ESCUELA DE ARQUITECTURA
Tesis previa a la obtención
del Título de Arquitecto
AUTOR: Martha Johanna Bravo Rojas
DIRECTORA: Arq. Alexandra Moncayo
Loja - noviembre 2009
TEMA:
ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA APLICADA
CERTIFICACIÓN DE LA DIRECTORA DE TESIS
Arq. Alexandra Moncayo Vega DOCENTE INVESTIGADOR DE LA U.T.P.L
CERTIFICA:
Haber revisado en su totalidad el proyecto de tesis titulado “ENERGÍAS RENOVABLES APLICABLES AL DISEÑO DE ILUMINACIÓN DE ESPACIOS ABIERTOS EN LA UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA”, por consiguiente autorizo la presentación final del mismo para su respectiva evaluación.
Loja, Noviembre del 2009
DECLARACIÓN Y CESIÓN DE DERECHOS
Yo, Martha Johanna Bravo Rojas, declaro ser autor del presente trabajo y eximo expresamente a la Universidad Técnica Particular de Loja y a sus representantes legales de posibles reclamos o acciones legales.
Adicionalmente declaro conocer y aceptar la disposición del Art. 67 del Estatuto Orgánico de la Universidad Técnica Particular de Loja que en su parte pertinente textualmente dice: “Forman parte del patrimonio de la Universidad la propiedad intelectual de investigaciones, trabajos científicos o técnicos y tesis de grado que se realicen a través, o con el apoyo financiero, académico o institucional (operativo) de la Universidad”.
AUTORÍA
Yo Martha Johanna Bravo Rojas, declaro ser la autora intelectual del
pre-sente trabajo de tesis, en donde la propuesta teórica, ideas, opiniones,
con-clusiones y recomendaciones, a excepción de las ideas transcritas y citas
mencionadas, son de exclusividad, responsabilidad del autor, y soy
respon-sable de todo lo que aquí se menciona.
DEDICATORIA
Con amor infinito para ti abuelita Hilda, sé que desde algún lugar en el cielo
eres feliz conmigo por este logro alcanzado...
AGRADECIMIENTOS
A mis papis Martha y Stalin por el apoyo y la ayuda incondicional durante toda
la carrera, a mis hermanos Jhennifer y Stalin por su comprensión y cariño.
A ti Juanpa por ser quien me anima a seguir en cualquier circunstancia.
Gracias abuelito Fausto y querida tía Olguita por la confianza depositada en
mí y ser parte de esta meta que hoy logro cumplirla.
A la Arq. Alexandra Moncayo, por guiarme y compartir desinteresadamente
su conocimiento para el desarrollo del proyecto. A toda mi familia y amigos
por el apoyo recibido durante la investigación.
ÍNDICE
Abstract Introducción Objetivos Hipótesis
CAPITULO I
ENERGÍA SOLAR
1.1 Valoración de la factibilidad del uso de energías renovables en la Universidad Técnica Particular de Loja
1.2 Energía solar
1.2.1 Radiación solar
1.2.2 Radiación Directa y Difusa 1.2.3 Energía solar fotovoltaica 1.2.4 Energía solar térmica 1.2.5 Energía solar pasiva 1.3 Conclusiones
Notas, cuadros y figuras
CAPITULO II
ENERGÍA SOLAR EN LA CIUDAD DE LOJA
2.1 Generalidades
2.2.1 Localización Geográfica 2.2.2 Geología y Relieve
2.2.3 Vientos
2.2.3.1 Proyecto Parque Eólico Villonaco 2.2.4 Radiación Solar
2.2.4.1 Geometría Solar
2.2.4.2 Variaciones de la radiación solar en la Franja 2.2.4.3 Proyectos con aplicación de energía solar fotovoltaica
2.2.5 Régimen pluviométrico
2.2.5.1 Proyectos con aplicación de energía hidraúlica 2.3 Conclusiones
Notas, cuadros y figuras
CAPÍTULO III
TÉCNICAS Y DISPOSITIVOS DE ILUMINACIÓN ARTIFICIAL
EN ESPACIOS ABIERTOS
3.1 Tendencias mundiales con alta tecnología en eficiencia energética 3.1.1 Lo sustentable como herramienta de diseño en arquitectura 3.2 Tendencias de iluminación artificial en paisajes exteriores
3.2.1 Aspectos sostenibles y de salud humana
3.2.2 Manejo de la iluminación artificial en paisajes exteriores 3.2.2.1 Tendencias actuales en alumbrado urbano e iluminación decorativa
3.2.2.2 Qué son los LEDs?
3.3 Conclusiones Notas, cuadros y figuras
CAPÍTULO IV
DISEÑO DE ILUMINACIÓN APLICADO AL MIRADOR,
ESCALINATAS Y CRUZ DE LA UTPL
4.1 Análisis ambiental 4.2 Análisis humanístico
4.3 Análisis urbano - arquitectónico 4.4 Análisis factores adicionales 4.5 Diagnóstico
4.6 Propuesta
4.7 Propuesta urbano - arquitectónica 4.8 Propuesta dieño de iluminación 4.9 Cálculo y funcionamiento del sistema 4.10 Esquema del sistema fotovoltaico 4.11 Presupuesto del diseño de iluminación 4.12 Cálculo justificativo del ahorro energético 4.13 Costo de ejecución del proyecto paisajístico 4.14 Conclusiones
CAPÍTULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 Conclusiones 5.2 Recomendaciones
ANEXOS
ANEXO 1: Energía geotérmica ANEXO 2: Energía mareomotérmica ANEXO 3: Energía mareomotriz ANEXO 4: Energía hidraúlica ANEXO 5: Energía de la biomasa ANEXO 6: Energía eólica
ANEXO 7: Encuesta
El uso de energía es indispensable para la realización de nuestras actividades cotidianas y esta es la razón para
que busquemos la forma de producirla sustentablemente, y son las fuentes de energía renovable que en su
capacidad de existencia infinita se presentan como una alternativa de producción de energía útil al hombre.
El actual desarrollo económico y modelo energético, se fundamenta en la explotación masiva de combustibles
fósiles. En el Ecuador, el gas y el petróleo, continuarán siendo los más destacados para la proyección de la demanda
energética hasta el 2030, desplazando por completo la posibilidad de uso de energía alternativa, trayendo como
consecuencias graves afecciones al ecosistema evidenciado con el denominado cambio climático.
En este sentido, la concepción actual de la arquitectura y el urbanismo busca más que una solución habitacional
una contribución a la conservación medioambiental, entendiendo que aunque la arquitectura no pueda solucionar
directamente problemas ambientales, puede contribuir significativamente a la creación de hábitats humanos
más sostenibles. De esta forma los parámetros de diseño arquitectónico y urbano, vuelcan sus expectativas
hacia los criterios bioclimáticos en donde la arquitectura pasiva juega un papel muy importante al tratar de
mantener condiciones de confort y de luminosidad lo más libres posible. Sin embargo la situación actual en donde
aspectos ambientales como soleamiento, vientos, lluvia, temperatura y el clima en general ya no cumplen ciclos
definidos, es necesario recurrir a otros sistemas tecnológicos que nos permitan mantener los parámetros de
confort, garantizando con ello la sostenibilidad ambiental, el ahorro y la eficiencia energética.
A
medida que avanza el tiempo y observamos que las preocupaciones medioambientales emergen acosta del desarrollo y progreso de las sociedades, empezamos a entender que los procesos ecológicos y biológicos, están presentes en las necesidades del ser humano. Sin embargo es hasta ahora, cuando nos vemos amenazados por los problemas del deterioro medioambiental, crisis energética, contaminación, desaparición de vegetación, de animales y de paisajes naturales o productivos, es cuando sentimos conciencia y responsabilidad ambiental, pensando en la sostenibilidad como una solución a los problemas del ecosistema, como uno de los aspectos que son fundamentales para nuestra supervivencia.En 1987, la Comisión de la ONU para el Medio Ambiente, bajo la dirección de Gro Harlman Brundtland, elabora un concepto en el cual el desarrollo sostenible tiene tres dimensiones: la sostenibilidad medioambiental, económica y social, aspectos que no pueden desligarse de la capacidad de carga del medio ambiente, y sobre todo de mantener el equilibrio entre el deseo de crecimiento y bienestar social con la necesidad de preservar los recursos ambientales para las generaciones futuras.
