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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE SANTIAGO
UTESA Área de Ingeniería y Arquitectura
Carrera de Ingeniería Eléctrica
DISEÑO DE UN SISTEMA DE ENERGÍA SOLAR PARA EL
ALUMBRADO DEL RECINTO DE UTESA, PUERTO PLATA EN EL
AÑO 2012
Monografía para optar por el título de
Ingenieros Eléctricos
PRESENTADA POR:
JOSUE DAVID SILVERIO ULLOA
PLINIO JOSÉ BIERD
ASESORES:
JOSÉ A. LAGOMBRA, MA
BERNARDO RODRÍGUEZ
San Felipe de Puerto Plata
República Dominicana
Abril, 2012
INDICE
RESUMEN
INTRODUCCIÓN
CAPÍTULO I: UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE SANTIAGO
1.1 Origen y evolución de la Universidad Tecnológica de Santiago
1.2 Estructura Organizacional
1.3 Filosofía
1.4 Misión, visión, valores y objetivos de UTESA
1.5 Recintos y extensiones de UTESA
CAPÍTULO II: SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA
ELÉCTRICA COMO ENERGÍAS RENOVABLES
2.1 Concepto de Energía Renovable
2.2 Características de la Energía Solar
2.3 Tipos de energía renovable
2.3.1 Energía Solar Fotovoltaica
2.3.2 Energía solar térmica a alta temperatura
2.3.3 Energía Eólica
2.3.4 Energía Geotérmica
2.3.5 Energía Hidroeléctrica
2.3.6 Energía Biomasa
2.4 Conversión de la luz solar en energía eléctrica
2.4.1 La celda solar
2.4.2 Tipos de celdas solares fotovoltaicas
2.4.3 Paneles solares
CAPÍTULO III: FACTORES A TENER EN CUENTA PARA EL
DISEÑO DEL SISTEMA SOLAR PARA UTESA,
RECINTO PUERTO PLATA
3.1 Consumo de energía eléctrica
3.2 Instalación actual del sistema eléctrico en el recinto
3.3 Tipo de energía solar a instalar
3.4 Diseño de un sistema fotovoltaico autónomo
3.4.1 Aspectos generales
3.4.2 Dimensionado de los paneles
3.4.3 Pérdidas
3.4.4 Estructura del soporte mecánica para el generador
3.4.5 Sistema de almacenamiento
3.4.6 Regulador de carga
3.4.7 Cableado
CAPÍTULO IV: PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE LOS
RESULTADOS
4.1 Matriz de variables e indicadores del estudio
4.2 Interpretación del instrumento aplicado al Encargado de
Mantenimiento de UTESA recinto Puerto Plata
HALLAZGOS
CONCLUSIONES
RECOMENDACIONES
APÉNDICE
BIBLIOGRAFIA
RESUMEN
El sector de la energía en la República Dominicana ha sido
tradicionalmente, y todavía lo es, un cuello de botella para el crecimiento
económico del país. Una prolongada crisis eléctrica e ineficaces medidas
correctivas han llevado a un círculo vicioso de apagones habituales, altos
costos operativos de las compañías de distribución, grandes pérdidas
(incluyendo robo de electricidad a través de conexiones ilegales), elevadas
tarifas minoristas para cubrir estas ineficiencias, bajas tasas de cobro de
boletas, una significativa carga fiscal para el gobierno a través de subsidios
directos e indirectos, y costos muy altos para los consumidores, ya que
muchos dependen de una electricidad alternativa autogenerada muy costosa.
Según el Banco Mundial, la revitalización de la economía dominicana
depende en gran medida de una importante reforma del sector.
La mayor parte de la generación de electricidad en la República
Dominicana proviene de fuentes térmicas. Sólo el 14% de la capacidad
instalada es hidroeléctrica y, si se toma en cuenta toda la autogeneración
térmica, este porcentaje desciende al 9%. La explotación de otros recursos
renovables (es decir, solar y Energía eólica|eólico) es muy limitada. Sin
embargo, en el año 2007 se promulgó la Ley 57-07 de incentivo a las Energías
Renovables y Regímenes Especiales tomando en consideración que las
energías y combustibles renovables representan un potencial para contribuir y
propiciar, en gran medida, el impulso del desarrollo económico regional, rural
y agroindustrial del país.
A partir de la problemática relacionada a la energía eléctrica, se plantea
el desarrollo del uso de energía renovable en la Universidad Tecnológica de
Santiago (UTESA) recinto Puerto Plata, a través de un sistema de energía
fotovoltaico solar aislado, que pueda cubrir la demanda energética del plantel
educativo.
La importancia de esta investigación reside en que en los últimos años,
la demanda energética ha crecido a un ritmo acelerado e imparable al tiempo
que baja la eficiencia y aumentan descontroladas las emisiones de gases de
efecto invernadero, pues se vive en una sociedad que está regida por el
consumo de combustibles fósiles para satisfacer sus necesidades energéticas.
Es necesario desarrollar un nuevo sistema dirigido a utilizar energías
renovables, ya que se han convertido en una opción para el presente y futuro,
a la vez que son inagotables y limpias. Además, se pueden utilizar de forma
autogestionada, aprovechándose en el mismo lugar en que se producen, con la
ventaja de complementarse entre sí.
Tanto el Gobierno de República Dominicana como la industria
dominicana, deben fomentar el uso de energías renovables, además de las
hidroeléctricas, ya que los otros tipos de energías renovables tienen diversas
aplicaciones como: repetidores de radio o televisión, alumbrado público,
bombeo de agua, suministro de energía a viviendas rurales y/o urbanas, entre
otros.
Otra importancia de este estudio es que es necesario que las empresas,
en este caso la Universidad Tecnológica de Santiago en su recinto Puerto Plata
comience a planear la sustitución de la energía que recibe de las plantas
generadoras de energía en el país, por paneles solares fotovoltaicas que
contribuyan a la reducción de su consumo eléctrico, en especial en el
alumbrado, a alargar la vida útil de sus equipos eléctricos a la vez que
eficientizar el uso de las luces internas y externas y a disminuir el costo
energético.
La Universidad Tecnológica de Santiago UTESA, recinto Puerto Plata,
está ubicada en la Avenida Manolo Tavarez Justo, en la carretera Puerto Plata
– Santiago. Este recinto fue abierto en el año 1986 en las instalaciones de la
Escuela Antera Mota en la calle Beller esquina Dr. Zafra de esta ciudad.
Actualmente ofrece las carreras de: Administración de Empresas,
Administración de Empresas Turísticas, Contaduría Pública, Derecho,
Educación mención Ciencias Naturales, Educación, mención Ciencias
Sociales, Educación mención Letras Modernas, Educación mención
Matemática-física, Electrónica Digital Micro Computacional, Electricidad
Industrial, Ingeniería en Informática, Ingeniería Eléctrica, Mercadeo y
Psicología. Todas ellas se ofrecen a nivel técnico y profesional, excepto la
carrera de Derecho y Psicología que sólo se ofrecen a nivel profesional.
El objetivo general de esta investigación es diseñar un sistema solar
para el alumbrado del recinto UTESA Puerto Plata en el año 2012.
El tipo de estudio utilizado es exploratorio y descriptivo. Exploratorio
porque se averiguó todo lo que concierne sobre los sistemas solares, los
paneles solares, sus ventajas y desventajas para un plantel educativo; y
descriptivo, porque cada una de las variables e indicadores del estudio son
analizados individualmente con el propósito de lograr los objetivos
específicos planteados. Además este estudio es de tipo bibliográfico porque se
consultaron algunos libros sobre sistemas de energías renovables y energía
convencional así como también diseños previos e instalaciones realizadas que
servirán de aporte teórico a este estudio; y de campo porque se recolectó
información de las fuentes primarias por lo que se utilizará una investigación
de campo en la Universidad Tecnológica de Santiago UTESA recinto Puerto
Plata al Encargado de Mantenimiento.
Un hallazgo importante de la investigación es que el entrevistado
considera que el espacio más apropiado para instar el sistema solar en el
recinto de UTESA en Puerto Plata es el techo del edificio principal, ya que
tiene amplitud, está bien iluminado y cuenta con la seguridad que contribuyen
a que el sistema solar sea más efectivo.
Se reveló que el consumo por día en UTESA, reciento Puerto Plata es
de 647.74 kwh lo que equivale a un consumo de energía mensual de 20,080
kwh.
Otra revelación del estudio es que estas instalaciones fotovoltaicas a
instalarse en UTESA, recinto Puerto Plata requieren un mantenimiento
mínimo y sencillo, que se reduce a los paneles que requieren un
mantenimiento nulo o muy escaso, debido a su propia configuración. De igual
forma, la investigación reveló que las baterías deben tener capacidad, un
régimen de carga y descarga, la tensión o voltaje necesario y una vida útil para
operar en determinadas condiciones, manteniendo la capacidad y el nivel de
rendimiento.
