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Herramienta computacional para el cálculo de soluciones fotovoltaicas

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Academic year: 2020

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HERRAMIENTA COMPUTACIONAL PARA EL CÁLCULO DE SOLUCIONES FOTOVOLTAICAS

María de la Paz Vidales Medina Proyecto de Grado

Asesor:

Álvaro Enrique Pinilla Sepúlveda, Ph. D.

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Bogotá, D.C.

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2 Contenido

1. Nomenclatura ... 5

2. INTRODUCCIÓN ... 6

3. OBJETIVOS ... 8

4. ENERGÍA SOLAR EN COLOMBIA ... 9

5. CANTIDAD DE AGUA MÍNIMA VITAL ... 11

6. FACTORES ECONÓMICOS QUE AFECTAN UN SISTEMA FOTOVOLTAICO ... 13

7. SISTEMAS DE BOMBEO FOTOVOLTAICO ... 14

7.1. Descripción general ... 14

7.2. Componentes de un sistema fotovoltaico ... 14

8. RESUMEN DE EQUIPOS RECOPILADOS EN EL PROGRAMA ... 19

9. MARCO TEÓRICO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ... 20

9.1. Selección de sistemas de bombeo fotovoltaicos ... 20

9.2. Sistemas de generación fotovoltaicos ... 23

9.3. Análisis económico ... 24

10. CÓMO UTILIZAR LA HERRAMIENTA COMPUTACIONAL PARA LA SELECCIÓN DE SOLUCIONES FOTOVOLTAICAS ... 25

10.1. Sistemas de bombeo ... 25

10.2. Sistema fotovoltaico ... 33

10.3. Análisis económico ... 35

11. CASO DE APLICACIÓN: SISTEMA DE BOMBEO EN UNA FINCA LECHERA ... 37

12. CASO DE APLICACIÓN EDIFICIO W, UNIVERSIDAD DE LOS ANDES ... 42

13. CASO DE APLICACIÓN DEL EDIFICIO W CON LOS INCENTIVOS DEL GOBIERNO NACIONAL DESCRITOS EN EL DECRETO 2143 DEL 4 DE NOVIEMBRE DEL 2015 ... 47

14. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 49

15. Anexos ... 51

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3 Lista de ilustraciones

Ilustración 1: Jerarquía de las necesidades de agua (OMS, 2009). ... 11

Ilustración 2: Diagrama general de sistemas fotovoltaicos. ... 14

Ilustración 3: Curva característica de un panel solar (SUNTECH, 2012). ... 15

Ilustración 4: Esquema de un sistema de bombeo solar (Colombian Solar Systems, 2015). ... 25

Ilustración 5:Ventana de inicio. ... 28

Ilustración 6: Resumen información de salida de la herramienta. ... 30

Ilustración 7: Gráficas de volumen bombeado de agua y energía producida diaria. ... 30

Ilustración 8: Información del arreglo solar seleccionado. ... 32

Ilustración 9: Información de los componentes de balance del sistema. ... 32

Ilustración 10: Ventana de inicio de un sistema de generación fotovoltaica... 34

Ilustración 11: Información de salida en la sección de análisis económico. ... 36

Ilustración 12: Información del volúmen bombeado por día con el sistema propuesto. ... 39

Ilustración 13: Resumen de equipos del sistema instalado en el edificio W... 42

Ilustración 14: Resumen de producción de energia del sistema instalado en el edificio W. ... 42

Ilustración 15,: Resumen de energía producida promedio diária por el sistema. ... 43

Ilustración 16: Resumen de equipos y generación de energía del sistema propuesto. ... 44

Ilustración 17:Energía producida real y energía proyectada. ... 44

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4 Lista de tablas

Tabla 1: Resumen de la base de datos de la herramienta....19

Tabla 2: Características del sistema original de bombeo....37

Tabla 3:Resumen del sistema propuesto....38

Tabla 4: Información de radiación solar de Bogotá....39

Tabla 5: Resumen de costos por valor unitarios de los equipos del proyecto....40

Tabla 6: Resumen del total de los costos de los equipos del proyecto. ...40

Tabla 7: : resumen de valores importantes en el análisis económico del proyecto………..……….……...40

Tabla 8: Costo de los equipos por unidad del sistema propuesto. ...45

Tabla 9: resumen de valores importantes en el análisis económico del proyecto………...45

Tabla 10: Influencia de la TRM en el precio del kWh del proyecto………….…….46

Tabla 11: Valor de capital necesario para el proyecto con y sin IVA. ...47

Tabla 12: Resumen de costos necesarios para el proyecto en los escenarios con y sin IVA. ...47

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1. Nomenclatura Pr = Presión de entrada y salida [Pa]

v = Velocidad del fluido [m/s] V= voltaje [V]

I = corriente [A]

Z = cabeza estática [m] g= gravedad [𝑚 𝑠⁄ ] 2

ℎ𝑓= pérdidas por fricción [m] ℎ𝐿= pérdidas por accesorios [m]

𝑝= Energía por unidad de peso aportada por la bomba [m] 𝜂= Eficiencia [%]

Q= caudal [𝑚3⁄ ] 𝑠 ρ= densidad [𝑘𝑔 𝑚 3]

𝜔= velocidad angular [rad/s] T= Momento par [Nm]

𝑛= vida útil del proyecto [años]

𝑉𝑝= valor presente de un flujo de costos [$] 𝑖𝑟𝑒𝑎𝑙= interés real [%]

𝑖𝑖𝑛𝑓𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛=inflación [%]

𝑖𝐸𝐴= interés efectivo anual [%] P = Potencia [W]

kWh = kilo Vatio hora Wp= Vatio pico

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2. INTRODUCCIÓN

Cada etapa de la historia de la civilización se ha caracterizado por el descubrimiento o mejor uso de algún recurso energético, desde los molinos de viento, hasta la máquina de vapor. Actualmente, los recursos energéticos principales se derivan de combustibles fósiles. Esta dependencia está afectando la estabilidad de nuestro planeta, ya que las huellas de carbón que generan alteran la temperatura global y en consecuencia la vida en la tierra. Colombia no es ajena a esta problemática, en lo corrido del 2016 el país enfrentó una de las sequias más fuertes de su historia, afectando no solo la disponibilidad de agua en el país, sino también el recurso energético. Esta situación llevó al Gobierno Nacional a concientizar a la población sobre los hábitos de consumo que llevaban hasta el momento para poder asegurar los recursos energéticos en el futuro.

Entre otras, la energía solar fotovoltaica se presenta como una alternativa de energía limpia, en el sentido de que sus emisiones asociadas (40 kg CO₂ eq/MWh) son mucho más bajas que las generadas por plantas operadas con combustibles fósiles (1000 kg CO₂ eq/MWh) (National Renewable Energy Laboraotry, 2012). A nivel de capacidad instalada, en el 2014, el 6% de la generación mundial de energía fue producida por fuentes renovables, de los cuales 177GW fueron aportados por la energía solar fotovoltaica (Renewables 2015 global status report, 2015). En Colombia se estima que en el 2010 se tenían 9 MWp instalados de energía fotovoltaica y se espera que aumente progresivamente (UPME, 2015). Sin embargo, factores económicos y políticos no han permitido que esta tecnología penetre el mercado energético nacional de forma masiva, debido a que su inversión implica grandes cambios en el mercado y el consumo energético del país.

