Diseño de un sistema solar fotovoltaico con inyección a la red en el edificio Sabio Caldas, Universidad Distrital Francisco José de Caldas

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(1)DISEÑO DE UN SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO CON INYECCIÓN A LA RED EN EL EDIFICIO SABIO CALDAS, UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS. MIGUEL ÁNGEL CARO JIMÉNEZ 20102007065 EDGAR DANIEL PACHECO 20101007. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA ELÉCTRICA BOGOTÁ D.C. 2018 1.

(2) DISEÑO DE UN SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO CON INYECCIÓN A LA RED EN EL EDIFICIO SABIO CALDAS, UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS.. MIGUEL ÁNGEL CARO JIMÉNEZ 20102007065 EDGAR DANIEL PACHECO 20101007027. DIRECTOR INTERNO PROFESOR GERMÁN LÓPEZ DIRECTOR EXTERNO PROFESOR TITO GUTIERREZ. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA ELÉCTRICA BOGOTÁ 2018. 2.

(3) RESUMEN En el presente trabajo, se expone un proyecto basado en un sistema solar fotovoltaico conectado a la red para el edificio sabio caldas de la facultad de ingeniería de la universidad distrital francisco José de Caldas, con la finalidad de cubrir parcialmente el consumo energético del edificio. Para el desarrollo de dicho proyecto se realiza un diseño técnico basado en la información de consumo y área disponible proporcionada por la misma universidad, además de la información meteorológica tomada de entidades estatales como el IDEAM. Con base en estos datos, se dimensiona una planta solar de 210 kWp con la cual se puede cubrir el 12.16% del consumo del edificio. Como parte complementaria del trabajo se realiza un análisis financiero y económico con la finalidad de determinar qué tan viable y rentable puede ser la implementación de este proyecto.. Palabras clave: energía solar, sistemas fotovoltaicos, sistemas con inyección a la red, retorno de la inversión.. 3.

(4) ABSTRACT The design of photovoltaic systems (PV-S) is used as a way to show the diminish of power consumption, when it began to be used the PV-S has change it's prices and nowadays has a cheaper price per kilo watt than five years ago, the investigation of this source of energy have came to a point where it will be one of the sources of the future, thus will help against climate change. That is why, this monograph develops the design and impacts that are had if the design is applied in a building, for this case, the Sabio Caldas building of the District University, Francisco José de Caldas.. 4.

(5) TABLA DE CONTENIDO RESUMEN...................................................................................................................................3 ABSTRACT .................................................................................................................................4 TABLA DE CONTENIDO ...........................................................................................................5 LISTA DE FIGURAS ...................................................................................................................7 LISTA DE ECUACIONES ......................................................................................................... 11 LISTA DE TABLAS ................................................................................................................... 12 LISTA DE SIGLAS .................................................................................................................... 13 1.. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 15 1.1. ANTECEDENTES Y MARCO REFERENCIA....................................................................................... 16 1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................................................................... 19 1.3 OBJETIVOS .............................................................................................................................................................. 20 1.3.1. OBJETIVO GENERAL .............................................................................................................................. 20 1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................................................... 20 1.4. ALCANCE DEL PROYECTO ......................................................................................................................... 20 1.5. ESTRUCTURA DEL PROYECTO ................................................................................................................ 21 1.6. MARCO TEÓRICO .............................................................................................................................................. 21 1.6.1. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CON INYECCIÓN A LA RED ON-GRID. .................. 21 1.6.2. DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS. ................................................................................................. 23 1.6.3 ESTUDIO ECONÓMICO-FINANCIERO ........................................................................................... 27 1.7. MARCO POLÍTICO DE LAS FUENTES NO CONVENCIONALES DE ENERGÍA. ........... 28 1.7.1. CONFIGURACIÓN DE POLÍTICA ENERGÉTICA A NIVEL GENERAL EN COLOMBIA. ............................................................................................................................................................... 28 1.7.2. ANTECEDENTES DE POLÍTICA 1984-1992. ................................................................................. 28 1.7.3. PERIODO DE 1993 – 2000 ........................................................................................................................ 29 1.7.4. PERIODO 2001 EN ADELANTE-RESURGIR DEL INTERÉS EN LA FNCE Y EL URE. ................................................................................................................................................................................ 30. 2. DISEÑO TÉCNICO ............................................................................................................... 33 2.1. CONDICIONES AMBIENTALES. ................................................................................................................ 33 2.2. CONDICIONES FÍSICAS .................................................................................................................................. 35 2.2.1. FOTOS SATELITALES ............................................................................................................................. 35 5.

(6) 2.2.2. ARQUITECTÓNICOS ................................................................................................................................... 38 2.2.3. FOTOGRÁFICO. .......................................................................................................................................... 40 2.2.4. LEVANTAMIENTO DE DIMENSIONES DE TERRAZAS ...................................................... 44 2.3. ANÁLISIS DE SOMBRAS................................................................................................................................. 46 2.3.1. MOVIMIENTO APARENTE DEL SOL EN EL EQUINOCCIO. ........................................... 47 2.3.2 RECORRIDO DE LA LUZ SOLAR EN PROYECCIÓN HORIZONTAL Y VERTICAL SEGÚN LA LATITUD. ........................................................................................................................................... 48 2.3.3 RECORRIDO DEL SOL EN EL SOLSTICIO DE VERANO. ................................................... 49 2.3.4 GEOMETRIA SOLAR – MOVIMIENTOS. ....................................................................................... 49 2.3.5 DIAGRAMAS DE LA TRAYECTORIA SOLAR. ........................................................................... 51 2.4. DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO. ......................................................... 53 2.4.1. DIMENSIONAMIENTO DEL GENERADOR FOTOVOLTAICO. ....................................... 53 2.4.2 SELECCIÓN DE INVERSOR. ................................................................................................................. 57 2.4.3 SELECCIÓN DE CONDUCTORES Y PROTECCIONES. ......................................................... 58 2.4.4. VISUALIZACIÓN DEL PROYECTO. ................................................................................................ 60 2.5 ESTUDIO DE SOMBRAS. .................................................................................................................................. 70 2.5.1. SOLSTICIO 21 DE JUNIO. ...................................................................................................................... 73 2.5.2. SOLSTICIO 21 DE DICIEMBRE. ......................................................................................................... 76 2.5.3 EQUINOCCIO 21 DE MARZO ................................................................................................................ 79 2.5.4 EQUINOCCIO 21 DE SEPTIEMBRE. ................................................................................................. 82 2.6 PROYECCIÓN DE DEMANDA....................................................................................................................... 86 3. ESTUDIO DE EMISIONES DE CARBONO. .......................................................................... 87 3.1 CÁLCULOS PARA CICLO DE VIDA DEL PROYECTO. .................................................................. 88 3.2 COMPARACIÓN ENTRE GENERACIÓN TÉRMICA Y PV-S ....................................................... 91 4. ESTUDIO ECONÓMICO. ...................................................................................................... 98 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. ...................................................................... 101 5.1 CONCLUSIONES ................................................................................................................................................ 101 5.2 RECOMENDACIONES .................................................................................................................................... 103 REFERENCIAS ....................................................................................................................... 104. 6.