Se concluye que la Universidad Tecnológica de Santiago UTESA,
recinto Puerto Plata está generando un promedio de consumo de electricidad
mensual por 17,490 kwh, lo que confirma la necesidad de instalar un sistema
solar para reducir este consumo de energía y lograr una mayor eficiencia en
los equipos eléctricos instalados.
El sistema solar a instalar en UTESA tendrá un generador solar,
compuesto por un conjunto de paneles fotovoltaicos, que captan la radiación
luminosa procedente del sol y la transforman en corriente continúa a baja
tensión (12 ó 24 V); un regulador de carga, cuya misión es evitar sobrecargas
o descargas excesivas al acumulador, que le produciría daños irreversibles.
Por último se concluye que la inversión total que debe hacer la
Universidad Tecnológica de Santiago UTESA en el recinto de Puerto Plata
pata la instalación del sistema solar es de RD$5,584,139.26, que incluye
baterías, paneles, controladores, inversores, brakes y cableado en general.
INTRODUCCION
Las energías renovables han constituido una parte importante de la
energía utilizada por los humanos desde tiempos remotos, especialmente la
solar, la eólica y la hidráulica. La navegación a vela, los molinos de viento o
de agua y las disposiciones constructivas de los edificios para aprovechar la
energía solar, son buenos ejemplos de ello. Con el invento de la máquina de
vapor, por James Watt, se fueron abandonando estas formas de
aprovechamiento, por considerarse inestables en el tiempo y caprichosas,
utilizándose cada vez más los motores térmicos y eléctricos, en una época en
la que el escaso consumo, no hacía prever un agotamiento de las fuentes, ni
otros problemas ambientales que más tarde se presentaron.
Según señala la Superintendencia de Electricidad (2009),
aproximadamente 400.000 hogares rurales en República Dominicana carecen
de acceso a la red eléctrica. La demanda creciente de electricidad en todo el
país, especialmente en las áreas rurales pobres, ha originado la búsqueda de
fuentes alternativas de energía. Gracias a un proyecto nacional, financiado por
el gobierno nacional y el Programa de Pequeños Subsidios del Programa de
las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD), y con entrenamiento
otorgado por organizaciones locales, más de 600 hogares rurales en 18
provincias están empleando energía solar para generar electricidad para
televisores, radios y bombillos. El proyecto brinda entrenamiento
especializado y crea microempresas para vender, instalar y mantener los
sistemas fotovoltaicos.
Una de las justificaciones para llevar a cabo esta realización es que la
energía solar tiene muchas ventajas al compararla con los combustibles fósiles
como el queroseno y el diesel. Dentro de estas ventajas está que estos sistemas
no contaminan, no perjudican al ambiente y por lo tanto ayudan a disminuir el
daño del "efecto invernadero" en la atmósfera.
Con la instalación del sistema solar en UTESA, recinto Puerto Plata
puede ayudar a mejorar la salud, pues los gases que expelen las lámparas de
queroseno representan un problema para la salud en todas las partes del
mundo donde no existe luz eléctrica. Asimismo, uno de las ventajas que
tendrá la institución es que se amplían las horas útiles del día, pues se puede
ver después de que se pone el sol, además de la seguridad que representa la
energía solar no así las lámparas de queroseno, que pueden producir incendios
con facilidad, los cuales matan o hieren a decenas o miles de personas cada
año. Igualmente, el queroseno, diesel o gasolina almacenados también
representan una amenaza a la seguridad.
La relevancia práctica de esta investigación es que UTESA tendrá el
presupuesto y las especificaciones para instalar el sistema solar para ahorrar
energía de manera efectiva, porque ahorra la energía convencional costosa
para que se use en áreas urbanas, comerciales e industriales a la vez que
reduce su costo ya que los generadores diesel necesitan mantenimiento
periódico y tienen una vida útil corta. En cambio, los paneles solares no
necesitan combustible, duran 25 años y el mantenimiento es mínimo.
La relevancia teórica de esta investigación se fundamenta en que no
existen muchos estudios al respecto dirigidos a la instalación de un sistema
solar en las universidades del país, en específico en UTESA, por lo que los
resultados que se obtengan servirán de fuentes bibliográficas y de consultas.
El objetivo general es diseñar un sistema solar para el alumbrado del
recinto UTESA Puerto Plata en el año 2012. De ahí se desprenden los tres (3)
objetivos específicos:
1. Identificar las características del área, ubicación, potencia y tamaño del
sistema de energía solar para reducir el consumo de la energía eléctrica del
recinto UTESA Puerto Plata.
2. Analizar los componentes principales de los sistemas de energía solares
para reducir el consumo de energía eléctrica.
3. Exponer las ventajas que representa para UTESA instalar el sistema de
paneles solares.
Esta investigación se delimita al planteamiento de un diseño de sistema
solar para el recinto de Puerto Plata de la Universidad Tecnológica de
Santiago la cual está ubicada en la Avenida Manolo Tavarez Justo, en la
carretera Puerto Plata – Santiago. En cuanto al espacio, este diseño se hace en
el año 2012.
La población de esta investigación es el Encargado de Mantenimiento
de la UTESA, recinto Puerto Plata, a quien se le aplicó un cuestionario con 3
preguntas de selección múltiples.
No se tuvo ninguna limitación para el desarrollo de esta investigación,
que se dividió en cuatro capítulos:
En el capítulo I se presenta los aspectos generales de la Universidad
Tecnológica de Santiago (UTESA), origen y evolución, estructura
organizacional, filosofía, misión, visión y valores así como también la
presentación de los recintos y extensiones.
En el capítulo II se trata del sistema de generación de energía eléctrica
como energía renovable, concepto, características, tipos de energía renovable
y la conversión de la luz solar.
En el capítulo III se presenta los factores a tener en cuenta para el
diseño del sistema solar en UTESA, consumo de energía, instalación actual
del sistema eléctrico en el recinto académico y el diseño del sistema
fotovoltaico.
En el capítulo IV se presenta la matriz de las variables e indicadores del
estudio y la interpretación del instrumento aplicado al Encargado de
Mantenimiento de UTESA.
CAPÍTULO I: UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE SANTIAGO
La Universidad Tecnológica de Santiago (UTESA) es una institución
académica que imparte docencia a nivel superior. El presente capítulo
pretende dar a conocer los datos más importantes de la Universidad
Tecnológica de Santiago (UTESA), recinto Puerto Plata, tales como su origen
y evolución, filosofía, misión, visión y valores, entre otros aspectos.
1.1 Origen y evolución de la Universidad Tecnológica de Santiago
La Universidad Tecnológica de Santiago (UTESA), surge como
resultado de la interpretación de un grupo de profesionales que visualizaron la
necesidad de un nuevo orden educativo en un momento en el que el país
requería de un personal calificado en las áreas técnicas y profesionales. Como
respuesta a estas necesidades, amparada por la Junta Fundadora y en sus
Reglamentos Académicos, el 12 de noviembre de 1974 inicia sus labores
formales esta Institución Educativa, adquiriendo su personería jurídica el 19
de abril de 1976, mediante decreto del Poder Ejecutivo No. 1944.
El carácter tecnológico con que fue concebida orientó la creación de
carreras de nivel técnico, vinculadas a las Ciencias Económicas y Sociales.
Abierta, desde sus inicios, a una población que ya estaba inserta en los
diferentes sectores productivos de la Región, fue la primera Universidad
privada de la República Dominicana en ofrecer un horario nocturno.
El 17 de junio de 1978, mediante el Decreto 3432 del Poder Ejecutivo,
recibe la autorización para expedir títulos académicos con la misma fuerza y
validez que los de otras Instituciones oficiales o autónomas de igual categoría.
En el año 1979, respondiendo a las nuevas demandas, se amplía su oferta
curricular; para el desarrollo de la Carrera de Ciencias de la Salud, con el
asesoramiento de las Universidades Norteamericanas de Ohio, Carolina del
Sur y Grenada.
En 1983, la Universidad Tecnológica de Santiago, establece su primera
extensión en la ciudad de Santo Domingo de Guzmán. A partir de esa
experiencia, se inician gestiones para crear nuevas extensiones en otros puntos
del país; efectivamente, en 1986, accediendo a las demandas de
personalidades representativas de cada lugar, se abren los Recintos de Mao,
Moca y Puerto Plata.
Actualmente UTESA, en un proceso de crecimiento permanente, está
recibiendo cada cuatrimestre un promedio de 5,000 estudiantes nuevos entre
la Sede Central y los cuatro Recintos: Santo Domingo, Mao, Moca y Puerto
Plata. En cuanto al número de docentes, la Universidad ha ido
experimentando un crecimiento constante, acercándose en la actualidad a los
1,000 profesores, la mayoría de los cuales han realizado estudios de
postgrado. Las estadísticas anteriores convierten a la Universidad Tecnológica
de Santiago, UTESA, en la Universidad privada más grande del país.
