja, Alternativa con baldosas Pavegen, sin los costos de adecuación
de infraestructura de iluminación perimetral actual por LED ................................................. 107
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RESUMEN.
La alta demanda energética en el mundo actual, ha generado que múltiples investigaciones se orienten en buscar cómo producir energía eléctrica a partir de la interrelación humana con su entorno, es por esto, que en la presente Monografía se presentan los resultados del análisis técnico y económico del potencial de generación eléctrica a través de dispositivos piezoeléctricos, que dependan del tránsito peatonal de estudiantes, docentes y visitantes que a diario caminan por las porterías de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica, y que logre suplir la demanda energética del alumbrado perimetral de misma Facultad Tecnológica. Previamente al análisis se encara el escenario energético mundial y colombiano respecto a la generación de energía limpia, se conceptualiza, formula y reseñan las diferentes aplicaciones de la piezoelectricidad, se precisa del ser humano como fuente de generación de energía en las actividades que realiza y específicamente la del caminar. El análisis inicia, con la caracterización del tránsito peatonal de estudiantes, docentes y visitantes de la Facultad Tecnológica, que ingresan y salen de la Universidad, realizando la comparación y evaluación del potencial de generación de electricidad de los dispositivos piezoeléctricos disponibles en el mercado respecto al flujo peatonal de la Facultad, definiéndose técnicamente la forma en que se conectaran las baldosas piezoeléctricas, especificando el tamaño de la plataforma piezoeléctrica, y precisando que redes y equipos eléctricos se requieren para montar e integrar el sistema de generación piezoeléctrica. Se continua, con la proyección económica de la alternativa piezoeléctrica favorable, aplicando criterios financieros como el valor presente neto, la tasa interna de retorno, el periodo de recuperación de la inversión y la relación del beneficio costo, para alimentar eléctricamente el alumbrado perimetral en rutas de circulaciones entre edificios de la Facultad Tecnológica, estableciéndose que conveniente en términos financieros es invertir en la generación de energía a través de los dispositivos piezoeléctricos para tal fin. Finalmente, la investigación y los resultados obtenidos del análisis técnico y económico del potencial de generación eléctrica utilizando los dispositivos piezoeléctricos en los ingresos y salidas peatonales, como fuente de alimentación del alumbrado, se consolidan en la presente Monografía como guía metodológica para quien la consulte, pueda aplicarla en una universidad, empresa, fábrica e institución que disponga de un tránsito de peatones constante, y de esta forma implemente una opción viable de generación de electricidad limpia, utilizando el principio de piezoelectricidad.
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ABSTRACT.
The high energy demand in today's world has led multiple research to seek how to produce electricity from the human interrelation with its environment, that is why in this monograph presents the results of the Technical and economic analysis of the potential of electrical generation through piezoelectric devices, which depend on the pedestrian traffic of students, teachers and visitors who daily walk through the goals of the District University Francisco José de Caldas, Technological Faculty, and that manage to supply the energy demand of the perimeter lighting of the same Technological Faculty. Prior to the analysis, the world and Colombian energy scenario is faced with respect to the generation of clean energy, they focus, formulate and review the different applications of the piezoelectricity, it is necessary of the human being as source of energy generator in Each of the activities you do and specifically the walking. The analysis begins, with the characterization of pedestrian traffic of students, teachers and visitors of the Technological Faculty who enter and leave the University, making the comparison and evaluation of the potential of electricity generation of the piezoelectric devices available in the market regarding the pedestrian flow of the Faculty, technically defining the way the piezoelectric tiles are connected, specifying the size of the piezoelectric platform, and specifying that electrical networks and equipment are required to assemble and integrate the piezoelectric generation system. It continues, with the economic projection of the favorable piezoelectric alternative, applying financial criteria like the present net value, the internal rate of return, the period of recovery of the investment and the relation of the cost benefit, to feed electrically the perimeter lighting in routes of circulation between buildings of the Technological Faculty, establishing that desirable in financial terms is to invest in the generation of energy through the piezoelectric devices. Finally, the research and the results of the technical and economic analysis of the potential of electricity generation using the piezoelectric devices in the arrivals and departures pedestrian, as the source of power for lighting, are consolidated in this paper as a methodological guide for whom the see, can apply it in a university, company, factory and institution that has a constant pedestrian transit, and thus implements a clean electricity generation alternative, using the principle of piezoelectricity.
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INTRODUCCIÓN
La naturaleza del hombre lo ha llevado a forjar variables como el crecimiento y el desarrollo de los países, sin embargo, asociado a esto, se han generado daños ambientales que hoy en día son irreparables, creando un síntoma de preocupación en la población global, ya que se evidencia que el ambiente siempre ha estado ligado a la evolución de la humanidad, por ello se han canalizado esfuerzos en la creación de nuevas tecnologías que reduzcan el deterioro ambiental. Realidades como el crecimiento poblacional, conllevarán a que la demanda energética crezca, haciendo indispensable planear la producción de energía eléctrica con enfoque ambiental, usando avances tecnológicos en beneficio de la calidad de vida de la población. Desarrollos como el presente análisis técnico y económico del potencial de generación eléctrica a través de dispositivos piezoeléctricos, son una contribución investigativa que establece los lineamientos para la implementación de la tecnología piezoeléctrica en la generación de energía eléctrica en zonas de alto tráfico peatonal. Dentro de ésta investigación, se aprovecha que, en la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Calda, se tenga diariamente una circulación constante de personas entre estudiantes, docentes y visitantes de los cuales la mayoría ingresan y salen a pie por las diferentes porterías de acceso y egreso, para generar electricidad a través de dispositivos piezoeléctricos, dispositivos que por su estructura de construcción al sentir un esfuerzo de compresión o, de tensión mecánica, un campo eléctrico se genera a través de él, creando una diferencia de potencial eléctrico, aprovechable como fuente de energía. El alcance de la investigación contempla en un primer desarrollo la definición de la caracterización del tránsito peatonal de ingresos y/o egresos de la comunidad estudiantil, docente y visitante que transita por la portería de salida peatonal de la Facultad con la ayuda de los videos de las grabaciones de las cámaras de seguridad, contando cada peatón que ingresa o sale a medida que el video transcurre, un segundo desarrollo la proyección de la alternativa de generación eléctrica utilizando un dispositivo piezoeléctrico que permita cubrir la demanda energética del alumbrado perimetral en rutas de circulación entre edificios de la Facultad. Un tercer desarrollo el planteamiento mecánico y eléctrico de las alternativas de generación eléctrica con los dispositivos piezoeléctricos recolectores, para así finalmente en un último desarrollo establecer una guía metodológica con el documento escrito en donde se especifiquen y detallen las actividades realizadas en la investigación, se consoliden los resultados hallados y los estudios obtenidos de análisis técnico y económico del potencial de generación eléctrica a través de dispositivos piezoeléctricos, como fuente de alimentación de alumbrado perimetral de la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Calda, que pueda ser aplicable en todas las sedes de la Universidad o en diferentes empresas, fábricas e instituciones que por disponer de un tránsito de peatones constante pueda implementar esta alternativa de generación de electricidad utilizando el principio de piezoelectricidad.
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1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
1.1 DESCRIPCIÓN.
Actualmente se tienen múltiples problemas con la utilización de las fuentes de energía no renovables, principalmente las utilizadas para generar energía eléctrica. En la civilización de hoy, el ser humano requiere de energía para poder subsistir, transformar su entorno y satisfacer sus necesidades, donde casi todos los tipos de energía que se conocen provienen directa o indirectamente del sol, por ejemplo, el viento (potencia eólica) es causado por la energía cinética de la radiación solar la cual produce una diferencia de presión entre las diferentes temperaturas de masas de aire; los combustibles fósiles o hidrocarburos provienen de la energía transmitida por el sol y el proceso de descomposición en la ausencia de oxígeno de especies animales y vegetales, que poblaron la tierra hace millones de años. En general, se pueden abordar dos grandes grupos de fuentes energéticas; la energía convencional o no renovable proveniente de fuentes que se agotan, como puede ser el uranio, gas de yacimientos, carbón y petróleo y que una vez agotadas no se pueden regenerar o tardan demasiado tiempo en hacerlo, las energías renovables o que no se agotan, como puede ser la energía del sol, la energía eólica, la energía producida por la atracción gravitatoria de la luna (energía mareomotriz), la energía de la tierra (energía geotérmica), etc. (Centro Argentino de Energías Alternativas, 2017). Referenciando algo de historia, después de la revolución industrial, los seres humanos se volcaron en gran medida hacia el uso de los combustibles fósiles (gas natural, carbón y petróleo), los cuales se empezaron a utilizar en alta cantidad debido a su gran eficiencia en lo que a transformación de energía se refiere, sin embargo, muchos de estos combustibles presentan graves problemas ambientales, ya que emiten gases tóxicos o contaminantes a la atmósfera perjudicando la vida terrestre (Colmenar A. & Castro M., 2017), adicionalmente, a medida que los combustibles fósiles empiecen a escasear, en el futuro estos subirán de precio de acuerdo a los condicionamientos de la oferta y la demanda. Muchos países han intentado disminuir la dependencia, a los combustibles fósiles por medio de investigaciones en fuentes de energía verdes o renovables, que disminuyan la gran contaminación que existe hoy en día (Colmenar A. & Castro M., 2017), dado que el suministro de energía eléctrica es una parte vital en el funcionamiento de cualquier entidad u organización, además de ser un derecho que los estados han establecido para todo tipo de usuario, que lo requiera y lo solicite, pero adicional a ser un derecho, es un servicio que conlleva costos notorios y los cuales siempre se espera reducir y optimizar. Es el caso de la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, donde se tiene una población estudiantil, que demanda cierta cantidades de energía eléctrica, se hace necesario realizar cambios que a su vez estén de la mano con la sostenibilidad del planeta, es por esto que en el presente trabajo de grado, se realiza el análisis técnico y económico del potencial de generación eléctrica a través de dispositivos piezoeléctricos, instalados en los accesos y egresos peatonales, por donde continuamente transita la comunidad estudiantil, docente y visitante de la Universidad, como fuente de alimentación del alumbrado perimetral de la Facultad Tecnológica, de tal forma que se
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implemente una alternativa de generación de electricidad limpia, utilizando el principio de piezoelectricidad
1.2 FORMULACIÓN.
Es conocida la dependencia que experimentan las economías desarrolladas o en vías de desarrollo de las materias primas no renovables y contaminantes o energías fósiles, lo cual ha sido objeto de múltiples debates que llevan a discusiones y análisis que por un lado buscan frenar el deterioro ambiental y por otro buscan alternativas a dicha dependencia, que permita la sustitución parcial y progresiva de las energías fósiles por medio del aprovechamiento de energías alternativas, y así lograr tener un desarrollo sostenible (Colmenar A. & Castro M., 2017). Ante esta situación, la búsqueda de fuentes de energía alternativas que puedan suplir a las utilizadas mayoritariamente y sobre todo que sean seguras, han llevado a investigaciones de materiales y específicamente con los que se aprovecha el caminar o movimiento de los seres humanos, para generar electricidad, (Galvis L., 2017). Esta propiedad de ciertos materiales de transformar una forma de energía en otra; por ejemplo, un mecanismo de vibración se puede convertir en energía eléctrica, caso concreto cuando un material piezoeléctrico se somete a un esfuerzo de compresión o, de tensión mecánica, un campo eléctrico se genera a través del material creando una diferencia de potencial eléctrico y un flujo de corriente, el cual puede ser aprovechado como fuente de energía. Así entonces, el proceso de transformación de energía en el efecto piezoeléctrico consiste en aprovechar las vibraciones del entorno y las características eléctricas de ciertos materiales presentes en la naturaleza que poseen la capacidad de generar energía eléctrica cuando se ven sujetos a un esfuerzo mecánico, considerándose que durante el proceso de transformación de energía mecánica que proviene del entorno y que excita el dispositivo parte se convierte en energía eléctrica y como en cualquier fenómeno físico parte en pérdidas. Es por esto, que en la presente investigación aprovechando el fenómeno de piezoelectricidad y la exploración y disposición de arreglos piezoeléctricos en el mercado, se realiza el analice técnico y económico del potencial de generación eléctrica a través de dispositivos piezoeléctricos, instalados en los accesos peatonales de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica, como fuentes de generadores de energía eléctrica, que permita suplir la demanda energética de alumbrado perimetral de la Facultad, aprovechando el número de estudiantes, docentes y visitantes que circulan diariamente a pie por las diferentes porterías.
1.3 JUSTIFICACIÓN.
Hoy en día, la mayor parte de la producción energética a escala global depende de fuentes no renovables de energía, que en su estado actual no ofrecen garantías suficientes de seguridad por la generación de residuos, que suponen un elevado grado de contaminación y sobre todo, un fuerte potencial de deterioro ambiental para las generaciones futuras, lo cual va ligado a la incapacidad de sostener los requerimientos de la creciente población y su elevado consumo energético necesario para satisfacer sus exigencias básicas, (Colmenar A. & Castro M., 2017).
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Es por esto, que en la necesidad de adoptar medidas para disminuir la contaminación y el deterioro ambiental, se está explorando alternativas no contaminantes para generar electricidad y ayudar directamente a la reducción del efecto invernadero que sufre el planeta, y la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas no debe ser ajena a este acogimiento, por tanto; la presente investigación aprovechando que la Facultad es visitada diariamente por una cantidad de personas entre estudiantes, docentes y visitantes de los cuales la mayoría ingresan y salen a pie por las diferentes porterías de acceso y egreso, se ha pensado en aprovechar este recurso para obtener energía eléctrica limpia que permita suplir la demanda eléctrica de alumbrado perimetral, existente en rutas de circulaciones de la Facultad. Para lograrlo se realizó el levantamiento de las condiciones del alumbrado perimetral existente en la Facultad y la investigación de los dispositivos disponibles en el mercado que utilizan el principio de piezoelectricidad y que podrían por medio del paso de personas sobre ellos generar energía según la fuerza que se les aplique, así la Facultad estaría contribuyendo en la conservación del planeta, a la optimización del uso de energía eléctrica, a la reducción el costos de consumo energéticos, sino que se obtendría energía eléctrica del tránsito cotidiano de los peatones que habitualmente ingresan o salen de la Facultad Tecnológica, aprovechando este recurso durante el periodo de clases. Con esta investigación se plante una alternativa viable de generación eléctrica utilizando dispositivos piezoeléctricos para alimentar en este caso en específico, el alumbrado perimetral de la Facultad Tecnológica, que dependa de la circulación peatonal de estudiantes, docentes y visitantes que transitan diariamente por las porterías de accesos y egresos, planteando un prototipo que sea aplicable en todas las sedes de la Universidad Distrital o en diferentes empresas, fábricas e instituciones, que disponga de un tránsito de peatones constante para la transformación de energía aplicando el concepto de piezoelectricidad, como una opción real en la generación de energía eléctrica limpia, aplicables en sistemas eléctricos que requieran alimentación de baja tensión.
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2 OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL
Analizar técnica y económicamente el potencial de generación eléctrica a través de dispositivos piezoeléctricos, para los accesos peatonales de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica, que permita suplir la demanda energética de alumbrado perimetral de la Facultad, aprovechando el número de estudiantes, docentes y visitantes que circulan diariamente a pie por las diferentes porterías.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1. Definir mediante métodos estadísticos el tránsito peatonal de estudiantes, docentes y visitantes que circulan diariamente por los diferentes ingresos y egresos de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica.
2. Establecer una alternativa viable de generación eléctrica utilizando dispositivos
piezoeléctricos que permita cubrir la demanda energética de alumbrado perimetral de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica.
3. Proyectar el montaje mecánico y eléctrico óptimo de los dispositivos piezoeléctricos,
respecto a la entrada y salida de peatones en porterías de la Facultad Tecnológica, obteniendo el mayor rendimiento de esta tecnología en la generación de electricidad.
4. Elaborar una guía metodológica, aplicable en todas las sedes de la Universidad Distrital
o en diferentes empresas, fábricas e instituciones, para la generación de electricidad con base en el principio de piezoelectricidad.
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3 MARCO TEÓRICO.
3.1 CONSUMO ENERGÉTICO.
3.1.1 Escenario Energético Mundial.
Aproximadamente el 90% de la energía consumida a nivel mundial proviene de fuentes fósiles, mientras que el 10% restante de fuentes renovables, ver Figura 1., donde la dependencia del petróleo, el carbón, y el gas natural como recursos fósiles disponibles en cantidades que pueden ser consideradas relativamente abundantes pero finitas, junto a las coyunturas económicas y geopolíticas asociadas con su distribución geográfica y su dominio, han generado en muchos países la necesidad de iniciar una transición hacia un mayor uso de recursos energéticos de carácter renovable, que a su vez contribuyan a la reducción de emisiones de efecto invernadero y a la mitigación del cambio climático que viene experimentando el planeta
Figura 1. Consumo Energético en el Mundo.
Fuente.(BP España, 2017)
3.1.2 Escenario Energético Colombiano.
El Sector Eléctrico Colombiano en general goza de una matriz energética relativamente rica, tanto en combustibles fósiles como en recursos renovables, actualmente; el consumo energético del país proviene en un 73% de recursos primarios de origen fósil, un 25,8% de hidroeléctricas y un 1,2% de biomasa y residuos, tal como se muestra Figura 2.
Figura 2. Consumo Energético en Colombia.
Fuente. (BP Statistical, 2017)
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3.1.3 Generación de energía limpia.
En los últimos años han surgido ideas nuevas, que potencializan el ahorro de energía y su implementación viable desde el punto de vista técnico, ambiental, social y económico, haciendo que se busquen soluciones de generación de energía eléctrica y específicamente limpia, que reduzcan las emisiones de carbono y el aumento de la temperatura media global (Colmenar A. & Castro M., 2017), por ejemplos; la energía solar, eólica, biomasa, geotérmica, mareomotriz y muchas otras alternativas de energía confiables y limpias que no atentan en contra de nuestro bienestar y del planeta. Pero la búsqueda no tiene límites, afortunadamente la naturaleza nos ofrece una gran variedad de opciones que no podemos dejar pasar, como es el Efecto Piezoeléctrico y específicamente con el que se aprovecha el movimiento de los seres humanos al caminar para generar electricidad. En nuestro caso de estudio aprovechar el tránsito de la comunidad universitaria de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica por los accesos y egresos peatonales, de tal forma que se convierta en la fuente de alimentación eléctrica del alumbrado perimetral entre edificios.
3.2 EFECTO PIEZOELÉCTRICO.
El Efecto Piezoeléctrico, es el fenómeno físico que se presenta en algunos cristales al someterlos a una fuerza, polarizando eléctricamente su masa, apareciendo una diferencia de potencial eléctrico (tensión) y una carga eléctrica en sus superficies, igualmente se conoce como Piezoelectricidad, palabra que proviene del griego piezein, que significa “estrujar o apretar” (Sodano H, 2005). Se manifiesta en un elemento piezoeléctrico como; efecto piezoeléctrico directo y efecto piezoeléctrico inverso, Figura 3.
Figura 3. Efecto Piezoeléctrico Directo e Inverso.
Fuente: (Minazara E., 2008) En esencia, la piezoelectricidad es una relación entre la mecánica del material y su comportamiento eléctrico; el potencial del material de convertir la energía mecánica en energía eléctrica y viceversa. Aplicando una fuerza a un material piezoeléctrico, se produce un momentáneo reagrupamiento de las moléculas, causando una tensión temporal entre ciertos lados del material.
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En la Figura 4, se muestra el efecto piezoeléctrico en una estructura molecular simple. En la parte (a); se observa una molécula donde los centros de carga positiva y negativa, coinciden generando una molécula eléctricamente neutra. En la parte (b); la presencia de una fuerza mecánica externa, provoca polos opuestos enfrentados al interior del material. Cargas fijas aparecen en la superficie debidas a un desplazamiento de las cargas propias del material.
Figura 4. Principio de funcionamiento del Efecto Piezoeléctrico.
Fuente: (J. Tichy, 2010)
No obstante, durante la deformación (generación piezoeléctrica), no toda la energía mecánica se convierte en eléctrica, la regresión del material a su estado natural, provoca que parte de la energía se acumule elásticamente (como en un resorte), y que otra sea convertida en cargas, generando el campo eléctrico (CIDIDI, 2010).
3.2.1 Efecto Piezoeléctrico Directo.
El efecto piezoeléctrico directo, se exhibe cuando una fuerza o vibración mecánica en el piezoeléctrico genera una carga o tensión eléctrica entre sus terminales (CENIDET, 2002). En este caso el material piezoeléctrico actúa como sensor y la polaridad del material depende del tipo de esfuerzo.
3.2.2 Efecto Piezoeléctrico Inverso.
El efecto piezoeléctrico inverso; aparece cuando aplicando un campo eléctrico o tensión eléctrica al piezoeléctrico, se produce un cambio dimensional o deformación. En este caso el material piezoeléctrico tiene un comportamiento de un actuador y la dirección del campo depende de la dirección de polarización (CENIDET, 2002).
3.3 MATERIALES PIEZOELÉCTRICOS.
Los materiales piezoeléctricos son cristales naturales o sintéticos que no poseen centro de simetría, los cuales pueden transformar las vibraciones del entorno en energía eléctrica (Sodano H, 2005), o también adquirir una polarización eléctrica en su masa, al ser sometidos a tensiones mecánicas, apareciendo una diferencia de potencial en su superficie,
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pudiéndose posteriormente almacenarse y ser utilizada en la alimentación de otros dispositivos. Dentro de los 32 grupos cristalográficos existen 21 que no tienen un centro de simetría, y de estos unos 20 exhiben directamente la piezoelectricidad, 10 de estos son polares; es decir presentan polarización instantánea debido a que contienen un dipolo eléctrico (dos cargas iguales y opuestas, separadas por una distancia) en su celda unidad, exhibiendo piroelectricidad (Cuando se someten a una variación de temperatura, ejemplo: la turmalina, el topacio, etc.), de entre estos algunos son ferro-eléctricos; cuando puede invertirse la dirección del dipolo mediante la aplicación de un campo eléctrico, igualmente se distinguen dos grupos de materiales que poseen carácter piezoeléctrico de forma natural, el cuarzo, la turmalina, y los llamados ferro-eléctricos, que presentan propiedades piezoeléctricas tras ser sometidos a una polarización; tantalio de litio, nitrato de litio, berlinita, en forma de materiales monocristalinos y cerámicas o polímeros polares bajo forma de microcristales orientados (Hernández, 2010).
3.3.1 Piezoeléctricos artificiales.
Un piezoeléctrico artificial se genera exponiendo un material cerámico a un campo eléctrico externo de gran magnitud, a alta temperatura desapareciendo los dipolos naturales y apareciendo nuevamente al disminuir la temperatura. Bajo estas condiciones, los dipolos adoptan la dirección correspondiente a la del campo de polarización y como resultado, el cuerpo cerámico muestra una elongación en esa dirección. Después de la desaparición del campo de polarización y el enfriamiento del material, los dipolos no vuelven completamente a su posición original, con lo que se obtiene el efecto de polarización remanente del material Figura 5,y el cuerpo cerámico se ha convertido de forma permanente en un piezoeléctrico.
Figura 5. Polarización neta un material cerámico (piezoeléctrico artificial).
Fuente: (S. O. R. Moheimani, 2006)
Proceso de polarización: (a) Antes de la polarización los dominios polares se encuentran orientados aleatoriamente. (b) Un gran campo eléctrico DC es aplicado para la polarización. (c) Al quitar el campo eléctrico aplicado la polarización remanente permanece.
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3.4 RESEÑA HISTÓRICA DEL EFECTO PIEZOELÉCTRICO.
