N° tesis:
PROYECTO FIN DE CARRERA
Presentado a
LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Para obtener el título de
INGENIERO ELÉCTRICO
por
Maria Camila Koschmieder Lagos
DISEÑO BÁSICO DE GENERACIÓN PARA UN SISTEMA DE
POTABILIZACIÓN EN ZNI
Sustentado el 10 Junio de 2015 frente al jurado:
- Asesor: Mario Alberto Ríos Mesías, Profesor Titular, Universidad de Los Andes
Diseño básico de generación para un sistema de
potabilización en ZNI
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Contenido
1. INTRODUCCIÓN ... 32. OBJETIVOS ... 4
2.1. Objetivo General ... 4
2.2. Objetivos Específicos ... 4
2.3. Alcance y productos finales ... 4
3. DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO ... 4
4. MARCO TEÓRICO ... 5
4.1. Paneles solares ... 5
4.2. PCH ... 5
4.3. Lámpara UVC LEDs ... 6
5. METODOLOGÍA DEL TRABAJO ... 7
5.1. Generación solar ... 7
5.2. Generación hidráulica ... 8
6. TRABAJO REALIZADO ... 9
6.1. Diseño Lámpara UVC LEDs ... 9
6.2. Generación solar ... 11
6.2.1. Estudios previos ... 11
6.2.2. Planteamiento teórico ... 13
6.2.3. Simulación ... 18
6.2.4. Análisis de costos ... 22
6.3. Generación hidráulica ... 24
6.3.1. Estudios previos ... 24
6.3.2. Planteamiento teórico ... 25
6.3.3. Simulación ... 32
6.3.4. Análisis de costos ... 33
7. DISCUSIÓN ... 35
8. CONCLUSIONES ... 35
9. AGRADECIMIENTOS ... 36
REFERENCIAS ... 37
10. APENDICES ... 40
Apéndice 1 ... 40
Apéndice 2 ... 41
Apéndice 3 ... 42
Apéndice 4 ... 43
Apéndice 5 ... 44
Apéndice 6 ... 45
Apéndice 7 ... 45
Apéndice 8 ... 46
Diseño básico de generación para un sistema de
potabilización en ZNI
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1.
INTRODUCCIÓN
En la actualidad, promover el desarrollo y la utilización de fuentes no convencionales de energía, principalmente aquellas de carácter renovable, se ha convertido en un medio necesario para el desarrolle económico sostenible, la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y la seguridad del abastecimiento energético. Esto mediante su integración al mercado eléctrico, su participación en las zonas no interconectadas y en otros usos energéticos. [1]
En el uso de energías no convencionales se ha encontrado la solución al abastecimiento de energía eléctrica principalmente a zonas no interconectadas, de bajos recursos o cuya conexión no es confiable, ya que son sistemas de generación sostenible y económica. Cuando nos referimos a sistemas económicos, es importante aclarar que aunque el costo por kW es más elevado con este tipo de alternativas, se produce un ahorro considerable en transmisión. Sin embargo para establecer la opción más adecuada es importante realizar un análisis comparativo entre las distintas alternativas de producción limpia de energía.
En Colombia, como podemos evidenciar, el suministro energía eléctrica es limitado en algunas regiones pues no se cuenta con la infraestructura para garantizar el préstamo de este servicio. Sin embargo, no solo este servicio público es restringido, el suministro de agua potable también se ve limitado ya que representa altos costos. Por esta razón, la generación de energía a través de sistemas no convencionales también nos permite suplir otro tipo de servicios de forma limpia y sostenible.
De esta manera, se busca llevar a cabo un proyecto piloto de mayor magnitud en la zona rural de Villapinzón, en el cual se requiere especificar y diseñar un sistema de generación de energía eléctrica, a partir de energías limpias como los son la hidroeléctrica y solar, para un nuevo sistema de potabilización de agua. Para establecer la mejor alternativa de generación es necesario establecer los recursos a disposición y realizar un análisis comparativo entre las distintas alternativas de producción limpia de energía, para finamente establecer la más conveniente.