Para el logro de los propósitos definidos en los programas académicos,
la Universidad se integra a los organismos nacionales e internacionales que
agrupan a las instituciones de enseñanza superior en la Región y en el plano
mundial entre los que se destacan Asociación Dominicana de Universidades
(ADOU), Universidades del Caribe (UNICA), La Unión de Universidades de
América Latina (UDUAL), la Asociación Panamericana de Universidades, El
Consejo Universitario Interamericano para el Desarrollo Económico y Social
(CUIDES), La Asociación Universitaria Iberoamericana de Postgrado (AUIP),
La Asociación Internacional de Presidentes de Universidades (IAUP), entre
otras.
En 1983 se crea la Unidad Universidad-Empresa, desarrollando los
siguientes proyectos: Procesadora de Cárnicos (PRODECAR-UTESA),
Agropecuaria de Investigación y Desarrollo Universitario (AIDU-UTESA),
Granja Avícola de Investigación y Desarrollo (GAIDU-UTESA), Centro de
Servicios Especializados (CEDESE). Además, se apertura para la Sede y los
Recintos la Escuela de Idiomas Utesa English School (UES) y el Colegio
Utesiano de Estudios Integrados (CUEI-UTESA).
A partir de 1992, UTESA con los auspicios del Banco Interamericano
de Desarrollo y la Fundación APEC de Crédito Educativo, FUNDAPEC
amplía su oferta curricular dando inicio a la Escuela de Tecnología e
Ingeniería que funciona en la Sede de Santiago de los Caballeros y los
Recintos de Santo Domingo de Guzmán y Puerto Plata.
En 1996, se firma el convenio con la Universidad de Houston
ClearLake con el cual se da inicio al programa académico internacional 2+2.
1.2 Estructura Organizacional
Su estructura interna está integrada por los siguientes puestos: Rectoría,
Vicerrectorías Académicas y Recintos, Dirección de Recintos, Coordinación
Académica, Dirección de Carreras, Direcciones, Admisiones, Registro y
Cómputos, Admisiones, Dirección de Registro, Dirección de Cómputos,
Departamento de Educación Continuada (CEDESE), Dirección Departamento
de Orientación, Dirección de Biblioteca, Dirección Departamentos de
Investigación y Profesores.
1.3 Filosofía
La Universidad Tecnológica de Santiago fue fundada para fomentar los
ideales democráticos de nuestra comunidad, ofreciendo amplias oportunidades
para una Educación Superior a todas las personas, independientemente de su
condición religiosa, racial, política, económica o social. UTESA está abierta a
aquellas personas con aspiraciones de superación personal y profesional que,
por su situación económica y familiar, tendrían dificultades para alcanzar un
título profesional en una Universidad tradicional. UTESA estimula a sus
estudiantes para que aspiren a todo lo que sus capacidades les permitan,
haciendo hincapié en la calidad, en el desarrollo de su personalidad y de su
responsabilidad social.
1.4 Misión, visión, valores y objetivos de UTESA
Misión
Buscar soluciones científicas a los desafíos que enfrenta el pueblo
dominicano y su entorno global, y formar profesionales líderes, dotados de
principios éticos, humanísticos y cristianos, necesarios para el desarrollo
material y espiritual de la sociedad, manteniendo el carácter de espacio abierto
para la libre discusión de las ideas.
Visión
Ser una institución de educación superior apegada al humanismo
cristiano, de referencia nacional y regional por la calidad y pertinencia de su
quehacer y con programas acreditados internacionalmente.
Objetivos Generales
• Formar técnicos y profesionales para que actúen con idoneidad moral e
intelectual en su profesión y en su vida pública y privada.
• Orientar a la ciudadanía para que contribuya al desarrollo integral de la
Nación, a la preservación de los recursos naturales y a la conservación
de nuestro patrimonio cultural.
• Fomentar el conocimiento y la cultura con miras a elevar el nivel
educativo de nuestra comunidad.
• Difundir la investigación y la enseñanza científica, orientadas hacia la
problemática dominicana.
• Estimular al estudio de nuestra realidad, presentando planteamientos de
posibles alternativas y soluciones a los problemas nacionales.
• Promover una experiencia educacional investigativa, cultural y efectiva
al individuo y a la comunidad para que obtenga una visión objetiva y
clara de su ser hombre y de la realidad histórica en la que se inscribe.
• Evaluar el crecimiento técnico-científico, confrontándolo con la
realidad en una práctica transformadora.
• Difundir, a través de sus instrumentos de desarrollo, un auténtico
humanismo altruista, para que la comunidad cambie sus actitudes y
costumbres individualistas
1.5 Recintos y extensiones de UTESA
La Universidad Tecnológica de Santiago (UTESA) tiene su sede
principal en Santiago de los Caballeros y sucursales en diferentes provincias
del país. Los recintos están ubicados en:
Distrito Nacional, Recinto Santo Domingo de Guzmán
Puerto Plata, Recinto Puerto Plata
Valverde, Recinto Mao
Espaillat, Recinto Moca
CAPÍTULO II: SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA
ELÉCTRICA COMO ENERGÍAS RENOVABLES
La energía solar tiene muchas ventajas al compararla con los
combustibles fósiles como el queroseno y el diesel. Dentro de estas ventajas
está que estos sistemas no contaminan, no perjudican al ambiente y por lo
tanto ayudan a disminuir el daño del "efecto invernadero" en la atmósfera. Las
energías renovables han constituido una parte importante de la energía
utilizada por los humanos desde tiempos remotos, especialmente la solar, la
eólica y la hidráulica. La navegación a vela, los molinos de viento o de agua y
las disposiciones constructivas de los edificios para aprovechar la energía
solar, son buenos ejemplos de ello.
2.1 Concepto de Energía Renovable
La energía renovable es la energía que se obtiene de fuentes naturales
virtualmente inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que
contienen, o porque son capaces de regenerarse por medios naturales. Entre
las energías renovables se cuentan la hidroeléctrica, eólica, solar, geotérmica,
maremotriz, la biomasa y los biocombustibles.
Hasper (2006) define a las energías renovables como aquellas que se
producen de forma continua y son inagotables a escala humana: solar, eólica,
hidráulica, biomasa y geotérmica.
Otra definición es la que presenta Irwin (2003) quien señala que las
energías renovables son energías limpias que contribuyen a cuidar el medio
ambiente. Frente a los efectos contaminantes y el agotamiento de los
combustibles fósiles, las energías renovables son ya una alternativa. Energía
solar, eólica, biomasa, energía geotérmica, energía hidroeléctrica, hidrógeno,
energía de los océanos entre otras.
Joachi (2008) indica que se llama energías renovables a las energías que
provienen de la naturales, y son virtualmente inagotables, por la inmensa
cantidad de energía que poseen y porque tienen la particularidad de renovarse
por los medios naturales.
2.2 Características de la Energía Solar
La energía solar tiene las siguientes características:
❖ Es renovable (aunque el sol se terminará algún día, esto será mucho
tiempo después de la era de la humanidad)
❖ Es infinita (tu puedes ocupar tanta cuanta necesites, que siempre podrás
usarla)
❖ Se puede usar todo el año en el horario solar (12 horas de sol al día
dependiendo del lugar en donde estés)
❖ No produce impacto ambiental, es decir, es limpia
❖ La puedes transformar en energía eléctrica
2.3 Tipos de energía renovable
Existe una gran variedad de energías renovables, de las que se pueden
obtener diferentes tipos de energía: energía eléctrica, energía térmica y
biocarburantes. En esta investigación solamente se mencionarán las energías
renovables de aplicación eléctrica, describiendo brevemente en qué consiste
cada una de ellas.
Energía de Biogás: se obtiene a partir del combustible gaseoso producido que
se genera a través partir de la biomasa o a partir de la fracción biodegradable
de los residuos. Mediante diferentes procesos puede ser purificado hasta
alcanzar una calidad que se asemeja a la del gas natural, y puede ser usado
como combustible, biocarburante o gas de madera.
Energía de Biomasa: se obtiene de la biodegradación de los productos, y
residuos de origen biológico (tanto de origen vegetal y de origen animal), o de
residuos industriales y municipales y de los combustibles sólidos recuperados.
La generación de energía eléctrica a partir de biomasa puede realizarse de
distintas maneras:
• Centrales de biomasa para la producción exclusiva de electricidad.
• Centrales de cogeneración de biomasa que producen electricidad y
calor.
• Centrales térmicas convencionales (de co-combustión), en las que la
biomasa sustituye parte del combustible fósil.