El efecto piezoeléctrico fue estudiado inicialmente por Carolus Linnaeus y Franz Aepinus mediados del siglo XVIII. Inspirados en este conocimiento, René Just Hauy y Antoine Cesar Becquerel postularon la relación existente entre tensión mecánica y la carga eléctrica; sin embargo, los experimentos realizados por ambos arrojaron resultados poco concluyentes. La primera demostración del efecto piezoeléctrico se presentó en el siglo XIX por parte de los hermanos Pierre y Jacques Curie. Ambos combinaron el conocimiento adquirido de la piezoelectricidad con la comprensión de las estructuras cristalinas, lo cual les permitió predecir el comportamiento cristalino y demostrar el efecto usando cristales de tourmaline, cuarzo, topaz, bastón azúcar y sal de Rochelle (tetrahydrate del tartrato del potasio del sodio), donde la sal de cuarzo y la de Rochelle presentaron la mayor de las propiedades piezoeléctricas (Piezoelectricidad, Aspectos históricos, s.f.). Los hermanos Curie publicaron una serie de importantes resultados sobre las propiedades eléctricas de los cristales, sus resultados los conducirían al descubrimiento de la piezoelectricidad, término que tardaría algunos años en ser introducido, sin embargo los hermanos, no predijeron el efecto piezoeléctrico inverso, este fue deducido matemáticamente por Gabriel J. Lippmann en 1881, a partir de los principios termodinámicos fundamentales1 (ROLLE, 2006). Así entonces, los Curie, confirmaron la existencia del efecto inverso, obteniendo la prueba cuantitativa de la reversibilidad completa de deformaciones elasto-electromecánica en cristales piezoeléctricos. El primer trabajo de aplicaciones de dispositivos piezoeléctricos se llevó a cabo durante la Primera Guerra Mundial, en el año 1917 por el físico Paul Langevin y algunos compañeros de trabajo franceses comenzaron a perfeccionar un detector de ultrasonido submarino, la importancia estratégica de su logro no fue pasado por alto por las naciones industrializadas, y desde entonces el desarrollo de materiales piezoeléctricos nunca ha cesado. Igualmente, las primeras aplicaciones con cristales naturales se dieron entre los años 1920 – 1940 con el desarrollo del sonar, lo cual estimulo una actividad de intenso desarrollo en todo tipo de dispositivos piezoeléctricos, tanto resonante y no resonante, dando origen a la puesta en práctica de la mayoría de las aplicaciones clásicas piezoeléctricas de uso cotidiano, como: micrófonos, acelerómetros, traductores ultrasónicos, fonógrafos, filtros de señal, etc. Históricamente, el desarrollo del mercado para los dispositivos piezoeléctricos se atrasó con respecto al desarrollo tecnológico, a pesar de que todos los materiales de uso común hoy en día se desarrollaron en 1970. No obstante, entre 1965 y 1980 varias compañías japonesas y algunas universidades formaron asociaciones de cooperación competitiva que llevaron a investigaciones de materiales que permitieron la creación de nuevas familias de piezoeléctricos, logrando el desarrollo de varios tipos de filtros de señal para aplicaciones de televisión, radio, equipos de comunicaciones, y encendedores piezoeléctricos para gas natural y aparatos de butano. Actualmente persiste una creciente dinámica para el mercado de dispositivos como zumbadores de audio, transductores de ultrasonido y filtros de alta frecuencia (Piezoelectricidad, Aspectos históricos, s.f.).
1 Los principios termodinámicos definen cantidades físicas fundamentales tales como la temperatura, la energía y la entropía, que caracterizan a los sistemas termodinámicos o su interrelación.
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3.5 FORMULACIÓN MATEMÁTICA DEL EFECTO PIEZOELÉCTRICO.
Los experimentos realizados por los hermanos Curie, demostraron que la densidad de carga en la superficie del material al aplicar una fuerza externa es proporcional a la tensión mecánica aplicada al material, como se indica en la ecuación (1), por su parte; el efecto piezoeléctrico inverso el cual consiste en que el material se deforme a causa de un campo eléctrico, puede ser expresado como indica la ecuación (2) (Fuentes, 2013). No obstante, los efectos piezoeléctricos directos e inversos pueden ser definidos matemáticamente de diferentes formas empleando diferentes constantes y magnitudes físicas en consideración a las propiedades del material donde, dependiendo de la disposición de los electrodos y de la dirección de polarización en el elemento piezoeléctrico se obtendrá una señal eléctrica proporcional al esfuerzo en una determinada dirección, la ecuación (3) representa el efecto de acoplamiento debido a la variación en la deformación y el campo eléctrico en las tres direcciones ortogonales (Moreno, 2004).
𝑃 = 𝑑𝑇 (1)
𝑆 = 𝑑𝐸 (2)
𝐷𝑖 = 𝜀𝑖𝐸𝑖 + 𝑑𝑖𝑗𝑇𝑗 (3)
Dónde: P, es el vector de polarización eléctrica [Coulomb/metros2] a causa del efecto piezoeléctrico, magnitud igual a la densidad en la superficie considerada. d, es el coeficiente de deformación piezoeléctrica [metros/Voltios]. T, es la tensión mecánica [Newton/metros2] a la que el material es sometido (Universidad de Navarra, s.f.). S, es la deformación unitaria a causa del efecto eléctrico. E, es la magnitud del campo eléctrico [Newton/Coulomb] aplicado al material (Universidad de Navarra, s.f.). 𝑑𝑖𝑗, es el tensor de constantes piezoeléctricas de carga, habitualmente denominadas
simplemente constantes piezoeléctricas. 𝐷𝑖, es el vector de desplazamiento eléctrico.
𝐸𝑖, es el vector campo eléctrico. 𝜀𝑖, es el tensor permeabilidad eléctrica.
𝑇𝑗, es el tensor de esfuerzos mecánicos (Moreno, 2004).
3.6 TRANSDUCCIÓN PIEZOELÉCTRICA.
La capacidad de ciertos mecanismos de transformar una forma de energía en otra (transducción de energía mecánica a energía eléctrica), ha sido objeto de múltiples estudios, por ejemplo; existen tres mecanismos básicos por los que las vibraciones de elementos pueden convertirse en energía eléctrica: Transducción Electrostática, Transducción Electromagnética, y Transducción Piezoeléctrica, (Escalera Siles, 2012). En la Transducción Electromagnética (inductiva); la energía proviene del movimiento relativo entre una bobina y un campo magnético, en la Transducción Electrostática
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(capacitiva); la energía proviene del movimiento existente entre dos conductores y en la Transducción Piezoeléctrica; la energía proviene del aprovechamiento de las vibraciones del entorno y las características eléctricas de ciertos materiales, por ejemplo; materiales que poseen la capacidad de generar energía eléctrica cuando se ven sujetos a un esfuerzo mecánico (efecto piezoeléctrico directo), y también se ve afectada su forma, si son sometidos a una carga eléctrica (efecto piezoeléctrico inverso), (Roundy, 2002). En la transducción piezoeléctrica la generación de energía eléctrica a partir de energía procedente del entorno, ha permitido aprovechar en los últimos años el efecto piezoeléctrico en la alimentación de dispositivos de baja potencia (Roundy, 2002), pudiéndose posteriormente almacenarse y ser utilizada en la alimentación de otros dispositivos como el microscopio, el scanner, la sintonización de láser, dispositivos micro dispensadores, estimulación de audio, entre otros (Sodano H, 2005).
3.7 OBTENCIÓN DE ENERGÍA DEL CUERPO HUMANO.
3.7.1 Energía humana.
El ser humano es el portador de características únicas, irrepetibles e insustituibles, es un ser biológico que posee un cuerpo físico que le permite desplazarse ejerciendo contacto con su entorno, pudiéndose desplegar una infinita gama de movimientos para desarrollar actividades como por ejemplo; la danza, el deporte, el arte escénico, y el propio caminar entre otras (LA REPUBLICA, 2008). El hombre produce y genera energía en su tejido celular, nervios, músculos, cerebro, etc., energía que es producida gracias a los alimentos que consume, pues la energía va del alimento hacia el cuerpo, permitiéndole desarrollar diversas funciones mediante transformaciones de energía, igualmente almacenarla o utilizarla de inmediato en las actividades que realiza, pero en su totalidad la energía no es aprovechada y la mayor cantidad de energía que genera el hombre no es recuperada, sin embargo en el caminar o proceso que el hombre ejerce presión mecánica sobre la superficie que pisa, la energía puede ser recuperada.
3.7.2 El cuerpo humano como fuente de energía.
El cuerpo humano, es un depósito de energía que puede ser utilizado para generar electricidad, dado el funcionamiento del mismo o la misma ejecución de las diferentes actividades donde este interviene que de alguna forma pueden ser aprovechadas, por ejemplo; el calor corporal, la respiración, la presión arterial, el movimiento de los brazos, la actividad del caminar, por citar algunas. Específicamente para el movimiento del caminar, estadísticas precisan que una persona puede dar más de 200 millones de pasos durante toda su vida, lo que ligado al principio universal de la energía (Ley de la conservación de la energía), la energía adopta varias formas al transferirse, llegando a producir cambios en los cuerpos y sin embargo en todos estos cambios; la energía ni se crea, ni se destruye, solo se transforma. Así entonces, las energías alternativas limpias presentes de forma potencial en la naturaleza, específicamente en el cuerpo humano cuando realiza actividades como el caminar, presentan posibilidades de utilización prácticamente ilimitada; que, aunque no sea continua,
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produce una energía que puede ser almacenada para proporcionar una fuente constante, en este caso en específico energía eléctrica.
3.7.3 La actividad física del caminar.
Autores como Starner y Paradiso en el capítulo Human Generated Power for Mobile Electronics del libro Low-Power Electronics Design, publican el estudio de la recuperación de la energía que consume el cuerpo humano, Figura 6, cuando lleva a cabo alguna actividad física, con el fin de usar ésta para el abastecimiento de dispositivos electrónicos portátiles (Starner, 2004).
Figura 6. Recuperación de la energía que consume el cuerpo humano.
Fuente. (Starner, 2004)
Los estudios realizados por Starner y Paradiso, concluyen que la mayor cantidad de energía que puede ser recuperada se encuentra en las pisadas cuando se camina, entre 5 y 8,3 Watts de los 67 Watts que son consumidos en esta actividad, considerando que los 67 Watts se calculan de un hombre de 68 kg (kilogramos) de peso, que caminando a una velocidad de 3,5 millas por hora o 2 pasos por segundo, a una caída del talón de 0,05 metros de altura distancia vertical aproximada del desplazamiento del talón en la marcha humana, (Fischer, 1987). En la ecuación (4) se detalla el procedimiento matemático planteado.
(68𝑘𝑔) (9,8 𝑚
𝑠2) (0,05𝑚) (2
𝑝𝑎𝑠𝑜𝑠
𝑠𝑒𝑔) = 67𝑊𝑎𝑡𝑡𝑠 (4)
Con base en estudios de esta naturaleza, diversos investigadores se han interesado en el diseño de sistemas capaces de aprovechar la energía que puede ser generada con actividades propia del cuerpo humano, haciendo la conversión de energía mediante transducción piezoeléctrica.
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3.7.4 Modelo del caminar (marcha humana).
El movimiento humano está controlado por el Sistema Neuromuscular2 . El caminar es un ejemplo básico de los movimientos humanos, esté puede ser entendido como un proceso mecánico pasivo (Garcia, Ruina, Coleman, y Chatterjee, 2010). Caminar es un movimiento que se realiza para desplazarse, en el que intervienen los pies, piernas y rodillas; el modelo generalmente aceptado para esta actividad está dado por el modelo del péndulo invertido, ya que la pierna de apoyo se comporta como un péndulo invertido en el movimiento sobre el pie de postura, y la pierna en movimiento como un péndulo regular de oscilación alrededor de la cadera, (Kuo, 2005). En la Figura 7, se muestra el modelo del péndulo invertido simple que se realiza al caminar; en el momento del soporte individual.
Figura 7. Modelo de caminar como péndulo invertido.
Fuente: (Kuo, 2005)
Cuando solo una pierna hace contacto con el suelo, el péndulo rígido conserva su energía mecánica y el centro de masa puede ser mantenido sin ninguna fuerza muscular. Las fases del soporte individual son separadas consecutivamente con la fase de soporte doble (comenzando con el golpe del talón) cuando la pierna de apoyo es sustituida por la otra, convirtiéndose en un nuevo péndulo, ocasionando un cambio de energía de un paso a otro.
3.7.5 Características generales de la marcha.
La marcha es definida como el paso bípedo (dos pies) que utiliza la raza humana para desplazarse de un lugar a otro, con bajo esfuerzo y un mínimo consumo energético (Daza L., 2007), también se puede definir como una serie de movimientos alternos y rítmicos de las extremidades y del tronco que determinan el desplazamiento hacia adelante del centro de gravedad. Ésta se caracterizada por el contacto permanente del individuo con el suelo, con ambos o al menos uno de sus pies (Prat & Sanchez, 2005). Igualmente, en la marcha un ciclo se define como la secuencia de acontecimientos que tiene lugar entre dos repeticiones consecutivas de cualquiera de los sucesos de la marcha y se divide en dos fases; fase de soporte o de apoyo; tiempo que transcurre mientras que el pie permanece en contacto con el piso y constituye el 60% del ciclo, y fase de balanceo o de oscilación; tiempo durante el cual la extremidad inferior permanece en el aire y
2 El Sistema Neuromuscular es definido como el conjunto de partes y elementos organizados y relacionados que interactúan entre sí para lograr un objetivo, incluyen al cerebro, la médula espinal y las fibras musculares. Este sistema nos permite pensar en el movimiento y después ejecutarlo, (Marco Sanz).
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representa el 40% del ciclo, siendo un valor normal de longitud de un paso de un adulto, a una velocidad de marcha libre de 0,56 a 1,1 metros, (Nordín, 2004). En ocasiones los dos pies se encuentran en contacto con el piso, este evento se denomina periodo de doble soporte y se presenta en dos ocasiones durante el ciclo, al iniciar y al culminar la fase de soporte, (Daza L., 2007) y (Prat & Sanchez, 2005).
3.8 APLICACIONES RECIENTES DE GENERACIÓN DE ENERGÍA POR MEDIO DEL EFECTO PIEZOELÉCTRICO Y MARCHA HUMANA.
El movimiento libera energía y así es como funcionan casi todos los sistemas, incluidas las vibraciones que también son transformadas en energía por medio de la piezoelectricidad o efecto piezoeléctrico, donde el aprovechamiento de las vibraciones del entorno y las características eléctricas de ciertos materiales logran generar electricidad cuando se someten a un esfuerzo mecánico directo o indirecto, por ejemplo un dispositivo piezoeléctrico o arreglo de materiales piezoeléctricos puede aprovechar vibraciones casi imperceptibles para generar electricidad que pueden ser utilizada para abastecer ciertos consumos de energía, como por ejemplo: ▪ Una discoteca llamada Off Corso en Rotterdam (Holanda) y Club4Climate de Londres,
incorporo este tipo de dispositivos para producir energía generada por las personas en la pista de baile para encender luces incrustadas en el piso (Fernández Muerza, 2010).
▪ En Tokyo se utilizan baldosas piezoeléctricas para mantener encendidas las luces decorativas en época navideña alimentadas por los transeúntes (Pisadas que generan energía, 2008).
▪ La empresa Pavegen, ha instalado arreglos de baldosas piezoeléctricas en algunos pavimentos de Londres, para generar energía, estos consisten en losas de concreto que producen energía cinética cada vez que se presionan. Esta energía, creada por cinco milímetros de flexión en el material, es almacenada por baterías de polímero de litio contenidas dentro de las losas o transmitida de inmediato a las luminarias u otros aparatos eléctricos. El sistema de baldosas inteligentes de Pavegen también se montó en las inmediaciones del acceso al Parque Olímpico de Londres, donde se capturaron 12 millones de pisadas que produjeron 72 millones de julios, la energía suficiente para cargar 10000 teléfonos móviles durante una hora. En un colegio de Canterbury, la energía de las pisadas de sus 1100 estudiantes mantiene la iluminación de los pasillos del centro educativo. Estas baldosas también han sido de utilidad en festivales de música para cargar teléfonos móviles y encender luces de tecnología LED. Recientemente, Pavegen se ha asociado con Siemens para instalar sus baldosas en la Federation Square de Melbourne (Australia) y tienen planes para una estación de tren en Londres y un centro comercial de Atenas (National Geographic, 2012)
▪ En Tokyo, (Japón) la empresa East Japan Railway Company produce electricidad a gran escala instalando dispositivos piezoeléctricos en siete de las compuertas de la entrada al metro generando 1400 kW/s cada día, electricidad suficiente para iluminar los carteles electrónicos de la estación. Esta electricidad es producida por la presión
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que ejercen las personas al pasar sobre los dispositivos piezoeléctricos cuando cruzan las compuertas (tuexperto, 2008).
▪ En Colombia, específicamente en Medellín, a través de la Secretaría de Infraestructura Física de la Ciudad, se realizó en conjunto con la empresa Treevolt, una prueba piloto del proyecto denominado “vías generadoras de energía y datos” o vías inteligentes, (ASOCAPITALES, 2014). El proyecto consistió en la instalación de 40 baldosas piezoeléctricas, donde cada una de las baldosas contaba con 20 nodos, y en cada nodo se ubicaban 2 cristales piezoeléctricos de 1x1 cm, y 2 mm de espesor. Cada cristal podía generar hasta 0,5 joule de energía. Durante la prueba se obtenían cada hora se generó 3 kWh de energía para alimentar la demanda de los equipos electrónicos usados en el desarrollo de la prueba, (treevolt, 2014). Por otro lado, se han venido realizando investigaciones de tipo exploratorio en centros educativos, con el fin de promover medidas de eficiencia energética y la implantación de nuevas tecnologías utilizando dispositivos piezoeléctricos. Sin embargo, a pesar del desarrollo de los proyectos no se tiene ninguno en funcionamiento, algunos ejemplos se mencionan en la Tabla 1.
Tabla 1. Investigaciones de dispositivos piezoeléctricos en Colombia.
Nombre de la Investigación Centro educativo
Valoración de la capacidad de generación de energía eléctrica por medio de un dispositivo con efecto piezoeléctrico en las entradas vehiculares de la sede central de la UIS, (Espitia R., 2011)
Universidad Industrial de Santander, Facultad Físico
Mecánicas – Bucaramanga.
Análisis de viabilidad para desarrollo de prototipo de acera que produce electricidad, (Zapata V., 2012)
Universidad de San Buenaventura – Medellín
Estudio prefactibilidad técnico - económico para un sistema de generación piezoeléctrica en una estación tipo del sistema TRANSMILENIO S.A., (Casteblanco E., 2012)
Universidad Distrital Francisco José de Caldas,
Facultad Ingeniería – Bogotá.
Análisis de la factibilidad económica y ambiental de utilizar baldosas piezoeléctricas en el campus de la Universidad Militar Nueva Granada, UMNG, (Agatón Aguirre, 2013).
Universidad Militar Nueva Granada, UMNG – Bogotá.
Baldosa piezoeléctrica para alimentar sistemas de iluminación de bajo consumo energético, (Cifuentes G., 2013)
Escuela de Ingeniería de Antioquia – envigado
Análisis de conveniencia de la implementación de la energía piezoeléctrica en las salas de CINECOLOMBIA en la ciudad de Bogotá D.C., (Morales E., 2016)
Universidad Distrital Francisco José de Caldas,
Facultad del Medio Ambiente y Recursos
Naturales - Bogotá D.C.
Fuente: Compendio Realizado por los Autores
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3.9 SISTEMA PIEZOELÉCTRICO.
Para la implementación del sistema piezoeléctrico como fuente de energía segura y confiable se requiere integrar los dispositivos piezoeléctricos (baldosas piezoeléctricas) a un regulador de tensión, un inversor o un controlador de carga más baterías, los cuales pueden ser enlazados como muestra en la Figura 8, y donde el sistema piezoeléctrico igualmente puede estar compuesto por un conjunto de baldosas piezoeléctricas que capten las pisadas de quienes transitar sobre ellas, y así genere la corriente que se acumule en las baterías, que después se utilice por medio del regulador de tensión y el inversor de corriente continua, almacenada en las baterías, en corriente alterna.
Figura 8. Esquema estructural del Sistema de Generación Piezoeléctrica.
Fuente: Realizado por los Autores
3.9.1 Dispositivos piezoeléctricos.
Básicamente, los piezoeléctricos pueden utilizarse para generar energía eléctrica a partir de su deformación, o tensión mecánica aportando la energía eléctrica necesaria para suplir una demanda o servicio de consumo, sin embargo, se distinguen cuatro grupos diferentes de dispositivos; los generadores, sensores, actuadores y transductores. Los dispositivos generadores producen energía eléctrica a partir de las deformaciones que sufren, en este se diferencian 3 grupos de generadores; de carga mecánica estática, de carga dinámica y baterías de estado sólido (Run, 2002). Los generadores de carga estática, se han utilizado típicamente para generar una chispa entre dos electrodos en sistemas de ignición/encendido, cuyo caso más común es el mechero eléctrico, aunque puede rectificarse la señal eléctrica mediante sistemas electrónicos para que sea utilizable como fuente de energía eléctrica convencional, caso de la presente investigación donde se realiza el Análisis Técnico y Económico del Potencial de Generación Eléctrica a través de Dispositivos Piezoeléctricos que dependan del tránsito peatonal de estudiantes, docentes y visitantes que a diario ingresan o salen de la Facultad Tecnológica, para utilizarla como fuente eléctrica del alumbrado perimetral de la misma. Los Dispositivos Piezoeléctricos, o Baldosas Piezoeléctricas para nuestro caso de investigación, aprovechan el efecto piezoeléctrico directo. Constructivamente, en la baldosa
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se coloca dos placas, separadas, y con la capacidad de desplazarse una respecto de otra, al ser pisadas por ejemplo utilizando resortes. En medio de las placas, se ubica el material piezoeléctrico y al ejercer presión sobre la baldosa, las placas se desplazan y oprimir el material piezoeléctrico y es cuando la energía mecánica se convierte en energía eléctrica. No obstante, en el proceso de transformación de energía en el efecto piezoeléctrico la energía mecánica que proviene del entorno y que excita el dispositivo parte se convierte en energía eléctrica y como en cualquier fenómeno físico parte en pérdidas durante todo el proceso, tal como se muestra en la Figura 9.
Figura 9. Proceso de transformación de energía, efecto piezoeléctrico.
Fuente: (Escalera Siles, 2012)
3.9.2 Regulador de tensión.
La función principal de un regulador de tensión en un sistema piezoeléctrico es proteger a las baterías de sobrecargas o descargas excesivas y de cortocircuitos, dado que cualquier instalación eléctrica que utilice cargas impredecibles que pueda sobrecargar o descargar las baterías, requiere de un regulador de carga, la falta del mismo puede ocasionar una reducción de la vida útil de las baterías y una reducción de la disponibilidad de carga (Henríquez, 2003). Así entonces, el regulador controlara el rango admisible de tensión en la batería del sistema piezoeléctrico, previendo que el valor de tensión que ingresa a la batería no exceda, ni este por debajo del rango admitido por la batería, para esto; a medida que la diferencia de tensión entre regulador y la batería disminuye, el regulador incrementa la tensión de carga (carga intensiva), por contrario el regulador disminuye la tensión cuando la carga de la batería se aproxima al 100% (absorción), y el regulador sólo suministra una tensión de mantenimiento a la batería para que esta siga cargada al 100 %. (flotación). Para el sistema piezoeléctrico objeto de estudio; el regulador será seleccionado calculando entre el 20% y/o el 25% más de la máxima corriente de la intensidad de carga o corriente de consumo del sistema.
3.9.3 Batería o acumulador de energía generada.
Para almacenar la energía generada por los dispositivos piezoeléctricos se considera la utilización de baterías. Las baterías almacenaran la energía producida por los piezoeléctricos que no se consuma inmediatamente por la carga, para el caso en estudio el
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servicio de alumbrado en rutas de circulaciones exterior entre edificios de la Facultad. La utilización de baterías permite acumular la energía generada por el arreglo de baldosas piezoeléctricas durante el transcurso del día, para suplir durante la noche los requerimientos de iluminación, igualmente la energía almacenada puede ser usada en periodos de no tránsito de estudiantes, docentes y visitantes. Las baterías o acumuladores son uno de los elementos importantes de esta forma de generar energía, su capacidad varía según su tipo, su calidad de construcción, la temperatura de trabajo, vejez, y el estado de descarga. Los tipos de baterías encontradas en el mercado son de construcción en base de plomo (acumuladores), entre estas están las baterías liquidas, las cuales son las más antiguas y su simple producción permiten precios favorables, existen en versión abierta con tapas que dejan sustituir el agua o en versión libre de mantenimiento que son cerradas, pero con válvulas para que posibles gases puedan escapar durante cargas excesivas, las baterías tipo VRLA (abreviación del inglés: Valve Regulated Lead Acid battery), estas baterías modernas tampoco son completamente selladas, pero contienen una tecnología que combinan el oxígeno e hidrógeno que sale de las placas durante la carga y así eliminan la pérdida de agua si no son sobrecargadas, existen dos tipos principales; los de consistencia de Gel y los AGM (Absorbed Glass Mat), donde el ácido es fijado en fibra de vidrio, otros tipos de baterías, específicamente las construidas de Ion de Litio (Li-Ion) como las usadas en celulares y computadoras con características superiores están en desarrollo y cada vez más sustituyen las de plomo (Delta Volt, s.f.). Para el dimensionamiento de las baterías del proyecto en estudio, se utiliza ecuación (5), con tensiones de batería de 6V, 12V, 24V, o 48V, como valores típicos de tensión de corriente continua, y ciclo profundo de carga de la batería entre 60% y 80%. 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎𝑠 [𝐴ℎ]
=𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑎 [𝑊ℎ] 𝑝𝑜𝑟 𝐷í𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑝𝑎𝑙𝑑𝑜 (𝐴𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚í𝑎)
𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎 [𝑉] 𝑝𝑜𝑟 𝑃𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎 (5)
Igualmente, se tendrá presente que el número de ciclos de carga/descarga de una batería está limitado a unos 1500 ciclos máximo, luego la batería aumentara su resistencia interna y hay que proceder a su sustitución.