La Ley 1715 del 2014 fue el primer paso del país para integrar las energías renovables no convencionales al sistema energético nacional. Esta ley establece puntos clave para lograr rentabilidad en proyectos fotovoltaicos, y de esta manera hacerlos económicamente competitivos frente a otras fuentes de generación de energía. Por ejemplo, en el artículo 8 se establece la posibilidad de entregar a la red eléctrica nacional el excedente de los auto-generadores, y reconocer ese excedente como créditos energéticos, es decir, se implementaría la medición bidireccional en el país. Los artículos 11 al 14 establecen incentivos fiscales como la reducción de renta gravable hasta del 50% por cinco años, exclusión del IVA y exención arancelaria. Esta ley se vio reglamentada por el Decreto 2143 del 4 de noviembre del 2015, en la cual se hace énfasis en los siguientes incentivos económicos: deducción especial sobre el impuesto de renta, exclusión del IVA, exención de gravamen arancelario y régimen de depreciación acelerada.

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A nivel de recurso hídrico, Colombia se perfilaba como uno de los países más ricos y fuertes a nivel mundial; sin embargo, el mal uso del recurso y la falta de protección de los páramos y las cuencas hidrográficas han generado que poblaciones enteras queden sin el mínimo vital de agua potable. La Guajira y Casanare son los casos más recientes y públicos que ha tenido el país, donde se vieron a cientos de animales (Casanare) (Semana, 2014) y niños (Guajira) (Ávila, 2016) sufrir por falta de agua. Este problema se acrecienta, dado que normalmente las poblaciones que no cuentan con recurso hídrico para consumo, tampoco cuentan con recursos energéticos, haciendo las actividades de bombeo desde fuentes subterráneas o superficiales imposibles.

La solución propuesta para este tipo de comunidades es el bombeo fotovoltaico, el cual cuenta con una bomba y un arreglo solar, que provee la energía. Usualmente estas poblaciones no cuentan con recursos hídricos superficiales, por lo que se debe acudir a fuentes subterráneas, haciendo necesario el uso de bombas sumergibles. Estos sistemas son ideales para solucionar este tipo de problemas debido a que la oferta actual permite encontrar bombas con un gran rango de trabajo. Además, el mantenimiento que requiere este tipo de sistemas es casi mínimo, permitiendo que la población mantenga en funcionamiento el sistema. Como se expuso anteriormente, en este momento gran parte de nuestro país sufre de sed y no cuenta con el mínimo de recursos energéticos (Bohórquez, 2016), por lo que buscar una solución es indispensable. La energía fotovoltaica se presenta como una alternativa energética (por si sola) e hídrica (como fuente energética de una bomba) a la que vale la pena invertir tiempo y recursos.

La necesidad de garantizar el mínimo de agua vital y recursos energéticos para todas las poblaciones de Colombia fue el principal motivo de este proyecto, del cual surgió una herramienta computacional sencilla, con la cual se pueden calcular, seleccionar y evaluar económicamente soluciones fotovoltaicas. Para su realización se investigó sobre el panorama de la energía solar en Colombia, la cantidad mínima vital de agua requerida por persona, factores económicos y los componentes y funcionamiento de un sistema fotovoltaico. Esta herramienta fue probada en dos casos de aplicación, y pretende ser una ayuda para todo aquel que quiera utilizar la tecnología fotovoltaica como una fuente de energía directa o hídrica (junto con equipos de bombeo). Los conocimientos teóricos básicos y la guía de funcionamiento del programa se presentan a lo largo de este informe.

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3. OBJETIVOS

El objetivo principal de este proyecto es desarrollar una herramienta computacional en una hoja de Excel® para el cálculo y selección de soluciones fotovoltaicas. Para lo cual es necesario primero, identificar los componentes de un sistema fotovoltaico, tanto en sistemas de bombeo como en sistema de generación de energía. Una vez se identifiquen los componentes necesarios se recopilará información técnica en una hoja Excel® utilizando la oferta de equipos fotovoltaicos en Colombia, de la cual se alimentará el programa. Utilizando programación básica de macros en Excel® será posible iterar en una serie de restricciones impuestas por el usuario las características técnicas de cada componente hasta encontrar la mejor solución fotovoltaica para cada necesidad. Además, se pretende entregar al usuario una idea de los costos y beneficios económicos asociados a los sistemas fotovoltaicos, por lo tanto es necesario reconocer los factores económicos que influyen en estos sistemas. Finalmente, se realizarán dos casos de aplicación para verificar el funcionamiento del programa desarrollado: un caso de aplicación de bombeo fotovoltaico en una finca lechera y un sistema fotovoltaico para el edificio W de la universidad de los Andes. En este último se realizará una comparación con el sistema que ya se encuentra instalado en el edificio y adicionalmente se comparará la viabilidad económica del proyecto con y sin los beneficios ofrecidos por el gobierno nacional.

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4. ENERGÍA SOLAR EN COLOMBIA

La ilustración 18 (ver sección de anexos) es el mapa del promedio interanual de radiación solar incidente en Colombia realizado por el IDEAM (IDEAM, UPME, 2014). En este se identifican tres zonas que sobresalen por la cantidad de radiación que reciben durante el año, las cuales se ubican en la Región Caribe, Oriente, y Andina. Entre estas zonas es importante resaltar el departamento de la Guajira, ya que en promedio recibe valores de radiación entre 5.5 y 6 kWh/m², de los mayores del país. Se debe recordar que este departamento ha presentado problemas con el suministro tanto de energía como de agua potable, por lo que la implementación de sistemas de bombeo con alimentación fotovoltaica es una opción viable para los habitantes de esta zona. El gobierno identificó este sistema como una solución a los problemas de la comunidad y está entregando pozos activos con bombeo solar a los habitantes más vulnerables de la región (Presidencia de la República, 2016).

Colombia es privilegiada con la cantidad de radiación solar que recibe; sin embargo, a pesar de su potencial, esta tecnología no ha sido adaptada en el país de forma masiva. Al revisar la oferta de equipos solares en Colombia se encontró una oferta limitada en equipos fotovoltaicos, especialmente en equipos de bombeo solar (monopolizada por los fabricantes Lorentz y Grundfos) y con precios elevados. Se espera que con el reciente interés en las energías renovables en el país se incremente la oferta del mercado solar, para así incrementar la competitividad y ofrecer mayores opciones a los usuarios.

A nivel de producción de energía eléctrica algunas empresas públicas y privadas han identificado el potencial del país en sistemas fotovoltaicos y el impacto que estos pueden generar en la calidad de vida de poblaciones en las zonas no interconectadas de Colombia. Entre las iniciativas más importantes se encuentra XUÉ, un proyecto conjunto entre la empresa de energía de Cundinamarca y la gobernación de Cundinamarca. Este proyecto está orientado a los habitantes de Yacopí y Caparrapí, municipios sin acceso a la red eléctrica nacional y con grandes retos en malla vial. XUÉ entrega un kit de energía solar, el cual incluye tres paneles solares de 250 Wp, 2 baterías de 205 Ah y un conjunto de electrodomésticos básicos para ser utilizados con el sistema fotovoltaico. Cada sistema se entrega a las familias en modalidad de arriendo y se involucra a los habitantes de la zona desde el transporte de los equipos hasta el mantenimiento, para generar sentido de pertenencia con el proyecto y cuidado del mismo. El proyecto tendrá impacto en 59 familias de esta región (Gutiérrez, 2016). La empresa AB energía también ha decidido invertir en estos sistemas en los municipios de Trinidad y Paz de Ariporo, con la diferencia de que estos sistemas

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en lugar de contar con un banco de baterías de apoyo contará con una plata diésel, por lo que el sistema funcionará como un sistema híbrido. La empresa piensa empezar el piloto en Casanare y replicarlo en las zonas no interconectadas del país (Dinero, 2016).

