Diseño de un Sistema Fotovoltaico para la Iluminación Perimetral del Centro de Entrenamiento BOSANOVA

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(1)DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA LA ILUMINACIÓN PERIMETRAL DEL CENTRO DE ENTRENAMIENTO BOSANOVA.. ANDRÉS FELIPE ROJAS BÁEZ 20131007039. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA ELÉCTRICA BOGOTÁ D.C 2018.

(2) 2. DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA LA ILUMINACIÓN PERIMETRAL DEL CENTRO DE ENTRENAMIENTO BOSANOVA.. ANDRÉS FELIPE ROJAS BÁEZ 20131007039. DIRECTOR INTERNO JAVIER ANTONIO GUACANEME MORENO DIRECTOR EXTERNO CESAR HERNANDO VELEZ ARCE. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA ELÉCTRICA BOGOTÁ D.C 2018.

(3) 3. NOTA DE ACEPTACIÓN. _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________. _________________________________ FIRMA DEL DIRECTOR INTERNO. _________________________________ FIRMA DEL DIRECTOR EXTERNO. _________________________________ FIRMA DEL JURADO.

(4) 4. Agradecimientos A Dios por permitirme realizar la culminación de este proyecto y con ello lograr el alcance de un nuevo logro en mi camino. A mi familia por siempre haberme inculcado los buenos valores y la perseverancia para cumplir con los objetivos fijados, por compartir todos los buenos y malos momentos y estar siempre atentos del desarrollo de este trabajo. A mis amigos, compañeros y todas las personas que de manera directa o indirecta siempre me mostraron su apoyo y me dieron ánimo en todos los momentos de la carrera para seguir adelante y dar lo mejor de mis conocimientos y habilidades. A los directores por el interés mostrado hacia el proyecto, las recomendaciones, observaciones entregadas y su apoyo en la realización..

(5) 5. Contenido. Lista de Tablas ........................................................................................................................ 6 Lista de Figuras ...................................................................................................................... 7 1. Introducción .................................................................................................................... 8 2. Objetivos de la pasantía................................................................................................. 10 2.1 Objetivo general .......................................................................................................... 10 2.2 Objetivos específicos .................................................................................................. 10 3. Descripción de los resultados. ....................................................................................... 11 4. Estado del arte ............................................................................................................... 12 4.1 Antecedentes ............................................................................................................... 12 4.2 Marco referencial. ....................................................................................................... 13 4.2.1 Zona de práctica exterior: ........................................................................................ 14 4.2.2 Zona de práctica interior .......................................................................................... 18 4.3 Energía solar ............................................................................................................... 20 4.4 Sistemas Fotovoltaicos. .............................................................................................. 20 4.4.1 Módulos Fotovoltaicos ........................................................................................... 20 4.4.1.1 Influencia de la temperatura en módulos FV ........................................................ 21 4.4.2 Baterías .................................................................................................................... 22 4.4.3 Inversores ................................................................................................................. 22 4.4.4 Reguladores ............................................................................................................. 23 5. Metodología .................................................................................................................. 24 5.1 Sistemas aislados. ....................................................................................................... 24 5.2 Sistema interconectado a la red................................................................................... 27 6. Diseño............................................................................................................................ 28 6.1 Ubicación. ................................................................................................................... 28 6.2 Radiación solar .......................................................................................................... 29 6.3 Sistema aislado ........................................................................................................... 31 6.4 Sistema interconectado a la red................................................................................... 36 6.4.1 Sistema interconectado por área. ............................................................................. 37 6.4.2 Sistema hibrido. ...................................................................................................... 39 7. Análisis financiero......................................................................................................... 41 8. Análisis de los resultados. ............................................................................................. 45 9. Evaluación y cumplimiento de los objetivos de la pasantía. ......................................... 46 10. Conclusiones y recomendaciones .............................................................................. 47 11. Bibliografía ................................................................................................................ 49 12. Anexos ....................................................................................................................... 51.

(6) 6. Lista de Tablas Tabla 1. Radiación Solar CE Bosanova IDEAM. ................................................................ 30 Tabla 2. Cuadro de cargas a 220 V AC ................................................................................ 31 Tabla 3. Cuadro de cargas a 120 V AC ................................................................................ 31 Tabla 4. Características de los inversores. ........................................................................... 32 Tabla 5. Características de los paneles fotovoltaicos. .......................................................... 33 Tabla 6. Conexión de paneles para el sistema fotovoltaico. ................................................ 33 Tabla 7. Voltajes de circuito abierto con temperatura máxima y mínima. .......................... 34 Tabla 8. Características del regulador de carga. ................................................................... 34 Tabla 9. Características de la batería. ................................................................................... 35 Tabla 10. Características de los paneles fotovoltaicos. ........................................................ 37 Tabla 11. Conexión de paneles. ........................................................................................... 38 Tabla 12. Características del inversor. ................................................................................. 38 Tabla 13. Elementos sistema hibrido. .................................................................................. 39 Tabla 14. Características Paneles fotovoltaicos. .................................................................. 39 Tabla 15. Características inversores. .................................................................................... 39 Tabla 16. Análisis Financiero SFV aislado. ...................................................................... 42 Tabla 17. Análisis Financiero SFV interconectado por área ............................................. 43 Tabla 18. Análisis Financiero SFV hibrido. ...................................................................... 44.

(7) 7. Lista de Figuras Figura 1. Centro de entrenamiento Bosanova. Fuente: Propia .......................................................... 13 Figura 2. Prácticas en estructuras de redes aéreas. Fuente: Propia. .................................................. 15 Figura 3. Prácticas en la subestación de frente vivo o local. Fuente: Propia .................................... 15 Figura 4. Prácticas en cámaras de inspección. Fuente: Propia .......................................................... 16 Figura 5. Redes enanas. Fuente: propia............................................................................................. 17 Figura 6. Prácticas en las torres de transmisión. Fuente: propia. ...................................................... 17 Figura 7. Prácticas en andamio. Fuente: propia. ............................................................................... 18 Figura 8. Celdas para subestaciones encapsuladas. Fuente: propia................................................... 19 Figura 9. Prácticas en tableros de Medidores. Fuente: propia. .......................................................... 20 Figura 10. Modelo de simple diodo de una celda FV ....................................................................... 21 Figura 11. Esquema de Componentes Topología Push-Pull. (a) Circuito eléctrico (b) Voltaje sobre la carga. ............................................................................................................................................. 22 Figura 12. Esquema de Componentes Topología Medio Puente. (a) Circuito eléctrico (b) Voltaje sobre la carga..................................................................................................................................... 23 Figura 13. Esquema de Componentes Topología Puente Completo (a) Circuito eléctrico (b) Voltaje sobre la carga..................................................................................................................................... 23 Figura 14. Generador fotovoltaico (Módulos serie-Ramas en paralelo). Fuente: propia. ................. 26 Figura 15. Banco de Baterías (Baterías serie-Ramas paralelo). Fuente: propia. ............................... 27 Figura 16. Ubicación del Centro de Entrenamiento Bosanova. Fuente: Google Maps. .................... 28 Figura 17. Plano de las instalaciones físicas del CE Bosanova. ........................................................ 29 Fuente: Centro de Entrenamiento. ..................................................................................................... 29 Figura 18. Promedio Mensual de radiación global en Bogotá. Fuente: Ideam. ................................ 30 Figura 19. Diagrama de conexión de elementos para el diseño aislado. Fuente: Propia................... 32 Figura 20. Esquema de conexión del sistema fotovoltaico aislado. ................................................. 36 Figura 21. Área seleccionada para la instalación de paneles............................................................. 37 Figura 22. Esquema de conexión del sistema fotovoltaico de inyección a la red. ............................ 38 Fuente: propia.................................................................................................................................... 38 Figura 23. Esquema conexión sistema híbrido. Fuente: Propia ........................................................ 40 Figura 24. Sistema de anclaje a teja y guía de módulos. Fuente: Autosolar. .................................... 40 Figura 25. Modelo 3D Centro de Entrenamiento Bosanova. Fuente: Propia. ................................... 51 Figura 26. Centro de Entrenamiento Bosanova. Fuente: Propia. ...................................................... 51 Figura 27. Vista Frontal Centro de Entrenamiento Bosanova. Fuente: Propia. ................................ 52 Figura 28. Instalaciones del Centro de Entrenamiento Bosanova. Fuente: Propia............................ 52.