(7) LISTA DE FIGURAS Figura 1 Diagrama de un PV-S con conexión a la red. Oscar Perpiñán, A. C. (2012). Diseño de sistemas fotovoltaicos. Pág. 15. .................................................................................................................. 21 Figura 2 Punto de potencia máxima. Oscar Perpiñán, A. C. (2012). Diseño de sistemas fotovoltaicos. Pág. 8. ................................................................................................................................................ 24 Figura 3 Circuito equivalente de célula solar. Oscar Perpiñán, A. C. (2012). Diseño de sistemas fotovoltaicos. Pág. 9. .................................................................................................................... 26 Figura 4 Vista de las tres terrazas del Edificio Sabio Caldas de la Universidad Distrital F.J.C. (Elaboracion propia, elaboracion propia, 2018) ................................................................................ 35 Figura 5 Fotografía satelital de las instalaciones de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. (Elaboracion propia, elaboracion propia, 2018) ................................................................................ 36 Figura 6 Vista de las dos terrazas del edificio Suarez copete de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. (Elaboracion propia, elaboracion propia, 2018) (google, s.f.) ................................................. 37 Figura 7 Terraza del 8vo piso. Terraza 2. (Distrital) ......................................................................... 38 Figura 8 Terraza del 7mo piso. Terraza 3. (Distrital) ........................................................................ 39 Figura 9 Vista isométrica Edificio Sabio Caldas. (Elaboración propia en Revit-Autodesk) .................... 40 Figura 10 Registro fotográfico de la terraza 1. (Elaboracion propia, elaboracion propia, 2018) .............. 41 Figura 11 registro fotográfico de la terraza 2. (Elaboracion propia, elaboracion propia, 2018) ............... 42 Figura 12 Registro fotográfico de la terraza 3. (Elaboracion propia, elaboracion propia, 2018) .............. 43 Figura 13 Terraza del décimo piso del edificio Sabio Caldas. Terraza 1. (Elaboracion propia, Elaboracion propia en Autocad autodesk) ......................................................................................................... 44 Figura 14 Terraza del octavo piso del Edificio Sabio Caldas. Terraza 2. (Elaboracion propia, Elaboracion propia en Autocad autodesk) ......................................................................................................... 44 Figura 15 Terraza del séptimo piso. Terraza 3. (Elaboracion propia, Elaboracion propia en Autocad autodesk) .................................................................................................................................... 45 Figura 16. Solsticios y equinoccios de la tierra ................................................................................ 46 Figura 17 Trayectoria del sol ......................................................................................................... 47 Figura 18 Posición del sol según observador en equinoccios y solsticios. ............................................ 48 Figura 19 Angulo acimutal. ........................................................................................................... 50 Figura 20 Ddescripción ángulos terrestres para la latitud. .................................................................. 51 Figura 21 Diagrama de trayectoria.................................................................................................. 52 Figura 22 vista sur oriental de la instalación sobre las tres terrazas. (Elaboración propia en RevitAutodesk).................................................................................................................................... 60 Figura 23 Vista Nor-oriental de la instalación sobre las tres terrazas. (Elaboración propia en RevitAutodesk).................................................................................................................................... 61 Figura 24 Vista frontal de la terraza 2 en la actualidad renderizada. (Elaboracion propia, Elaboracion propia en Autocad autodesk) ......................................................................................................... 62 Figura 25Vista superior de la terraza 2 en la actualidad en modo diseño. (Elaboracion propia, Elaboracion propia en Autocad autodesk) ......................................................................................................... 62 7.

(8) Figura 26 Vista lateral elevada de la terraza 2 en la actualidad en modo diseño. (Elaboracion propia, Elaboracion propia en Autocad autodesk) ....................................................................................... 63 Figura 27 Vista lateral elevada de la terraza 2 renderizada. (Elaboracion propia, Elaboracion propia en Autocad autodesk)........................................................................................................................ 63 Figura 28 Vista superior de la terraza 2 renderizada. (Elaboracion propia, Elaboracion propia en Autocad autodesk) .................................................................................................................................... 64 Figura 29 Vista frontal de la terraza 2 con diseño renderizada. (Elaboracion propia, Elaboracion propia en Autocad autodesk)........................................................................................................................ 65 Figura 30 Vista elevada de la terraza 2 con diseño renderizada. (Elaboracion propia, Elaboracion propia en Autocad autodesk) ................................................................................................................... 65 Figura 31 Vista frontal de la terraza 2 con diseño renderizada. (Elaboracion propia, Elaboracion propia en Autocad autodesk)........................................................................................................................ 66 Figura 32 Vista posterior elevada de la terraza 2 con diseño en modo diseño. (Elaboracion propia, Elaboracion propia en Autocad autodesk) ....................................................................................... 66 Figura 33 Vista frontal elevada con diseño en modo diseño. (Elaboracion propia, Elaboracion propia en Autocad autodesk)........................................................................................................................ 67 Figura 34 Vista posterior elevada de la terraza 3 con diseño en modo diseño. (Elaboracion propia, Elaboracion propia en Autocad autodesk) ....................................................................................... 67 Figura 35 Vista frontal elevada con diseño de la terraza 3 en modo diseño. (Elaboracion propia, Elaboracion propia en Autocad autodesk) ....................................................................................... 68 Figura 36 Vista frontal de terraza 3 con diseño Renderizada. (Elaboracion propia, Elaboracion propia en Autocad autodesk)........................................................................................................................ 68 Figura 37Vista posterior de terraza 3 con diseño renderizada. (Elaboracion propia, Elaboracion propia en Autocad autodesk)........................................................................................................................ 69 Figura 38 Vista lateral elevada de la terraza 3 con diseño renderizada. (Elaboracion propia, Elaboracion propia en Autocad autodesk) ......................................................................................................... 69 Figura 39. Estudio solar del Edificio Sabio Caldas, Universidad Distrital Francisco José de Caldas. (Elaboración propia en Revit-Autodesk) ......................................................................................... 70 Figura 40 Solsticios 21-Jun y 21-Dic. (Elaboración propia en Revit-Autodesk) ................................... 71 Figura 41 Equinoccios 21-Mar y 21-Sept. (Elaboración propia en Revit-Autodesk) ............................. 72 Figura 42 Comportamiento de sombras para el dia 21 de junio terraza 1. (Elaboración propia, Elaboración propia en Revit-Autodesk) ............................................................................................................ 73 Figura 43 Comportamiento de sombras para el dia 21 de junio terraza 2. (Elaboración propia, Elaboración propia en Revit-Autodesk) ............................................................................................................ 74 Figura 44 Comportamiento de sombras para el dia 21 de junio terraza 3. (Elaboración propia, Elaboración propia en Revit-Autodesk) ............................................................................................................ 75 Figura 45 Comportamiento de sombras para el dia 21 de diciembre terraza 1. (Elaboración propia, Elaboración propia en Revit-Autodesk) .......................................................................................... 76 Figura 46 Comportamiento de sombras para el dia 21 de diciembre terraza 2. (Elaboración propia, Elaboración propia en Revit-Autodesk) .......................................................................................... 77 8.