En conclusión, el mercado de energía solar en Colombia es muy joven aún y tiene una oferta limitada de equipos; no obstante, debido a la cantidad de recurso solar disponible se observa un gran potencial en este tipo de tecnología. El gobierno nacional ha entregado algunos puntos importantes de bombeo solar, los cuales, junto con los incentivos financieros descritos en la Ley 1715 del 2014 pueden generar mayor interés para la inversión en este tipo de energía. Además, se observa un interés particular de empresas privadas en sistemas fotovoltaicos en poblaciones no interconectadas a la red eléctrica nacional, lo que permitiría que cada vez más familias en Colombia cuenten con recursos básicos de energía para mejorar su calidad de vida.

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5. CANTIDAD DE AGUA MÍNIMA VITAL

Para poder pensar en suplir un recurso básico para la vida humana como el agua, es necesario primero conocer cuál es la cantidad mínima de este recurso que se debe suministrar a cada persona para garantizar su vida en la tierra. Según la FAO (Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura) el consumo y calidad del agua necesario por persona está condicionado por el tipo de cobertura que requiera la comunidad usuaria (ver la ilustración 1, Jerarquía de las necesidades del agua).

Ilustración 1: Jerarquía de las necesidades de agua (OMS, 2009).

El suministro de agua para una comunidad debe pasar por un proceso de recolección, almacenamiento, tratamiento y distribución. Cada una de estas etapas incluye un costo, por lo que se debe ser selectivo a la hora de decidir que necesidades se van a cubrir, ya que se puede afectar la viabilidad económica del proyecto. Para evitar sobrecostos la FAO establece que a medida que se quieran cubrir necesidades no vitales la calidad del agua entregada puede disminuir, dado que las nuevas actividades que se sumen como lavar la ropa y alimentar animales no requiere de un tratamiento estricto para su consumo. Esta medida disminuye el costo final del sistema de bombeo y permite a las comunidades tener una cobertura total de sus necesidades.

Además de pensar en la calidad y cantidad de agua mínima para la vida, la ilustración 1 muestra cómo estas necesidades se suman progresivamente y no necesariamente deben ser suplidas en su totalidad en una sola etapa. Las necesidades básicas de consumo para beber y cocinar son las que menor cantidad y mayor calidad de agua requieren y deben ser el objetivo principal e inicial en un sistema de suministro de agua. Una vez se han suplido las necesidades básicas de consumo se puede pensar en suplir recursos para necesidades de aseo, las cuales aumentan la calidad de vida de la población, pero no son decisivas en la supervivencia de sus habitantes. Finalmente, cuando se

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han suplido requerimientos directos de la población humana se pueden pensar en suministrar agua a terceros, como los es el ganado y las plantaciones de una comunidad. Como se mencionó anteriormente, en este punto final de suministro, la calidad del agua es mucho más baja que la que requieren los habitantes para consumo directo.

Según lo anterior, para realizar un sistema de suministro de agua hay varios factores que se deben tener durante la plantación inicial del proyecto, como por ejemplo, se debe pensar no solo en la fuente hídrica que se tenga, sino en la cantidad de personas usuarias que se va a tener y las necesidades que se van a cubrir, ya que de esta última dependen la cantidad y calidad del agua suministrada y en consecuencia los costos asociados y la viabilidad económica del proyecto (OMS, 2009).

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6. FACTORES ECONÓMICOS QUE AFECTAN UN SISTEMA FOTOVOLTAICO

En los factores económicos que afectan los sistemas fotovoltaicos se identifican tres variables principales que determinan los costos totales de este tipo de proyectos y en consecuencia afectan su viabilidad económica. Entre estos se tienen los costos iniciales, recurrentes y tasas bancarias y nacionales. Los dos primeros se pueden entender como una inversión directa para el proyecto, es decir, son necesarios para su funcionamiento técnico. Por otro lado, las tasas bancarias y nacionales no se manifiestan como un gasto para la operación del proyecto, sino que están asociados a tasas impositivas por el gobierno y los bancos (en caso de requerir financiación) y por lo general no son negociables. A continuación se hace una breve explicación de cada variable mencionada anteriormente:

Costos iniciales: Incluye toda la inversión inicial que requiere el proyecto. Esto incluye gastos de capital, es decir, los elementos físicos necesarios como los paneles, bombas, controladores, tanques de almacenamiento, cables, tubería e inversores. Además, se deben incluir todos los gastos necesarios no materiales necesarios para empezar la operación del proyecto, como el costo de la instalación, mano de obra y el transporte de equipos (Roy Barlow, 1993).

Costos recurrentes: Se refiere a todos los gastos necesarios para la operación del proyecto, pero que se espera ocurran pocas veces en la vida útil del mismo. En estos se incluyen los costos de operación y mantenimiento y costos de reemplazo de equipos (inversores, bombas, controladores y baterías). En un proyecto de energía no renovables se debería agregar el costo del combustible, ya sea diésel o el consumo de energía eléctrica que se obtiene de la red, es en este punto donde los sistemas fotovoltaicos tienen una ventaja frente a los demás sistemas, ya que no requiere de ningún combustible adicional a la radiación solar (Roy Barlow, 1993).

Tasas nacionales y bancarias: Se refiere a los costos que se deben pagar al gobierno y a los bancos en caso de que se requiera de un préstamo para financiar el proyecto, estos incluyen IVA, costos de importación, tasa de inflación y tasas de interés. Se debe aclarar que las tasas nacionales e inflación no son negociables, controlables y son de obligatorio cumplimiento; por otro lado, para buscar viabilidad económica las tasas bancarias se pueden negociar y buscar en el mercado la mejor opción para el proyecto (Roy Barlow, 1993).

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7. SISTEMAS DE BOMBEO FOTOVOLTAICO

7.1. Descripción general

Un sistema fotovoltaico es aquel que utiliza como fuente de energía principal la radiación solar. Para esto se utilizan arreglos fotovoltaicos que convierten la radiación solar en energía eléctrica y la transfiera a través de corriente directa. Estos sistemas requieren frecuentemente de equipos, conocidos como el balance del sistema, que regulen (controladores), conviertan (inversores) y almacenen (baterías) la energía obtenida del arreglo solar para poder tener el mejor rendimiento posible del sistema.

Con base en la descripción realizada en el párrafo anterior, los sistemas fotovoltaicos se pueden resumir siguiendo la lógica de la ilustración 2. Estos sistemas cuentan con un arreglo fotovoltaico (captura energía solar), el cual transfiere energía eléctrica a los elementos de balance del sistema para finalmente entregarla al consumidor final. En el caso específico de sistemas de bombeo fotovoltaico, el único consumidor final de la energía debe ser el sistema de bombeo, el cual utiliza la energía eléctrica recibida para generar energía mecánica.

Ilustración 2: Diagrama general de sistemas fotovoltaicos.

7.2. Componentes de un sistema fotovoltaico

Arreglo fotovoltaico

Un arreglo fotovoltaico consiste en una agrupación de módulos solares, los cuales cuentan con un conjunto de celdas fotovoltaicas. El principio de operación de estas celdas está basado en el efecto fotoeléctrico, característico de algunos

Arreglo Fotovoltaico

• Sistema de panales solares • Estructuras

Balance del sistema (BOS)

• Controladores • Inversores • Baterias

Consumidor de energía

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materiales, los cuales liberan electrones al recibir fotones de la radiación incidente y en consecuencia generan una corriente eléctrica (Knier, 2002).

Los módulos se fabrican generalmente de silicio y pueden ser de dos tipos: monocristalino y policristalino. Los módulos monocristalinos utilizan un solo cristal de silicio (se caracterizan por su color negro y forma de rombo), permitiendo a los electrones liberados moverse más libremente, por lo que generalmente estos módulos presentan mayores eficiencias y en consecuencia mayores costos. Los módulos policristalinos se componen de una agrupación de cristales de silicio, estos suelen tener menores eficiencias y menores costos (National Energy Foundation, 2008).