(8) 8. 1. Introducción La generación de energía eléctrica a partir de fuentes renovables ha tomado un gran auge en los últimos años debido principalmente al impacto causado en el medio ambiente por las fuentes de energías convencionales, además estas tecnologías renovables traen beneficios climáticos, de salud pública y económicos. (REN21, 2017). Una de las principales fuentes no convencionales de generación de energía utilizadas alrededor del mundo es a partir de la radiación solar lumínica la cual se basa en la obtención de corriente continua mediante las celdas fotovoltaicas a través del fenómeno físico conocido como efecto fotovoltaico. La cantidad de energía que generan es directamente proporcional a la irradiación solar que incide sobre la superficie fotovoltaica colectora por lo cual al momento de realizar el dimensionamiento de los distintos sistemas fotovoltaicos es importante conocer el recurso disponible de radiación solar en la ubicación geográfica correspondiente. (R. Fernandez, 2014) Los centros de entrenamiento son espacios diseñados para la capacitación y entrenamiento de los trabajadores directos, de empresas colaboradoras y programas de formación externos. Pretende orientar el desarrollo de las actividades técnico-operativas y de conocimiento de los negocios de generación y distribución de energía eléctrica, que contribuyen a mantener en las empresas altos estándares en temas como protección a la vida, cuidado del medio ambiente, calidad de los procesos, optimización de los recursos, entre otros. (Contratistas, 21) Dadas las consideraciones mencionadas anteriormente, en el presente trabajo se diseñara un sistema fotovoltaico dentro del Centro de Entrenamiento Bosanova ubicado en la ciudad de Bogotá, en la localidad de Bosa, Barrio Villa del Rio, que permitirá aprovechar la radiación solar para alimentar la iluminación perimetral de este lugar. Esta alternativa de generación presenta diferentes beneficios dado que la distribución de los paneles se realizara sobre los tejados evitando utilizar otra área para cumplir dicho fin, su ubicación permitirá un mayor aprovechamiento del recurso solar y el mantenimiento de los mismos. Su instalación es fácil y va a permitir ser una energía independiente, que traerá diversos beneficios ambientales. También servirá como medio de ilustración para explicar el proceso de generación de energía solar fotovoltaica y realizar una capacitación de su funcionamiento, ventajas y aplicaciones en el sector. Para el desarrollo del sistema se utilizó la tecnología de iluminación que se encuentra actualmente instalada, identificando los niveles de tensión, horas de uso, teniendo en cuenta estos datos iniciales y la metodología a desarrollar se realizaron tres opciones de diseño uno de manera aislada, otro interconectado a la red y un sistema hibrido, estableciendo los.

(9) 9. números de componentes y viabilidad económica para poder elegir la mejor opción a implementar. Los análisis realizados muestran que el sistema aislado es la mejor opción, por lo cual se realiza el modelamiento 3D de cómo se vería la implementación de dicho sistema, de esta manera incentivando a la implementación de proyectos que buscan el aprovechamiento de fuentes de energías renovables. Además se diseña un folleto sobre la energía solar fotovoltaica que servirá como apoyo al momento de realizar la explicación del funcionamiento del sistema que se implementara en el centro de entrenamiento Bosanova, teniendo en cuenta que este sistema no solamente va a permitir la alimentación de la iluminación perimetral si no también se utilizara como modelo de referencia para que diversos aprendices conozcan, identifiquen y se involucren de manera pedagógica con el tema de la generación de energía eléctrica a partir de fuentes de energía no convencionales..

(10) 10. 2. Objetivos de la pasantía 2.1 Objetivo general Realizar el diseño fotovoltaico para la alimentación de la iluminación perimetral del centro de entrenamiento BOSANOVA, buscando la integración de las energías renovables para contribuir al cuidado del medio ambiente y servir como estrategia de explicación de la generación fotovoltaica. 2.2 Objetivos específicos    . . Identificar la potencia instalada de las cargas de iluminación y las instalaciones físicas para la adaptación de los paneles solares fotovoltaicos. Conocer la radiación solar de la zona y determinar diferentes alternativas que permitan establecer la mejor topología para la instalación de los paneles. Considerar diferentes escenarios, entre ellos sistema aislado o interconectado a la red que permita establecer ventajas y desventajas. Definir los elementos y materiales que se requieran utilizar y realizar un análisis financiero que permita conocer el tiempo de retorno de la inversión inicial y otros parámetros importantes a tener en cuenta en el desarrollo de un proyecto. Establecer la ubicación de los elementos de tal manera que se logre mostrar de una manera pedagógica a los aprendices el proceso de generación de energía eléctrica solar fotovoltaica..

(11) 11. 3. Descripción de los resultados. Con la realización del presente proyecto se obtuvieron diferentes resultados, los cuales se muestran a continuación:  Se identificó la tecnología de la iluminación existente en el Centro de Entrenamiento Bosanova, los niveles de tensión a los cuales están funcionando en la actualidad y las horas de uso de dichas cargas, a partir de esto se estableció que era necesario tener un sistema de almacenamiento en el sistema fotovoltaico a implementar dado que la energía sería utilizada en horas nocturnas.  Se plantearon tres alternativas de solución de sistemas fotovoltaicos (aislado, interconectado a la red e hibrido) para la alimentación perimetral del Centro de Entrenamiento Bosanova, estableciendo en cada uno los elementos y materiales necesarios para colocarlos en funcionamiento mostrando sus respectivas características y parámetros técnicos.  Se realizó un análisis financiero de los diseños planteados para establecer la inversión inicial necesaria de los tres sistemas, teniendo en cuenta estos valores calculados se obtuvo el tiempo de retorno de la inversión y el costo de generar un kilovatio utilizando cada sistema.  Se mostraron las diferentes actividades desarrollas en el Centro de Entrenamiento Bosanova, lo cual permite evidenciar los beneficios de que las empresas tengan estos espacios para la capacitación del personal directo y de empresas contratistas, además que también permitan la visita de estudiantes de diferentes instituciones educativas para enriquecer su proceso de formación como futuros profesionales.  Teniendo en cuenta existen diferentes formas pedagógicas de enseñar el proceso de la generación de la energía solar fotovoltaica es necesario realizar un estudio más profundo que permita establecer la mejor forma de capacitar los aprendices, como posible material de ayuda se plantearon dos folletos donde en el primero se muestran definiciones de los elementos que componen un sistema fotovoltaico y en el segundo las ecuaciones necesarias para realizar un diseño de un sistema fotovoltaico aislado o interconectado a la red..

(12) 12. 4. Estado del arte 4.1 Antecedentes La implementación de la energía solar fotovoltaica se ha visto como una solución para alimentar diversas cargas de diferentes instalaciones eléctricas, entre ellas, iluminación, como es el caso de la propuesta desarrollada en el año 2016 para el diseño de un sistema SFV para iluminación pista BMX Peñamonte ubicada a 3.5 kilómetros de Ubaté vía Ubaté Bogotá. En este caso se desarrollaron tres modelos de iluminación (iluminación en guayas, iluminación a través de postes laterales y una iluminación sobre graderías) y se tuvo en cuenta tres formas de diseño del SFV (sistema aislado, sistema de inyección a red y un sistema hibrido) de los cuales se eligió la mejor opción a partir de simulaciones, cálculos y análisis financieros desarrollados. Se recomendó tener en cuenta la iluminación tipo led ya que solamente se utilizó lámparas de sodio y lámparas de halogenuros metálicos. (TRIVIÑO, 2016). Además de avanzar en la generación solar fotovoltaica también se han dado grandes mejoras en el tipo de iluminación a utilizar como es el caso de las bombillas tipo LED que muestra un gran ahorro con respecto a las antiguas tecnologías, en el año 2016 se desarrolló la tesis en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas sobre “Caracterización y viabilidad de la tecnología LED para el Diseño de Iluminación de los Laboratorios del sexto piso de la sede de Ingeniería de la UDFJC” por los estudiantes Edison Pachón y Diego Chaparro donde se realizaron diversas pruebas de caracterización a diversas tecnologías y se evaluaron las condiciones actuales de iluminación llegando a la conclusión que la tecnología LED en cuestión de ahorro e iluminancia son idóneos para todas las soluciones de iluminación que se requieran, pero su costo sigue siendo alto a pesar de que se encuentra en un gran auge. (Edison Pachon, 2016) En el año 2013 se realizó un artículo buscando el enfoque de los sistemas fotovoltaicos para la iluminación por medio de diodos emisores de luz tipo led, titulado “Sistema fotovoltaico de iluminación solar” en donde se obtuvieron los siguientes aspectos: la mayor problemática radica en el almacenamiento de energía y no en la fuente, la tecnología LED es más eficiente, permitiendo así ahorrar energía y la alimentación de iluminación por medio de un sistema SFV es una gran alternativa. (Victor Benitez, 2013) EL uso de las energías renovables ha tomado gran fuerza en los últimos años como lo muestra el articulo desarrollado en el año 2012 “Impacto de la generación distribuida en el sistema eléctrico de potencia colombiano: Un enfoque dinámico” donde se evidencia que la generación de forma no convencional se muestra como una alternativa importante para la prestación del servicio de energía ya que permite aumentar la confiabilidad del suministro a corto, mediano y largo plazo. Los factores que han sido determinantes para el impulso de estas formas de generación son el cambio climático y la inestabilidad de los precios de los.