3.9.4 Inversor o conversor CC/CA
En la generación de energía por medio de dispositivos piezoeléctricos debe contemplarse la conversión de tensión, siendo esta la encargada de transformar y adaptar la energía generada por el piezoeléctrico a las características eléctricas de la carga, para el proyecto en estudio la red de alumbrado perimetral de la Facultad. La conversión se hace utilizando un inversor de corriente continua a corriente alterna (CC/CA). Para el dimensionamiento del inversor CC/CA, se debe considerar la capacidad que el inversor puede soportar durante su funcionamiento normal de forma continua, ya que estos son menos eficientes cuando se utilizan a un porcentaje bajo de su capacidad, por lo que debe ser elegido con una capacidad lo más cercana posible a la de la carga de consumo, la cual no debe ser menor al 80% de la capacidad nominal del inversor.
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4 METODOLOGÍA: ALCANCE Y DELIMITACIONES.
El presente proyecto es una iniciativa para aprovechar un potencial presente en el entorno y específicamente el del ser humano, cuando realiza actividades como el caminar, con posibilidades de utilización prácticamente ilimitada que, aunque no sea continua se produce energía que puede ser almacenada para proporcionar una fuente constante de suministro de electricidad. Es por esto, que en el presente Análisis Técnico y Económico del Potencial de Generación Eléctrica a través de Dispositivos Piezoeléctricos, se comprobara; si utilizando baldosas piezoeléctricas disponibles en el mercado, e instalados en accesos y/o egresos peatonales de la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, por donde continuamente transita la comunidad estudiantil, docente y visitante, ofrece la capacidad de generar energía eléctrica para abastecer la demanda del alumbrado perimetral en rutas de circulaciones entre edificios de la Facultad. La investigación contempla el desarrollo de cuatro objetivos específicos: un primer objetivo donde se caracterice el tránsito peatonal de ingresos y/o egresos de la comunidad estudiantil, docente y visitante que transitan por la portería de salida peatonal de la Facultad con la ayuda de los videos de las grabaciones de las cámaras de vigilancia, contando cada peatón que sale a medida que el video transcurre, un segundo objetivo; la proyección de una alternativa de generación eléctrica utilizando un dispositivo piezoeléctrico que permita cubrir la demanda energética del alumbrado perimetral en rutas de circulación entre edificios de la Facultad, un tercer objetivo; el planteamiento mecánico y eléctrico de la alternativa de generación eléctrica con los dispositivos piezoeléctricos, para así finalmente en un último o cuarto objetivo, establecer una guía metodológica con el documento escrito en donde se detallen las actividades realizadas en la investigación, se consolide los resultados hallados y los estudios obtenidos de análisis técnico y económico del potencial de generación eléctrica a través de dispositivos piezoeléctricos, como fuente de alimentación del alumbrado, que pueda ser aplicable en todas las sedes de la Universidad Distrital o, en diferentes empresas, fábricas e instituciones que por disponer de un tránsito de peatones constante pueda implementar la generación de electricidad utilizando el principio de piezoelectricidad. La metodología que se trabajará en el Análisis técnico y económico del potencial de generación eléctrica a través de dispositivos piezoeléctricos es netamente descriptiva, la solución definida no incluye realizar el montaje físico o la implementación del sistema piezoeléctrico, la investigación contempla únicamente la proyección y la realización del análisis técnico y económico de la alternativa, efectuando una constante recopilación de información durante todo el desarrollo del proyecto, ya que esta, es una actividad que va de la mano con conseguir el propósito planteado, tal como se describe en la Tabla 2.
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Tabla 2. Alcance y Limitaciones del Proyecto.
OBJETIVOS ALCANCES ACTIVIDADES HERRAMIENTAS
1. Definir mediante métodos estadísticos el tránsito peatonal de estudiantes, docentes y visitantes que circulan diariamente por los diferentes ingresos y egresos de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica.
Alcance 1. Caracterización del tránsito peatonal de la Facultad Tecnológica.
1 Definir el modelo estadístico, aplicables al tránsito peatonal.
− Internet (Fuentes electrónicas). − Estudio de volumen peatonal,
mediante la técnica de sensores (Cámara de grabación de seguridad física de la Universidad).
2 Realizar conteo de ingresos y egresos de la comunidad estudiantil, docentes y visitantes en porterías de la Facultad Tecnológica.
3 Caracterizar el tránsito peatonal de ingresos y egresos de la comunidad estudiantil, docentes y visitantes en porterías de la Facultad Tecnológica.
4 Paramétrizar el potencial eléctrico obtenido del modelo estadístico de tráfico peatonal.
2. Establecer una alternativa viable de generación eléctrica utilizando dispositivos piezoeléctricos que permita cubrir la demanda energética de alumbrado perimetral de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica.
Alcance 2. Propuesta de la alternativa de generación eléctrica utilizando dispositivo piezoeléctrico.
1 Realizar el levantamiento y aforo de cargas de iluminación perimetral de la Facultad Tecnológica.
− Internet (Fuentes electrónicas). − Ficha técnica luminarias LED
SCHRÉDER. − Reglamento Técnico de Iluminación
y Alumbrado Público RETILAP. − Método del Coeficiente de
Utilización. − Software DIALux. − Software Excel. − Método de comparación técnica y
de costos de fabricación, importación y nacionalización de las baldosas piezoeléctricas.
2 Definir los costos por consumo de iluminación perimetral existente.
2 Plantear la alternativa de iluminación de alumbrado perimetral de la Facultad Tecnológica
3 Establecer los costos por la implementación de alumbrado LED perimetral.
4 Seleccionar los dispositivos piezoeléctricos, disponibles en el mercado.
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OBJETIVOS ALCANCES ACTIVIDADES HERRAMIENTAS
3. Proyectar el montaje mecánico y eléctrico óptimo de los dispositivos piezoeléctricos, respecto a la entrada y salida de peatones en porterías de la Facultad Tecnológica, obteniendo el mayor rendimiento de esta tecnología en la generación de electricidad *.
Alcance 3. Propuesta del montaje mecánico y eléctrico del sistema piezoeléctrico.
1 Establecer la disposición de la plataforma piezoeléctrica.
− Internet (Fuentes electrónicas). − Ficha técnica de las baldosas
piezoeléctricas: Powerfloor, Pavegen V3, Triangular, Pedestrian Generators of Innowattech, Sustainable Energy Floor, SEF, Soundpower, Waynergy People,
− Software AutCAD. − Software Excel. − Valores CIF Cost Insurance and
Freight, o, costo, seguro y flete al destino convenido, y FOB Free on board, o, libre a bordo
− Tarifas de servicios profesionales de ingeniería en Colombia, Asociación Colombiana de Ingenieros, ACIEM Cundinamarca.
− Construdata, valor real del salario en Colombia
− Ley 1562 de 2012, Sistema de Riesgos Profesionales del Ministerio de Salud y Protección Social de Colombia.
− Criterio de Valor Presente Neto VPN. − Criterio de Tasa Interna de Retorno
TIR. − Criterio relación Beneficio Costo. − Matriz de Perspectivas (diagramas
sinópticos). − Matriz de factor PESTL. − Matriz DOFA.
2 Definir la integración del sistema de generación piezoeléctrica.
3 Elaborar el presupuesto de insumos, importación, nacionalización y mano de obra requeridos para la implementación del sistema de generación piezoeléctrico.
4 Realizar el análisis económico de la implementación del sistema de generación piezoeléctrico.
5 Establecer la perspectiva integral; Técnica, Ambiental y Financiera.
6 Realizar el análisis entorno estratégico, factores; Político y Legal, Económico, Social, y Tecnológico.
7 Establecer las debilidades, oportunidades, fortalezas y amenazas de la implementación del sistema de generación piezoeléctrico.
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Fuente: Realizado por los Autores. * Planteamiento de la forma en que, quedarán ensamblados físicamente los dispositivos piezoeléctricos, definiendo el tamaño del sistema piezoeléctrico, cual es el mejor tipo de conexión eléctrica entre ellos y que redes y equipos eléctricos se requieren para integrar el sistema piezoeléctrico a la infraestructura eléctrica de alumbrado perimetral de la Faculta Tecnológica. ** El escrito del documento detallara las actividades realizadas en la investigación, se consolidando los resultados hallados y estudios obtenidos del Análisis Técnico y Económico del Potencial de Generación Eléctrica a través de Dispositivos Piezoeléctricos, instalados en zonas de circulación peatonal, como fuente de alimentación del alumbrado perimetral de la Facultad Tecnológica, y en el cual se evidencie el trabajo realizado en proyecto.
OBJETIVOS ALCANCES ACTIVIDADES HERRAMIENTAS
4. Elaborar una guía metodológica, aplicable en todas las sedes de la Universidad Distrital o en diferentes empresas, fábricas e instituciones, para la generación de electricidad con base en el principio de piezoelectricidad **.
Alcance 4. Elaboración de documento escritito tipo Monografía.
1 Redacción de Monografía: Consolidado de las investigaciones realizadas, cuantificado de los resultados hallados y plasmado de los estudios obtenidos del análisis técnico y económico del potencial de generación eléctrica a través de dispositivos piezoeléctricos, como fuente de alimentación del consumo de alumbrado de la Facultad Tecnológica, aplicable en todas las sedes de la Universidad Distrital o en diferentes empresas, fábricas e instituciones que por disponer de un tránsito de peatones constante pueda implementar esta alternativa de generación de electricidad utilizando el principio de piezoelectricidad
− Internet (Fuentes electrónicas). − NORMA ICONTEC NTC-1486. − Software Excel. − Software Word.
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5 CARACTERIZACIÓN DEL TRÁNSITO PEATONAL.
El caminar es la más antigua y básica forma de movilizarse, todas las personas lo hacen a diario, durante los desplazamientos; bien sea para acceder al transporte público o, a un vehículo en sí, o, para ir al sitio de trabajo, de estudio, de compras, etc., pero en general se camina, generándose un potencial inagotable al hacerlo, el cual puede empezarse a aprovechar, por ejemplo, en producción de energía eléctrica. Es por esto, que el objetivo de la medición del flujo de tráfico peatonal de Facultad Tecnológica al realizar el conteo de las personas que transitan por las porterías de ingreso y/o salida, en un periodo de tiempo específico; es analizar cuáles son las características del lugar y cuáles podrían ser las variables de interés para definir el potencial de generación energética de este recurso.
5.1 TÉCNICAS DE MEDICIÓN DEL TRÁNSITO PEATONAL.
El flujo peatonal suele determinarse mediante la realización de toma de información primaria o estudios de campo (Guío B., 2010), existen dos técnicas para recolección de información respecto a movilidad peatonal: manualmente y mediante sensores. La técnica manual se utiliza por lo general en estudios peatonales, y es indispensable para los estudios de inventario vial, reconocimiento del estado de la red peatonal o, inventario de señalización; el uso de la técnica de sensores comúnmente se utiliza para realizar estudios de tránsito peatonal, el tipo de sensor más utilizado es la cámara de video, esta permite realizar una gran variedad de observaciones posteriores sobre el video con un mínimo de error, el punto de observación adecuado debe estar a una cota superior respecto a la red peatonal (Guío B., 2010).
5.2 MEDICIÓN TRÁNSITO PEATONAL DE LA FACULTAD TECNOLÓGICA.
El análisis de flujo de tránsito peatonal de Facultad Tecnológica, permitirá determinar las variables de medición y el procedimiento para someter esta información al análisis que concluya en el potencial eléctrico existente por el volumen de tránsito de estudiantes, docentes y visitantes que ingresan y/o salen por las porterías de la Facultad.
5.2.1 Planeación de la medición.
Para definir como realizar la medición del flujo peatonal de ingresos y salidas de estudiantes, docentes y visitantes se realiza un análisis visual de los espacios de la Facultad, y se determina utilizar las cámaras de video de seguridad física existentes en las porterías peatonales, para lo cual se solicita a la División de Recursos Físicos de Universidad Distrital por medio del Anexo 3, gestionar con la empresa de seguridad la entrega de las grabaciones de las cámaras de video de las porterías peatonales principal, entrada y salida, tal como se muestra en la Figura 10, para el periodo comprendido entre lunes 14 al sábado 19 y lunes 21 al sábado 26 de agosto de 2017. De las grabaciones solicitadas, seguridad física de la Universidad Distrital entrega las grabaciones de la portería peatonal principal y de la portería de salida peatonal. La portería de entrada peatonal, aunque dispone de una cámara esta no se encuentra habilitada; por consiguiente, los puntos de medición para establecer los ingresos y salidas peatonales de estudiantes, docentes y visitantes, utilizando los videos de grabaciones de las cámaras son:
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la cámara de la portería peatonal principal, y la cámara de salida peatonal ubicada al costado sur oriente del Auditoria de la Facultad.
Figura 10. Porterías peatonales Facultad Tecnológica.
Fuente: Realizado por los Autores.
5.2.2 Conteo del tránsito peatonal.
Con los videos de las grabaciones de la cámara de la portería peatonal principal y la cámara de salida peatonal entregadas por seguridad física de la Universidad, para el periodo comprendido entre lunes 14 al sábado 19 y lunes 21 al sábado 26 de agosto del 2017, se procede a contar el tránsito de estudiantes, docentes y visitantes en la portería de salida peatonal, registrando en un dispositivo de conteo manual una unidad por cada peatón que ingresa o sale, a medida que el video transcurre. Lamentablemente, la cámara de la portería peatonal principal es utilizada esporádicamente y no presenta un volumen considerable de salida y/o entrada de peatones, sin embargo, si en el futuro en este espacio se habilitan permanentemente las porterías de ingreso y salida peatonal de los estudiantes, docentes y visitantes, se podría contar con un potencial mayor de generación de energía, utilizando el tránsito de los peatones. Por consiguiente, el conteo de estudiantes, docentes y visitantes se realiza en la portería de salida peatonal Figura 11, ubicada al costado sur oriente del Auditoria de la Facultad. Saber cuántos estudiantes, docentes y visitantes salen de la Facultad Tecnológica, cuáles son las horas y días de mayor afluencia, cómo se distribuyen y cómo se comportan,
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permitirá conocer el entorno que concluirá con las variables necesarias para establecer el potencial eléctrico existente en estos espacios, y que posteriormente serán el insumo de la proyección óptima de los dispositivos piezoeléctricos como generadores de fuentes de energía eléctrica. Por consiguiente, y dado que las clases de Facultad Tecnológica son realizadas de lunes a sábado en jornadas diarias que inicia desde las 6:00 a.m., hasta las 10:00 p.m., con una duración de 120 minutos aproximadamente por clase, y donde los estudiantes bien sea al iniciar o finalizar la clase ingresan o salen de Facultad porque están llegando o están saliendo de su jornada o requieren adquirir algún elemento o comida del comercio exterior, se considera realizar el conteo en intervalos de hora, registrando el flujo peatonal durante las 16 horas diarias de video, y durante la semana comprendida entre el lunes 14 al sábado 19 de agosto del 2017.
Figura 11. Portería salida peatonal, Facultad Tecnológica.
Fuente: Grabación cámara de seguridad física de la Universidad.
Realizando la observación minuciosa de la grabación de la cámara de la portería de salida peatonal, se cuantifica la cantidad de estudiantes, docentes y visitantes que pasaron por esta portería en fracciones de hora, tal como se describe en la Tabla 3. Sin embargo, dado que en el día martes 15 de agosto de 2017, se presentó cierre de Facultad por disturbios públicos, la salida de estudiantes, docentes y visitantes tuvo un comportamiento atípico, presentándose un elevado registro de salida de la comunidad estudiantil de Facultad después de las 12:00 del mediodía, y posteriormente la disminución hasta no tener registros de salidas por la portería de salida peatonal, por lo que se determina incluir en la cuantificación de la salida peatonal de estudiantes, docentes y visitantes, la grabación del día martes 22 de octubre de 2017.
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Tabla 3. Tránsito de estudiante, docentes y visitantes en potería salida peatonal.
Fracción horaria de conteo
Mes de agosto de 2017
Lunes 14
Martes 15
Miércoles 16
Jueves 17
Viernes 18
Sábado 19
Martes 22
Antes de 6:00 a.m. 31 22 37 37 24 26 16
6:00 am – 7:00 am 68 41 85 76 40 46 65
7:00 am – 8:00 am 369 392 459 378 309 425 332
8:00 am – 9:00 am 299 191 443 339 262 198 194
9:00 am – 10:00 am 703 622 804 889 689 662 785
10:00 am – 11:00 am 445 431 470 368 440 332 343
11:00 am – 12:00 m 970 861 1028 787 847 644 811
12:00 m – 1:00 pm 693 1611 716 811 566 349 659
1:00 pm – 2:00 pm 923 49* 700 673 798 503 1027
2:00 pm – 3:00 pm 394 247* 438 449 466 234 428
3:00 pm – 4:00 pm 835 14* 910 727 703 301 891
4:00 pm – 5:00 pm 583 7* 456 459 412 264 441
5:00 pm – 6:00 pm 979 0* 969 924 738 317 1059
6:00 pm – 7:00 pm 413 0* 499 425 475 29 362
7:00 pm – 8:00 pm 961 0* 876 781 761 0 923
8:00 pm – 9:00 pm 68 0* 354 415 263 0 215
9:00 pm – 10:00 pm 0 0* 742 664 561 0 0
Después de 10:00 pm 0 0* 0 3 16 0 0
Total, de salidas peatonales día.
8734 4489 9986 9205 8370 4330 8551
*Cierre de Facultad por disturbios públicos.
Fuente. Realizado por los Autores de las grabaciones de cámaras de seguridad física de la Universidad.
5.2.3 Análisis del tránsito peatonal.
El tránsito a través de la portería de la salida peatonal permite realizar el análisis estadístico, considerado el flujo peatonal de estudiantes, docentes y visitantes que circulan a través de la portería de salida por hora y que se podría generalizar para la entrada, dado que los mismos estudiantes, docentes y visitantes que salieron por la portería de salida peatonal, ingresaron por la portería de entrada peatonal, donde no se cuenta con cámara de grabación. No obstante, los totales de conteo en la hora presentan variaciones en las salidas de los peatones respecto a las mismas horas de los días, como se muestra en la Figura 12, por tal razón, se decide calcular la media de la misma hora, para los días lunes, martes, miércoles, jueves, y viernes, aplicando las ecuaciones (6) y (7) como el mejor estimado de medida ver totales tránsito peatonal día respecto Media Flujo Peatonal día en la Figura 13. No se incluye el sábado para cuantificar la media de flujo peatonal hora, dado que se tiene un menor número de salida de peatones en ese día, sin embargo; el sábado igualmente aportaría en la generación de energía eléctrica utilizando los dispositivos piezoeléctricos.
𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑝𝑒𝑎𝑡𝑜𝑛𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑚𝑖𝑠𝑚𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑎 = ∑ 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑎𝑡𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑚𝑖𝑠𝑚𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑎 (6)
𝑀𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑝𝑒𝑎𝑡𝑜𝑛𝑎𝑙 ℎ𝑜𝑟𝑎 =𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑝𝑒𝑎𝑡𝑜𝑛𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑚𝑖𝑠𝑚𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑎
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑑í𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎 (7)
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Figura 12. Tránsito peatonal en potería salida.
Fuente: Realizado por los Autores.
Figura 13. Totales Tránsito peatonal día, respecto Media Flujo Peatonal día.
Fuente: Realizado por los Autores.
Si bien, los totales de las salidas peatonales medidas en el día, son el resultado obtenido del conteo, la generación de energía no viene del número de los peatones cuantificados que transitan por las porterías, sino del número de pasos que estos puedan dar al caminar sobre la baldosa piezoeléctrica, y lo que dependerá del área abarcada por el arreglo de baldosas piezoeléctricas, dado que en un mayor arreglo de baldosas piezoeléctricas se
0
200
400
600
800
1000
1200
Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes Sábado
# D
E SA
LID
AS
PEA
TON
ALE
S
DÍAS Y HORAS DE CONTEO
Antes de 6:00 a.m. 6:00 am – 7:00 am 7:00 am – 8:00 am
8:00 am – 9:00 am 9:00 am – 10:00 am 10:00 am – 11:00 am
11:00 am – 12:00 m 12:00 m – 1:00 pm 1:00 pm – 2:00 pm
2:00 pm – 3:00 pm 3:00 pm – 4:00 pm 4:00 pm – 5:00 pm
8.734
8.551
9.986
9.205
8.370
8.969,2
7.500 8.000 8.500 9.000 9.500 10.000 10.500
Lunes
Martes
Miércoles
Jueves
Viernes
MEDIA FLUJO
CANTIDAD DE PEATONES
DÍA
S D
E C
ON
TEO
42
capturara un mayor número de pasos del peatón o las aplicaciones de fuerza que se realicen sobre las baldosas. Es por esto, que el potencial de generación eléctrica se analizará bajo la estructura del modelo estadístico de la Media de flujo peatonal hora, lo que nos permitirá extrapolarla a un periodo anual, con el que se podrá realizar el análisis técnico y económico de la viabilidad de generación a través de los dispositivos piezoeléctricos.
5.2.4 Modelo estadístico de flujo peatonal.
Con la media del flujo peatonal hora obtenida, se proyecta el flujo peatonal de estudiantes, docentes y visitantes que transitaran por alguna de las porterías de la Facultad al día, mes y año, aplicando las ecuaciones (8), (9) y (10), considerando 16 horas de clase al día, 20 días de clases al mes y 200 días de clases al año, para cada hora de medida los resultados arrojados se muestran en la Tabla 4.
𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑝𝑒𝑎𝑡𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑑í𝑎 = ∑ 𝑀𝑒𝑑𝑖𝑎 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑝𝑒𝑎𝑡𝑜𝑛𝑎𝑙 ℎ𝑜𝑟𝑎 (8)
𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑝𝑒𝑎𝑡𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑚𝑒𝑠 = 𝑀𝑒𝑑𝑖𝑎 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑝𝑒𝑎𝑡𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑑í𝑎 × 20 𝑑í𝑎𝑠 (9)
𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑝𝑒𝑎𝑡𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑎ñ𝑜 = 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑝𝑒𝑎𝑡𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑚𝑒𝑠 × 200 𝑑í𝑎𝑠 (10)
Tabla 4. Estadístico de Flujo Peatonal.
Mes Año
145 29 580 5.800
334 67 1.336 13.360
1.847 369 7.388 73.880
1.537 307 6.148 61.480
3.870 774 15.480 154.800
2.066 413 8.264 82.640
4.443 889 17.772 177.720
3.445 689 13.780 137.800
4.121 824 16.484 164.840
2.175 435 8.700 87.000
4.066 813 16.264 162.640
2.351 470 9.404 94.040
4.669 934 18.676 186.760
2.174 435 8.696 86.960
4.302 860 17.208 172.080
1.315 263 5.260 52.600
1.967 393 7.868 78.680
19 4 76 760
Salidas peatonales semana 44.846
Flujo peatonal día 8.969,2
Flujo peatonal mes 179.384
Flujo peatonal año 1.793.840
T
O
T
A
L
8:00 pm – 9:00 pm
9:00 pm – 10:00 pm
Después de 10:00 pm
Fracción horaria de conteo
Antes de 6:00 a.m.
6:00 am – 7:00 am
7:00 am – 8:00 am
8:00 am – 9:00 am
9:00 am – 10:00 am
10:00 am – 11:00 am
11:00 am – 12:00 m
12:00 m – 1:00 pm
7:00 pm – 8:00 pm
1:00 pm – 2:00 pm
2:00 pm – 3:00 pm
3:00 pm – 4:00 pm
4:00 pm – 5:00 pm
5:00 pm – 6:00 pm
6:00 pm – 7:00 pm
Flujo PeatonalSalidas
peatonales
semana
Media Flujo
Peatonal
hora
Fuente: Realizado por los Autores.
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6 ILUMINACIÓN PERIMETRAL, FACULTAD TECNOLÓGICA.
La Universidad Distrital Francisco José de Caldas, es una institución pública del gobierno de Bogotá D. C., en Colombia. Lleva su nombre en honor a Francisco José de Caldas, figura de la independencia de la Nueva Granada. Es una de las universidades con mayor población estudiantil del país. Su sede, la Facultad Tecnológica está ubicada en la Calle 68D Bis A, Sur No. 49F-70 o Transversal 70B No. 73 a 35 Sur en la ciudad de Bogotá, D.C., es creada mediante acuerdo 05 del 22 de junio de 1994 del Consejo Superior Universitario.