Normalmente los fabricantes entregan datos de potencia, voltaje de mejor operación, corriente de mejor operación, corriente de corto circuito y voltaje de circuito abierto de cada módulo. Cada parámetro se calcula en condiciones estándar de prueba, la cual establece una incidencia de radiación de 1000 𝑊/𝑚2 y una temperatura de 25°C. En condiciones de operación real estos parámetros no siempre se cumplen, por lo tanto, los sistemas se deben seleccionar basados en las curvas de rendimiento de los módulos a diferentes tasas de radiación y temperatura. Esta información se puede observar en la ilustración 3, donde se presenta un ejemplo de una curva característica de un módulo solar.

Ilustración 3: Curva característica de un panel solar (SUNTECH, 2012).

Controlador

Un controlador, como su nombre lo indica, controla la cantidad de corriente y voltaje que transfiere el arreglo fotovoltaico al consumidor de energía. Son

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comúnmente utilizados cuando el sistema cuenta con un banco de baterías, ya que ayuda a controlar la energía que reciben, y así extender la vida útil de las mismas. Los sistemas de bombeo también son usuarios de los controladores de carga, especialmente de la tecnología MPPT (Seguidor del Punto de Máxima Potencia), ya que les permite obtener el máximo de potencia posible entregado por el arreglo fotovoltaico en cada momento. Existen dos tipos de controladores, MPPT (Seguidor del Punto de Máxima Potencia) y PWM (Modulación por ancho de pulsos), los cuales se presentan a continuación:

MPPT (Seguidor del Punto de Máxima Potencia)

Al recordar la ley de ohm en la cual 𝑃 = 𝐼 × 𝑉, donde P representa la potencia, I la corriente y V el voltaje, es posible deducir que el punto de máxima potencia se alcanza cuando el producto de voltaje y corriente es el máximo. El controlador MPPT intenta entregar siempre este nivel de potencia, independientemente de las condiciones de radiación del ambiente; es decir, si el voltaje en el sistema fotovoltaico cae, el controlador aumenta la corriente entregada para que la potencia final sea constante, y viceversa. Además, el controlador no solo permite regular la energía que entra al consumidor, sino que permite regular el voltaje de alimentación del mismo, lo que significa que se puede tener un voltaje nominal del sistema fotovoltaico mayor al voltaje de alimentación del consumidor (Mayfield, 2010).

Los controladores MPPT son los más utilizados actualmente, dado que permiten obtener la mayor cantidad de potencia posible de un sistema de paneles solares, basado en las curvas de PV (potencia-voltaje) de cada módulo solar.

PWM (Modulación por ancho de pulsos)

Los controladores PWM se utilizan generalmente en sistemas pequeños con bancos de baterías. El principio de operación del controlador es muy sencillo: el controlador regula por pequeñas “pulsaciones” la corriente que recibe hacia el consumidor final, es decir, que el controlador envía pequeños paquetes de corriente, como si apagara y prendiera la alimentación muchas veces cada segundo. La batería recibe la corriente que necesita y a medida que va completando su ciclo de carga el controlador baja la velocidad de estas pulsaciones para finalmente dejar de enviar energía al banco. Este tipo de controladores no puede modificar el voltaje de salida de los módulos solares, por lo que se debe tener cuidado en fijar un voltaje único para las baterías y el arreglo solar (Blue Light, 2011).

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17  Inversor

La corriente eléctrica es un mecanismo de transporte de energía, la cual se puede entregar en forma continua o alterna. La corriente continua (DC current) viaja en una sola dirección y no varía en el tiempo, por otro lado, la corriente alterna (AC current) cambia de frecuencia y su recorrido tiene una forma sinusoidal.

Dado que los sistemas fotovoltaicos entregan energía en forma de corriente directa, y los elementos eléctricos de uso común consumen energía en forma alterna es necesario insertar al sistema un equipo que transforme la corriente directa en alterna, para poder ser consumida. Este tipo de equipos se conocen como inversores, los cuales se ubican generalmente justo antes del consumidor final de energía (Inverters Canada, 2015).

Baterías

Las baterías son elementos de almacenamiento de energía, capaces de entregar energía eléctrica mediante la generación de una reacción química. Los componentes principales de una batería son las celdas, las cuales cuentan con placas cargadas positiva y negativamente inmersas en un electrolito, líquido o gel, el cual sirve de medio para propiciar el flujo de electrones entre las placas cargadas.

Las baterías se clasifican dependiendo el tipo de electrolito y el material de las placas utilizadas. De acuerdo con estas variables cada batería presentará una profundidad de descarga (la cual representa la cantidad de energía que puede entregar una batería) y un ciclo de vida característico; generalmente, entre mayor sea la descarga de la batería menor será su ciclo de vida (Mayfield, 2010).

Bombas

Las bombas son elementos mecánicos que transforman energía mecánica en energía hidráulica. Se pueden clasificar dependiendo el tipo de instalación que tengan, pueden ser superficiales o sumergibles, y el principio de operación de las mismas, las cuales las divide en centrifugas y de desplazamiento positivo.

Bombas centrífugas

Este tipo de bombas entregan energía cinética al fluido a través del aumento de su velocidad, obligándolo a interactuar con un rotor girando a grandes velocidades. Cuando el fluido deja de estar en contacto con el rotor se encuentra con la carcasa de la bomba, la cual disminuye la velocidad adquirida por el fluido y convierte la energía cinética en energía en forma de presión (Grundfos).

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La adición y conversión de energía se modela por medio de la ecuación de Bernoulli, en donde se tiene en cuenta la cabeza entregada por la bomba y las pérdidas generadas por fricción y accesorios.

(𝑃𝑟1 𝜌𝑔 +

𝑉2

2𝑔+ 𝑧1)𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = ( 𝑃𝑟2 𝜌𝑔 +

𝑉22

2𝑔 + 𝑧2)𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎+ ℎ𝑓+ ℎ𝐿 − ℎ𝑝

La eficiencia de una bomba centrífuga depende de la cantidad de energía mecánica que pueda transferir al fluido en forma de energía hidráulica, de la siguiente manera (White, 2003):

𝜂 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 ℎ𝑖𝑑𝑟á𝑢𝑙𝑖𝑐𝑎 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑚𝑒𝑐á𝑛𝑖𝑐𝑎

𝜂 =𝜌𝑔𝑄ℎ𝑝 𝜔𝑇

Los motores de las bombas centrífugas pueden funcionar con cualquier tipo de combustible, desde diésel hasta energía eléctrica. En aplicaciones solares los fabricantes han adaptado motores eléctricos, por lo general sin escobillas, los cuales trabajan con corriente directa, para evitar el uso de un inversor.

Bombas de desplazamiento positivo

En este tipo de bombas, el fluido es desplazado gracias a cambios de volumen en el interior de la bomba. A diferencia de las bombas centrífugas, estas bombas tienen múltiples mecanismos de funcionamiento, como pistones, paletas, tornillos, piñones, etc. Se dividen en dos grandes grupos: reciprocantes y rotativas. Las bombas rotativas presentan un eje giratorio y una carcasa como las bombas centrífugas, pero en estas, el fluido es movido gracias a la reducción del volumen contenido del mismo, el cual obliga al fluido a desplazarse. Su contraparte, las bombas reciprocantes comprimen el fluido en una cámara para después forzarlo a salir, funcionan a bajas velocidades y el caudal desplazado depende del radio del pistón y la carrera del mismo.

Las bombas de desplazamiento positivo funcionan muy bien con fluidos altamente viscosos y a grandes presiones, ya que su operación depende más de la velocidad de rotación que de la cabeza de entrada. Son también utilizadas para dosificación ya que se puede controlar la cantidad de fluido desplazado en cada carrera (Gunt, 2005).