De esta manera, la Comisión Brundtland, propone cinco conceptos que de alguna manera ha comenzado a arraigar la conciencia de las sociedades consumistas del siglo XXI, dirigiendo los ideales hacia la noción de “capital”. “Existen cinco tipos principales de capital:
[image:12.842.70.259.351.499.2]Capital Social.- Es un concepto consagrado hace mucho tiempo que en el contexto de desarrollo sostenible nos permite asociar los conocimientos y la educación con el uso de los recursos medioambientales. Es decir, necesitamos un nuevo enfoque educativo en el campo de la construcción, en donde arquitectos, ingenieros, constructores y clientes de esta industria, adopten nuevos valores culturales y sociales, los mismos que vinculados con el buen diseño, logren la sostenibilidad social.
Capital Económico.- La cantidad de capital económico depende de entre otros aspectos de la explotación de recursos: suelo, personas y por lo tanto ataca los cimientos de la sostenibilidad. Sin embargo a pesar de que los sistemas económicos funcionan bien, lo que se necesita es combinar el capital económico con los otros capitales, especialmente el medioambiental y ecológico.
Capital Tecnológico.- Mediante este capital, transformamos la materia prima en cosas útiles para el hombre, pero ello depende en gran medida de la ciencia y el diseño, de esta manera, a medida que los recursos se reducen, necesitamos conocimiento en nuevas tecnologías y habilidades científicas, con vista a preservar el medio ambiente.
Capital Medioambiental.- Es el término que se utiliza para cuantificar todos los recursos de la Tierra. Incluye combustibles fósiles, agua, suelo, y minerales, así como una serie de potenciales o capacidades, entre ellos la agricultura, la pesca, la explotación forestal y la energía renovable. La noción incorpora también valores negativos como la contaminación, polución y la desertificación.
Capital Ecológico.- Con este término nos referimos a los hábitats, especies y ecosistemas, es el sistema de vida básico del que depende la especie humana.
Sin embargo, el hecho de conocer los capitales con los que contamos para nuestra supervivencia, no han generado un compromiso por mantener la vida y la diversidad biológica, es por esto que cada día es más evidente el cambio climático y más aún el porcentaje del que la arquitectura, la construcción de edificios y la generación de ciudad son responsables, es decir del 75 al 80% de todas las emisiones de CO2 que produce el hombre constituyendo la principal causa del calentamiento global.
En busca de la sostenibilidad, la energía es un elemento esencial, siempre y cuando su producción no implique emisiones de CO2 y otros gases como el metano, es decir, generar energía a partir de fuentes renovables.
El aprovechamiento por el hombre de las fuentes de energía renovable, entre ellas las energías solar, eólica e hidráulica, es muy antiguo; desde muchos siglos antes de nuestra era ya se utilizaban y su empleo continuó durante toda la historia hasta la llegada de la “Revolución Industrial”, en la que, debido al bajo precio del petróleo, fueron abandonadas.
[image:13.842.70.244.68.230.2]“La energía que consumimos diariamente, se produce a través de la energía primaria, Las fuentes de obtención de esta energía, carbón, gas, petróleo, energía nuclear y todas las demás, renovables o no, son utilizadas por el
Fig.1.2. Pautas de consumo energético en países con alto consumo de energía.
40%
UTILIZACIÓN DE OTROS TIPOS DE ENERGÍA 5%
10% INDUSTRIA 20% PÉRDIDAS ANTES DEL CONSUMO TRANSPORTE 25% CALEFACCIÓN Y REFRIGERACIÓN DE LOCALES
COMERCIALES Y VIVIENDAS
[image:13.842.75.254.325.491.2]hombre para la obtención de trabajo y calor. A partir de estas fuentes se puede obtener electricidad que casi siempre requieren un paso intermedio para centralizar la producción, transportarla y distribuirla por cable.”1
Las cantidades de energía contenidas en una fuente no constituyen realmente un recurso a no ser que sean de fácil acceso y puedan ser explotadas, De esta forma es que las fuentes de energía más solicitadas son aquellas cuyo principal contenido de energía expresada en unidad de peso o volumen, está concentrado en grandes cantidades en los principales depósitos, como es el caso de los combustibles fósiles, que representan la energía concentrada, diferente a la energía difusa como es el caso de la energía renovable.
El desarrollo económico y el actual modelo energético de las sociedades civilizadas implica la explotación de combustibles fósiles que tardaron en formarse millones de años, siendo su grado de renovación demasiado lento para reponer una parte significativa de las existencias tan rápidamente consumidas, generando así un derroche indiscriminado de energía inclusive porque los yacimientos al que pertenecen, se encuentran muy dispersos geográficamente y se realiza un gran esfuerzo por trasladarlos.
En nuestro país, el gas y el petróleo son los tipos de combustibles que continuarán siendo los más destacados para la proyección de la demanda energética hasta el 2030.
En el 2008, el Ecuador generó un total de electricidad correspondiente a 12.94 miles de millones kWh y en nuestra ciudad el mes con mayor porcentaje en consumo de energía en el mismo año fue diciembre con 18 739 579 kWh generando un total en dólares facturado por mes correspondiente a 1 799 355,75, según datos obetenidos de la Empresa Eléctrica Regional del Sur.
Como considera Michael Hough tenemos una gran disponibilidad de energía barata obtenida a partir de combustibles fósiles, lo que ha ido desplazando a lo largo de los años la posibilidad de usar energías renovables para cubrir las necesidades energéticas, haciendo evidente consecuencias no sólo en el ecosistema, sino también a nivel urbano y arquitectónico, debido a que día a día evoluciona la tecnología constructiva, determinando construcciones “cuya forma y estilo ya no están determinados por las fuerzas de la naturaleza, siendo notorio un contraste con la arquitectura tradicional, donde el diseño de la cáscara exterior era una respuesta a la necesidad de dejar fuera el tiempo atmosférico y proteger el interior del calor y el frío. De esta manera, la presencia de energía barata, ha conformado un ambiente urbano con tecnologías cuyos fines son estrictamente económicos en lugar de ser sociales y medioambientales.”2
Sin embargo, el hecho de transformar el modelo energético en uno más sostenible nos obliga a pensar en un
Cuadro 1.1 Consumo mundial de energía primaria.
ENERGÍA PRIMARIA PORCENTAJE
Petróleo 35.80
Gas 23.70
Carbón 28.40
Nuclear 5.80
Renovables 6.30
Fig. 1.4. Los combustibles fósiles cubren más del 90% de las necesidades energéticas comerciales.
1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030
avance tecnológico que aún no se ha desarrollado en todas las sociedades y sobre todo a modificar los hábitos de consumo de energía, que supone no únicamente una normativa exigente sino trabajo constante y a largo plazo.
Actualmente, los países que presentan un cambio en el modelo energético, están liderados por: Estados Unidos, Alemania, Dinamarca y España, que constituyen los países con mayor eficiencia energética, a través del consumo de energía eólica instalada, energía solar fotovoltaica y aplicaciones de criterios energéticos en edificaciones a través de energía solar térmica como en el caso de Alemania que con un 30% menos de irradiación solar, usa 10 veces más energía solar térmica que España.
Ahora bien, la ubicación estratégica de nuestro país al sur-oeste del continente americano, atravesado por la línea ecuatorial y por la cordillera de los Andes, determina diversidad de climas que los encontramos notablemente marcados en las diferentes regiones del país, sin duda la ciudad de Loja especialmente ubicada entre bosques y montañas y con ello la ventaja de encontrar diversidad de microclimas, es un factor que favorece el uso de recursos renovables y con ello el desarrollo de sistemas energéticos alternativos.
OBJETIVOS
General:
Aplicar energía solar fotovoltaica en el diseño de iluminación del mirador, escalinatas y cruz de la
Universidad Técnica Particular de Loja.
Específicos:
Establecer que la energía renovable constituyen una estrategia de conservación ambiental.
Investigar el desarrollo de energías renovables y su posible aplicación en el diseño de iluminación del
mirador, escalinatas y cruz de la UTPL.
Determinar que el clima de la ciudad de Loja favorece el desarrollo de proyectos con energía solar.
Establecer técnicas y dispositivos para el diseño de iluminación de espacios abiertos a partir de
energía solar fotovoltaica. 1.
1.
2.
3.
HIPÓTESIS
La energía solar, constituye la alternativa que presenta más beneficios como elemento integral del
CAPÍTULO I
19
1.1. VALORACIÓN DE FACTIBILIDAD DEL USO DE ENERGÍAS RENOVABLES EN LA
UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA
El uso de energía eléctrica es indispensable para la realización de nuestras actividades cotidianas,
y esta es la razón más importante para que busquemos la forma de producirla sustentablemente, y son
las fuentes renovables, que en su capacidad de existencia infinita se presentan como una alternativa
de producción.