(13) 13. combustibles fósiles, del anterior trabajo se concluye que la generación con energías renovables en Colombia es una opción viable de generar de manera eficiente, confiable y de calidad, también se establece que las leyes colombianas no incentivan el uso de los recursos renovables y que se deberían dar beneficios regulatorios. (Sandra Carvajal, 2012) En este mismo año también se desarrolló una análisis comparativo entre las bombillas tradicionales y el bombillo LED titulado “Illumination benefits using LED high brightness bulb compare to traditional illumination systems” en donde a partir de diferentes pruebas se obtuvo que el bajo consumo de potencia de los HB-LED comparado con los bombillos tradicionales los hace una excelente alternativa para trabajar con sistemas fotovoltaicos debido a que se reducen hasta en un 90% la potencia requerida para los paneles solares y la capacidad de corriente de las baterías. (Hugo Macias, 2012) 4.2 Marco referencial. El Centro de entrenamiento Bosanova fue inagurado en marzo de 2009 con los propositos de: . . Divulgar y fortalecer los procedimientos relacionados con los negocios de generación y distribución de energía eléctrica para el correcto desarrollo de las operaciones y la prestación de un servicio de calidad. Brindar una capacitación integral que apoye el proceso de certificación de competencias laborales del personal operativo de las empresas contratistas, contribuyendo con su formación y con su desarrollo profesional y personal.. Figura 1. Centro de entrenamiento Bosanova. Fuente: Propia.

(14) 14. El centro de entrenamiento cuenta con diferentes espacios para poder realizar su función como lo son las salas de capacitación (Sala Nikola Tesla, Sala James Maxwell, Sala Ampere, Sala de computo Braun, Sala Westinhouse, Sala Faraday) y las zonas de práctica (exterior e interior). 4.2.1 Zona de práctica exterior: La zona de práctica exterior del Centro de Entrenamiento Bosanova está compuesta por: A. Cajas de maniobras: Las cajas de maniobras en el sistema eléctrico de potencia son usadas en las redes de distribución subterránea y que permiten abrir, cerrar y algunos casos proteger los circuitos. Las capacitaciones en estas cajas de maniobra permiten identificar las diferentes ventajas que tiene cada una de ellas, la divulgación de los procedimientos de operación segura, los mantenimientos o cambio de protecciones, etc. B. Estructuras de redes aéreas: Son estructuras reales dotadas con todos sus elementos, con las que se encuentran en la red de distribución. Están desenergizadas para proporcionar un espacio de capacitación libre de riesgos y son utilizadas para realizar los siguientes procedimientos:  Trabajos en línea viva: consiste en simular los procedimientos que se realizan en la línea energizada, mediante la utilización de un carro-canasta.  Ascenso y descenso en poste: sirve como escenario para capacitarse y obtener la certificación de trabajos en alturas.  Montajes de redes de distribución: Sirve como escenario de práctica para que los linieros simulen los procedimientos que se realizan en línea muerta.  Reconocimiento de estándares: Se utiliza para fortalecer el reconocimiento de los estándares de construcción e instalación de los elementos.  Operaciones Comerciales: Se enseña a realizar supervisión y mantenimiento a los equipos de medida instalados, además de la divulgación de algunas medidas técnicas implementas para evitar el hurto de energía..

(15) 15. Figura 2. Prácticas en estructuras de redes aéreas. Fuente: Propia. C. Subestación de frente vivo o local: Debido a que en la actualidad aún existen este tipo de subestaciones instaladas, la capacitación en este lugar es importante ya que se simulan procedimientos como la apertura de cámaras, el acceso a ellas, el uso completo de los equipos de protección, la apertura de los fusibles y seccionamientos, la medición de la ausencia de tensión, etc.. Figura 3. Prácticas en la subestación de frente vivo o local. Fuente: Propia D. Cámaras de inspección: Las cámaras de inspección garantizan el acceso a las redes subterráneas de MT y BT. Estas cámaras fueron diseñadas para la realización del procedimiento estandarizado de apertura y cierres seguro de las tapas de concreto,.

(16) 16. revisión del estado de los conductores o empalmes, revisión de los drenajes, entre otros. En este lugar, se construyeron los tres tipos de cámara que existen en el sistema:  Sencilla: que consiste en una sola tapa de concreto.  Doble: que contiene doble tapa de concreto.  Vehicular: diseñada especialmente para tráfico pesado.. Figura 4. Prácticas en cámaras de inspección. Fuente: Propia E. Redes enanas: Representan los diferentes tipos de estructuras utilizadas usualmente en el sistema de distribución de media tensión. Son usadas para:  Reconocer los estándares de construcción e instalación en detalle, con la identificación de los diferentes elementos que existen sobre ellas.  Debido a su altura de 1.70m, se puede simular el trabajo en línea viva de igual forma como se realiza en un carro canasta, ya que el operador se encuentra a la altura de la línea. Este trabajo es complementado con capacitaciones que permiten fortalecer el trabajo en un carro canasta real. En el centro de entrenamiento se encuentran las siguientes estructuras enanas:         . Estructura final de circuito, retención sencilla en construcción simétrica. Estructura de doble cruceta y doble aislador de pin en ángulo. Estructura de cruceta en bandera. Estructura de cruceta central. Estructura tangencial doble de cambio de dirección a 90 grados. Estructura en retención doble con seccionador. Estructura vertical de cambio de dirección, ángulos entre 30 y 90 grados. Estructura en retención doble. Estructura con protecciones y subterranización..

(17) 17. Figura 5. Redes enanas. Fuente: propia. F. Torres de transmisión: Están diseñadas para fortalecer los procedimientos de tendido de conductor en líneas de alta tensión, realización del mantenimiento, cambio de elementos en las torres, etc. Adicionalmente sirven para complementar los estándares de trabajo seguros en alturas y permitir la identificación de las características constructivas. El centro de entrenamiento posee 3 torres de transmisión a escala, de las cuales 2 son reticuladas y 1 es de tipo tubular.. Figura 6. Prácticas en las torres de transmisión. Fuente: propia. G. Andamio: Su función es preparar a los trabajadores para obtener la certificación de trabajos en alturas, y capacitarlos para ensamblar y desensamblar el andamio de múltiples formas y configuraciones..

(18) 18. Figura 7. Prácticas en andamio. Fuente: propia. 4.2.2 Zona de práctica interior A. Celdas para subestaciones encapsuladas: Contiene una configuración real y es construida en lugares cerrados. Estas celdas permiten el reconocimiento de las partes, las características operativas de cada una y la funcionalidad. Tienen una particularidad y es que siguen una secuencia típica de una acometida que alimenta a un centro de distribución, y el orden es:  Celda tipo codo no operable bajo carga: es el barraje o punto común de acople de los circuitos.  Celda dúplex operable bajo carga: es el equipo de maniobra que permite abrir o cerrar el circuito.  Celda de medida de Media Tensión: es la que contiene a los transformadores de potencial y de corriente, encargados de transformar los parámetros de la energía a niveles adecuados para el medidor.  Celda de protección y operable bajo carga: cumple doble función, sirve como equipo de maniobra y como sistema de protección.  Celda del transformador: es en la que está alojado el centro de transformación y cumple con la función de aislar sus partes energizadas del contacto directo con las personas..