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8. RESUMEN DE EQUIPOS RECOPILADOS EN EL PROGRAMA

En la Tabla 1 se presentan el resumen de la cantidad de equipos que alimentan el programa. Se debe resaltar que todos los inversores, controladores de batería, baterías y paneles solares recopilados se encuentran en el mercado colombiano, sin embargo, en la información de bombas y de controladores de bombas se agregó oferta del mercado estadounidense debido a la poca oferta encontrada en Colombia.

Equipo Cantidad

Panel solar 210

Bomba 141

Controlador de

batería 76

Controlador de

bomba 20

Inversor 137

Batería 57

Información de radiación

39 ciudades

Tabla 1: Resumen de la base de datos de la herramienta1.

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9. MARCO TEÓRICO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

Al momento de seleccionar un sistema de alimentación fotovoltaica lo más importante es determinar la cantidad de energía requerida y las condiciones ambientales (radiación solar incidente) a las que estará expuesto el sistema. En un sistema de alimentación fotovoltaico doméstico la carga total requerida está dada por la cantidad de elementos consumidores que se tenga y la cantidad de horas que estos estén trabajando, un cálculo relativamente sencillo. Por otro lado, en sistemas de bombeo fotovoltaico determinar la energía necesaria depende además, de otras variables del sistema, como el volumen de agua requerido y la fuente hídrica que se tenga. A continuación se presenta una guía para determinar la carga energética de un sistema de bombeo con alimentación fotovoltaica y un sistema de alimentación de energía fotovoltaica común, en la cual se basa el programa desarrollado.

9.1. Selección de sistemas de bombeo fotovoltaicos

Primera parte: Determinar la potencia que debe ser entregada por el sistema fotovoltaico.

1. Determinar el volumen de agua requerido por día, esto permitirá establecer el caudal que manejará el sistema. El valor se puede dar en 𝑚3 o gpm. 2. Determinar la cabeza dinámica del sistema. Este parámetro establece la

energía por unidad de peso que necesitará suministrar la bomba al fluido para entregarlo en el punto de consumo, y se rige bajo la ley de Bernouilli. Las variables que influyen la cabeza son:

2.1. Profundidad del pozo, si la bomba es sumergible. 2.2. Longitud total de la tubería.

2.3. Accesorios como codos, entradas, salidas, etc.

2.4. Distancia vertical del tanque de almacenamiento o punto de entrega del agua.

2.5. Diámetro de la tubería.

2.6. Densidad y viscosidad del fluido. 2.7. Presión inicial y final del fluido.

Con las variables descritas anteriormente, y utilizando la ecuación de Bernouilli se puede determinar la cabeza dinámica que tendrá que entregar la bomba, medida en metros [m].

3. Una vez se tenga la cabeza y caudal requerido se puede proceder a escoger una bomba que cumpla con las condiciones impuestas por el

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consumidor. Esta bomba consume una cantidad de potencia específica, la cual será entregada por el sistema fotovoltaico.

4. Determinar la cantidad de horas al día que trabajará el sistema. Si la bomba debe ser utilizada en horas de la noche, cuando no hay luz solar, se debe utilizar un sistema de baterías o conectar el sistema a la red eléctrica para darle apoyo cuando la energía solar no es suficiente.

5. Determinar la energía total consumida durante el día. (El siguiente procedimiento se obtuvo de la sección “Solar power” del libro The power guide, 1994).

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 [𝑊] × ℎ𝑜𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑎𝑙 𝑑𝑖𝑎 [ℎ] = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑜 [𝑊ℎ𝑑í𝑎]

6. Determinar la potencia requerida del arreglo fotovoltaico que dependerá de la cantidad de energía que se pierda con cada accesorio de balance, como los controladores y las baterías. En este punto no se han escogido los accesorios, por lo que se puede dar un estimado del 90% de eficiencia global.

𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑜 [𝑊ℎ𝑑í𝑎]

∏ 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑜𝑟𝑖𝑜𝑠= 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎 [ 𝑊ℎ 𝑑í𝑎]

7. Determinar la radiación solar incidente diaria por metro cuadrado en el lugar donde se instalará el sistema. Esta información se puede obtener de diferentes organizaciones como el IDEAM (IDEAM, UPME, 2014), o herramientas computacionales como RETScreen (Government of Canada, 2016). Se presenta en kWh/m²/d.

8. Una vez se tiene la cantidad de radiación solar y los requerimientos de energía es posible hacer un estimado de la potencia total que deberá entregar el sistema completo. Se agrega un factor de desacople asumiendo que la radiación total no se usa en su totalidad, generalmente es del valor de 0.85.

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑟𝑟𝑒𝑔𝑙𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 [𝑊𝑝] = 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎 [ 𝑊ℎ 𝑑í𝑎] 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 [

𝑘𝑊ℎ 𝑚2

𝑑 ] × 𝐹. 𝐷

Segunda parte: Determinar los accesorios del balance del sistema.

1. Escoger la potencia nominal de panel solar que se usará en el sistema. El número de paneles necesarios dependerá de esta potencia.

(22)

22

𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑟𝑟𝑒𝑔𝑙𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 [𝑊𝑝] 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙 [𝑊𝑝]

2. Criterio de selección de controlador:

El Fabricante especifica el controlador que debe utilizarse con cada bomba, es por esto que es común encontrar bomba y controlador en un solo paquete de venta. Cuando el sistema no requiere de baterías, este controlador especificado por el fabricante es suficiente para el sistema.

Cuando el sistema requiere de un sistema de almacenamiento de energía como las baterías se requiere de un controlador que sirva de puente entre las baterías y el arreglo solar, es decir, es necesario otro regulador de carga. Inicialmente se debe elegir entre MPPT y PWM, esta elección suele estar sujeta al tamaño del arreglo solar.

Para saber cuál es el controlador más adecuado para el sistema se deben conocer la corriente, voltaje y potencia de operación de todo el arreglo solar. El voltaje se obtiene sumando los voltajes de circuito abierto de los paneles arreglados en serie, y la corriente se obtiene sumado la corriente de corto circuito de los paneles arreglados en paralelo.

Una vez se tiene el voltaje y la corriente del arreglo se puede elegir el controlador para el sistema, el cual será inicialmente del tipo que se haya escogido inicialmente (MPPT o PWM), y deberá aceptar el voltaje mayor o igual al voltaje de salido del arreglo solar y una valor igual o mayor de la corriente de operación calculada anteriormente.

El programa elige el controlador adecuado para cada sistema discriminando valores de corriente, voltaje y potencia. Si el sistema es demasiado grande para un solo controlador, el programa le dirá cuántos controladores utilizar en su proyecto fotovoltaico.

3. Dimensionamiento del banco de baterías.

La cantidad de energía almacenada depende del consumo en Wh diario, del número de días de autonomía que se espera que tenga el sistema, el voltaje nominal del sistema y el porcentaje de descarga permitido en cada batería.

𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎𝑠 [𝐴ℎ] = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑜 [ 𝑊ℎ

𝑑í𝑎] × 𝑑í𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚í𝑎 𝑃𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 % × 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙

(23)

23 9.2. Sistemas de generación fotovoltaicos

Primera parte: Determinar la potencia requerida por el consumidor.

1. Determinar el consumo energético diario, el cual depende de la potencia que consuman los elementos que quiera alimentar, y la cantidad de hora que estos trabajen al día. Estos elementos se deben discriminar por el tipo de corriente que consuman, AC o DC. El total de Wh que requiera será entonces:

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 [𝑊ℎ 𝑑í𝑎] =

∑ 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜𝑟 𝐷𝐶 × ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑢𝑠𝑜

𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 + [∑ 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜𝑟 𝐴𝐶 × ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑢𝑠𝑜]

La eficiencia normal de un inversor es de 90%, por lo que se utilizará este valor como valor inicial en el programa.