(9) Figura 47 Comportamiento de sombras para el dia 21 de diciembre terraza 3. (Elaboración propia, Elaboración propia en Revit-Autodesk) .......................................................................................... 78 Figura 48 Comportamiento de sombras para el dia 21 de marzo terraza 1. (Elaboración propia, Elaboración propia en Revit-Autodesk) .......................................................................................... 79 Figura 49 Comportamiento de sombras para el dia 21 de marzo terraza 2. (Elaboración propia, Elaboración propia en Revit-Autodesk) .......................................................................................... 80 Figura 50 Comportamiento de sombras para el dia 21 de marzo terraza 3. (Elaboración propia, Elaboración propia en Revit-Autodesk) .......................................................................................... 81 Figura 51 Comportamiento de sombras para el dia 21 de septiembre terraza 1. (Elaboración propia, Elaboración propia en Revit-Autodesk) .......................................................................................... 82 Figura 52 Comportamiento de sombras para el dia 21 de septiembre terraza 2. (Elaboración propia, Elaboración propia en Revit-Autodesk) .......................................................................................... 83 Figura 53 Comportamiento de sombras para el dia 21 de septiembre terraza 3. (Elaboración propia, Elaboración propia en Revit-Autodesk) .......................................................................................... 84 Figura 54 Incidencia de sombras para equinoccios y solsticios en las terrazas 1, 2 y 3. (Elaboración propia, Elaboración propia en Excel., 2018) .................................................................................... 85 Figura 55 Proyección a 25 años del consumo energético del Edificio Sabio Caldas .............................. 87 Figura 56. Consumo de combustible por tonelada /día del barco para Carga General. (Chile., 2018) ...... 88 Figura 57 Equivalente de KgCO2e/ton de combustible por tonelada transportada. (Chile., 2018) ........... 89 Figura 58 Distancia terrestre y huella de carbono equivalente. (transporte., 2018) (Elaboración propia, Elaboración propia en Excel., 2018) ............................................................................................... 89 Figura 59 Producción kW-h por panel. (Elaboración propia, Elaboración propia en Excel., 2018) ......... 90 Figura 60 Cálculos de consumo de KgCO2e/kW-h. (Elaboración propia, Elaboración propia en Excel., 2018) .......................................................................................................................................... 90 Figura 61 Comparación de emisiones de dióxido de carbono entre generación del SIN y PV-S por promedio mensual típico. (Elaboración propia, Elaboración propia en Excel., 2018) ............................ 92 Figura 62 Comparación de Kg CO2 eq/kW-h a 25 años entre generación del SIN y PV-S. (Elaboración propia, Elaboración propia en Excel., 2018) .................................................................................... 93 Figura 63 Compromiso de Colombia en el COP 21 actualizado a 28-10-2018. (ambiente, 2015) ........... 94 Figura 64 Viaje desde Qingdao hasta Busan. (Elaboración propia, Elaboración propia utilizando Google Earth Pro., 2018) .......................................................................................................................... 95 Figura 65 Viaje desde Busan a Tokio. (Elaboración propia, Elaboración propia utilizando Google Earth Pro., 2018) .................................................................................................................................. 95 Figura 66 Viaje desde Tokio hasta Ensenada. (Elaboración propia, Elaboración propia utilizando Google Earth Pro., 2018) .......................................................................................................................... 96 Figura 67 Viaje desde Ensenada por la costa. (Elaboración propia, Elaboración propia utilizando Google Earth Pro., 2018) .......................................................................................................................... 96 Figura 68 Viaje desde Ensenada hasta Buenaventura. (Elaboración propia, Elaboración propia utilizando Google Earth Pro., 2018)............................................................................................................... 97. 9.

(10) Figura 69 Viaje optativo al vertedero sanitario de Doña Juana. (Elaboración propia, Elaboración propia utilizando Google Earth Pro., 2018) ............................................................................................... 97. 10.

(11) LISTA DE ECUACIONES Ecuación 1 Funcionamiento de una celda solar ................................................................................ 23 Ecuación 2 Explicación del MPP ................................................................................................... 24 Ecuación 3 Identidad del MPP ....................................................................................................... 25 Ecuación 4 Ecuación de una célula solar. ........................................................................................ 26 Ecuación 5. Potencia activa del generador fotovoltaico (Hernandez, 2012) ......................................... 54. 11.

(12) LISTA DE TABLAS Tabla 1 Horas de sol promedio mensuales. (IDEAM, Atlas radiacion, horas de sol promedio, 2018)...... 53 Tabla 2 Tamaño del sistema fotovoltaico. (Elaboración propia, Elaboración propia en Excel., 2018) ..... 55 Tabla 3 Especificaciones técnicas de los paneles solares disponibles en el mercado colombiano (elaboracion propia, 2018)............................................................................................................. 55 Tabla 4 Especificaciones de paneles para posible selección. (Elaboración propia, Elaboración propia en Excel., 2018) ............................................................................................................................... 56 Tabla 5 Selección de inversores ON-GREED. (Elaboración propia en Excel., 2018) ............................ 57 Tabla 6 Especificaciones técnicas de los inversores ON-GREED. (Elaboración propia en Excel., 2018). 58 Tabla 7 Cálculo de conductores y protecciones eléctricas (Elaboración propia en Excel., 2018) ............ 58 Tabla 8 Promedio energético anual del Edificio Sabio Caldas ........................................................... 86 Tabla 9 Tabla comparativa de energía consumida desde el SIN con la instalación del sistema. (Elaboración propia, Elaboración propia en Excel., 2018) ................................................................. 92 Tabla 10 Recuperación de Kg CO2 eq/kW-h del PV-S. (Elaboración propia, Elaboración propia en Excel., 2018) .......................................................................................................................................... 93 Tabla 11 Tabla de Costos iniciales. (Elaboración propia, Elaboración propia en Excel., 2018) .............. 98 Tabla 12 Tabla de amortización para el diseño. (Elaboración propia, Elaboración propia en Excel., 2018) .................................................................................................................................................. 99 Tabla 13 Flujo de caja del proyecto en etapa de diseño. (Elaboración propia, Elaboración propia en Excel., 2018) ............................................................................................................................. 100 Tabla 14 Resultados de estudio económico del proyecto. (Elaboración propia, Elaboración propia en Excel., 2018) ............................................................................................................................. 101. 12.

(13) LISTA DE SIGLAS CREG: Comisión de regulación de energía y gas. UPME: Unidad de planeación minero energética. FNCER: Fuentes no convencionales de energía renovable. IDEAM: Instituto de hidrología, meteorología y estudios ambientales. PR: Factor de rendimiento del generador fotovoltaico. kWp: Kilo vatio pico. NREL: National Renewable Energy Laboratory PEN: Plan energético nacional colombiano SIN: Sistemas interconectado nacional colombiano MME: Ministerio de minas y energía colombiano ZNI: Zonas no interconectadas MDL: Mecanismo de desarrollo limpio URE: Uso racional de la energía PROURE: Programa para el uso racional de la energía GEI: Gases de efecto invernadero SFCR: Sistema fotovoltaico conectado a la red PV-S: Sistema solar fotovoltaico. 13.

(14) kW-h: Kilo vatio por hora Kg CO2 eq: Kilo gramos de dióxido de carbono equivalente. TIR: Tasa interna de retorno TD: Tasa de descuento TER: Tasa externa de descuento TUR: Tasa única de retorno VPN: Valor presente neto TO: Tasa de oportunidad. 14.

(15) 1. INTRODUCCIÓN Con la inclusión de la ley 1715 del 2014 dentro del marco regulatorio del sector energético por parte del ministerio de minas y energía, se abrió una gran puerta al desarrollo de las energías no convencionales, siendo la solar fotovoltaica una de las más apetecidas dentro del sector. No sólo por los grandes avances que ha tenido este tipo de tecnología durante la última década (en cuanto a calidad y eficiencia de los paneles, algoritmos de los inversores, cantidad de fabricantes y opciones de mercado), sino por las facilidades en cuanto a instalación y localización de los mismos. tal como se puede apreciar en (UPME, Registro de proyectos de generación, 2016), donde se hace una revisión de los proyectos que están en ejecución o próximos a iniciar; se observa que la capacidad de energía solar a aprovecharse es de sólo 733 MW, siendo superada por la eólica con 1.285 MW, la térmica con 2.138 MW y, obviamente la hidráulica con 4208 MW; pero en cuanto al número de proyectos enfocados al desarrollo de la energía solar fotovoltaica es de 127 de los 234. Es decir que más del 54% de los proyectos que se están implementando en Colombia son de naturaleza solar. Otro aspecto importante a señalar es que en el mundo ha venido tomando fuerza algo que se ha denominado “transición energética”. Algunos lo definen como un conjunto significativo de cambios en los patrones de uso de energía en una sociedad, viéndose afectados los recursos, los portadores, los equipos y los servicios energéticos”. Dicha transición está caracterizada por un cambio hacia energías renovables como principal medio de producción energética, reduciendo progresivamente la producción con combustibles fósiles y carbón. La principal causa de dicha transición ha sido la preocupación de los países desarrollados por el cambio climático y la producción de dióxido de carbono. La otra preocupación es la seguridad en la oferta energética y la diversificación de la canasta; sin dejar a un lado la dificultad de continuar renovando y expandiendo la red de transmisión, esto debido a los costos, problemas de servidumbres y oposición a su construcción. Se ha buscado así un cambio de la producción centralizada y alejada de los puntos de consumo a una producción o generación distribuida, cercana a estos y de tamaño pequeño (UPME, 2015). Si se atiende a lo mencionado anteriormente esto implica que el número de actores aumentará considerablemente haciéndose necesario un cambio en la forma de operar y conectar los sistemas eléctricos. Siendo lo anterior, sin duda alguna la razón por la cual el ministerio de minas y energía a través de la CREG con la resolución 030 de 2018 define el mecanismo para que los usuarios residenciales de todos los estratos, comerciantes y pequeñas industrias puedan producir 15.