(19) 19. Figura 8. Celdas para subestaciones encapsuladas. Fuente: propia. B. Módulo de reconectadores: Son los equipos que permiten identificar las fallas del sistema, interrumpirlas y realizar un cierre automático para volver a alimentar la línea. Están dotados con una herramienta que le permite realizar varias reconexiones sucesivas. El centro de Entrenamiento cuenta con una amplia variedad de reconectadores de diferentes marcas y tecnologías, que permiten adquirir las destrezas necesarias para la correcta operación, configuración, montaje e interpretación de los datos de cada uno de los equipos que se encuentran en terreno. Estos son: Reconectadores NULEC 15, Reconectadores NULEC 34, Reconectadores ABB, Reconectadores NOJA, Reconectadores W&B. C. Tableros de Medidores: Estos tableros permiten capacitar a los trabajadores en la instalación de los equipos de medida, los diferentes tipos de conexión y las clases de medidores que existen (digitales y electromecánicos). En el Centro de Entrenamiento se encuentran los diferentes grupos de medida que están en terreno: indirecta, semidirecta y directa. Además cuenta con armarios de medidores para varias cuentas o usuarios que permiten ilustrar pedagógicamente el principio de conexionado, de medida y de balance de cargas..

(20) 20. Figura 9. Prácticas en tableros de Medidores. Fuente: propia. 4.3 Energía solar El sol es una de las fuentes de energía más constantes, a causa de la abundancia y la alta irradiación que genera en la capa exterior de la atmósfera. La energía recibida en la superficie de la tierra recibe el nombre de irradiancia, la cual depende de la hora del día, la inclinación de los rayos de sol y la cobertura de las nubes. Esta tecnología puede ser aprovechada de diversas maneras, tanto para generar electricidad, como para aprovechar el calor. Sin embargo, una de sus principales barreras es que sólo se recibe durante el día, por lo que se requiere combinarla con otras fuentes de energía o bien, asociarla a sistemas de almacenamiento. La energía solar puede ser transformada directamente en energía eléctrica a través de sistemas fotovoltaicos, indirectamente a través de la concentración solar de potencia y puede ser utilizada para calentar agua por medio de colectores solares. (Avalos, 2017) 4.4 Sistemas Fotovoltaicos. Los sistemas fotovoltaicos están compuestos por diversos elementos los cuales cumplen funciones específicas para el aprovechamiento de la radiación solar, a continuación se desarrollaran los conceptos de los elementos que conforman un sistema fotovoltaico como los son paneles solares, reguladores de carga, baterías, inversores y convertidores DC/DC. 4.4.1 Módulos Fotovoltaicos Los módulos FV son dispositivos de estado sólido que convierten la luz proveniente del Sol directamente en energía eléctrica, sin la intervención de motores térmicos o equipamientos rotantes. Los dispositivos FV no poseen partes móviles y por ello requieren de un mantenimiento mínimo, poseen una larga vida útil y son altamente confiables. Además, no producen gases de efecto invernadero y son absolutamente silenciosos. Estos sistemas pueden construirse en diferentes tamaños, desde algunos mW hasta centenas de MW y son altamente modulares, es decir, múltiples paneles pueden ser fácilmente añadidos para aumentar la potencia generada..

(21) 21. 4.4.1.1 Influencia de la temperatura en módulos FV Como todos los dispositivos semiconductores, las celdas FV son sensibles a la temperatura. El aumento de la temperatura reduce la banda prohibida del semiconductor, afectando así la mayoría de los parámetros característicos. Esto puede entenderse como el aumento de la energía de los electrones en el material, por lo que se necesitará menos energía para romper el enlace. En la Fig. 10 se muestra el modelo de celda FV.. Figura 10. Modelo de simple diodo de una celda FV En una celda FV, el parámetro más afectado por un aumento en la temperatura es la tensión de circuito abierto VOC, debido a la dependencia de la temperatura respecto de la corriente de saturación inversa de la juntura p-n. El efecto de la temperatura en 𝐼𝑠 puede apreciarse en la siguiente ecuación: 𝐸𝐺𝑜. 𝐼𝑠 = 𝐾𝑇𝑐 3 𝑒 (𝐾𝑇𝑐). [1]. Siendo 𝑇𝑐 la temperatura de la celda [K], 𝐾 la constante de Boltzmann (1,380658·10-23 J/K) y 𝐸𝐺𝑜 el ancho de la banda prohibida a 0 K. La tensión de circuito abierto en función de la temperatura de la celda viene dada por la ecuación 2: 𝑉𝑂𝐶 (𝑇𝑐) =. 𝐸𝐺𝑜 𝐾𝑇𝑐 𝐾𝑇𝑐 3 − 𝑙𝑛 𝐾𝑇𝑐 𝑞 𝐼𝐿. [2]. Donde q es la carga de un electrón (1,60217733·10-19 C) e 𝐼𝐿 es la corriente fotogenerada. La variación de 𝑉𝑂𝐶 con la temperatura se aprecia mejor en la siguiente ecuación: 𝑑𝑦 1 𝐸𝐺𝑜 = [ − 𝑉𝑂𝐶 (𝑇𝑐)] 𝑑𝑥 𝑇𝑐 𝑞. [3]. Para celdas de Silicio (Si), la reducción de 𝑉𝑂𝐶 con la temperatura es de aproximadamente 2,2 mV/ºC. La corriente de cortocircuito Isc aumenta ligeramente con la temperatura, pues se produce un aumento de las longitudes de difusión de los portadores minoritarios y un estrechamiento de la banda prohibida 𝐸𝐺𝑜 , y así más fotones tienen energía suficiente para crear pares electrón-hueco, aumentando la corriente 𝐼𝐿 . Sin embargo, este efecto es pequeño,.

(22) 22. siendo el aumento en Isc del orden de 0,06 %/ºC, para celdas de Si. La potencia máxima de salida y el factor de forma presentan una disminución con el incremento en la temperatura, del orden del -0,5% y -0,14% por cada ºC, respectivamente (para celdas de Si). En definitiva, el rendimiento de una celda FV decrece con el aumento de la temperatura. La disminución es del orden de 0,04% a 0,06 % por cada ºC para celdas de Si, y de 0,02% a 0,03 % para las de Arseniuro de Galio (GaAs), para temperaturas de operación próximas a la temperatura ambiente. Un efecto secundario no deseado de la encapsulación de las celdas FV es que la misma altera el flujo de calor hacia y desde el módulo FV, aumentando así la temperatura de operación de éste. Estos aumentos de temperatura tienen un impacto importante en el módulo FV provocando una reducción en su tensión y por lo tanto una reducción en la potencia de salida. Por otro lado, los aumentos en la temperatura tienen implicancia en fallas mecánicas y degradación de los componentes de los módulos FV. (Emmanuel J. Espejo) 4.4.2 Baterías Son dispositivos que permiten almacenar energía en forma electroquímica, según su construcción se clasifica en baterías primarias y secundarias. Las baterías primarias son aquellas cuya característica principal es no ser recargable, es decir, después que la batería se descargue queda en desuso, mientras que las baterías secundarias son todas aquellas que pueden ser recargadas. Las baterías son elementos indispensables en sistemas autónomos de generación fotovoltaica. En estos sistemas se utilizan baterías secundarias, donde las más adecuadas son las de ciclo profundo y principalmente de plomo-ácido debido a su economía y confiabilidad. Las baterías de descarga profunda, permiten ser descargadas hasta en un 90% para cada ciclo de carga-descarga. Una batería de ciclo profundo promedio, soporta alrededor de 2000 ciclos de carga-descarga, es decir, unos 6 años de vida útil. (MONTAÑA, 2017) 4.4.3 Inversores Un inversor DC/AC, es un dispositivo electrónico que permite transformar una señal de tipo continua en una señal alterna bien sea de tipo de onda sinusoidal pura aplicado en sistemas conectados directamente a la red; sinusoidal modificada o de onda cuadrada con aplicación en sistemas autónomos.. Figura 11. Esquema de Componentes Topología Push-Pull. (a) Circuito eléctrico (b) Voltaje sobre la carga..

(23) 23. Figura 12. Esquema de Componentes Topología Medio Puente. (a) Circuito eléctrico (b) Voltaje sobre la carga.. Figura 13. Esquema de Componentes Topología Puente Completo (a) Circuito eléctrico (b) Voltaje sobre la carga. 4.4.4 Reguladores Es un dispositivo utilizado en los sistemas fotovoltaicos autónomos y su función es controlar y proteger el estado de la batería mediante una supervisión permanente del voltaje en los bornes de ésta. Si el voltaje desciende de un valor preestablecido por el fabricante, el regulador debe enviar una señal de desconexión al sistema de mando para que este ejecute la desconexión de las cargas conectadas a la batería y permita que esta vuelva a cargarse. En el caso de sobrecarga, el regulador detecta voltaje por encima del preestablecido, por lo cual debe enviar señal de desconexión de cargas y el circuito de mando debe permanecer abierta hasta que la batería ceda parte de esta carga. De esta forma el regulador debe mantener a la batería trabajando entre unos valores de carga preestablecidos dependiendo del tipo de batería. Para un mayor rendimiento del sistema algunos reguladores corrigen el voltaje que reciben de los paneles y que entregan a la batería; a continuación se describen los tipos de reguladores: PWM y MPPT..