2. Con el consumo energético se puede calcular el arreglo solar más apropiado para los requerimientos impuestos al sistema. El procedimiento se repite desde el paso seis de la primera parte de la sección de Sistemas de bombeo fotovoltaicos, descritos anteriormente.

Segunda parte: Determinar los accesorios del balance del sistema.

1. Escoger la potencia nominal de panel solar que se usará en el sistema. El número de paneles necesarios dependerá de esta potencia.

𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑟𝑟𝑒𝑔𝑙𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 [𝑊𝑝] 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙 [𝑊𝑝]

2. Criterio de selección de controlador: Ver sección dos de la segunda parte de Sistemas de bombeo fotovoltaicos, expuesto anteriormente.

3. Selección de inversor: Para seleccionar un inversor se deben tener dos variables claras: el voltaje de trabajo en AC y la potencia que puede recibir el inversor. Por lo general los electrodomésticos que utilizan corriente AC lo hacen con un voltaje de 120 0 240V. Una vez se ha escogido el voltaje de trabajo el programa busca que inversor cumple con esta condición y además puede manejar la potencia impuesta por el arreglo fotovoltaico. Si ningún inversor cumple con ambos requerimientos, el programa le dirá el número de inversores que debe utilizar para poder completar su sistema. En sistemas con controlador e inversor, el programa intentará buscar

(24)

24

ambos equipos del mismo fabricante buscando evitar desacoples en el sistema.

4. Selección de baterías: Ver la sección tres de la segunda parte de Sistemas de bombeo fotovoltaicos, expuesto anteriormente.

9.3. Análisis económico

El principal valor que se busca obtener con el análisis económico es el precio por kWh asociado, ya que este es el valor que permite comparar los proyectos de energía fotovoltaica con otro tipo de generación eléctrica. Para lo anterior se utiliza el método de las anualidades, el cual consiste en traer un flujo de costos durante la vida útil del proyecto a valor presente, y calcular una anualidad equivalente asumiendo que este valor se financia durante la vida útil del proyecto.

El programa utiliza un valor de interés real de 10%, el cual es independiente de la inflación; sin embargo, se requiere encontrar el interés efectivo anual para poder calcular una anualidad, este interés se calcula de la siguiente manera:

1 + 𝑖𝑟𝑒𝑎𝑙 = 1 + 𝑖𝐸𝐴 1 + 𝑖𝑖𝑛𝑓𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛

𝑖𝐸𝐴= [(1 + 𝑖𝑟𝑒𝑎𝑙) × (1 + 𝑖𝑖𝑛𝑓𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛)] − 1

Una vez se tiene la tasa de interés se debe calcular la anualidad, la cual depende del valor presente neto del flujo de costos del proyecto y de la tasa de interés encontrada, de la siguiente manera:

𝐴 = 𝑉𝑝× [ 𝑖(1 + 𝑖)𝑛 (1 + 𝑖)𝑛− 1]

Finalmente, para encontrar el precio por kWh generado simplemente se debe dividir la anualidad calculada entre la energía total anual generada.

$ 𝑘𝑊ℎ =

𝐴𝑛𝑢𝑎𝑙𝑖𝑎𝑑𝑎𝑑 [𝐶𝑂𝑃]

(25)

25

10. CÓMO UTILIZAR LA HERRAMIENTA COMPUTACIONAL PARA LA SELECCIÓN DE SOLUCIONES FOTOVOLTAICAS

Esta herramienta fue diseñada para entregar una idea sobre los equipos necesarios para satisfacer una necesidad hidráulica (sistemas de bombeo) o energética (sistemas fotovoltaicos). Los cálculos realizados son gruesos y no pretenden ser muy precisos. Los sistemas propuestos se componen de los equipos principales: paneles, bombas, controladores, inversores y baterías. A continuación se presenta una guía rápida de cómo utilizar esta herramienta.

10.1. Sistemas de bombeo

Información de entrada

Importante: Las casillas que se encuentran en amarillo requieren información del usuario digitalizada, las casillas que se encuentran en azul requieren que el usuario elija una de las opciones de la lista desplegable, las casillas en blanco no se deben modificar.

1. Seleccione la ciudad donde se encuentra, el programa tiene información de radiación de 39 ciudades de Colombia.

2. Ingrese información del sistema de bombeo (ver ilustración 3).  D: diámetro de la tubería [in].

 P: profundidad de pozo [m].  B: profundidad de la bomba [m].  L: longitud de la tubería [m].

 H: elevación del tanque de almacenamiento o del punto de entrega [m].

Ilustración 4: Esquema de un sistema de bombeo solar (Colombian Solar Systems, 2015).

(26)

26

Si no se desea ingresar esta información se debe seleccionar la opción “ingresar mi propia cabeza” e ingresar el valor requerido. Además de la información del sistema, en este punto se debe especificar el tipo de bomba a utilizar, sumergible o superficial (si no se cuenta con un pozo como fuente) y las horas al día que se espera que la bomba trabaje.

3. Requerimiento de agua: El programa le ofrece dos opciones de requerimiento de agua establecidas por la FAO (La Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura), 10L por persona al día para necesidades básicas de consumo sin aseo, y 60L por persona al día para consumo y aseo. El usuario debe elegir una de las dos opciones e ingresar el número de personas a las que se les suministrará agua. También cuenta con la opción de establecer su propio consumo, en L/d. Esto determinará la condición de caudal que deberá suplir la bomba.

4. Ingresar información para el arreglo fotovoltaico: El usuario debe elegir el tipo de panel que desea utilizar en su sistema, policristalino o monocristalino, a continuación, deberá elegir la potencia pico que quiere para los módulos de su sistema en Wp (elegir entre las opciones disponibles en el programa), finalmente debe ingresar un estimado del voltaje de cada panel.

5. Una vez ingresada la información solicitada en los numerales anteriores se debe presionar el botón “Bomba”. Inmediatamente aparecerán tres opciones de bombas comercialmente disponibles recomendadas para la configuración del sistema.

6. A continuación el usuario deberá elegir una de las tres opciones en la casilla “elegir bomba”. También se debe decidir si se agrega un banco de baterías de apoyo y el tipo de controlador que requiere, MPPT O PWM.

7. En caso de querer utilizar un banco de baterías como apoyo energético se debe ingresar la siguiente información:

 Días de autonomía: Se refiere al número de días que se espera no contar con energía solar y se debe acudir a las baterías para alimentar el sistema de bombeo.

 Voltaje nominal de sistema [V]: Se refiere al voltaje que tendrá todo el sistema.

(27)

27

 Máxima descarga [%]: Indica el porcentaje de descarga permitido por cada batería.

 Voltaje de las baterías [V]: Se refiere al voltaje individual de cada batería.

 Corriente de las baterías [Ah]: Indica la energía almacenada en la betería.

8. Finalmente se debe presionar el botón “calcular sistema”.

En la ilustración 4 se presenta la ventana de inicio del programa, donde se debe insertar la información descrita anteriormente.

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28

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29  Información de salida

1. Resumen del sistema

 Resumen del arreglo solar: El programa entrega un resumen de la cantidad de panales necesarios para energizar el sistema, voltaje y corriente total del sistema y el área requerida para su instalación.

 Resumen del banco de baterías: Si se cuenta con un banco de baterías el programa le informa la cantidad de baterías necesarias, así como la configuración de baterías en serie y paralelo sugerida.

