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Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniería

2021

Diseño de sistema fotovoltaico para la alimentación de la Diseño de sistema fotovoltaico para la alimentación de la

instalación eléctrica y el sistema de bombeo de agua de una instalación eléctrica y el sistema de bombeo de agua de una

vivienda en zona rural vivienda en zona rural

Maicol Alexander Rojas Zarate Universidad de La Salle, Bogotá, mrojas72@unisalle.edu.co

Diego Fernando Velazco Puentes Universidad de La Salle, Bogotá, dvelazco64@unisalle.edu.co

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Diseño de sistema fotovoltaico para la alimentación de la instalación eléctrica y el sistema de bombeo de agua de una vivienda en zona

rural

Autores Diego Fernando Velazco Puentes

Maicol Alexander Rojas Zarate

Universidad De La Salle Programa de Ingeniería Eléctrica

Bogotá D.C Julio 2021

Diseño de sistema fotovoltaico para la alimentación de la instalación eléctrica y el sistema de bombeo de agua de una vivienda en zona

rural

Asesor principal Martha Patricia Camargo Martínez

Autores Diego Fernando Velazco Puentes

Maicol Alexander Rojas Zarate

Universidad De La Salle Programa de Ingeniería Eléctrica

Bogotá D.C Julio 2021

AGRADECIMIENTOS

Diego Velazco

Agradezco primeramente a Dios y al universo por poner adecuadamente las piezas para que todo saliera bien. A mis padres y mis hermanos por el inmenso apoyo que me han dado siempre, por la confianza en mí y

el interés en mi proceso formativo y a mi familia por el apoyo recibido en todo momento. A mis amigos de universidad de los que pude aprender muchísimo y con los cuales compartí en varios aspectos de la vida. A

los diferentes docentes y maestros tanto del colegio como de la universidad quienes con sus consejos me ayudaron infinitamente y de los cuales aprendí cosas realmente valiosas. Agradezco a mis docentes de

universidad Luis Villarreal, Oscar espinel y Daniel Varela y mis docentes de colegio Oswaldo Pinzón, Martha Zamudio y Fernando Castañeda, quienes a lo largo de mi proceso formativo me enseñaron directa o

indirectamente mucho de lo hoy en día sé e influyeron en la forma en la que veo el mundo ahora. Agradezco a mi compañero de proyecto Alexander Rojas, por su gran confianza aún en los momentos de dificultad.

Finalmente, agradezco a todos aquellos que aún no he mencionado pero que han sido fundamentales a lo largo de mi vida y que sin ellos seguramente no estaría acá donde estoy. “Si tuviera la suerte de alcanzar

alguno de mis ideales, sería en nombre de toda la humanidad” Nikola Tesla.

Alexander Rojas

“El futuro depende de lo que hagas hoy” es una frase de Mahatma Gandhi. Mi presente ha dependido de lo que he hecho en el pasado y lo que las personas a mi alrededor han hecho, soy una partícula en un universo

que no es indiferente y que ha traído a mi vida personas maravillosas y sensacionales, soy fruto de una noche de pasión abrasadora entre papá y mamá. Así que agradezco al universo y a cada persona que ha

influenciado directa e indirectamente en mí, porque todo ha contribuido a este momento. Debo resaltar el amor que tuve en casa y que me ha llevado a donde estoy, mi abuela, mi madre, mis tías, mis tíos; también

las personas externas a mi familia, mis amigos en el colegio, mis amigos en la universidad, los docentes que he tenido y han contribuido en mi conocimiento. Finalmente agradezco a dos personas: a Gabriela Murcia por

ser mi compañera incondicional, en mi tiempo de mi universidad y que espero lo sea en mi tiempo de profesional, y a Diego Velazco quien es mi compañero en este documento y con quien espero tener más

proyectos de vida. “Las cosas no tienen que cambiar el mundo para ser importantes” frase de Steve Jobs.

Agradecimientos especiales

Agradecemos infinitamente a la ingeniera Martha Camargo por su entrega y compromiso con el desarrollo del proyecto, su increíble confianza en nosotros y por seguir apoyándonos a pesar de las dificultades. Al

ingeniero Gustavo Zabala por su disposición constante, el apoyo al desarrollo del proyecto y su compromiso con el desarrollo formativo. Al ingeniero Harrynson Ramírez por los consejos y apoyo para el buen desarrollo

del proyecto, por la confianza depositada en nosotros y su grata disposición en todo momento. Al ingeniero Efraín Bernal por haber orientado de buena manera nuestra idea del proyecto. Finalmente, agradecemos

profundamente a la familia interesada en el proyecto, por su ayuda en el desarrollo de las pruebas realizadas en campo, por su interés en el buen proceder hasta el final del proyecto y por habernos permitido

relacionarnos de manera muy profunda con todos ellos.

[1]

Tabla de contenido RESUMEN................................................................................................................................................................... 6 1. INTRODUCCIÓN............................................................................................................................................... 7 2. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA.................................................................................................................... 8 3. OBJETIVOS ....................................................................................................................................................... 8

3.1. OBJETIVO GENERAL ............................................................................................................................. 8 3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS.................................................................................................................... 8

4. DISEÑO PARA LA INSTALACIÓN ELÉCTRICA DE LA VIVIENDA .............................................................. 9 4.1. Descripción General ................................................................................................................................. 9 4.2. Caracterización de las cargas ............................................................................................................... 10 4.3. Normatividad correspondiente ............................................................................................................... 14 4.4. Plano Eléctrico ........................................................................................................................................ 17 4.5. Elementos y características de la instalación ....................................................................................... 19 4.6. Montaje a escala de algunas partes de la instalación.......................................................................... 20 4.7. Diagrama Unifilar .................................................................................................................................... 21

5. DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA DE BOMBEO .................................................................................. 22 5.1. Características del sistema de bombeo fotovoltaico ............................................................................ 22 5.2. Estimación de los consumos de agua para la vivienda ....................................................................... 23

a. Toma de datos ........................................................................................................................................ 23 b. Cálculo para la estimación del consumo de agua. ............................................................................... 25

5.3. Caracterización del terreno .................................................................................................................... 26 5.4. Datos experimentales y/o reales ........................................................................................................... 28

a. Tiempo de llenado del tanque ............................................................................................................... 28 b. Prueba para el llenado del tanque......................................................................................................... 29

5.5. Tiempo de uso mensual de la Electrobomba ....................................................................................... 30 5.6. Características de la electrobomba ....................................................................................................... 31 5.7. Diseño final y elementos necesarios para el sistema de bombeo ...................................................... 32 5.8. Sistema de bombeo completo ............................................................................................................... 35

6. DISEÑO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA LA VIVIENDA Y EL SISTEMA DE BOMBEO ............. 37 6.1. Radiación solar de la zona..................................................................................................................... 37 6.2. Elementos del SFV................................................................................................................................. 39

a. Paneles Solares...................................................................................................................................... 39 b. Inversor ................................................................................................................................................... 40

[2]

c. Regulador................................................................................................................................................ 40 d. Baterías ................................................................................................................................................... 41

6.3. Dimensionamiento del SFV para la vivienda ........................................................................................ 42 6.4. Dimensionamiento del SFV para el Sistema de Bombeo .................................................................... 46

7. VALIDACIÓN DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO A PARTIR DE SOFTWARE ............................................ 49 7.1. Validación del SFV para la vivienda ...................................................................................................... 49 7.2. Validación del sistema fotovoltaico para el sistema de bombeo ......................................................... 54

8. CONCLUSIONES ............................................................................................................................................ 56 9. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................................................ 57 10. ANEXOS ...................................................................................................................................................... 59

[3]

Lista de tablas Tabla 1. Cargas de la vivienda................................................................................................................................. 11 Tabla 2. Promedio de consumos mensuales de energía ....................................................................................... 11 Tabla 3. Calibre del conductor y su nivel de corriente (Electrotec, 2021) ............................................................. 13 Tabla 4. Selección de interruptores termomagnéticos. (Slide Player, 2021) ........................................................ 13 Tabla 5. Características para la referencia de los tanques utilizados. .................................................................. 24 Tabla 6. Datos de consumo de energía en el medidor de la vivienda. ................................................................. 28 Tabla 7. Datos de tiempo (llenado del tanque de 200 L) ....................................................................................... 28 Tabla 8. Comparación entre tecnologías fotovoltaicas (Castilla, 2014) ................................................................ 39 Tabla 9. Criterio de diseño de sistemas fotovoltaicos. (Solar Center, 2021) ........................................................ 43 Tabla 10. Características Dimensionamiento vs simulación.................................................................................. 53

[4]

Lista de Figuras Figura 1. Fases de la metodología del proyecto. (Autoría propia)........................................................................... 9 Figura 2. Sistema eléctrico típico (Espacio Honduras, 2021) ................................................................................ 10 Figura 3.Tabla de los principales símbolos gráficos. (RETIE, 2013)..................................................................... 14 Figura 4. Tabla de los principales símbolos gráficos (continuación). (RETIE, 2013) ........................................... 15 Figura 5. Código de colores para conductores c.a. (RETIE, 2013) ....................................................................... 15 Figura 6. Conductor del electrodo de puesta a tierra para sistemas de c.a. (NTC 2050).................................... 16 Figura 7. Plano arquitectónico de la futura vivienda. (Autoría propia)................................................................... 17 Figura 8. Plano arquitectónico con especificaciones más detalladas. (Autoría propia) ....................................... 17 Figura 9.Plano eléctrico para iluminación. (Autoría propia) ................................................................................... 18 Figura 10. Plano eléctrico para tomacorrientes. (Autoría propia) .......................................................................... 18 Figura 11. Pin de corte en el medidor. (Autoría propia) ......................................................................................... 20 Figura 12. Barrajes dentro de la caja de protecciones. (Autoría propia)............................................................... 20 Figura 13. Caja de protecciones. (Autoría propia) .................................................................................................. 21 Figura 14. Elementos de la instalación interna. (Autoría propia) ........................................................................... 21 Figura 15. Diagrama unifilar del SFV para la energización de la vivienda. (Autoría propia) ............................... 21 Figura 16. Sistema de bombeo para una zona aislada. (Autoría propia).............................................................. 23 Figura 17. Tanques de almacenamiento hídrico en el actual sitio de residencia. (Autoría propia) .................... 24 Figura 18. Tanque de referencia de los reales utilizados. (Homecenter, 2021) ................................................... 24 Figura 19. Volumen para un tronco de cono o cono truncado. (Stewart, 2018) ................................................... 25 Figura 20. Tanque de 6000 litros, que se usará en la vivienda. (Autoría propia) ................................................. 26 Figura 21. Ubicación de la fuente hídrica que se usará para la vivienda. (Autoría propia) ................................. 27 Figura 22. Ubicación del tanque para almacenamiento de agua que usará la vivienda. (Autoría propia).......... 27 Figura 23. Ubicación del tanque de prueba. (Autoría propia) ................................................................................ 29 Figura 24. Ubicación y funcionamiento de la electrobomba en el sitio de prueba. (Autoría propia) ................... 30 Figura 25. Características de la electrobomba de prueba. (Autoría propia) ......................................................... 31 Figura 26. Automático de tanque. (Mercado Libre, 2021)...................................................................................... 32 Figura 27. Automático en modo cisterna y modo tanque respectivamente. (Alumine, 2021).............................. 33 Figura 28. Contactor monofásico. (Alie Express, 2021) ......................................................................................... 34 Figura 29. Estructura interna de un contactor monofásico. (Area tecnologia, 2021) ........................................... 34 Figura 30. Protección diferencial y sus partes. (Ingmecafenix, 2021)................................................................... 35 Figura 31. Diseño del sistema de bombeo. (Autoría propia).................................................................................. 36 Figura 32. Mapa de radiación solar (UPME) ........................................................................................................... 37 Figura 33. Datos de radiación solar (Europeam communities, 2019) ................................................................... 38 Figura 34. Datos de radiación solar (POWER Data Access Viewer, 2015) .......................................................... 38 Figura 35. Datos de radiación solar (IDEAM, 2014) ............................................................................................... 39 Figura 36. Vida útil de la batería solar según la profundidad de descarga (Selectra, 2021) .............................. 42 Figura 37. Panel solar seleccionado. (Damia Solar, 2021) .................................................................................... 44 Figura 38. Regulador de carga seleccionado para la vivienda. (Mercado Libre, 2021) ....................................... 44 Figura 39. Inversor seleccionado para la vivienda. (Mercado Libre, 2021) .......................................................... 45 Figura 40. Batería seleccionada. (Carbon Sin, 2021) ............................................................................................ 45 Figura 41. Arreglo del SFV para la vivienda. (Autoría propia) ............................................................................... 46 Figura 42. Inversor seleccionado para el sistema de bombeo. (Mercado Libre, 2021) ....................................... 48 Figura 43. Ingreso de la coordenada geográfica de la vivienda. (Autoría propia) ................................................ 49 Figura 44. Orientación de los paneles solares. (Autoría propia) ........................................................................... 50 Figura 45. Consumos diarios en la vivienda. (Autoría propia) ............................................................................... 50