6.1 LEVANTAMIENTO DE CARGAS DE ILUMINACIÓN PERIMETRAL.
La iluminación perimetral de la UDFJ de Caldas, Facultad Tecnológica dispone de cinco diferentes tipos de lámparas, distribuidas en las circulaciones peatonales entre edificios, las cuales se ilustran y detallan en el Anexo 1. Las lámparas se encuentran instaladas en postes de tres metros de altura o, en diferentes fachadas de los edificios a alturas mayores de cuatro metros.
6.2 DEMANDA DE ENERGÍA DE LA ILUMINACIÓN PERIMETRAL.
Para determinar el consumo de energía de la iluminación perimetral se totalizan los consumos de los tipos de luminarias y la demanda de iluminación actual, como se muestra en la Tabla 5.
Tabla 5. Inventario de iluminación perimetral.
Tipos de luminarias actuales
Número de luminarias actuales
[Un]
Demanda por luminarias actuales
[W]
Demanda Total [W]
Farol Ornamental sodio en poste de 3 m 13 70 910
Lámpara Ornamental sodio en poste de 3 m 39 70 2730
Reflector Metal Halide 9 250 2250
Reflector Horizontal LED 5 70 350
Reflector LED 12 50 600
TOTAL 78 6840
Fuente: Consolidado realizado por los Autores Como no se conoce el tiempo exacto que se usan las luminarias, se define un supuesto de tiempo de uso de 12 horas; desde las 6:00 pm hasta el día siguiente con la entrada de la luz del sol, igualmente dado que el calendario académico de la Facultad Tecnológica costa de 2 semestres al año, y cada semestre es de aproximadamente de 4 meses, para efectos de los cálculos se tomara un periodo anual de 10 meses, equivalentes a 8 meses de clase y 2 meses más por trabajo de personal administrativo que inicia y termina labores antes y después de la jornada estudiantil, obteniéndose lo descrito en la Tabla 6.
Tabla 6. Demanda de energía iluminación perimetral Actual.
Día [kWh] Mes [kWh] Año [kWh]
82,08 2462,4 24.624 Fuente: Realizado por los Autores.
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6.3 COSTO POR ILUMINACIÓN PERIMETRAL.
Para calcular el costo de energía consumida por las luminarias actuales, se toma el valor de 363,2 $/kWh del periodo facturado en el mes de abril del año 2017, pagado por la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, de acuerdo a lo indicado por División de Recursos Físicos Universidad Distrital, obteniéndose lo indicado en la Tabla 7.
Tabla 7. Costo de energía por iluminación perimetral Actual.
Día [$] Mes [$] Año [$]
29811,46 894343,68 8.943.436,8 Fuente: Realizado por los Autores.
6.4 ALTERNATIVA DE ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO.
6.4.1 Consideraciones de diseño.
En la proyección de alumbrado, se realiza una revisión del Reglamento Técnico de Iluminación y Alumbrado Público RETILAP (RETILAP, 2010), con el fin de identificar los parámetros requeridos para iluminar las diferentes zonas peatonales de Facultad Tecnológica, reglamento expidió por el Ministerio de Minas y Energía en la Resolución 180540 del 30 de marzo 2010, por la cual se estableció las reglas generales que se deben tener en cuenta en los diseños de sistemas de iluminación interior y exterior, incluyendo el alumbrado público, en el territorio colombiano, inculcando el uso racional y eficiente de energía en iluminación. La adecuada selección y manejo de estos parámetros asegurarán que la instalación de iluminación proyectada cumpla con los requisitos energéticos y de conformidad establecidos por el RETILAP, sumado a las condiciones físicas y arquitectónicas de los espacios a iluminar, sus condiciones ambientales y su entorno.
6.4.2 Consideraciones para zonas de tráfico peatonal.
Las zonas destinadas a tráfico de peatones deben contar con niveles de iluminación conformes a los requerimientos del lugar, estos radican básicamente en la distinción de los elementos presentes en el paso (a manera de guía visual). Estas zonas deben presentar mayor nivel de uniformidad en la iluminación, garantizarse que los peatones, puedan distinguir la textura y diseño del pavimento, la configuración de bordillos, escalones marcas y señales; adicionalmente debe ayudar a evitar agresiones al transitar por estas. En el RETILAP se presentan las siete clases de iluminación para los diferentes tipos de vías en áreas peatonales de acuerdo a sus necesidades lumínicas, de la cual la clase P1. Vías de muy elevado prestigio urbano, se ajusta al tránsito peatonal presente en la Facultas Tecnológica. Igualmente, en el RETILAP, se define las clases de iluminación, los valores de iluminancia que se deben satisfacer los distintos tipos de vías peatonales, esta aplica para zonas peatonales ligadas a vías públicas, por ende, para los andenes únicamente se debe cumplir con un valor de iluminancia promedio y mínimo, la cual coincide con el factor de nivel de
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iluminación que especifica la norma International Commission on Ilumination CIE, para zonas abiertas con acceso al público, con alrededores obscuros (CIE, 2007), entre 7,5 Luxes como valor mínimo y 20 Luxes como valor promedio.
6.4.3 Selección de luminarias.
Se consideran luminarias a base de tecnología LED3 tipo exterior, ya que presenta ventajas respecto a la iluminación convencional, tales como eficiencia, vida útil de mayor que las lámparas tradicionales, por ejemplo las más comunes cuentan con 50 mil horas de vida útil, temperatura del color emitida más blanca y agradable a los ojos, ecológicas al no poseer elementos tóxicos y contaminantes que generen daños en el ambiente, y específicamente las lámparas SCHRÉDER tipo LED, descritas en la Figura 14.
Figura 14. Lámparas seleccionas para proyección de iluminación perimetral.
Luminaria CMS LED (modelos: Citea LED, Maya LED y Scala LED)
Luminaria FRIZA LED
El modelo CITEA LED, resulta ideal para iluminar calles residenciales, carreteras
urbanas, carriles para bicicletas, zonas peatonales y aparcamientos.
Diseñadas para iluminar calles estrechas, caminos peatonales, carriles para bicicleta.
IP 65 de Hermeticidad IP 66 de Hermeticidad
16 LED 16 LED
26 [W] consumo de potencia 26 [W] consumo de potencia
3100 [lm] Flujo nominal 3100 [lm] Flujo nominal
Altura de montaje de 4 a 6 m Altura de montaje de 3,5 a 5 m
Fuente: (SCHRÉDER, 2014).
6.5 PROPUESTA ILUMINACIÓN PEATONALES PERIMETRAL FACULTAD.
6.5.1 Cálculo por el método del Coeficiente de Utilización.
En la proyección del sistema de Iluminación exterior para vías de circulación, uno de los documentos fotométricos que identifica una luminaria es la curva del coeficiente de utilización K, Figura 15, la cual sirve para calcular la distancia de separación (S) adecuada entre las luminarias garantizando el nivel de iluminancia media; a partir del conocimiento de la geometría del área considerada, la disposición de las luminarias y la Iluminancia media (Lm) necesaria sobre el camino.
3 Iluminación electrónica LED, su sigla se debe a la expresión “Light Emitting Diode” o, en español, diodo emisor de luz. Esta tecnología se basa en la generación de luz en forma directa, por excitación de los electrones de los átomos del semiconductor del LED, los que, al alcanzar la energía necesaria, se desprenden en forma de fotones “partículas atómicas de luz”.
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Figura 15. Factores de coeficiente de utilización, luminarias tipo exterior.
Distribución coeficiente de utilización Curvas de coeficiente de utilización
Fuente: (RETILAP, 2010). Las curvas del coeficiente de utilización K, expresan el porcentaje del flujo luminoso emitido por la luminaria que cae sobre la superficie del camino en función del ancho del mismo. Una luminaria de Alumbrado Público tiene dos curvas K; la primera, denominada K1, representa el flujo luminoso hacia el frente, hacia adelante, hacia el camino, la segunda, denominada K2, representa el flujo luminoso hacia atrás, hacia las casas, hacia el andén, hacia la zona verde. Así entonces, con un esquema distribución tipo, dada la irregularidad física de la circulación peatonal de la Facultad Tecnológica, y dependiendo de su posición respecto al camino a iluminar; e igual, suponiendo todas las luminarias localizadas del mismo lado como se muestra en el Anexo 2, se determina el coeficiente de utilización total KT en la luminaria involucrada del esquema tipo de distribución. Para la proyección de alumbrado de las áreas de circulación peatonal de la Facultad Tecnológica, se consideran las siguientes medidas tipo; en caminos, andenes, zonas verdes y altura de montaje de la luminaria según lo indicado en el Anexo 2, medidas que permitirán determinar las curvas del coeficiente de utilización K, de las ecuaciones (11), (12), (13) y (14).
Luminaria CITEA LED MINI Luminaria FRIZA LED
𝑊 = 3,5 [𝑚] 𝑊1 = 3,3 [𝑚] 𝑊2 = 0,2 [𝑚] 𝐻 = 4,0 [𝑚]
𝐾1 ∶𝑊1
𝐻=
3,3
4,0= 0,825 (11)
𝐾2 ∶𝑊2
𝐻=
0,2
4,0= 0.05 (12)
𝑊 = 3,5 [𝑚] 𝑊1 = 3,7 [𝑚] 𝑊2 = 0,2 [𝑚] 𝐻 = 4,0 [𝑚]
𝐾1 ∶𝑊1
𝐻=
3,7
4,0= 0,925 (13)
𝐾1′ ∶
𝑊2
𝐻=
0,2
4,0= 0.05 (14)
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Dónde: W, ancho del camino a iluminar. W1, lado del camino. W2, lado del andén. H, altura de montaje de luminaria, cuanto mayor sea la altura del mástil, mayor potencia será necesaria para lograr la iluminación requerida, pero el resultado será más uniforme. En la disposición de las luminarias, los postes pueden estar colocados de un solo lado de la calle o de ambos, de forma escalonada o bilateral. S, distancia de separación entre luminarias, cuanto más larga sea la distancia, menor será el nivel de iluminación, y. mayor la desigualdad en la misma. Para efectos de cálculo se cataloga el camino de circulación como tipo E; vías en las cuales la sección de circulación tiene un ancho inferior a los 5 metros (INVÍAS, 2008), con clase de alumbrado P1, donde la iluminación media requerida es de 20 luxes, igualmente se selecciona una disposición de las luminarias unilateral, con lámparas de flujo luminoso mayor a 3000 lúmenes a una altura de montaje de las lámparas de cuatro (4) metros de tal manera, que considerando un ancho del camino de 3.5 metros, se cumpla la relación ancho del camino a iluminar (W) respecto a la altura de montaje de la luminaria (H) menor a uno W/H<1. Siguiendo lo establecido en el RETILAP, seccion 530.2.2. Método del coeficiente de utilización de las curvas K, de las luminarias CITEA LED MINI y FRIZA LED, se obtiene el porcentaje de curva de utilización definido en los trazos que se muestran en la Figura 16, que al llevarlos a los cálculos de las ecuaciones (15) y (16), se determina el coeficiente de utilización total KT, en cada luminaria.
Figura 16. Curvas de coeficiente de utilización definido.
Luminaria CITEA LED MINI, Schréder.
Ref. 343862. Luminaria FRIZA LED, Schréder.
Ref. 33467S.
Fuente: Software de iluminación Ulysse 3.
Luminaria CITEA LED MINI Luminaria FRIZA LED
𝐾1 = 33%
𝐾2 = 2%
𝐾𝑇 = 𝐾1 + 𝐾2 = 35% (15)
𝐾1 = 24%
𝐾1
′ = 2%
𝐾𝑇 = 𝐾1 − 𝐾1′ = 22% (16)
48
6.5.2 Cálculo de distancia de separación (S).
A partir de la ecuación de Iluminancia media ecuación (17), se puede despejar la distancia de separación entre luminarias (S), obteniendo la ecuación (18), y así calcular la distancia de separación entre las luminarias seleccionadas.
𝐸𝑚 = ∅ ∙ 𝐾𝑇 ∙ 𝐹𝑀
𝑆 ∙ 𝑊 (17)
𝑆 =∅ ∙ 𝐾𝑇 ∙ 𝐹𝑀
𝐸𝑚 ∙ 𝑊 (18)
Dónde: 𝐸𝑚, Iluminancia media sobre la calzada en Luxes. Φ, Flujo mantenido de la bombilla en Lúmenes. KT, Coeficiente de utilización del sistema total calculado. FM, Factor de mantenimiento. Considera un factor de mantenimiento (𝐹𝑀) de acuerdo a las características de la zona (Ministerio de Minas y Energía Colombia, 2008), mayor a 0,80 por ejemplo 0,85 por ser un lugar de nula polución vehicular y encontrarse en medio de edificios, se obtiene la distancia de separación de las luminarias seleccionadas, así:
Luminaria CITEA LED MINI Luminaria FRIZA LED
𝑆 =3100 ∙ 0,35 ∙ 0,85
20 ∙ 3,5= 13,17 𝑚
Distancia de separación de luminarias
seleccionada.
𝑆 = 13 𝑚
𝑆 =3100 ∙ 0,22 ∙ 0,85
20 ∙ 3,5= 8.28 𝑚
Distancia de separación de luminarias
seleccionada.
𝑆 = 8 𝑚 Las distancias (S) 13 metros, y 8 metros, seleccionadas para separar las luminarias CITEA LED MINI Y FRIZA LED respectivamente permiten mantener la iluminancia media requerida de 20 luxes, cumpliendo lo exigido para la iluminación de vías de tráfico peatonal.
6.5.3 Cálculo luminotécnico, utilizando el software DIALux.
DIALux es una herramienta de cálculo, que permite el desarrollo matemático y las visualizaciones de proyectos de iluminación, este programa gratuito a la vez permite realizar análisis cuantitativos rápidos, tiene un funcionamiento sencillo generando visualizaciones en tercera dimensión y permitiendo también visualizar la distribución de la intensidad luminosa, al igual que el RETILAP, la norma europea CEN/TR 13201-1 (European Committee for Standardization, 2004) define a las áreas públicas con más de un componente vial, incluyendo en este las áreas peatonales, sin embargo esta norma permite el cálculo de los parámetros lumínicos de todos los componentes viales por separado, para clasificar los requerimientos lumínicos en DIALux, dependiendo de las características de la zona a iluminar.
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Ya en DIALux, se realiza la simulación de cada una de las luminarias seleccionadas, ingresando al software; las características técnicas de la luminaria; Figura 14, la configuración física de la calzada peatonal y la ubicación de la luminaria, igualmente se clasifica la zona por la velocidad del tránsito de acuerdo a lo definido en (Morente M., 2008), siendo la Clasificación E, con un tipo de vía peatonal, y una la velocidad del tráfico rodando menor o igual a 5 km/h, igualmente se establece el subgrupos dentro de la clase de alumbrado para las vías tipo E, resultando la situación de proyecto E2, zonas comerciales con acceso restringido y uso prioritario de peatones, con un flujo de tráfico de peatones alto y una clase de alumbrado CE2. Finalmente, se designa el factor de mantenimiento (FM), de acuerdo a las características de la zona y el tipo de luminaria (Ministerio de Minas y Energía Colombia, 2008), de 0,80, para luminarias tipo cerrado, vía de tránsito peatonal, nivel de suciedad bajo, y mantenimiento de limpieza muy bajo, de tal forma que la simulación en DIALux coincida con la calzada peatonal de la Facultad Tecnológica
6.5.3.1 Planificación en software DIALux para CITEA LED MINI.
Perfil de la vía: pública Clase de iluminación seleccionada: CE2 Camino peatonal; anchura de 3,5 m Factor mantenimiento: 0,80 Luminaria: SCHREDER CMS LED MINI, 5102, 16 LEDS, 500mA, Ref. 343862. Flujo luminoso (Luminaria): 2566 lm Flujo luminoso (Lámparas): 3168 lm Potencia de las luminarias: 26,0 W Organización unilateral abajo Distancia entre mástiles: 13,0 m Altura del punto de luz: 4,0 m Inclinación del brazo: 0,0° Longitud del brazo: 0,5 m
6.5.3.2 Resultados luminotécnicos obtenidos para CITEA LED MINI.
Figura 17. Iluminancia real según el cálculo luminaria CITEA LED MINI.
Fuente: Software de iluminación DIALux (Simulación realizada por los Autores).
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Dónde: 𝐸𝑚, iluminancia media. 𝐸𝑚𝑖𝑛, iluminancia mínima.
𝐸𝑚𝑎𝑥, iluminancia máxima. 𝐸𝑚𝑖𝑛
𝐸𝑚, coeficiente de uniformidad de iluminancia (𝑈0).
𝐸𝑚𝑖𝑛
𝐸𝑚𝑎𝑥, coeficiente de uniformidad de iluminancia general (𝑈𝑒).
6.5.3.3 Coeficiente de Uniformidad de Iluminancia para CITEA LED MINI.
De los puntos evaluados en el campo típico de la vía, donde 𝐸𝑚í𝑛 corresponde al punto de
menor iluminancia entre todos los puntos calculados, y el 𝐸𝑚 corresponde, a la media de iluminancia calculada entre todos los puntos considerados, se determina el Coeficiente de Uniformidad de Iluminancia (𝑈0) como la relación entre la Iluminación Mínima y la Iluminación Media, con unidad en por ciento, tal como se especifica en la ecuación (19).
𝑈0 =𝐸𝑚í𝑛
𝐸𝑚 (19)
𝑈0 =16 𝐿𝑋
26 𝐿𝑋= 0,615
Entonces, de los valores obtenidos en la simulación realizada en DIALux para la luminaria CITEA LED MINI, se concluye que la vía peatonal de las características descritas cumplen con todos los requerimientos fotométricos, dado que se tendría una Iluminancia Media (𝐸𝑚)
de 26 Lx de 20 Lx requeridos, una Iluminancia Mínima (𝐸𝑚𝑖𝑛) de 16 Lx de 7,5 Lx requeridos, igualmente se tendría en la vía peatonal una Uniformidad de Iluminancia de 0,61% de un requerimiento ≥ 40% según la clase, garantizándose la calidad de Iluminación de la vía
peatonal de la Facultad Tecnológica.
6.5.3.4 Planificación en software DIALux para FRIZA LED.
Perfil de la vía: pública Clase de iluminación seleccionada: CE2 Camino peatonal; anchura de 3,5 m Factor mantenimiento: 0,80 Luminaria: SCHREDER FRIZA, 5102, 16 LEDS, 500mA, Ref. 33467S. Flujo luminoso (Luminaria): 2581 lm Flujo luminoso (Lámparas): 3168 lm Potencia de las luminarias: 26,0 W Organización unilateral abajo Distancia entre mástiles: 8,0 m Altura del punto de luz: 4,0 m Inclinación del brazo: 0,0° Longitud del brazo: 0,0 m
51
6.5.3.5 Resultados luminotécnicos obtenidos para FRIZA LED.
Figura 18. Iluminancia real según el cálculo luminaria FRIZA LED.
Fuente: Software de iluminación DIALux (Simulación realizada por los Autores).
6.5.3.6 Coeficiente de Uniformidad de Iluminancia para FRIZA LED.
Ahora, resolviendo la ecuación (19) con los valores obtenidos en para FRIZA LED., se obtendrá el Coeficiente de Uniformidad de Iluminancia (𝑈0), utilizando esta luminaria.
𝑈0 =𝐸𝑚í𝑛
𝐸𝑚=
16 𝐿𝑋
25 𝐿𝑋= 0,64
Así entonces, de los valores obtenidos en la simulación realizada en DIALux para la luminaria FRIZA LED, se concluye que la vía peatonal de las características descritas cumplen todos los requerimientos fotométricos, dado que se tendría una Iluminancia media (𝐸𝑚) de 25 Lx de 20 Lx requeridos, una Iluminancia Mínima (𝐸𝑚𝑖𝑛) de 16 Lx de 7,5 Lx requeridos, igualmente se tendría en la vía peatonal una Uniformidad de Iluminancia de 0,64% de un requerimiento ≥ 40% según la clase, garantizándose la calidad de iluminación de la vía peatonal de la Facultad Tecnológica.
6.5.4 Distribución de luminarias del alumbrado perimetral con LED
Si bien la actual iluminación perimetral de la Facultad Tecnológica dispone de reflectores tipo LED, y lámparas convencionales de sodio y Metal Halide, tal como se muestra en la Tabla 5, se proyecta el cambio total de las luminarias de iluminación perimetral por tecnología LED, buscando mejorar la eficiencia energética, y sobre todo reducir el consumo de energía factor indispensable para considerar alimentarlas eléctricamente con una fuente de energía que dependa del efecto piezoeléctrico. Sustituir las luminarias existentes del alumbrado perimetral de Facultad de acuerdo a lo descrito en la Tabla 8, previéndose adicional 20 luminarias, para aquellos lugares que por la distancia de separación actual están fuera de la distancia calculada de separación de las luminarias CITEA LED MINI y FRIZA LED, de 13 metros y 8 metros respectivamente, de tal forma que se mantenga la iluminancia media requerida de 20 luxes y la iluminancia mínima de 7,5 luxes cumpliendo los parámetros exigido para la iluminación de vías de tráfico peatonal.
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Tabla 8. Proyección de luminarias LED necesarias.
Luminarias actuales Luminaria LED que
sustituyen las actuales
Número de luminarias
LED requeridas
[Un]
Consumo luminarias
LED [W]
Demanda Total LED
[W]
Farol Ornamental sodio en poste de 3 metros
FRIZA LED, en poste 13 26 338
Lámpara Ornamental sodio en poste de 3
metros CITEA LED MINI, en poste 39 26 1014
Reflector Metal Halide CITEA LED MINI, en muro 9 26 234
Reflector Horizontal LED CITEA LED MINI, en muro 5 26 130
Reflector LED CITEA LED MINI, en muro 12 26 312
Adicional CITEA LED MINI
en poste 5 26 130
Adicional CITEA LED MINI
en muro 5 26 130
Adicional FRIZA LED, en
poste 10 26 260
TOTAL 98 2548
Fuente: Realizado por los Autores.
6.5.4.1 Demanda de energía eléctrica por iluminación con LED.
Aplicando el mismo supuesto que para las luminarias actuales, se considera un tiempo de uso de 12 horas desde las 6:00 pm hasta el día siguiente con la entrada de la luz del sol la demanda de energía al día, será lo indicado en la Tabla 9.
Tabla 9. Demanda de energía iluminación perimetral LED.
Día [kWh] Mes [kWh] Año [kWh]
30,58 917,28 9.172,8 Fuente: Realizado por los Autores.
6.5.4.2 Costo por iluminación perimetral con LED.
Para calcular el costo de energía consumida por las luminarias LED, igualmente se toma el valor de 363,2 $/kWh del periodo facturado en el mes de abril del año 2017, pagado por la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, obteniéndose lo indicado en la Tabla 10.
Tabla 10. Costo de energía por iluminación perimetral LED.
Día [$] Mes [$] Año [$]
11.105,2 333.156,1 3.331.560,96 Fuente: Realizado por los Autores.
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6.6 COSTO IMPLEMENTACIÓN DEL ALUMBRADO PERIMETRAL CON LED.
El costo de la implementación obedece al desmonte de las luminarias existentes, el suministro de las luminarias LED y accesorios de montaje, la construcción civil y adecuación eléctrica de las luminarias LED adicionales, junto con la mano de obra necesaria para la instalación y posteriormente en funcionamiento las actividades de mantenimiento anual y reposición, tal como se detalla en la Tabla 11.
Tabla 11. Costo de implementación del alumbrado perimetral con LED.
Ítem Descripción Unidad CantidadValor
UnitarioValor Total
1,0 Desconexión y desmonte de luminarias
existentes. Un 78 4.944 385.632
2,0 Obra Civil
2,1 Construcción de caja de inspección para
alumbrado ornamental. Un 20 133.791 2.675.820
2,2 Canalización para ductos PVC de Ø1”. Ml 100 8.694 869.400
2,3 Canalización para ductos PVC de Ø1¼”. Ml 80 9.694 775.520
2,4 Construcción base de concreto para
montaje de luminaria ornamental. Un 67 59.651 3.996.617
3,0 Obra Eléctrica
3,1 Luminaria Schréder FRIZA LED 26W, en
poste. Un 23 531.992 12.235.816
3,2 Luminaria Schréder CITEA LED MINI 26W,
en poste Un 44 531.992 23.407.648
3,3 Luminaria Schréder CITEA LED MINI 26W,
en muro Un 29 457.342 13.262.918
3,4 Salidas eléctrica de luminaria. Un 98 75.727 7.421.246
Total costo Implementación 65.030.617
4,0 Mantenimiento Año 1 405.000 405.000 Fuente: Realizado por los Autores
Los costos adicionales correspondientes a actividades de mantenimiento anual y la reposición de las lámparas de acuerdo a su vida útil, dependen específicamente de la consideración del fabricante, quien estipula una vida útil de 50 mil horas, que para un uso diario de 12 horas se obtendría una vida útil en años de acuerdo a lo demostrado en la ecuación (20).