(16) energía para atender sus necesidades y, además, poder vender sus excedentes al sistema interconectado, siempre y cuando la producción no supere 1 MW.. 1.1. ANTECEDENTES Y MARCO REFERENCIA La historia de la energía solar como tal empieza en el siglo pasado pero las bases para poder llegar a esta se originan hace casi 200 años. En 1839 se descubre el efecto fotovoltaico, siendo el científico francés Edmond Becquerel quien realiza tal descubrimiento; más tarde, de 1873 a 1876 se descubre la fotoconductividad en el selenio gracias el ingeniero eléctrico inglés Willoughby Smith; tres años más tarde William Grylls Adams y Richard Evans Day aprendieron que el selenio puede producir energía eléctrica sin usar calor o partes móviles que se puedan romper (authority, 2018). Para el año de 1833 el inventor neoyorquino Charles Fritts crea la primera celda solar al revestir selenio con una capa de oro, esta celda logra tener una eficiencia que oscila entre el 1 y 2 %. El alemán Heinrich Hertz observa por primera vez el efecto fotoeléctrico donde la luz es usada para liberar electrones de una superficie sólida (usualmente un metal) para así generar energía (authority, 2018). Entre 1953 y 1956 científicos en laboratorios Bell descubren que el silicio es más eficiente que el selenio, creando una celda solar con una eficiencia del 6%. Este descubrimiento conduce a unas celdas solares capaces de energizar equipos eléctricos. ya en el año de 1956 Western Electric empezó a vender licencias para sus tecnologías fotovoltaicas, pero debido al alto precio de producción del silicio no se puede realizar una saturación en el mercado (authority, 2018). Dos años más tarde las celdas solares son financiadas por el gobierno estadounidense en el primer satélite alimentado por celdas solares, el Vanguardia 1, esta forma de uso ayuda a que se realicen investigaciones para disminuir los costos de producción y así poder incrementar la misma (authority, 2018). Para la década de los 70, debido a los altos precios del petróleo se eleva la demanda por las celdas solares. La empresa Exxon financia una investigación para realizar paneles solares con materiales de menor costo, pasando así de 100 usd por vatio a un rango entre 20 y 40 usd por. 16.

(17) vatio. El gobierno estadounidense crea leyes amigables con las celdas solares creando el laboratorio nacional de energía renovable (NREL, por sus siglas en inglés) (authority, 2018) Arco solar construye la primera planta de energía solar en Hesperia, California en 1982, generando 1 MW por hora al operar en capacidad nominal. en 1983 construyen una segunda planta teniendo una capacidad total de 5.2 MW a capacidad nominal. Pero empiezan a perder popularidad debido al petróleo. Thomas Fauldy en 1955 patenta un toldo retráctil con células solares integradas, siendo esta una de las primeras veces que se utilizan celdas solares en vehículos de uso recreativo (authority, 2018) Avanzando en la década de los 90, entre 1994 y 1999 se crean nuevas celdas solares de arseniuro de galio y de fosfuro de galio en indio que supera el 30% de eficiencia en 1934. al final del siglo NREL crea una película delgada que convierte el 32% de la luz solar en energía utilizable (authority, 2018) Ya en el siglo XXI, en el año 2015 se pueden manufacturar paneles solares tan delgados como un papel, los cuales tienen un 20% de eficiencia en la conversión. en el 2016 una investigación en la universidad de California, Berkeley y la universidad nacional de Australia descubren nuevas propiedades de nanomateriales. Una de ellas llamada dispersión hiperbólica magnética, la cual convierte calor en electricidad sin necesidad de luz solar (REN21, 2017) Para ese mismo año se vieron varios desarrollos y tendencias que tienen incidencias en las energías renovables, la continuación de los comparativamente bajos de los combustibles fósiles; la disminución dramática de costos de varias tecnologías de energía renovable y, un aumento continuo en la atención al almacenamiento de energía. Hasta el 2017 y durante tres años consecutivos el nivel de carbono global relacionado con las emisiones de dióxido de carbono de combustibles fósiles y de la industria se mantuvieron casi constantes. En 2016 debido en gran parte a la disminución del uso del carbón en todo el mundo, pero también debido a las mejoras en la eficiencia energética y el uso creciente de la energía renovable (REN21, 2017) A partir del 2015, la energía renovable proporcionó un estimado de 19.3% de consumo de energía global y su crecimiento en capacidad y producción continuó en 2016. La mayoría de la nueva capacidad de energía renovable se instala en países en vía de desarrollo y principalmente en China, el mayor desarrollador individual de energía renovable en los últimos ocho años (REN21, 2017) 17.

(18) El sector de las energías renovables empleó a 9.8 millones de personas en 2016, un aumento del 1.1% respecto al 2015. Por tecnología, la solar fotovoltaica y los biocombustibles proporcionaron la mayor cantidad de empleos. El empleo se desplazó aún más hacia Asia que representó el 62% de todos los trabajos proporcionados por la energía renovable (REN21, 2017). El desarrollo de proyectos comunitarios de energía renovable continuó en 2016, pero el ritmo de crecimiento en algunos países está en disminución. En una nueva tendencia, tales proyectos han empezado a expandirse a venta minorista de energía(suministro), almacenamiento y gestión del lado de la demanda (REN21, 2017). La política gubernamental en todos los niveles siguió siendo para los desarrollos energéticos de las energías renovables. El acuerdo de París de 2015 de la convención marco de las naciones unidas sobre el cambio climático (CMNUCC) entró formalmente en vigor en la vigésima segunda conferencia de las partes (COP22) en noviembre de 2016. Varios gobiernos implementaron nuevos objetivos de energía renovable, y varias ciudades establecieron nuevos compromisos de 100% de energías renovables. A pesar de la importancia de los sectores del calor y el transporte para la demanda de energía y las emisiones globales, los responsables políticos se enfocaron predominantemente en el sector energético (REN21, 2017). En Colombia el desarrollo de las energías renovables es un tema el cual está en desarrollo. Actualmente hay proyectos base con los cuales se ha demostrado ser una inversión tecnológica donde ésta se puede recuperar en el mediano plazo. A continuación, se nombran algunos casos en Bogotá. El primero es un caso de gran relevancia presentado en el colegio distrital Ramón Jimeno, ubicado en el barrio la Macarena del centro de Bogotá, con 148 paneles fotovoltaicos de 240 vatios pico cada uno; con una inversión de 480 millones de pesos por parte de la empresa de acueducto y alcantarillado de Bogotá inculcando así en los estudiantes el respeto por el medio ambiente enmarcando la educación dentro del desarrollo sostenible (Codensa, 2017). En mayo del año 2013, en el colegio Benjamín Herrera su laboratorio de química es un área especializada iluminada totalmente con energía solar, generando un ahorro cercano a los dos millones de pesos anuales en gastos por iluminación (ESAD, 2014).. 18.