[5]

Figura 46. Datos del sistema de almacenamiento. (Autoría propia) ..................................................................... 51 Figura 47. Selección del conjunto FV. (Autoría propia).......................................................................................... 51 Figura 48. Línea de horizonte. (Autoría propia) ...................................................................................................... 52 Figura 49. Especificaciones del sistema en PVsyst para la vivienda. (Autoría propia)........................................ 52 Figura 50. Producciones normalizadas para la vivienda. (Autoría propia)............................................................ 53 Figura 51. Energía disponible y consumos mensuales en la vivienda. (Autoría propia)...................................... 53 Figura 52. Selección del FV para el sistema de bombeo. (Autoría propia)........................................................... 54 Figura 53. Producción normalizada para el sistema de bombeo. (Autoría propia) .............................................. 54 Figura 54. Energía disponible y consumos mensuales para el sistema de bombeo. (Autoría propia) ............... 55

[6]

RESUMEN

En el presente proyecto de investigación se realizó el diseño de la instalación eléctrica y el sistema de bombeo, para el suministro de energía eléctrica y agua a una vivienda en una zona rural en construcción, que se encuentra en cercanías a una fuente hídrica constante en época de verano. Así mismo, se realizó el diseño y dimensionamiento de un sistema fotovoltaico para abastecer dichas cargas, esto debido a que dentro de la zona no se cuenta con acceso a la red eléctrica y al alcantarillado del municipio, pero si disponibilidad de recursos renovables y las condiciones adecuadas para implementar este tipo de alternativas. Además de dar una solución y aportar a la comunidad, se favorece el medio ambiente. Finalmente, se hizo una estimación de costos en donde se realizó un estudio de crédito a un plazo de 60 meses y a través del software PVsyst se llevó a cabo la validación del sistema fotovoltaico.

[7]

1. INTRODUCCIÓN

Desde sus inicios, la electricidad ha significado avance y desarrollo en todos los escenarios. El hombre cambió por completo la manera en la que veía el mundo, ya que con la aparición de la electricidad y sus diferentes usos, la humanidad vivió la llamada segunda revolución industrial. La búsqueda de energías alternativas, limpias y renovables ha progresado en los últimos años debido a la necesidad de crear soluciones sostenibles y sustentables, debido al daño provocado al medio ambiente por el uso de los recursos fósiles, producto de las emisiones de CO2 a la atmosfera. Las energías renovables se presentan como la solución a esta problemática, dando opciones energéticas al sustituir los combustibles fósiles.

En la actualidad se ha incentivado el uso de generación fotovoltaica alrededor del mundo, en donde se han creado grandes centros de generación, siendo China, Japón, EE. UU y Alemania, los países que mayor abarcan esta tecnología, seguido de países como India, (en donde se encuentra la planta de generación solar fotovoltaica más grande del mundo con 2245 MW de potencia instalada) Italia y Reino Unido (Mundo Eléctrico, 2021).

En Latinoamérica los países que lideran la generación en energía solar fotovoltaica son Chile, México, Brasil y Argentina. Para el caso específico de Colombia, a partir de la crisis energética del 2016 producto del fenómeno del niño, se planteó diversificar la matriz de generación. Actualmente, se ha registra más de 12.000 MW en proyecto de energías renovables en donde 59 MW corresponden a sistemas fotovoltaico (Energía estratégica, 2021). Estos proyectos acceden a ciertos beneficios, contemplados en la ley 1715 del 2014, como por ejemplo exclusión del IVA, deducción de renta, depreciación acelerada y exención de gravámenes arancelarios.

El objetivo 7 del DPN (Departamento Nacional de Planeación), establece llevar energía al 100% de la población colombiana (Objetivos de Desarrollo Sostenible, 2021), en donde los sistemas fotovoltaicos son una excelente opción para lograr este objetivo, debido a la facilidad de hacer instalaciones en lugares aislados, con poca disposición de terreno y sin perjudicar la fauna y flora del lugar. Haciendo uso de este maravilloso recurso, en el presente documento se estudiará la viabilidad para energizar una vivienda en una zona rural, en la vereda Las Espigas – Sesquilé Cundinamarca, que no cuenta con los servicios de energía eléctrica y agua potable, con lo que se busca, además, acercar estas tecnologías a una mayor cantidad de población que necesita de ella, cumpliendo con el objetivo propuesto de electrificación para el año 2030.

[8]

2. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA En Colombia muchas viviendas no cuentan con servicio de electricidad debido en parte a la dificultad de llevar líneas de interconexión o la lejanía de los centros de generación. Esta situación se presenta incluso en lugares del centro del país como es el caso de la vereda Las Espigas, en el municipio de Sesquilé – Cundinamarca, donde actualmente se encuentra en proceso constructivo una vivienda que además de estar aislada de la red eléctrica, está lejos del acceso al acueducto del municipio. A partir de la situación identificada y el interés de aplicar el conocimiento adquirido a resolver un problema real y de apoyo a la comunidad, se plantea como proyecto de grado realizar el dimensionamiento de la instalación y del sistema de bombeo para el abastecimiento de agua y energía a la vivienda, así como el diseño de un SFV que supla los dos tipos de carga. Actualmente, la familia se encuentra administrando una finca aledaña al sitio donde desean construir su vivienda. Esto permite realizar una visita de campo al lugar de residencia actual para estimar consumos de agua y hacer pruebas de bombeo en donde se establecerán parámetros para el dimensionamiento del SFV.

3. OBJETIVOS

3.1. OBJETIVO GENERAL

• Diseñar un sistema fotovoltaico (SFV) para abastecer la demanda eléctrica, incluyendo un sistema de bombeo para el suministro de agua, de una vivienda de la vereda Las Espigas en Sesquilé Cundinamarca.

3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Realizar el diseño de la instalación eléctrica de la vivienda. • Dimensionar el sistema de bombeo para el suministro de agua a la vivienda. • Diseñar el sistema fotovoltaico que requiere la vivienda para el abastecimiento de la demanda,

incluyendo el sistema de bombeo.

[9]

4. DISEÑO PARA LA INSTALACIÓN ELÉCTRICA DE LA VIVIENDA

En la siguiente sección, se describe el diseño de la instalación eléctrica para la vivienda, que se desarrolló siguiendo la metodología mostrada en la Figura 1, realizando la especificación necesaria para su eventual aplicación.

Figura 1. Fases de la metodología del proyecto. (Autoría propia)

4.1. Descripción General Para una adecuada instalación eléctrica en una residencia, se requiere de dos etapas: La primera es referente a la conexión desde fuera de la residencia, también conocida como acometida eléctrica, hasta el interior de la vivienda, donde se encuentra el tablero eléctrico. La segunda etapa corresponde a la instalación eléctrica dentro de la residencia, en donde se debe cablear e instalar los diferentes componentes electrónicos, como tomacorrientes, bombillas, interruptores, etc. A continuación, se evidencian los principales componentes de las dos etapas mencionadas:

[10]

Figura 2. Sistema eléctrico típico (Espacio Honduras, 2021)

I. Transformador: Es un dispositivo eléctrico que tiene una bobina de cable frente a otra u otras diferentes bobinas. El transformador puede ser elevador o reductor, el primer caso se da si el voltaje secundario es superior al primario, en caso contrario sería reductor. La potencia es constante en cada juego de bobinas, por lo que en un transformador elevador el aumento de voltaje de la bobina secundaria es compensado por una disminución de corriente en dicha bobina.

II. La acometida: Es el recorrido de los conductores, desde las líneas de distribución hasta la vivienda, por lo que termina en el interruptor principal que esta después del medidor dado por la compañía eléctrica de distribución.

III. El medidor: También conocido como contador, es un elemento usado para llevar control sobre el consumo de energía que se hace en un determinado periodo de tiempo. La instalación no depende del contador, pero se debe pagar por este servicio, por eso la importancia que tiene, en pro de la empresa distribuidora y del sistema en general.

IV. Centro de carga: Es una caja metálica utilizada para hacer la distribución de los circuitos que contiene la instalación eléctrica residencial. En el interior de esta caja, se ubican los espacios para colocar los interruptores de protección de cada circuito, llamados breaker o coloquialmente como taco. De este centro de carga, salen los cables hacia los componentes de la instalación residencial, por lo que es un elemento sumamente importante.

V. La conexión a tierra del equipo: Es una parte de la instalación muy importante y se hace para proteger a las personas y los equipos de choques eléctricos accidentales o sobrecargas. Generalmente esto se hace a través de la instalación de una varilla de cobre en la tierra.

VI. Las salidas: Son tantas como se necesiten y se puedan, como los tomacorrientes sencillos, especiales, interruptores, conexiones a porta bombillos, timbres, alarmas, cámaras, entre otros (Espacio Honduras, 2021).

4.2. Caracterización de las cargas En la Tabla 1 se especifica la carga proyectada para todo el sistema que requiere la vivienda. La carga máxima total instalada aproximadamente es de 4.768 kW.

[11]

Tabla 1. Cargas de la vivienda Equipo Cantidad Potencia (W) P. Total (W) Nevera 1 300 300

Lavadora 1 1000 1000 Bombillos 19 12 228 Licuadora 1 400 400 Televisor 1 90 90

Plancha de ropa 1 1200 1200 * Electrobomba1 1 550 550

Otros - 1000 1000 Total 4768

En la Tabla 2, se encuentran los promedios de consumo mensual de energía que tendrá la vivienda. Adicionalmente se encuentra el costo de la energía, teniendo en cuenta el precio por kWh de la región en donde se desarrollará el proyecto. Se asumió una carga adicional de 1000 W para otros equipos que podrían usarse más adelante como horno microondas, lámparas para mesas de noche y/o computador portátil. Esta caracterización se realizó teniendo en cuenta las especificaciones de los propietarios.