El concepto de renovable se refiere a ritmos de consumo no superiores a los de producción o generación
de manera natural, así podemos considerar procesos renovables aquellos que evitan el consumo masivo
de energía y materias primas como los combustibles fósiles, controlando con esto la contaminación, en
favor de la conservación medioambiental.
“Podemos definir las energías renovables como aquellas que son inagotables desde el punto de
referencia del periodo de existencia de la humanidad, tengan o no su origen en el sol.”
3El aporte de las energías renovables y tecnologías sostenibles, aplicadas de forma independiente es
pequeño, pero la unión de ellas en un proceso técnico, contribuyen de manera que su importancia
crecerá en cuanto se tomen soluciones y medidas energéticas generales.
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CUADRO DE VALORACIÓN DEL USO DE ENERGÍAS RENOVABLES
TIPO DE ENERGÍA FUNCIONAMIENTO CONDICIONES FACTIBILIDAD
Geotérmica
La energía geotérmica se basa en elhecho de que la Tierra está más caliente cuanto más profundamente se perfora. La energía geotérmica puede derivarse del vapor de agua, atrapado a gran profundidad bajo la superficie terrestre; si se hace llegar a la superficie, puede mover una turbina para generar electricidad.(Ver Anexo 1)
Se consideran yacimientos geotérmicos los puntos de la tierra en donde el flujo de calor es anormalmente elevado. Este flujo coincide con zonas de existencia de fenómenos geológicos como:
Actividad sísmica elevada.
Formación de cordilleras en épocas geológicas recientes.
Actividad volcánica actual.
Variaciones mínimas de temperatura de 15 a 30°C cada 100 metros cuando normalmente la variación no llega a 3°C cada 100 metros. •
•
Nula
Mareomotérmica
La energía maremotérmica o mareotermal es una energía basada en el gradiente térmico oceánico, es decir se basa en la diferencia de temperatura entre las aguas de la superficie del mar y las aguas profundas. (Ver Anexo 2)
Variciones mínimas de temperatura de 15 a 20°C
•
Nula
Mareomotriz
La energía mareomotriz se debe a las fuerzas gravitatorias entre la luna, la tierra y el sol que originan las mareas. Esta diferencia de altura puede aprovecharse en lugares estratégicos, utilizando turbinas hidraúlicas que se interponen al movimiento de las aguas, junto con mecanismos de canalización y depósito para obtener movimiento en un eje. (Ver Anexo 3)Diferencia mínima en la variación de alturas de las mareas de 4 metros.
•
21
Hidraúlica
Es la energía que se obtiene de la caída del agua desde cierta altura a un nivel inferior. A este movimiento se interponen turbinas hidráulicas que convierten la energía potencial del agua en movimiento rotativo de un eje para generar energía eléctrica. (Ver Anexo 4)Caída de agua mínima 10metros
• Nula
Biomasa
Las plantas transforman la energía radiante del sol en energía química a través de la fotosíntesis, y parte de esa energía química queda almacenada en forma de materia orgánica pero la energía química de la biomasa puede recuperarse quemándola directamente o transformándola en combustible. (Ver Anexo 5)Biocombustibles
Central térmica o caldera que transforme la en-ergía térmica en enen-ergía eléctrica.
•
• Compleja
Eólica
Se conoce con el nombre de energía eólica aquella que transforma la energía cinética del viento en energía eléctrica, a través de un aerogenerador. (Ver Anexo 6)
Velocidad del viento mínimo 12 m/s.
Se requieren grandes extensiones de terreno. •
• Nula
Solar
Transforma directamente la radiación solar en electricidad, a traves del fenómeno fotovoltaico.
No tiene condiciones, basta con la luz solar.
• Óptima
22
Como podemos observar, la energía solar presenta las mejores condiciones de adaptabilidad para generar electricidad en cualquier punto del planeta, razón por la cual se la ha tomado como referencia para el proyecto que se desarrolla en los siguientes capítulos en el campus de la Universidad Técnica Particular de Loja, con aplicación en el alumbrado exterior.
1.2. ENERGÍA
SOLAR
Todas las energías renovables son consideradas de origen solar, sin embargo este término se utiliza para referirse a las técnicas que utilizan de forma directa la radiación solar.
La energía solar puede dividirse en dos tipos: la solar fotovoltaica que se encarga de transformar directamente la radiación en electricidad gracias al efecto fotovoltaico y la solar térmica que utiliza la capacidad directa de calentamiento del sol.
Son varias las formas en las que se presenta la radiación solar, por lo tanto es importante que antes de iniciar el estudio de las tecnologías aplicadas para la obtención de energía solar, definamos los tipos de radiaciones que hacen evidente la presencia del sol.
1.2.1. RADIACIÓN SOLAR
“El sol es una estrella considerada “enana” con un diámetro de 1,39 millones de km. y su masa, 300.000 veces la de la Tierra, está principalmente compuesta de materia gaseosa altamente condensada, formada por hidrógeno en un 75%, 24% de helio y un 1% de elementos más pesados. Una serie de constantes reacciones nucleares producidas en su interior transforman cada segundo 587 millones de toneladas de hidrógeno en 582 millones de toneladas de helio. A lo largo de este proceso, las 5 millones de toneladas restantes se convierten íntegramente en energía radiante que se dispersa por el espacio en todas las direcciones.
La reacción de estos elementos más la energía, hacen que el sol se mantenga en un estado incandecente, alcanzando 5.762°K sobre su superficie, mientras que en su interior se han registrado temperaturas que van desde los 8 a los 40 millones de °K. (Barrera 65)
La energía liberada en el centro del sol, se transfiere a su superficie por convección, para luego ser emitida al espacio exterior en forma de radiación electromagnética con distintas longitudes de onda.
Fig. 1.5. Estructura Solar
ZONA DE RADIACIÓN
NÚCLEO
ZONA DE CONVERCIÓN
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De toda esa gran cantidad de luz y calor en forma de radiaciones, sólo una pequeña parte llega a la Tierra tardando aproximadamente 8 minutos en alcanzar nuestro planeta, a razón de 300.000 km/s, que es la velocidad de luz al vacío.
Experimentalmente, la intensidad de la radiación solar sobre la superficie de la Tierra se la determina después de que ésta atraviesa la atmósfera, por lo que su intensidad varía dependiendo de la latitud, así como de la altura sobre el nivel del mar a la que se encuentre el plano de referencia.”4
Según Barrera, la Constante de Radiación Solar Extraterrestre (Ф), definida como la energía procedente del sol, por unidad de tiempo, recibida sobre la unidad de superficie perpendicular a la dirección de propagación de la radiación, a la distancia media del sol a la Tierra, es una constante que nos define un valor de radiación antes de que ingrese a la atmósfera.
“Esta cantidad de radiación se reduce a una energía aproximada de entre 0 y 1 kW/m² cuando atraviesa la atmósfera y llega al suelo debido a la inclinación de los rayos solares y a que la radiación solar al atravesar la atmósfera, es en parte absorbida (radiación directa) y en parte reflejada (radiación difusa), difundida por las nubes, partículas de polvo, oxígeno, etc. Toda la energía radiante absorbida por la cara soleada de la Tierra se equilibra con la irradiación infrarroja que toda la superficie de la Tierra reenvía al espacio.”5
Además de conocer sobre la intensidad en la que llega la radiación solar al planeta, es necesario conocer su distribución espectral, la misma que puede ser analizada desde los siguientes aspectos:
Fig. 1.6. Esquemas de radiación solar extraterrestre
Constante de radiación solar extraterrestre= 4,81MJ/m2hora
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“Ondulatoria.- De acuerdo a este parámetro, la radiación solar se propaga por el espacio como ondas electromagnéticas planas en el espacio libre, las mismas que de acuerdo a parámetros de permitividad y permeabilidad aplicadas a la fórmula de Maxwell, la velocidad de propagación es de c = 2,99 x 108
m/s
Corpuscular.- Desde el punto de vista corpuscular, la radiación solar puede ser considerada de acuerdo a la teoría de los fotones o de los “cuantos de energía” de Einstein, como un conjunto formado por un muy elevado número de “agrupamientos” energéticos discretos denominados fotones o cuantos. que se diferencian entres sí por el valor de la longitud de onda.
Por lo tanto, la energía de la radiación será igual a la suma de la energía de los fotones de distinta longitud de onda que la forman. Es decir, en un mismo rayo de sol hay fotones con distinta longitud de onda.
En consecuencia, los rayos de luz serían una especie de «lluvia» de fotones, cada uno de ellos transportando una cantidad minúscula de energía, pero dado el enorme número de fotones que en cada segundo llegan a la sección o área determinada, el resultado neto es un transporte de energía considerable.