Energía del mar: energía que engloba el aprovechamiento energético de
mares y océanos. Según sea que aprovecha las olas se denomina undimotriz, o
maremotriz si proviene de las mareas. Energía Eólica: es la energía cinética
(del movimiento) contenida en las masas de aire en la atmósfera. Se capta a
través de turbinas eólicas.
Energía Geotérmica: energía almacenada en forma de calor bajo la
superficie terrestre, que se obtiene a través de yacimientos de alta temperatura
(superiores a los 100-150ºC).
Energía Hidroeléctrica: se obtiene a través de centrales hidroeléctricas o
mini hidroeléctricas, a través de la transformación de la energía mecánica de
un curso de agua.
Energía Solar: se obtiene de la radiación solar. Hay dos diferentes tipos de
energía solar:
Energía Solar fotovoltaica: captado por células solares que, por el efecto
fotovoltaico, genera corriente eléctrica, la cual es almacenada en baterías o se
inyecta en la red y distribución eléctrica.
Energía Solar termoeléctrica: utiliza la radiación solar en forma directa para
calentar un fluido que genera vapor para accionar una turbina generadora de
electricidad.
2.3.1 Energía Solar Fotovoltaica
La energía solar fotovoltaica es un tipo de electricidad renovable
(energía eléctrica, -voltaica) obtenida directamente de los rayos del sol (foto-)
gracias a la foto-detección cuántica de un determinado dispositivo;
normalmente una lámina metálica semiconductora llamada célula fotovoltaica,
o una deposición de metales sobre un sustrato llamada capa fina. También
están en fase de laboratorio métodos orgánicos.
Esta energía se usa para alimentar innumerables aparatos autónomos,
para abastecer refugios o casas aisladas y para producir electricidad para redes
de distribución. Estos están formados por un cristal o lámina transparente
superior y un cerramiento inferior entre los que queda encapsulado el sustrato
conversor y sus conexiones eléctricas. La lámina inferior puede ser
transparente, pero lo más frecuente es un plástico al que se le suelen añadir
unas láminas finas y transparentes que se funden para crear un sellado
antihumedad, aislante, transparente y robusto.
La corriente eléctrica continua que proporcionan los módulos
fotovoltaicos se puede transformar en corriente alterna mediante un aparato
electrónico llamado inversor e inyectar en la red eléctrica, operación
actualmente sujeta a subvenciones en muchos lugares para una mayor
viabilidad.
Román (2007) señala que el proceso, simplificado para generar la
energía fotovoltaica sería el siguiente esquema: Se genera la energía a bajas
tensiones (380-800 V) y en corriente continua. Luego se transforma con un
inversor en corriente alterna. Mediante un centro de transformación se eleva a
Media tensión (15 ó 25 kV) y se inyecta en las redes de transporte de la
compañía.
En entornos aislados, donde se requiere poca potencia eléctrica y el
acceso a la red es difícil, como estaciones meteorológicas o repetidores de
comunicaciones, se emplean las placas fotovoltaicas como alternativa
económicamente viable. Para comprender la importancia de esta posibilidad,
conviene tener en cuenta que aproximadamente una cuarta parte de la
población mundial no tiene acceso a la energía eléctrica.
2.3.2 Energía solar térmica a alta temperatura
El término “energía solar térmica de concentración”, traducción directa
del inglés Concentrating Solar Power o Solar Thermal Power engloba
diferentes tecnologías y aplicaciones. Este tipo de tecnologías, en el rango de
temperaturas superiores a 300°C, contempla, asimismo, otros usos tales como
síntesis y/o tratamiento superficial de materiales en hornos solares, producción
de hidrógeno, combustibles solares, aportación de calor industrial, incluso,
experimentos astrofísicos.
2.3.3 Energía Eólica
La energía eólica es la energía obtenida de la fuerza del viento, es decir,
mediante la utilización de la energía cinética generada por las corrientes de
aire. Se obtiene a través de una turbinas eólicas son las que convierten la
energía cinética del viento en electricidad por medio de aspas o hélices que
hacen girar un eje central conectado, a través de una serie engranajes (la
transmisión) a un generador eléctrico.
El término eólico viene del latín Aeolicus (griego antiguo Αἴολος /
Aiolos), perteneciente o relativo a Éolo o Eolo, dios de los vientos en la
mitología griega y, por tanto, perteneciente o relativo al viento. La energía
eólica ha sido aprovechada desde la antigüedad para mover los barcos
impulsados por velas o hacer funcionar la maquinaria de molinos al mover sus
aspas. Es un tipo de energía verde.
La energía del viento está relacionada con el movimiento de las masas
de aire que desplazan de áreas de alta presión atmosférica hacia áreas
adyacentes de baja presión, con velocidades proporcionales (gradiente de
presión). Por lo que puede decirse que la energía eólica es una forma no-
directa de energía solar, las diferentes temperaturas y presiones en la
atmósfera, provocadas por la absorción de la radiación solar, son las que
ponen al viento en movimiento. La energía eólica supone una evidente
contribución al auto abastecimiento energético. A pesar de que las ventajas
medioambientales de la energía eólica son incuestionables, y de que existe un
amplio consenso en nuestra sociedad sobre el alto grado de compatibilidad
entre las instalaciones eólicas y el respeto por el medio ambiente, son muchos
los que consideran que la instalación concreta de un parque eólico puede
producir impactos ambientales negativos, que dependerán del emplazamiento
elegido. Aunque muchas de ellas se encuentran en emplazamientos
reservados.
2.3.4 Energía Geotérmica
La energía geotérmica es aquella energía que puede obtenerse mediante
el aprovechamiento del calor del interior de la Tierra. El calor del interior de
la Tierra se debe a varios factores, entre los que cabe destacar elgradiente
geotérmico, el calor radiogénico, etc. Geotérmico viene
del griegogeo (Tierra), y thermos (calor); literalmente "calor de la Tierra".
2.3.5 Energía Hidroeléctrica
Se denomina energía hidráulica o energía hídrica a aquella que se
obtiene del aprovechamiento de las energías cinética y potencial de la
corriente del agua, saltos de agua o mareas. Es un tipo de energía verde
cuando su impacto ambiental es mínimo y usa la fuerza hídrica sin represarla,
en caso contrario es considerada sólo una forma de energía renovable.
Se puede transformar a muy diferentes escalas, existen desde hace
siglos pequeñas explotaciones en las que la corriente de un río mueve un rotor
de palas y genera un movimiento aplicado, por ejemplo, en molinos rurales.
Sin embargo, la utilización más significativa la constituyen las centrales
hidroeléctricas de represas, aunque estas últimas no son consideradas formas
de energía verde por el alto impacto ambiental que producen.
Cuando el Sol calienta la Tierra, además de generar corrientes de aire,
hace que el agua del mar, principalmente, se evapore y ascienda por el aire y
se mueva hacia las regiones montañosas, para luego caer en forma de lluvia.
Esta agua se puede colectar y retener mediante presas. Parte del agua
almacenada se deja salir para que se mueva los álabes de una turbina
engranada con un generador de energía eléctrica.
2.3.6 Energía Biomasa
La formación de biomasa a partir de la energía solar se lleva a cabo por
el proceso denominado fotosíntesis vegetal que a su vez es desencadenante de
la cadena biológica. Mediante la fotosíntesis las plantas que contienen
clorofila, transforman el dióxido de carbono y el agua de productos minerales
sin valor energético, en materiales orgánicos con alto contenido energético y a
su vez sirven de alimento a otros seres vivos. La biomasa mediante estos
procesos almacena a corto plazo la energía solar en forma de carbono. La
energía almacenada en el proceso fotosintético puede ser posteriormente
transformada en energía térmica, eléctrica o carburantes de origen vegetal,
liberando de nuevo el dióxido de carbono almacenado.
En todos estos procesos hay que analizar algunas características a la
hora de enjuiciar si el combustible obtenido puede considerarse una fuente
renovable de energía:
2.4 Conversión de la luz solar en energía eléctrica
2.4.1 La celda solar
Una celda solar o celda fotovoltaica es un instrumento que genera
electricidad directamente de la luz visible, debido al efecto fotovoltaico
La conversión directa de la luz solar en energía eléctrica se consigue
mediante las celdas solares, por un proceso llamado efecto fotovoltaico (FV).
Para comprender este efecto, se considera a continuación la forma en que se
construyen las celdas solares y los procesos internos que permiten la
generación de una corriente eléctrica a partir de la radiación solar incidente
sobre dichas celdas.
La celda solar posee una estructura similar a la de un diodo, y como tal,
los principales componentes que conforman su estructura interna son los
materiales semiconductores. Están compuestas básicamente por una capa de
semiconductor tipo N y otra capa de semiconductor tipo P.
Los materiales en general pueden clasificarse en conductores, aislantes
y semiconductores, de acuerdo con su conductividad eléctrica. La
conductividad eléctrica indica el grado de movilidad que presentan los
electrones dentro de una sustancia específica.