Tabla 2. Promedio de consumos mensuales de energía Electrodoméstico Potencia

[W] Potencia [kW] Horas de uso diarias kWh kWh/mes Precio

Nevera 300 0,3 3 0,9 27,0 $ 15.388 Lavadora 1000 1 0,42 0,4 12,6 $ 7.181 Bombillos 228 0,228 4 0,9 27,4 $ 15.593 Licuadora 400 0,4 0,08 0,03 1,0 $ 547 Televisor 90 0,09 6 0,5 16,2 $ 9.233

Plancha de ropa 1200 1,2 0,14 0,2 5,0 $ 2.913 * Electrobomba 550 0,55 0,37 0,2 6,1 $ 3.479

Otros 1000 1 1 1,0 30,0 $ 17.098 Total 4768 4,768 15,01 4,2 125,3 $ 71.393

Teniendo en cuenta que la potencia total instalada es de 4,768 kW, donde 550 W serán exclusivos para el sistema de bombeo, los restantes 4,218 kW se distribuirán en 4 breakers o protecciones. Para la especificación de los elementos de protección se determina la corriente nominal y de corto circuito.

- Sistema de bombeo

Para la corriente de la electrobomba, se tiene que:

1 * La electrobomba se tiene en cuenta en el total de cargas, sin embargo, se dimensionará por aparte ya que corresponde al sistema de bombeo y es un sistema fotovoltaico independiente.

[12]

𝐼𝐼 = 𝑃𝑃 [𝑊𝑊]𝑉𝑉 [𝑉𝑉]

(1)

En donde:

I: Corriente [A] P: Potencia [W] V: Voltaje [V]

𝐼𝐼 = 550 𝑊𝑊120 𝑉𝑉

= 4,58 𝐴𝐴 (2)

La corriente de cortocircuito corresponde a la corriente nominal sobredimensionada un 25% (NTC 2050):

𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 = (4,58)(1,25) = 5,72 𝐴𝐴 (3)

- Instalación de la vivienda

Para tener un buen sobredimensionamiento del sistema, la potencia de 4218 W se divide entre los 3 breakers restantes (sin tomar en cuenta el asociado a los tomacorrientes GFCI2 que tendrá una capacidad asociada igual al resto de la instalación) y de esta manera tener un margen de potencia.

𝑃𝑃 = 4218 𝑊𝑊

3= 1406 𝑊𝑊 (4)

La corriente para cada circuito será de:

𝐼𝐼 = 1406 𝑊𝑊

120 𝑉𝑉= 11,72 𝐴𝐴 (5)

La corriente de cortocircuito corresponde a:

𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 = (11,72) (1,25) = 14,65 𝐴𝐴 (6)

En la Tabla 3 y la Tabla 4, se describen los valores de corriente permitida con respecto al calibre de cada cable y tipo de breakers, respectivamente.

2 GFCI: Ground Fault Circuit interrupter que significa interruptor de circuito por falla a tierra. Este tipo de tomacorrientes son usados en lugares que presentan humedad, como baños, lavaplatos, lavanderías, etc.

[13]

Tabla 3. Calibre del conductor y su nivel de corriente (Electrotec, 2021) Calibre A.W.G. Sección mm2 Cant. Amperios Resistencia Ω/km

14 2,5 15 8,45

12 4,0 20 5,32

10 6,0 30 3,34

8 10,0 40 - 55 2,10

6 16,0 55 - 75 1,32

Tabla 4. Selección de interruptores termomagnéticos. (Slide Player, 2021) SELECCIÓN DE INTERRUPTORES TERMOMAGNÉTICOS MONOPOLAR

POLO X AMPERIOS

BIPOLAR POLO X

AMPERIOS

TRIPOLAR POLO X

AMPERIOS

1x15 2x15 3x15

1x20 2x20 3x20

1x30 2x30 3x30

1x40 2x40 3x40

1x50 2x50 3x50

1x60 2x60 3x60

2x70 3x70

3x100

Teniendo en cuenta los resultados de corriente obtenidos, se seleccionó el conductor 10 AWG para el sistema de bombeo. Como el calibre escogido del cable soporta 30 A y bajo criterio propio, se define que el breaker a implementar sea de 30 A monofásico. Este calibre se seleccionó por facilidad en el manejo de la instalación y por los picos de arranque del motor. Para el sistema eléctrico de la vivienda se seleccionó un calibre 12 AWG y breakers de 20 A monofásicos. Este calibre se eligió por facilidad de manejo en la instalación y criterio propio, teniendo en cuenta que el calibre 14 AWG sirve en las especificaciones dadas.

Para la regulación de tensión se tiene que:

𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝐼𝐼𝑅𝑅ó𝑛𝑛 𝑑𝑑𝑅𝑅 𝑡𝑡𝑅𝑅𝑛𝑛𝑡𝑡𝑅𝑅ó𝑛𝑛 = 𝑅𝑅% = 200𝑃𝑃𝑃𝑃𝑉𝑉2𝜎𝜎𝜎𝜎

(7)

Dónde:

- 200: Constante - P: Potencia del circuito [W] - L: Longitud del circuito [m] - V: Tensión del trabajo [V] - σ: Resistividad del cobre (47.5 cte.)

[14]

- S: Sección del conductor adoptado (𝑚𝑚𝑚𝑚2)

𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝐼𝐼𝑅𝑅ó𝑛𝑛 𝑑𝑑𝑅𝑅 𝑡𝑡𝑅𝑅𝑛𝑛𝑡𝑡𝑅𝑅ó𝑛𝑛 = 𝑅𝑅% = (200)(1406𝑊𝑊)(19 𝑚𝑚)(120 𝑉𝑉)2(47.5)(3.31 𝑚𝑚𝑚𝑚2)

= 2.4% (8)

El resultado de la regulación para la instalación fue menor del 3%, lo que está dentro del rango permitido por el RETIE para instalaciones residenciales. 4.3. Normatividad correspondiente Para el diseño de instalaciones eléctricas, en Colombia rige el Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas – RETIE, siendo este de estricto cumplimiento. Su objetivo es “garantizar la seguridad de las personas, de la vida tanto animal como vegetal y la preservación del medio ambiente; previniendo, minimizando o eliminando los riesgos de origen eléctrico” (RETIE, 2013). A continuación, se establecerán los parámetros a seguir dentro del diseño para la instalación eléctrica de la vivienda, según normativa RETIE.

• Para el diseño del plano eléctrico se deben usar los símbolos gráficos especificados en la Figura 3 y la Figura 4, según se especifica en el artículo 6.1 (símbolos eléctricos) del RETIE. Estos símbolos serán utilizados para el plano eléctrico que corresponderá a la parte especifica de la instalación.

Figura 3.Tabla de los principales símbolos gráficos. (RETIE, 2013)

[15]

Figura 4. Tabla de los principales símbolos gráficos (continuación). (RETIE, 2013)

• El código de colores para los conductores se establece para evitar accidentes por errónea interpretación del nivel de tensión y tipo de sistema utilizado. En la Figura 5 se detalla el código de colores, según se específica en el artículo 6.3 (Código de colores para conductores) (RETIE, 2013)

Figura 5. Código de colores para conductores c.a. (RETIE, 2013)

[16]

• Para instalaciones fotovoltaicas, el cableado al aire libre debe ir en canalización EMT3 excepto en lugares con posible riesgo de impacto, en donde se recomienda un uso de canalización IMC4.

• Para el sistema de puesta a tierra, el artículo 15 del RETIE especifica que el calibre del conductor

se debe seleccionar en la tabla 250-94 de la NTC 2050.

Figura 6. Conductor del electrodo de puesta a tierra para sistemas de c.a. (NTC 2050)

Adicionalmente, se deben cumplir varias especificaciones, dentro de las que se encuentran las siguientes:

- Para la verificación del electrodo de puesta a tierra y su unión con la red equipotencial, se deben dejar puntos accesibles para el momento de medición. Estos puntos deben ser cajas de inspección de 30 cm x 30 cm, con tapa removible. Para viviendas residenciales se debe hacer una verificación cada 5 años.

- El electrodo (varilla o tubo) debe tener mínimo 240 cm de longitud. - La unión entre el electrodo y el conductor debe realizarse bien con soldadura exotérmica o

con un conector certificado para enterramiento directo.

Se deben contemplar otras características correspondientes al sistema de puesta a tierra, en donde se especifican las recomendaciones necesarias para el cumplimiento con la norma. (RETIE, 2013)

3 EMT: Tubería Eléctrica Metálica. 4 IMC: Tubo metálico coduit galvanizado.

[17]

4.4. Plano Eléctrico Para la realización del plano eléctrico, se estableció inicialmente un diagrama arquitectónico en donde, se tuvieron en cuenta las especificaciones realizadas por parte de las personas dueñas del predio, quienes realizarán la inversión en la construcción. Adicionalmente se adecuó el diseño de la vivienda para la generación fotovoltaica. En la Figura 7 se encuentra el plano arquitectónico propuesto.

Figura 7. Plano arquitectónico de la futura vivienda. (Autoría propia)

Dentro del plano arquitectónico se elaboró un diseño más detallado de cada uno de los lugares que tendrá la vivienda. En la Figura 8 se encuentran dichas especificaciones.

Figura 8. Plano arquitectónico con especificaciones más detalladas. (Autoría propia)

[18]

Finalmente, se realizó el plano eléctrico, cumpliendo con las necesidades energéticas para su eventual funcionamiento. El plano eléctrico se presenta en la Figura 9 y la Figura 10.

Figura 9.Plano eléctrico para iluminación. (Autoría propia)

Figura 10. Plano eléctrico para tomacorrientes. (Autoría propia)

[19]

4.5. Elementos y características de la instalación Teniendo en cuenta los datos y/o valores técnicos para el sistema eléctrico y la normativa correspondiente, se establecieron características para la instalación eléctrica de la vivienda. Se tendrán 4 breaker o protecciones termomagnéticas, repartidas de la siguiente manera:

- Una protección para los tomacorrientes GFCI de 20 A - Una protección para los dos cuartos pequeños, el pasillo y el cuarto de baterías de 20 A - Una protección para el cuarto de lavandería, baño compartido y la sala-comedor de 20 A - Una protección para el cuarto principal, el baño privado, cuarto de herramientas y la cocina

de 20 A

El cable que se usará para la instalación será de calibre 12 AWG que soporta 20 A. Adicionalmente la tubería correspondiente para la instalación deberá ser en PVC de ½”. Dentro de la instalación se contará con:

- 4 tomacorrientes GFCI certificados, distribuidos en las zonas con posible humedad, como baños cocina y lavandería.

- 20 tomacorrientes normales certificados - 19 luminarias o bombillos - 6 interruptores conmutables - 7 interruptores sencillos - 3 interruptores dobles

Para el sistema de puesta a tierra se tendrán en cuenta los siguientes parámetros constructivos: - El electrodo de puesta a tierra es tipo varilla de 2.4 m de longitud, en 5/8 de cobre. Esté electrodo

debe quedar 15 cm fuera de la tierra para una futura revisión, en donde debe aparecer grabado el nombre del fabricante (alto o bajo relieve), también para poder observar el método de conexión y ver el conductor que se está usando.

- El conductor del sistema de puesta a tierra seleccionado es calibre 8 AWG. - El tipo de conexión escogido en este caso es con un conector certificado. - El tipo de ducto debe ser de 1/2’’ en PVC El color de los conductores será de la siguiente manera: - Fases: Para las fases se usará uno de los siguientes colores: Amarillo, azul, rojo o negro. - Neutro: Para el neutro se usará color blanco. - Tierra: Para el conductor de tierra se usará alambre desnudo, color verde o verde amarillo. Estos elementos serán indispensables para dejar la vivienda apta para su posterior energización y disfrute de las comodidades básicas de energización.