La distribución relativa de las frecuencias o de las longitudes de onda, del conjunto de los fotones que integran la radiación solar es lo que se conoce como espectro solar, el cual se encuentra compuesto en un 47% por radiación luminosa, un 46% de radiación infrarroja y un 7% de radiación ultravioleta.
De esta forma, la radiación solar está formada por una mezcla de ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias, aquellas cuya longitud de onda está comprendida entre 0,36 y 0,78μm. pueden ser
Fig. 1.7. Esquema de espectro solar
1000u 30u 3u 0.78u 0.38u
ONDAS DE RADIO Y
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detectadas por el ojo humano, constituyendo lo que conocemos como luz visible o radiación luminosa.
Las radiaciones de onda corta, es decir con una longitud de onda menor a 0,36μm. la constituye la denominada radiación ultravioleta, y la radiación con longitud de onda mayor a 0,78μm. o radiación de onda larga, son conocidas como radiación infrarroja o calor.”6
1.2.2. RADIACIÓN DIRECTA Y DIFUSA
“La radiación que incide sobre una superficie directamente del sol, sin sufrir cambios de dirección, se conoce como radiación directa mientras que aquella que llega después de ser reflejada o incluso la radiación infrarroja emitida por las moléculas después de sufrir un calentamiento por efecto de absorción de radiación solar, se conoce como radiación difusa.
Por tanto, la radiación solar a nivel del suelo estará formada por una componente directa, pues llega hasta nosotros sin sufrir desviaciones, y otra difusa, que se difunde por todo el hemisferio celeste, aparentando que es éste quien la irradia. La suma de estas dos componentes en un plano horizontal se denomina “radiación global”. La componente difusa puede variar desde un 20% sobre el global en un día claro, a un 100% en un día nublado. (Barrera 74)
Las nubes difunden la radiación solar más fuertemente que el aire seco, por lo que en un día nublado toda la radiación que podemos obtener será radiación difusa. En un típico día despejado la radiación directa es varias veces superior a la difusa.
Es evidente entonces que la radiación solar que llega a la superficie de la Tierra tendrá una distribución espectral distinta a la existente fuera de la atmósfera debido, no sólo a la absorción y reflexión, sino también a otros factores como altitud del lugar, latitud, etc. Así, la curva de la distribución espectral dentro de la atmósfera está situada por debajo de la curva correspondiente a la radiación encima de la atmósfera.
Además, si bien se produce una absorción de energía para todas las longitudes de onda, tenemos que para ciertas longitudes de onda las pérdidas son mayores. Esto es debido a un fenómeno de absorción selectiva de estas longitudes de onda por algunos factores atmosféricos.
[image:25.842.70.257.352.502.2]Radiaciones de muy pequeña longitud de onda son absorbidas por el ozono mientras que las radiaciones de la zona del infrarrojo son amortiguadas por la presencia en la atmósfera de vapor de agua, anhídrido carbónico y
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otras partículas atómicas.”7
1.2.3. ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
Los actuales sistemas de captación solar, que se han planteado como una alternativa para generación de energía eléctrica con el fin de disminuir costos de producción y distribución así como fomentar el desarrollo sostenible para mantener la tierra y sus cualidades medioambientales en lo posible intactas para las futuras generaciones, ha sido el aspecto principal para que la tecnología avance con sistemas de captación solar dentro de muchos campos de la industria y en nuestro caso con aplicación en la arquitectura.
Como mencionábamos anteriormente el sol es una fuente de energía inagotable y está en el origen de todas las energías renovables, y la energía solar fotovoltaica es la más directa de todas ellas, aprovechando la energía que nos llega de él, para producir electricidad.
La tecnología fotovoltaica se basa en el fenómeno físico conocido como “efecto fotovoltaico” que es la conversión directa de la energía lumínica proveniente del sol en energía eléctrica, en un dispositivo llamado célula fotovoltaica.
Los materiales semiconductores son el soporte de la conversión fotovoltaica. La semiconductividad, cuando no es intrínseca o propia del material debido a su peculiar estructura electrónica, puede provocarse impurificando (dopando) un cristal de determinados elementos químicos puros, con algún otro elemento químico que tenga electrones de valencia en cantidad inferior o superior al que forma el cristal.
¿Cómo el silicio se hace conductor de energía eléctrica?
El silicio dopado es el semiconductor más usado y comercializado en el campo de la energía solar fotovoltaica. El silicio tiene cuatro electrones preparados para formar enlace covalente con otros tantos átomos de silicio o con otro elemento químico compartiendo sus electrones. Si sumergimos un cristal de silicio en una atmósfera de fósforo, a determinadas condiciones de presión y temperatura, el fósforo se difunde por el cristal ocupando posiciones en la red cristalina y estableciendo enlaces con los átomos de silicio a su alrededor. Sin embargo el fósforo tiene cinco electrones preparados para formar enlace con los átomos del entorno, pero sólo encuentra próximos a cuatro, de manera que cuando ocupa un lugar en la red cristalina del silicio, el quinto
fotones
silicio tipo n
silicio tipo p contacto frontal
Fig. 1.9. Esquema del comportamiento del silicio como material semiconductor.
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electrón queda poco ligado – se dice que está en exceso -, esto quiere decir que se sitúa en niveles energéticos altos, son los niveles donadores. La incidencia de radiación solar aporta la energía suficiente para desligar completamente a este electrón y colocarlo en un nivel energético superior donde puede moverse libremente por el material – salta a la banda de conducción – si se expone a un campo eléctrico, lo que implica que el silicio se hace conductor en estas condiciones. Este proceso corresponde a la formación de un semiconductor tipo n o negativo, es decir: con electrones en niveles energéticos donadores.
Cuando la atmósfera a la que exponemos el cristal de silicio es de un elemento químico como el boro, que tiene sólo tres electrones preparados para formar enlace químico, en los lugares donde se ubica el átomo de boro aparece una carencia del cuarto electrón necesario para compartir con los cuatro átomos de silicio de su alrededor, decimos que hay un hueco. Este hueco está situado en los niveles de energía llamados aceptadores, porque aceptan ser ocupados por los electrones. Hemos descrito la formación de un semiconductor tipo p o positivo, es decir con huecos aceptadores de electrones.
“Cuando un semiconductor tipo p se conecta a un circuito eléctrico y se le aplica un campo eléctrico aparece una conductividad debida al desplazamiento de los electrones de hueco en hueco en la dirección del polo positivo, o lo que viene a ser lo mismo, es como si los huecos se desplazaran en la dirección del polo negativo.”8
Existen tres formas de silicio, comercializadas en función de su estructura cristalina:
Monocristalino.- En el proceso de cristalización, Los átomos están perfectamente ordenados. El color es monocromático: azulado, oscuro y con cierto brillo metálico. Su eficiencia en conversión de luz solar en electricidad está alrededor del 16% al igual que el policristalino.
Policristalino.- En el proceso de cristalización, la dirección de alineamiento de los átomos cambia cierto tiempo. El color es una amalgama entre azulados y grises con brillo metálico.
Amorfo.- La estructura cristalina desaparece, el silicio se deposita formando una capa fina sobre un soporte transparente. El color es marrón y gris oscuro. Su eficiencia en conversión de luz solar en electricidad, ronda el 6%.
Fig. 1.10. Silicio Monocristalino
Fig. 1.11. Silicio Policristalino
28
¿Cómo funciona una célula fotovoltaica?
“Una célula solar fotovoltaica está formada por la unión de dos materiales semiconductores. Uno tipo n y otro tipo p, En la interfase entre el semiconductor tipo p y el tipo n, - unión p-n, o unión diodo -, aparece un polo positivo y un polo negativo, formándose de este modo un campo eléctrico debido a la difusión de electrones desde la zona n, donde están los electrones más libres, hasta la zona p donde existen huecos.
Una célula fotovoltaica transforma la energía de la radiación solar directamente en corriente eléctrica, a este fenómeno se llama efecto fotovoltaico.
Las células solares son frágiles y generan poca energía, por tanto se precisa agruparlas para producir suficiente energía y proporcionar robustez. La unión de varias células solares da lugar al módulo fotovoltaico.”9
Módulo fotovoltaico
“Es un conjunto de células interconectadas. En general las células tienen potencias nominales próximas a 1Wp, lo que quiere decir que con una radiación de 1000W/m2 proporcionan valores de tensión de unos 0,5V y una corriente de 2A.
Para obtener potencias utilizables para aparatos de mediana potencia, hay que unir un cierto número de células con la finalidad de obtener la tensión y la corriente requeridas.
Para tener más tensión hay que conectar varias células en serie. Conectando 36 células (dimensiones normales, 7.6 cm de diámetro) se obtienen 18 V, tensión suficiente para hacer funcionar equipos a 12V, incluso con iluminaciones mucho menores de 1kW/m2.