Los materiales semiconductores presentan características intermedias
entre conductores y aislantes, el nivel de energía necesario para que los
electrones crucen la banda prohibida en estas sustancias es mayor que el
necesario en un conductor pero no tan elevado como en el caso de un aislante.
El salto de energía entre una banda y otra en un semiconductor es pequeño,
por lo que suministrando energía pueden conducir la electricidad y su
conductividad puede regularse, puesto que basta disminuir la energía aportada
para que sea menor el número de electrones que salte a la banda de
conducción; cosa que no puede hacerse con los metales, cuya conductividad
es constante o poco variable con la temperatura.
2.4.2 Tipos de celdas solares fotovoltaicas
Las celdas solares de silicio se elaboran utilizando planchas
monocristalinas, planchas policristalinas o láminas delgadas. Se unen capas de
silicio tipo p y silicio tipo n, a través de una capa de barrera, que es esencial
para el efecto fotovoltaico.
Las planchas monocristalinas se cortan de un lingote monocristalino
que se desarrolla a aproximadamente 1400°C, lo que resulta en un proceso
muy costoso. El silicio debe ser de una pureza muy elevada y tener una
estructura cristalina casi perfecta. Las planchas policristalinas se realizan por
un proceso de moldeo en el cual el silicio fundido es vertido en un molde y se
lo deja asentar. Entonces se rebana en planchas. Como las planchas
policristalinas son hechas por moldeo implican menores costos de producción,
pero no son tan eficientes como las celdas monocristalinas. El rendimiento
más bajo se debe a las imperfecciones en la estructura cristalina, resultado del
proceso de moldeo.
El otro tipo corresponde a las células amorfas. Como su nombre lo
indica, estas células no poseen una estructura cristalina. Precisamente esa
simplificación en la estructura conduce a un abaratamiento drástico de las
mismas.
Es un hecho que cuando más se aleja la técnica de fabricación de una
célula FV de la estructura cristalina pura, más defectos estructurales
aparecerán en la sustancia semiconductora, los que aumentan la cantidad de
cargas libres que son atrapadas, disminuyendo la eficiencia de conversión.
Otro tipo de celda existente en el mercado considera el hecho de que en
el semiconductor empleado en la construcción de la misma, se generan cargas
libres a partir de solo una parte del espectro luminoso (aquella cuya frecuencia
y energía es igual o mayor a la energía de función de trabajo 6 del material de
la celda). Es por esto que algunas celdas solares se diseñan con multijunturas.
Es decir, un conjunto de celdas individuales de distintos materiales, con una
sola juntura, que se apilan de forma que la primera celda captura los fotones
de alta energía y deja pasar el resto, para que sean absorbidos por las demás
células que requieren niveles de energía más bajos. Esto permite aumentar la
eficiencia de conversión pero aumenta los costos de producción.
2.4.3 Paneles solares
Joachi (2008) define un panel solar como un módulo que aprovecha
la energía de la radiación solar. El término comprende a los colectores
solares utilizados para producir agua caliente (usualmente doméstica) y a
los paneles fotovoltaicos utilizados para generar electricidad.
Hasper (2006) señala que los paneles fotovoltaicos: están formados por
numerosas celdas que convierten la luz en electricidad. Las celdas a veces son
llamadas células fotovoltaicas, del griego "fotos", luz. Estas celdas dependen
del efecto fotovoltaico por el que la energía luminosa produce cargas positiva
y negativa en dos semiconductores próximos de diferente tipo, produciendo
así un campo eléctrico capaz de generar una corriente.
Los paneles fotovoltaicos, además de producir energía que puede
alimentar una red eléctrica terrestre, pueden emplearse en vehículos
eléctricos y barcos solares. Lo mejor de estas técnicas se reúne en
competiciones como la Solar Splash1 en América del Norte, o la Frisian Nuon
Solar Challenge2 en Europa.
Los paneles tienen una placa receptora y tubos por los que circula
líquido adheridos a ésta. El receptor (generalmente recubierto con una capa
selectiva utilizado o almacenado). El líquido calentado es bombeado hacia un
aparato intercambiador de energía (una bobina dentro del compartimento de
almacenado o un aparato externo) donde deja el calor y luego circula de vuelta
hacia el panel para ser recalentado. Esto provee una manera simple y efectiva
de transferir y transformar la energía solar.
CAPÍTULO III: FACTORES A TENER EN CUENTA PARA EL
DISEÑO DEL SISTEMA SOLAR PARA UTESA,
RECINTO PUERTO PLATA
En este capítulo se presenta todo lo que corresponde a los factores que
se deben tener en cuenta para el diseño del sistema solar para UTESA, recinto
Puerto Plata. De igual forma, se presenta el consumo de energía de la
institución académica, la instalación actual del sistema eléctrico, así como el
tipo de energía solar a instalar en la universidad.
3.1 Consumo de energía eléctrica
A continuación consumo histórico de UTESA, desde Octubre 2010 a
Octubre 2011:
Mes Consumo Potencia
Octubre 2010 21920 00.115
Noviembre 2010 18800 00.088
Diciembre 2010 14320 00.086
Enero 2011 11760 00.071
Febrero 2011 18800 00.087
Marzo 2011 18880 00.087
Mayo 2011 16880 00.099
Junio 2011 14400 00.087
Julio 2011 18880 00.114
Agosto 2011 20080 00.104
Septiembre 2011 29720 00.109
Octubre 2011 22480 00.002
3.2 Instalación actual del sistema eléctrico en el recinto
En la actualidad, la Universidad Tecnológica de Santiago recinto Puerto
Plata cuenta con un sistema eléctrico
3.3 Tipo de energía solar a instalar
Se ha determinado que los tipos de paneles a instalar son en serie de 3
para 41 circuitos. Cada circuito se le colorará 41 Brake D.C. 45 amp.
Tipos de paneles: Kyocera Policristalino de 235 wp.
Cantidad: 123.
A cada circuito de paneles se le instará un brake DC de 15 amp.
Tipo de controlador: Xantrex XW MPPT de 60 amp – 1500. Cada uno
maneja 2800 w.
Cantidad: 10.
Cada controlador se instalará un Brake DC de 175 amp.
Tipo de inversor: Xantrex. 6KV A 48V
A cada inversor se le instalará un brake DC de 175 amp. Estos
inversores son híbridos. Transforma y directa. Su deficiencia es 0.95.
3.4 Diseño de un sistema fotovoltaico autónomo
Se describen a continuación los principales componentes de un sistema
fotovoltaico autónomo, sus funciones, así como las principales
especificaciones que se deben tener en cuenta para realizar la escogencia de
componentes que permitan un funcionamiento eficiente y confiable de dicho
sistema.
3.4.1 Aspectos generales
Se compone de uno o más módulos fotovoltaicos interconectados para
conformar una unidad generadora de corriente continua. Los módulos FV
deberán, preferiblemente estar certificados de acuerdo con la norma
internacional IEC-61215, o con la norma nacional utilizada en el país de
interés.
Los fallos que se presentan generalmente en sistemas FV no se asocian
al generador, sino a los otros componentes del sistema (baterías, regulador,
etc.). Por lo que se considera que este es uno de los componentes de más alta
fiabilidad. En algunos módulos, los fabricantes incluyen diodos de paso para
protegerlos contra el fenómeno de “punto caliente”. La probabilidad de que un
módulo FV sea dañado por este fenómeno es despreciable en sistemas CC de
menos de 24V, por lo que el uso de tales diodos es irrelevante en esos casos.
Es preferible la instalación de los módulos FV sobre pedestales o
paredes, que hacerlo sobre los tejados. Los montajes sobre pedestal o sobre
pared generalmente permiten más fácil acceso a los módulos, sin poner en
riesgo la estanqueidad del techo, y este tipo de instalación puede representar
un grado de libertad adicional cuando se buscan localizaciones sin sombras
para el generador fotovoltaico. Los montajes sobre tejados a veces permiten
reducir costos y, por lo tanto, también pueden ser aceptados, a condición de
dejar un espacio entre el techo y los módulos para que circule aire.
Los módulos fotovoltaicos con el mismo voltaje nominal pueden
conectarse en paralelo sin ninguna restricción, por lo tanto cuando se agranda
un generador fotovoltaico sólo es necesario verificar la sección de los cables y
la capacidad del regulador para manejar el nuevo valor de la corriente
máxima.
3.4.2 Dimensionado de los paneles
El tamaño del generador fotovoltaico debe asegurar que la energía
producida durante el peor mes pueda, como mínimo, igualar a la demandada
por la carga. Por lo que para dimensionar tanto los módulos como las baterías
de un sistema FV autónomo, es necesario conocer las cargas a conectar
(televisores, radios, etc.), la potencia nominal de cada una (P), el número de
aparatos de determinado tipo (n) y las horas diarias de funcionamiento (t).
