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DISEÑO DE UN SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO PARA UNA VIVIENDA SUSTENTABLE DE INTERES
RURAL
PAULA FERNANDA SALAZAR FRANCO
21710237
ALEXANDRA MAHECHA SERENO
430054351
ANCIZAR BARRAGAN ALTURO
UNIVERSIDAD PILOTO DE COLOMBIA SECCIONAL ALTO MAGDALENA
FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL
FISICA II
GIRARDOT
2018
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCION ............................................................................................................................. 5
PROBLEMA ...................................................................................................................................... 7
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ........................................................................................ 7
OBJETIVOS ...................................................................................................................................... 8
OBJETIVO GENERAL ............................................................................................................... 8
OBJETIVOS ESPECIFICOS ...................................................................................................... 8
JUSTIFICACION ............................................................................................................................. 9
ALCANCE Y DELIMITACIÓN DEL PROYECTO .................................................................. 11
ALCANCE ................................................................................................................................... 11
DELIMITACIÓN ........................................................................................................................ 11
MARCO REFERENCIAL ............................................................................................................. 15
ANTECEDENTES ...................................................................................................................... 15
MARCO TEORICO ................................................................................................................... 18
MARCO CONTEXTUAL .......................................................................................................... 28
MARCO CONCEPTUAL .......................................................................................................... 29
MARCO LEGAL ........................................................................................................................ 41
METODOLOGÍA ........................................................................................................................... 45
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LOS EQUIPOS QUE CONFORMARÍAN EL
SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO ........................................................................................ 48
TOPOLOGÍA DE LA INSTALACIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA. .................................. 48
CARGA ELÉCTRICA ............................................................................................................... 49
CALCULO DE LA POTENCIA ELÉCTRICA ....................................................................... 49
CONSUMO ELÉCTRICO DE LA INSTALACIÓN ............................................................... 50
CONDICIONES AMBIENTALES DE LA VEREDA CAMPOALEGRE ................................ 52
CÁLCULOS ..................................................................................................................................... 54
CÁLCULO DE PANELES ............................................................................................................. 54
CÁLCULO DE REGULADOR ................................................................................................. 55
COSTOS........................................................................................................................................... 57
CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES ......................................................................................... 57
REGISTRO FOTOGRAFICO ....................................................................................................... 62
ANEXOS .......................................................................................................................................... 64
REFERENCIAS .............................................................................................................................. 65
Tabla de ilustraciones
Ilustración 1: Ubicación Cundinamarca ............................................................................................. 12
Ilustración 2: Ubicación Guataquí ..................................................................................................... 13
Ilustración 3: Ubicación Vivienda ...................................................................................................... 14
Ilustración 4: Irradiación solar .......................................................................................................... 20
Ilustración 5: Curva de irradiancia .................................................................................................... 21
Ilustración 6: Solarímetro digital ....................................................................................................... 22
Ilustración 7: Piranómetro solar ........................................................................................................ 23
Ilustración 8: Esquema del efecto fotoeléctrico ............................................................................... 25
Ilustración 9: Fórmula efecto fotoeléctrico....................................................................................... 25
Ilustración 10: efecto fotovoltaico .................................................................................................... 27
Ilustración 11: Radiación solar en Colombia ..................................................................................... 30
Ilustración 12: Regiones con mayor radiación solar ......................................................................... 31
Ilustración 13: Componentes de una instalación solar fotovoltaica ................................................. 32
Ilustración 14: Panel monocristalino ................................................................................................. 33
Ilustración 15:Panel policristalino ..................................................................................................... 34
Ilustración 16: Panel amorfo ............................................................................................................. 35
Ilustración 17: Regulador de voltaje ................................................................................................. 36
Ilustración 18: Batería solar .............................................................................................................. 38
Ilustración 19: Inversor senoidal ....................................................................................................... 40
Ilustración 20: Topología de una instalación solar fotovoltaica del tipo aislada .............................. 48
Ilustración 21: Cocina ........................................................................................................................ 62
Ilustración 22: Galpón ....................................................................................................................... 62
Ilustración 23: Entrada vivienda ........................................................................................................ 63
Ilustración 24: Cocina de leña ........................................................................................................... 63
Ilustración 25:Plano de la finca ......................................................................................................... 64
Ilustración 26: Plano del sistema fotovoltaico .................................................................................. 64
Tablas
Tabla 1: Cargas de la instalación fotovoltaica de este proyecto ....................................................... 50
Tabla 2: Consumo promedio de la instalación a diseñar .................................................................. 51
Tabla 3: Costos .................................................................................................................................. 57
Tabla 4: Cronograma de actividades ................................................................................................. 58
INTRODUCCION
En mayo de 2014, el congreso promulgó la ley No. 1715 “Por medio de la cual se regula la
integración de las energías no convencionales al sistema energético nacional”.
La energía no convencional es la energía eléctrica generada de fuentes renovables y/o poco
comunes; es decir, fuentes difíciles de captar en la naturaleza para su transformación en
energía eléctrica. Destacan la energía eólica (viento), paneles solares (sol), energía
mareomotriz (olas del mar), energía geotérmica (suelo), biogás y energía de la biomasa.
Los problemas de recalentamiento global y de agotamiento han hecho pensar en el uso y
aplicación de las energías renovables no convencionales, entre ellas la energía solar
fotovoltaica. La energía solar fotovoltaica se basa en el principio de que la energía contenida
en las partículas de luz (los fotones) puede ser convertida en electricidad.
En este trabajo se implementará la energía eléctrica generada por la fuente del sol. Este tipo
de energía se obtiene a partir de la luz solar. La radiación es absorbida por paneles solares, y
la energía convertida es directamente proporcional a la intensidad y duración de los rayos
solares, en él se presenta la descripción y funcionamiento del sistema y de cada uno de sus
equipos.
Es un hecho, que, tanto en los países ricos como en los pobres, la gran mayoría de la
población sin electrificar se encuentra en las zonas rurales, caracterizadas por unas
poblaciones muy dispersas y alejadas de la red convencional. Por esto, el diseño se realizó
para una vivienda de una finca localizada en la vereda de Campoalegre en el municipio de
Guataquí Cundinamarca.
En el marco referencial se tocan temas relacionados con la energía solar, el origen de los
sistemas fotovoltaicos; se explican el fenómeno fotoeléctrico y el efecto fotovoltaico; se
tratan el funcionamiento y las características de los módulos solares, las baterías, el regulador
y el convertidor CC/CA de una instalación solar fotovoltaica. También se relacionan las
normas técnicas colombianas que aplican y que se deben tener en cuenta al diseñar y construir
un sistema solar fotovoltaico.
PROBLEMA
La vivienda de la vereda Campoalegre cuenta con una deficiencia en la parte eléctrica, ya
que anteriormente contaba con energía eléctrica, pero por motivos de lejanía y abandono la
electrificadora suspendió el servicio y terminaron el contrato. Este problema tiene afectado
a los habitantes de esta vivienda, carecen de acceso al uso de electrodomésticos, a la
utilización de iluminación eléctrica, al uso de me medios de refrigeración de alimentos y al
uso de medios de diversión y de información como la televisión y la radio.
Estas necesidades se podrían resolver generando electricidad mediante la aplicación de la
energía solar fotovoltaica.
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
¿Cuáles son las características del diseño de un sistema de energías renovables para
suplir la demanda energética en la finca LOS MONOS de la vereda Campoalegre
Guataquí- Cundinamarca?
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Diseñar un sistema solar fotovoltaico de energía limpia y renovable para suplir necesidades
de energía eléctrica en la vivienda de Campoalegre.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Determinar las especificaciones técnicas de los equipos que conformarían el sistema
solar fotovoltaico.