Para el proceso de potabilización se cuenta con un sistema de desinfección UVC LEDs, que se quiere implementar por hogar, la generación por medio de panes fotovoltaicos, se puede implementar de esta misma manera. A diferencia de la generación hidráulica, donde es necesario implementar una red de alimentación para un grupo de casas.
Diseño básico de generación para un sistema de
potabilización en ZNI
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2.
OBJETIVOS
2.1. Objetivo General
Diseñar un sistema de generación de energía eléctrica para alimentar un sistema de potabilización de agua, considerando los recursos que se encuentren a disposición en el lugar de la implementación.
2.2. Objetivos Específicos
Establecer por medio de un estudio las posibles alternativas de generación considerando los
recursos a disposición en la zona de implantación. Se evaluaran principalmente recursos hidráulicos y solares.
Diseñar la arquitectura del sistema de generación a partir de la caracterización de las cargas
presentes en el sistema de potabilización. Se dimensionaran los elementos necesarios para la implementación como conductores, transformadores, fuentes de generación, entre otros.
Elaborar de una guía de proceso, en la cual se establecerán los parámetros para la selección de
la fuente de generación más adecuada y su respetivo proceso de implantación teniendo en cuenta las características más importantes del lugar.
2.3. Alcance y productos finales
El diseño del sistema de generación depende de las condiciones de irradiación solar, presencia de fuentes hídricas cercanas, la temperatura ambiente, entre otros parámetros. Por ello es necesario realizar mediciones en el lugar donde se va a realizar el proyecto, para así obtener una estimación real de la generación. La introducción de datos reales permite establecer la viabilidad de realizar un proceso energético sostenible. Los productos finales son:
Parámetros generales de las principales estructuras de los sistemas de generación diseñados
(Solar e Hidráulica).
Simulación de los sistemas de generación de energía, con el fin de verificar que se cumplan
los requerimientos exigidos por la carga.
Análisis de costos de cada una de las alternativas, este será un punto importante en la
selección de tipo de generación.
3.
DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO
El proyecto consiste en diseñar un sistema de generación de energía eléctrica, a partir de energías limpias como los son la hidroeléctrica y solar, para un nuevo sistema de potabilización de agua. Para establecer la mejor alternativa de generación es necesario
Diseño básico de generación para un sistema de
potabilización en ZNI
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establecer los recursos a disposición y realizar un análisis comparativo entre las distintas alternativas de producción limpia de energía, para finamente establecer la más conveniente. El proyecto se va a llevar a cabo en la zona rural de Villapinzón, en un sector no interconectado a la red nacional.
4.
MARCO TEÓRICO
4.1. Paneles solares
Los sistemas de generación de energía solar fotovoltaica (FV), captan la energía del sol utilizando celdas fotovoltaicas. Estas no necesitan luz solar directa para trabajar pueden generar algo de electricidad en un día nublado. Las celdas fotovoltaicas están hechas de capas de material semiconductor, normalmente silicio. Cuando la luz incide sobre la celda se crea un campo eléctrico a través de las capas. Cuanto más fuerte es la luz del sol, se produce más electricidad. Los grupos de celdas se montan juntos en paneles o módulos que, o bien puede estar montado en el techo o en el suelo. El poder de una célula FV se mide kilovatios (kW). Esa es la velocidad a la que se genera la energía al máximo rendimiento a plena luz solar directa. Las celdas fotovoltaicas vienen en una variedad de formas y tamaños. [2]
4.2. PCH
Las pequeñas centrales hidroeléctricas o PCH, son centrales de generación hidroeléctrica, con una potencia de generación baja. En su mayoría se construyen en zonas aisladas donde no hay acceso al sistema de interconexión nacional. Las PCH aprovechan la energía potencial y cinética del agua para producir energía eléctrica. Esta es conducida por una red de transmisión hasta los centros de consumo. Estas centrales hidroeléctricas pequeñas tienen la desventaja de proporcionar una corriente eléctrica variable, puesto que los cambios climáticos y meteorológicos pueden hacer variar el flujo de agua, y por lo tanto la cantidad de agua disponible. [3]