 Resumen de energía producida: Muestra la cantidad de energía producida por el sistema fotovoltaico en kWh diaria y mensual promedio con la cantidad de radiación disponible en cada mes.

 Resumen de agua bombeada: Muestra la cantidad de agua bombeada por el sistema en m³ diaria y mensualmente promedio con la cantidad de energía disponible cada mes. Inmediatamente después se presentan dos gráficos con el resumen de la energía producida y el agua bombeada por día.

La ilustración 5 presenta la sección de información de salida descrita anteriormente, la ilustración 6 presenta las gráficas de salida de energía producida y agua bombeada por día.

(30)

30

Ilustración 6: Resumen información de salida de la herramienta.

(31)

31 2. Información detallada del arreglo solar

 Detalle del arreglo solar: Presenta información del panel solar comercialmente disponible sugerido para el sistema.

 Información de radiación: Esta sección contiene la información de radiación promedio mensual de la ciudad elegida inicialmente. Además presenta la energía requerida por el arreglo solar en cada mes y la cantidad de paneles solares que esta representa. El programa utiliza el mayor número de panales necesarios, asociados al mes con menor radiación, para asegurar que se entrega la cantidad de energía necesaria durante todo el año.

En la ilustración 7 se presenta la sección del programa con la información de salida descrita anteriormente.

3. Detalle del balance del sistema

 Controlador del sistema sin banco de baterías: Muestra las características relevantes del controlador sugerido para el sistema. Se debe mencionar que este controlador por lo general es producido por el fabricante de la bomba y está diseñado para trabajar exclusiva y necesariamente con esta.  Controlador y baterías del sistema con banco de baterías: Cuando el

sistema requiere de apoyo de baterías se debe utilizar un controlador de carga para las mismas. En esa sección se muestra la información relevante tanto del controlador como de las baterías sugeridas para el sistema. Todos los equipos se encuentran disponibles en el mercado.

En la ilustración 8 se presenta la sección del programa que contiene la información descrita anteriormente.

(32)

32

Ilustración 8: Información del arreglo solar seleccionado.

(33)

33 10.2. Sistema fotovoltaico

Información de entrada (ver ilustración 9)

1. Seleccione la ciudad donde se encuentra, el programa tiene información de radiación de 39 ciudades de Colombia.

2. A continuación encontrará una tabla disponible para calcular la cantidad de energía necesaria.

 Consumidor, nombre del dispositivo consumidor.

 Consumo [Wh], se refiere a la cantidad de energía que consume el dispositivo.

 Corriente, AC o DC, tipo de corriente que consume el dispositivo.  Número de consumidores, se refiere a la cantidad de dispositivos a

alimentar.

 Horas de uso por día.

Finalmente, en la última columna, el programa le dará la cantidad de Wh necesarias por cada dispositivo al día, y la cantidad de energía total que debe proveer el sistema.

3. Una vez se tiene la información de energía requerida se debe ingresar la información de balance del sistema.

 Sistema asilado:, En este se debe elegir entre “Sí” o “No”. Un sistema aislado requiere apoyo de un banco de baterías, un sistema no aislado, se conecta a la red, por lo que esta es su apoyo en caso de falta de recurso solar.

 Voltaje AC [V],:Se refiere a la tensión de salida en corriente alterna, se puede elegir entre 120 o 240 V.

 Tipo de controlador, MPPT o PWM.

4. Información de paneles solares: Ver numeral cuatro en la sección “información de entrada” de sistema de bombeo.

5. Información de banco de baterías: Ver numeral siete en la sección “información de entrada” de sistema de bombeo.

Si desea realizar un sistema fotovoltaico basado en un área disponible se puede seleccionar la opción “Calcular por área” e ingresar el área en m² disponible; la herramienta le dirá la cantidad de paneles solares que puede instalar y cuál es la potencia asociada a este arreglo fotovoltaico.

En la ilustración a continuación se presenta la pantalla de inicio de la sección de sistema fotovoltaico.

(34)

34

(35)

35  Información de salida

1. Resumen del sistema

 Resumen del arreglo solar.

 Resumen de generación de energía.

 Resumen del balance del sistema, en esta se sección se agrega el inversor, el cual es requerido para transformar la corriente directa que se obtiene del arreglo solar a corriente AC, el tipo de corriente consumida por los electrodomésticos comunes.

 Resumen Banco de baterías.

 Gráficas de salida de la energía promedio producida por día y mensualmente con la radiación de cada mes disponible.

Para más información ver el numeral tres en la sección “información de salida” en la descripción del sistema de bombeo.

2. Detalle del arreglo solar: Ver numeral dos en la sección “información de salida” de sistema de bombeo.

3. Detalle del balance del sistema: el programa entrega la información más relevante de los siguientes componentes del sistema. Se debe recordar que la información del banco de baterías solo es relevante si se eligió la opción del sistema aislado.

 Inversor  Controlador

 Banco de baterías

10.3. Análisis económico

El análisis económico de un proyecto se resume en un valor anual equivalente de la inversión total requerida a lo largo de la vida útil del mismo. Además, se presenta un costo por kWh generado en el caso de sistemas fotovoltaicos, y un costo por m³ en sistemas de bombeo.

Inicialmente se debe elegir qué tipo de proyecto se va a evaluar (esquina superior izquierda, elija sistema fotovoltaico o sistema de bombeo). El programa tiene información de tasas como inflación, IVA y tarifas de transporte. Además, tiene información de las tasas de cambio disponibles, USD (TRM), EURO y LIBRA. El usuario puede utilizar la información guardada inicialmente en el programa, o puede modificarla con los valores que desee.

(36)

36

En la ilustración 10 se presenta la información de salida relevante en el análisis económico. En la parte superior se muestra la información de inversión inicial de cada proyecto, se debe prestar atención únicamente al sistema escogido inicialmente (en esta caso se eligió la opción de sistema fotovoltaico). En la parte posterior de la ventana se presenta la energía total producida y el volumen total bombeado por año. Finalmente, se presenta resumen de la inversión inicial, valor presente neto del flujo de costos del proyecto, inversión total y anualidad equivalente. El valor importante, con el que se compara la viabilidad del proyecto frente a otros métodos de generación de energía es el costo por kWh generada o por m³ bombeado.

El programa además genera una gráfica con el flujo de costos del proyecto. Los flujos de costos se presentan como positivos, en caso que se generara un valor de ganancias, este entraría negativo en la estructura del flujo presentada.

(37)

37

11. CASO DE APLICACIÓN: SISTEMA DE BOMBEO EN UNA FINCA LECHERA

Durante el desarrollo del proyecto se tuvo la oportunidad de conocer el caso de una finca lechera que requería de un sistema de bombeo fotovoltaico para reemplazar el sistema de bombeo eléctrico con el que estaba operando actualmente, dado que su propietario consideraba que el consumo de energía eléctrica era demasiado alto. El sistema de bombeo inicial contaba con una bomba centrífuga de alta presión de referencia Hidromac WKL 40/7, la cual contaba con un motor eléctrico de referencia Siemens 1LA5 164-2YB70 con capacidad de entregar hasta 25 hp. El sistema debe llenar un tanque de 100 m³ en aproximadamente dos horas, y se utiliza cada tres días, por lo tanto la bomba solo funciona 20 horas al mes. El resumen de las condiciones de operación del sistema se presenta en la tabla 2.

Sistema actual Operación

Q [m³/h] 49.68 Horas al día 2

Q (gpm] 220 Días al mes 10

H [m] 120 Horas de trabajo al

mes 20

Potencia motor [kW] 18.7 Valor [kWh] $ 436.06 n [rpm] 3450 Consumo por

mes[kWh] 552.14 P hidráulica [kW] 16.25 Valor consumo [$] $ 240,766.20

Tabla 2: Características del sistema original de bombeo.