Ahora, es necesario conocer la radiación solar diaria (H), medida en
KWh/m2/día para cada mes del año en función de la localización geográfica e
inclinación de los paneles y en base a datos estadísticos históricos de la zona.
Un concepto importante necesario para realizar el dimensionamiento de la
cantidad de paneles necesarios en la instalación es el número de horas pico
solares, HPS, que se refiere al número de horas diarias de luz solar
equivalentes referidas a una irradiancia constante I=1kWh/m2, a la cual se
mide siempre la potencia de los paneles.
Se determinó que la hora de sol en Puerto Plata es de 5.2 horas sol.
La cantidad de energía producida por un panel a lo largo de todo el día,
es equivalente a la energía que se produciría en las horas de pico solar si el
panel opera a su potencia máxima o nominal (Wp). Dicha potencia es el
principal parámetro que describe el funcionamiento del panel y la
especificación más importante en el dimensionamiento del generador FV.
3.4.3 Pérdidas
Las principales pérdidas que pueden generarse en el generador
fotovoltaico son debidas a sombras, temperatura de las celdas superior a los
25°C, elementos desparejos, pérdidas en cables, o diferencias significativas
entre el voltaje de operación y el del punto de máxima potencia. Estas
pérdidas pueden compensarse inicialmente mediante una instalación
cuidadosa, que permita una adecuada ventilación de los módulos y cables.
Debe buscarse además, que las características eléctricas de los módulos
empleados permitan una adecuada recarga de las baterías en las condiciones
climáticas particulares del lugar en que se instalan.
En cuanto a las pérdidas existe un 20% pero para recuperar esa pérdida
se aumentó la cantidad de paneles a instalar. También se tomó en cuenta los
días de lluvia y el consumo de noche. Se calculó 3 días de autonomía y
tiempo de recarga de autonomía es de dos días.
3.4.4 Estructura del soporte mecánica para el generador
Pueden emplearse diversos materiales para tales estructuras: aluminio,
acero inoxidable, hierro galvanizado o madera tratada, entre otros. La
estructura de soporte debe ser capaz de resistir un mínimo de 10 años expuesta
a la intemperie, sin que la corrosión o fatiga del material sea apreciable. Debe
también soportar vientos de altas velocidades (120 km/h).
Los módulos fotovoltaicos con marco deben fijarse a la estructura
únicamente mediante elementos de acero inoxidable. Las estructuras de
soporte estáticas son generalmente preferibles a las de seguimiento.
El diseño de la estructuras de soporte debe facilitar la limpieza de los
módulos fotovoltaicos y la inspección de las cajas de conexión. El montaje de
dichas estructuras debe preservar su resistencia a la fatiga, corrosión y efectos
del viento.
3.4.5 Sistema de almacenamiento
El sistema de almacenamiento en un sistema fotovoltaico está formado
por un conjunto de baterías, generalmente de plomo-ácido, que almacenan la
energía eléctrica generada durante las horas de radiación, para su utilización
posterior en los momentos de baja o nula insolación.
Una de las características más importante de un batería en una
instalación fotovoltaica es el ciclado. El ciclado diario se refiere a que la
batería se carga en el día y se descarga en la noche. Superpuesto a este ciclo
diario está el ciclo estacional que se asocia a periodos de reducida incidencia
de radiación.
Los principales parámetros que definen el funcionamiento de una
batería en un sistema FV son:
✓ El máximo valor de corriente que puede entregar a una carga fija, en
forma continua, durante un número específico de horas de descarga.
✓ Capacidad de almacenamiento de energía.
✓ Profundidad de descarga máxima
✓ La vida útil.
3.4.6 Regulador de carga
La función básica de este dispositivo es prevenir descargas y
sobrecargas de la batería. Se emplea además para proteger las cargas en
condiciones extremas de operación y brindar información al usuario. La
función de regulación de carga idealmente debería depender directamente del
estado de carga en la batería. Actualmente existen dispositivos que permiten
realizar esta función, pero son complejos y su elevado costo limita su uso en
sistemas FV domésticos. Los reguladores que se emplean generalmente
atienden el voltaje de la batería.
En la mayoría de los casos, el precio del regulador representa solamente
el 5% de la inversión inicial en el sistema FV. Pero su el costo que puede
representar a largo plazo es mucho mayor, debido a que las baterías pueden
ser el componente de mayor coste a lo largo de la vida útil del sistema, y la
duración de estas dependen directamente de la calidad del regulador del carga.
Por esa razón deben emplearse reguladores de carga de buena calidad y con
una vida útil superior a los 10 años
3.4.7 Cableado
Bajas tensiones y corrientes elevadas son característicos en sistemas
FV, por lo incluso caídas pequeñas de tensión tienden a ser significativas y
generan efectos negativos sobre la corriente entregada por el generador
fotovoltaico, la regulación de carga de la batería y la vida útil de las lámparas
fluorescentes.
Por estas razones, debe evitarse las caídas de tensión dimensionando
adecuadamente el cableado. Las secciones de los conductores deben ser tales
que las caídas de tensión en ellos sean menores al 5% entre el generador y el
regulador, menores de 1% entre el regulador y las baterías, e inferiores a 5%
entre el regulador de carga y las cargas. Esto en condiciones de máxima
corriente. Estas caídas en los conductores, son independientes de las caídas en
regulador, mencionadas en el apartado anterior.
Los cables deberán ser aptos para funcionar a la intemperie según la
norma IEC 60811, o la norma para cables relevante en el país de interés. Las
terminales de los cables deberán permitir una conexión mecánicamente fuerte,
segura y con baja caída de tensión. Los cables deben asegurarse a las
estructuras de soporte o a las paredes, para evitar esfuerzos mecánicos sobre
otros elementos de la instalación eléctrica (cajas de conexión, balastos,
interruptores, etc.).
En el caso en que se monten sobre una superficie, los cables deben
graparse a las paredes, a intervalos adecuados, para asegurar su posición
vertical y horizontal (no se recomienda posicionarlos de forma oblicua). De no
ser así, deben embutirse en las paredes y recubrir se con yeso o un material
similar.
Los cables deben mantenerse fuera del alcance de los niños Los fusibles
para la protección de los cables se eligen de forma que la máxima corriente de
operación esté entre el 50 y 80% de la capacidad nominal del mismo. Los
fusibles se instalan preferiblemente en las líneas de polaridad positiva.
CAPÍTULO IV: PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE LOS
RESULTADOS
El cuarto capítulo de esta investigación presenta la matriz de las
variables del estudio, los indicadores con sus respectivos objetivos y fuentes.
De igual forma, se presenta la interpretación del instrumento aplicado y por
último los hallazgos, conclusiones y recomendaciones.
El objetivo general de esta investigación es diseñar un sistema solar
para el alumbrado del recinto UTESA Puerto Plata en el año 2012.
De acuerdo a estudios realizados por Joachín (2008), se considera que
el Sol abastecerá estas fuentes de energía (radiación solar, viento, lluvia, etc.)
durante los próximos cuatro mil millones de años. La primera ventaja de una
cierta cantidad de fuentes de energía renovables es que no producen gases de
efecto invernadero ni otras emisiones, contrariamente a lo que ocurre con los
combustibles, sean fósiles o renovables. Algunas fuentes renovables no
emiten dióxido de carbono adicional, salvo los necesarios para su
construcción y funcionamiento, y no presentan ningún riesgo suplementario,
tales como el riesgo nuclear.
Sigue expresando este autor (Joachín, 2008) que en la actualidad hay
sistemas de energía renovable que utilizan más de una de ellas en su
configuración. Esto depende de los recursos naturales al alcance, la tecnología
disponible y las necesidades que se cubrirán.
La mayor parte de la generación de electricidad en la República
Dominicana proviene de fuentes térmicas. Sólo el 14% de la capacidad
instalada es hidroeléctrica y, si se toma en cuenta toda la autogeneración
térmica, este porcentaje desciende al 9%. La explotación de otros recursos
renovables (es decir, solar y Energía eólica|eólico) es muy limitada. Sin
embargo en el año 2007 se promulgó la Ley 57-07 de incentivo a las Energías
Renovables y Regímenes Especiales tomando en consideración que las
energías y combustibles renovables representan un potencial para contribuir y
propiciar, en gran medida, el impulso del desarrollo económico regional, rural
y agroindustrial del país.