La unidad básica de las instalaciones fotovoltaicas es la placa fotovoltaica, que contiene entre 20 y 40 células solares; estas placas se conectan entre sí en serie y/o paralelo para obtener el voltaje deseado: 12V, 14V, etc.
Transformación y distribución
La corriente generada en el campo de paneles y suministrada por las baterías es continua, y aunque existe un mercado especializado en aparatos que funcionan en c.c. a 12, 24 e incluso 24v, el precio de los mismos y la dificultad de encontrar repuestos, hace recomendable la implementación de un inversor o convertidor que transforme la corriente continua en alterna a 120 V y 60 Hz, que es la corriente eléctrica distribuida en nuestro
Fig. 1.13. Esquema constructivo de una célula fotovoltaica
Caja de conexiones Marco de aluminio
Vidrio templado Célula solar fotovoltaica Perfil de goma
Lámina metálica
Fig. 1.14. Esquema constructivo de un módulo fotovoltaico
zona n zona p
Contacto metálico ocupando toda la superficie Peines metálicos
1u
[image:28.842.83.246.331.506.2]0.5u
29
medio.”10
1.2.4. ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
La mayoría de los sistemas de captación de la energía de la radiación solar se basan en el efecto invernadero. El efecto invernadero es el fenómeno físico basado en lo siguiente:
“La radiación solar visible que atraviesa una superficie transparente o translúcida, se invierte en elevar la temperatura del elemento situado al otro lado de la misma. Cuando un cuerpo eleva su temperatura por encima de la temperatura de su entorno, emite calor en forma de radiación infrarroja. Los materiales transparentes a la radiación visible, vidrios o plásticos, son muy poco transparentes a la radiación infrarroja. Es por este motivo por lo que podemos construir una trampa de calor situando una superficie negra en el interior de una caja cerrada, de manera que una de sus caras esté cubierta por un cristal o plástico transparente a la radiación visible.
La energía solar térmica usa la capacidad de calentamiento del sol y se clasifica en térmica de alta y de baja temperatura. La primera se usa para calentar un fluido que posteriormente moverá una turbina para generar electricidad, la segunda se suele usar para calefacción y agua caliente sanitaria.
Para captar la energía procedente del Sol, se utilizan colectores solares, que son sistemas que permiten la transformación de la radiación solar en energía útil: calor, electricidad.
Hoy en día, se utilizan los colectores planos que suelen ser eficaces hasta temperaturas medias de 60°C, es decir, son los que se usan para la energía solar térmica de baja temperatura y por tanto funciones de climatización de piscinas, agua caliente sanitaria y calefacción.
Cuando se requieren temperaturas más altas se debe acudir a los colectores de concentración, los cuales pueden presentar temperaturas de trabajo desde 110 a 3600 °C constituyendo de este modo lo que se conoce como térmica de alta temperatura.
El funcionamiento de estos colectores es el siguiente: se refleja la radiación solar recibida sobre un tubo de vidrio colocado a lo largo de su línea focal. Dentro de este tubo está el absorbente y el agente portador de calor. La idea es que dentro de este tubo se genere vapor y, mediante el empleo de una turbina, transformar este calor en energía mecánica y más tarde en electricidad.”11
Fig. 1.16. Efecto invernadero
Fig. 1.17. Composición interior de un colector solar
AISLAMIENTO TÉRMICO PLACA DE ALUMINIO ENNEGRECIDO VIDRIO DIVIDIDO EN TRES
SECCIONES
SERPENTÍN DE TUBOS DE COBRE
30
1.2.5. ENERGÍA SOLAR PASIVA
Un edificio es concebido como estático, pero en él se producen intercambios con el exterior de luz, calor y sonido. Hoy en día, se construye primero y luego se introducen sistemas costosos para contrarrestar las aberraciones cometidas en términos de confort interior.
El 30% de energía a nivel mundial, se invierte en las edificaciones, y considerando los procedimientos pasivos, normativas y legislación relativas al diseño con respecto a la orientación para garantizar la calidad energética en los edificios, se produjeran ahorros superiores al 15%.
En este sentido, la arquitectura bioclimática o pasiva, considera el clima en el que está inmersa y utiliza estrategias clásicas para mantener en el interior de las edificaciones condiciones de confort térmico y de luminosidad lo más libres posible, sin el uso de tecnología o mecanismos complejos, tomando en cuenta costes ecológicos de los materiales que usa, defensa contra la contaminación acústica y electromagnética, el uso de tecnologías renovables activas y la implementación de sistemas de ahorro y recuperación de agua.
Los factores derivados del clima exterior como el calor, el frío, el viento, la humedad y la luz, se pueden aprovechar de acuerdo a nuestra necesidad, de las siguientes formas:
“La orientación de la edificación y de las superficies expuestas.
La relación entre superficie exterior y volumen interior. (factor forma). El color de los recubrimientos de superficie.
El tamaño, ubicación, orientación y tipo de las ventanas. Los acristalamientos adosados tipo invernadero. El tipo, colocación y uso de persianas y cortinas. Los sistemas de penetración de luz y control lumínico.
El uso de sistemas de sombreo fijos o móviles: aleros, toldos, pérgolas, etc. La distribución interior.
Los patios interiores.
La colocación y el tipo de vegetación en el exterior y en los patios. El uso del agua en fuentes y estanques.
El espesor de los aislamientos y materiales de construcción de cerramientos exteriores y su posición relativa.
El establecimiento de rejillas para el control de ventilación. • • • • • • • • • • • • • •
Fig. 1.19. Construcción tradicional en adobe
GANANCIA DIRECTA MURO DE ACUMULACIÓN NO VENTILADO
MURO DE ACUMULACIÓN VENTILADO INVERNADERO ADOSADO
TECHO DE ACUMULACIÓN DE CALOR CAPTACIÓN SOLAR Y ACUMULACIÓN DE CALOR
31
El diseño de la trama y elementos urbanos.
Los diseños específicos para captación de calor, refrigeración, ventilación e iluminación.”12
En la figura que se presenta a continuación, se muestra gráficamente el alto grado de utilidad de la energía solar fotovoltaica a nivel mundial, con lo que corroboramos una vez más la aplicación de este tipo de energía a nuestro proyecto.
• •
32
1.3. CONCLUSIONES:
Los procedimientos pasivos y los sistemas tecnológicos a partir de energías alternativas, contribuyen en porcentajes superiores del 15% al ahorro de energía a nivel mundial.
Tanto el efecto invernadero como el calentamiento global son fenómenos naturales, el problema se da cuando se produce una alteración en estos procesos, evidenciándose con el llamado cambio climático.
Son energías renovables la energía solar térmica tanto activa como pasiva, la energía solar fotovoltaica y eólica, la energía de la biomasa vegetal y animal, la energía hidraúlica, en la medida que permitan su regeneración al ritmo del consumo y demanda.
La energía solar se presenta como la mejor alternativa para generar eléctricidad, debido a su única condicionante que es la presencia de radiación solar.
•
•
•
33
NOTAS :
1ORTEGA Rodríguez, Mario. (2000). “Energías Renovables”. Editorial Paraninfo. España.
Pp. 13
2HOUGH, Michael. (1998). “Naturaleza y Ciudad. Planificación Urbana y Procesos
ecológi-cos”. Editorial Gustavo Gilli, S.A., México, Naucalpan. Pp. 16.
3ORTEGA Rodríguez, Mario. (2000). “Energías Renovables”. Editorial Paraninfo. España.
Pp. 21
4BARRERA, Oswaldo, (2005). Introducción a una Arquitectura Bioclimática para los
An-des Ecuatoriales. España. Pp. 65
5Op. cit. Pp. 68 6Op. cit. Pp. 72 7Op. cit. Pp. 73 – 75
8ORTEGA Rodríguez, Mario. (2000). “Energías Renovables”. Editorial Paraninfo. España.
Pp. 111
9Op. cit. Pp. 112 10Op. cit. Pp. 113 11Op. cit. Pp. 114 12Op. cit. Pp. 68.
FIGURAS :
Fig. 1.1. http://holismoplanetario.files.wordpress.com/2009/04/ Fig. 1.2.UNESCO- PNUMA, (1993).
Fig. 1.3. http://fcom.us.es/blogs/vazquezmedel/files/2009/04/sostenibilidad.gif Fig. 1.4. Seminario Biocombustibles, Universidad Central del Ecuador.