Caracterizar y dimensionar cada uno de los equipos que conformarían el sistema
solar fotovoltaico.
Elaborar los esquemas y planos de la instalación solar fotovoltaica.
JUSTIFICACION
De acuerdo con el Plan Indicativo de Expansión de Cobertura de Energía Eléctrica 2013 –
2017 (UPME, 2014, p. 54) en Colombia hay necesidad de suministrar energía eléctrica a más
de 432 mil viviendas localizadas en sitios alejados de las ciudades o poblaciones en donde
no se cuenta con redes de energía eléctrica ni con generadores alimentados con combustibles
convencionales.
La energía eléctrica generada mediante paneles solares fotovoltaicos es inagotable y limpia
(no contamina), por lo que contribuye al desarrollo sostenible. Así mismo, puede
aprovecharse de dos formas diferentes: puede venderse a la red eléctrica o puede ser
consumida en lugares aislados donde no existe una red eléctrica convencional.
Por ello, es un sistema particularmente adecuado para zonas rurales o aisladas donde el
tendido eléctrico no llega o es dificultosa o costosa su instalación o para zonas geográficas
cuya climatología permite muchas horas de sol al año.
La energía solar se convertirá en los próximos diez años en la fuente de electricidad más
barata en muchas partes del mundo. Desde la década de los 80, los paneles para generar
electricidad a partir del sol han ido abaratándose un 10% por año. Una tendencia que
capacitaría a esta tecnología para atender en 2027 el 20% de las necesidades energéticas
globales.
Como solución a la necesidad de energía eléctrica en la vivienda de la vereda Campoalegre,
se plantea el diseño de un sistema solar fotovoltaico con el cual será posible generar y
suministrar energía eléctrica.
ALCANCE Y DELIMITACIÓN DEL PROYECTO
ALCANCE
Se propone la instalación de todos los equipos necesarios para captar, almacenar y convertir
la energía solar en energía eléctrica. Este panel debe tener una carga capaz de alimentar los
equipos eléctricos de la vivienda.
DELIMITACIÓN
Este proyecto aplica para viviendas rurales sin energía eléctrica, para instalaciones aisladas
no conectadas a las redes de energía pública. Se contempla el diseño de la instalación sin el
montaje ya que no se cuenta con recursos económicos para la implementación del proyecto.
El diseño se plantea en una vivienda del municipio de Guataquí Cundinamarca, vereda
Campoalegre.
Ilustración 1: Ubicación Cundinamarca
Fuente:https://www.google.com.co/search?q=cundinamarca+en+el+mapa+de+colombia&rlz=1C1CHBF_esCO812CO812&source=lnms&tbm=isch&s
a=X&ved=0ahUKEwivnIa47M3eAhVPvlMKHRiDDnYQ_AUIDygC&biw=1366&bih=657#imgrc=m5E6ZbVqHHoJ5M:
Ilustración 2: Ubicación Guataquí
Fuente: https://espanol.mapsofworld.com/continentes/mapa-de-sur-america/colombia/cundinamarca
Ilustración 3: Ubicación Vivienda
Fuente:https://www.google.com/maps/place/4°34'43.9%22N+74°46'32.5%22W/@4.5788611,-
74.777566,662m/data=!3m2!1e3!4b1!4m6!3m5!1s0x0:0x0!7e2!8m2!3d4.5788586!4d-74.7756882
MARCO REFERENCIAL
ANTECEDENTES
El efecto fotovoltaico fue reconocido por primera vez por el físico francés Alexadre-Edmond
en 1839 donde observo aumento de generación de energía eléctrica entre dos electrodos
metálicos sumergidos en un electrolito cuando se exponían a la luz. Sus estudios sobre el
espectro solar, magnetismo, electricidad y óptica son el pilar científico de la energía
fotovoltaica.
En 1883 el inventor norteamericano Charles Fritts construye la primera celda solar con una
eficiencia del 1%. La primera celda solar fue construida utilizando como semiconductor el
Selenio con una muy delgada capa de oro. Debido al alto costo de esta celda se utilizó para
usos diferentes a la generación de electricidad. Las aplicaciones de la celda de Selenio
fueron para sensores de luz en la exposición de cámaras fotográficas.
En 1921 Albert Einstein obtuvo el premio nobel con un trabajo que sustenta la teoría del
efecto fotoeléctrico y “en el cual está basada la tecnología fotovoltaica”
En el año 1940 el inventor norteamericano Russell Ohl construyo la celda de Silicio que hoy
en día es utilizada y en 1946 fue patentada. La época moderna de la celda de Silicio llega en
1954 en la compañía “Laboratorios Bells”, que accidentalmente experimentando con
semiconductores se encontró que el Silicio con algunas impurezas era muy sensitivo a la luz.
La generación de energía con celdas fotovoltaicas fue utilizada por primera vez en los dos
primeros satélites geoestacionarios de URSS y USA. Los avances logrados con la celda de
silicio en 1954 contribuyeron a la producción comercial, lográndose una eficiencia del 6%.
La URSS lanzó su primer satélite espacial en el año 1957, y el 1 de febrero de 1958 se lanzó
el satélite norteamericano Explorer 1 en los EE. UU. En la década de 1970 se inició su
utilización industrial y en los años de 1980 y 1990 su fabricación a gran escala entro en auge
en los Estados Unidos. Actualmente se fabrican en muchos países del mundo, especialmente
en China, Japón, Alemania, Estados Unidos, India y España. Gracias a los resultados
positivos de la misión Explorer 1 marcaron una pauta en el desarrollo de las comunicaciones
y los paneles fotovoltaicos y se estimuló la investigación buscando paneles cada vez más
eficientes y motivó a la industria de tecnología. (Historia de la energía solar fotovoltaica)
En el año 1980 llegan las instalaciones solares fotovoltaicas a Colombia, cuando la empresa
de telecomunicaciones (Telecom) las utilizo para sus sistemas de comunicaciones.
Recientemente en Colombia se destacan dos proyectos de sistemas solares fotovoltaicos:
1. El proyecto “Parque solar éxito Panorama” instalado en el almacén “Éxito Panorama”
de Barranquilla en marzo de 2015; este se hizo con el fin de cuidar el medio ambiente
y de reducir gastos, cuenta con una capacidad de 507 kW y se invirtieron dos mil
millones de pesos.
2. El proyecto “El sistema solar fotovoltaico de la Universidad Autónoma de Occidente
de Cali”, fue construido por la Universidad Autónoma de Occidente de Cali con una
capacidad de generación de potencia eléctrica de 150 kW e inaugurado a mediados
del año 2015 y se hizo con el fin de producir energía limpia. (GARCÉS, págs. 23-24)
MARCO TEORICO
El sol es la única estrella de nuestro sistema planetario denominado sistema solar, se estima
que existe hace 4650 millones de años y que desaparecerá dentro de 5000 millones de años;
está compuesto, en gran parte por hidrógeno, algo de helio y pequeñas cantidades de otros
elementos, su masa corresponde al 99% del total de la masa de nuestro sistema. El sol es una
gran bola de plasma a altas temperaturas y presiones en donde ocurren fusiones nucleares
con gran transformación de masa y liberación de energía en forma de radiaciones
electromagnéticas.
Se le llama radiación solar a la gran cantidad de energía solar llega a nuestro planeta tierra
después de recorrer, por el espacio, una distancia de 150 millones de kilómetros a una
velocidad de 300 mil km/s, en un tiempo de 8 minutos y 18 segundos aproximadamente.