A partir de la problemática relacionada a la energía eléctrica, se plantea
el desarrollo del uso de energía renovable en la Universidad Tecnológica de
Santiago (UTESA) recinto Puerto Plata, a través de un sistema de energía
fotovoltaico solar aislado, que pueda cubrir la demanda energética del plantel
educativo. En este sentido, esta investigación se plantea las siguientes
preguntas:
¿Cuál es el espacio que ocupará el sistema en el recinto para producir la
energía deseada? ¿Cómo es el consumo que utiliza el recinto UTESA por un
período de un día? ¿Cuántos equipos hay y cómo serán instalados en el
recinto? ¿Cuáles son los componentes de los paneles que deben ser
instalados? ¿Cuáles son los componentes y cómo convierte la energía de DC a
AC? ¿De qué forma en que los sistemas se unifican para ser más eficiente la
regulación? ¿Cuál es la forma en que se mantienen en condiciones óptimas el
sistema solar? ¿Cómo se puede aprovechar la energía solar sin contaminar el
ambiente?
La Universidad Tecnológica de Santiago, recinto Puerto Plata, la cual
está ubicada en la Avenida Manolo Tavarez Justo, en la carretera Puerto Plata
– Santiago. Este recinto fue aperturado en el año 1986 en las instalaciones de
la Escuela Antera Mota en la calle Beller esquina Dr. Zafra de esta ciudad.
El recinto de UTESA en Puerto Plata ofrece las carreras de:
Administración de Empresas, Administración de Empresas Turísticas,
Contaduría Pública, Derecho, Educación mención Ciencias Naturales,
Educación, mención Ciencias Sociales, Educación mención Letras Modernas,
Educación mención Matemática-física, Electrónica Digital Micro
Computacional, Electricidad Industrial, Ingeniería en Informática, Ingeniería
Eléctrica, Mercadeo y Psicología. Todas ellas se ofrecen a nivel técnico y
profesional, excepto la carrera de Derecho y Psicología que sólo se ofrecen a
nivel profesional.
La población está compuesta por el Encargado de Mantenimiento del
recinto UTESA en Puerto Plata, a quien se le aplicó un cuestionario con tres
(3) preguntas de selección múltiple. Estas preguntas son presentadas en forma
de ensayo.
4.1 Matriz de las variables e indicadores del estudio
Objetivos
Específicos
Variables
Definición de
variables
Indicadores
Objetivos de los
indicadores
Fuentes
1. Identificar las
características del área,
ubicación, potencia y
tamaño del sistema de
energía solar para reducir
el consumo de la energía
eléctrica del recinto
UTESA Puerto Plata.
1.1 Características 1.1.1 Se refiere a las
informaciones
principales que se
obtienen para poder
implementar un sistema
solar.
1.1.1.1 Espacio.
1.1.1.2 Consumo por
día
1.1.1.3 Tamaño del
sistema
1.1.1.1.1 Determinar el espacio
que ocupará el sistema en el
recinto para producir la energía
deseada.
1.1.1.1.2 Evaluar el consumo que
utiliza el recinto UTESA por un
período de un día.
1.1.1.1.3 Cuantificar los equipos
y cómo serán instalados en el
recinto.
1.1.1.1.1.1 Entrevista al Encargado de
Mantenimiento en UTESA Recinto Puerto
Plata.
1.1.1.1.1.2 Observación física.
1.1.1.1.1.3 Observación física.
2. Analizar los
componentes principales
de los sistemas de energía
solares para reducir el
consumo de energía
eléctrica.
2.1. Componentes
principales
2.1.1 Se refiere los
beneficios que tendría
UTESA recinto Puerto
Plata si instala el
sistema solar para
recibir su energía.
2.1.1.1 Paneles
solares.
2.1.1.2 Inversiones
2.1.1.3 Baterías
2.1.1.1.1 Identificar los
componentes de los paneles que
deben ser instalados.
2.1.1.1.2 Explicar los
componentes y cómo convierte la
energía de DC a AC.
2.1.1.1.3 Especificar los
componentes y cómo acumula
energía.
2.1.1.1.1.1 Fuentes bibliográficas
referente a los paneles de energía solar.
2.1.1.1.1.2 Fuentes bibliográficas
referente a los paneles de energía solar.
1.1.1.1.3 Fuentes bibliográficas referente
a los paneles de energía solar.
3. Exponer las ventajas
que representa para
UTESA instalar el
sistema de paneles
solares.
3.1 Ventajas 3.1.1 Se refiere los
beneficios que tendría
UTESA recinto Puerto
Plata si instala el
sistema solar para
recibir su energía.
3.1.1.1 Regularizar
3.1.1.2 Mantenimiento
3.1.1.3
Aprovechamiento
3.1.1.1.1 Evaluar la forma en que
los sistemas se unifican para ser
más eficiente la regulación.
3.1.1.1.2 Evaluar la forma en que
se mantienen en condiciones
óptimas el sistema solar.
3.1.1.1.3 Identificar cómo se
puede aprovechar la energía solar
sin contaminar el ambiente.
3.1.1.1.1.1 Fuentes bibliográficas
referente a los paneles de energía solar.
3.1.1.1.1.2 Fuentes bibliográficas
referente a los paneles de energía solar.
3.1.1.1.1.3 Fuentes bibliográficas
referente a los paneles de energía solar.
4.2 Interpretación del instrumento aplicado al Encargado de
Mantenimiento de UTESA Puerto Plata
Mediante una entrevista que se le realizó al Encargado de
Mantenimiento de UTESA Puerto Plata, éste manifestó que el techo del
edificio principal es el espacio apropiado para instalar el sistema solar en el
recinto.
Además, el entrevistado considera que siempre este espacio garantiza
una producción de energía adecuada. También manifiesta que el espacio
contribuye a que el sistema solar sea más efectivo cuando tiene amplitud,
iluminación y seguridad.
HALLAZGOS
A continuación se presentan los hallazgos encontrados en esta
investigación:
El objetivo No. 1 “Identificar las características del área, ubicación,
potencia y tamaño del sistema de energía solar para reducir el consumo
de la energía eléctrica del recinto UTESA Puerto Plata”, el estudio reveló
que el entrevistado considera que el espacio más apropiado para instar el
sistema solar en el recinto de UTESA en Puerto Plata es el techo del edificio
principal. Asimismo se reveló que siempre este espacio garantiza una
producción de energía adecuada y que la amplitud, la iluminación y la
seguridad, son elementos que contribuyen a que el sistema solar sea más
efectivo, según manifiesta el encargado de mantenimiento en el recinto
académico.
Estos hallazgos concuerdan con Joachi (2008) quien entiende que para
que un sistema solar sea efectivo debe contar con una serie de elementos que
van desde el espacio físico en donde está instalado, hasta la seguridad del
mismo.
En cuanto al consumo por día, se determinó que las instalaciones de
UTESA en Puerto Plata tienen un consumo diario de 647.74 kwh lo que
equivale a un consumo de energía mensual de 20,080 kwh.
Por otro lado, se determinó que el sistema solar tendrá los siguientes
equipos: 123 paneles tipo Kyocera Policristalio de 235w; 10 controladores
marca Xantrex de 60 amperes; 4 inversores marca Xantrex de 6KV a 48V; 14
grupos de 6 baterías que hacen un total de 84 baterías roll-S530.
El objetivo No. 2 “Analizar los componentes principales de los
sistemas de energía solares para reducir el consumo de energía eléctrica”.
Este estudio determinó que los sistemas de energía solar necesitan sobre todo
paneles que es un módulo que aprovecha la energía de la radiación solar.
Estos paneles fotovoltaicos están formados por numerosas celdas que
convierten la luz en electricidad. Esta revelación coincide con Hasper (2006)
quien señala que los paneles fotovoltaicos son utilizados para
generar electricidad.
Otro hallazgo de esta investigación es que la conversión de potencia es
el proceso de convertir una forma de energía en otra, esto puede incluir
procesos electromecánicos o electroquímicos. En este sistema solar a instalar
se convertirá la energía DC en AC a través de inversores. El sistema DC tiene
la capacidad de transformar la tensión en los diversos niveles, de manera
eficiente, DC el sistema de transmisión será el más eficiente, estable, fácil de
controlar, y lo que es más importante, fácil de analizar que el sistema de AC.
Estos hallazgos están de acuerdo a lo que plantean Hayt y Kemmerly
(1993) en cuanto a que es más factible convertir la energía DC en AC por las
ventajas que representa de reactancia, resistencia, potencia, frecuencia y la
simplificación de su análisis ya que utiliza solo un número real.
Con respecto a las especificaciones de las baterías, la investigación
reveló que deben tener capacidad, un régimen de carga y descarga, la tensión
o voltaje necesario y una vida útil para operar en determinadas condiciones,
manteniendo la capacidad y el nivel de rendimiento.
Este hallazgo se corresponde con lo que planea Santa Marta (2004) que
dentro de las características principales que deben tener las baterías en un
sistema solar es una capacidad para la carga eléctrica que pueda obtenerse
durante una descarga completa del acumulador plenamente cargado,
manteniéndose la tensión entre bornes próxima al valor nominal; una corriente
la batería para restablecer/extraer la capacidad disponible y la batería se puede
considerar como una fuente de tensión continua, presente ésta entre los
terminales o bornes positivo y negativo de la misma.