Fig. 1.5. ORTEGA Rodríguez, Mario. (2000). “Energías Renovables”. Editorial Paraninfo. España. Pp. 21
Fig. 1.6. http://www.finanzzas.com/wp-content/uploads/energias_renovables.jpg. Fecha: 08/12/09
Fig. 1.7. http://www.ujaen.es/investiga/solar/07
Fig. 1.8. BARRERA, Oswaldo, (2005). Introducción a una Arquitectura Bioclimática para los Andes Ecuatoriales. España. Pp. 68
Fig. 1.9. BARRERA, Oswaldo, (2005). Introducción a una Arquitectura Bioclimática para los Andes Ecuatoriales. España. Pp. 74
34 Fig. 1.11. www.instalacionenergiasolar.com/fotovoltaica.html. Fecha: 08/12/09
Fig. 1.12. http://www.elirmex.com.mx/images/celda3.jpg&imgrefurl. Fecha: 23/02/09 Fig. 1.13. http://1.bp.blogspot.com/. Fecha: 23/02/09
Fig. 1.14. http://webdosb.com/images. Fecha: 23/02/09
Fig. 1.15. ORTEGA Rodríguez, Mario. (2000). “Energías Renovables”. Editorial Paraninfo. España. Pp. 21
Fig. 1.16. Op. cit. Pp. 22
Fig. 1.17. http://www.amt-solar.com/imagenes/placa.jpg
Fig. 1.18. ORTEGA Rodríguez, Mario. (2000). “Energías Renovables”. Editorial Paraninfo. España. Pp. 23
Fig. 1.19. http://joseenriquetk.asceta.dnsalias.org/DrupalRenovable/ Fig. 1.20. http://upload.wikimedia.org. Fecha: 23/02/09
CUADROS :
Cuadro 1.1. Revista EKOS, (2009).
CAPÍTULO II
ENERGÍA SOLAR EN LA CIUDAD DE LOJA
36
2.1. GENERALIDADES
El Ecuador con sus 283.561 kilómetros cuadrados forma parte del hemisferio norte y sur al encontrarse dividido por la linea equinoccial, característica que le agrega una cualidad aún más significativa que es el pertenecer a la franja andina ecuatorial, delimitada por la mayoría de autores como la comprendida entre los 10° de latitud norte y los 10° de latitud sur, haciendo del Ecuador, principalmnete un lugar en el que se puede aprovechar la cantidad e intensidad de radiación solar, durante todo el año.
“En Ecuador, la cordillera andina se presenta como el principal rasgo que imprime su fisonomía geográfica, definiendo tres regiones: la Región Anteandina o Litoral, la Región Interandina o Serranía y la Región Trasandina o Amazónica. Los Andes se extienden desde los 0,85° de latitud norte hasta los 5,07° de latitud sur, conformando dos cordilleras paralelas, la Occidental y la Oriental, determinando a la depresión entre ambas lo que se conoce como el Callejón Interandino, a lo largo del cual sistemas montañosos transversales forman numerosas hoyas o altiplanos.
El norte y centro de la cordillera se caracterizan por la presencia de numerosos picos y volcanes, cuyas cumbres se elevan desde los 4500 a más de 6000 m.s.n.m. La sección sur, comprendida desde la Hoya del Chanchan a 2,15° de latitud sur hasta el Nudo de Loja en la frontera con Perú, queda definido por una gran cantidad de cerros de menor altura que forman numerosos valles.”1. Este escenario geográfico en el que nuestra ciudad y
provincia se desarrolla, le imprime múltiples características físicas que se estudiarán a continuación.
[image:36.842.70.256.72.205.2]Fig. 2.1. Ubicación del Ecuador y Loja, con respecto a la Línea Ecuatorial Latitud 0
Fig. 2.3. La franja ecuatorial, está condicionada principalmente por el efecto de una mayor radiación solar recibida, siendo en general una zona de bajas presiones
Fig. 2.2. Esquema de Loja influenciada por la Cordillera de Los Andes
LOJA
37
2.2. MEDIO BIOFÍSICO DE LA CIUDAD DE LOJA
2.2.1. LOCALIZACIÓN GEOGRÁFICA
“La provincia de Loja, se ubica en el suroeste del país, es una de las diez provincias que forman la región Sierra. Con una superficie de 11300Km2, limita al norte con Azuay y El Oro, al este con Zamora
Chinchipe y al sur y oeste con la frontera peruana.
El cantón Loja se encuentra ubicado en la parte nororiental de la provincia de Loja, con una superficie de 1869 Km2, a una altura
de 2135 m.s.n.m. Sus coordenadas geográficas son: Latitud sur 03°30‘50‘‘, su longitud 78°30‘ y 80°30‘. Con una población aproximada de 175 000 habitantes, la misma que según el Instituto Nacional de Estadísticas y Censos –INEC- representa el 43.20% del total de la provincia de Loja.
[image:37.842.73.753.69.537.2]La ciudad de Loja, capital de la provincia presenta una característica especial, la presencia imponente de los ríos Zamora y Malacatos, la identifica como una ciudad que se desarrolla en forma alargada hacia el norte y el sur, en donde es evidente el crecimiento poblacional.”2
Fig. 2.5. CIUDAD DE LOJA Fig. 2.6. RÍO MALACATOS Fig. 2.7. RÍO ZAMORA
ECUADOR
PROVINCIA DE LOJA Latitu O° QUITO
CANTÓN DE LOJA
Latitud Sur 03°30”50” LOJA
38
2.2.2. GEOLOGÍA Y RELIEVE
“La característica más sobresaliente del relieve de la región es la disminución de altura y el cambio de dirección de la cordillera de los andes, que pierde su carácter longitudinal y pasa a formar un corredor de estribaciones costeras bajas que se dirigen transversalmente hacia el mar. por allí fluyen las corrientes de aire, alejando las capas nubosas hacia la Amazonía o retornando al mar, sin producir lluvias en la serranía de la provincia de Loja, con el consecuente riesgo de enfrentar permanentes y largas sequías.
[image:38.842.70.569.70.527.2]El valle de Loja antiguamente fue una zona lacustre, conformada en el periodo terciario por un pequeño lago, que se abrió cerca de Salapa para dar nacimiento al actual río Zamora, alrededor del cual se ha conformado el valle largo y angosto (20Km x 40Km), con declive no muy pronunciado hacia el sector Norte, relieve colinado y abierto hacia el oeste, cerrado y abrupto hacia el este. La topografía más o menos plana del valle se sitúa al centro y llega hasta el barrio Motupe, donde se asienta la actual ciudad y sus barrios suburbanos.
Fig. 2.9. CERRO VILLONACO
Fig. 2.10. CERRO CAJANUMA Fig. 2.8. GEOLOGÍA Y RELIEVE DE LA HOYA DE LOJA
Este valle se encuentra encerrado por brazos de cordillera en forma de herradura, que derivan de la cordillera Central de los Andes, en su zona más baja, donde no supera los 3800 m.s.n.m. (Depresión de Huancabamba): el asiento de la herradura, ubicado en el extremo meridional, lo conforma el nudo de Cajanuma (pequeña cordillera transversal que se constituye también en divisoria de aguas hacia los dos océanos), y los brazos oriental (eje de la cordillera Real) y occidental (contrafuerte Villonaco).
39
2.2.3. VIENTOS
“Las condiciones geomorfológicas de un territorio matizan considerablemente la radiación solar directa, el régimen de vientos, la humedad ambiental, y el clima en general, poniendo claramente de manifiesto la interacción entre todas las variables del medio natural.
El factor orográfico, conformado por un relieve que desciende de Este a Oeste, con un gradiente general del 2.4%, ha contribuido que en Loja se forme una microzona de convergencia perpendicular a la zona de convergencia intertropical, donde los vientos marinos del Oeste tocan la cumbre de la cordillera Real y los vientos alisios del Este sobrepujan el centro de la provincia, configurando una situación de “Sahel”, es decir una transición entre la zona montañosa de los Andes Meridionales y el desierto de Sechura del Perú.
Las corrientes de viento sobre la ciudad de Loja, derivadas del gran frente del Este o de los vientos alisios, sufren modificaciones locales debido principalmente a la acción del relieve, pero conservan en términos generales algunas de las características comunes del componente regional: sobre todo en cuanto a dirección y humedad. El relieve local amaina la fuerza del viento y contribuye a desviar hacia el Norte la dirección SE predominante de los vientos alisios altos.
El promedio anual de la velocidad del viento en el valle de Loja es de 3,0 m/s; velocidad que se puede considerar reducida y que no causa problemas para la vida vegetal ni animal y la convivencia humana. Durante los meses de junio, julio y agosto, se registra la mayor fuerza del viento, con mayores máximos entre 9 y 10 metros por segundo (m/s) en julio y agosto. Pero en general, la velocidad del viento se mantiene estable alrededor del 40 % del tiempo.