Radiaciones electromagnéticas (fotones) de diferentes frecuencias y longitudes de onda
atraviesan la atmósfera y alcanzan la superficie terrestre. Las radiaciones u ondas
electromagnéticas que se reciben del sol, solo una porción del espectro solar, entre 0,290 µm
y 2,5 µm, se clasifican en: ultravioletas, de alta frecuencia, se encargan de la fotosíntesis; luz
visible entre las frecuencias del rojo y violeta; y las infrarrojas, de baja frecuencia que
transportan calor. A cada porción del espectro solar que llega le corresponde un tanto de la
energía que llega al exterior de la atmósfera: a la franja ultravioleta le corresponde el 7%, a
la luz visible un 47,3% y a la región infrarroja el 45,7%.7. Para la comprensión y análisis de
la radiación solar se definen los siguientes términos:
La constante solar define el valor total promedio de la energía solar que llega al borde exterior
de la atmósfera y es de 1367 W/m2. El 30 % de esta energía es regresada al espacio porque
es reflejada por las nubes y por el aire que se encuentra en la atmósfera. Del 70 % de la
energía que sigue hacia la tierra, es decir, de los 1000 W/m2 que no son reflejados; más o
menos, las dos terceras partes calientan la atmósfera, la tierra y los océanos; casi toda la otra
tercera parte se absorbe en la evaporación de agua; y solo una pequeña cantidad es absorbida
por las plantas para la fotosíntesis. finalmente, después de que la energía solar es utilizada
(transformada) en la tierra, la mayor parte de esta energía es devuelta a la atmósfera en forma
de rayos infrarrojos (calor). (JULIÁN CANTOS SERRANO, pág. 103)
La Irradiación solar corresponde a una medida de potencia, es la cantidad de radiaciones
solares que inciden en un área en un instante determinado, en el caso de las aplicaciones
fotovoltaicas es conveniente utilizar la potencia en vatios por unidad de área (W/m2 ); la
máxima Irradiación solar ocurre en la zona ecuatorial, durante el verano, a las 12 del día,
según se puede observar en la figura siguiente. La irradiación recibida en un lugar de la tierra
depende de la época del año, de la hora y de las condiciones atmosféricas del sitio
Ilustración 4: Irradiación solar
Fuente: https://stadium.unad.edu.co/preview/UNAD.php?url=/bitstream/10596/11352/1/10097742.pdf
Insolación o Irradiación solar mide la energía solar recibida y corresponde a la cantidad de
irradiancia solar que incide en un área durante un tiempo determinado, en el caso de las
aplicaciones fotovoltaicas es conveniente utilizar la energía en vatios hora por unidad de área
(Wh/m2 ). Ya que es una magnitud derivada de irradiancia; la máxima insolación solar ocurre
en la zona ecuatorial, durante el verano, en las horas cercanas a las 12 del día. Al igual que
la irradiancia, la insolación recibida en un lugar de la tierra depende de la época del año, de
la hora y de las condiciones atmosféricas del sitio.
Ilustración 5: Curva de irradiancia
Fuente: https://stadium.unad.edu.co/preview/UNAD.php?url=/bitstream/10596/11352/1/10097742.pdf
El efecto fotovoltaico se funda en el efecto fotoeléctrico, si a un material, con un campo
eléctrico local, se le aplica una radiación electromagnética y en sus extremos se observa una
diferencia de potencial eléctrico (voltaje), se dice que está ocurriendo el efecto fotovoltaico.
Ya que la energía que contienen los fotones de la luz solar es capaz de liberar electrones de
los átomos de silicio, se han fabricado muchos arreglos, con este elemento, para obtener y
aplicar el efecto fotovoltaico, como es el caso de las celdas solares. La mayoría de las células
solares comerciales se fabrican con una placa de silicio dopada con átomos positivos en una
de sus caras y con átomos negativos en la otra, generalmente, con boro y fósforo, de tal forma
que se obtiene un elemento con dos semiconductores y una unión PN con un campo eléctrico.
Existen muchos tipos de instrumentos para medir la potencia y la energía solar incidente, en
las estaciones de medición meteorológicas se requieren instrumentos; con excelente precisión
y exactitud para medir los diferentes tipos de radiaciones, la irradiancia y la insolación. Para
aplicaciones prácticas y comunes se utilizan el piranómetro y/o el solarímetro.
El solarímetro se utiliza para medir la intensidad de la radiación solar global total recibida en
la superficie terrestre, después de atravesar la atmósfera y el piranómetro es un instrumento
meteorológico utilizado para medir de manera muy precisa la radiación solar incidente sobre
la superficie de la Tierra.
Ilustración 6: Solarímetro digital
Fuente:https://www.google.com.co/search?rlz=1C1CHBF_esCO812CO812&biw=1366&bih=657&tbm=isc
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Ilustración 7: Piranómetro solar
Fuente:https://www.google.com.co/search?rlz=1C1CHBF_esCO812CO812&biw=1366&bih=657&tbm=isch&sa=1&ei
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Efecto fotoeléctrico: En 1905, mediante el uso de nuevos conceptos de la mecánica cuántica,
Einstein supuso que la radiación incidente consistía en paquetes de energía localizada 𝐸 =
𝒽𝓎 que viajaba con la velocidad de la luz. De esta manera, desarrolló la teoría del efecto
fotoeléctrico. Cuando los fotones caen sobre una superficie metálica puede ocurrir lo
siguiente:
1. Los fotones son reflejados de acuerdo con las leyes de óptica.
2. Los fotones desaparecen cediendo toda su energía para sacar los electrones.
En 1914, Millikan produjo la primera prueba experimental de la ecuación desarrollada por
Einstein y, al mismo tiempo, efectuó la primera determinación fotoeléctrica de la constante
de Planck. El valor aceptado de la constante es:
ℎ = 6.625 ∗ 10−34(𝐽 ∗ 𝑠)
Por este trabajo, Millikan fue galardonado con el Premio Nóbel de 1927. La letra h fue
introducida por Planck en 1901. La primera confirmación experimental de la ecuación
fotoeléctrica de Einstein ocurrió en 1912. Después, Millikan realizó una serie de
experimentos que establecieron la ecuación fotoeléctrica de modo tan preciso que en la
actualidad sus trabajos se consideran los que dan el valor más exacto de h.
Einstein logró explicar con éxito el efecto fotoeléctrico mediante la suposición de que la
energía del haz luminoso viaja a través del espacio en paquetes llamados fotones. Los fotones
corresponden a la radiación con frecuencia y. (Norma Esthela Flores Moreno, Jorge Enrique
Figueroa Martínez, pág. 31)
Por su parte, Planck creía que la luz, aunque se emitía de la fuente en forma discontinua,
viajaba a través del espacio como una onda electromagnética. La hipótesis de Einstein sugiere
que la luz que viaja a través del espacio no se comporta como una onda, sino como una
partícula. Los experimentos de Millikan verificaron a detalle las ideas de Einstein.
Según Einstein, la energía de los electrones liberados es:
𝐾𝑚𝑎𝑥 = ℎ𝑦 − 𝜙
𝐾𝑚𝑎𝑥 = 1
2 𝑚𝑣2 = 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑐𝑖𝑛é𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎
Ilustración 8: Esquema del efecto fotoeléctrico
Fuente:https://www.google.com.co/search?q=esquema+del+efecto+fotoelectrico&rlz=1C1CHBF_esCO812CO812&so
urce=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwil9e699t7eAhVuqlkKHWv2AtgQ_AUIDigB&biw=1366&bih=657#imgrc=
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Ilustración 9: Fórmula efecto fotoeléctrico
Fuente:https://www.google.com.co/search?rlz=1C1CHBF_esCO812CO812&biw=1366&bih=657&tbm=isch&sa=1&ei=8d7xW_zqF
arv5gKor4q4Cg&q=formulas+del+efecto+fotoelectrico&oq=formula&gs_l=img.3.0.0i67l6j0j0i67j0l2.93996.96721.98212...0.0.0.527.17
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Efecto fotovoltaico: Este convierte la energía luminosa que transportan los fotones de luz,
en energía eléctrica capaz de impulsar los electrones despedidos del material semiconductor
a través de un circuito exterior.