[20]

4.6. Montaje a escala de algunas partes de la instalación Se realizó un pequeño montaje a escala de las partes más relevantes de la instalación de una vivienda. En el montaje se pueden observar las partes principales que conforman la instalación de una vivienda. El montaje y sus partes se describen en la Figura 11, Figura 12, Figura 13 y la Figura 14.

Figura 11. Pin de corte en el medidor. (Autoría propia)

Figura 12. Barrajes dentro de la caja de protecciones. (Autoría propia)

Es importante que dentro de la caja de protecciones (ver Figura 13) se coloque una protección diferencial, ya que esta protegerá a las personas de recibir descargas eléctricas y a la instalación la protegerá de cortocircuitos y posibles incendios que se puedan presentar dentro de la instalación.

[21]

Figura 13. Caja de protecciones. (Autoría propia)

Figura 14. Elementos de la instalación interna. (Autoría propia)

4.7. Diagrama Unifilar Dentro del diagrama unifilar presentado en la Figura 15, se encuentra ubicada la parte de generación correspondiente a paneles solares, el regulador de carga, baterías, inversor y la carga.

Figura 15. Diagrama unifilar del SFV para la energización de la vivienda. (Autoría propia)

[22]

5. DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA DE BOMBEO

5.1. Características del sistema de bombeo fotovoltaico

Los sistemas de bombeo con energía solar son una aplicación especial de los sistemas fotovoltaicos donde se utiliza la energía generada por los paneles solares, para alimentar una bomba o grupo de bombeo de agua para ganadería, riego de cultivos y/o consumo de agua, principalmente en zonas aisladas donde el acceso a servicios de agua y energía son complicados. Un sistema de bombeo fotovoltaico requiere de electrobombas que impulsan el agua desde una estación de almacenamiento del recurso hídrico, pozo o embalse hasta el punto de distribución o de riego. Estos sistemas de bombeo pueden ir desde los más sencillos hasta los más complejos, dependiendo de las necesidades que se tengan. Algunas de las ventajas que se pueden encontrar en los sistemas de bombeo fotovoltaico son las siguientes: - Se pueden encontrar a nivel nacional variedad de marcas comerciales de electrobombas,

permitiendo mejores adaptaciones a las necesidades que se tengan. - El mantenimiento que se le realiza es mínimo. Se requiere de una limpieza del equipo y

conexiones generalmente una vez al año. - Colombia cuenta con niveles de radiación solar buenos durante el año, permitiendo que estos

sistemas puedan instalarse en gran parte del territorio. - Reducción de la contaminación respecto a humos, emisiones y ruidos. - Las épocas de mayor radiación solar coinciden con las de épocas de mayor necesidad de agua

(López, 2017-2018). En este caso de aplicación, el agua se bombeará hasta una balsa o depósito a una altura mayor de donde se desea utilizar y posteriormente se distribuirá con la misma presión de la altura, o si es el caso, con otra bomba de menor potencia. Para este tipo de bombeo, toda el agua que extrae la electrobomba va al depósito, por lo que no hay problema alguno en que la presión y el caudal sean variables, aprovechando de mejor manera la energía proporcionada por los paneles solares fuera de las horas de mayor irradiancia. En la Figura 16, se encuentra un ejemplo del esquema del sistema de bombeo alimentado con paneles fotovoltaicos.

[23]

Figura 16. Sistema de bombeo para una zona aislada. (Autoría propia)

Para el dimensionamiento del sistema de bombeo, es muy importante determinar la cantidad en 𝑚𝑚3 de agua que se requiere diariamente. A partir de la estimación del consumo de agua, se establece la potencia mínima de generación, al igual que el tiempo mínimo requerido para cumplir con la demanda. 5.2. Estimación de los consumos de agua para la vivienda

Se realizó una visita de campo al lugar donde actualmente reside la familia para obtener datos más acertados del consumo diario promedio. Esto debido a que no se cuenta con servicio de acueducto ni ningún tipo de factura donde se aprecien consumos estimados.

En el lugar actual donde reside la familia interesada en el proyecto, se cuenta con dos tanques de 2000 litros5 (2𝑚𝑚3) cada uno, utilizados para el almacenamiento del agua que se usa en la vivienda. Inicialmente se estableció un volumen de agua completo para los tanques y posteriormente se cortó la llegada de agua a los mismos, tomando una medida de la ocupación de los tanques llenos. Una vez tomada la medida inicial, se siguió utilizando el recurso hídrico como de costumbre, durante un tiempo estimado de cuatro días. Finalizando estos cuatro días se pudo evidenciar el consumo de agua, tomando una nueva medida en los tanques y el radio tanto superior (nivel de agua inicial) como el radio inferior (nivel de agua final) en el tanque. Por último, se realizó el debido procedimiento para estimar el consumo de agua en este tiempo.

a. Toma de datos

Para la toma de datos fue necesario hacer una inspección en los tanques donde se almacena el agua que usa la vivienda. Allí se tomaron los datos necesarios para el cálculo posterior del consumo de agua. En la Figura 17 se observa una fotografía de los tanques.

5 1000 litros equivalen a 1 𝑚𝑚3

[24]

Figura 17. Tanques de almacenamiento hídrico en el actual sitio de residencia. (Autoría propia)

Los datos encontrados para la referencia de los tanques (ver Figura 18) son los presentados en la Tabla 5.

Tabla 5. Características para la referencia de los tanques utilizados. TANQUE ACUAPLAST 2000 LTS CON TAPA

Medidas Descripción Diámetro superior 157 cm Diámetro inferior 116 cm Altura sin tapa 157 cm Altura con tapa 175 cm

Capacidad 2000 litros Color Negro

Referencia 131AFCN02805A

Figura 18. Tanque de referencia de los reales utilizados. (Homecenter, 2021)

[25]

La altura del consumo de agua que se registró en los dos tanques fue de aproximadamente 53 cm. El radio superior sobre el nivel de agua del tanque fue de 78,5 cm y el radio inferior de 71,7 cm. A partir de estos datos, se realizó el cálculo para estimar el consumo de agua de la vivienda. b. Cálculo para la estimación del consumo de agua. Teniendo en cuenta que el tanque tiene forma de un tronco de cono, se tiene que el volumen es:

Figura 19. Volumen para un tronco de cono o cono truncado. (Stewart, 2018)

𝑉𝑉 = 𝜋𝜋ℎ

3(𝑅𝑅2 + 𝑟𝑟2 +𝑅𝑅𝑟𝑟) (9)

En donde:

V: Volumen [𝑚𝑚3] h: Altura [𝑚𝑚] R: Radio superior del tanque [𝑚𝑚] r: Radio inferior del tanque [𝑚𝑚]

Reemplazando los valores correspondientes, se tiene que el volumen de agua que se consumió de un tanque fue de:

𝑉𝑉 = 𝜋𝜋(0,53)3

(0,785)2 + (0,717)2 + (0,785)(0,717) = 0.937 𝑚𝑚3 (10)

El volumen correspondiente se multiplica por 2, ya que son dos tanques que funcionan de forma paralela, es decir que los dos bajaron el mismo nivel de agua.

𝑉𝑉 = (2)(0,937) 𝑚𝑚3 = 1,784 𝑚𝑚3 (11)

Teniendo en cuenta que en los cuatro días el consumo de agua fue de 1874 litros, se estima un consumo diario de aproximadamente 469 litros.

[26]

A partir de esto, se realiza una aproximación de durabilidad en días para el tanque de 6000 litros (ver Figura 20) que es el que se utilizará en la nueva vivienda6.

Figura 20. Tanque de 6000 litros, que se usará en la vivienda. (Autoría propia)

Asumiendo el nuevo tanque de 6000 litros (6 m3), si la familia en promedio tiene un consumo de aproximadamente 469 litros diarios, el nuevo tanque podría mantener ese consumo una vez lleno, sin ninguna fuente hídrica entrante, aproximadamente durante 12 días. Estos datos serán importantes para determinar el tiempo estimado de uso diario de la electrobomba y posteriormente poder realizar el dimensionamiento del SFV. 5.3. Caracterización del terreno Para la altura de bombeo con la electrobomba, se usaron dos aplicaciones de altitud llamadas “altímetro de viaje” y “elevación y altímetro GPS”. La altitud y lugar del reservorio son las mostradas en la Figura 21.

6 Esto debido a que en la vivienda actual se cuenta con dos tanques de 2000 L, pero en la nueva vivienda se hará uso de un tanque de 6000 L.

[27]

Figura 21. Ubicación de la fuente hídrica que se usará para la vivienda. (Autoría propia)

Para el terreno donde debe quedar el tanque, se tiene una altura de 3016 m (Figura 22):

Figura 22. Ubicación del tanque para almacenamiento de agua que usará la vivienda. (Autoría propia)

Para el caso de la altura entre la fuente hídrica y el lugar provisto para el tanque, las dos aplicaciones utilizadas registran una diferencia de 15 metros. Para el caso de la distancia, se utilizó un decámetro y se encontró que la fuente hídrica y el lugar provisto para el tanque están separados por 103.4 metros. Para las pruebas de bombeo se utilizó una distancia de 110 metros, para tener un margen adecuado.

[28]

5.4. Datos experimentales y/o reales Para la realización de la practica en campo, se tuvieron al alcance una gran variedad de datos reales que se evidencian a continuación: a. Tiempo de llenado del tanque

Inicialmente, a partir de la vivienda actual, se realizó una prueba, desconectando todo elemento eléctrico dentro de la vivienda y verificando la lectura del contador, obteniendo valores de 5734,22 kVAhr y 11971,55 kWh (Lectura 0). Posteriormente se encendió la electrobomba para hacer el llenado de un tanque de 200 litros (tanque de prueba) y estimar un tiempo de llenado, como también el consumo que se presenta en el medidor. Así, luego de usar la electrobomba, se revisó el nuevo valor en el contador y se estableció el consumo que tuvo. Una vez obtenidos los datos de cada una de las tres pruebas (Lectura 1, Lectura 2 y Lectura 3), se estimó un promedio del consumo. De igual forma se hizo una toma del tiempo que tardó en llenarse el tanque en cada prueba realizada.

Tabla 6. Datos de consumo de energía en el medidor de la vivienda.

Datos P Activa (kWh) P reactiva (kVAr/h) Lectura 0 11.971,55 5734,22 Lectura 1 11971,64 5734,3 Lectura 2 11971,72 5734,39 Lectura 3 11971,81 5734,47

Consumo 1 0,09 0,08 Consumo 2 0,08 0,09 Consumo 3 0,09 0,08 C. Promedio 0,087 0,083

Tabla 7. Datos de tiempo (llenado del tanque de 200 L)

Llenado de 200 litros Tiempo Tiempo (s) 1 8min 49s 529 2 8min 36s 516 3 8min 51s 531

Promedio 8min 45s 525,33

A partir de los datos, se puede estimar un caudal de salida:

𝑄𝑄 = 𝑉𝑉 𝑡𝑡

(12)

En donde: Q: Caudal [L/s] V: Volumen [L] t: Tiempo [s]

[29]

𝑄𝑄 = 200 𝑃𝑃525,33 𝑠𝑠

= 0,380 𝐿𝐿/𝑡𝑡 (13)

𝑄𝑄 = (0,380 𝑃𝑃𝑠𝑠)( 60 𝑠𝑠1𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚

) = 22,8 𝐿𝐿/𝑚𝑚𝑅𝑅𝑛𝑛 (14)

De acuerdo con las especificaciones dadas en la sección 5.3 (distancia de 110 m y una altura de 15 m), el caudal de salida es de 22,8 L/min.