Al analizar los requerimientos de la finca y las opciones de bombeo solar se reconoció que no sería posible encontrar una bomba y un arreglo solar que suplieran la operación exacta del sistema previamente instalado. En general, el sistema de bombeo debe garantizar el abastecimiento de agua a la finca a razón de 100 m³ cada tres días, lo que equivale a aproximadamente 30 m³ de agua al día, por lo que un bombeo continuo, diario, que satisfaga esta condición sería aceptable para resolver el problema. La propuesta de un sistema de bombeo fotovoltaico tomando en cuenta las restricciones previamente mencionadas para este caso se presentan a continuación:

Bomba: Las condiciones de caudal (30 m³/día) y cabeza (120m) son altas, por lo que una bomba centrífuga multietapa es la única opción viable para el sistema. La bomba elegida es de fabricación Lorentz, con referencia PS4000 C-SJ5-25, de instalación sumergible.

(38)

38

Controlador: El fabricante de la bomba recomienda utilizar el controlador diseñado para trabajar únicamente con la bomba. El fabricante es Lorentz, con referencia PS4000 y tecnología MPPT.

Arreglo solar: La selección del arreglo solar se realizó siguiendo la lógica descrita en el marco teórico de este proyecto. Los paneles solares elegidos para suplir el sistema son del Fabricante Yingli solar con potencia nominal de 310 Wp.

Para seleccionar el arreglo fotovoltaico se asumió que la bomba trabajaría nueve horas al día (requerimientos de energía que se exponen en la tabla 3). La información de radiación solar incidente se obtuvo de RETScreen® (Government of Canada, 2016) y se comparó con los mapas realizados por el IDEAM (IDEAM, UPME, 2014) para validar los datos entregados. Según la lógica expuesta anteriormente se obtuvo el siguiente resultado (Datos de radiación y potencia requerida por el arreglo se presentan en la tabla 4).

PS4000 C-SJ5-25

Centrífuga Sumergible Caudal [m³/h] 5 Potencia bomba [W] 3400

η bomba % 48%

horas trabajo 9 η motor + cotrolador % 90% Potencia

requerida[Wh/day] 63633.3

Desacople 0.15

Tabla 3:Resumen del sistema propuesto.

Mes

Radiación solar horizontal por día

Potencia requerida kWh/m²/d [kWp]

Enero 5.01 13.31

Febrero 4.66 14.31

Marzo 4.47 14.91

Abril 3.93 16.96

Mayo 3.70 18.02

Junio 3.79 17.59

Julio 4.04 16.50

Agosto 4.33 15.40

Septiembre 4.31 15.47

Octubre 4.33 15.40

Noviembre 4.10 16.26

(39)

39 Promedio

anual 4.27 15.62

Tabla 4: Información de radiación solar de Bogotá.

Se puede observar que en el mes de mayo se presenta la menor cantidad de radiación solar incidente, por lo que se debe seleccionar todo el sistema para garantizar que el arreglo fotovoltaico provea suficiente energía durante este y todos los meses del año. Utilizando las ecuaciones presentadas en la sección del marco teórico se encontró que la energía que debe proveer el sistema en mayo, y en consecuencia, la energía de diseño del sistema debe es de 63.63 kWp; utilizando paneles solares de 310 W se debe contar con mínimo 70 paneles solares.

Con el sistema de bomba, controlador y paneles solares, se espera que el volumen bombeado diariamente, con la cantidad de radiación promedio mensual disponible, obedezca la proyección presentada en la ilustración 12.

Ilustración 12: Información del volúmen bombeado por día con el sistema propuesto.

Resumen de elementos y costos del sistema

Una vez se tiene todo el sistema y los equipos seleccionados, se procede a realizar un análisis económico del proyecto. A continuación se presenta la lista de precios por unidad de los equipos seleccionados (panel solar, bomba y controlador). En la tabla se incluye el valor del IVA en los tres equipos, pero solo el transporte (valor de importación) del controlador y la bomba, ya que estos dos últimos equipos por lo general no se encuentran en el país.

(40)

40 Impuesto Sistema de

bombeo

Capital inicial Valor Unitario

Paneles solares $ 868,000.00 IVA panel $ 138,880.00 Bomba $ 17,197,950.00 IVA bomba $ 2,751,672.00 Transporte bomba $ 3,439,590.00 Controlador $ 6,217,750.00 IVA controlador $ 994,840.00 Transporte controlador $ 1,243,550.00

Tabla 5: Resumen de costos por valor unitarios de los equipos del proyecto.

El precio total de equipos que se debe invertir al proyecto se presenta en la tabla 6.

Capital inicial Valor Unitario Cantidad Total

Paneles solares $ 1,006,880.00 70 $ 70,481,600.00 Bomba $ 23,814,470.4 1 $ 23,814,470.4 Controlador $ 8,609,888.00 1 $ 8,609,888.00 Batería $ - 0 $ - Total $ 28,169,092.00 62 $ 102,905,958.40

Tabla 6: Resumen del total de los costos de los equipos del proyecto.

A continuación, asumiendo un interés real de 10% y una inflación de 7% se encuentra el valor presente de la inversión durante la vida útil del proyecto (se asume 20 años). Entre los valores recurrentes durante el proyecto se incluyen los costos de reemplazo de equipos, (controlador y bomba en diez años) y mantenimiento (se asumió 10% del valor de los equipos instalados). Finalmente, se calcula una anualidad equivalente a la inversión total del proyecto, con este valor se obtiene el valor por kWh generado y por m³ bombeado. Los valores se presentan en la tabla 7.

Proyecto

Sistema de bombeo

Inversión Inicial $133,777,745.92 VPN inversión vida útil $ 11,945,441.96 Inversión total $145,723,187.88 Anualidad $ 26,823,351.92 $/kWh $ 990,15 $/m³ $ 2,452.08

Tabla 7: resumen de valores importantes en el análisis económico del proyecto.

(41)

41

Desafortunadamente el valor por kWh del sistema propuesto (COP $ 990,15) es casi el doble del costo por kWh que se obtiene de la red eléctrica nacional (COP $ 436,06) por lo que la energía fotovoltaica no sería competitiva en este sistema en particular. Sin embargo, se debe recordar que el valor relevante en este caso (dado que es un proyecto de bombeo) es el de m³ bombeado, el cual es de COP $2 452.08. Estos valores pueden parecer elevados y restar interés a la inversión en equipos fotovoltaicos, pero se debe tener en cuenta que contar con un sistema fotovoltaico como fuente energética en un lugar donde no se cuenta con ninguna otra fuente energética es una mejor alternativa que no contar con energía.

(42)

42

12. CASO DE APLICACIÓN EDIFICIO W, UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

En el edificio W de la Universidad de los Andes se encuentran instalados 117 paneles solares, cada uno con una potencia de 255 Wp, lo que representa una capacidad instalada de 29.84 kWp conectada a la red por medio de tres inversores. El informe de la energía producida mensualmente y el resumen del sistema se presentan en la ilustración 13 e ilustración 14. Para verificar la confiabilidad de la herramienta propuesta se procedió a imitar las condiciones de requerimiento energético con las que fue diseñado el sistema instalado en el programa desarrollado y comparar los resultados de producción de energía y viabilidad económica del proyecto.

Ilustración 13: Resumen de equipos del sistema instalado en el edificio W.

Ilustración 14: Resumen de producción de energia del sistema instalado en el edificio W.

Inicialmente se debe aclarar que el programa calcula un sistema fotovoltaico para una necesidad energética diaria. Esto significa que la potencia instalada del

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 En e rg ía p ro d u ci d a m e n su al [kWh ] Mes

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