La Organización Latinoamérica de energía OLADE clasifica las PCH de acuerdo a la potencia instalada como se muestra en la siguiente tabla:
Tabla 1. Clasificación de PCH según potencia instalada [3]
Potencia (kW) Tipo
0 - 50 Micro central
50 – 500 Mini central
500 - 5000 Pequeña central
Diseño básico de generación para un sistema de
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Tabla 2. Clasificación de PCH según caída [3]
Baja (m) Media (m) Alta (m)
Micro H < 15 15 < H < 50 H > 50
Mini H < 20 20 < H < 100 H > 100
Pequeña H < 25 25 < H < 130 H > 130
4.3. Lámpara UVC LEDs
La carga que se desea alimentar es una lámpara UVC LEDs para desinfección, estas lámparas funcionan a partir de radiación ultravioleta (UV), esta tecnología de desinfección ha existido durante muchos años, sin embargo los productos químicos son todavía muy importantes en aplicaciones de desinfección. La desinfección UV proporciona muchos beneficios que las opciones químicas no. Por ejemplo, no existe riesgo de sobredosis, no se generan subproductos, toxinas o compuestos orgánicos (VOC) con emisiones volátiles. No se requerirá el almacenamiento de materiales peligrosos, y no afectará el olor o sabor en el agua. [4]
La luz UV es un componente de la luz solar que cae en la región entre la luz visible y los rayos X en el espectro electromagnético, con un rango de longitud de onda de 100-400 nanómetros (nm). Esta luz puede clasificarse adicionalmente en regiones separadas, para la desinfección se utilizara UVC que se encuentra entre 200—280 nm. Para definir la dosis UV apropiada, la NSF, organización de seguridad y salud pública, establece las normas para el agua, alimentos, y el medio ambiente. Para los sistemas de desinfección de agua UV que utilizan 254 nm, se clasifican como sistemas Clase A, para el tratamiento de agua que se supone que estén contaminados, para este tipo se necesita una dosis UV de al
menos 40 mJ/cm2. [5]
Los SMD UVC LEDs son el componente principal de las lámparas de desinfección, y cuentan con las siguientes características:
Tabla 3. Características típicas SMD LEDs [5]
Características Unidad Valor
Light Out mW 102
Peak wavelengths nm 250-280
Viewing angle Degrees 120³
Full width at half maximum nm <15
Forward voltage (@ 100 mA)⁴ V <10
Forward voltage (@ 300 mA)⁴ V <12
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5.
METODOLOGÍA DEL TRABAJO
Para el desarrollo del proyecto es necesario evaluar las dos alterativas de alimentación propuestas, para cada una de ellas es necesario realizar los siguientes pasos:
Estudios previos
Planteamiento teórico
Simulación / Pruebas de campo
Análisis de Costos
5.1. Generación solar
Fig. 1 Esquema Generación Solar [6]
Estudios previos: Es necesario medir la radiación solar en el sitio donde se va a desarrollar
el proyecto, pues es de vital importancia para establecer los parámetros de diseño de los paneles fotovoltaicos a emplear. Los datos históricos representan un parámetro de verificación, que permitirá un correcto diseño del sistema.
Planteamiento teórico: En esta fase se busca calcular la capacidad de los paneles solares
FV que deben ser instalados si se quiere satisfacer la demanda. Para lo anterior, se debe suponer que la energía producida podrá ser consumida en su momento o ser almacenada para luego ser consumida en el momento que se requiera (esquema de medición neta).
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Simulación / Pruebas de campo: Para este tipo de generación es posible realizar tanto
simulaciones del diseño como pruebas de campo. Las simulaciones se realizaran en Simulink/MATLAB con diferentes curvas de radiación obtenidas por registros históricos o mediciones realizadas durante las salidas de campo. Con los resultados obtenidos en esta etapa se establecerá un punto de comparación entre las alternativas.
Análisis de Costos: Esta etapa final nos permita establecer la mejor alternativa evaluando
no solo el aspecto técnico sino económico.