Como el tanque proyectado en la zona es de 6000 litros, es decir que tiene una capacidad 30 veces mayor al tanque que se utilizó de prueba, se estima el tiempo requerido para llenarlo.

𝑇𝑇𝑅𝑅𝑅𝑅𝑚𝑚𝑇𝑇𝑇𝑇 𝑡𝑡𝑇𝑇𝑡𝑡𝑅𝑅𝑅𝑅 = 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉. 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑚𝑚𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑉𝑉𝑝𝑝𝑡𝑡𝑝𝑝𝑡𝑡𝑡𝑡𝑝𝑝𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉. 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑚𝑚𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑝𝑝𝑡𝑡 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑡𝑡𝑡𝑡𝑝𝑝𝑡𝑡

(𝑇𝑇𝑅𝑅𝑅𝑅𝑚𝑚𝑇𝑇𝑇𝑇 𝑇𝑇𝑟𝑟𝑇𝑇𝑚𝑚𝑅𝑅𝑑𝑑𝑅𝑅𝑇𝑇 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑛𝑛𝑅𝑅𝑑𝑑𝑇𝑇 𝑑𝑑𝑅𝑅𝑅𝑅 𝑡𝑡𝑅𝑅𝑛𝑛𝑡𝑡𝑅𝑅𝑅𝑅) (15)

𝑇𝑇𝑅𝑅𝑅𝑅𝑚𝑚𝑇𝑇𝑇𝑇 𝑡𝑡𝑇𝑇𝑡𝑡𝑅𝑅𝑅𝑅 = 6000 𝑃𝑃200 𝑃𝑃

525,33 𝑡𝑡7 = 15759 ,9 s (16)

𝑇𝑇𝑅𝑅𝑅𝑅𝑚𝑚𝑇𝑇𝑇𝑇 𝑡𝑡𝑇𝑇𝑡𝑡𝑅𝑅𝑅𝑅 = 15759,9 𝑡𝑡 = 4,38 ℎ = 4 ℎ 𝑦𝑦 23 𝑚𝑚𝑅𝑅𝑛𝑛 (17)

El tanque tardará en llenarse aproximadamente 15759,9 segundos, equivalente a 4,38 horas. b. Prueba para el llenado del tanque Las pruebas de llenado se realizaron teniendo en cuenta la altura real a la cual se encuentra el tanque y el reservorio para el suministro de agua de la vivienda, de tal manera que en el experimento se tuviese una altura igual para establecer condiciones similares y tener datos más acertados y precisos para el dimensionamiento del sistema. A continuación, se especifican los lugares y las alturas en donde se realizó el bombeo para la estimación del tiempo de llenado. - Tanque de prueba: El tanque de prueba se colocó en una altura de aproximadamente 15 metros

respecto al lugar de donde se bombeó el agua.

Figura 23. Ubicación del tanque de prueba. (Autoría propia)

7 Tiempo promedio estimado para el llenado del tanque de prueba en segundos.

[30]

- Electrobomba: La electrobomba se colocó cerca de un tanque de agua para el bombeo hasta el tanque de prueba visto en la Figura 23, a una distancia aproximada de 110 metros de distancia. La electrobomba se utilizó en cercanía a electricidad, a una tensión de 120 V.

Figura 24. Ubicación y funcionamiento de la electrobomba en el sitio de prueba. (Autoría propia)

Para la altura de bombeo de prueba, las aplicaciones registran una diferencia de altura, de 14m y 16m, por lo que se realizó el promedio, estableciendo una altura de 15m aproximadamente, coincidiendo de esta manera con la altura real que se requiere para el bombeo de agua. 5.5. Tiempo de uso mensual de la Electrobomba De acuerdo con los cálculos, el tanque de 6000 litros dura aproximadamente 12 días en ser desocupado y tarda 4 horas y 23 minutos (es decir 4,38 h) en llenarse completamente8, por lo que en un mes regular (30 días) el tiempo aproximado de uso de la electrobomba se determinó como:

𝑡𝑡 = ( 30 𝑝𝑝í𝑡𝑡𝑠𝑠12 𝑝𝑝í𝑡𝑡𝑠𝑠

)(4,38 ℎ) = 10,95 ℎ (18)

1 h 60 minutos 0,95 h X

𝑋𝑋 = 60 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑡𝑡𝑡𝑡𝑉𝑉𝑠𝑠∗0,95 ℎ1 ℎ

= 57 𝑚𝑚𝑅𝑅𝑛𝑛𝑅𝑅𝑡𝑡𝑇𝑇𝑡𝑡 (19)

Es decir que al mes bastarían 10 horas y 57 minutos de operación total de la electrobomba, reduciéndolo a una operación diaria de 𝑡𝑡 = 0,365 horas, que serían aproximadamente 22 minutos diarios.

8 30 días corresponde a un mes regular y 12 días al tiempo que dura el tanque de 600 litros en vaciarse, sin ninguna fuente hídrica entrante. 4,38 h es el tiempo estimado de llenado del tanque de 6000 litros

[31]

5.6. Características de la electrobomba

Uno de los elementos más importantes del sistema de bombeo es la electrobomba, encargada de impulsar el agua desde el pozo hasta el tanque. Para el terreno en cuestión, se evaluaron parámetros tanto técnicos como reales en campo. Dentro de las características de la electrobomba utilizada para las pruebas, fue suficiente utilizar una electrobomba de ½ HP para superar la altura especificada. Las características de la electrobomba de prueba se describen en la Figura 25.

Figura 25. Características de la electrobomba de prueba. (Autoría propia) El caudal de la electrobomba está en el rango de 5 a 40 litros por minuto. La altura máxima es de 40 m y la altura mínima de 5 m. En la práctica, el caudal estimado fue de 22,8L/min, y la altura que requerirá superar la electrobomba será de 15 m, como se especificó en la sección 5.3. El índice de protección es igual a 4, lo que indica que puede trabajar en intemperie y resistir salpicaduras de agua, pero no puede ser sumergida, ni estar 100% bajo la lluvia. Para el estudio en cuestión, es recomendable tener un pequeño cuarto, donde se ubique la electrobomba y así evitar que quede totalmente a la intemperie o sufra de salpicaduras de agua considerables. Esto ayudará a mantener la electrobomba en buen estado para que su vida útil sea mayor. Adicionalmente tiene una protección térmica, para evitar sobrecalentamientos por funcionamiento en vacío, falta de electricidad necesaria o sobre- corrientes, que puedan afectar la electrobomba.

Algunas recomendaciones en la instalación del sistema de bombeo son las mencionadas a continuación:

- Evitar los codos de 90 grados en la tubería. Esto es importante ya que se estima que, por cada codo se resta un metro en altura.

- Evitar disminuir el diámetro de la tubería con respecto a la especificada por la electrobomba, ya que disminuye el caudal, lo que se traduce en mayor tiempo de funcionamiento y mayor consumo de energía.

- Evitar dejarla completamente a la intemperie. Se recomienda ver las especificaciones técnicas de cada electrobomba.

[32]

En el mercado se consiguen gran variedad de electrobombas. Entre las variedades más importantes, se encuentran las centrifugas y periféricas. Las electrobombas periféricas, pueden suministrar agua a una mayor altura, pero a un menor caudal, contrario a las centrifugas, que pueden suministrar un mayor caudal, pero a una menor altura. Para el caso específico en este diseño, se recomienda hacer uso de una electrobomba periférica. 5.7. Diseño final y elementos necesarios para el sistema de bombeo El diseño final del sistema de bombeo debe contar con elementos suficientes para la protección de la instalación y de las personas, así como también un sistema totalmente autónomo. A continuación, se hace una descripción de cada uno de ellos: - Automático de tanque y cisterna: El automático de tanque y cisterna es un elemento que se puede

considerar un relé eléctrico, que funciona con un contrapeso y su funcionalidad es detectar tanto la falta como el exceso (o cantidad requerida) de agua. Este elemento se encuentra blindado para evitar que el agua ingrese a los contactos eléctricos que posee. Permite el paso de electricidad dependiendo el modo en el que se conecte, es decir, si se conecta en modo cisterna, permitirá el paso de electricidad únicamente cuando detecte que hay una cantidad de agua suficiente para bombeo y por el contrario permitirá el paso de electricidad en modo tanque cuando detecte que a este le falta cierta cantidad de agua. El modo de uso tanto en modo cisterna como en modo tanque, dependerá únicamente del modo de conexión. A continuación, se puede evidenciar un automático de tanque y sus diferentes conexiones:

Figura 26. Automático de tanque. (Mercado Libre, 2021)

El funcionamiento del automático de tanque se muestra en la Figura 27.

[33]

Figura 27. Automático en modo cisterna y modo tanque respectivamente. (Alumine, 2021)

- Contactor: Es un dispositivo electromecánico que permite conectar o interrumpir el paso de una

corriente, bien sea en el circuito de mando o en el circuito de potencia, en cuanto se energice la bobina de este. Este dispositivo básicamente permite realizar tareas de control en sistemas eléctricos de mando a distancia. Pueden ir desde los más sencillos hasta los más complejos. Se utilizan principalmente en la industria, facilitando tareas de automatización de procesos. A continuación, en la Figura 28 y la Figura 29 se puede observar un contactor y su estructura interna:

[34]

Figura 28. Contactor monofásico. (Alie Express, 2021)

Figura 29. Estructura interna de un contactor monofásico. (Area tecnologia, 2021)

- Protección diferencial: Una protección diferencial es un dispositivo que permite cortar un circuito

ante la detección más mínima de la diferencia de corriente entre entrada y salida. De esta manera, básicamente lo que hace es proteger contra contactos a tierra que podría producirse ante la interacción humana o ante algún contacto externo con partes energizadas. En la Figura 30 se encuentra una imagen de lo que sería una protección diferencial.

[35]

Figura 30. Protección diferencial y sus partes. (Ingmecafenix, 2021) - Otros elementos: Otros de los elementos importantes que se encuentran dentro del sistema de

bombeo son los conductores, la electrobomba, el SFV, el inversor, las protecciones termomagnéticas, el selector y las luces piloto.

Estos elementos deben soportar 30 A (ver la sección 4.2.), debido a que tanto el cable como el breaker escogido son de 30 A. El contactor debe ser monofásico y la protección diferencial puede tener una capacidad igual o superior a los 30 A. 5.8. Sistema de bombeo completo El sistema de bombeo debe funcionar de manera automática, sin embargo, dentro del diseño se contempla poder usarlo de forma manual a partir del selector, para evitar quedarse sin agua ante algún problema con los automáticos de tanque. Dentro de la automatización se encuentra un contactor, encargado de energizar la electrobomba cuando los automáticos de tanque permitan el paso de la electricidad, es decir cuando en el pozo haya agua y cuando el tanque requiera de agua. En cuanto a las protecciones del sistema de bombeo se tendrá tanto una protección termomagnética general, como una protección diferencial para evitar algún accidente de origen eléctrico con alguna persona o parte de la instalación. El sistema de bombeo automatizado quedará de la siguiente manera:

[36]

Figura 31. Diseño del sistema de bombeo. (Autoría propia)

[37]

6. DISEÑO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA LA VIVIENDA Y EL SISTEMA DE BOMBEO

Los sistemas de generación fotovoltaicos permiten la generación de electricidad a partir de la radiación solar, constituyendo alternativas importantes en aplicaciones en donde se necesita alimentar equipos eléctricos en áreas excesivamente alejadas de la red eléctrica o dónde se hace difícil el acceso de líneas de transmisión para cubrir las necesidades de electrificación de estos lugares. Dentro de las ventajas más importantes se destacan las siguientes: Emplean una fuente de energía limpia, renovable y gratuita, su operación es automática y silenciosa, requiere poco mantenimiento y su instalación es sencilla. Una de las aplicaciones más importantes se da para uso doméstico en lugares aislados de la red eléctrica como es el caso de muchas comunidades rurales en América Latina. (Ibáñez, 2015) 6.1. Radiación solar de la zona Sesquilé se encuentra ubicado en la provincia Almeidas, a 45 km al noreste de Bogotá. El diseño del SFV tanto para el sistema de bombeo como para los requerimientos de la vivienda, se realiza a partir de los datos de radiación en el lugar del proyecto. Teniendo en cuenta lo anterior, se obtuvieron los datos de irradiación solar del lugar a partir de las siguientes fuentes:

- UPME Para esta zona el nivel de radiación solar según la UPME se encuentra entre 4,0 a 5,0 kWh/m2 día.