(24) 24. A. Regulador Modulador de ancho de pulso (PWM) Un regulador PWM (Pulse Width Modulation), tiene la capacidad de controlar la corriente de carga de las baterías, cuidando que no se supere el voltaje nominal de la batería. El funcionamiento es el mismo de los convertidores PWM, pero en el caso del regulador, la señal de salida es continua y no alterna, por lo cual este tipo de reguladores se les denomina también convertidores DC/DC. Con la variación del ancho de pulso se busca que el promedio de la señal no supere el voltaje nominal de la batería. B. Reguladores MPPT Un regulador MPPT (Maximun Power Point Tracking), es un dispositivo computarizado que ajusta el voltaje de entrada que recibe de los paneles para de esta manera extraer la máxima potencia posible, es un convertidor DC/DC que transforma el voltaje de máxima potencia a voltaje constante que debe estar un poco por encima del voltaje nominal de la batería. Cuando la batería ha alcanzado la carga nominal, el regulador hace que se abra el circuito y cuando la carga se baja de un valor preestablecido hace cerrar el circuito. El regulador MPPT es un convertidor DC/DC que a diferencia de los otros tipos de reguladores, puede reducir o amplificar el voltaje de entrada, manteniéndolo constante a la salida y su avanzado sistema de control basado en modulación PWM adapta la señal de salida para ajustarla al punto de máxima potencia de los paneles, lo cual lo convierte en el más eficiente de los reguladores del mercado, con valores entre el 93 y 99% de eficiencia. (MONTAÑA, 2017) 5. Metodología Para realizar el diseño de los sistemas fotovoltaicos aislado e interconectado a la red se manejara la siguiente metodología según sea el tipo de diseño. 5.1 Sistemas aislados. El diseño de los sistemas aislados se realiza a partir de energía y no de potencia por lo cual lo primero que se debe realizar es establecer la potencia requerida (AC o DC), tensión de operación y horas de uso. A través de la ecuación 4 se establecerá la energía requerida. 𝐸𝐴𝐶 = Donde: PACi = Potencia nominal del elemento AC ni = Horas de uso diario del artefacto. ηinv = Eficiencia del inversor.. ∑𝑛𝑖=1 𝑃𝐴𝐶𝑖 ∗ 𝑛𝑖 𝜂𝑖𝑛𝑣. [4].

(25) 25. Se establece la tensión DC de operación del sistema y a partir de las fuentes de información disponibles se determina la energía solar disponible en la zona. Teniendo en cuenta esto, a partir de la ecuación 5 se hallara la energía a suministrar a la carga. 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑎 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑟 𝑎 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 𝐸𝐴𝐶 ∗ (1 + 𝐹𝑆). [5]. Donde FS es el factor de seguridad, normalmente se escoge entre 0.1 o 0.2 según el criterio del ingeniero de diseño, para este caso se utilizara un factor de seguridad FS =0.2 Utilizando la ecuación 6 se determinara la potencia pico del generador utilizado en los sistemas con reguladores MPPT. 𝑃𝑃𝐺 =. 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑎 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑟 𝑎 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝐻𝑆𝑆. [6]. Teniendo en cuenta los parámetros de las hojas de especificaciones de los módulos solares y aplicando la ecuación 7 se establecen los números de paneles en serie. 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠𝑆𝑒𝑟𝑖𝑒 =. 𝑉𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑉𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑠𝑒𝑙𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜. [7]. Para establecer las ramas en paralelo de los módulos fotovoltaicos se deben utilizar las ecuaciones 8, 9 y 10 estableciendo la carga diaria en corriente y pico del generador. 𝐶𝐼 =. 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑎 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑟 𝑎 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑉𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎. [8]. 𝐶𝐼 𝐻𝑆𝑆. [9]. 𝐼𝑝𝑔 =. 𝑅𝑎𝑚𝑎𝑠𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 =. 𝐼𝑝𝑔 𝐼𝑝𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜. [10]. Finalmente para elegir el números de paneles a utilizar se debe relacionar los módulos en serie y las ramas en paralelo como se muestra en la ecuación 11. 𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 𝑒𝑛 𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 ∗ 𝑅𝑎𝑚𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜. [11]. En la figura 14 se observa un ejemplo de un generador fotovoltaico de 10 paneles solares donde se evidencia 2 módulos serie y 5 ramas en paralelo..

(26) 26. Figura 14. Generador fotovoltaico (Módulos serie-Ramas en paralelo). Fuente: propia. El regulador de carga se elige por potencia, teniendo en cuenta los valores nominales de tensión y corriente del regulador y se debe verificar que la corriente del regulador debe ser mayor que la corriente de cortocircuito del generador. 𝐼𝑅𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 =. 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑉𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎. 𝑰𝑹𝒆𝒈𝒖𝒍𝒂𝒅𝒐𝒓 > 𝑰𝒄𝒄 𝑮𝒆𝒏𝒆𝒓𝒂𝒅𝒐𝒓. [12] [13]. El siguiente paso es determinar el banco de baterías a instalar teniendo en cuenta las características de la batería seleccionada, la carga definida por el usuario, la tensión DC nominal del sistema, la autonomía del sistema y la profundidad de descarga. Aplicando la ecuación 14 podemos determinar el número de baterías necesarías para conectar en serie. 𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 =. 𝑉𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑉𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑠𝑒𝑙𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑎. [14]. Preferiblemente se deben evitar instalar ramas en paralelo de baterías dado a las memorias de carga que estás poseen, para realizar el cálculo se utilizan las ecuaciones 15, 16 y 17. 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑁𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙𝑆𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 = 𝐶𝐼 ∗ (#𝑑𝑖𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎) 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎 =. 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑁𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑃𝑑. [15] [16].

(27) 27. 𝑅𝑎𝑚𝑎𝑠𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 =. 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑁𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎. [17]. Y finalmente para determinar el número total de baterías se debe relacionar la cantidad en serie y paralelo como se muestra en la ecuación 18. 𝐵𝑎𝑛𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 = 𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 ∗ 𝑅𝑎𝑚𝑎𝑠𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜. [18]. En la figura 15 se observa un ejemplo de un banco de baterías compuesto de 6 elementos, 2 baterías en serie y tres ramas en paralelo.. Figura 15. Banco de Baterías (Baterías serie-Ramas paralelo). Fuente: propia. El inversor se debe diseñar por potencia en corriente alterna y se deben tener en cuenta los valores nominales de tensión DC y AC, Potencia y Corriente de arranque. (Hernandez, 2012) 5.2 Sistema interconectado a la red Teniendo en cuenta si se desean entregar excedentes a la red el diseño se realiza por potencia o energía según sea el caso. A partir de la carga definida por el usuario (Kwh) y la radiación solar se establece la potencia del generador como lo muestra la ecuación 19.. 𝑃𝐺𝐹𝑉 =. ∑12 𝑗=1. 𝐸𝑖 𝐻𝑆𝑆𝑗 ∗ 𝑁𝑖 ∗ 𝑃𝑅𝑗 12. Donde: 𝐻𝑆𝑆 = Número de horas de radiación solar estándar promedio mensual de la localidad. 𝑁 = Números de días del respectivo mes. 𝑃𝑅 = Factor de rendimiento del sistema.. [19].

(28) 28. La limitación de espacio es necesaria tenerla en cuenta para el dimensionamiento del sistema fotovoltaico. La manera de elegir el inversor es diferente al sistema anterior dado que se debe tener en cuenta unas características específicas como, la sincronización e interconexión automática con la red, seguidor del punto de máxima potencia, alta eficiencia, larga vida y normas de seguridad. Utilizando la ecuación 20 se establece el factor de dimensionamiento del inversor, preferiblemente debe estar en un rango de 0.8 a 1. . (Hernandez, 2012) 𝐹𝐷𝐼 =. 𝑃𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 𝑃𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟. [20]. 6. Diseño El Centro de entrenamiento Bosanova pertenece al Grupo ENEL y se encuentra ubicado en la ciudad de Bogotá, en la localidad de Bosa, Barrio Villa del Rio. Los centros de entrenamiento son espacios diseñados para la capacitación y entrenamiento de los trabajadores directos, de empresas colaboradoras y programas de formación externos. Pretende orientar el desarrollo de las actividades técnico-operativas y de conocimiento de los negocios de generación y distribución de energía eléctrica, que contribuyen a mantener en las empresas altos estándares en temas como protección a la vida, cuidado del medio ambiente, calidad de los procesos, optimización de los recursos, entre otros. (Contratistas, 21) 6.1 Ubicación. A continuación en la figura 16 se muestra la ubicación del CE Bosanova en la Carrera 71c N:57b-03 sur, este cuenta con 8 salas, servicio de cafetería, baños, zona de parqueadero, estructuras normalizadas y enanas para realizar diversas prácticas, andamio tubular, bodegas etc.. Centro de Entrenamiento Bosanova. Figura 16. Ubicación del Centro de Entrenamiento Bosanova. Fuente: Google Maps..