En el valle de Loja predominan los vientos de dirección Norte, Noreste y Este, encausados por la apertura hidrográfica del río Zamora hacia la Amazonia. Hecho que también contribuye a que los vientos con menor frecuencia tengan direcciones meridionales y suroccidentales.
En consecuencia, considerando los factores fundamentales que generan el clima local: latitud, relieve, circulación general de la atmósfera y ENOS) y las medias plurianuales de temperatura y lluvia, y de otros meteoros, el clima de la ciudad de Loja se puede clasificar:
bioclimáticamente, como Temperado–subhúmedo; y
según Köppen, como mesotérmico o Templado húmedo sin estación seca (Cf).”4
1. 2.
E
AIRE CALIENTE CORRIENTE DEL NIÑO
DESERTIFICACIÓN NO O S SE SO N NE LOJA E O LLUVIA CONVECTIVA LLUVIA UNIMODAL "SAHEL"
DESIERTO DE SECHURA RÉGIMEN DE LLUVIAS
VIENTOS ALISIOS VIENTOS MARINOS
ENERO FEBRERO MARZO ABRIL
ENERO FEBRERO MARZO N NE E NO O S SE SO VIENTOS ALISIOS ENERGÍA EÓLICA ENERGÍA EÓLICA N
[image:39.842.73.257.82.168.2]NE E NO O S SE SO
Fig. 2.11. Influencia de los vientos sobre el continente
Fig. 2.12. Influencia de los vientos sobre la hoya de Loja
40
El siguiete cuadro muestra un resumen de los datos climáticos de la ciudad de Loja, obtenidos en la estación Metereológica “La Argelia”:
Como podemos observar, los factores ambientales que presenta nuestra ciudad, resultan aprovechables al momento de plantear proyectos que integren la energía renovable en busca del desarrollo sostenible y progreso de Loja y su provincia.
En este sentido, las diferentes entidades públicas y privadas están manejando iniciativas que contribuyan al mejoramiento de la calidad de vida de los habitantes, concibiendo así el primer proyecto Parque Eólico “Villonaco”, como uno de los retos ambientales para el siglo XXI.
2.2.3.1. PROYECTO PARQUE EÓLICO VILLONACO
“El H. Consejo Provincial de Loja conjuntamente con la Empresa Provincial de Energías Alternativas y Desarrollo Humano ENERLOJA S.A., marcará un hito en la Historia de la Provincia de Loja, pues en uno de sus sitios conocidos como “Huayrapungos” o “Puertas del Viento”, se pondrá en marcha uno de los proyectos más importantes del sector eléctrico del sur del país, con lo cual se dará un paso al frente en el campo de la generación de energía con tecnologías limpias.
Descripción del Proyecto
De acuerdo con los estudios realizados por ENERLOJA, conjuntamente con el Instituto Catalán de Energía de España y la consultora del Viento Normawind de Barcelona; en la Provincia de Loja, la velocidad media de los
DATOS CLIMÁTICOS DE LA CIUDAD DE LOJA
TEMPERATURA MÁXIMA (°C) TEMPERATURA MÍNIMA (°C) PRECIPITACIÓN (mm)
H U M E D A D RELATIVA (%) HORAS DE BRILLO SOLAR (horas) VELOCIDAD DEL VIENTO (m/s)
MEDIA 26.6 3.7 921.21 75 4.37 3.0
MÁXIMA 28 7.0 1217.51 83 5.33 5.9
[image:40.842.71.264.359.506.2]MÍNIMA 24.7 0.3 561.21 69 2.99 1.5
Cuadro 2.1. Síntesis del clima de Loja
NOTA: Los datos corresponden al promedio anual 1965 - 2004
41
vientos va desde los 11.00 a los 12.00 m/s, siendo adecuados y constantes en comparación con otras partes del país.
El Parque Eólico Villonaco tendrá una potencia nominal de 15 megavatios (encender 160.000 focos de 100 wattios) y se construirá en el sector del Villonaco, en las inmediaciones de la ciudad de Loja. La zona de implantación, es un sector que se encuentra en el filo de cumbre del cerro Villonaco, con precipitaciones escasas y cuyas temperaturas oscilan entre 10 y 15°C y una altura de 2600 a 2700 msnm.
Para la selección del emplazamiento se tuvieron en cuenta factores como: recurso eólico, compatibilidad con el entorno, conexión a la red eléctrica del sistema nacional. También se analizó el no inferir con las actividades cotidianas de las comunidades cercanas, zonas de cultivos, zona de pastoreo, etc.
El Parque Eólico es un proyecto de gran interés regional, pues abordará la instalación de 14 aerogeneradores, cada uno con 60 metros de altura y tres aspas de 31 - 38 metros de largo, distribuidos en una fila ocupando una longitud aproximada de 2900 metros. Adicionalmente se implantará una subestación de tipo encapsulada, una línea de subtransmisión de 4500 metros de longitud, oficinas y bodegas temporales para la etapa de construcción.
La energía eléctrica generada, será despachada al Sistema Nacional Interconectado, a través de la Subestación Loja (Transelectric). El Parque Eólico Villonaco tendrá un costo aproximado de 21.00 millones de dólares, con fondos que inicialmente provenían de inversionistas extranjeros, pero que en la actualidad está siendo tramitado por el gobierno.
Fig. 2.15. Vista Panorámica desde mirador “El Churo” hacia el “Villonaco”
Fig. 2.16. Cerro Villonaco - Loja
42
Plan de manejo ambiental
El Parque Eólico Villonaco, se maneja a partir del Plan de Manejo Ambiental, aprobado por el Ministerio del Ambiente, en el que los aspectos más destacables son los siguientes:
Educación.- Proveer educación y entrenamiento ambiental básico a todo el personal involucrado en el proyecto.
Flora y Fauna.- Establecer una red de monitoreo para la flora y fauna, particularmente enfocado a aves.
Manejo de Agua Superficial.- Minimizar las descargas incontroladas en cuerpos de agua superficial en áreas impactadas por las actividades del proyecto.
Erosión.- Minimizar la erosión de las áreas afectadas a causa de las actividades del proyecto.
Desechos.- Proponer un plan de manejo de desechos de tal manera que asegure la correcta disposición de los residuos generados en el sitio, reduciendo la exposición y accesibilidad de cualquier desecho peligroso a la fauna.
Ruido.- Establecer un esquema de monitoreo que permita medir el nivel de ruido, una vez iniciado el proyecto.
Preservación de la vegetación y el hábitat.- Minimizar los disturbios y daños de superficie para la vegetación y el hábitat de la vida silvestre durante las actividades de operación.
Relaciones Comunitarias.- Garantizar adecuados canales de comunicación entre la compañía y las comunidades locales.
Paralelo al proyecto Parque Eólico “Villonaco”, se inició también el proceso de toma de velocidad del viento, instalando medidores en otras zonas de gran potencial eólico como son “Las Chinchas” y “Membrillos”, de las cuales aún no se tienen resultado.
Cabe mencionar, que actualmente la empresa ENERLOJA, trabaja en el proyecto Hidroeléctrico “Infiernillos” en el cantón Saraguro, que pretendende ejecutarse en los próximos años con apoyo del gobierno.”5
[image:42.842.70.257.71.232.2]• • • • • • • •
Fig. 2.17. Sitio de implantación de aerogeneradores
[image:42.842.70.258.348.506.2]43
2.2.4. RADIACIÓN SOLAR
El hacer el estudio de la radiación solar, implica hacer un análisis del contexto de nuestra ciudad, es decir cómo los factores de ubicación, latitud, clima y otros, definen el brillo solar y sus variaciones durante todo el año. En este sentido, previo al análisis de soleamiento es necesario abarcar temas en lo que se refiere a geometría solar a fin de comprender el movimiento que describe la tierra con respecto al sol y en qué forma nos vemos involucrados con la captación de energía.
Barrera en su libro Introducción a una Arquitectura Bioclimática para los Andes Ecuatoriales, define el área de la Cordillera de Los Andes dentro de la Franja Ecuatorial, es decir, 10° de latitud norte y 10° de latitud sur y debido a lo cambiante del clima andino a medida que su altura se incrementa, se determina trabajar sobre un nivel medio de 2000 m.s.n.m., con sus condicionantes climáticos. Es necesario recalcar que el siguiente análisis aplica en la determinación del soleamiento en Loja, ya que la ciudad geográficamente, se encuentra inmersa dentro de estos parámetros de estudio.