Figura 32. Mapa de radiación solar (UPME)

[38]

- PVGIS

Según los datos obtenidos a partir de PVGIS (Photovoltaic Geographical Information System), el nivel de radiación solar más bajo registrado en el año corresponde a 3,23 kWh/m2 día.

Figura 33. Datos de radiación solar (Europeam communities, 2019) - NASA-SSE

Según los datos obtenidos a partir de la NASA-SSE (Surface Meteorological and Solar Energy Programme), el nivel de radiación solar más bajo registrado en el año corresponde a 4,78 kWh/m2 día.

Figura 34. Datos de radiación solar (POWER Data Access Viewer, 2015)

- IDEAM

Según los datos obtenidos a partir del IDEAM (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales), el nivel de radiación solar corresponde a un valor entre 4 a 4,5 kWh/m2.

[39]

Figura 35. Datos de radiación solar (IDEAM, 2014)

6.2. Elementos del SFV Teniendo en cuenta los valores de radiación solar presentados en las diversas fuentes, como criterio de diseño propio, se tomó el valor más bajo para dimensionar el sistema (3,23 kWh/m2 día). Esto permite que el dimensionamiento sea adecuado y la vivienda no se llegue a quedar sin energía en la peor época de generación solar del lugar. a. Paneles Solares El rendimiento de las células fotovoltaicas depende principalmente de la estructura interna que posean. Según el tipo de estructura, se pueden clasificar en monocristalino, policristalino y amorfo. (Castilla, 2014) En la Tabla 8 se presenta una comparación entre tecnologías:

Tabla 8. Comparación entre tecnologías fotovoltaicas (Castilla, 2014) Cristalina Thin Film o película fina

Tecnología Monocristalina Policristalina a-Si CdTe CIS/CIGS Eficiencia 15-20% 13-16% 6-8% 9-11% 10-12%

Costos Altos Moderados Moderados Moderados Moderados Desarrollo tecnológico Alto Alto Bajo Bajo Bajo

Otros Ampliamente comercializas Pueden adquirir propiedades adicionales con flexibilidad No son eficientes en cuestión de

espacio Potencia de salida disminuye con el tiempo

Periodo de vida largo

[40]

b. Inversor El inversor solar es un inversor de corriente, que transforma la energia producida por los paneles solares, en energía útil para el consumo diario, adecuando su onda y frecuencia de salida. Este elemento permite obtener el máximo rendimiento posible de los paneles solares del SFV de autoconsumo.

Respecto a los tipos de inversores solares se encuentran, tanto para instalaciónes conectadas a red como para instalaciones aisladas. Dentro de esas dos categorias se encuentran varias tecnologias en función de las necesidades de la instalación a realizar, por lo que es importante tener en cuenta algunos parametros como los mencionados a continuación:

- Potencia Instalada: La potencia de salida del inversor determinará la potencia maxima que se

puede conectar al mismo, por lo que si se desea ampliar una instalación en el futuro se debe seleccionar un modelo que pueda abordar esos incrementos.

- Presupuesto: Los inversores más actualizados, que permiten obtener un mayor rendimiento son

más costosos, por lo que se debe analizar si la instalación realmente necesita este tipo de inversores antes de realizar una inversión.

- Ubicación de los paneles solares: La inclinación y orientación de las placas solares, junto con la

presencia de sombras disminuirá la potencia en algunas de ellas, por lo que se debe buscar un inversor que permita obtener la potencia de manera individual.

- Ampliación de la instalación: Si se desea ampliar a futuro la instalación, se debe seleccionar

preferiblemente un tipo de inversor que sus limitaciones de potencia seas bastante altas o cuya potencia máxima de salida pueda satisfacer las necesidades.

Para instalaciones aisladas con paneles fotovoltaicos existen dos tipos de inversores comúnmente usados:

- Onda modificada: Este tipo de inversores son más económicos sin embargo puede producir cierta

interferencia con algunos electrodomésticos.

- Onda pura: En este tipo de inversores la energía transformada es exactamente igual a la energía de la red, evitando interferencias, sin embargo, son considerablemente más costosos (Selectra, 2021)

c. Regulador Este elemento es imprescindible en instalaciones fotovoltaicas aisladas y en las instalaciones conectadas a red que cuentan con baterías solares. Esto gracias a que su función es proteger las baterías evitando descargas profundas y/o sobrecargas excesivas, asegurando un funcionamiento adecuado y extendiendo la vida útil de las mismas.

[41]

El regulador de carga cuenta con dos áreas de funcionamiento:

- Área de carga: Tiene doble propósito. Por un lado, asegurar la carga de la batería y por el otro, evitar las sobrecargas en la batería.

- Área de descarga: El propósito es garantizar que la batería cuente con el suministro suficiente

diario para evitar descargas excesivas.

De esta manera, el regulador solar tiene como objetivo principal asegurar el proceso óptimo de carga de las baterías, a partir de tres etapas importantes, que son las siguientes: bulk, absorción y flotación. - Etapa bulk: La batería esta básicamente descargada, por lo que inicia el proceso de carga a partir

de la energía captada por los paneles solares. Mientras se realiza el proceso de carga, se va aumentando progresivamente la tensión del acumulador hasta llegar a la siguiente etapa.

- Etapa de absorción: En esta fase, la corriente de la carga se reduce progresivamente hasta que

se complete la carga de la batería, llegando a la etapa de flotación. - Etapa de flotación: Una vez la batería está cargada, la tensión disminuye a la tensión de flotación,

es decir más baja que la de absorción, con la finalidad de evitar descargas no deseadas. En este punto se busca mantener las baterías cargadas.

Existen dos tipos de reguladores solares, los PWM y los MPPT, los cuales se describen a continuación:

- Reguladores PWM: Denominado PWM por sus siglas en inglés (Pulse- Width Modulation) son reguladores de carga tradicionales, que hacen que las placas solares funcionen al mismo nivel de tensión que las baterías. Son sencillos, económicos y ligeros, sin embargo, cuentan con una menor eficiencia que los MPPT.

- Reguladores MPPT: Se denomina MPPT por sus siglas en inglés (Maximum Power Point

Tracking) y como indica su nombre son maximizadores de potencia, adaptando la captación de energía solar a la tensión de los acumuladores, obteniendo así la máxima eficiencia de producción a cada instante.

Finalmente, dentro de las funciones del regulador aparte de evitar sobrecargas durante el día y descargas excesivas durante la noche, están las funciones de optimizar y alargar la vida útil de las baterías o acumuladores solares, proporcionando información sobre el estado de carga y voltaje (Selectra, 2021). d. Baterías Las baterías o acumuladores para sistemas fotovoltaicos permiten almacenar la energía solar, producida por los paneles. Esta energía almacenada puede ser utilizada a cualquier hora del día. Al tener una instalación de baterías solares, toda la energía consumida será renovable y 100% gratuita.

[42]

Es importante tener en cuenta la vida útil de los acumuladores de energía, que pueden tener una duración de entre 8 a 15 años de media, lo que hace necesario cambiarlas como mínimo una vez a lo largo de la vida útil de la instalación fotovoltaica. La capacidad de almacenar energía se va deteriorando con cada uso, a partir de la velocidad de descarga y la profundidad de la carga. - Velocidad de descarga: Establece la velocidad con que se descarga la batería, por lo que a una

mayor velocidad de descarga menor durabilidad tendrá la batería, es decir que se reducirá su vida útil.

- Profundidad de la carga: Establece la cantidad de energía que se introduce con cada carga en la

batería, por lo que, a mayor profundidad de carga, menor vida útil tendrá. Es por ello que se recomiendo no descargar las baterías más de un 50%, teniendo en cuenta la vida útil de las baterías según la profundidad de descarga mostradas en la Figura 36.

Figura 36. Vida útil de la batería solar según la profundidad de descarga (Selectra, 2021)

Dentro de las baterías solares existen varios tipos, dentro de las que se encuentran las baterías AGM, de litio, monoblock y estacionarias, cada una con ciertas caracteristicas que se deben tener en cuenta para las necesidades de cada instalación (Selectra, 2021). 6.3. Dimensionamiento del SFV para la vivienda Para realizar el dimensionamiento del SFV es importante conocer la potencia total instalada y el consumo diario. Para ello se tomarán los datos obtenidos en el diseño de la instalación eléctrica de la vivienda. - Potencia total instalada para la vivienda: 4,218 kW - Consumo promedio diario: (4 kWh9) (1.20) = 4,8 kWh (Sobredimensionamiento por perdidas de

un 20%)

9 Los 4 kWh/día, corresponden al consumo diario en la vivienda, sin tener en cuenta el consumo de la electrobomba (0.2 kWh/día), ya que esta se dimensionará en un sistema independiente.

[43]

Adicionalmente es importante obtener las horas solar pico (HSP), que corresponde a la unidad que mide la irradiación solar y se define como el tiempo en horas de una aproximada irradiancia solar constante que llega del sol.

1 𝐻𝐻𝐻𝐻𝑃𝑃 = 1000 𝑊𝑊𝑚𝑚2 (20)

- Horas solar pico: Es importante tomar el valor más bajo de irradiación solar, para dimensionar adecuadamente el sistema y evitar que ante una baja generación fotovoltaica el sistema no pueda responder a las necesidades energéticas requeridas. Es por ello que la irradiación solar con que se dimensionará el sistema será el de menor valor encontrada en las distintas fuentes, que corresponde a 3,23 kWh/m2 día, según los datos hallados en el software PVgis. A continuación, las HSP se obtienen de la siguiente manera:

𝐻𝐻. 𝐻𝐻. 𝑃𝑃 = 3,23 𝑘𝑘𝑊𝑊ℎ/𝑚𝑚2

1000𝑊𝑊/𝑚𝑚2 = 3,23 ℎ (21)

- Tensión del sistema: Es importante a partir de los datos de consumo diario, elegir la tensión del sistema teniendo en cuenta los siguientes criterios en tensión:

Tabla 9. Criterio de diseño de sistemas fotovoltaicos. (Solar Center, 2021) Consumo diario Tensión recomendable para el sistema 1 Wh - 2000 Wh 12 V

2001 Wh - 4000 Wh 24 V 4001 Wh en adelante 48 V

Para el caso en cuestión, teniendo en cuenta que el consumo diario sobredimensionado será de 4,8 kWh, es recomendable hacer el sistema a 48 V.