La luz del sol está compuesta por fotones, o partículas energéticas. Estás partículas
energéticas son de diferentes energías. Correspondientes a las diferentes longitudes de onda
del espectro solar.
Al incidir los fotones sobre una célula fotovoltaica, pueden ser reflejados o absorbidos, o
pueden pasar a su través. Los fotones absorbidos son los que transfieren su energía a los
electrones de los átomos de las células.
Para producir una corriente eléctrica útil hay que lograr extraer los electrones liberados fuera
del material antes de que éstos vuelvan a recombinarse con los “ huecos”. Una forma de
lograr esto es introducir en el material semiconductor elementos químicos que contribuyan a
producir un exceso de electrones y de huecos. Estos elementos que alteran significativamente
las propiedades intrínsecas de los semiconductores se denominan dopantes y el proceso de
su incorporación al semiconductor se llama dopado.
Al material semiconductor se le ha de realizar un tratamiento especial, para que la energía
originalmente cedida por el fotón a los electrones de dicho material no se convierta en calor
inútil, tras unos cuantos choques del electrón en su movimiento a través de la red atómica.
(Barrera, págs. 13-14)
La mayoría de las células solares comerciales se fabrican con una placa de silicio dopada con
átomos positivos en una de sus caras y con átomos negativos en la otra, generalmente, con
boro y fosforo, de tal forma que se obtiene un elemento con dos semiconductores y una unión
PN con un campo eléctrico. En el momento que la celda recibe luz solar se producen los
efectos fotoeléctrico y fotovoltaico haciendo que se ilumine el bombillo de la figura
siguiente.
Ilustración 10: efecto fotovoltaico
Fuente:https://www.google.com.co/search?rlz=1C1CHBF_esCO812CO812&biw=1366&bih=657&tbm=isch&sa=1&ei=Vd_xW_vc
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7......1....1..gws-wiz-img.lMm0-c9OhvM#imgrc=AjCB6U6YK5zn3M:
MARCO CONTEXTUAL
El marco contextual o geográfico donde se desarrolla el proyecto corresponde a la
vereda de Campoalegre en el municipio de Guataquí, departamento de Cundinamarca
(Colombia).
Sus datos geográficos son los siguientes:
- Coordenadas: Latitud Norte 4°34'43.9"N, Longitud Oeste 74°46'32.5"W.
- Altitud: 238 m. s. n. m
- Temperatura media: 27,7 °C
- Radiación solar: 3,5 𝐾𝑊ℎ/𝑚2
- Radiación solar año: : 1278 𝐾𝑊ℎ/𝑚2
- Incidencia rayos solares año: 1950 horas año
Se ha elegido específicamente la vereda de Campo alegre por varias razones:
- Porque la realización de los cálculos solares solo es posible si se parte de un sitio
especificado y localizado geográficamente que cuente con datos de incidencia solar.
- Porque es una zona alejada del casco urbano de Guataquí y no tiene servicio
publico de electricidad.
MARCO CONCEPTUAL
Radiación solar en Colombia: Colombia es un país privilegiado por su posición geográfica.
No solo cuenta con gran variedad de climas, también presenta uno de los niveles de radiación
solar más altos en el mundo, dándole una gran ventaja en el uso de energía solar.
La UPME (Unidad de Planeación Minero-Energética) que pertenece al Ministerio de Minas
y energía de Colombia y el IDEAM (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios
Ambientales) crearon en el 2005 un atlas de radiación solar que recopila la información
básica de referencia para el aprovechamiento de la energía solar como una opción para el uso
sostenible de los recursos energéticos de Colombia, estableciendo el valor promedio diario
de radiación por regiones. (Angélica García)
La región de mayor radiación solar en el país es la península de La Guajira y sus valores
máximos se presentan en el mes de julio, con promedios superiores a 650 cal/cm2/día. Con
el mismo comportamiento durante el año, le sigue la parte media del valle geográfico del río
Cauca, el valle del río Magdalena hasta la costa Atlántica y la zona de Cúcuta. Los
valores extremos se presentan en julio y diciembre con valores de 550 y 450 cal/cm2/día.
En la región Andina sobresale el altiplano Cundiboyacense, con valores máximos en febrero
en los niveles de 480 cal/cm2/día, que luego descienden gradualmente hasta junio, mes de
mínimos con 420 cal/cm2/día; nuevamente se incrementan poco a poco hasta septiembre,
para descender hasta noviembre. Las zonas con niveles más bajos de radiación son
la costa del Pacífico y el piedemonte Llanero en el área circundante de Villavicencio, con
promedios menores de 300 cal/cm2/día
Ilustración 11: Radiación solar en Colombia
Fuente:https://www.google.com.co/search?rlz=1C1CHBF_esCO812CO812&biw=1366&bih=608&tbm=isch&sa=1&ei
=HXXzW_6OEtG05gLM6ZKwCg&q=radiacion+solar+en+Colombia&oq=radiacion+solar+en+Colombia&gs_l=img.3.0
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Ilustración 12: Regiones con mayor radiación solar
Fuente:https://www.google.com.co/search?rlz=1C1CHBF_esCO812CO812&biw=1366&bih=608&tbm=isch&sa=1&ei
=HXXzW_6OEtG05gLM6ZKwCg&q=radiacion+solar+en+Colombia&oq=radiacion+solar+en+Colombia&gs_l=img.3...
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Instalación solar fotovoltaica: Una instalación solar fotovoltaica es un arreglo que permite
aprovechar la energía solar y convertirla en energía eléctrica utilizable en el funcionamiento
de accesorios, artefactos y equipos eléctricos. Generalmente, esta constituida por: paneles
solares que son los equipos que captan y transforman la energía solar; el regulador –
controlador de carga que se encarga de cargar, adecuadamente, los equipos para
almacenamiento de energía; las baterías o acumuladores de energía; el inversor de corriente
DC/AC que convierte la corriente directa en alterna para que pueda ser aprovechada por los
equipos eléctricos comerciales y los tableros e instalaciones eléctricas que distribuyen la
electricidad. La instalación de este diseño sera del tipo aislada, puesto que servira para suplir
las necesidades de energía en zonas rurales alejadas de las redes eléctricas. (La guia solar)
Ilustración 13: Componentes de una instalación solar fotovoltaica
Fuente:https://www.google.com.co/search?rlz=1C1CHBF_esCO812CO812&biw=1366&bih=608&tbm=isch&sa=1&ei
=mo3zW9qMCPDR5gK-
zI6QBg&q=instalacion+solar+fotovoltaica&oq=instalacion+solar+&gs_l=img.1.0.0l10.801821.807991..809651...0.0..0.4
01.3346.0j15j1j1j1......1....1..gws-wiz-img.......35i39j0i67.Pn9mo4pUWD4#imgrc=B_ZmErcYIbr2RM:
Paneles fotovoltaicos: Un módulo fotovoltaico, es un panel que está formado por un
conjunto de células solares, que se encargan de convertir directamente en electricidad los
fotones que provienen de la luz del sol. La producción de corriente depende de la irradiancia
(nivel de iluminación), de modo que, cuanto más sea la luz captada, mayor será la intensidad
eléctrica a través de la célula.