𝑉𝑖𝑑𝑎 ú𝑡𝑖𝑙 𝐿𝐸𝐷 = 50000 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 ×1 𝑑í𝑎
12 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠×
1 𝑚𝑒𝑠
30 𝑑í𝑎𝑠×
1 𝑎ñ𝑜
12 𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠= 11,57 𝑎ñ𝑜𝑠 (20)
Para la obtención de los costos unitarios de las lámparas LED y los materiales necesarios para la instalación, se acude a información de Internet, y para la definición de los costos de mano de obra se aplica lo definido por la Asociación Colombiana de Ingenieros ACIEM, en el manual de referencia de tarifas para la contratación de servicios (ACIEM, 2015) y lo definido por Construdata para establecer el valor real del salario en Colombia, 2016 (Construdata, 2016), junto lo determinado en la Ley 1562 de 2012 para el Sistema de Riesgos Profesionales del Ministerio de Salud y Protección Social de Colombia (MINSALUD, 2012), en donde se establecen guías, reglamentos y Leyes en cuanto a los condicionamientos laborales y las disposiciones de salud.
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7 GENERACIÓN DE ENERGÍA UTILIZANDO DISPOSITIVO PIEZOELÉCTRICO.
7.1 DISPOSITIVO PIEZOELÉCTRICO DISPONIBLES EN MERCADO.
La creciente demanda de energía y la necesidad de conservación del planeta ante los problemas ambientales han llevado a explorar nuevas fuentes de generación de energía, desarrollando tecnologías como los dispositivos piezoeléctricos, que aprovechan la energía generada proveniente de actividades como el caminar humano, pudiéndose capturar y posteriormente utilizar en la alimentación de dispositivos eléctricos o electrónicos de bajo consumo. Andar es una actividad que se realiza a diario, presenta gran cantidad de beneficios para la salud, además se puede aprovechar para producir energía en las ciudades, por esto empresas como; Powerleap, Pavegen, Innowattech, Energy Floors, Soundpower y Waynergy Floor, han creado dispositivos a base del efecto piezoeléctrico comúnmente llamadas baldosa piezoeléctricas que generan electricidad por medio de la energía mecánica producida por el paso o tránsito peatonal, donde cada una de estas empresas presenta sus propios márgenes de generación de energía. No obstante, la generación de energía eléctrica utilizando las baldosas piezoeléctricas depende esencialmente de los aspectos constructivos de la baldosa y de las particularidades de la marcha humana.
7.1.1 Dispositivos POWERFLOOR.
La baldosa Powerfloor de la empresa POWERLeap, presenta la forma que se muestra en la Figura 19, está es armada sobre una estructura de aluminio de 3 [cm] de altura, 50 [cm] de ancho y 50 [cm] de largo, soportando hasta 100 [KN] de peso. Sobre esta estructura se instalan dos placas metálicas de aluminio de 3 y 4 [mm] de espesor, que pueden desplazarse hasta 5 mm en toda su superficie (al ser pisadas). En medio de las dos placas, se encuentra incrustado el material piezoeléctrico.
Figura 19. Baldosa Powerfloor - POWERLeap.
Fuente: (Harvest Energy, 2008)
El material piezoeléctrico utilizado por la baldosa Powerleap, es un compuesto de macrofibras piezoeléctricas (MFC), de 8.4 [cm] de largo y de 8.3 [cm] de ancho, polarizado
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en paralelo, desarrollado en la NASA Langley Research Center, y que consta de finas fibras de sección trasversal rectangular de titanato zirconato de plomo (PZT), incrustadas en una película polimérica adhesiva que combina propiedades eléctricas, térmicas, químicas y mecánicas, para ambientes exigentes con temperaturas extremas y vibraciones, para finalmente ser cubierta con un patrón de electrodos interdigitados (Sodano H., 2003). Una baldosa Powerleap está diseñada para una vida útil de 20 o más años, y el fabricante estima una recuperación de la inversión, en períodos de 3 a 5 años, (POWERLeap, 2011)
7.1.2 Dispositivos PAVEGEN.
Las baldosas Pavegen aprovechan la energía cinética que producen la pisada de los transeúntes sobre la baldosa para generar electricidad, están fabricadas en un 80% de materiales reciclados, ya que la parte superior de la baldosa es una goma reciclada al 100% proveniente de neumáticos de automóviles reciclados. Las baldosas son resistentes al agua, por lo que pueden soportar lluvia, nieve y hielo; y las pruebas efectuadas han demostrado que podrían durar al menos cinco años, pero sus fabricantes afirman que lo ideal sería que duraran 20. El principio de funcionamiento de la baldosa es mediante el uso de resortes, colocados en la parte interna de la baldosa, que al pisarla accionan los resortes presionando los cristales asimétricos, generando la energía eléctrica, energía que posteriormente se acumula en las baterías. Un paso genera 7 Vatios de electricidad, aunque depende del peso de la persona, y cada paso empuja 5 milímetros hacia abajo la goma, diferencia imperceptible para los peatones. Las primeras versiones de baldosas Pavegen, eran rectangulares, la actual generación es triangular Figura 20.
Figura 20. Baldosas Pavegen.
Baldosa Pavegen original (2009) Baldosa Pavegen V3.
Fuente: (Pavegen Systems, 2017) Estas baldosas triangulares utilizan cada vértice del triángulo, disponiendo de un generador por esquina, que a la pisada la fuerza que se ejerce sobre la baldosa acciona un volante de inercia que gira hasta convertir la energía cinética en energía eléctrica, gracias a la inducción electromagnética. Esta versión es capaz de generar 5 Vatios de potencia continua al caminar sobre una de las losas, siendo 200 veces más eficiente que el primer modelo (Linkedin Pavegen, 2016). Las baldosas Pavegen, están pensadas para utilizarse en zonas en las que se concentra mucha gente, como estaciones de tren, de metro, de autobús, aeropuertos, colegios y centros comerciales. La energía generada por millones de pisadas
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puede ser utilizada en múltiples aplicaciones, como iluminación de señales y anuncios digitales o zonas Wi-Fi.
7.1.3 Dispositivos INNOWATTECH.
El Instituto de investigación Technion y posteriormente la empresa Innowattech Energy Harvesting Systems, ha desarrollado sistemas piezoeléctricos para la obtención de energía tanto en tráfico de personas, como en tránsito de vehículos y trenes, han dado a conocer proyectos pilotos de generadores piezoeléctricos, instalados a lo largo de vías vehiculares, permitiendo producir 200 kWh de electricidad suficiente para satisfacer el consumo medio de entre 200 y 300 hogares, también han instalado en vías férreas, generando 120 kilovatios de energía renovable por hora de un promedio de 15 trenes de 10 vagones cada uno por hora, producción de energía que se ha empleado para colaborar en la alimentación eléctrica de los trenes o de las señales ferroviarias (CIDINI, 2010). El mayor avance de esta tecnología se basa en generadores piezoeléctricos, que poseen habilidades únicas para captar energía a partir del peso, movimiento, vibraciones y cambios de temperatura, ofreciendo generadores específicos para carreteras, vías férreas, pistas de aterrizaje y circulación de peatones, creado cuatro versiones diferentes de Innowattech Piezo Electric Generator (IPEG): un generador de carretera, un generar de vía de tren, un generador de pista de despegue, y un generador de tránsito peatonal, producto que ha sido desarrollado para lugares con un gran número de peatones, aprovechando el movimiento humano al caminar, correr, bailar etc., Figura 21, pudiendo recolectar a la vez la energía del peso, el movimiento o cambios térmicos. En general, Innowattech, ha dado con una nueva generación de generadores piezoeléctricos que cosechan la energía mecánica de las calles, autopistas y rieles con el paso de los vehículos y trenes en cuyo caso el sistema se ubica bajo el asfalto, de tal manera que soporte la presión de los vehículos, y donde la producción de energía presente está en función del número de vehículos, su peso y velocidad.
Figura 21. Generadores piezoeléctricos Innowattech.
Fuente: (Innowattech, 2010)
57
7.1.4 Dispositivos ENERGY FLOORS.
Energy Floors, antes conocida como Club de Baile Sostenible (SDF); es una empresa que está revolucionando el panorama de la energía sostenible al transformar la energía cinética que se produce al caminar o bailar en energía eléctrica, todo ello con el fin de concienciar sobre la energía alternativa en el mundo. Energy Floor, con el producto Sustainable Dance Floor (SDF), que al ser pisado y flexionarse crean un movimiento que se transforma en energía eléctrica, por medio de un pequeño generador interno, donde cada módulo de Sustainable Dance Floor de tamaño de 75x75x20 cm puede producir hasta 35 Vatios de salida sostenida de entre 5 y 20 Vatios por persona, alimentando las luces LED de una pista de baile creando una atmósfera de discoteca y proporcionando al público una experiencia interactiva, y con un segundo producto Sustainable Energy Floor (SEF), pueden capturar y convertir la energía cinética de las zonas peatonales concurridas como estadios deportivos, aeropuertos o estaciones de ferrocarril, en electricidad utilizable de un paso o movimiento en la baldosa Energy Floors puede generar entre 2 a 20 Joule, en función del peso de la persona, el tipo de movimiento y la deflexión máxima. La tecnología Sustainable Energy Floor (SEF) de Energy Floors es un sistema de suelo peatonal totalmente reciclable que puede ser utilizado en pavimentos y zonas altas de pisadas, como centros comerciales u oficinas y bloques de apartamentos; permitiendo a las personas generar su propia energía para iluminar el espacio a su alrededor; o bien, que la energía pueda ser utilizada para alimentar los sistemas locales, tales como alumbrado público y sistemas de señalización. Este sistema Sustainable Energy Floor (SEF) el material de suelo es convencional, la capa superior de la planta de energía sostenible es de una variedad de materiales duraderos como corian (material sintético), madera o bambú, como se muestra en la Figura 22.
Figura 22. Suelos Sustainable Energy Floor (SEF).
Fuente: (Energy Floors, 2008).
7.1.5 Dispositivos SOUNDPOWER.
La compañía Yoshiaki Takuya de Soundpower Corp., creó la alfombra piezoeléctrica Figura 23, capaz de generar 0,1 Watios en el segundo que una persona de 135 libras de peso aproximadamente la toma para pisarla, pudiendo generar cantidades significativas de
58
energía cuando están cubriendo una gran área de espacio y miles de personas están pisando o saltando sobre ellas.
Figura 23. Estera de energía piezoeléctrica Soundpower.
Fuente: (Fermoso, 2008) La alfombra piezoeléctrica regularmente es de 90 centímetros cuadrados por 2,5 centímetros de espesor, genera electricidad cada vez que una persona camina sobre ella, creando una tensión de energía aplicando una carga entre las hojas de material en el momento del impacto, o lo que algunos denominan; estrés mecánico aplicado, energía que se almacena dentro de los condensadores para posteriormente ser enviada a su consumo (Fermoso, 2008).
7.1.6 Dispositivos Waynergy.
WAYDIP es una firma portuguesa enfocada en la investigación y el desarrollo tecnológico, para mejorar la eficiencia energética del transporte. La empresa ha desarrollado el sistema Waynergy People, Figura 24, que puede capturar la energía cinética producida por las personas y el movimiento de vehículos y transformarla en energía eléctrica.
Figura 24. Suelos de pavimento Waynergy People.
Fuente: (WAYDIP, 2010)
59
Los pavimentos y/o suelos de pavimento Waynergy People constituyen una posible solución para integrar la producción de energía en las zonas urbanas de lugares tales como centros comerciales, hospitales, escuelas, parques públicos, etc. El factor determinante para la generación de energía es el peso ejercido sobre el suelo equipado con Waynergy, cuanto más pesado sea el elemento que pasa sobre el suelo, más potencia se genera. Cada sistema de placas o baldosas ha incorporado pequeños motores que producen energía cuando se presiona y almacenan esta energía en baterías que se pueden utilizarse en tiempo real o en una etapa posterior, (Duarte, 2016).
7.1.7 Especificaciones y Características Técnicas de los Dispositivos
Piezoeléctricos.
Los dispositivos piezoeléctricos como fuentes de generación de energía eléctrica a través de la pisada humana, pueden identificarse según sus especificaciones y características técnicas de usos, en la Tabla 12, se consolidan los dispositivos piezoeléctricos disponibles en el mercado respecto al tipo de tecnología a utilizar en el presente Análisis Técnico y Económico. La consecución del costo o el precio de las baldosas piezoeléctricas referenciadas, no viene siendo un ejercicio fácil de adquirir, ya que en Colombia no se tiene representación alguna de los dispositivos indicados, y en la web la información al respecto no es precisa. Sin embargo, en entrevistas y conversaciones encontradas en documentos de Internet los fabricantes o representantes de los productos Pavegen V3, Triangular, Sustainable Energy Floor, SEF, y Waynergy People, especifican un posible valor comercial el cual se señala en la Tabla 12, igualmente se ha utilizado para realizar el análisis económico del potencial de generación eléctrica a través de dispositivos piezoeléctricos.
60
Tabla 12. Especificaciones técnicas y costos de los dispositivos piezoeléctricos.
Fuente: Consolidado realizado por Autores.
Dispositivo Piezoeléctrico
Empresa PAVEGEN ENERGY FLOORS Waynergy WAYDIP
Producto Baldosa Pavegen V3,
Triangular Suelos Sustainable Energy Floor, SEF
Baldosa Waynergy People
Medidas 50 [cm] por cada borde 50x50x8 [cm] 40x40 [cm]
Energía generada
Energía continúa de 5 Vatios a partir de cada paso, y tensión entre 12V y 48V (Pavegen, Technology V3, 2017)
Un paso en SEF generan entre 2 a 20 Joule, o producir de 7 hasta 30W por pisada (Energy Floors, 2016)
Genera 10 Vatios por paso, (WAYDIP, Waynergy, 2016)
Estimado de vida [años]
5 años equivalentes a unos 20 millones de
pisadas 15 Desconocido
Costo comercial
£1000 (Libras Esterlinas) por metro cuadrado. (Pavegen, Technology V3, 2017)
Entre €500 y €1700 (euros) por baldosa.
(Energy Floors, 2016)
€400 (Euros) por baldosa. (WAYDIP, Waynergy, 2016)
Tasa de Cambio COP/GBP = $4019,42 COP/EUR = $3683
Costo en pesos colombianos
Costo Baldosa Pavegen, V3
Triangular por unidad, considerando que cada m² contiene 8
baldosas = $502427,01
Costo Baldosa Sustainable Energy Floor, considerando 500 Euros como el
costo de una unidad de baldosa =
$1841500
Costo Baldosa Waynergy People, por
unidad = $1473200
Ventajas
- Fácil Instalación. - Adaptable a
diferentes Ambientes.
- Uso interior y exterior.
- Amigable con el Medio Ambiente.
- Fabricadas en un 80% de materiales reciclados.
- Resistentes a la lluvia, nieve y hielo.
- Uso interior y exterior.
- Para flujo peatones y tránsito vehicular.
- Pueden personalizarse.
- Las peatonales totalmente reciclable.
- El panel superior del piso puede ser un panel solar.
- Aplicables en tránsito personal y movimiento de vehículos
- Aplicaciones de interior y exterior.
- Sustituyen el actual pavimento.
Desventajas
- Costo elevado. - Comercializadas
por su fabricante. - Dependen del flujo
peatonal de personas para generar.
- Costo elevado. - Comercializadas
por su fabricante. - Depende el peso
de la persona, el tipo de movimiento y la deflexión máxima para generar.
− Costo elevado. − Comercializadas
por su fabricante. − Dependen del peso
del elemento que pasa sobre la baldosa, para generar.
61
7.2 GENERACIÓN DE ENERGÍA DEL SISTEMA PIEZOELÉCTRICO.
7.2.1 Disposición física de las Sistema de Generación Piezoeléctrica.
Para la selección de los dispositivos piezoeléctricos se considera disponer de una Plataforma Piezoeléctrica de un metros cuadrado (1 m2), enlazando el número de módulos de baldosas piezoeléctricas necesarias para cubrir la distribución, igualmente ubicado la Plataforma Piezoeléctrica previo al egreso o posterior al acceso de la portería seleccionada, para garantizar así, que las baldosas estén dentro de las instalaciones físicas de la Facultad de acuerdo a las posibles alternativas que se tiene en las diferentes porterías e, incluso en un paso de circulación peatonal de alto volumen de tránsito. En la Figura 25, se identifican las zonas donde se puede ubicar la plataforma piezoeléctrica, sin embargo; la conceptualización de tener un arreglo de dispositivos piezoeléctricos, es permitir la reubicación de la Plataforma Piezoeléctrica, de acuerdo con la movilización o tránsito peatonal de estudiantes, docentes y visitantes a diario, por las diferentes entradas o salidas de la Facultad.
Figura 25. Zonas de posible ubicación de la plataforma piezoeléctrica
Fuente: Realizado por los Autores
Entre las diferentes tecnologías consultadas; la baldosa Pavegen V3, Triangular, la baldosa Sustainable Energy Floor, SEF, y la baldosa Waynergy People, ofrecen una amplia información bibliográfica, por consiguiente, son seleccionadas para realizar la valoración de generación de energía eléctrica, objeto de nuestro estudio.
62
7.2.2 Energía generada por la Plataforma Piezoeléctrica.
Considerando la longitud estándar menor del paso de 0,56 metros, tendríamos que el número de pasos que se realizarían sobre la plataforma piezoeléctrica, se determinará mediante la ecuación (21).
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑠𝑜𝑠 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑙𝑎 𝑃𝑙𝑎𝑡𝑎𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑃𝑖𝑒𝑧𝑜𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎
=𝑈𝑛 (1) 𝑝𝑎𝑠𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑃𝑙𝑎𝑡𝑎𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑃𝑖𝑒𝑧𝑜𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎
𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑠𝑜 𝑒𝑠𝑡á𝑛𝑑𝑎𝑟 (21)
=1 𝑝𝑎𝑠𝑜 × 1 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠
0,56 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠= 1,79 𝑝𝑎𝑠𝑜𝑠
Igualmente, aunque los totales de salidas peatonales hora son el resultado obtenido del conteo, la energía generada por el Dispositivo Piezoeléctrico depende del número de pasos que pueda dar el peatón al caminar sobre la baldosa Piezoeléctrica, lo que concluye que el número de pisadas sobre la baldosa piezoeléctrica en una hora, es la media de flujo peatonal hora por el número de pasos sobre la plataforma piezoeléctrica ecuación (22), igualmente considerando que para cada tránsito peatonal se debe de dar al menos un paso sobre la Plataforma Piezoeléctrica. Así entones, la energía piezoeléctrica generada en una hora puede determinarse mediante la ecuación (23) y su total considerando el día académico de Facultad Tecnológica de 16 horas, teniendo en cuenta que el fabricante garantiza cierta generación de potencia por baldosa a partir de cada paso.
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑖𝑠𝑎𝑑𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑢𝑛𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑎= 𝑀𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑝𝑒𝑎𝑡𝑜𝑛𝑎𝑙 ℎ𝑜𝑟𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑠𝑜𝑠 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑙𝑎𝑡𝑎𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 (22)
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑢𝑛𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑎
= 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑖𝑠𝑎𝑑𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑢𝑛𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑏𝑎𝑙𝑑𝑜𝑠𝑎 𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑎𝑠𝑜 (23)
Por consiguiente, la energía piezoeléctrica generada al día, sería la sumatoria de la energía piezoeléctrica generada en una hora, tal como lo indica la ecuación (24).
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑃𝑖𝑒𝑧𝑜𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑎𝑙 𝑑í𝑎
= ∑ 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑃𝑖𝑒𝑧𝑜𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑢𝑛𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑎 (24)
Ahora, dado que se proyecta disponer de una Plataforma Piezoeléctrica, la energía generada al día en la plataforma se determina con la ecuación (25).
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑃𝑙𝑎𝑡𝑎𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑃𝑖𝑒𝑧𝑜𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑎𝑙 𝑑í𝑎
= ∑𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑢𝑛𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑠𝑜𝑠 𝑑𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑙𝑎 𝑃𝑙𝑎𝑡𝑎𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑃𝑖𝑒𝑧𝑜𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 (25)
Para proyectar la energía generada al mes se utiliza la ecuación (26) considerando el mes académico de 20 días y para proyectar la energía generada en el año se utiliza la ecuación (27), considerando el año académico de 200 días.
63
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑃𝑙𝑎𝑡𝑎𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑃𝑖𝑒𝑧𝑜𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑎𝑙 𝑚𝑒𝑠
= ∑ 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑃𝑙𝑎𝑡𝑎𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑃𝑖𝑒𝑧𝑜𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑒𝑛 𝑢𝑛𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑎
∗ 20 𝑑í𝑎𝑠 𝑚𝑒𝑠 𝑐𝑎𝑙𝑒𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑜 𝑎𝑐𝑎𝑑é𝑚𝑖𝑐𝑜 (26)
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑃𝑙𝑎𝑡𝑎𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑃𝑖𝑒𝑧𝑜𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑎𝑙 𝑎ñ𝑜
= ∑ 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑃𝑙𝑎𝑡𝑎𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑃𝑖𝑒𝑧𝑜𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑒𝑛 𝑢𝑛𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑎
∗ 200 𝑑í𝑎𝑠 𝑎ñ𝑜 𝑐𝑎𝑙𝑒𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑜 𝑎𝑐𝑎𝑑é𝑚𝑖𝑐𝑜 (27) Los resultados obtenidos de las ecuaciones para establecer la energía generada en las diferentes horas de clase, con las Plataformas Piezoeléctricas de Pavegen V3, Triangula, Sustainable Energy Floor, SEF y Waynergy People, se consolidan en el Anexo 4. Finalmente, mediante la ecuación (28), se puede determinar un estimado de energía generada por la Plataforma Piezoeléctrica durante su vida útil, considerando un tiempo de vida útil de la baldosa Piezoeléctrica no mayor a cinco (5) años o su equivalente a unos 20 millones de pisadas, a pesar de que algunos de constructores de las baldosas manifiestan que las baldosas tienen una vida de servicio mayor.
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑃𝑙𝑎𝑡𝑎𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑃𝑖𝑒𝑧𝑜𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑢𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑑𝑎 ú𝑡𝑖𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑎𝑙𝑑𝑜𝑠𝑎= 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑃𝑙𝑎𝑡𝑎𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑃𝑖𝑒𝑧𝑜𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑎𝑙 𝑎ñ𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑇iempo de vida útil de la baldosa Piezoeléctrica (28)
Los totales de energía generada por la Plataforma Piezoeléctrica para el día, mes, año y vida útil de las baldosas piezoeléctrica, se muestran en la Tabla 13.
Tabla 13. Totales de energía generada por la Plataforma Piezoeléctrica.
Día
(16 horas)
[kWh/día]
Mes
(20 días)
[kWh/mes]
Año
(200 días)
[kWh/año]
Vida útil
[kWh]
Baldosa Pavegen V3, Triangular 80,08 1.601,64 16.016,43 178.571,43
Suelos Sustainable Energy Floor, SEF 112,12 2.242,30 22.423,00 250.000,00
Baldosa Waynergy People 128,13 2.562,63 25.626,29 285.714,29
Energía Generada por la Plataforma Piezoeléctrica
Dispositivos Piezoeléctrico
(Producto)
Fuente: Realizado por los Autores.
7.2.3 Energía Piezoeléctrica generada respecto a la demanda de la iluminación
perimetral LED.
En la Figura 26, se muestra la energía generada al día en la plataforma piezoeléctrica al tránsito peatonal, que se tendría con los diferentes arreglos piezoeléctricos, respecto a la demanda una vez cambiada la iluminación a tecnología LED.
64
Figura 26. Energía generada en la plataforma piezoeléctrica al día, respecto a la demanda
LED.
Fuente: Elaborado por los Autores. Esto significa que, garantizando la Media Flujo Peatonal diaria, se abastaría suficientemente la demanda de iluminación perimetral en LED de la Facultad.
7.3 INTEGRACIÓN DEL SISTEMA DE GENERACIÓN PIEZOELÉCTRICA.
La integración de los dispositivos piezoeléctricos requiere se considere además del costo por el suministro de los Dispositivos Piezoeléctricos, los elementos complementarios necesarios para el almacenamiento y la distribución, la mano de obra para su montaje, y las actividades de mantenimiento durante la vida útil del sistema piezoeléctrico una vez en funcionamiento, se consideren los costos de importación y nacionalización dado que, este tipo de tecnología no se fabrica en nuestro país e igual no se tienen una representación de los fabricantes: PAVEGEN, ENERGY FLOORS y WAYNERGY WAYDIP, para así establecer el valor inicial de la inversión.