- Cálculo de número de Módulos: Posteriormente, se procede a realizar el cálculo de los módulos fotovoltaicos, como se observa a continuación:

𝑃𝑃𝑇𝑇𝑡𝑡𝑅𝑅𝑛𝑛𝐼𝐼𝑅𝑅𝑅𝑅 𝑓𝑓𝑇𝑇𝑡𝑡𝑇𝑇𝑓𝑓𝑇𝑇𝑅𝑅𝑡𝑡𝑅𝑅𝑅𝑅𝐼𝐼𝑅𝑅 = 𝐶𝐶𝑉𝑉𝑚𝑚𝑠𝑠𝑡𝑡𝑚𝑚𝑉𝑉 𝑝𝑝𝑚𝑚𝑡𝑡𝑝𝑝𝑚𝑚𝑉𝑉ℎ𝑉𝑉𝑝𝑝𝑡𝑡𝑠𝑠 𝑠𝑠𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑝𝑝𝑚𝑚𝑝𝑝𝑉𝑉

(22)

𝑃𝑃𝑇𝑇𝑡𝑡𝑅𝑅𝑛𝑛𝐼𝐼𝑅𝑅𝑅𝑅 𝑓𝑓𝑇𝑇𝑡𝑡𝑇𝑇𝑓𝑓𝑇𝑇𝑅𝑅𝑡𝑡𝑅𝑅𝑅𝑅𝐼𝐼𝑅𝑅 = 4.8 kWh3.23 ℎ

= 1,49 kW (23)

𝑁𝑁𝑟𝑟𝑇𝑇 𝑑𝑑𝑅𝑅 𝑚𝑚ó𝑑𝑑𝑅𝑅𝑅𝑅𝑇𝑇𝑡𝑡= 𝑃𝑃𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡𝑚𝑚𝑝𝑝𝑚𝑚𝑡𝑡 𝑓𝑓𝑉𝑉𝑡𝑡𝑉𝑉𝑓𝑓𝑉𝑉𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡𝑚𝑚𝑝𝑝𝑡𝑡𝑃𝑃𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡𝑚𝑚𝑝𝑝𝑚𝑚𝑡𝑡 𝑝𝑝𝑡𝑡𝑉𝑉 𝑚𝑚ó𝑝𝑝𝑡𝑡𝑉𝑉𝑉𝑉

(24)

𝑁𝑁𝑟𝑟𝑇𝑇 𝑑𝑑𝑅𝑅 𝑚𝑚ó𝑑𝑑𝑅𝑅𝑅𝑅𝑇𝑇𝑡𝑡= 1,49 kW240 W

= 6,2 → 7 módulos (25)

Para la distribución tanto en serie como en paralelo de paneles y baterías, es importante saber que en serie se suma la tensión y en paralelo se suma la corriente.

[44]

Figura 37. Panel solar seleccionado. (Damia Solar, 2021)

Ángulo de inclinación: Para estimar el ángulo de inclinación de los módulos fotovoltaicos es importante conocer el valor absoluto de la latitud del lugar. En este caso corresponde a 5.05.

𝛽𝛽𝑇𝑇𝑇𝑇𝑡𝑡 = 3.7 + 0.69(|𝐿𝐿𝑅𝑅𝑡𝑡𝑅𝑅𝑡𝑡𝑅𝑅𝑑𝑑|) = 7.18° (26)

El ángulo de inclinación óptimo es de 7.18°, sin embargo, es recomendable dejar un ángulo de 15° para evitar pérdidas por sedimentación.

- Regulador de carga: Se procede a seleccionar el controlador o regulador de carga. Para ello es importante tener en cuenta el voltaje del sistema y el número de módulos.

Figura 38. Regulador de carga seleccionado para la vivienda. (Mercado Libre, 2021)

Para este caso el regulador de carga funcionara con dos series de 4 paneles solares que se conectaran en paralelo, por lo que no se supera ni la tensión máxima de entrada (37 V por 4 módulos), ni la corriente máxima de entrada (8.6 A por 2 cadenas en paralelo). Es necesario que sean 8 paneles solares para que no queden series de distinta cantidad de paneles y evitar sobrecalentamientos por diferencia de corrientes y tensiones. La potencia del regulador será de 3200 W.

- Inversor: Una vez establecido el regulador de carga, se procede a seleccionar el inversor monofásico de onda pura. Para la selección de este elemento es importante el voltaje del sistema (que corresponde a 48V) y la demanda máxima de potencia del sistema (que corresponde a 4,218 kW).

Módulo REC da0082

Voc: 37 V

Isc: 8.6 A

Potencia: 240 W

Regulador SRNE MPPT 60A

Voltaje máximo de entrada: 150 V

12/ 24/ 36/ 48 V

Potencia: 800/ 1600/ 2400/ 3200 W

Dos series de 4 paneles

8 módulos

148 V

17.2 A

[45]

Figura 39. Inversor seleccionado para la vivienda. (Mercado Libre, 2021)

Para seleccionar el inversor, este debe tener una potencia mayor a la demanda del sistema que se tiene, en este caso debe ser mayor a 4,218 kW. Debe tener una entrada de 48 V que corresponde al definido para el sistema. La salida debe ser la que se necesita en la vivienda, que corresponde a 110/120 Vac. Este inversor es de onda pura para asegurar mayor vida útil a los elementos dentro de la vivienda. A partir de estos criterios se selecciona la mejor opción teniendo en cuenta el valor económico, ya que hay desde los más sencillos hasta los más sofisticados.

- Baterías: Finalmente, se realiza el cálculo de baterías teniendo en cuenta el voltaje del sistema (48V), el consumo diario (4 kWh) y la eficiencia del inversor (95%).

𝐴𝐴ℎ/𝑑𝑑í𝑅𝑅 =𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝐶𝐶

𝐸𝐸𝐸𝐸𝑑𝑑𝐸𝐸𝑑𝑑𝐸𝐸𝐶𝐶𝐸𝐸𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑑𝑑𝐸𝐸𝑑𝑑 𝑑𝑑𝐶𝐶𝑖𝑖𝐸𝐸𝑑𝑑𝐶𝐶𝐶𝐶𝑑𝑑𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡𝑉𝑉𝑡𝑡 𝑝𝑝𝑡𝑡𝑉𝑉 𝑠𝑠𝑚𝑚𝑠𝑠𝑡𝑡𝑡𝑡𝑚𝑚𝑡𝑡

(27)

𝐴𝐴ℎ𝑝𝑝í𝑡𝑡

=4800 𝑊𝑊ℎ0,9548 𝑉𝑉

= 5052.5 𝑊𝑊ℎ48 𝑉𝑉

= 105.2 𝐴𝐴ℎ (28)

Es importante conocer cuantas baterías en paralelo se necesitan para cubrir la demanda, por lo que se requieren los siguientes datos:

• Ah/día: 105.2 Ah • Días de autonomía: 1 • Profundidad de descarga: 50% • Capacidad de la batería: 105 Ah

Figura 40. Batería seleccionada. (Carbon Sin, 2021)

Inversor monofásico de onda pura

Inversor Belttt 4500 W - 5000 W

Tensión entrada de batería 48Vdc

Salida 120 Vac

Eficiencia 95 %

Batería Parts Master 105 Ah

12 V

[46]

𝐵𝐵𝑅𝑅𝑡𝑡𝑅𝑅𝑟𝑟í𝑅𝑅𝑡𝑡 𝑅𝑅𝑛𝑛 𝑇𝑇𝑅𝑅𝑟𝑟𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑇𝑇 =𝐴𝐴ℎ/𝑑𝑑í𝑑𝑑∗𝑑𝑑í𝑑𝑑𝐶𝐶 𝑑𝑑𝐸𝐸 𝑑𝑑𝐶𝐶𝑎𝑎𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑃𝑃𝑑𝑑𝐶𝐶𝐸𝐸𝐶𝐶𝐶𝐶𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑑𝑑𝐸𝐸 𝑑𝑑𝐸𝐸𝐶𝐶𝐸𝐸𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝐶𝐶𝑡𝑡𝑝𝑝𝑡𝑡𝑝𝑝𝑚𝑚𝑝𝑝𝑡𝑡𝑝𝑝 𝑝𝑝𝑡𝑡 𝑉𝑉𝑡𝑡 𝑝𝑝𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑝𝑝í𝑡𝑡

(29)

𝐵𝐵𝑅𝑅𝑡𝑡𝑅𝑅𝑟𝑟í𝑅𝑅𝑡𝑡 𝑅𝑅𝑛𝑛 𝑇𝑇𝑅𝑅𝑟𝑟𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑇𝑇 =(105.2 𝐴𝐴ℎ)(1)

0,50105 𝐴𝐴ℎ

= 210.4 𝐴𝐴ℎ105 𝐴𝐴ℎ

= 2 𝐵𝐵𝑅𝑅𝑡𝑡𝑅𝑅𝑟𝑟í𝑅𝑅𝑡𝑡 (30)

Ahora, para determinar cuántas baterías en serie se deben colocar, se realiza el siguiente cálculo:

𝐵𝐵𝑅𝑅𝑡𝑡𝑅𝑅𝑟𝑟í𝑅𝑅𝑡𝑡 𝑅𝑅𝑛𝑛 𝑡𝑡𝑅𝑅𝑟𝑟𝑅𝑅𝑅𝑅 = 𝑇𝑇𝑡𝑡𝑚𝑚𝑠𝑠𝑚𝑚ó𝑚𝑚 𝑝𝑝𝑡𝑡𝑉𝑉 𝑠𝑠𝑚𝑚𝑠𝑠𝑡𝑡𝑡𝑡𝑚𝑚𝑡𝑡 𝑠𝑠𝑡𝑡𝑉𝑉𝑡𝑡𝑝𝑝𝑝𝑝𝑚𝑚𝑉𝑉𝑚𝑚𝑡𝑡𝑝𝑝𝑉𝑉𝑇𝑇𝑡𝑡𝑚𝑚𝑠𝑠𝑚𝑚ó𝑚𝑚 𝑝𝑝𝑡𝑡 𝑉𝑉𝑡𝑡𝑠𝑠 𝑝𝑝𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑝𝑝í𝑡𝑡𝑠𝑠

(31)

𝐵𝐵𝑅𝑅𝑡𝑡𝑅𝑅𝑟𝑟í𝑅𝑅𝑡𝑡 𝑅𝑅𝑛𝑛 𝑡𝑡𝑅𝑅𝑟𝑟𝑅𝑅𝑅𝑅 = 48 𝑉𝑉12 𝑉𝑉

= 4 𝑏𝑏𝑅𝑅𝑡𝑡𝑅𝑅𝑟𝑟í𝑅𝑅𝑡𝑡 (32)

El arreglo de baterías deberá quedar de 2 en paralelo x 4 en serie para un total de 8 baterías. De esta manera, se concluye el dimensionamiento del SFV. En la Figura 41 se encuentra el arreglo fotovoltaico para la vivienda.

Figura 41. Arreglo del SFV para la vivienda. (Autoría propia)

6.4. Dimensionamiento del SFV para el Sistema de Bombeo El caudal hallado experimentalmente es de 22,8 L/min, por lo que el volumen que se puede entregar diariamente en las 3,23 h, es decir 193,8 minutos de sol pico10, sería de:

𝑉𝑉𝑇𝑇𝑅𝑅𝑅𝑅𝑚𝑚𝑅𝑅𝑛𝑛 𝑡𝑡𝑇𝑇𝑡𝑡𝑅𝑅𝑅𝑅 = 22,8 𝑃𝑃min

(193,8 min) = 4418,64 L (33) El volumen requerido diariamente es de 469 L. Esto significa que las 3,23 h solar pico son suficientes para suplir la demanda requerida.