(29) 29. A continuación en la figura 17 se indica las zonas donde se encuentra la iluminación perimetral dentro del CE Bosanova, la cual será alimentada por medio del sistema fotovoltaico. Los puntos rojos indican lámparas ubicadas en postes funcionando a niveles de tensión de 220V, mientras que los puntos azules indican la iluminación ubicada en el pasillo principal, las cuales funcionan a 110V.. Figura 17. Plano de las instalaciones físicas del CE Bosanova. Fuente: Centro de Entrenamiento. 6.2 Radiación solar A continuación en la tabla 1 se muestran los datos encontrados de la energía solar disponible en la zona obtenidos del Atlas de Radiación Solar, Ultravioleta y Ozono de Colombia elaborado por el IDEAM, para el diseño se toma el valor del mes de mayo que es donde sucede la peor condición durante todo el año con una radiación solar de 3,52 Kwh/m^2..

(30) 30. Tabla 1. Radiación Solar CE Bosanova IDEAM. Meses del año. Radiación Solar [Kwh/m^2]. Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre. 4,76 4,35 4,35 3,71 3,52 3,68 3,93 4,26 3,97 3,97 4,12 4,2. A continuación en la figura 18 se muestra el promedio mensual de la radiación global en Bogotá.. Figura 18. Promedio Mensual de radiación global en Bogotá. Fuente: Ideam. En la tabla 2 y 3 se muestra el cuadro de cargas donde se especifica la potencia, nivel de tensión y energía consumida de la iluminación perimetral disponible en el CE Bosanova..

(31) 31. Tabla 2. Cuadro de cargas a 220 V AC Voltaje de alimentación 220 V-AC Potencia Potencia Total # horas de uso Cantidad unitaria [W] [W] [h]. Carga Iluminación Postes. 14. 70. Potencia Total. Energía diaria [Kwh-d]. 980. 12. 11,76. 980. Energía Total. 11,76. Tabla 3. Cuadro de cargas a 120 V AC Voltaje de alimentación 120 V-AC Potencia Potencia Total # horas de uso Cantidad unitaria [W] [W] [h]. Carga Iluminación pasillo. 20. 64. Potencia Total. Energía diaria [Kwh-d]. 1280. 12. 15,36. 1280. Energía Total. 15,36. A continuación se realizaran los diseños fotovoltaicos estableciendo tres opciones (Aislado interconectado a la red, e hibrido) para poder determinar la cantidad de elementos y elegir la mejor solución. 6.3 Sistema aislado A partir de la tabla 2 y 3 se obtienen los siguientes valores de potencia y energía totales según el nivel de tensión de alimentación de las cargas. Carga 220 V AC Potencia total =980 W Energía total =11760 Wh-d. Carga 120 V AC Potencia total =1280 W Energía total =15360 Wh-d. Se establece un nivel de tensión de 48 VDC por lo cual será necesario un inversor de 48VDC a 120 VAC y de 48V DC a 220 VAC..

(32) 32. Figura 19. Diagrama de conexión de elementos para el diseño aislado. Fuente: Propia. A continuación en la tabla 4 se muestran las características de los inversores seleccionados Tabla 4. Características de los inversores. Inversor Victron Phoenix solar MeanWell de Onda Pura. Voltaje de Salida 220 VAC +/- 3% 100/110/115/120 VAC. Pmáx 1000/850 W 1500 W. Frecuencia 60Hz +/- 0,1% 60 Hz. Eficiencia 91% 91 %. Estableciendo una eficiencia del inversor Victron Phoenix solar (energy, s.f.) y del Inversor MeanWell de Onda Pura del 91% (Meanwell, s.f.) se obtiene una nueva potencia y energía para las cargas aplicando la ecuación 4. Carga 220 V AC Potencia total =1076,92 W Energía total =12923,07 Wh-d. Carga 120 V AC Potencia total =1438,20 W Energía total =17258,42 Wh-d. La energía total del sistema va a ser igual a 30181,50 Wh-d y la potencia total del sistema va a ser igual a 2515,12 W. Posteriormente se calcula la energía a suministrar teniendo en cuenta la ecuación 5 y para este caso se utilizara un factor de seguridad de 0.2. 𝐸𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑟 = 30181,50 ∗ (1 + 0,20) = 36217,8 Wh − d Luego se establece la potencia pico del generador teniendo en cuenta la energía a suministrar a la carga y la radiación solar como lo muestra la ecuación 6. 𝑃𝑃𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 =. 36217,8 = 10289,14𝑊 3.52.

(33) 33. A continuación en la tabla 5 se muestran las características de los paneles fotovoltaicos seleccionados Tabla 5. Características de los paneles fotovoltaicos. Pmáx Voc (W) (V). Nombre. Isc Vnominal Imáxima (A) Vmáximo (V) (V) (A). Panel Solar mono Blanco 48V-SL250-270TU-48M. 270. 60,22 5,58. 51,79. 48. 5,21. Panel Solar Suntech 48 V 300 W 310 W. 320. 45,82 9,03. 37,56. 48. 8,52. Panel Solar Sunel 48 V 250 W. 250. 37,2 8,72. 30. 48. 8,33. Panel Solar 4BB 300W 48V. 300. 45,2 8,73. 36,41. 48. 8,24. Se requieren 40 paneles de 270 W Panel solar Mono Blanco Se requieren 33 paneles de 320 W Panel solar Suntech Se requieren 42 paneles de 250 W Panel Solar Sunel. Se requieren 36 paneles de 300W Panel Solar 4BB A continuación en la Tabla 6 se muestra las posibles configuraciones a utilizar en el sistema fotovoltaico. Tabla 6. Conexión de paneles para el sistema fotovoltaico.. NOMBRE Total módulos Serie Paralelo Corriente de Corto circuito Corriente Máxima Tensión Circuito abierto Tensión Máxima Generada Regulador. Configuración 1 Panel solar Mono Blanco. Configuración 2 Panel solar Suntech. Configuración 3 Panel Solar Sunel. Configuración 4 Panel Solar 4BB. 40 8 5. 33 11 3. 42 14 3. 36 12 3. 27,9 26,05 481,76. 27,09 25,56 504,02. 26,16 24,99 520,8. 26,19 24,72 542,4. 414,32 1. 413,16 1. 420 1. 436,92 1.

(34) 34. Baterías No Serie. 2 2. 2 2. 2 2. 2 2. Teniendo en cuenta la temperatura mínima 7,9 °C y máxima 20 °C del sitio se procede a calcular los rangos de los voltajes para poder seleccionar el regulador de carga adecuado. (IDEAM, 2010) Voltaje Máximo 𝑇𝐶 = 𝑇𝐴𝑥 + 𝑇𝐶 = 7,9 +. Voltaje Mínimo. 𝑁𝑂𝐶𝑇 − 20 ∗ 𝐺𝑥 800. 𝑇𝐶 = 𝑇𝐴𝑥 +. 48 − 20 ∗ 1000 = 42,9 800. 𝑇𝐶 = 20 +. 𝑁𝑂𝐶𝑇 − 20 ∗ 𝐺𝑥 800. 48 − 20 ∗ 1000 = 55 800. ∆𝑇 = 42,9 − 25 = 17,9. ∆𝑇 = 47,9 − 25 = 22,9. ∆𝑉 = ∆𝑇 ∗ 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑉𝑜𝑐. ∆𝑉 = ∆𝑇 ∗ 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑉𝑜𝑐. Tabla 7. Voltajes de circuito abierto con temperatura máxima y mínima. Panel Solar Seraphim Solar Panel Canadian Solar Poly Solar Panel Csun Policristalino. Waaree Policristalino. ∆𝑽 -5.728 % -6.086 % -5.226 % -5.262 %. VOC Máximo 56,77 43,03 35,25 42,82. ∆𝑽 -7.328 -7.786 -6.686 -6.732. VOC Mínimo 55,80 42,25 34,71 42.15. Aplicando la ecuación 12 se obtiene: 𝐼𝑠𝑎𝑙 =. 2483.51 𝑊 = 51.73 𝐴 48 𝑉. Se elige el regulador de carga (Xantrex, s.f.) donde las características se muestran en la tabla 8 y se puede aplicar cualquier conexión de los paneles mostrados en la tabla 6. Tabla 8. Características del regulador de carga. Regulador Xantrex. Rango Operación 195 a 550 Vdc. Voltaje batería 24 /48 V. Imáx 80 A. Pmáx 2560 W.