7.3.1 Costos de Importación y Nacionalización.
La Reglamentación y Legislación Nacional de Importación está definida por el Ministerio de Comercio, Industria y Turismo de Colombia, quien igualmente realiza la labor de asesoramiento de comercio exterior en procesos de importación de productos, (Ministerio de Comercio, 2017). El costo de importación está constituido por el precio original de compra del producto, más todos los gastos incurridos para poner el producto importado en su destino. Estos gastos adicionales están constituidos por: flete, seguro, derechos e impuestos que gravan la importación, transporte, acarreo y gastos de aduana en general; por consiguiente, incluye
-
20
40
60
80
100
120
140
30,58
80,08
112,12
128,13 kW
h/d
ía
Energía Demandada LED
Energía Piezo Pavegen
Energía Piezo SEF
Energía Piezo Waynergy
65
todos los gastos atribuibles directamente al producto, así como también los indirectos, como son los gastos administrativos generados por los entes que apoyan a la operación de compraventa del exterior. En general, los costos de importación de productos los rigen los términos o, valores CIF (Cost Insurance and Freight, o, costo, seguro y flete al destino convenido) y FOB (Free on board, o, libre a bordo); el valor CIF: es aquel valor que el vendedor aporta, cubriendo los costos que produce el transporte de la mercancía al destino, también incluye el seguro para cubrir riesgos como pérdida o daño de la mercancía; el valor FOB: es una cláusula de compraventa del valor de transporte y seguro cubierto por el comprador. Encuestas, como la realizada por el Comercio Exterior del Banco de la República, presentan una estimación de los costos y los tiempos de comerciar en Colombia (Dinero, 2017), concluyendo que los gastos totales en que incurre el importador alcanzan el 36,6% del valor CIF de la mercancía, desglosados en tres grandes categorías: el transporte internacional (4,6%), los derechos aduaneros (14,8%), y los costos internos no arancelarios (17,2%). Se debe igualmente considerar que el impuesto del IVA en Colombia para importaciones de tecnología de generación de energías renovables no convencionales, que puedan ser integradas al sistema energético; el valor correspondiente al IVA no es considerado, de acuerdo a lo definido en la Ley 1715 del 13 de mayo de 2014, (Ley 1715, 2014) por contrario tiene carácter de devolución o el incentivo del valor del IVA.
7.3.2 Costos elementos complementarios.
Los componentes adicionales que hacen parte del sistema de generación piezoeléctrica como el regulador de tensión, las baterías, el inversor y los elementos de conexión entre ellos, son encontrados en el mercado con cierta facilidad por lo que para establecer el costo a considerar en el presente estudio se acudió a la información técnica y económica encontrada en internet, por ejemplo: La batería que ofrece un costo ($198.562,56) razonable frente a un valor aceptable del número de ciclos, es la batería Rolls Surrette 12-CS-11P de ciclo profundo de 12 volts nominales y 357 Ah, expresada en 3200 ciclos, esta batería tiene un costo moderado respecto a su vida útil de 10 años de acuerdo a lo indicado por su fabricante (Rolls Surrette, 2010), aunque por consideraciones del sector se toma para la presente evaluación una vida útil de las baterías de 5 años. Considerando la carga de iluminación LED proyectada, aplicando la ecuación (5) se obtiene la capacidad de las baterías y la cantidad de baterías dividendo este resultado en la capacidad en amperios hora de la batería Rolls Surrette tal como se desarrolla en la ecuación (29).
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎𝑠 =30576 𝑊ℎ × 2 𝑑í𝑎𝑠 (𝐴𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚í𝑎)
12 𝑉 𝑥 0,8= 6370 𝐴ℎ (5)
𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎𝑠 = 6370𝐴ℎ
357𝐴ℎ= 17,84 𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎𝑠 (29)
Para la selección del Regulador de carga del Sistema de Generación Piezoeléctrica, se considera la tensión nominal de las baterías de 12 voltios (DC) cuyo rendimiento estimado es un 80%, hallando Intensidad máxima corriente de carga o corriente de consumo del
66
sistema, igualmente considerando un 25% más de la Intensidad de carga, tal como se realiza en la ecuación (30).
𝐼𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 = (2548𝑊
12𝑉 × 0,8) ⋅ 25% = 331,77𝐴 (30)
Aproximando a un valor comercial el regulador de carga seleccionado, seria de €650, para una vida útil de acuerdo a lo indicado por el fabricante de 10 años. En cuanto al Inversor; este elemento se hace fundamental para el esquema estructural de nuestro sistema de generación piezoeléctrica autónomo, debido a que las cargas de iluminación de la Facultad son cargas de AC a 120V y la tensión de entrada del inversor es DC de 12V, a una potencia de carga de 2548 Watts que el inversor debe suministrar durante su funcionamiento normal de forma continua, por lo que se dimensiona un (1) Inversores de 2500 Watts, 12VDC/120VAC, cuyo costo por unidad en el mercado es de U$D80, para una vida útil de acuerdo a lo indicado por el fabricante de 10 años.
7.3.3 Costos de Mano de Obra.
La Mano de Obra obedece al costo del trabajo humano físico necesario en la instalación, armado y/o construcción eléctrica del sistema piezoeléctrico para su buen funcionamiento y operación, y posterior labor de mantenimiento preventivo periódico, actividades a realizar por el profesional idóneo. Se puede definir el costo de la Mano de Obra de la instalación, armado y/o construcciones eléctricas del sistema piezoeléctrico, aplicando las tarifas de servicios profesionales de ingeniería en Colombia, de acuerdo a lo establecido por la Asociación Colombiana de Ingenieros, ACIEM Cundinamarca, (ACIEM, 2015), utilizando el valor correspondiente al escalafón 6, para honorarios de 7 salarios mínimos mensuales legales vigentes (SMMLV), aplicables a un ingeniero con experiencia mayor o igual a tres años de ejercicio profesional, y en un periodo de labor de 8 horas para la implementación (instalación y armado) de las baldosas piezoeléctricas y 16 para la construcción eléctrica.
7.3.4 Costo de labores de mantenimiento.
Las labores de mantenimiento hacen referencia a la revisión periódica necesario para prevenir desgastes prematuros del sistema piezoeléctrico, buscando su óptimo funcionamiento durante su ciclo de vida. De forma aproximada una referencia del costo anual de mantenimiento preventivo, puede estimarse entre el 2% y el 3% del costo de los equipos más el montaje, independientemente que el sistema de generación piezoeléctrica opera de forma automática. Es importante tener en cuenta, que la baldosa piezoeléctrica siendo el equipo más importante dentro del sistema de generación, tiene una vida útil cinco años o su equivalente a unos 20 millones de pisadas, de acuerdo a la información tomada del fabricante Pavegen, que es generalizada para el estudio del presente análisis, la vida útil de las baldosas seria tal como se desarrolla en la ecuación (31).
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𝑉𝑖𝑑𝑎 ú𝑡𝑖𝑙 𝑏𝑎𝑙𝑑𝑜𝑠𝑎 𝑃𝑖𝑒𝑧𝑜𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 =20.000.000 𝑝𝑖𝑠𝑎𝑑𝑎𝑠
𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑃𝑒𝑎𝑡𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑎ñ𝑜 (31)
𝑉𝑖𝑑𝑎 ú𝑡𝑖𝑙 𝑏𝑎𝑙𝑑𝑜𝑠𝑎 𝑃𝑖𝑒𝑧𝑜𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 20.000.000 𝑝𝑖𝑠𝑎𝑑𝑎𝑠
1.793.840 𝑝𝑖𝑠𝑎𝑑𝑎𝑠/𝑎ñ𝑜= 11,149 𝑎ñ𝑜𝑠
Igualmente se considera una garantía expedida para las baldosas de 5 años, debido a que, para este periodo de tiempo de uso, se contempla el cambio de la cubierta superior por deterioro (componente que sufre el mayor desgaste), así entonces se plantea el cambio de cubierta a los 5 años y la posterior reposición total de la baldosa a los 11 años, dándose una reinversión importante de capital.
7.3.5 Costos Integración del Sistema de Generación Piezoeléctrica.
De acuerdo con los elementos utilizados para la integración de las baldosas de Pavegen, Sustainable Energy Floor y Waynergy People en la Figura 27, se muestra el costo total de la inversión inicial de la integración de las diferentes baldosa con los elementos y redes completarías necesarias para la recolección de energía desde la Plataforma Piezoeléctrica, igualmente, en la Tabla 14, se indica el desglose de los costos que se obtendrían para establecer el Sistema de Generación Piezoeléctrica en cada una de las baldosas.
Figura 27. Costo Total inversión inicial, generación de energía piezoeléctrica.
Fuente: Realizado por los Autores.
-
5.000.000
10.000.000
15.000.000
20.000.000
25.000.000
30.000.000
18.585.660
26.872.184
23.199.700
$
Costo Piezo Pavegen
Costo Piezo SEF
Costo Piezo Waynergy
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Tabla 14. Costos Integración del Sistema de Generación Piezoeléctrica.
CantValor
Unidad
Valor
TotalCant
Valor
Unidad
Valor
TotalCant
Valor
Unidad
Valor
Total
1 Baldosa Piezoeléctrica Un 8 516.439 4.131.512 4,00 1.855.512 7.422.048 4,00 1.487.212 5.948.848
2Importación y Nacionalización
Baldosa PiezoeléctricaUn 8 750.054 6.000.434 4,00 2.749.105 10.996.421 4,00 2.199.284 8.797.137
3 Regulador de Tensión Un 1 2.421.974 2.421.974 1,00 2.421.974 2.421.974 1,00 2.421.974 2.421.974
4 Inversor CC/CA Un 1 252.557 252.557 1,00 252.557 252.557 1,00 252.557 252.557
5 Baterías Un 18 209.772 3.775.896 18,00 209.772 3.775.896 18,00 209.772 3.775.896
6 Conexiones Eléctricas Gl 1 992.078 992.078 1,00 992.078 992.078 1,00 992.078 992.078
7 Estructura de soporte de montaje Un 1 1.011.209 1.011.209 1,00 1.011.209 1.011.209 1,00 1.011.209 1.011.209
Costo Total Inversión 18.585.660 26.872.184 23.199.700
8 Mantenimiento Preventivo Año 1 816.176 816.176 1,00 568.776 568.776 1,00 524.580 524.580
Ítem
Pavegen V3, Triangular Sustainable Energy Floor Waynergy People
UnConcepto
Fuente: Realizado por los Autores.
69
7.4 FACTIBILIDAD ECONÓMICA DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE GENERACIÓN PIEZOELÉCTRICA.
La aplicación de criterios financieros como el valor presente neto (VPN), la tasa interna de retorno (TIR), el periodo de recuperación de la inversión (PR) y la relación del costo beneficio; son conceptos utilizados en la evaluación de inversiones. Estos permitirán establecer la factibilidad económica de la implementación del sistema de generación piezoeléctrica, para alimentar eléctricamente el alumbrado perimetral en rutas de circulaciones entre edificios de la Facultad, estableciendo que conveniente en términos financieros es invertir en la generación de energía a través de los dispositivos piezoeléctricos.
7.4.1 Valor Presente Neto (VPN).
El valor presente neto es una técnica de evaluación de proyectos, consiste en comparar las corrientes de flujos de efectivo de un proyecto en el mismo horizonte temporal, es decir en el momento actual, o en un momento futuro, facilitando tomar la decisión desde el punto de vista financiero de realizar o no un proyecto. El desarrollo de la ecuación (32), trae un flujo de efectivo a un valor presente (VP) y el desarrollo de la ecuación (33), lleva un flujo de efectivo a un valor futuro (VF).
𝑉𝑃 =𝑉𝐹
(1 + 𝑖)𝑛 (32)
𝑉𝐹 = 𝑉𝑃 ∗ (1 + 𝑖)𝑛 (33)
Dónde: 𝑖, tasa de descuento del proyecto.
𝑛, período en el cuál se produce el flujo de efectivo. Dado que el objetivo del valor presente neto es determinar si una inversión es redituable, el análisis puede arrojar un valor positivo en cuyo caso se interpretaría como rentable la inversión, igualmente puede arrojar un valor negativo haciendo que la inversión no sea rentable o puede arrojar un equilibrio, en cuyo caso la rentabilidad será 0. De esta manera, el valor presente neto siendo la diferencia entre todos los ingresos y todos los egresos actualizados al periodo actual, será la sumatoria de cada uno de los flujos neto de efectivo futuros, puestos al costo del día de hoy (Sarmiento, 2001), tal como se muestra la ecuación (34).
𝑉𝑃𝑁 = −𝐼0 + ∑𝐹𝐸𝑛
(1 + 𝑖)𝑛
𝑘
𝑛=1
(34)
𝑉𝑃𝑁 = −𝐼0 +𝐹𝐸1
(1 + 𝑖)1+
𝐹𝐸2
(1 + 𝑖)2+ ⋯ +
𝐹𝐸𝑛
(1 + 𝑖)𝑛
70
Dónde: 𝐼0, inversión inicial. 𝐹𝐸𝑛, flujos de efectivo en el periodo n.
𝑛, número de periodos que dure el proyecto. 𝑖, tasa de descuento del proyecto.
7.4.2 Tasa Interna de Retorno (TIR).
Es la tasa a la cual son descontados los flujos de efectivo de forma tal que los ingresos y los egresos sean iguales. Desde el punto de vista matemático la TIR es la tasa a la cual el VPN se hace cero (Vasseur, 2008), tal como se muestra en la ecuación (35). La TIR básicamente mide la rentabilidad de los dineros que permanecen invertidos en el proyecto y no toma en cuenta reinversiones posteriores que se puedan presentar.
𝑇𝐼𝑅 = −𝐼0 + ∑𝐹𝐸𝑛
(1 + 𝑟)𝑛= 0
𝑘
𝑛=1
(35)
Dónde: 𝑟, tasa de rentabilidad del proyecto.
7.4.3 Relación Beneficio Costo (B/C).
La relación beneficio costo compara de forma directa los beneficios y los costos, consiste en poner en valor presente los beneficios netos y dividirlo por el valor presente de todos los costos del proyecto, tal como se muestra en la ecuación (36). En esta relación puede darse: B/C < 1, los costes son mayores que los beneficios, no se debe considerar el proyecto; B/C = 1, los beneficios son iguales a los costes, es indiferente realizar este proyecto; B/C > 1, los beneficios superan los costes, es aconsejable invertir en el proyecto.
𝐵 𝐶⁄ =𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑏𝑒𝑛𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑜𝑠 𝑛𝑒𝑡𝑜𝑠
𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑠𝑡𝑜𝑠 (36)
7.4.4 Periodo de Recuperación (PR).
El periodo de recuperación se define como el número esperado de años que se requieren para que se recupere una inversión, sumando los flujos futuros de efectivo de cada año hasta que el costo inicial del proyecto de capital quede por lo menos cubierto. Matemáticamente, se expresa como se indica en la ecuación (37). 𝑃𝑅
= [−(𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑛𝑒𝑔𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑎𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑎𝑙 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑖𝑣𝑜)
−(𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑛𝑒𝑔𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑎𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑎𝑙 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑖𝑣𝑜 + 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑖𝑣𝑜]
+ 𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑠𝑒 𝑒𝑛𝑐𝑢𝑒𝑡𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑛𝑒𝑔𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 (37) Es considerado un indicador que mide tanto la liquidez del proyecto como también el riesgo relativo pues permite anticipar los eventos en el corto plazo.
71
7.4.5 Indicadores Económicos.
Son valores estadísticos que permiten predecir el comportamiento de los precios conforme transcurre el tiempo, ayudaran a analizar, evaluar y determinar la viabilidad económica del proyecto. En la Tabla 15, se presentan los indicadores utilizados para evaluar y determinar la factibilidad económica de la implementación del sistema de generación piezoeléctrica.
Tabla 15. Parámetros económicos de proyección.
Tasa de Inflación anual 4%
Tasa de oportunidad de inversión 6%
Tasa de reinversión 7%
Costo de incremento proyectado de energía anual 3%
Fuente: (Banco de la República, 2018) En los indicadores económicos: la inflación es el incremento anual que afecta a bienes y servicios involucrados en el proyecto analizado, es decir, a equipos y actividades de mantenimiento; la tasa de descuento anual, es un indicador que permite establecer la rentabilidad del proyecto, comparándola con la sumatoria de la tasa de interés de oportunidad y del riesgo implícito, es decir, el proyecto será atractivo económicamente en la medida en que su tasa de interés iguale o supere a la tasa de interés más alta que el inversionista sacrifica, más el interés asociado al riesgo de invertir en el proyecto. En lo relacionado con el comportamiento de la generación Piezoeléctrica, se tiene que, con el paso del tiempo, las baldosas sufren un desgaste que disminuye su capacidad de generación de energía independientemente de su resistentes y estabilidad, para el sistema de generación piezoeléctrica en estudio se considera una tasa de degradación anual de 0,05%, igualmente una pérdida de energía durante el proceso de transformación de 3%. Teniendo en cuenta que el flujo de personas es una variable con poco riesgo, se opta por tomar una perspectiva de costo de oportunidad a una tasa de reinversión del 7%, y para el respectivo cálculo del costo de la energía, se proyecta un incremento anual del 3%, (upme, 2015).
7.4.6 Flujo de Caja.
Conocidos los EGRESOS e INGRESOS asociados a la instalación y funcionamiento del sistema de generación piezoeléctrica, se puede realizar el Flujo de Caja del proyecto. Es pertinente aclarar que existen dos clases de flujo de caja; los flujos convencionales que son aquellos donde primero aparece la inversión inicial y luego, progresivamente los egresos y beneficios, y los flujos no convencionales que son aquellos donde se pueden encontrar reinversiones intercaladas con los ingresos y egresos. Por consiguiente, dado que el sistema de generación piezoeléctrica requiere de reinversiones como sustitución de baterías, remplazo de la base del piso de la baldosa piezoeléctrica a lo largo de la vida útil de las baldosas piezoeléctricas, el flujo de caja que realizará será del tipo no convencional.
72
Igualmente, se proyecta el flujo de caja para veinte (20) años lo que permita conocer el comportamiento financiero del proyecto a largo plazo, independientemente que se estipule por el número de pasos sobre la baldosa piezoeléctrica, una vida útil de 11 años, donde será necesario realizar la reinversión de sustitución de las baldosas piezoeléctricas por vida útil. En el desarrollo del presente análisis económico, se evalúa la alternativa favorable para la implementación y puesta en funcionamiento del Sistema de Generación Piezoeléctrica por medio del flujo de caja mostrado en el Anexo 6, Anexo 7 y Anexo 8. En estos se consideran como INGRESOS: el valor del consumo de energía piezoeléctrica efectiva generada y el ahorro supuesto por el consumo de iluminación perimetral que se dejaría de cancelar al cambio de las lámparas actuales por las lámparas LED, y como COSTOS: la inversión la construcción de la infraestructura de iluminación con LED, la inversión de la implementación del Sistema de Generación Piezoeléctrica bien sea con baldosas Pavegen, Sustainable Energy Floor y Waynergy People, los respectivos costos por mantenimientos y los costos de reinversión por sustitución de baterías por vida útil y los costos de reinversión por reposición de equipos (regulador e inversor), remplazo de la base del piso de la baldosa piezoeléctrica por desgaste y sustitución (reinversión) de las baldosas piezoeléctricas por finalizar su vida útil. El costo de la energía demandada por el consumo de cargas de iluminación actual, es comparativamente muy superior a la demandada por la iluminación LED propuesta, tal como se denota en él Anexo 5, y se muestra en la Figura 28., este ahorro representa en el pago de energía un 62,75%, y vendría a ser el ingreso del proyecto de implementar el sistema de generación piezoeléctrico.
Figura 28. Costo de energía por demandada de iluminación actual, respecto a la demandada de iluminación LED propuesta.
Fuente: Realizado por los Autores.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
$ (
Mill
on
es)
Años
COSTO Consumo Iluminación Actual COSTO Consumo Iluminación LED
73
De las alternativas evaluadas en el flujo de caja para cada uno de los piezoeléctricos Pavegen, Sustainable Energy Floor y Waynergy People, el valor actual neto acumulado da un valor presente positivo en el periodo de tiempo, tal como muestra la Figura 29, para cada una de las soluciones.
Figura 29. Valor Presente Positivo alternativas evaluadas.
Fuente: Realizado por los Autores.
El flujo de caja de la alternativa Pavegen presenta un mejor comportamiento financiero en el periodo de tiempo analizado, tal como se muestra en la Figura 30, y respecto a las alternativas Sustainable Energy Floor y Waynergy People, las cuales tienen un comportamiento financiero mayor y separadas por un (1) año.
Figura 30. Flujo de Caja alternativa Pavegen.
Fuente: Realizado por los Autores.
14
18
17
0 5 10 15 20
Pavegen
Sustainable Energy Floor
Waynergy People
Años
Piezoeléctricos
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
$ (
Mill
on
es)
Años
74
El periodo de recuperación de la alternativa Pavegen, momento en que se llega al punto de equilibro de la inversión, se tiene un valor actual neto acumulado de $4.703.323,76 millones de pesos, se encuentra entre los períodos 13 al 14. La Figura 31, detalla la recuperación a través de los años.
Figura 31. Periodo de recuperación alternativa Pavegen.
Fuente: Realizado por los Autores.
7.4.7 Análisis Financiero.
Desde el punto de vista financiero una solución de generación de energía piezoeléctrica utilizando la baldosa Pavegen, e incluyendo los costos de adecuación de la infraestructura de iluminación perimetral actual a LED, tendría un comportamiento como se indica en la Tabla 16.
Tabla 16. Comportamiento financiero con baldosas Pavegen, incluyendo los costos de adecuación de infraestructura de iluminación perimetral actual por LED.
PERIODO
AñosVPN TIR B/C
PR
Años
14 $ 25.086.282,68 1% 0,81 13,58 Fuente: Realizado por los Autores.
Por lo que se puede decir; que financieramente la alternativa Pavegen para el periodo del años 14, incluyendo los costos de adecuación de la infraestructura de iluminación perimetral actual a LED, a pesar de ofrecer un valor presente neto positivo, tendría una tasa interna de retorno menor a la tasa de oportunidad estipulada, una relación beneficio costo inferior a 1, y un periodo de recuperación mayor al tiempo de vida útil de las baldosas piezoeléctricas, obliga a realizar una reinversión para la sustitución de los dispositivos
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
$ (
Mill
on
es)
Años
75
piezoeléctricos por vida útil que junto con el costo de la adecuación de la infraestructura de iluminación perimetral actual a LED, desbordan la proyección financiara de solución. Por consiguiente, se hace necesario buscar una financiación externa, donación particular, o aporte presupuestal de la Universidad, del costo de la adecuación de la infraestructura de iluminación perimetral actual a LED, de tal forma; que la proyección económica de la implementación del Sistema de Generación Eléctrica a través de Dispositivos Piezoeléctricos que dependan del tránsito peatonal de estudiantes, docentes y visitantes que a diario transitan por las porterías de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, para alimentar el alumbrado perimetral entre edificios de la Facultad Tecnológica, pueda financieramente ser FAVORABLE, y donde los únicos gastos que se tengan sean los propios de la implementación, integración y operación del Sistema de Generación Piezoeléctrico y los cuales puedan ser cubiertos por los ingresos del ahorro supuesto del consumo de iluminación perimetral que se dejaría de cancelarse al cambio de las lámparas actuales por lámparas LED. Y donde el actuar del flujo de caja para la alternativa Pavegen, sin incluir el costo de la adecuación de la infraestructura de iluminación perimetral actual a LED, Anexo 9., tenga un el comportamiento financiero, tal como se indica en la Tabla 17. Pudiéndose decir que, para el periodo del año 3; se tendría un valor presente neto positivo, una la tasa interna de retorno positiva y mayor la tasa de oportunidad estipulada, una relación beneficio costo superior a 1, y un periodo de recuperación menor inclusive para la primera reinversión de sustitución de elementos del sistema de generación piezoeléctrica por desgaste y/o vida útil, favoreciendo la proyección financiara de solución.
Tabla 17. Comportamiento financiero con baldosas Pavegen, sin los costos de adecuación de infraestructura de iluminación perimetral actual por LED.
PERIODO
AñosVPN TIR B/C
PR
Años
3 $ 6.489.063,73 13% 1,12 2,36 Fuente: Realizado por los Autores.
76
8 FACTIBILIDAD Y ANÁLISIS DEL ENTORNO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DEL
SISTEMA DE GENERACIÓN PIEZOELÉCTRICA.