5.2. Generación hidráulica
Fig. 2 Esquema Generación hidráulica [6]
Estudios previos: Para este tipo de generación es necesario realizar un estudio de aforos
previamente, el objeto de este estudio es medir el volumen de agua que pasa por unidad de tiempo dentro de una sección transversal de flujo. Con la información recolectada es posible establecer el flujo (Q) y la velocidad (V), parámetros importantes a la hora de definir el mecanismo de generación. Además es necesario determinar la distancia entre la fuente hídrica y los centros de consumo.
Planteamiento teórico: En esta parte del proceso se realiza un diseño teórico de la turbina
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contempla un dimensionamiento apropiado del mecanismo dependiendo de la carga requerida y las características generales en el lugar donde se busca implementar el sistema.
Simulación: Para este tipo de generación es posible realizar únicamente simulaciones del
diseño. Las simulaciones se realizaran ETAP con los valores obtenidos en el estudio de aforos previo y el pre-dimensionamiento de la PCH. Con los resultados obtenidos en esta etapa se establecerá un punto de comparación entre las alternativas, que nos permitirá establecer la más viable.
Análisis de Costos: Esta etapa final nos permita establecer la mejor alternativa evaluando
no solo el aspecto técnico sino económico.
6.
TRABAJO REALIZADO
6.1. Diseño Lámpara UVC LEDs
Antes de realizar los estudios previos se calcularon los parámetros de diseño de la lámpara UVC LEDs, como se muestra a continuación:
Tabla 4. Características Lámpara UVC LEDs
Elemento LEDs
No. LEDs* 1
Voltaje (V)** 10
Corriente (mA)** 100
Potencia (mW)** 10
Dosis UV (mJ/cm2)** 40
Potencia Emitida (mW x Und.)** 10
Potencia Consumida (mW x Und.)*** 1000
Potencia Total (W)*** 1
* El número de LED fue escogido por sugerencia del fabricante ** Parámetros obtenidos de la ficha técnica de los SMD UVC LEDs ***Parámetros calculados según diseño (No. LEDs y potencia consumida x Und.)
El caudal diario (40L/día) fue proporcionado por un estudio previo realizado por estudiantes de Ingeniería Ambiental que participan en el desarrollo del proyecto. En la siguiente tabla se muestra el rango de valores del caudal de diseño, por sugerencia del fabricante este debe estar entre 3 y 5L/min. Se tomó como caudal de diseño 4L/min.
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Tabla 5. Caudales de diseño
Caudal L/día cm
3
/día m3/día
20 20000 0.020
Caudal de diseño (Q)
L/min cm3/min m3/s
3 3000 5.00E-05
4 4000 6.67E-05
5 5000 8.33E-05
Típicamente es conveniente manejar velocidades entre 2 y 3m/s, conociendo esta especificación y el caudal (Q) se determinó un diámetro de tubería (D) [7] y el área trasversal (A) más conveniente, teniendo en cuenta los diámetros estándar. A partir de las siguientes ecuaciones:
𝑄 = 𝑉 ∗ 𝐴
𝐴 = 𝜋𝐷
2
4
Tabla 6. Parámetros de Diseño Tubería
Diámetro de la Tubería (D)
in cm
0.19 0.476
0.25 0.635
0.50 1.27
Área (A) cm
2
m2
0.317 3.17E-05
Velocidad (V) cm/min m/s
12630.561 2.105
El diseño contempla que el flujo de agua debe circular por una tubería y un tanque, para establecer la altura (h) y el área trasversal del tanque (AT) del tanque, se emplearon las siguientes formulas:
𝑉 = √2𝑔ℎ
𝐴𝑇 =
#𝐿𝐸𝐷𝑠 ∗ 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑎 ∗ 𝑡
𝐷𝑜𝑠𝑖𝑠 𝑈𝑉 =
1𝐿𝐸𝐷 ∗ 10𝑚𝑊/𝐿𝐸𝐷 ∗ 300𝑠
40𝑚𝐽/𝑐𝑚2
Tabla 7. Parámetros de Diseño Tanque
Altura (h) cm m
22.586 0.203
Área (AT) cm
2
m2
75 0.75
Diámetro (DT) cm m
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Fig. 3 Tanque y lámpara UVC LEDs
Por recomendaciones del fabricante el flujo de agua debe ser sometido a 150mW, y dado que se cuanta únicamente un SMD LED de 10mW, el agua debe recircular 15 veces. Por lo tanto, el tiempo estimado de encendido del dispositivo es de 5 min por cada recirculación. El cálculo del tiempo completo de encendido se encuentra a continuación:
Tabla 8. Tiempo estimado de encendido
Recirculación 15
Tiempo de encendido
min h
75 1.25
Es importante resaltar que el equipo debe encenderse dos veces al día, co0nsiderando que el diseño con la mitad del caudal requerido. Por lo tanto el tiempo total de encendido será de dos horas y media al día, una hora y cuarto en la mañana y otra hora y cuarto en la tarde.