(35) 35. Para el diseño de la batería se tuvieron en cuenta las siguientes consideraciones: Días de autonomía 1 Profundidad de descarga 0.65 Voltaje sistema 48V Energía a suministrar 36217,8 Wh-día Se procede hallar la caga diaria en corriente utilizando la ecuación 8: 𝐶𝐼 [𝐴ℎ] =. 36217,8 Wh − d = 754.53 𝐴ℎ − 𝑑𝑖𝑎 48. La capacidad nominal del sistema según la ecuación 15 es: 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 = 754.53 ∗ (1) = 754.53 𝐴ℎ − 𝑑𝑖𝑎 Aplicando la ecuación 16 se obtiene la capacidad corregida del sistema. 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎 =. 754.53 = 1160.82 Ah 0,65. Se elige la batería Estacionaria 12V 1280Ah Enersol-T 6 vasos y se necesitan dos baterías en serie: (Power, s.f.). Tabla 9. Características de la batería.. Batería Enersol. Voltaje (V) 12. Capacidad (Ah) 1280. Profundidad de la descarga 0,65. Ciclos de vida 2000. A continuación en la figura 20 se muestra el modelo de la configuración 1 para la alimentación de la iluminación perimetral ubicada en el CE Bosanova, se muestra esta configuración como referencia, pero cualquiera de las mostradas en la tabla 6 puede ser utilizada dado que todos los elementos se mantienen constantes excepto los paneles que cambian la cantidad a utilizar según las características propias de estos..

(36) 36. Figura 20. Esquema de conexión del sistema fotovoltaico aislado. 6.4 Sistema interconectado a la red. Teniendo en cuenta que la iluminación perimetral del centro de entrenamiento solamente se utiliza en horas de la noche, la utilización de un sistema fotovoltaico inyectado a la red se debe realizar también con un sistema de almacenamiento como en el diseño anterior para de esta manera asegurar la alimentación de las cargas asociadas dado que en horas nocturnas no se genera energía. Dadas las consideraciones anteriormente mencionadas a continuación se muestran dos alternativas de solución: un diseño en el cual se parte desde una restricción de área utilizando los tejados disponibles de los pasillos la cual se muestra de color rojo en la figura 21 y a partir de la energía que se obtenga se definirán cuales cargas pueden ser alimentadas por dicho sistema y otra alternativa en la cual se realiza un diseño hibrido de interconexión a la red de tal manera que permita durante el día almacenar energía suficiente para alimentar la iluminación perimetral del Centro de Entrenamiento Bosanova..

(37) 37. 6.4.1 Sistema interconectado por área.. Figura 21. Área seleccionada para la instalación de paneles. Teniendo en cuenta las dimensiones de los diferentes paneles seleccionados y el área seleccionada en la figura 21 se muestran a continuación las características de los paneles y las posibles conexiones. Tabla 10. Características de los paneles fotovoltaicos.. Pmáx (W). Voc (V). Isc (A). Panel Solar Polycrystaline shs135w-150w. 150. 22,4. 8,82. 18,1. 12. 8,33. Polycrystalline Photovoltaic Module Alt100-12p. 100. 21,61 5,74. 17,70. 12. 5,65. Arun Series ws-200. 200. 27. 12. 7,41. Nombre. 33. 8,08. Vmáximo Vnominal Imáxima (V) (V) (A).

(38) 38. Tabla 11. Conexión de paneles.. Configuración 1 Configuración 2 Photovoltaic Polycrystaline Module shs 150w Módulo Alt100-12p 80 110 Total módulos 20 22 Serie 4 5 Paralelo 35,28 28,7 Corriente de Corto circuito (A) 33,32 28,25 Corriente Máxima (A) 448 475,42 Tensión Circuito abierto (V) 362 389,4 Tensión Máxima Generada (V) 1,48 x 0,67 1,02 x 0,67 Dimensiones (L x A) m 0,83 0,90 Factor de dimensionamiento. Configuración 3 Arun Series ws200 48 12 4 32,32 29,64 396 324 1,49 x 0,99 0,85. A continuación en la tabla 12 se muestran las características del inversor elegido para el sistema fotovoltaico de inyección a la red. Tabla 12. Características del inversor.. Inversor Fronius Symo 10.0-3-m. Voltaje 380de /220 Salida V. Pmáx AC 10000 W. Frecuen Eficiencia Rango cia 60Hz 91% 270V-800V (45-65 Teniendo en cuenta las correcciones por temperatura Hz) el voltaje de circuito abierto sigue estando dentro del rango del inversor y también la corriente de corto circuito cumple con las características del inversor de inyección a red anteriormente seleccionado. A continuación en la figura 22 se muestra el modelo de la configuración 2 para la alimentación de la iluminación perimetral ubicada en el CE Bosanova dado que según las características del inversor elegido es la que presenta un mayor factor de dimensionamiento.. Figura 22. Esquema de conexión del sistema fotovoltaico de inyección a la red. Fuente: propia..

(39) 39. 6.4.2 Sistema hibrido. A continuación se muestran los elementos utilizados para el diseño fotovoltaico interconectado a la red con sistema de almacenamiento, los inversores elegidos permiten durante las horas diurnas cargar las baterías a la vez que entregan energía a la red, lo cual permite darle una mayor confiabilidad a la instalación eléctrica y alimentar la iluminación del Centro de entrenamiento en horas nocturnas. Tabla 13. Elementos sistema hibrido. Configuración 1. Panel Solar Módulos 200W Total módulos 40 Serie 20 Paralelo 2 Corriente de Corto circuito 16,16 (A) Corriente Máxima (A) 14,82 Tensión Circuito abierto (V) 660 Tensión Máxima Generada 540 (V) Inversor Fronius Symo Hybrid Baterías Fronius Solar Battery No Serie 1. Configuración 2. Configuración 3. Panel Solar 275W 28 14 2 18,3 18,3 539 438,2 Sun-Storage Fronius Solar 1. Panel Solar 325W 24 12 2 18,12 17,2 557,16 453,84 Sun-Storage Fronius Solar 1. Tabla 14. Características Paneles fotovoltaicos.. Nombre Pmáx Voc (W) (V) Panel Solar 200W Policristalino Waree 200 33 Panel Solar 275W Amerisolar Policristalino 275 38,5 325 46,43 Panel Solar 325W 24V Monocristalino Atersa. Isc Vmáximo Imáxima (A) (V) (A) 8,08 27 7,41 9,15 31,3 9,15 9,06 37,82 8,6. Tabla 15. Características inversores.. Inversor Fronius Symo Hybrid Sun-Storage. Voltaje de Pmáx Frecuencia Eficiencia Salida AC 220 V 3000 W 60Hz 95,2% 220V 3000 W 50/60 Hz 95,5 %. Rango 200V-800V 300-550V.

(40) 40. En la figura 23 se muestra el modelo de la configuración 2, esta opción se elige para ilustrar el esquema del sistema hibrido, pero cualquiera de las mostradas en la tabla 13 pueden ser utilizadas dado que todas cumplen con los requerimientos del sistema. En el presente esquema se observa que el inversor hibrido va a permitir inyectar energía a la red y cargar las baterías para poder alimentar la iluminación del Centro de Entrenamiento Bosanova.. Figura 23. Esquema conexión sistema híbrido. Fuente: Propia En la figura 24 se muestran los soportes a utilizar en la instalación de los paneles fotovoltaicos los cuales se utilizan para tejados que es el caso que se presenta en el centro de entrenamiento, estos soportes van a permitir una fácil instalación y además brindar una buena resistencia mecánica.. Figura 24. Sistema de anclaje a teja y guía de módulos. Fuente: Autosolar..