2.2.4.1. GEOMETRÍA SOLAR
“La Tierra realiza una órbita anual casi circular en torno al sol con una ligera excentricidad que hace que en diciembre se reciba casi un 4% más de radiación que en junio. Realiza una rotación diaria sobre sí misma, con la importante característica que el plano del Ecuador no es paralelo al plano de la Eclíptica, sino que forman un ángulo constante de 23,45°, conocido como oblicuidad de la eclíptica. Esta oblicuidad da como resultado los distintos períodos climáticos a lo largo del año, conocidos como estaciones.
Para el estudio del soleamiento en la arquitectura tanto como en el urbanismo interesa recuperar el concepto antropocéntrico del universo, suponiendo que el sol realiza su recorrido por una bóveda celeste describiendo una órbita aproximadamente circular, del cual somos el centro.
Las definiciones que son imprescindibles para el análisis de la geometría solar en una zona determinada, son las siguientes:
Latitud (L).- Es el ángulo que forman la vertical del punto geográfico que se considere y el plano del Ecuador.
•
[image:43.842.91.241.59.204.2]Fig. 2.20. Recorrido solar alrededor del plano del Ecuador
Fig. 2.19. Giro de la tierra alrededor del sol Eclíptica
Exentricidad 0.0167
Diciembre Junio
44
Declinación solar (δ).- Es el ángulo que forma el rayo solar con el plano del Ecuador, al mediodía solar, en cada época del año, determinando las estaciones climáticas. Su valor viene dado por:
δ = 23,45° δ Sen{360º[(284+n)/365]}
Donde n es el número de días del año transcurridos.
Azimut (Az).- Es el ángulo que forma la proyección horizontal de la línea trazada entre el sol y el observador con el Sur geográfico, llamado también Meridiano del lugar. Se mide de 0° a 360° a partir del Sur, en sentido SONE, o hacia el Oeste de 0° a 180° y hacia el Este de 0° a –180°.
Altura (A).- Es el ángulo que forma el plano horizontal y la línea imaginaria que pasa por el centro del sol y el punto de observación. Se mide a partir del plano del horizonte, de 0° a 90°.
Coordenadas Celestes.- Permiten localizar cualquier punto sobre la bóveda celeste por su Altura (A) sobre el horizonte y su Azimut (Az) o desviación al este u oeste del Sur. Ello nos permite representar los astros en una esfera celeste de forma similar a como se ubica una posición sobre una esfera terrestre
.
El sol se comporta como una luminaria que se eleva todos los días desde el Este hacia el Oeste, describiendo en el cielo un arco más o menos amplio.
Considerando la oblicuidad de la Tierra respecto a la Eclíptica, y su movimiento respecto al sol ( que lo realiza en 365 dias 5 horas 48 minutos y 46 segundos), en el caso del hemisferio norte, las principales fechas estacionales a lo largo del año serían:
Equinoccio de primavera 21 de marzo d = 0° Solsticio de verano 21 de junio d = (+)23,5° Equinoccio de otoño 21 de septiembre d = 0° Solsticio de invierno 21 de diciembre d = (-)23,5°
Para el hemisferio sur, estas fechas estacionales quedarían definidas:
Equinoccio de primavera 21/septiembre δ= 0° Solsticio de verano 21/diciembre δ = (+)23,5°
• • • • • • • • • •
45
Equinoccio de otoño 21/marzo δ = 0° Solsticio de invierno 21/junio δ = (-)23,5°
En la zona ecuatorial del planeta, es decir sobre la latitud 0,0°, durante todo el año los días duran lo mismo que las noches. El sol pasa por el cenit en los equinoccios de marzo y septiembre; y alcanza su mayor declinación en los solsticios de junio y diciembre.
EQUINOCCIOS.- El recorrido solar, el 21 de marzo y septiembre, se caracteriza porque el Orto (amanecer) coincide con el Este, a las 6:00 horas, y el Ocaso (puesta del sol o atardecer) con el Oeste, a las 18:00 horas, con una duración total de 12 horas.
Equi-noccio = igual-noche.
Hablando sobre latitud cero, otro dato fundamental es que al mediodía (12:00 hora solar) el sol se halla sobre el Cenit, con Azimut Az = 0°, y formando con el Cenit un ángulo igual a la Latitud L, de manera que se puede calcular la altura solar como:
A = 90° – L; es decir 90°.
Los recorridos solares diurnos son arcos de círculo perfectos, cuyo eje coincide con el de la Tierra. El sol recorre 360° en 24 horas, correspondiendo a cada hora un ángulo horario w =15°.
Se considera como mediodía, o las 12:00 hora solar, el instante en que el sol pasa por la alineación norte sur.
SOLSTICIO del 21 de Junio.- El recorrido solar del 21 de junio se caracteriza porque al mediodía solar, cuando el sol se halla sobre la alineación Norte - Sur, se forma con el Cenit un ángulo igual a la declinación ( δ = + 23,45°), menos la Latitud L; de manera que se puede calcular la altura solar como:
A = (90° - L) + δ
Para una latitud 10° N, el 21 de junio al mediodía la altura del sol será:
A = (90° - L) + δ
A = (90° - (+10° ) )+ 23,45° A = 103,45°
[image:45.842.68.258.350.507.2]• •
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Es decir, el sol se encontraría desplazado 13,45° hacia el Norte con respecto al Cenit. El recorrido solar diurno al estar mas levantado sobre el horizonte provoca que el día dure más de 12 horas. En este caso, el día llega a durar 12:40 horas. Orto 5:40 horas, Ocaso 18:20 horas.
El azimut del Orto se produce entre el Este y el Noreste, exactamente a Az = - 113,3° E, y el azimut del Ocaso se produce mas allá del oeste, a Az = + 113,3° O.
Para una latitud 10° S, el 21 de junio al mediodía la altura del sol será:
A = (90° - L) + 23,45° A = (90° - (-10°)) + 23,45° A = 123,45°
Es decir, el sol se encontraría desplazado 33,45° hacia el Norte con respecto al Cenit. El día dura únicamente 11:20 horas. Orto 6:20 horas, Ocaso 17:40 horas.
El azimut del Orto se produce entre el Este y el Noreste, exactamente a Az = - 110,3° E, y el azimut del Ocaso se produce mas allá del Oeste, a Az = + 110,3° O.
SOLSTICIO del 21 de Diciembre.- El recorrido solar del 21 de diciembre se caracteriza porque al mediodía solar, cuando el sol se halla sobre la alineación Norte - Sur, se forma con el Cenit un ángulo igual a la declinación (δ = - 23,45°), menos la Latitud L; de manera que se puede calcular la altura solar como:
A = (90° – L) + δ
Para una latitud 10° N, el 21 de diciembre al mediodía la altura del sol será:
A = 90° - L + δ
A = 90° - (+10° ) + (- 23,45°) A = 56,55°
[image:46.842.69.254.352.505.2]Es decir, el sol se encontraría desplazado 33,45° hacia el Sur con respecto al Cenit. El recorrido solar diurno al no poder alcanzar al Cenit, provoca que el día dure menos de 12 horas. En este caso, el día llega a durar 11:20 horas. Orto 6:20 horas, Ocaso 17:40 horas.
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El azimut del Orto se produce entre el Este y el Sureste, exactamente a Az = - 69,7° E, y el azimut del Ocaso se produce entre el Oeste y el Sureste a Az = + 69,7° O.
Para una latitud 10° S, el 21 de diciembre al mediodía la altura del sol será:
A = 90° - L + δ
A = 90° - (-10° ) + (- 23,45°) A = 76,55°
Es decir, el sol se encontraría desplazado 13,45° hacia el Sur con respecto al Cenit. El día dura 12:40 horas. Orto 5:40 horas, Ocaso 18:20 horas.
El azimut del Orto se produce entre el Este y el Sureste, exactamente a Az = - 66,7° E, y el azimut del Ocaso se produce mas allá del Oeste, a Az = + 66,7° O.
Los solsticios son las fechas donde se alcanzan las mayores o menores horas de soleamiento durante el año, pero su repercusión sobre un aumento o disminución de la temperatura se retarda aproximadamente un mes, desfase producido por la inercia térmica de la Tierra.
2.2.4.2. VARIACIONES DE LA RADIACIÓN SOLAR EN LA FRANJA ECUATORIAL
Definida la franja ecuatorial desde los 10° de latitud Norte, hasta los 10° de latitud Sur, a continuación se hace un estudio de la variación de la posición solar e intensidad de la radiación solar sobre una superficie horizontal:
VARIACIÓN MENSUAL.- La radiación media mensual varía de un mes a otro por razones fundamentalmente de localización geográfica (Latitud), debido a lo cambiante de la posición del sol respecto al plano horizontal.