6.2.
Generación solar6.2.1. Estudios previos
Inicialmente se realizaron mediciones de radiación solar en el área rural de Villapinzón donde se quiere llevar a cabo el proyecto piloto, por periodos de 2 horas y media, tiempo de encendido del dispositivo, este valor se estimó en el planteamiento teórico. Sin embargo, para hacer el dimensionamiento se realizaron mediciones entre las 11AM y las 3PM durante tres días.
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Fig. 4 Medición Día 1
Fig. 5 Medición Día 2
0 100 200 300 400 500 600 700
0 50 100 150 200 250 300
Ir
rad
ian
ci
a (
W/m
2)
Tiempo (min)
Irradiancia Vs. Tiempo
Día 1
0 100 200 300 400 500 600 700
0 50 100 150 200 250 300
Ir
rad
ian
ci
a (
W/m
2)
Tiempo (min)
Irradiancia Vs. Tiempo
Día 2
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Fig. 6 Medición Día 3
Los parámetros estadísticos de los resultados obtenidos para el periodo crítico se muestran a continuación:
Tabla 9. Estadísticas
Estadísticas Potencia (W) Irradiación (W/m2)
PROMEDIO 0.001 1.871
DESVIACION 0.113 135.677
MAXIMO 0.490 586.920
MINIMO 0.000 0.000
6.2.2. Planteamiento teórico
De los datos obtenidos para el periodo crítico se pudo establecer la Irradiancia (G) y con la siguiente formula es posible determinar la irradiación (Gd) [8]:
𝐼𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑐𝑖ó𝑛 = 𝐼𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 ∗ 24ℎ/𝑑í𝑎
Para el caso de la Demanda diaria (DD) y la Demanda anual (DA) se utilizaron las siguientes ecuaciones [8]:
𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 𝐷𝑖𝑎𝑟𝑖𝑎 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 ∗𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑐𝑒𝑛𝑑𝑖𝑑𝑜
𝑑𝑖𝑎
𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 𝐴𝑛𝑢𝑎𝑙 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 ∗𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑐𝑒𝑛𝑑𝑖𝑑𝑜
𝑑𝑖𝑎 ∗
365 𝑑𝑖𝑎𝑠 𝑎ñ𝑜 0
100 200 300 400 500 600 700
0 50 100 150 200 250 300
Ir
rad
iai
ci
a
(W/m
2)
Tiempo (min)
Irradiancia Vs. Tiempo
Día 3
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Con los datos de demanda se procedió a calcular el consume medio, este depende de los siguientes factores de rendimiento estándar y las siguientes ecuaciones [8]:
Tabla 10. Factores de Rendimiento
Elemento Factor de Rendimiento
Batería 95%
Conductor 100%
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝐷𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜 = 𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 𝐷𝑖𝑎𝑟𝑖𝑎
𝐹𝑅 𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 ∗ 𝐹𝑅 𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝐴𝑛𝑢𝑎𝑙 = 𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 𝐴𝑛𝑢𝑎𝑙
𝐹𝑅 𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 ∗ 𝐹𝑅 𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟
Los resultados obtenidos se muestran a continuación:
Tabla 11. Resultados de Irradiación, Demanda y Consumo
Irradiación (Gd) 44.904Wh/m2/día
Irradiancia (G) 1.871W/m2
Demanda Diaria (DD) 2.5Wh/día
Demanda anual (DA) 912.5Wh/año
Consumo medio diario
(CD) 2.631Wh/día
Consumo medio anual
(CA) 960.526 Wh/año
Para calcular la capacidad del panel es necesario estimar es el factor de rendimiento (FR), a partir de la siguiente ecuación [9]:
𝐹𝑅 = (1 − 𝑘𝑏− 𝑘𝑐 − 𝑘𝑣) ∗ (1 −𝑘𝑎𝑃∗ 𝑁
𝑑 )