La implementación de energías renovables, caso específico; la generación piezoeléctrica, puede conllevar a tener inconvenientes en la proyección, la instalación y puesta en funcionamiento, ya que este tipo de tecnología incide en el comportamiento de los individuos. Cabe resaltar que la generación de electricidad, con baldosas piezoeléctricos, representa para el sistema urbano, donde se dispone de un tránsito de peatones constante, una idea innovadora que fomenta las actividades de investigación y de desarrollo tecnológico con un gran impacto social y ambiental. Conocer las perspectivas técnica, ambiental y financiera, harán que este tipo de proyectos desde la etapa de su proyección hasta el momento de ejecución generen una respuesta favorable a la necesidad colectiva de una sociedad, saber con antelación cuáles son las debilidades, oportunidades, fortalezas y amenazas, permitirá anticiparse y prepararse ante los posibles pro y contra, que influirían directamente en el proyecto. Análisis del entorno en este tipo de proyectos, pueden llegar a incidir en expresiones culturales de la sociedad, factores tales como el político, económico, social, tecnológico y legal, pueden definir la viabilidad del proyecto, por ejemplo; tecnológicamente un proyecto es factible si los conocimientos, métodos y técnicas indispensables para su ejecución (tecnología) están disponibles en la sociedad correspondiente, sea porque ya los posee, o porque los puede obtener de otra sociedad (dependencia tecnológica); igualmente un proyecto de ingeniería será económicamente factible si la suma de los costos de uso de todos los recursos involucrados en el proceso, más los costos de prevención y reparación del deterioro que provoque en el entorno (impacto ambiental), es menor que la suma de valores calculados para el conjunto de bienes y servicios que se espera producir. En general, todo proceso afecta a la comunidad, ya sea porque le ofrece elementos que necesita o que desea, o porque modifica el entorno de la sociedad, mejorando o deteriorando las condiciones en que desarrolla sus actividades, implicando juicios sobre la sociedad, su estado actual, sus necesidades y deseos, y sobre el óptimo modo de lograr el mejor equilibrio hombre - sociedad – entorno.
77
8.1 PERSPECTIVAS: TÉCNICA, AMBIENTAL Y FINANCIERA.
Fuente: Realizado por los Autores.
T
É
C
N
I
C
A
Proporcionar
una
alternativa
conveniente
de
generación
eléctrica.
Desarrollo
Costos
Normatividad
Servicio
A
s
p
e
c
t
o
s
Mercado
Incentivar la penetración
de fuentes renovable en
el sistema energético
colombiano.
Entablar el comercio
nacional.
Reducción de coste de producción e importación
Caracterización
normalizada de los
dispositivos
piezoeléctricos, como
fuentes de generación de
energía.
▪ Generación de Energía Renovable.
▪ Abastecer el consumo de Energía.
▪ Uso Racional de la Energía
Tecnología
Aplicaciones adaptables a
la cotidianidad del hacer
de las personas.
Instalación Rápida y simplicidad
disposición en los ambientes.
Recursos Sustentabilidad en su
conservación.
78
Fuente: Realizado por los Autores.
A
M
B
I
E
N
T
A
L
Alteración
favorable o
desfavorable,
que se puede
producir
sobre el
entorno.
Contaminación
Visualización
Legislación
Reciclaje
A
s
p
e
c
t
o
s
Fabricación
Disminución de
emisión de gas de
efecto invernadero
GEI.
Construcción a
partir de materiales
reciclados.
Efectos negativos en el
proceso de producción
de los materiales
piezoeléctricos.
▪ Adaptables a diferentes ambientes.
▪ Amigables con los paisajes.
▪ Diseño innovador.
Incentivos tributarios y
legales (Ley 1715, 2014).
Disposición final.
Recurso Posibilidades de utilización
prácticamente ilimitada.
Tecnología
Aplicaciones útiles para
subsanar los excesos
humanos al ambiente en el
consumo de energía
eléctrica.
79
Fuente: Realizado por los Autores.
F
I
N
A
N
C
I
E
R
A
Analizar,
valorar y
definir la
viabilidad
económica.
Inversión
Rentabilidad
Ahorro
Beneficio
A
s
p
e
c
t
o
s
Flujo de
Caja.
Ligada al desarrollo y la
sustentabilidad administrativa
y eficiente del sistema de
generación piezoeléctrica.
Sostenible económica en
el tiempo.
Redituable económicamente por lo general a largo plazo.
▪ Consumo de energía pública.
▪ Menor pagos por servicio eléctrico.
▪ Reduce la dependencia de operador de red.
▪ Reducción del consumo energético y factura del servicio.
▪ Incentivos económicos a través del sistema de comercio de derechos de emisión o impuestos sobre el carbono.
▪ No requiere elevados costos de mantenimiento
Desarrollo
Académico. Social. Económico.
Financiación Falta de financiación y
apoyo gubernamental.
80
8.2 ANÁLISIS ENTORNO ESTRATÉGICO.
Fuente: Realizado por los Autores.
Políticos y
Legales
Falta de financiación y
apoyo del estado para
la implantación de
este tipo de sistemas
de generación
eléctrica.
Desinterés de la
academia en la
investigación y
proyección de
alternativas limpias de
generación de
energía como los
piezoeléctricos.
Mínima
reglamentación
nacional para la
utilización de fuentes
de energías limpias.
Incentivo tributario
(exclusión de IVA),
fomentando el uso de
la energía procedente
de fuentes No
convencionales.
Incorporar en políticas ambientales
nacionales los principios y criterios
de la cogeneración, la autogeneración, la
generación distribuida y la gestión eficiente
de la energía.
Económicos
Requiere un monto de
dinero como inversión
inicial.
Legislación de
comercio exterior
incrementan los
costes por
importación y
nacionalización.
Los flujos de Caja
dependerían del costo
de energía que se
dejaría de cancelar al
comercializador de
red.
Estimular el desarrollo
de la producción de
fuentes de energía no
convencionales,
principalmente
aquellas de carácter
renovable, mediante
el establecimiento de
incentivos tributarios,
arancelarios o
contables.
Lograr incentivos
económicos a través
del sistema de
comercio de derechos
de emisión o
impuestos sobre el
carbono.
Sociales
Las manifestaciones
de estudiantiles en
protesta, pueden
afectar este tipo de
soluciones de
generación de
energía.
Reducción de la
dependencia del
servicio eléctrico local
e, Incremento en los
costes de servicio
eléctrico.
Incentivar a la
comunidad en general
en la utilización de
fuentes de energía no
convencionales,
principalmente
aquellas de pequeña
escala como las
baldosas
piezoeléctricas.
Incluir a la comunidad
en este caso los
peatones en la
funcionalidad del
Sistema de
Generación
Piezoeléctrica,
haciéndolos partícipes
activos de la
producción
energética.
Tecnológicos
Uso de nuevas
aplicaciones en
desarrollo, que
buscan reducir la
dependencia de
fuentes de energía
convencionales.
Apoyo constante para
la investigación y el
desarrollo en uso del
potencial de nuevas
mejoras tecnológicas.
Implementación de
fuentes tecnológicas
de energías
renovables limpias,
que contribuyan a la
disminución de
emisión de gas de
efecto invernadero
GEI, expulsados a la
atmosfera.
Estimular la inversión,
la investigación del
desarrollo tecnológico
en la producción y
utilización de
electricidad, a partir
de fuentes no
convencionales de
energía
81
8.3 DEBILIDADES, OPORTUNIDADES, FORTALEZAS Y AMENAZAS
FORTALEZAS DEBILIDADES
− Reducción del consumo energético convencional y disminución de costo de facturación.
− Disminución de emisiones de gas efecto invernadero GEI a la Atmósfera al producir la energía.
− Rápida instalación de las baldosas piezoeléctricas.
− Rápida y simplicidad disposición del Sistema de Generación Piezoeléctrica en los ambientes.
− Innovación tecnológica en la producción energética del País.
− No requiere elevados costos de mantenimiento.
− La utilización del Sistema de Generación Piezoeléctrica no genera ruido.
− Dificultad de obtención de los recursos necesarios para la inversión inicial.
− Falta de financiación y apoyo del estado para la implantación de este tipo de sistemas de generación eléctrica en el País.
− Elevados costos de las baldosas piezoeléctricas.
− Producción extranjera de las baldosas piezoeléctricas, no dispone de representación nacional.
− Elevados costos de importación y nacionalización de las baldosas piezoeléctricas.
OPORTUNIDADES AMENAZAS
− Buscar el interés por parte de otras empresas públicas y privadas en la implementación de este tipo de tecnología, en la reducción de consumo de energía y contaminación ambiental.
− El Sistema de Generación Piezoeléctrica conveniente en ambiente de alto tránsito peatonal como las Universidades.
− Interacción y vincular a multitudes en la generación y producción de Energía, para su propio abastecimiento.
− Beneficios tributarios por la implementación de este tipo de utilización de fuentes de energías alternativas (Ley 1715/ de 14).
− Búsqueda de energías alternativas para mitigar el deterioro ambiental.
− Escasa financiación para la construcción del sistema de generación piezoeléctrica.
− Elevados costos de implementación del sistema de generación piezoeléctrica.
− Aumento en los costos por la importación y nacionalización de las baldosas piezoeléctricas.
− Nula oferta nacional para energías renovables en el Mercado.
− Exposición al vandalismo por estar en ambientes públicos de alto tránsito peatonal.
Fuente: Realizado por los Autores.
82
9 GUÍA METODOLÓGICA PARA ANÁLISIS TÉCNICO Y ECONÓMICO EL
POTENCIAL DE GENERACIÓN ELÉCTRICA A TRAVÉS DE DISPOSITIVOS
PIEZOELÉCTRICOS.
La presente Guía Metodología, está dirigida a profesionales de la ingeniería, se encuentra organizada y orientada para realizar el Análisis Técnico y Económico del Potencial de Generación Eléctrica a través de Dispositivos Piezoeléctricos.
Fases Etapas Pasos
Caracterización del tránsito peatonal
Planeación
___________
Medición
____________
Generalización
________________________________________________ ________________________________________________
Realizar conteo
Manualmente
Sensores Cámaras de video
Preliminar
Percepción volumen de transito
Análisis visual de espacios
Metodología
Establecer procedimientos
Definir lineamientos
Método de medición
Análisis de medición
Resultados
Análisis transito Media flujo peatonal hora
Estadístico Flujo
Flujo peatonal mes
Flujo peatonal día
Flujo peatonal año
Medición
Horas de tránsito peatonal
83
Fases Etapas Pasos
Proyección de
Iluminación en LED
Levantamiento condición
actual
____________
Diseño Iluminación
LED
____________________________________________________ ____________________________________________________
Inventario
Consumo de energía
Tipo y número de lámparas
Demanda de energía mes
Demanda de energía día
Demanda de energía año
Costos de consumo
Definición valor $/kWh base
Costo de energía mes
Costo de energía día
Costo de energía año
Consideraciones Reglamento Técnico de Iluminación y Alumbrado
Público RETILAP
Clases de iluminación vías peatonales
Selección de luminarias LED
Requisitos iluminación tránsito peatonal
Cálculos
Método del coeficiente de Utilización
Distancia de separación de luminarias
Software DIAlux
Iluminación Media
Coef. de Uniformidad
Horas de utilización
84
Fases Etapas Pasos
_____________
Proyecciones LED
____________________________________________________
Distribución Ubicación de luminarias
Demanda
Número de lámparas
Costos de consumo
Definición valor $/kWh base
Costo de energía mes
Costo de energía día
Costo de energía año
Costos Implementación
alumbrado Obra Eléctrica
Obra Civil
Mantenimiento
Insumos y materiales
Consumo de energía
Demanda de energía mes
Demanda de energía día
Demanda de energía año
Horas de utilización
85
Fases Etapas Pasos
Generación de energía
utilizando los Dispositivos
Piezoeléctricos
Investigación
___________
Proyección generación de
energía
_________________________________________________
Selección Disponibilidad en Mercado
Powerfloor
Pavegen V3, Triangular
Pedestrial Generators
Sustainable Energy Floor, SET
Soundpower
Waynergy People
Costos
Importación y Legalización
Dispositivo Piezoeléctrico
Condiciones técnicas
Potencia generada por pisada
Vida útil de la Baldosa Piezoeléctrica
Paso Estándar Longitud el paso
Pisadas hora = Media Flujo Peatonal hora
Disposición física
Plataforma Piezoeléctrica
Pasos sobre la Plataforma Piezoeléctrica
Elección Baldosa Piezoeléctrica (Fabricante)
86
Fases Etapas Pasos
Proyección generación de
energía
Integración Sistema de Generación Piezoeléctrica
Elementos y actividades complementarias
Regulador de tensión
Batería o acumulador
Inversor DC/AC
Conexiones Eléctricas
Estructura de soporte y montaje
Mantenimientos
Energía Piezoeléctrico
Generada
Hora
Días considerados Día
Mes
Año
Vida útil de elementos de complementos
Afectaciones Pérdidas por transformación de energía (mecánica – eléctrica)
Pérdidas por degradación de la Baldosa Piezoeléctrica
87
Fases Etapas Pasos
Análisis Económico
Factibilidad Ejecución
Flujo de Caja
Ingresos Ahorro por consumo de iluminación LED
Construcción infraestructura de iluminación LED
Egresos
Inversión Inicial construcción Sistema de Generación Piezoeléctrica
Reinversión por sustitución de complementarios
Reinversión por sustitución Baldosas Piezoeléctricas
Reinversión por sustitución de piso piezoeléctrico (base)
Económica Criterios financieros
Valor Presente Neto VPN
Tasa Interna de Retorno TIR
Beneficio Costo B/C
Periodo de Recuperación PR
Costo Integración
VALOR INICIAL INVERSIÓN
88
Fases Etapas Pasos
Análisis Entorno
Factibilidad de entorno
Fuente: Realizado por los Autores.
Perspectivas
Técnica
Ambiental
Financiera
Estratégico
Políticos y Legales
Económicos
Sociales
Tecnológicos
Condicionamientos
Fortalezas
Debilidades
Oportunidades
Amenazas
89
10 CONCLUSIONES.
La alta demanda energética en el mundo actual, ha llevado que múltiples investigaciones se orienten en buscar cómo producir energías limpias a partir de la interrelación humana con su entorno, análisis como el expuesto; donde a través de dispositivos piezoeléctricos, se aprovecha el tránsito peatones que a diario caminan por las porterías de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, en su Facultad Tecnológica, para generar electricidad y suplir un consumo energético especifico como la demanda de alumbrado perimetral de la misma Facultad, son medidas que al materializarse lograrían disminuir la contaminación y el deterioro ambiental que sufre el planeta. En la presente investigación, se pudo comprobar a través del análisis estadístico del flujo peatonal de estudiantes, docentes y visitantes que egresan por la portería de salida, que se tiene una Media de Flujo Peatonal de 8.969 salidas al día, lo que representaría un Flujo Peatonal de 1.793.840 durante el año académico, pudiéndose generalizar para la entrada, dado que los mismos peatones que egresaron por la portería de salida, ingresaron por la portería de entrada. Aunque, la actual iluminación perimetral de la Facultad Tecnológica, dispone de reflectores tipo LED, se proyecta el cambio total de luminarias perimetral, por tecnología LED, buscando reducir el consumo de energía, factor indispensable para considerar alimentarlas con una fuente de energía que dependa del efecto piezoeléctrico. El costo de la sustitución e implementación de la iluminación perimetral, estima en un valor de $65.030.617 millones de pesos, los cuales incluirían el desmonte de las luminarias existentes, el suministro de las luminarias LED y accesorios de montaje, la construcción civil y adecuación eléctrica de las luminarias LED, junto con la mano de obra necesaria para la instalación. Un factor importante a considerar en la proyección de iluminación LED, es su vida útil, que promedia por 50 mil horas y que, para un uso diario de 12 horas, se tendría una vida útil de 11,57 años, también, la demanda y el costo de energía que pasaría de una demanda actual de 24.624 kWh/año, con un costo de $8.943.436,8 pesos/año; a una demanda con luminarias LED de 9.172,8 kWh/año, con un costo de $3.331.560,96 pesos/año, generándose un ahorro significativo en el costo de servicio energético que alcanzaría un 62,75%, ahorro que vendría a ser el ingreso del financiamiento de la implementación del sistema de generación piezoeléctrico. La proyección de energía generada por la plataforma piezoeléctrica de un metro cuadrado (m2), depende inicialmente del número de pasos que pueda dar el peatón sobre la baldosa piezoeléctrica, que a un ritmo de marcha de 0,56 metros, lograría pisarla 1,79 veces, y posteriormente dependería de la potencia generada en la baldosa a partir de cada paso garantizada por el fabricante, así entonces; en un día académico de 16 horas, para un mes académico de 20 días y un año académico de 200 días, se obtendría una energía piezoeléctrica generada; con baldosas Pavegen V3, Triangular de 16.016,46 kWh/año, con baldosas Sustainable Energy Floor SEF, de 22.423 kWh/año, y con baldosas Waynergy People de 25.626,29 kWh/año. La integración de los dispositivos piezoeléctricos requiere se considere además del costo del suministro de las baldosas piezoeléctricas, los costos de los elementos complementarios necesarios para el almacenamiento y la distribución, la mano de obra para
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su montaje, y las actividades de mantenimiento durante la vida útil del sistema piezoeléctrico una vez en funcionamiento, los costos de importación y nacionalización dado que, este tipo de tecnología no se fabrica en nuestro país e igual no se tiene representación de los fabricantes. Por consiguiente, el valor de inversión inicial usando Pavegen V3, Triangular sería de $18.585.660, con Sustainable Energy Floor SEF sería de $26.872.184, y con Waynergy People sería de $23.199.700. Siendo la baldosa piezoeléctrica el elemento más importante del sistema de generación, se estima una vida útil de 20 millones de pisadas, que, generalizada para el presente análisis, la vida útil de las baldosas seria 11,149 años, afectada por una tasa de degradación anual de 0,05% por el paso del tiempo, y una pérdida de energía durante el proceso de transformación del 3%, que conjuntamente con la aplicación de criterios financieros como el valor presente neto, la tasa interna de retorno, el periodo de recuperación y la relación del Costo Beneficio, permitieron establecer la factibilidad económica de la implementación del Sistema de Generación Piezoeléctrica para cubrir la demanda de alumbrado perimetral LED, en rutas de circulaciones entre edificios de la Facultad. Por consiguiente, en el desarrollo del análisis económico, se evalúo la implementación y puesta en funcionamiento del Sistema de Generación Piezoeléctrica por medio del análisis de Flujo de Caja, donde se consideran como INGRESOS: el valor del consumo de energía piezoeléctrica efectiva generada y el ahorro supuesto por el consumo de iluminación perimetral que se dejaría de cancelar al cambio de las lámparas actuales por las lámparas LED, y como COSTOS: la inversión de la construcción de la infraestructura de iluminación con LED, la inversión de la implementación del Sistema de Generación Piezoeléctrica bien sea con baldosas Pavegen, Sustainable Energy Floor y Waynergy People, los respectivos costos por mantenimientos y los costos de reinversión por sustitución de baterías por vida útil y los costos de reinversión por reposición de equipos (regulador e inversor), remplazo de la base del piso de la baldosa piezoeléctrica por desgaste y sustitución (reinversión) de las baldosas piezoeléctricas por finalizar su vida útil. Como resultado, el análisis del Flujo de Caja de la alternativa con baldosas Pavegen presenta un mejor comportamiento financiero en el periodo de tiempo analizado de los 20 años respecto a las baldosas Sustainable Energy Floor y Waynergy People, sin embargo; el periodo de recuperación de la alternativa Pavegen, momento en que se da el punto de equilibro de ingresos y costos, se encuentra en el periodo del año 14, y a pesar de ofrecer un valor presente neto positivo, tendría una tasa interna de retorno menor a la tasa de oportunidad estipulada, una relación beneficio costo inferior a 1, y un periodo de recuperación mayor al tiempo de vida útil de las baldosas piezoeléctricas, obligando a realizar una reinversión para la sustitución de los dispositivos piezoeléctricos por vida útil que junto con el costo de la adecuación de la infraestructura de iluminación perimetral actual a LED, desbordan la proyección financiara de solución. Por consiguiente, se hace necesario buscar una financiación externa, donación particular, o aporte presupuestal de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, del costo de la adecuación de la infraestructura de iluminación perimetral actual a LED, de tal forma; que la proyección económica pueda ser favorable, y donde los únicos gastos que se tengan sean los costos propios de la implementación, integración y operación del Sistema de Generación Piezoeléctrico y los cuales puedan ser cubiertos por los ingresos del ahorro
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supuesto del consumo de iluminación perimetral que se dejaría de cancelarse al cambio de las lámparas actuales por lámparas LED. Así entonces, el comportamiento financiero de la alternativa Pavegen sin incluir el costo de la adecuación de la infraestructura de iluminación perimetral actual a LED, en el periodo del año 3, tendría un valor presente neto positivo de $6.489.063,73, una la tasa interna de retorno de 13%, mayor la tasa de oportunidad estipulada del 6%, una relación beneficio costo de 1,12, superior a 1, y un periodo de recuperación en los años 2,36, menor al tiempo requerido para realizar las primeras reinversiones de sustitución de elementos del sistema de generación piezoeléctrica por desgaste y/o cumplimiento de vida útil, favoreciendo la proyección financiara de solución.
92
11 BIBLIOGRAFÍA.
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99
12 ANEXOS.
Anexo 1. Inventario de alumbrado perimetral, Facultad Tecnológica.
Imagen Nombre Tipo Potencia
[W] Cantidad
[Un] Carga
[W] Observación
Farol Ornamental en poste de
3 [m]
Sodio 70 13 910
− Suciedad en la protección acrílica de la lámpara.
− Ineficiente ubicación
Lámpara Ornamental en poste de
3 [m]
Sodio 70 39 2730
− Suciedad en la protección acrílica de la lámpara
Reflector Metal Halide
250 9 2250
Reflector Horizontal
LED 70 5 350
− Alturas de montaje
Reflector LED 50 12 600
Total, de Carga 6840
Fuente. Autoría propia.
100
Anexo 2. Determinación de coeficiente de utilización.
Distribución tipo de las luminarias. Montaje Luminaria CITEA LED en poste.
Montaje Luminaria FRIZA LED en poste. Montaje Luminaria CITEA LED en pared.
Fuente. Autoría propia.
101
Anexo 3. Solicitud de grabaciones de cámaras de Facultad Tecnológica.
102
Anexo 4. Energía que se proyecta generar con la Plataforma Piezoeléctrica.
Pavegen V3
Sustainable
Energy
Floor, SEF
Waynergy
PeoplePavegen V3
Sustainable
Energy
Floor, SEF
Waynergy
PeoplePavegen V3
Sustainable
Energy
Floor, SEF
Waynergy
PeoplePavegen V3
Sustainable
Energy
Floor, SEF
Waynergy
People
Antes de 6:00 a.m. 29 0,15 0,20 0,29 0,26 0,36 0,41 5,18 7,25 8,29 51,79 72,50 82,86
6:00 am – 7:00 am 67 0,33 0,47 0,67 0,60 0,84 0,95 11,93 16,70 19,09 119,29 167,00 190,86
7:00 am – 8:00 am 369 1,85 2,59 3,69 3,30 4,62 5,28 65,96 92,35 105,54 659,64 923,50 1.055,43
8:00 am – 9:00 am 307 1,54 2,15 3,07 2,74 3,84 4,39 54,89 76,85 87,83 548,93 768,50 878,29
9:00 am – 10:00 am 774 3,87 5,42 7,74 6,91 9,68 11,06 138,21 193,50 221,14 1.382,14 1.935,00 2.211,43
10:00 am – 11:00 am 413 2,07 2,89 4,13 3,69 5,17 5,90 73,79 103,30 118,06 737,86 1.033,00 1.180,57
11:00 am – 12:00 m 889 4,44 6,22 8,89 7,93 11,11 12,69 158,68 222,15 253,89 1.586,79 2.221,50 2.538,86
12:00 m – 1:00 pm 689 3,45 4,82 6,89 6,15 8,61 9,84 123,04 172,25 196,86 1.230,36 1.722,50 1.968,57
1:00 pm – 2:00 pm 824 4,12 5,77 8,24 7,36 10,30 11,77 147,18 206,05 235,49 1.471,79 2.060,50 2.354,86
2:00 pm – 3:00 pm 435 2,18 3,05 4,35 3,88 5,44 6,21 77,68 108,75 124,29 776,79 1.087,50 1.242,86
3:00 pm – 4:00 pm 813 4,07 5,69 8,13 7,26 10,17 11,62 145,21 203,30 232,34 1.452,14 2.033,00 2.323,43
4:00 pm – 5:00 pm 470 2,35 3,29 4,70 4,20 5,88 6,72 83,96 117,55 134,34 839,64 1.175,50 1.343,43
5:00 pm – 6:00 pm 934 4,67 6,54 9,34 8,34 11,67 13,34 166,75 233,45 266,80 1.667,50 2.334,50 2.668,00
6:00 pm – 7:00 pm 435 2,17 3,04 4,35 3,88 5,44 6,21 77,64 108,70 124,23 776,43 1.087,00 1.242,29
7:00 pm – 8:00 pm 860 4,30 6,02 8,60 7,68 10,76 12,29 153,64 215,10 245,83 1.536,43 2.151,00 2.458,29
8:00 pm – 9:00 pm 263 1,32 1,84 2,63 2,35 3,29 3,76 46,96 65,75 75,14 469,64 657,50 751,43
9:00 pm – 10:00 pm 393 1,97 2,75 3,93 3,51 4,92 5,62 70,25 98,35 112,40 702,50 983,50 1.124,00
Después de 10:00 pm 4 0,02 0,03 0,04 0,03 0,05 0,05 0,68 0,95 1,09 6,79 9,50 10,86
TOTALES 8.969 44,85 62,78 89,69 80,08 112,12 128,13 1.601,64 2.242,30 2.562,63 16.016,43 22.423,00 25.626,29
Energía generada por la Plataforma
Piezoeléctrica al año (200 días para 10
meses)
[kWh/año]Fracción horaria de
conteo
Media
Flujo
Peatonal
[ph]
Energía Piezoeléctrica generada
garantizando un paso sobre la
plataforma piezoeléctrica
[kWh/día]
Energía generada por la Plataforma
Piezoeléctrica
[kWh/día]
Energía generada por la Plataforma
Piezoeléctrica al mes (20 días para un
mes)
[kWh/mes]
Fuente: Realizado por los Autores.