(19) Otro caso de uso de energía solar dentro del sistema educativo es el presentado en el colegio Gimnasio Vermont desarrollado por CODENSA con un sistema de 40 paneles solares de 250 vatios pico, para una potencia total instalada de 10kW (Codensa, 2017). Con la ayuda de Panasonic y una inversión cercana a los $500 mil dólares, la superficie comercial genera 268,5 KWp de energía limpia a través de 1.053 paneles solares policristalinos, que permitirán ahorros significativos. Ubicado en la terraza del edificio Alkosto de la Avenida 68. Este es el segundo desarrollo de este tipo que logra Alkosto junto a Panasonic en Colombia. El primero está en Cali de 114 KWp, con el cual, han logrado importantes avances en temas de eco-eficiencia. Esta nueva implementación, tomó cerca de dos meses y se estima que reducirá 234,2 toneladas de CO2 al año, además, generará 916,89 KWh (kilovatios hora) por día, unos 334,61 MWh (Megavatios hora) por mes al año. Este sistema on-grid está proyectado a 20 años con lo cual se busca, en total, que se puedan reducir aproximadamente 4.684 toneladas de CO2 (ESAD, 2014).. 1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El concejo de Bogotá, en el acuerdo 655 de 2016, “por el cual se establece el uso de fuentes no convencionales de energía FNCE en el distrito capital”. el cual a su vez en su artículo primero establece: La administración distrital implementará de manera progresiva la utilización de fuentes no convencionales de energía FNCE en la red de alumbrado público del distrito capital y en las edificaciones de propiedad de la entidad de administración distrital, con el fin de promover el desarrollo sostenible y la seguridad en la prestación de abastecimiento del servicio energético en la ciudad (Concejo de Bogotá, 2016). Además de plantea la disminución del consumo energético proveniente de la red por parte de la universidad distrital Francisco José de Caldas. Esto debido a la lucha actual contra el cambio climático. Por lo tanto, surge la siguiente pregunta, ¿Se puede implementar un sistema energético solar fotovoltaico para disminuir el consumo de energía eléctrica proveniente de la red tradicional dentro de la universidad y más específicamente en la sede en el edificio sabio caldas de la facultad de ingeniería? 19.

(20) 1.3 OBJETIVOS 1.3.1. OBJETIVO GENERAL Diseñar un sistema solar fotovoltaico con inyección a la red, para cubrir parcialmente el consumo energético aprovechando el área máxima disponible para implementar el sistema de generación dentro del Edificio Sabio Caldas, perteneciente a la facultad de Ingeniería de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas en la ciudad de Bogotá D.C. 1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ● Determinar el tamaño máximo en kW de la instalación fotovoltaica con base en el área máxima disponible para la ubicación de los paneles en el edificio Sabio Caldas a partir de las especificaciones arquitectónicas y, de la demanda energética actual tomando datos históricos de facturación eléctrica del edificio. ● Estimar la demanda energética futura o proyectada de acuerdo con los planes de crecimiento en el edificio sabio caldas. ● Realizar el cálculo referente a las emisiones de CO2 que se disminuirían por la implementación del sistema solar fotovoltaico. ● Realizar el análisis financiero y económico de la inversión. ● Elaborar un sistema de información en Excel que permita realizar un diseño aproximado para futuros sistemas solares fotovoltaicos a implementar en la universidad. 1.4. ALCANCE DEL PROYECTO La realización de este diseño busca mostrar los ahorros que se logran, tanto económicos como ambientales (disminución de contaminación con respecto a ciertos tipos de generación). Dejando sentadas bases para diseños futuros en otras sedes; además, se busca mostrar la viabilidad de implementar este tipo de tecnologías.. 20.

(21) 1.5. ESTRUCTURA DEL PROYECTO El presente trabajo se encuentra organizado en 5 capítulos; tomando el primer capítulo como la introducción, la cual consta de siete sub índices explicando las bases de la teoría y el por qué se llega a la necesidad de pensar en este tipo de diseño. En el capítulo dos se trata el diseño, constando de 5 sub índices es la parte base del trabajo, ya que en él se explica todos los cálculos que se realizan y trabajos extra para el diseño. Después en el capítulo tres se trata un tema fundamental, las emisiones de carbono, y consta de dos sub índices. Los estudios económicos se tratan en el capítulo cuatro. Para terminar, se tienen las conclusiones y recomendaciones las cuales se encuentran en el capítulo cinco. 1.6. MARCO TEÓRICO En este capítulo se tratarán los temas que permiten entender a fondo el diseño de un sistema de generación de energía fotovoltaica.. 1.6.1. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CON INYECCIÓN A LA RED ON-GRID. Para poder entender mejor el funcionamiento de un sistema solar fotovoltaico, se hace necesario introducir ciertos conceptos y definiciones que serán de gran utilidad dentro del desarrollo de este trabajo. Un sistema fotovoltaico conectado a la red SFCR, es un sistema cuya función es producir energía eléctrica en condiciones adecuadas para poder ser inyectada en la red convencional. un SFCR se compone del generador fotovoltaico, un inversor DC/AC y un conjunto de protecciones eléctricas tal como se puede apreciar en la figura 1.. Figura 1 Diagrama de un PV-S con conexión a la red. Oscar Perpiñán, A. C. (2012). Diseño de sistemas fotovoltaicos. Pág. 15.. 21.

(22) La energía producida por este sistema será consumida parcial o totalmente en las cercanías, y la energía sobrante será inyectada en la red para su distribución a otros puntos de consumo (Oscar Perpiñan, 2012). En lugares que disponen de electricidad, la conexión a red de los sistemas fotovoltaicos contribuye a la reducción de emisiones de dióxido de carbono (CO2) a la atmósfera. Al instalar un sistema fotovoltaico conectado a la red, se dispone de una minicentral eléctrica que inyecta kWh verdes a la red para que se consuman allí donde sean demandados lo que elimina las pérdidas de transporte en electricidad (Oscar Perpiñan, 2012). Tradicionalmente se distingue entre sistemas instalados sobre el suelo y edificación, dentro de los instalados en el suelo existen los sistemas estáticos, con una inclinación y orientación fija, y los sistemas de seguimiento que varían la posición del generador a lo largo del día y año para maximizar la radiación efectiva incidente. En los instalados sobre edificación es frecuente diferenciar los sistemas según el grado de integración del sistema con el edificio. El documento HE5 del código técnico de la edificación (España) considera tres casos en los que a disposición de módulos se refiere: general, superposición de módulos e integración arquitectónica. Considera que existe integración arquitectónica cuando los módulos cumplen una doble función energética y arquitectónica y además sustituyen elementos constructivos convencionales o son elementos constituyentes de la composición arquitectónica. Se supone que existe superposición arquitectónica cuando la colocación se realiza paralela a la envolvente del edificio (Oscar Perpiñan, 2012). El diseño sobre suelo tiene como objetivo maximizar la producción energética anual del sistema con el menor coste y la menor ocupación de terreno posibles. El diseño de un sistema en edificación es frecuentemente más complejo que sobre el suelo. La integración del sistema fotovoltaico con el edificio exige tener en cuenta muchos factores que condicionan la ubicación y configuración del generador. Así, la inclinación y orientación ya no puede ser elegida para optimizar la producción energética, sino que las características propias del edificio y de los elementos que alberga obligan muy frecuentemente a optar por ángulos que difieren el óptimo. En este tipo de sistemas, el diseñador debe tomar las decisiones oportunas para aprovechar las sinergias entre edificio y sistema fotovoltaico reduciendo las posibles interferencias entre uno y otro (Oscar Perpiñan, 2012).. 22.