El objetivo No. 3 “Exponer las ventajas que representa para
UTESA instalar el sistema de paneles solares”, la investigación reveló que
la simplicidad del equipo de regulación reduce sustancialmente el
mantenimiento y hace que las averías sean muy escasas. Las operaciones que
se pueden realizar son las siguientes: observación visual del estado y
funcionamiento del regulador; comprobación del conexionado y cableado del
equipo; observación de los valores instantáneos del voltímetro y amperímetro:
dan un índice del comportamiento de la instalación.
Otra revelación del estudio es que estas instalaciones fotovoltaicas a
instalarse en UTESA, recinto Puerto Plata requieren un mantenimiento
mínimo y sencillo, que se reduce a los paneles que requieren un
mantenimiento nulo o muy escaso, debido a su propia configuración
Este hallazgo coincide con lo que señala Prado (2008) de que una de las
grandes ventajas de las instalaciones de sistema solar fotovoltaicas es que
necesita un mantenimiento muy escaso.
CONCLUSIONES
Luego de que se han presentado los hallazgos encontrados en esta
investigación, se plantean las siguientes conclusiones:
La Universidad Tecnológica de Santiago UTESA, recinto Puerto Plata
está generando un promedio de consumo de electricidad mensual por 17,490
kwh, y es en este sentido que se ha planteado la necesidad de la instalación de
un sistema solar para reducir este consumo de energía y lograr una mayor
eficiencia en los equipos eléctricos instalados.
Se concluye, luego de analizar el espacio físico de todo el recinto
académico que el mejor espacio para instalar el sistema solar es en el techo del
edificio principal. Este edificio alberga las aulas y las oficinas administrativas
del plantel académico. Consta de cuatro niveles, los cuales tienen una escalera
para su acceso.
Según la información disponible hasta el momento, los paneles solares
no generan una radiación peligrosa ni implican una exposición a materiales
dañinos. En realidad, estos representan una fuente limpia y silenciosa de
energía renovable. Sin embargo, dado que producen electricidad, se debe
tomar las precauciones normales para tales casos. Los paneles van protegidos
en su cara exterior con vidrio templado, que permite aguantar condiciones
meteorológicas muy duras tales como el hielo, la abrasión, cambios bruscos
de temperatura, o los impactos producidos por el granizo
El tamaño y la estructura del sistema solar que se instalará en la
Universidad Tecnológica de Santiago UTESA, recinto Puerto Plata, es como
sigue:
Este sistema tendrá un generador solar, compuesto por un conjunto de
paneles fotovoltaicos, que captan la radiación luminosa procedente del sol y la
transforman en corriente continúa a baja tensión (12 ó 24 V); un regulador de
carga, cuya misión es evitar sobrecargas o descargas excesivas al acumulador,
que le produciría daños irreversibles; y asegurar que el sistema trabaje
siempre en el punto de máxima eficiencia; un acumulador (batería), que
almacena la energía producida por el generador y permite disponer de
corriente eléctrica fuera de las horas de luz o días nublados y un inversor que
transforma la corriente continua de 12 ó 24 V almacenada en el acumulador,
en corriente alterna de 230 V.
El presupuesto para esta instalación es como sigue:
84 baterías a RD$15,500.00 c/u = RD$1,302,000.00
123 Paneles a RD$24,724.00 c/u = RD$3,041,052.00
10 Controladores a RD$28,300.00 c/u = RD$ 283,000.00
4 Inversores a RD$152,000.00 c/u = RD$ 608,000.00
123 Brakes de 15 amp. a RD$583.5.00 c/u = RD$ 71,770.50
10 Brakes de 75 amp. a RD$2,606.03 c/u = RD$ 26,063.00
4 Brake de 175 amp. a RD$5,329.30 c/u = RD$ 21,317.20
41 Brake de 45 amp. a RD$1,244.80 c/u = RD$ 51,036.80
70 angulares de 3/16 x 1½ RD$985.00 c/u = RD$ 68,950.00
330 tornillos a RD$30.00 c/u = RD$ 9,900.00
330 arandelas para tornillos a RD$3.00 c/u = RD$ 990.00
Cableado, tubos y materiales gastables = RD$ 100,059.76
Total de la inversión RD$5,584,139.26
También se concluye que la energía solar fotovoltaica la energía solar
fotovoltaica es un tipo de electricidad renovable (energía eléctrica, voltaica)
obtenida directamente de los rayos del sol (foto) gracias a la foto detección
cuántica de un determinado dispositivo; normalmente una lámina metálica
semiconductora llamada célula fotovoltaica, o una deposición de metales
sobre un sustrato llamada capa fina. También están en fase de laboratorio
métodos orgánicos. Esta energía solar es captada por células solares que, por
el efecto fotovoltaico, genera corriente eléctrica, la cual es almacenada en
baterías o se inyecta en la red y distribución eléctrica.
Aunque hay muchas formas de almacenar la energía, las más usadas
son baterías (acumuladores) y es por esto, que en el caso de UTESA, recinto
Puerto Plata para un mejor aprovechamiento de la energía solar, en el recinto
se instalarán 84 baterías agrupadas en grupo de 6. Estas baterías son de plomo.
Son relativamente grandes y pesadas por el plomo, compuestas de celdas de 2
voltios nominales que se juntan en serie para lograr baterías de 6, 12 o más
voltios.
En cuanto a la conversión de la energía DC a AC, los paneles
fotovoltaicos generan electricidad incluso en días nublados, aunque su
rendimiento disminuye. La producción de electricidad varía linealmente a la
luz que incide sobre el panel; un día totalmente nublado equivale
aproximadamente a un 10% de la intensidad total del sol, y el rendimiento del
panel disminuye proporcionalmente a este valor.
Por último esta investigación concluye que el mantenimiento del
sistema solar a instalarse en UTESA es mínimo y escaso, ya que los paneles
solares no tienen partes móviles y las células y sus conexiones internas están
encapsuladas en varias capas de material protector. Es conveniente hacer una
inspección general 1 ó 2 veces al año: asegurarse de que las conexiones entre
paneles y al regulador están bien ajustadas y libres de corrosión. En la
mayoría de los casos, la acción de la lluvia elimina la necesidad de limpieza
de los paneles; en caso de ser necesario, simplemente utilizar agua y algún
detergente no abrasivo.
RECOMENDACIONES
Al finalizar esta investigación se presentan las siguientes
recomendaciones a la Universidad Tecnológica de Santiago UTESA en el
recinto Puerto Plata:
1. Limpiar las áreas de paneles para evitar daños y que los rayos del
penetren directamente.
2. Darle mantenimiento a las baterías cada 30 días para un buen
aprovechamiento de la misma y una larga duración.
3. Monitorear periódicamente los conductores para evitar calentamiento y
deterioro de los conductores.
4. Monitorear los controladores y los inversores para que funcione
correctamente y evitar problemas futuros.
5. Usar lámpara de bajo consumo para tener un mínimo consumo y
economizar energía.
6. Usar sistema de fotoeléctrica para las áreas exteriores para evitar que
lámparas estén encendida innecesariamente.
7. Utilizar sistema de censores de PLC para las áreas de interiores para
cuando los días estén soleado sacar lámpara que estén encendida en
lugares que no sean necesarios.
8. Identificar la línea de sistema de energía solar para no conectar otro
equipo de otra área y no cargar la línea del sistema.
9. Utilizar el espacio disponible de 709.30 mts2 en el techo del edificio
principal para la instalación de los paneles.
10. Dividir la plataforma en tres áreas para la instalación de los paneles: 45
paneles en 252.98 mts2; 45 paneles en 254.32 mts2 y 33 paneles en 192
mt2.
APENDICE
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE SANTIAGO
(UTESA)
Recinto Puerto Plata
INSTRUMENTO APLICADO AL ENCARGADO DE
MANTENIMIENTO DE UTESA PUERTO PLATA
Somos Josue y Plinio estudiantes de la Universidad Tecnológica de
Santiago (UTESA) Recinto Puerto Plata y estamos realizando una
investigación como exigencia parcial para optar por el título de Ingenieros
Eléctricos, por lo que agradecemos que usted seleccione las respuestas
correctas de este cuestionario.
Espacio
1. ¿Qué espacio considera usted es el apropiado para instalar el sistema
solar en el recinto?
a. En el techo del edificio principal
b. En el patio
c. En el área de parqueo
d. Encima de la cafetería
e. Otras. Especifique __________
2. ¿Considera usted que este espacio garantiza una producción de
energía adecuada?
a. Siempre
b. Casi siempre
c. Algunas veces
d. Pocas veces
e. Nunca
3. ¿De qué forma el espacio contribuye a que el sistema solar sea más
efectivo?
a. Amplitud
b. Iluminación
c. Seguridad
d. Todas las anteriores
e. Ninguna de las anteriores
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