103
Anexo 5. Costos de energía demanda de Iluminación LED, comparada costo de energía demandada en Iluminación actual.
0
1 363,20 0,00 363,20 24.624 8.943.436,80 9.173 3.331.560,96 5.611.875,84
2 363,20 10,90 374,10 24.624 9.211.739,90 9.173 3.431.507,79 5.780.232,12
3 374,10 11,22 385,32 24.624 9.488.092,10 9.173 3.534.453,02 5.953.639,08
4 385,32 11,56 396,88 24.624 9.772.734,86 9.173 3.640.486,61 6.132.248,25
5 396,88 11,91 408,78 24.624 10.065.916,91 9.173 3.749.701,21 6.316.215,70
6 408,78 12,26 421,05 24.624 10.367.894,42 9.173 3.862.192,25 6.505.702,17
7 421,05 12,63 433,68 24.624 10.678.931,25 9.173 3.978.058,02 6.700.873,23
8 433,68 13,01 446,69 24.624 10.999.299,19 9.173 4.097.399,76 6.901.899,43
9 446,69 13,40 460,09 24.624 11.329.278,16 9.173 4.220.321,75 7.108.956,41
10 460,09 13,80 473,89 24.624 11.669.156,51 9.173 4.346.931,40 7.322.225,11
11 473,89 14,22 488,11 24.624 12.019.231,20 9.173 4.477.339,34 7.541.891,86
12 488,11 14,64 502,75 24.624 12.379.808,14 9.173 4.611.659,52 7.768.148,62
13 502,75 15,08 517,84 24.624 12.751.202,38 9.173 4.750.009,31 8.001.193,07
14 517,84 15,54 533,37 24.624 13.133.738,45 9.173 4.892.509,59 8.241.228,87
15 533,37 16,00 549,37 24.624 13.527.750,61 9.173 5.039.284,88 8.488.465,73
16 549,37 16,48 565,85 24.624 13.933.583,13 9.173 5.190.463,42 8.743.119,70
17 565,85 16,98 582,83 24.624 14.351.590,62 9.173 5.346.177,32 9.005.413,30
18 582,83 17,48 600,31 24.624 14.782.138,34 9.173 5.506.562,64 9.275.575,69
19 600,31 18,01 618,32 24.624 15.225.602,49 9.173 5.671.759,52 9.553.842,97
20 618,32 18,55 636,87 24.624 15.682.370,56 9.173 5.841.912,31 9.840.458,25
AHORRO COSTO
En Consumo de
Iluminación
perimetral LED
al año
$
Año
Costo de
energía
(Base)
$/kWh
Incremento
anual de
Costo de
Energía
$/kWh
Proyección
costo de
energía
$/kWh
Demanda por
Iluminación
Perimetral
Actual al año
kWh
COSTO
Consumo de
Iluminación
Perimetral
Actual al año
$
Demanda por
Iluminación
Perimetral
LED al año
kWh
COSTO
Consumo de
Iluminación
Perimetral LED
al año
$
Fuente: Realizado por los Autores.
104
Anexo 6. Flujo de Caja, Alternativa con baldosas Pavegen.
Costos
Consumo
Energía
Piezoeléctrica
demandada al
año
$
AHORRO COSTO
En Consumo de
Iluminación
perimetral LED
al año
$
Inversión
Construcción
Iluminación en
LED
Mtto LED
Inversión
Inicial SGP
Pavegen
Mtto SGP
PavegenReinversión
0 65.030.617,00 18.585.660,01 83.616.277,01 -83.616.277,01 -83.616.277,01
1 9.172,80 363,20 - 363,20 3.331.560,96 5.611.875,84 8.943.436,80 405.000,00 816.176,00 1.221.176,00 7.722.260,80 -75.894.016,21
2 9.172,80 363,20 10,90 374,10 3.431.507,79 5.780.232,12 9.211.739,90 421.200,00 848.823,04 1.270.023,04 7.941.716,86 -67.952.299,35
3 9.172,80 374,10 11,22 385,32 3.534.453,02 5.953.639,08 9.488.092,10 438.048,00 882.775,96 1.320.823,96 8.167.268,14 -59.785.031,21
4 9.172,80 385,32 11,56 396,88 3.640.486,61 6.132.248,25 9.772.734,86 455.569,92 918.087,00 1.373.656,92 8.399.077,94 -51.385.953,26
5 9.172,80 396,88 11,91 408,78 3.749.701,21 6.316.215,70 10.065.916,91 473.792,72 954.810,48 8.138.005,02 9.566.608,21 499.308,70 -50.886.644,57
6 9.172,80 408,78 12,26 421,05 3.862.192,25 6.505.702,17 10.367.894,42 492.744,43 993.002,90 1.485.747,32 8.882.147,09 -42.004.497,48
7 9.172,80 421,05 12,63 433,68 3.978.058,02 6.700.873,23 10.678.931,25 512.454,20 1.032.723,02 1.545.177,22 9.133.754,03 -32.870.743,44
8 9.172,80 433,68 13,01 446,69 4.097.399,76 6.901.899,43 10.999.299,19 532.952,37 1.074.031,94 1.606.984,31 9.392.314,88 -23.478.428,56
9 9.172,80 446,69 13,40 460,09 4.220.321,75 7.108.956,41 11.329.278,16 554.270,47 1.116.993,21 1.671.263,68 9.658.014,48 -13.820.414,08
10 9.172,80 460,09 13,80 473,89 4.346.931,40 7.322.225,11 11.669.156,51 576.441,28 1.161.672,94 12.688.966,23 14.427.080,45 -2.757.923,95 -16.578.338,02
11 9.172,80 473,89 14,22 488,11 4.477.339,34 7.541.891,86 12.019.231,20 599.498,94 1.208.139,86 21.326.245,33 23.133.884,12 -11.114.652,92 -27.692.990,94
12 9.172,80 488,11 14,64 502,75 4.611.659,52 7.768.148,62 12.379.808,14 623.478,89 1.256.465,45 1.879.944,35 10.499.863,79 -17.193.127,15
13 9.172,80 502,75 15,08 517,84 4.750.009,31 8.001.193,07 12.751.202,38 648.418,05 1.306.724,07 1.955.142,12 10.796.060,26 -6.397.066,89
14 9.172,80 517,84 15,54 533,37 4.892.509,59 8.241.228,87 13.133.738,45 674.354,77 1.358.993,03 2.033.347,81 11.100.390,65 4.703.323,76
15 9.172,80 533,37 16,00 549,37 5.039.284,88 8.488.465,73 13.527.750,61 701.328,96 1.413.352,76 10.417.816,16 12.532.497,88 995.252,73 5.698.576,50
16 9.172,80 549,37 16,48 565,85 5.190.463,42 8.743.119,70 13.933.583,13 729.382,12 1.469.886,87 5.982.232,46 8.181.501,44 5.752.081,68 11.450.658,18
17 9.172,80 565,85 16,98 582,83 5.346.177,32 9.005.413,30 14.351.590,62 758.557,40 1.528.682,34 2.287.239,75 12.064.350,87 23.515.009,05
18 9.172,80 582,83 17,48 600,31 5.506.562,64 9.275.575,69 14.782.138,34 788.899,70 1.589.829,63 2.378.729,34 12.403.409,00 35.918.418,06
19 9.172,80 600,31 18,01 618,32 5.671.759,52 9.553.842,97 15.225.602,49 820.455,69 1.653.422,82 2.473.878,51 12.751.723,98 48.670.142,04
20 9.172,80 618,32 18,55 636,87 5.841.912,31 9.840.458,25 15.682.370,56 853.273,92 1.719.559,73 2.572.833,65 13.109.536,91 61.779.678,95
COSTOS
TOTAL COSTOSVALOR ACTUAL
DEL FLUJO
VALOR ACTUAL
NETO
ACUMULADO
Año
Energia
demandada
por
Iluminación
perimetral LED
al año
kWh
Costo de
energía
(Base)
$/kWh
Incremento
anual de Costo
de Energía
$/kWh
Proyección
costo de
energía
$/kWh
INGRESOS
TOTAL
INGRESOS
Fuente: Realizado por los Autores.
En la columna “VALOR ACTUAL NETO ACUMULADO” se presentan los flujos traído a valor presente, donde para este periodo de tiempo, el VPN positivo se da a partir del año 14.
105
Anexo 7. Flujo de Caja, Alternativa con baldosas Sustainable Energy Floor SEF.
Costos
Consumo
Energía
Piezoeléctrica
demandada al
año
$
AHORRO COSTO
En Consumo de
Iluminación
perimetral LED
al año
$
Inversión
Construcción
Iluminación en
LED
Mtto LED
Inversión
Inicial SGP
Sustainable
Energy Floor,
SEF
Mtto SGP
Sustainable
Energy Floor,
SEF
Reinversión
0 65.030.617,00 26.872.183,98 91.902.800,98 -91.902.800,98 -91.902.800,98
1 9.172,80 363,20 - 363,20 3.331.560,96 5.611.875,84 8.943.436,80 405.000,00 568.776,00 973.776,00 7.969.660,80 -83.933.140,18
2 9.172,80 363,20 10,90 374,10 3.431.507,79 5.780.232,12 9.211.739,90 421.200,00 591.527,04 1.012.727,04 8.199.012,86 -75.734.127,31
3 9.172,80 374,10 11,22 385,32 3.534.453,02 5.953.639,08 9.488.092,10 438.048,00 615.188,12 1.053.236,12 8.434.855,98 -67.299.271,33
4 9.172,80 385,32 11,56 396,88 3.640.486,61 6.132.248,25 9.772.734,86 455.569,92 639.795,65 1.095.365,57 8.677.369,30 -58.621.902,04
5 9.172,80 396,88 11,91 408,78 3.749.701,21 6.316.215,70 10.065.916,91 473.792,72 665.387,47 10.462.460,72 11.601.640,91 -1.535.724,00 -60.157.626,04
6 9.172,80 408,78 12,26 421,05 3.862.192,25 6.505.702,17 10.367.894,42 492.744,43 692.002,97 1.184.747,40 9.183.147,02 -50.974.479,02
7 9.172,80 421,05 12,63 433,68 3.978.058,02 6.700.873,23 10.678.931,25 512.454,20 719.683,09 1.232.137,29 9.446.793,96 -41.527.685,06
8 9.172,80 433,68 13,01 446,69 4.097.399,76 6.901.899,43 10.999.299,19 532.952,37 748.470,41 1.281.422,78 9.717.876,40 -31.809.808,66
9 9.172,80 446,69 13,40 460,09 4.220.321,75 7.108.956,41 11.329.278,16 554.270,47 778.409,23 1.332.679,70 9.996.598,47 -21.813.210,19
10 9.172,80 460,09 13,80 473,89 4.346.931,40 7.322.225,11 11.669.156,51 576.441,28 809.545,60 12.688.966,23 14.074.953,11 -2.405.796,60 -24.219.006,79
11 9.172,80 473,89 14,22 488,11 4.477.339,34 7.541.891,86 12.019.231,20 599.498,94 841.927,42 38.768.151,47 40.209.577,83 -28.190.346,62 -52.409.353,42
12 9.172,80 488,11 14,64 502,75 4.611.659,52 7.768.148,62 12.379.808,14 623.478,89 875.604,52 1.499.083,41 10.880.724,73 -41.528.628,69
13 9.172,80 502,75 15,08 517,84 4.750.009,31 8.001.193,07 12.751.202,38 648.418,05 910.628,70 1.559.046,75 11.192.155,63 -30.336.473,06
14 9.172,80 517,84 15,54 533,37 4.892.509,59 8.241.228,87 13.133.738,45 674.354,77 947.053,85 1.621.408,62 11.512.329,84 -18.824.143,22
15 9.172,80 533,37 16,00 549,37 5.039.284,88 8.488.465,73 13.527.750,61 701.328,96 984.936,00 10.417.816,16 12.104.081,12 1.423.669,49 -17.400.473,74
16 9.172,80 549,37 16,48 565,85 5.190.463,42 8.743.119,70 13.933.583,13 729.382,12 1.024.333,44 10.874.867,59 12.628.583,15 1.304.999,98 -16.095.473,76
17 9.172,80 565,85 16,98 582,83 5.346.177,32 9.005.413,30 14.351.590,62 758.557,40 1.065.306,78 1.823.864,19 12.527.726,44 -3.567.747,32
18 9.172,80 582,83 17,48 600,31 5.506.562,64 9.275.575,69 14.782.138,34 788.899,70 1.107.919,05 1.896.818,75 12.885.319,59 9.317.572,26
19 9.172,80 600,31 18,01 618,32 5.671.759,52 9.553.842,97 15.225.602,49 820.455,69 1.152.235,81 1.972.691,50 13.252.910,99 22.570.483,25
20 9.172,80 618,32 18,55 636,87 5.841.912,31 9.840.458,25 15.682.370,56 853.273,92 1.198.325,25 2.051.599,16 13.630.771,40 36.201.254,65
COSTOS
TOTAL COSTOSVALOR ACTUAL
DEL FLUJO
VALOR ACTUAL
NETO
ACUMULADO
Año
Energia
demandada
por
Iluminación
perimetral LED
al año
kWh
Costo de
energía
(Base)
$/kWh
Incremento
anual de Costo
de Energía
$/kWh
Proyección
costo de
energía
$/kWh
INGRESOS
TOTAL
INGRESOS
Fuente: Realizado por los Autores.
En la columna “VALOR ACTUAL NETO ACUMULADO” se presentan los flujos traído a valor presente, donde para este periodo de tiempo, el VPN positivo se da a partir del año 18.
106
Anexo 8. Flujo de Caja, Alternativa con baldosas Waynergy People.
Costos
Consumo
Energía
Piezoeléctrica
demandada al
año
$
AHORRO COSTO
En Consumo de
Iluminación
perimetral LED
al año
$
Inversión
Construcción
Iluminación en
LED
Mtto LED
Inversión
Inicial SGP
Waynergy
People
Mtto SGP
Waynergy
People
Reinversión
0 65.030.617,00 23.199.699,68 88.230.316,68 -88.230.316,68 -88.230.316,68
1 9.172,80 363,20 - 363,20 3.331.560,96 5.611.875,84 8.943.436,80 524.580,00 524.580,00 1.049.160,00 7.894.276,80 -80.336.039,88
2 9.172,80 363,20 10,90 374,10 3.431.507,79 5.780.232,12 9.211.739,90 545.563,20 545.563,20 1.091.126,40 8.120.613,50 -72.215.426,37
3 9.172,80 374,10 11,22 385,32 3.534.453,02 5.953.639,08 9.488.092,10 567.385,73 567.385,73 1.134.771,46 8.353.320,65 -63.862.105,73
4 9.172,80 385,32 11,56 396,88 3.640.486,61 6.132.248,25 9.772.734,86 590.081,16 590.081,16 1.180.162,31 8.592.572,55 -55.269.533,18
5 9.172,80 396,88 11,91 408,78 3.749.701,21 6.316.215,70 10.065.916,91 613.684,40 613.684,40 9.432.290,88 10.659.659,69 -593.742,78 -55.863.275,96
6 9.172,80 408,78 12,26 421,05 3.862.192,25 6.505.702,17 10.367.894,42 638.231,78 638.231,78 1.276.463,56 9.091.430,86 -46.771.845,10
7 9.172,80 421,05 12,63 433,68 3.978.058,02 6.700.873,23 10.678.931,25 663.761,05 663.761,05 1.327.522,10 9.351.409,15 -37.420.435,95
8 9.172,80 433,68 13,01 446,69 4.097.399,76 6.901.899,43 10.999.299,19 690.311,49 690.311,49 1.380.622,99 9.618.676,20 -27.801.759,75
9 9.172,80 446,69 13,40 460,09 4.220.321,75 7.108.956,41 11.329.278,16 717.923,95 717.923,95 1.435.847,90 9.893.430,26 -17.908.329,49
10 9.172,80 460,09 13,80 473,89 4.346.931,40 7.322.225,11 11.669.156,51 746.640,91 746.640,91 12.688.966,23 14.182.248,05 -2.513.091,54 -20.421.421,03
11 9.172,80 473,89 14,22 488,11 4.477.339,34 7.541.891,86 12.019.231,20 776.506,55 776.506,55 31.038.115,72 32.591.128,82 -20.571.897,61 -40.993.318,65
12 9.172,80 488,11 14,64 502,75 4.611.659,52 7.768.148,62 12.379.808,14 807.566,81 807.566,81 1.615.133,62 10.764.674,52 -30.228.644,12
13 9.172,80 502,75 15,08 517,84 4.750.009,31 8.001.193,07 12.751.202,38 839.869,48 839.869,48 1.679.738,96 11.071.463,42 -19.157.180,70
14 9.172,80 517,84 15,54 533,37 4.892.509,59 8.241.228,87 13.133.738,45 873.464,26 873.464,26 1.746.928,52 11.386.809,93 -7.770.370,77
15 9.172,80 533,37 16,00 549,37 5.039.284,88 8.488.465,73 13.527.750,61 908.402,83 908.402,83 10.417.816,16 12.234.621,82 1.293.128,79 -6.477.241,98
16 9.172,80 549,37 16,48 565,85 5.190.463,42 8.743.119,70 13.933.583,13 944.738,94 944.738,94 8.706.512,59 10.595.990,47 3.337.592,65 -3.139.649,33
17 9.172,80 565,85 16,98 582,83 5.346.177,32 9.005.413,30 14.351.590,62 982.528,50 982.528,50 1.965.057,00 12.386.533,62 9.246.884,29
18 9.172,80 582,83 17,48 600,31 5.506.562,64 9.275.575,69 14.782.138,34 1.021.829,64 1.021.829,64 2.043.659,28 12.738.479,06 21.985.363,35
19 9.172,80 600,31 18,01 618,32 5.671.759,52 9.553.842,97 15.225.602,49 1.062.702,83 1.062.702,83 2.125.405,66 13.100.196,83 35.085.560,18
20 9.172,80 618,32 18,55 636,87 5.841.912,31 9.840.458,25 15.682.370,56 1.105.210,94 1.105.210,94 2.210.421,88 13.471.948,68 48.557.508,86
COSTOS
TOTAL COSTOSVALOR ACTUAL
DEL FLUJO
VALOR ACTUAL
NETO
ACUMULADO
Año
Energia
demandada
por
Iluminación
perimetral LED
al año
kWh
Costo de
energía
(Base)
$/kWh
Incremento
anual de Costo
de Energía
$/kWh
Proyección
costo de
energía
$/kWh
INGRESOS
TOTAL
INGRESOS
Fuente: Realizado por los Autores.
En la columna “VALOR ACTUAL NETO ACUMULADO” se presentan los flujos traído a valor presente, donde para este periodo de tiempo, el VPN positivo se da a partir del año 17.
107
Anexo 9. Flujo de Caja, Alternativa con baldosas Pavegen, sin los costos de adecuación de infraestructura de iluminación perimetral actual por LED
Costos
Consumo
Energía
Piezoeléctrica
demandada al
año
$
AHORRO COSTO
En Consumo de
Iluminación
perimetral LED
al año
$
Inversión
Construcción
Iluminación en
LED
Mtto LED
Inversión
Inicial SGP
Pavegen
Mtto SGP
PavegenReinversión
0 18.585.660,01 18.585.660,01 -18.585.660,01 -18.585.660,01
1 9.172,80 363,20 - 363,20 3.331.560,96 5.611.875,84 8.943.436,80 405.000,00 816.176,00 1.221.176,00 7.722.260,80 -10.863.399,21
2 9.172,80 363,20 10,90 374,10 3.431.507,79 5.780.232,12 9.211.739,90 421.200,00 848.823,04 1.270.023,04 7.941.716,86 -2.921.682,35
3 9.172,80 374,10 11,22 385,32 3.534.453,02 5.953.639,08 9.488.092,10 438.048,00 882.775,96 1.320.823,96 8.167.268,14 5.245.585,79
4 9.172,80 385,32 11,56 396,88 3.640.486,61 6.132.248,25 9.772.734,86 455.569,92 918.087,00 1.373.656,92 8.399.077,94 13.644.663,74
5 9.172,80 396,88 11,91 408,78 3.749.701,21 6.316.215,70 10.065.916,91 473.792,72 954.810,48 8.138.005,02 9.566.608,21 499.308,70 14.143.972,43
6 9.172,80 408,78 12,26 421,05 3.862.192,25 6.505.702,17 10.367.894,42 492.744,43 993.002,90 1.485.747,32 8.882.147,09 23.026.119,52
7 9.172,80 421,05 12,63 433,68 3.978.058,02 6.700.873,23 10.678.931,25 512.454,20 1.032.723,02 1.545.177,22 9.133.754,03 32.159.873,56
8 9.172,80 433,68 13,01 446,69 4.097.399,76 6.901.899,43 10.999.299,19 532.952,37 1.074.031,94 1.606.984,31 9.392.314,88 41.552.188,44
9 9.172,80 446,69 13,40 460,09 4.220.321,75 7.108.956,41 11.329.278,16 554.270,47 1.116.993,21 1.671.263,68 9.658.014,48 51.210.202,92
10 9.172,80 460,09 13,80 473,89 4.346.931,40 7.322.225,11 11.669.156,51 576.441,28 1.161.672,94 12.688.966,23 14.427.080,45 -2.757.923,95 48.452.278,98
11 9.172,80 473,89 14,22 488,11 4.477.339,34 7.541.891,86 12.019.231,20 599.498,94 1.208.139,86 21.326.245,33 23.133.884,12 -11.114.652,92 37.337.626,06
12 9.172,80 488,11 14,64 502,75 4.611.659,52 7.768.148,62 12.379.808,14 623.478,89 1.256.465,45 1.879.944,35 10.499.863,79 47.837.489,85
13 9.172,80 502,75 15,08 517,84 4.750.009,31 8.001.193,07 12.751.202,38 648.418,05 1.306.724,07 1.955.142,12 10.796.060,26 58.633.550,11
14 9.172,80 517,84 15,54 533,37 4.892.509,59 8.241.228,87 13.133.738,45 674.354,77 1.358.993,03 2.033.347,81 11.100.390,65 69.733.940,76
15 9.172,80 533,37 16,00 549,37 5.039.284,88 8.488.465,73 13.527.750,61 701.328,96 1.413.352,76 10.417.816,16 12.532.497,88 995.252,73 70.729.193,50
16 9.172,80 549,37 16,48 565,85 5.190.463,42 8.743.119,70 13.933.583,13 729.382,12 1.469.886,87 5.982.232,46 8.181.501,44 5.752.081,68 76.481.275,18
17 9.172,80 565,85 16,98 582,83 5.346.177,32 9.005.413,30 14.351.590,62 758.557,40 1.528.682,34 2.287.239,75 12.064.350,87 88.545.626,05
18 9.172,80 582,83 17,48 600,31 5.506.562,64 9.275.575,69 14.782.138,34 788.899,70 1.589.829,63 2.378.729,34 12.403.409,00 100.949.035,06
19 9.172,80 600,31 18,01 618,32 5.671.759,52 9.553.842,97 15.225.602,49 820.455,69 1.653.422,82 2.473.878,51 12.751.723,98 113.700.759,04
20 9.172,80 618,32 18,55 636,87 5.841.912,31 9.840.458,25 15.682.370,56 853.273,92 1.719.559,73 2.572.833,65 13.109.536,91 126.810.295,95
VALOR ACTUAL
DEL FLUJO
VALOR ACTUAL
NETO
ACUMULADO
Año
Energia
demandada
por
Iluminación
perimetral LED
al año
kWh
Costo de
energía
(Base)
$/kWh
Incremento
anual de Costo
de Energía
$/kWh
Proyección
costo de
energía
$/kWh
INGRESOS
TOTAL
INGRESOS
COSTOS
TOTAL COSTOS
Fuente: Realizado por los Autores.
En la columna “VALOR ACTUAL NETO ACUMULADO” se presentan los flujos traído a valor presente, donde para este periodo de tiempo, el VPN positivo se da a partir del año 3.