(23) 1.6.2. DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS. Se hará entonces un breve resumen de los aspectos más importantes sobre el funcionamiento de los dispositivos pertenecientes a un sistema fotovoltaico.. 1.6.2.1 FUNCIONAMIENTO DE UNA CELULA SOLAR. La corriente de un celular solar es un balance entre la fotocorriente y la corriente de oscuridad que, a su vez, depende de la tensión aplicada en los terminales del dispositivo. Esta relación se presenta en la ecuación 1. Cuando la tensión aplicada es nula (la célula está cortocircuitada) la corriente se debe exclusivamente a la fotocorriente. El valor de la corriente permanece casi constante hasta las cercanías del valor de tensión en el que el diodo comienza a conducir. A partir de este punto la corriente disminuye abruptamente hasta alcanzar un valor nulo (célula en circuito abierto) en el punto donde la fotocorriente y la corriente de oscuridad quedan compensadas. Los dos puntos extremos de cortocircuito y circuito abierto quedan definidos con dos parámetros, la corriente de cortocircuito, Isc, y la tensión de circuito abierto, Voc. Estos dos parámetros suelen estar disponibles en la información asociada a una célula. en función de ellos se puede escribir la ecuación 1 que describe la curva característica de una célula (Oscar Perpiñan, 2012).. Ecuación 1 Funcionamiento de una celda solar. 1.6.2.1.1. PUNTO DE MÁXIMA POTENCIA Superpuesta a la curva corriente-tensión, la figura 2 incluye la relación entre la potencia y la tensión. Es evidente la presencia de un máximo que adquiere el nombre de punto de máxima potencia MPP. la localización de este punto viene dada por la condición 𝑑𝑃⁄𝑑 𝑉 = 0. La 23.

(24) potencia entregada por la célula en este punto será la considerada como potencia nominal. Las unidades de esta potencia son vatios pico (Wp), reflejando la idea de potencia máxima alcanzable.. Figura 2 Punto de potencia máxima. Oscar Perpiñán, A. C. (2012). Diseño de sistemas fotovoltaicos. Pág. 8. dado que la célula funciona en corriente continua su potencia es 𝑑𝑃⁄𝑑 𝑉 P = V*I y, por tanto. Ecuación 2 Explicación del MPP. 24.

(25) Antes de este punto, 𝑑𝑃⁄𝑑 𝑉 > 0 o, de forma equivalente, 𝑑𝑃⁄𝑑 𝑉 > −𝐼 ⁄𝑉 . En este punto el circuito abierto 𝑑𝑃⁄𝑑 𝑉 < 0 o, de forma equivalente, 𝑑𝑃⁄𝑑 𝑉 < −𝐼⁄𝑉 . En el punto de máxima potencia se cumplirá (Oscar Perpiñan, 2012): Ecuación 3 Identidad del MPP. 1.6.2.1.2. CONDICIONES ESTÁNDAR DE MEDIDA Se definen unas condiciones de funcionamiento, denominadas condiciones estándar de medida STC, standard test conditions por sus siglas en inglés, válidas para caracterizar una célula o un módulo en un laboratorio de medida. Estas condiciones vienen determinadas por (Oscar Perpiñan, 2012): ● Irradiancia: Gstc = 1000 W/m2 con incidencia normal. ● Temperatura de la célula: Tc = 25°C ● Masa de aire = AM = 1.5. 1.6.2.1.3. CIRCUITO EQUIVALENTE DE UNA CÉLULA SOLAR Para analizar el comportamiento en un circuito es conveniente emplear esquemas eléctricos que permitan dicho ejercicio. La corriente fotogenerada puede ser modelada con un generador de corriente, mientras que la corriente de oscuridad puede ser representada con un diodo, tal y como se muestra en la figura 3. En esta se incluyen una resistencia en serie y una resistencia en paralelo.. 25.

(26) Figura 3 Circuito equivalente de célula solar. Oscar Perpiñán, A. C. (2012). Diseño de sistemas fotovoltaicos. Pág. 9.. La resistencia en serie representa la resistencia debida a los contactos metálicos con el semiconductor, a las capas semiconductoras y a la malla de metalización. Esta resistencia reduce principalmente el factor de forma y, en menor medida la corriente de cortocircuito. Una vez conocidos los valores de los cuatro parámetros eléctricos de la célula (Isc, Voc, Impp, Vmpp), es posible obtener el valor de Rs a partir de la ecuación 4 con la información que el fabricante suministra sobre las corrientes y tensiones del dispositivo (Oscar Perpiñan, 2012):. Ecuación 4 Ecuación de una célula solar.. 26.

(27) 1.6.3 ESTUDIO ECONÓMICO-FINANCIERO Es un estudio que se realiza en aras de identificar los costos, saber en cuanto tiempo se paga (tabla de amortización), sacar las tasas de interés para saber qué tan rentable es el proyecto. (Samuelson) 1.6.3.1 TABLA DE AMORTIZACIÓN Es una tabla en la cual se organiza el calendario de pagos que se deben realizar para finiquitar la deuda o la inversión de un proyecto. (Samuelson) 1.6.3.2 TASA INTERNA DE RETORNO Es un valor que da la medida relativa de rentabilidad, siendo expresada de manera porcentual. Para proyectos de interés social este valor debe ser mayor que la tasa de oportunidad la cual se toma del 12%. (Samuelson). 1.6.3.3 TASA DE OPORTUNIDAD Es la ganancia a la que se está renunciando al elegir un proyecto, incluyendo los beneficios que se pudieran obtener al haber escogido la opción alternativa. (Samuelson) 1.6.3.4 TASA EXTERNA DE RETORNO Es la forma en que se calcula una tasa de rendimiento al solo existir una inversión, ahorro o ingreso uniforme de efectivo al final del proyecto de inversión. (Samuelson) 1.6.3.5 TASA ÚNICA DE RETORNO Es un método para valorar la inversión que permite analizar de manera mas eficiente donde se presentan cambios de signo en más de una ocasión en los flujos de caja de proyectos no convencionales. Su principal ventaja es que garantiza la existencia de una sola tasa, al eliminar en los patrones del flujo los problemas al introducir la reinversión de los ingresos y costo de los egresos a las tasas diferentes de la TIR. (Samuelson). 27.

(28) 1.6.3.6 TASA DE DESCUENTO Tasa que se aplica para poder determinar el valor actual de un pago futuro. (Samuelson). 1.6.3.7 VALOR PRESENTE NETO Es un criterio que consiste en actualizar los cobros y pagos de un proyecto para saber si se tendrán ganancias o pérdidas. Para esto, se traen todos los valores del flujo de caja al valor presente descontándolos a un interés determinado. (Samuelson) 1.6.3.8 FLUJO DE CAJA Es una tabla en la que se expresan las entradas o salidas de caja o efectivo durante un periodo dado. En él se hace la acumulación neta de activos líquidos, gracias a esto se puede determinar la liquidez de una empresa. (Samuelson). 1.7. MARCO POLÍTICO DE LAS FUENTES NO CONVENCIONALES DE ENERGÍA. 1.7.1. CONFIGURACIÓN DE POLÍTICA ENERGÉTICA A NIVEL GENERAL EN COLOMBIA. En Colombia, la política energética se encuentra trazada por el plan energético nacional (PEN). Este es un documento elaborado por el ministerio de minas y energía MME, y a unidad de planeación minero energética UPME, donde se establecen las bases para la estructuración e implementación de una política energética en Colombia. Dicho plan se construye sobre la base de la actualidad energética colombiana y sobre el contexto económico nacional e internacional, lo que permite concluir pautas para el desarrollo energético del país.. 1.7.2. ANTECEDENTES DE POLÍTICA 1984-1992. De 1984 a 1991 la política consiste en la identificación y la promoción de programas y proyectos dirigidos principalmente al sector rural y zonas aisladas.. 28.