(41) 41. 7. Análisis financiero. A continuación se muestran los flujos de caja para los tres sistemas propuestos, teniendo en cuenta los precios disponibles de los diferentes elementos en el mercado y manteniendo el precio de la energía constante a lo largo de un tiempo de 25 años dado que la vida útil de los paneles fotovoltaicos se considera para este periodo. Todos los valores se muestran en pesos colombianos Para los casos mostrados se considera que la inversión se recuperará a partir del dinero que se deja de pagar por la energía consumida por la iluminación, de esta manera se evidencia que a partir del año 11 se recupera totalmente la inversión realizada para el caso del sistema aislado igualmente para el sistema interconectado a la red con restricción de área mientras que para el caso del sistema hibrido sucede hasta el año 20. Con respecto al costo que tendría generar un kilovatio-hora el que presenta el precio más elevado es el sistema hibrido con 8283.74 mientras que el costo más bajo es producido por el sistema aislado con 4554,61. El mantenimiento se considera anualmente para los tres sistemas fotovoltaico dado que al no poseer partes móviles se considera un tiempo prudente para la limpieza y ajuste de los diferentes elementos del sistema fotovoltaico..

(42) Año 0 Inversión Paneles fotovoltaicos Regulador de Carga Inversores Baterías Conductores Soportes Protecciones Obra Civil Costo de instalación Mantenimiento SFV Egresos Energía generada (Kwh) Costo KWh Venta Energía. Año 2. Año 3. Año 4. Año 5. Año 6. Año 7. Año 8. Año 9. Año 10. Año 11. 42. 14175000 3895776 3404661 13354221 1000000 11880000 500000 10000000 2000000 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 13219,487 447,5 5915720,43. 13219,487 447,5 5915720,43. 13219,487 447,5 5915720,43. 13219,487 447,5 5915720,43. 13219,487 447,5 5915720,43. 13219,487 447,5 5915720,43. 13219,487 447,5 5915720,43. 13219,487 447,5 5915720,43. 13219,487 447,5 5915720,43. 13219,487 447,5 5915720,43. 13219,487 447,5 5915720,43. 5715720,43. 5715720,43. 5715720,43. 5715720,43. 5715720,43. 5715720,43. 5715720,43. 5715720,43. 5715720,43. 5715720,43. 5715720,43. -20199615 -14483894,5 -8768174,11 -3052453,68 Año 21 Año 22 Año 23 Año 24. 2663266,76 Año 25. -60209658. Resultado Flujo Neto de Caja Año 12 Año 13. Año 1. -60209658 -54493937,6 -48778217,1 -43062496,7 -37346776,3 -31631055,8 -25915335,4 Año 14 Año 15 Año 16 Año 17 Año 18 Año 19 Año 20. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 13219,487 447,5 5915720,43. 13219,487 447,5 5915720,43. 13219,487 447,5 5915720,43. 13219,487 447,5 5915720,43. 13219,487 447,5 5915720,43. 13219,487 447,5 5915720,43. 13219,487 447,5 5915720,43. 13219,487 447,5 5915720,43. 13219,487 447,5 5915720,43. 13219,487 447,5 5915720,43. 13219,487 447,5 5915720,43. 13219,487 447,5 5915720,43. 13219,487 447,5 5915720,43. 13219,487 447,5 5915720,43. 5715720,43. 5715720,43. 5715720,43. 5715720,43. 5715720,43. 5715720,43. 5715720,43. 5715720,43. 5715720,43. 5715720,43. 5715720,43. 5715720,43. 5715720,43. 5715720,43. 8378987,19. 14094707,6. 19810428,1. 25526148,5. 31241868,9. 36957589,4. 42673309,8. 48389030,2. 54104750,7. 59820471,1. 65536191,5. 71251911,9. 76967632,4. 82683352,8. Tabla 16. Análisis Financiero SFV aislado..

(43) 43 Año 0 Inversión Paneles fotovoltaicos Inversor de inyección a Red Conductores Soportes Protecciones Medición bidireccional Obra Civil Costo de instalación Mantenimiento SFV. 19418240 10741553 1000000 23723040 500000 990000 10000000 2000000. Egresos. -68372833. Año 1. Año 2. Año 3. Año 4. Año 5. Año 6. Año 7. Año 8. Año 9. Año 10. Año 11. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. Energía generada (Kwh) Costo KWh Venta Energía. 15417,6 447,5 6899376. 15417,6 447,5 6899376. 15417,6 447,5 6899376. 15417,6 447,5 6899376. 15417,6 447,5 6899376. 15417,6 447,5 6899376. 15417,6 447,5 6899376. 15417,6 447,5 6899376. 15417,6 447,5 6899376. 15417,6 447,5 6899376. 15417,6 447,5 6899376. Resultado. 6699376. 6699376. 6699376. 6699376. 6699376. 6699376. 6699376. 6699376. 6699376. 6699376. 6699376. -61673457. -54974081. -48274705. -41575329. -34875953. -28176577. -21477201. -14777825. -8078449. -1379073. 5320303. Año 23. Año 24. Año 25. Flujo Neto de Caja Año 12. -68372833. Año 13. Año 14. Año 15. Año 16. Año 17. Año 18. Año 19. Año 20. Año 21. Año 22. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 15417,6 447,5 6899376. 15417,6 447,5 6899376. 15417,6 447,5 6899376. 15417,6 447,5 6899376. 15417,6 447,5 6899376. 15417,6 447,5 6899376. 15417,6 447,5 6899376. 15417,6 447,5 6899376. 15417,6 447,5 6899376. 15417,6 447,5 6899376. 15417,6 447,5 6899376. 15417,6 447,5 6899376. 15417,6 447,5 6899376. 15417,6 447,5 6899376. 6699376. 6699376. 6699376. 6699376. 6699376. 6699376. 6699376. 6699376. 6699376. 6699376. 6699376. 6699376. 6699376. 6699376. 12019679. 18719055. 25418431. 32117807. 38817183. 45516559. 52215935. 58915311. 65614687. 72314063. 79013439. 85712815. 92412191. 99111567. Tabla 17.. Análisis Financiero SFV interconectado por área..

(44) 44 Año 0 Inversión Paneles fotovoltaicos Inversor Hibrido Baterías Conductores Soportes Medición Bidireccional Protecciones Obra Civil Costo de instalación Mantenimiento SFV Egresos. Año 1. Año 2. Año 3. Año 4. Año 5. Año 6. Año 7. Año 8. Año 9. Año 10. Año 11. 19866591 7121900 25749318 1000000 23723040 990000 500000 1000000 2000000 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. Energía generada (Kwh) Costo KWh Venta Energía. 9892,97 447,5 4427104,08. 9892,97 447,5 4427104,08. 9892,97 447,5 4427104,08. 9892,97 447,5 4427104,08. 9892,97 447,5 4427104,08. 9892,97 447,5 4427104,08. 9892,97 447,5 4427104,08. 9892,97 447,5 4427104,08. 9892,97 447,5 4427104,08. 9892,97 447,5 4427104,08. 9892,97 447,5 4427104,08. Resultado. 4227104,08. 4227104,08. 4227104,08. 4227104,08. 4227104,08. 4227104,08. 4227104,08. 4227104,08. 4227104,08. 4227104,08. 4227104,08. Flujo Neto de Caja Año 12. -81950849. -81950849. Año 13. Año 14. -77723745 -73496640,9 -69269536,9 -65042432,8 -60815328,7 -56588224,6 -52361120,6 -48134016,5 -43906912,4 -39679808,3 -35452704,3 Año 15. Año 16. Año 17. Año 18. Año 19. Año 20. Año 21. Año 22. Año 23. Año 24. Año 25. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 200000. 9892,97 447,5 4427104,08. 9892,97 447,5 4427104,08. 9892,97 447,5 4427104,08. 9892,97 447,5 4427104,08. 9892,97 447,5 4427104,08. 9892,97 447,5 4427104,08. 9892,97 447,5 4427104,08. 9892,97 447,5 4427104,08. 9892,97 447,5 4427104,08. 9892,97 447,5 4427104,08. 9892,97 447,5 4427104,08. 9892,97 447,5 4427104,08. 9892,97 447,5 4427104,08. 9892,97 447,5 4427104,08. 4227104,08. 4227104,08. 4227104,08. 4227104,08. 4227104,08. 4227104,08. 4227104,08. 4227104,08. 4227104,08. 4227104,08. 4227104,08. 4227104,08. 4227104,08. 4227104,08. -31225600,2 -26998496,1. -22771392. -18544288 -14317183,9 -10090079,8 -5862975,73 -1635871,65. 2591232,42. 6818336,5. 11045440,6. 15272544,6. 19499648,7. 23726752,8. Tabla 18.. Análisis Financiero SFV hibrido.