En el panel solar fotovoltaico, el conjunto de células están conectadas eléctricamente entre
sí, encapsuladas, y montadas en una estructura de soporte o marco. (Instalaciones y eficiencia
energetica, s.f.)
Tipos de paneles: Los tipos de paneles solares fotovoltaicos vienen dados por la tecnología
de fabricación de las células. Estos se diferencian en la composición del cristal de silicio. A
continuación, y de forma breve, indicamos los tres tipos fundamentales y sus características:
Paneles solares monocristalinos: En los paneles solares monocristalinos las celdas solares
de silicio monocristalino (mono-Si), son bastante fáciles de reconocer por su coloración y
aspecto uniforme, que indica una alta pureza en silicio.
En este tipo de paneles fotovoltaicos las celdas monocristalinas se fabrican con bloques
de silicio o ingots, que son de forma cilíndrica.
Posteriormente, con el objetivo de reducir los costes de fabricación de las celdas fotovoltaicas
monocristalinas y de optimizar el su rendimiento, se recortan los cuatro lados de los bloques
cilíndricos para hacer láminas de silicio. Este recorte es el que les da este aspecto
característico. (Energia solar, s.f.)
Ilustración 14: Panel monocristalino
Fuente:https://www.google.com.co/search?q=panells+fotovoltaics+monocristalins&tbm=isch&tbs=simg:CAQSlwEJD0iFcb6AFfQai
wELEKjU2AQaBggUCAAIAwwLELCMpwgaYApeCAMSJo8BkAGmBtMBMaAMiwHeBTKHEuw17TXrNYM3gjfjJ9Y27jW-
NuA2GjAu8B1AVAtH-EcW9CVN2T10_1ug8FRSsh_1tPxNJq2R5lwpaT-rsZ-
s9HiMl11ug3hS0gBAwLEI6u_1ggaCgoICAESBE38RZ0M&sa=X&ved=0ahUKEwjQ8Z7GmOLeAhUPxVkKHd56C34Qwg4IKigA&b
iw=1366&bih=657#imgrc=cZv1j_ge4-qe4M:
Paneles solares policristalinos: Los paneles solares policristalinos están compuestos, en
este caso, por células policristalinas. Podemos diferencia por su color “azulado” y no poseen
el chaflán en las esquinas como los monocristalinos.
Las células de silicio policristalino (mc-Si) también utilizan obleas de silicio como sustrato,
pero a diferencia de las monocristalinas, éstas proceden del corte de un bloque de silicio que
se ha dejado solidificar lentamente en un crisol y que está formado por muchos pequeños
cristales de silicio.
Este tipo de elaboración es menos costoso que el anterior, pero reduce considerablemente la
eficiencia de las células. (SunFields)
Ilustración 15:Panel policristalino
Fuente: https://www.google.com.co/search?q=panel+solar+policristalino+definicion&hl=es-
419&authuser=0&rlz=1C1CHBF_esCO812CO812&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwjD-
9Xdh-PeAhXFp1kKHSN3CWAQ_AUIDigB&biw=1366&bih=657#imgrc=Hv5Erp83GO7ciM:
Panel amorfo: Son fabricados mediante la colocación de una fina capa de silicio amorfo (no
cristalino), sobre una superficie como vidrio o plástico. Es el módulo más económico en su
fabricación
Posee un color homogéneo, pero no existe conexión visible entre las células.
Ilustración 16: Panel amorfo
Fuente: https://www.google.com.co/search?hl=es-
419&authuser=0&rlz=1C1CHBF_esCO812CO812&biw=1366&bih=657&tbm=isch&sa=1&ei=2wr0W4LdLfDM5gK4hI
kI&q=panel+solar+amorfo&oq=panel+solar+amorfo&gs_l=img.3..0j0i8i30j0i24l3.377417.378786..379157...0.0..0.135.8
04.0j6......1....1..gws-wiz-img.cFIIFuqyNVw#imgrc=QQbd1FAxF_baFM:
Regulador de voltaje: Un regulador de tensión o regulador de voltaje es un
dispositivo electrónico diseñado para mantener un nivel de voltaje constante.
Un regulador de voltaje pasivo puede ser utilizado si la fuente de alimentación produce
constantemente un voltaje superior a lo que los componentes en el circuito requieren.
Consiste esencialmente de una resistencia con un conjunto particular de características de
rendimiento. Reduce el voltaje de entrada al nivel deseado y elimina el exceso de energía en
forma de calor. Los reguladores pasivos con frecuencia requieren un disipador para lidiar con
este calor innecesario.
Los circuitos que requieren que el voltaje se incremente requerirán un regulador de voltaje
activo. Normalmente usan algún tipo de bucle de realimentación negativa para controlar el
voltaje. Esto significa que un voltaje fuera del rango deseado hace que el regulador lo eleve
de nuevo a su rango especificado. A su vez, esta acción hace que el regulador detenga la
modificación del voltaje del circuito. (htt2)
Ilustración 17: Regulador de voltaje
Fuente:https://www.google.com.co/search?q=regulador+de+voltaje+para+panel+solar&rlz=1C1CHBF_esCO812CO81
2&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwj7g5bOiuPeAhVOuVkKHeg7BrUQ_AUIDigB&biw=1366&bih=657
#imgrc=enxIcrZtI56m_M:
Batería o acumulador: Los acumuladores o baterías se utilizan en múltiples aplicaciones y
su composición interna es variada, dando lugar a muchas clasificaciones que se pueden
encontrar en la literatura técnica especializada. Nosotros vamos a estudiar las más utilizadas
en sistemas fotovoltaicos que son del tipo plomo-ácido con electrolito líquido y las del
tipo plomo-ácido con electrolito gelificado.
Un acumulador de plomo ácido está compuesto por un ánodo (electrodo positivo) de dióxido
de plomo, un cátodo (electrodo negativo) de plomo esponjoso, y un electrolito de ácido
sulfúrico diluido en agua con una concentración nominal del 37% en peso, la densidad
nominal del electrolito para esta concentración es de 1.24 g/cm3.
La principal función de las baterias solares en un sistema de generación fotovoltaico es
acumular la energía que se produce durante las horas de mayor luz para poder utilizarse por
la noche o durante prolongados periodos con poca iluminación. Otra importante función de
las baterías solares es proveer una intensidad de corriente superior a la que el dispositivo
donde se instalan puede generar. Suelen clasificarse en base a la capacidad de
almacenamiento de energía que poseen y a su ciclo de vida. (Energia solar, s.f.)
La capacidad de acumular la energía en una batería depende de la velocidad de descarga de
esta, cuanto mayor es el tiempo de descarga, mayor es la cantidad de energía que la batería
solar genera.
Ilustración 18: Batería solar
Fuente:https://www.google.com.co/search?rlz=1C1CHBF_esCO812CO812&biw=1366&bih=657&tbm=isch&sa=1&ei
=6Az0W9j9G6zG5gLz-
ZKoCQ&q=bateria+o+acumulador+para+panel+solar&oq=bateria+o+acumulador+para+panel+solar&gs_l=img.3...8075
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Inversor de voltaje: Un inversor de corriente se utiliza para transformar el voltaje de 12 o
24 voltios de las baterías (corriente continua) para emplear el voltaje de la vivienda de 230
voltios (corriente alterna). Cuando una placa solar genera electricidad, lo hace con una
corriente continua. Esta corriente no nos sirve para utilizarla en los aparatos eléctricos del
hogar como televisores, lavadoras, hornos, etc. Se necesita corriente alterna con un voltaje
de 230 voltios.