(29) Desde 1992 el país empieza a desarrollar intentos de planeación en las FNCE. Más que la formulación de un plan como tal, se buscaba crear el interés en diferentes agentes. Se reconocía que el interés nacional era más por tendencia internacional y se descarta las FNCE en el SIN por sus altos costos. El énfasis seguía en la ZNI. Adicionalmente, en 1992 el SIN muestra su vulnerabilidad ante problemas de hidrología críticas y la necesidad de contar con respaldo de generación firme térmica. El sector eléctrico es sometido a una profunda reestructuración ante su crisis institucional, financiera y energética lo cual concentra la atención de las políticas y la regulación hacia adelante (CorpEma, 2010).. 1.7.3. PERIODO DE 1993 – 2000 En este periodo se concreta e implementa la reestructuración del sector eléctrico. Se expide la ley 143 de 1994 para el sector eléctrico la cual sigue los postulados de economía de mercado fijados con la constitución de 1991, estableciendo como objetivo el abastecimiento confiable al menor costo, con las restricciones de confiabilidad y requisitos ambientales. La planeación se define como indicativa y se asigna a la UPME la función de elaborar el PEN y el plan de expansión del sector eléctrico (CorpEma, 2010). En ese mismo año, la ley 164 de 1994 aprobó la Convención Marco de las Naciones Unidas, adquiriendo así el país los compromisos asignados a países en desarrollo en cuanto a contar con inventarios de emisiones y formular programas con medidas orientadas a mitigar el cambio climático (CorpEma, 2010). El plan energético 1997-2010 presenta lineamientos y acciones para la articulación de lo ambiental y lo energético constituyendo una base importante en respuesta del país a la suscripción de la Convención Marco. En el PEN 1997-2010 las FNCE apenas se tocan en cuanto a posibles nichos de mercado y no constituyen realmente un centro de interés dentro de la formulación de la política energética. Sin articulación alguna con el PEN, el INEA elaboró el plan de Desarrollo de Energías Alternativas 1996-1998 publicado en 1995 como una recopilación de posibles proyectos (CorpEma, 2010). Como desarrollo de la aprobación de la Convención Marco, la ley 629 de diciembre de 2000 aprobó el protocolo de Kioto, permitiéndole así a Colombia hacer uso del Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL) (CorpEma, 2010).. 29.

(30) 1.7.4. PERIODO 2001 EN ADELANTE-RESURGIR DEL INTERÉS EN LA FNCE Y EL URE. Con la ley 697 de 2001 se declara como un asunto de interés social, público y de conveniencia nacional el Uso Racional de la Energía, incluyendo la promoción del uso de energías no convencionales, avanzando en la definición de un marco conceptual para estas energías, en la reasignación y precisión de funciones y en la exigencia de la conformación de un plan o programa para la promoción del URE por parte del MME conocido como PROURE. las energías consideradas son la solar, eólica, geotérmica, biomasa y PCH´s que no superen los 10 MW (CorpEma, 2010). La ley señala que para el uso de las FNCE el MME formulará los lineamientos de las políticas, estrategias e instrumentos, con prelación en las ZNI, dando así desde la ley misma una clara prioridad hacia las soluciones destinadas a estas regiones (CorpEma, 2010). Adicionalmente, la ley ordena que el gobierno nacional, a través de los programas que se diseñen, debe incentivar y promover a las empresas que importen o produzcan piezas, calentadores, paneles solares, generadores de biogás, motores eólicos y/o cualquier otra tecnología o producto que use las energías no convencionales (CorpEma, 2010). Tal como se puede apreciar, la ley 697 de 2001 no establece metas ni estímulos específicos, sino que los deja a nivel de enunciación. las metas y los estímulos económicos para fuentes en particular se han establecido siempre mediante ley como ha sido el caso de los biocombustibles por lo que no es claro en qué medida el gobierno nacional puede crear estímulos económicos bajo esas facultades. El único incentivo originado por la ley 697 es el establecido por la CREG para soluciones con FNCE en ZNI a través de una prima en la tasa de descuento por “riesgo tecnológico”. El decreto reglamentario 3683 de 2003 señala que el MME debe diseñar un programa acompañado de proyectos piloto para la promoción de fuentes renovables en las ZNI. para ser presentado ante el FAZNI los cuales serán prioritarios de acuerdo con lo establecido en la ley 697 de 2001 y harán parte del PROURE. Igualmente establece que Colciencias debe presentar al FAZNI programas o proyectos para la investigación y desarrollo tecnológico de fuentes renovables en las ZNI, las cuales también son prioritarios (CorpEma, 2010).. 30.

(31) En cuanto a mecanismos financieros, el Decreto 3683 de 2003 se limita a señalar que el MME, la CREG y la UPME, en coordinación con las entidades públicas pertinentes, deben identificar e implementar los modelos y fuentes de financiación para la gestión y ejecución del PROURE para lo cual se dió un plazo de cuatro meses, función que difícilmente ha trascendido del enunciado del decreto (CorpEma, 2010).. 1.6.4.1. INCENTIVOS TRIBUTARIOS - LEY 788 DE 2002 Esta ley permite la exención de rentas durante 15 años por venta de energía eléctrica obtenida a partir de biomasa, viento y residuos agrícolas, siempre y cuando la obtención o venta la obtención o venta de las reducciones de certificadas de emisiones de GEI se efectúe dentro de los términos del protocolo de Kioto y se invierta el 50% de los ingresos por este concepto en obras de beneficio social. También se exime del IVA a la importación de maquinaria y equipos destinados al desarrollo de proyectos o actividades que sean exportadores de certificados de reducción de emisiones de carbono y contribuyan a reducir la emisión de los GEI y, por lo tanto, al desarrollo sostenible (CorpEma, 2010). 1.7.4.2. PLAN DE DESARROLLO LEY 1151 DE 2007. En la parte resolutiva, el plan no desarrolla elemento alguno en relación con políticas para la FNCE. es decir, a nivel del máximo instrumento de planeación que es el Plan Nacional de Desarrollo, las FNCE no pasan de ser una simple intención.. 1.7.4.3 REGLAMENTACIÓN DE LA LEY 1715 DE 2014 PARA ENERGÍAS RENOVABLES NO CONVENCIONALES EN COLOMBIA. Dentro del marco del PND 2014-2018 se estableció la necesidad de conformar una sociedad más equitativa, es decir, disminuir la brecha socio-económica, latente especialmente en la población vulnerable, que se presenta como una problemática nacional la cual impide la construcción de una nación igualitaria en pro del desarrollo. De esta manera, uno de los objetivos fundamentales que el país se plantea es la posibilidad de manejar una cobertura del 100% en la prestación del servicio de energía eléctrica, aunque se ha 31.

(32) visto interrumpido por la dificultad de llevar el servicio público a regiones alejadas con gran complejidad de acceso, las famosas ZNI. Lo anterior se debe a restricciones especialmente económicas de los prestadores de servicio los cuales se desenvuelven en un entorno de economías de escala, en la que los costos incurridos por satisfacer la necesidad de energía eléctrica, demandada por parte de la población vulnerable, son demasiado altos lo que dificulta la generación de beneficios que arrojan los incentivos necesarios para cumplir el objetivo propuesto. Sin embargo, esta complejidad no se convierte en un impedimento y es por eso que por medio de la ley 1715 de mayo de 2014, se plantea la posibilidad de desarrollar y fomentar el uso de FNCE con el propósito de incentivar el URE y así mismo responder a la población que aún no cuenta con un servicio estable y de calidad. La Ley 1715, publicada el 13 de mayo del 2014, tiene como fin principal promover y regular la integración de las energías renovables no convencionales al Sistema Energético Nacional, con el fin de apoyar y fortalecer el abastecimiento a la demanda nacional de energía, pero enfocándose principalmente en las ZNI (Zonas no interconectadas). Lo que conlleva a ampliar el porcentaje de cobertura en zonas donde no es rentable prestar el servicio por los altos costos de instalación que estos suponen; esta generación de energía irá enfocada a suplir en primera medida las necesidades en las partes rurales donde hoy en día no hay cubrimiento del servicio de electricidad. (Energía, 2014) La ley en función de cumplir su objetivo principal plantea ciertos incentivos, entre ellos los siguientes, que buscan aumentar y consolidar la producción de FNCE en el país. ● Los obligados a declarar renta, que realicen directamente inversiones en este sentido, tendrán derecho a reducir anualmente de su renta el cincuenta por ciento (50%) del valor total de la inversión realizada, por los 5 años siguientes al año gravable en que hayan realizado la inversión. El valor a deducir por este concepto, en ningún caso podrá ser superior al 50% de la renta líquida de la contribuyente determinada antes de restar el valor de la inversión. ● Los equipos, elementos, maquinaria y servicios nacionales o importados que se destinen a la preinversión e inversión en la producción y utilización de energía a partir de las fuentes no convencionales, así como para la medición y evaluación de los potenciales recursos, estarán excluidos de IVA. Para tal efecto, el Ministerio de Medio Ambiente certifica los equipos y servicios excluidos del gravamen, con base en una lista expedida por la UPME.. 32.