10 Este valor se obtiene de la multiplicación entre 3,23h y el factor de conversión en donde 1 hora equivale a 60 minutos.

[47]

La carga para el sistema de bombeo es de 550 W (ver Figura 25). Para el diseño fotovoltaico del sistema de bombeo es importante tener en cuenta las siguientes características:

• Potencia de la electrobomba (550 W) • Potencia del módulo: se usarán módulos con las especificaciones de la Figura

37 (240 W)

- Para el cálculo de la cantidad de módulos en un sistema de bombeo, se tiene lo siguiente:

𝑁𝑁𝑟𝑟𝑇𝑇. 𝑑𝑑𝑅𝑅 𝑚𝑚ó𝑑𝑑𝑅𝑅𝑅𝑅𝑇𝑇𝑡𝑡 = 𝑃𝑃𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡𝑚𝑚𝑝𝑝𝑚𝑚𝑡𝑡 𝑝𝑝𝑡𝑡 𝑉𝑉𝑡𝑡 𝑡𝑡𝑉𝑉𝑡𝑡𝑝𝑝𝑡𝑡𝑝𝑝𝑉𝑉𝑝𝑝𝑉𝑉𝑚𝑚𝑝𝑝𝑡𝑡 𝑃𝑃𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡𝑚𝑚𝑝𝑝𝑚𝑚𝑡𝑡 𝑝𝑝𝑡𝑡𝑉𝑉 𝑚𝑚ó𝑝𝑝𝑡𝑡𝑉𝑉𝑉𝑉

(34)

𝑁𝑁𝑟𝑟𝑇𝑇 𝑑𝑑𝑅𝑅 𝑚𝑚ó𝑑𝑑𝑅𝑅𝑅𝑅𝑇𝑇𝑡𝑡= 550 𝑊𝑊240 𝑊𝑊

= 2,29 → 3 (35)

Se hará un sobredimensionamiento del sistema de un 30% 11 teniendo en cuenta pérdidas en el sistema y los picos de arranque del motor.

𝑁𝑁𝑟𝑟𝑇𝑇 𝑑𝑑𝑅𝑅 𝑚𝑚ó𝑑𝑑𝑅𝑅𝑅𝑅𝑇𝑇𝑡𝑡 𝐼𝐼𝑇𝑇𝑛𝑛 𝑡𝑡𝑇𝑇𝑏𝑏𝑟𝑟𝑅𝑅𝑑𝑑𝑅𝑅𝑚𝑚𝑅𝑅𝑛𝑛𝑡𝑡𝑅𝑅𝑇𝑇𝑛𝑛𝑅𝑅𝑚𝑚𝑅𝑅𝑅𝑅𝑛𝑛𝑡𝑡𝑇𝑇 = (3)(130%) = 3.9 → 4 𝑚𝑚ó𝑑𝑑𝑅𝑅𝑅𝑅𝑇𝑇𝑡𝑡 (36) - Inversor: En los sistemas de bombeo se usan inversores especificos en donde el regulador viene

en conjunto con el inversor. A estos inversores se les puede conectar adicionalmente grupos electrogenos, sistemas de almacenamiento de baterías (si se requiere), automaticos de tanque, entre otros. Sus precios varían a partir de la potencia y las caracteristicas que poseen. Para el caso en cuestión se hará uso de un inversor de onda pura, cuidando de esta manera la electrobomba. Adicionalmente, el inversor debe ser monofásico, teniendo en cuenta que la electrobomba también lo es. Para seleccionar el inversor es importante que cumpla con las siguientes caracteristicas:

- Potencia: Debe ser mayor a la potencia total entregada por los paneles (240 W x 4). - Corriente: La corriente debe ser superior a la máxima corriente entregada por los paneles. - La tensión de salida debe ser de 110 V – 120 V

Según los requerimientos del sistema, se ha seleccionado el siguiente inversor híbrido12:

11 Este valor de sobredimensionamiento se seleccionó como criterio propio, a partir de la recomendación que realiza solar center para sus diseños fotovoltaicos de bombeo. 12 Inversor híbrido: Es un inversor que además cuenta con las características de un regulador.

[48]

Figura 42. Inversor seleccionado para el sistema de bombeo. (Mercado Libre, 2021)

A partir del inversor seleccionado, se determina una distribución de paneles de 2 x 2, ya que si se conectan los 4 paneles en serie (37V x 4 paneles), se supera la máxima tensión de entrada al inversor (100 V DC), por lo que lo ideal en este caso sería hacer un arreglo de 2 paneles en serie que sumarian una tensión máxima de 74 V y 2 paneles en paralelo que suman una corriente de 17.2 A (8.6 A x 2).

- Baterías: No se hará uso de baterías como sistema de almacenamiento, ya que no es necesario hacer bombeo de noche, debido a que la energía generada en las horas de luz es suficiente para suplir la demanda requerida y adicionalmente el tiempo de uso de la electrobomba es de tan solo 22 minutos diarios.

Inversor Monofásico Entrada MPPT 40A Voltaje de entrada: 12 V DC – 100 V DC

Eficiencia: 95 % Potencia: 1000 W Voltaje de salida: 110 V AC – 120 V AC

[49]

7. VALIDACIÓN DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO A PARTIR DE SOFTWARE

Dentro del dimensionamiento del SFV tanto para la vivienda como para el sistema de bombeo, se utilizó el software PVsyst para validar que el sistema cumpla con los requerimientos energéticos y de esta manera confirmar el buen funcionamiento del sistema.

7.1. Validación del SFV para la vivienda

En la Figura 43 se pueden observar los datos de irradiación, temperatura, velocidad del viento y humedad del lugar, haciendo uso del software PVsyst.

Figura 43. Ingreso de la coordenada geográfica de la vivienda. (Autoría propia)

En la Figura 44, se observa el ángulo óptimo de inclinación que arroja PVsyst, para los módulos fotovoltaicos durante la época de invierno, dando un ángulo de 27°.

[50]

Figura 44. Orientación de los paneles solares. (Autoría propia)

En la Figura 45 se han definido los consumos domésticos diarios, tomando en cuenta los equipos a usar y las horas de uso.

Figura 45. Consumos diarios en la vivienda. (Autoría propia)

A priori, se han especificado los datos del sistema de almacenamiento (ver Figura 46).

[51]

Figura 46. Datos del sistema de almacenamiento. (Autoría propia)

Lo siguiente en el software, es hacer la selección del conjunto fotovoltaico (paneles solares y el controlador).

Figura 47. Selección del conjunto FV. (Autoría propia)

Por último, se ha hecho una delimitación de la línea de horizonte, para tomar en cuenta posibles sombras que para el lugar son mínimas y se muestran en la Figura 48.

[52]

Figura 48. Línea de horizonte. (Autoría propia)

Los resultados alojados en el software se muestran en la Figura 49, Figura 50 y la Figura 51.

Figura 49. Especificaciones del sistema en PVsyst para la vivienda. (Autoría propia)

[53]

Figura 50. Producciones normalizadas para la vivienda. (Autoría propia)

Figura 51. Energía disponible y consumos mensuales en la vivienda. (Autoría propia)

En la Figura 50 y la Figura 51 se puede observar datos de consumo mensual, pérdidas del conjunto fotovoltaico, pérdidas del sistema y baterías y la energía no utilizada. Mediante el gráfico se puede evidenciar que siempre hay energía suficiente, para el consumo diario especificado en la Figura 45, a la vez que la probabilidad de pérdida de carga en las baterías es mínima. Tanto en el dimensionamiento como en la simulación, la carga de las baterías es suficiente para suplir la demanda, aún en los peores meses de generación solar. La comparación de datos entre el dimensionamiento realizado analíticamente y la simulación se encuentra en la Tabla 10.

Tabla 10. Características Dimensionamiento vs simulación.

Dimensionamiento Simulación Menor irradiación solar 3,23 kWh/m2 3,91 kWh/m2

Consumo 4,2 kWh 4,17 kWh Total baterías 8 8 Capacidad batería 105 Ah 102 Ah Ángulo óptimo 7.18° 27°

[54]

7.2. Validación del sistema fotovoltaico para el sistema de bombeo En el sistema de bombeo no es requerido especificar un conjunto de almacenamiento, como se especificó en la sección 6.4. En la Figura 52 se muestra la elección del módulo fotovoltaico y la selección del inversor.

Figura 52. Selección del FV para el sistema de bombeo. (Autoría propia)

Los resultados obtenidos a partir del software PVsyst para el sistema de bombeo, se muestran en la Figura 53 y la Figura 54, en donde se evidencia que el sistema cumple con los parámetros especificados y tiene la capacidad de operar de manera funcional y óptima.

Figura 53. Producción normalizada para el sistema de bombeo. (Autoría propia)

[55]

Figura 54. Energía disponible y consumos mensuales para el sistema de bombeo. (Autoría propia)

Adicionalmente, se puede observar los valores de consumo mensual, pérdidas del conjunto fotovoltaico, pérdidas del sistema y la energía no utilizada. En este caso los resultados están basados en la generación solar diaria sin uso de baterías.

[56]

8. CONCLUSIONES

- El diseño para la instalación eléctrica de la vivienda propuesto en este documento abastece la demanda proyectada, cumpliendo con los requerimientos establecidos por la reglamentación colombiana.

- El sistema de bombeo se consideró como una carga independiente a la instalación de la vivienda, debido a los costos que supondría el uso de cableado y tubería desde la vivienda hasta la electrobomba y el tanque. Para su instalación eléctrica se consideró una funcionalidad automática haciendo uso de los automáticos de tanque y el contactor. Suministra 469 L diarios en 22 minutos de uso de la electrobomba.

- El sistema fotovoltaico diseñado suministra a la vivienda la energía suficiente para suplir el consumo diario de 4 kWh, teniendo en cuenta la peor situación de generación solar. Serán necesarios 8 módulos fotovoltaicos, 1 inversor monofásico, 1 regulador y 8 baterías. En el caso del arreglo fotovoltaico para el sistema de bombeo se requiere de 4 módulos fotovoltaicos y un inversor híbrido monofásico de onda pura.

- Es importante realizarle un estudio financiero a este proyecto, en donde se tomen en consideración otras alternativas de energización para la vivienda. Cabe resaltar que este tipo de proyectos contribuye al cumplimiento de los objetivos de desarrollo sostenible en Colombia, más explícitamente el objetivo 7.

[57]

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[59]

10. ANEXOS Las siguientes imágenes corresponden al registro fotográfico del terreno, el lugar donde se realizará la construcción de la vivienda, la ubicación del tanque, las pruebas de bombeo y el montaje a escala de las principales partes de una instalación residencial. En ellas se resaltan tanto la excelente ubicación para el SFV, como la vista panorámica del sitio.

Imagen 1. Vista principal desde la ubicación de la vivienda.

[60]

Imagen 2. Funcionamiento de la maqueta implementada.

Imagen 3. Prueba de llenado de tanque.

[61]

Imagen 4. Fuente hídrica para el sistema de bombeo.

Imagen 5. Fuente hídrica para el sistema de bombeo - Tesista Alexander Rojas.

[62]

Imagen 6. Mediciones del área dispuesta para la vivienda – Tesista Diego Velazco.

Imagen 7. Área dispuesta para la vivienda.

[63]

Imagen 8. Área dispuesta para el tanque de almacenamiento hídrico.

Imagen 9. Llenado del tanque de prueba.