Además, para todo el sistema de iluminación del hogar se necesita de corriente alterna. De
todo ello se encarga el inversor de corriente una vez la placa solar ha recibido la energía del
sol y almacenado en su batería. El inversor de corriente es uno de los elementos que
componen el kit solar con el que podremos disponer de energía renovable en nuestro hogar
y reducir el consumo de energía fósil.
Debemos recordar que el consumo de energías renovables contribuye a una disminución de
los gases de efecto invernadero a la atmósfera y nos permite avanzar en la transición
energética basada en una descarbonización para el año 2050.
Si la iluminación que necesitamos es muy baja y tiene poco cableado, podría realizarse la
instalación sin inversor de corriente. Simplemente se conectaría directamente a la batería. De
esta forma, todo el circuito eléctrico estaría funcionando con 12 voltios, mientras que sólo se
podría utilizar bombillas y aparatos de 12 V.
Se pueden encontrar inversores que se conectan directamente a la batería a través de cables.
Otros inversores más grandes se utilizan para convertir la energía eléctrica generada por
molinos de viento o por placas fotovoltaicas en corriente alterna para que pueda ser
suministrada a los hogares a través de la red eléctrica general. (Renovables verdes, s.f.)
Ilustración 19: Inversor senoidal
Fuente:https://www.google.com.co/search?rlz=1C1CHBF_esCO812CO812&biw=1366&bih=657&tbm=isch&sa=1&ei
=Hg70W_ywO6qB5wKy7rXwCw&q=inversor+senoidal&oq=inversor+se&gs_l=img.1.0.0l3j0i5i30j0i8i30l6.11127.1269
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MARCO LEGAL
A través de diversos documentos, la Unión Europea ha establecido 3 objetivos en materia de
energía, en este contexto, la aprobación del Código Técnico de la Edificación (CTE)
constituye un instrumento crucial para impulsar la energía solar térmica de baja temperatura
y la solar fotovoltaica. Así, en su documento básico sobre ahorro de energía
La mayoría de las Comunidades Autónomas han desarrollado su propio marco normativo
para la instalación de sistemas de generación de electricidad mediante fuentes renovables,
prestando especial atención a la eólica y la solar, así como planes estratégicos autonómicos
como el Plan Andaluz de Sostenibilidad Energética o el Plan Energético de Navarra. Estos
documentos deben consultarse previamente a la aplicación del modelo de Ordenanza aquí
propuesto, puesto que, aunque todos siguen la misma línea marcada a nivel nacional,
establecen medidas y requisitos específicos ajustados a la región en cuestión.
Como muestra del fomento de las energías renovables a través de normativa podemos citar
el Código Técnico de la Edificación (CTE), norma estatal que establece el marco general
para la implantación de estos sistemas, el cual ha conllevado un notable impulso de la energía
solar térmica de baja temperatura y de la solar fotovoltaica. Para alcanzar el objetivo
fundamental del CTE, es necesaria la implicación de las Comunidades Autónomas, así como
de los Gobiernos Locales, responsables últimos de las regulaciones relativas al uso de energía
solar térmica de baja temperatura en edificaciones como viviendas, residencias, hoteles,
centros deportivos y piscinas, entre otros, así como de la implantación de la energía solar
fotovoltaica en estos sectores. Este municipio recoge este compromiso, por lo que, con la
firme voluntad de promover el uso de la energía solar y lograr una reducción de las emisiones
de gases de efecto invernadero, ha elaborado la presente Ordenanza de captación de energía
solar para usos térmicos y fotovoltaicos. Esta nueva norma complementa las ordenanzas de
usos y/o las normas zonales previstas en el vigente Plan General de Ordenación Urbanística.
(CTE)
CAPITULO I- DISPOSICIONES GENERALES
Artículo 1. Objeto 1.1. El objeto de la presente Ordenanza es regular la incorporación de
sistemas de captación y utilización de energía solar activa de baja temperatura, a través de
instalaciones de energía solar térmica y fotovoltaica para la producción de energía eléctrica
a través de paneles solares fotovoltaicos en edificios y construcciones situados en el término
municipal que cumplan las condiciones establecidas en esta norma.
1.2. Las instalaciones de energía solar térmica y fotovoltaica se considerarán a efectos
urbanísticos como usos compatibles a aquellos usos autorizados en edificaciones y
construcciones en suelo urbano.
1.3. La presente Ordenanza complementará la normativa urbanística a los efectos de regular
los requisitos técnicos para su implantación.
Artículo 6. Requisitos de las instalaciones.
- Todas las construcciones o usos a los que sea aplicable esta Ordenanza deberán incluir, en
la solicitud de la licencia urbanística, el correspondiente proyecto de instalación del sistema
de aprovechamiento de la energía solar a implantar o las soluciones alternativas,
ambientalmente equivalentes, de acuerdo con el Anexo IV.
Dicho proyecto de instalación podrá ser un proyecto independiente o un apartado específico
del proyecto de obras y/o actividad de la construcción o del uso a implantar.
- En el proyecto de instalación que se acompañe a la solicitud de licencia se deberá justificar
el cumplimiento de esta norma. Su contenido mínimo será el especificado en el apartado 3
de este artículo.
-El proyecto de instalación vendrá suscrito por el técnico competente y visado por el Colegio
Oficial correspondiente, conteniendo como mínimo: A) Memoria que incluya: Justificación
de la solución adoptada. Configuración básica de la instalación. Descripción general de las
instalaciones y sus componentes. Criterios generales de diseño: dimensionado básico, diseño
del sistema de captación con justificación de la orientación, inclinación, sombras e
integración arquitectónica, de acuerdo a lo establecido en el CTE o normativa posterior
aplicable. Descripción del sistema de energía auxiliar. Justificación de los parámetros
especificados en esta Ordenanza.
El ICONTEC ha publicado varias normas que aplican en el diseno y construcción de
instalaciones solares fotovoltaicas y que seran tenidas en cuenta en este diseno:
- Definiciones: Las definiciones relacionadas con las instalaciones solares fotovoltaicas se
tratan en las normas NTC 2775 y NTC 1736.
- Paneles solares: Las características y las especificaciones para los paneles solares
fotovoltaicos se tratan en la norma NTC 2883.
- Baterías: Las características y las especificaciones para las baterías solares fotovoltaicas se
tratan en las normas NTC 2959 y NTC 5287.
- Instalaciones: Las características y las especificaciones para las instalaciones solares
fotovoltaicas se tratan en las normas GTC 114 y NTC 2050.
El congreso de Colombia promulgó en mayo 14 de 2014, “La ley No. 1715, por medio de la
cual se regula la integración de las energías renovables no convencionales al sistema
energético nacional”. Esta es la ley más reciente de las relacionadas con las energías
alternativas y tiene por objeto regular, promover, incentivar y reglamentar el uso, la
aplicación y el desarrollo de las energías alternativas en Colombia.
Así mismo, la Ley 1715 también establece la creación de organismos que promueven la
implementación de sistemas de producción de energía y da claridad sobre el papel que juegan
instituciones ambientales como las CAR, las encargadas de la administración energética
(Min-minas y la CREG) (SUNCOLOMMBIA)
METODOLOGÍA
El trabajo cuenta con una parte teórica investigativa y el esquema para posteriormente
realizar una parte practica, en lo relacionado con lo teórico corresponde al estudio de diversos
aspectos con base en fuentes primarias y secundarias puntuales y el componente practico con
la aplicación del estudio en campo.
La metodología que se piensa aplicar para este estudio es de tipo cuantitativa y cualitativa, la
primera debido a que se pretende examinar los datos de forma numérica para determinar el
dimensionamiento de las instalaciones a realizar en campo y la segunda, para obtener la
información correspondiente a los problemas que impactan la población a causa de la falta
del suministro adecuado de electricidad.