(33) ● La depreciación acelerada será aplicable a las maquinarias, equipos y obras civiles necesarias para la preinversión, inversión y operación de la generación con FNCE, que sean adquiridos y/o construidos, exclusivamente para ese fin, a partir de la vigencia de la presente 1ey. Para tales efectos, la tasa anual de depreciación será no mayor de veinte por ciento (20%) como tasa global anual. (Energía, 2014) Estos tres incentivos planteados en la Ley 1715 evidencian el esfuerzo fiscal del gobierno por incentivar la producción de las energías renovables no convencionales, beneficiando en el corto y mediano plazo a los inversionistas interesados. Por un lado, se da la posibilidad de disminuir la renta líquida gravable por un tiempo, generoso, de 5 años, los cuales pueden ser mayores debido a las continuas reformas tributarias en el país. De otro lado, la exclusión del IVA es otro mecanismo importante para incentivar el consumo y uso de equipos, sin embargo, habrá un mayor esfuerzo si se cambia la formalidad de estos equipos a “exentos”, maniobra tributaria que incentivaría el comercio de estos y ayudaría a la formalización de la industria del sector, y por último la depreciación acelerada del 20% anual, lo que significa una reducción en los costos y deducciones que a su vez conllevan una menor carga tributaria para los inversionistas.. 2. DISEÑO TÉCNICO 2.1. CONDICIONES AMBIENTALES. El proyecto se desarrolla en la ciudad de Bogotá, Ubicada en el centro del país, la capital del país tiene una extensión aproximada de 33 Km de sur a norte, y 16 Km de oriente a occidente y se encuentra ubicada en las siguientes coordenadas: Latitud norte: 4° 35’ 56” y longitud oeste de Greenwich: 74° 04’ 51”. Está dentro de la zona de confluencia intertropical, produciendo dos épocas de lluvia; en la primera mitad del año en los meses de marzo, abril y mayo y en la segunda en los meses de septiembre, octubre y noviembre. Su altura media está ubicada en los 2.625 metros sobre el nivel del mar (Ubicación de la ciudad, 2017) Bogotá se caracteriza por tener un clima moderadamente frío, con cerca de 14°C promedio. Aun así por ser un clima tropical, el frío se acentúa en jornadas de lluvia o con poco sol, por otro lado, en los días muy soleados la sensación térmica puede incrementarse hasta los 23°C o más. 33.

(34) Aun cuando tiene una humedad aproximada cercana al 80%, los habitantes y visitantes no experimentan un clima húmedo, los habitantes y visitantes de la ciudad no experimentan un clima húmedo, pues en parte se ve compensado este exceso de agua con ráfagas de viento que hacen que la ciudad permanezca un poco más seca, especialmente en meses como enero a febrero, julio y agosto (El clima de Bogotá, 2017) Otro aspecto muy importante, por no decir que el más importante es el parámetro de radiación solar, la UPME que pertenece al ministerio de minas y energía y el IDEAM crearon en el 2005 un atlas de radiación que recopila la información que recopila la información básica de referencia para el aprovechamiento de la energía solar como una opción para el uso sostenible de los recursos energéticos, estableciendo el valor promedio diario de radiación por regiones (Solar, 2017).. 34.

(35) 2.2. CONDICIONES FÍSICAS Para las condiciones físicas se debe recopilar la información contenida en los siguientes aspectos: Fotos satelitales, Arquitectónicos (planos), Fotográficos y, levantamientos del campo (Medición en el lugar de las áreas disponibles). Conocer el espacio donde se implementará el proyecto evita errores en el diseño y garantiza la viabilidad del proyecto. 2.2.1. FOTOS SATELITALES. Figura 4 Vista de las tres terrazas del Edificio Sabio Caldas de la Universidad Distrital F.J.C. (Elaboracion propia, elaboracion propia, 2018) En la figura 4 se observa una vista superior de las terrazas uno, dos y tres, terrazas del Edificio Sabio Caldas.. 35.

(36) Figura 5 Fotografía satelital de las instalaciones de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. (Elaboracion propia, elaboracion propia, 2018) En la figura 5 tomada de Google Earth Pro, se observan las tres zonas de interés para el estudio; en rojo se demarca la terraza 1: Terraza superior del décimo piso, en verde se demarca la terraza 2: Terraza del octavo piso y por último en azul la terraza 3: Terraza del séptimo piso.. 36.

(37) Figura 6 Vista de las dos terrazas del edificio Suarez copete de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. (Elaboracion propia, elaboracion propia, 2018) (google, s.f.) Las zonas 4 y 5 de la figura 6 (google, s.f.) hacen referencia al edificio Suarez Copete, estas zonas no se tienen en cuenta, ya que solo tienen tres niveles, y por estar rodeado de edificaciones de mayor altura existe una alta probabilidad de tener sombras constantes en sus techos durante el día.. 37.

(38) 2.2.2. ARQUITECTÓNICOS. Figura 7 Terraza del 8vo piso. Terraza 2. (Distrital). 38.

(39) Figura 8 Terraza del 7mo piso. Terraza 3. (Distrital) Como se aprecia en las figuras (7 y 8), estas son las terrazas de mayor potencial para ubicar el sistema solar fotovoltaico por estar situadas en zonas altas y tener poca obstaculización de la energía solar. Sin embargo, estas zonas tienen limitaciones de área y arquitectónicas las cuales por medio de los registros fotográficos y del levantamiento de campo se buscan detallar para para posterior inclusión del diseño.. 39.

(40) Figura 9 Vista isométrica Edificio Sabio Caldas. (Elaboración propia en Revit-Autodesk). 2.2.3. FOTOGRÁFICO. Dentro del registro fotográfico se identifican espacios de los cuales no se puede hacer uso, obstáculos para la implementación del generador fotovoltaico debido a sombras o equipos ya instalados.. 40.

(41) 2.2.3.1. TERRAZA 1.. Figura 10 Registro fotográfico de la terraza 1. (Elaboracion propia, elaboracion propia, 2018) Como se puede apreciar en el registro fotográfico, esta terraza tiene muy poco espacio disponible debido a la existencia de una grúa con la cual se hace la limpieza de las ventanas del edificio sobre la carrera séptima, esta restricción se genera no sólo por el espacio en sí de la grúa sino por los rieles sobre los cuales está soportada. Cabe resaltar que los paneles solares se dispondrán sobre el suelo.. 41.

(42) 2.2.3.2. TERRAZA 2.. Figura 11 registro fotográfico de la terraza 2. (Elaboracion propia, elaboracion propia, 2018) A diferencia de la Terraza 1, Terraza 2 es un espacio habilitado para el acceso de personas, se tiene contemplado entonces instalar el generador fotovoltaico en forma de cubierta para no afectar el diseño arquitectónico. Se implementa la misma estructura de cubierta mostrada en las fotografías anteriores con la finalidad de usar lo existente y no afectar la fachada.. 42.

(43) 2.2.3.3 TERRAZA 3.. Figura 12 Registro fotográfico de la terraza 3. (Elaboracion propia, elaboracion propia, 2018) Al igual que la Terraza 2, este espacio es de acceso de personal, la diferencia radica en que este espacio no posee cubiertas, para la instalación del generador se usa el mismo diseño de cubierta para la terraza 2.. 43.