El estudio es de tipo documental y de campo; ya que sera un estudio a su vez exploratorio,
descriptivo e interpretativo, debido a las observaciones directas que se haran sobre el
problema y las evidencias tomadas de las condiciones de las areas a investigar.
La investigación esta ubicada dentro de la metodología de investigación de campo ligada
exclusivamente a la determinación de condiciones y estado de la vivienda, donde se espera
realizar el montaje.
La investigación documental obedece a la consulta de fuentes de información obtenidas de
estudios, visitas, entrevistas realizadas por entes gubernamentales y no gubernamentales que
han centrado su interés en el area en cuestión.
Las fuentes primarias han sido todos los documentos y reportes que han dado las personas de
esta vivienda, gracias a él se ha logrado identificar gran parte de los detalles específicos y
evidenciados por visitas realizadas al sitio de las condiciones que afligen a esta familia y en
donde se menciona que la falta de un adecuado método o sistema de generación eléctrica es
una de las causas de los principales problemas de este hogar.
Las fuentes secundarias de información son las bases de datos consultadas vía internet de la
la alcaldía de Guataquí Cundinamarca, el DANE, la oficina de planeación, las redes de
internet con información descriptiva en términos cualitativos de las características sociales,
económicas, geograficas y demas de la región.
Teniendo referencias sobre la problemática que aborda una familia en la vereda Campo
Alegre, se hace una propuesta de un diseño de una instalación fotovoltaica para una vivienda
ubicada en la zona urbana, conociendo que la propuesta es viable se procede llevar a cabo el
proyecto.
Primeramente, se hace un investigacion minuciosa en la vereda Campoalegre, conociendo
que las viviendas están aisladas de la zona urbana y en particular una de ellas se encuentra a
más de 10 km del pueblo, el equipo de trabajo se dirige hacia está vivienda y llegando allí se
verifica que no cuenta con energía eléctrica y que por esta razón se encuentran afectados los
habitantes de ella. Seguido a esto se plantea la propuesta a los habitantes de la vivienda, los
cuales aceptan y se inicia con el desarrollo de la investigación para llegar a una solución.
Ubicados en el área a trabajar se toma registro fotográfico y en el trabajo en oficina se procede
a realizar el plano respectivo de la vivienda, así mismo se establecen los materiales y equipos
necesarios para el desarrollo del proyecto.
Para llevar a cabo el debido proceso a la instalación del sistema solar se busca la ayuda de
terceras personas con experiencia en el tema y también la ayuda de investigaciones vía
internet.
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LOS EQUIPOS QUE CONFORMARÍAN EL
SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO
TOPOLOGÍA DE LA INSTALACIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA.
En este proyecto el diseño de la instalación aplica para viviendas localizadas en zonas
alejadas, en donde no hay suministro de energía eléctrica. Una instalación fotovoltaica del
tipo aislada consta de paneles solares, regulador – controlador de carga, baterías, inversor
DC/AC, tablero de distribución e instalaciones eléctricas.
Ilustración 20: Topología de una instalación solar fotovoltaica del tipo aislada
Fuente: http://www.riovalle.cl/sistemas-fotovoltaicos-autonomos/
CARGA ELÉCTRICA
La instalación solar fotovoltaica proyectada en este trabajo debe alimentar las siguientes
cargas:
Un televisor de 100 vatios
Una nevera de 300 vatios
Cuatro bombillas fluorescentes de 20 vatios
Un ventilador de 200 vatios
Una licuadora de 350 vatios
Una plancha de 500 vatios
CALCULO DE LA POTENCIA ELÉCTRICA
Según la norma NTC 2050, la demanda máxima en una vivienda estrato uno, en Colombia,
se calcula en 3 kW. Las cargas típicas instaladas en estos estratos corresponden al
alumbrado y a electrodomésticos de primera necesidad (lámparas, televisor, licuadora,
nevera, lavadora, plancha, estufa, ventilador, ducha y computador en muchos casos).
DESCRIPCION DE EQUIPO CARGA INSTALADA (W)
Televisor 100
Nevera 300
Bombillas (4 de 20W) 80
Ventilador 200
Licuadora 350
Plancha 500
TOTAL 1530
Tabla 1: Cargas de la instalación fotovoltaica de este proyecto
CONSUMO ELÉCTRICO DE LA INSTALACIÓN
El consumo eléctrico es la cantidad de energía demandada por un determinado punto de
suministro durante un plazo de tiempo denominado período de facturación. Este aspecto es
facturado por las comercializadoras al aplicarse un precio del kWh que es el que determina
la cantidad de dinero que tendrá que pagar el cliente.
Esta se obtiene multiplicando la potencia por el tiempo de funcionamiento, y este resultado
se divide en 1000 para que el resultado sea en KW.
𝐸𝑖 = 𝑃𝑖 ∗ 𝑡𝑖 donde,
𝐸𝑖; Consumo de energía eléctrica del equipo (carga) i, en KWh.
𝑃𝑖; Potencia requerida por el equipo i, en KW
𝑡𝑖; tiempo de funcionamiento del equipo i, en horas
La energía consumida por un conjunto de equipos es la suma del consumo de cada
uno de ellos durante un tiempo determinado, generalmente, día o mes. Se obtiene
de la siguiente forma,
𝐸𝑐 = ∑ = 1𝑛𝑖 𝐸𝑖 = 𝐸1 + 𝐸2 + 𝐸3 + ⋯ 𝐸𝑛 donde,
𝐸𝑖 ; Consumo de energía eléctrica del equipo (carga) i, en kWh, día o mes
𝐸𝐶; Consumo total de energía eléctrica del conjunto de equipos, en kWh, día o mes, según
se requiera.
DESCRIPCIÓN
EQUIPO
POTENCIA
INSTALADA
(W)
HORAS
USOS
DIARIO
(h)
CONSUMO
ENERGIA
DIARIA
(KWh)/día
CONSUMO
ENERGIA
MENSUAL
(KWh)/mes
Televisor 100 5 0,5 15
Nevera 300 10 3 90
Bombillas 80 5 0,4 12
Ventilador 200 7 1,4 42
Licuadora 350 0,13 0,0455 1,365
Plancha 500 0,16 0,08 2,4
TOTAL 1530 5,4255 162,765
Tabla 2: Consumo promedio de la instalación a diseñar
CONDICIONES AMBIENTALES DE LA VEREDA CAMPOALEGRE
Para el diseño de este trabajo se debe tener en cuenta que aplica para la vereda de
Campoalegre (Guataquí, Cundinamarca) y que los equipos seleccionados deben ser aptos
para instalar en zona tropical con las siguientes condiciones ambientales:
- Localización: Latitud Norte 4.578861, Longitud Oeste 74.775694
- Temperatura: Máxima 35°C (Agosto), mínima 23°C (Enero)
- Altura sobre el nivel del mar: 238 m s. n. m
- Humedad Relativa: 78%.
- Precipitaciones: Máxima 174 mm (Abril), mínima 52 mm (Enero)
- Radiación solar: 3,5 kWh/m2
- Radiación solar año: 1278 kWh/m2 año
- Incidencia rayos solares ano: 1950 horas año
- Velocidad máxima del viento: 6200 m/s
NORMAS Y CERTIFICACIONES
El diseño debe seguir las normas nacionales (ICONTEC), pero además de las características
técnicas, se debe solicitar que los equipos que se suministren para la instalación solar
fotovoltaica estén certificados por organismos nacionales o internacionales reconocidos. La
guía GTC 114, señala y sugiere, algunas normas que debe cumplir la fabricación de los
equipos de una instalación solar fotovoltaica:
Módulos: Su fabricación debe cumplir con lo indicado en las normas NTC 2883 y
NTC 4405, o en la norma UL 1703, o en cualquier otra norma equivalente.
Baterías: Su fabricación debe cumplir con lo indicado en la norma NTC 5287 o en
cualquier otra norma equivalente.
Controlador (regulador): Su fabricación debe cumplir con lo indicado en la norma
UL 1741 o en cualquier otra norma equivalente.
Inversor: Su fabricación debe cumplir con lo indicado en la norma UL 1741 o en
cualquier otra norma equivalente. (Garcés, págs. 36-37)
CÁLCULOS
CÁLCULO DE PANELES
Para este proyecto el tipo de panel va a ser de policristalino, se debe tener en cuenta que
tengan la suficiente capacidad para generar la energía consumida por la instalación durante
un día, la hora solar pico y la capacidad que va a tener el panel.
𝑁° 𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙 =𝐸 ∗ 1.3
𝐻𝑆𝑃 ∗ 𝑊𝑃
Ecuación 1: Número de paneles
𝐸 → 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜
𝐻𝑆𝑃 → 𝐻𝑜𝑟𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑝𝑖𝑐𝑜
𝑊𝑃 → 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙
1,3 → 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑, 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑢𝑛 30% 𝑚á𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜
Multiplicamos el consumo diario de KWh por 1000, para obtener la energía en Watts neta
que hay que captar.
5,4255 𝐾𝑊ℎ ∗ 1000 = 5425,5 𝑊
𝐻𝑆𝑃 = 5,4 ℎ
𝑊𝑃 = 145 𝑊 Este es de elección propia
𝑁° 𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙 = 5425,5 𝑊 ∗ 1,3
5,4 ℎ ∗ 145 𝑊
𝑁° 𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙 = 7053,15 𝑊
783= 9,007
Entonces, si el consumo diario es de 5,4255 KWh se deben utilizar 10 paneles de 145 W.
Tipo de panel: Policristalino
# Paneles: 10
WP: 145 W
V: 12 Vdc
# Celdas: 36
Voltaje a máxima Potencia (Vmp): 18 Vdc
Corriente a máxima Potencia (Imp): 8,17 A
Voltaje de circuito abierto (Voc): 22,2 Vdc
Corriente de corto circuito (Isc): 8,69 A
Dimensiones: 1506 x 680 x 34 mm
Peso: 12 kg
CÁLCULO DE REGULADOR
El regulador solar MPPT es capaz de separar la tensión de funcionamiento de los paneles
solares de la tensión de la batería. De esta forma el seguidor del punto de máxima potencia
(MPPT) podrá situar la tensión de trabajo del conjunto de paneles solares en la óptima para
obtener la máxima producción posible.
Los paneles solares de 12V están compuestos por 36 células conectadas en serie y su punto
de máxima potencia es a una tensión de trabajo Vmp de 18V aprox.
Para calcular la corriente máxima de carga se divide la potencia total de paneles solares por
la tensión de la batería.
𝑃𝑡𝑜𝑡 𝑉𝑏𝑎𝑡 = 𝐼𝑚á𝑥⁄
Ecuación 2: Corriente máxima regulador
10 ∗ 145𝑊 = 1450𝑊𝑝
1450𝑊𝑝12𝑉⁄ = 120,8 𝐴
Necesitaremos un regulador solar MPPT de 120 amperios. (Monsolar, s.f.)
La potencia del regulador – controlador se calcula con el voltaje de circuito abierto
y la corriente de cortocircuito del arreglo fotovoltaico.
𝑃𝑐 = 𝑉𝑜 ∗ 𝐼𝑠
Ecuación 3: Potencia regulador
𝑉𝑜 = 2 ∗ 𝑉𝑜
𝐼𝑠 = 5 ∗ 𝐼𝑠
𝑃𝑐 = (2 ∗ 22,2) ∗ (5 ∗ 8,69)
𝑃𝑐 = 44,4 ∗ 43,45
𝑃𝑐 = 1929,18 𝑊
COSTOS
EQUIPOS Y MATERIALES
ITEM DESCRIPCION CANTIDAD PRECIO UNITARIO
PRECIO PARCIAL
1 PANEL SOLAR 145 W
10 700.000 7.000.000
2 REGULADOR 3 kW 1 2.055.000 2.055.000
3 BATERIA 12V - 220 Ah
6 1200.000 7.200.000
4 INVERSOR 4 kW 1 4.950.000 4.950.000
5 INSTALACIONES ELECTRICAS
1 2.000.000 2.000.000
VALOR MATERIALES
23.205.000
Tabla 3: Costos
CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
ACTIVIDAD
REALIAZADA
SEPTIEMBRE 2018 OCTUBRE 2018
Propuesta de diseño de
instalación solar
fotovoltaica
X
Investigación a la vereda X
Visita a la vivienda X
Planteamiento del proyecto
a los habitantes de la
vivienda
X
Registro fotográfico X
Inicio de informe X
Tabla 4: Cronograma de actividades
CONCLUSIONES
En el diseño del proyecto, se observó lo importante que es la etapa de investigación para el
éxito de cada una de las fases del ciclo del proyecto, esta misma provee en insumo para el
dimensionamiento adecuado para el cumplimiento de los objetivos. .
La conveniencia social y productiva de la realización del estudio para la zona rural del
municipio de Guataquí es fundamental para ir reduciendo el desmejoramiento de las
condiciones de vida de esta familia y de la productividad de la zona.
El desarrollo de la investigación fue una parte clave para el planteamiento del proyecto, esta
misma condujo a las respuestas de las preguntas planteadas en base a la problemática de La
vereda campo alegre, municipio de Guataquí Cundinamarca.
El análisis de la problemática de La vereda Campoalegre (social y económica), condujo la
investigación a resultados claros, definiendo concentrar el proyecto en soluciones para la
energía del hogar.
Es un desafío para los profesionales de hoy buscar desarraigar los modelos de generación de
energía convencionales, los cuales conllevan a grandes inversiones y a altos índices de
contaminación: es por esto por lo que los sistemas integrales de soluciones deben abarcar
todas las necesidades que poseen sus proyectos, con soluciones sustentables e innovadoras.
La falta de apoyo de terceras personas a esta familia es la que hace percibir un gran proyecto
y una ayuda beneficiosa para este hogar.
La falta de inversión en investigación y desarrollo tecnológico termina por dejar
subdesarrollo y recursos inexplotados que traerían muchos beneficios.
RECOMENDACIONES
-Se recomienda que antes de un sistema solar tener en cuenta diferentes factores como lo es
la localización en donde se va a instalar y que se necesita para su buen funcionamiento.
-Se recomienda informar a la comunidad las leyes y programas que promueven y
financian, en Colombia, el uso y desarrollo de los sistemas solares fotovoltaicos y
de energía renovables no convencionales, para que así mismo las personas tengan acceso a
ellas.
- Se recomienda la elaboración de estudios de sistemas de mayor potencia
conectados a las redes de energía públicas; sistemas fotovoltaicos tipo “On Grid”.
- Se recomienda la elaboración de estudios técnico – económicos comparativos
entre los diferentes proveedores y tecnologías de paneles solares, baterías,
reguladores y de inversores solares.
REGISTRO FOTOGRAFICO
Ilustración 21: Cocina
Ilustración 22: Galpón
Ilustración 23: Entrada vivienda
Ilustración 24: Cocina de leña
ANEXOS
Ilustración 25:Plano de la finca
Ilustración 26: Plano del sistema fotovoltaico
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