Cada variable se estimó siguiendo los siguientes lineamientos:
kb: Coeficiente de pérdidas por rendimiento del banco de baterías
- 0,05 en sistemas que no demanden descargas profundas
- 0,1 en sistemas con descargas profundas 102 de 131
kc: Coeficiente de pérdidas en el inversor
- 0,05 para inversores sinusoidales puros, trabajando en régimen nominal
- 0,1 para inversores trabajando fuera del régimen nominal
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- se consideran valores de referencia entre 0,05 y 0,15
ka: Coeficiente de auto-descarga diario
- 0,002 para baterías de baja auto-descarga Ni-Cd
- 0,005 para baterías estacionarias de Pb-ácido
- 0,012 para baterías de alta auto-descarga (arranque de vehículos)
N: número de días de autonomía de la instalación
- Días en que la instalación trabajará bajo condiciones de irradiación mínimas (días nublados
continuos), se consumirá más energía de la que se genera.
Pd: Profundidad de descarga diaria de la batería
- no deberá exceder el 80% de su capacidad nominal, a fin de evitar afectar la vida útil del
banco de baterías.
Los valores utilizados para el cálculo son los siguientes:
Tabla 12. Parámetros Factor de Rendimiento
kb 0.1
kc 0.05
kv 0.15
ka 0.002
N 5
Pd 0.8
Factor de Rendimiento (FR) 0.691
Para calcular la capacidad del panel solar FV que debe ser instalado si se quiere satisfacer tal demanda se utilizó la siguiente ecuación [8], considerando utilizar un solo panel
(Np = 1):
𝑃𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 = 𝐶𝐷
𝑁𝑝 ∗ (𝐺𝑑/1000𝑊/𝑚2) ∗ 𝐹𝑅
Capacidad 84.780 W
Dada la capacidad obtenida se seleccionó un panel de 85W.
Célula Fotovoltaica
Dado que existen diferentes tipos de células fotovoltaicas, dependiendo de su composición tenemos células planas cristalinas, pequeñas piezas de unos 0,2 mm de grosor. Cada una produce una pequeña cantidad de electricidad. Por ello, las conectamos entre sí para obtener la potencia deseada. Estas células pueden estar compuestas por diferentes materiales [10]:
Diseño básico de generación para un sistema de
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16
Silicio monocristalino: más costoso pero su rendimiento (18%) es el más alto. Presente en el
mercado en un 40%.
Silicio policristalino: menos costoso pero su rendimiento es menor (12 - 15%). Presente en el
mercado en un 45%.
Silicio en ruban: más reciente pero menos rentable; tiene un rendimiento similar al del silicio
policristalino. Presente en el mercado en un 2%.
Dados estos parámetros y los valores de dimensionamiento anteriormente calculados se seleccionó un panel con las siguientes características [11]:
Tabla 13. Características Panel Solar
Peak Power (Pmpp) 85 W
Peak Power Voltage (Vmpp) 17.8 V
Peak Power Current (Impp) 4.78 A
Open Circuit Voltage (Voc) 22.2 V
Short Circuit Current 5.35 A
Max. System Voltage 1000 VDC
Weight 19.8 lbs
Box Quantity 1
Max Series Fuse 12.0 A
Cell Type Poly crystalline
Cell Dims 156mm x 91mm
Length 47.4 in.
Width 21.2 in.
Nominal Voltage 12 V
Limited Warrantee 25 Years
Acumulador/Batería
Como sistema de alimentación de respaldo se cuenta con un sistema de baterías el cual se dimensiono siguiendo los siguientes parámetros [8]:
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 =𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜 (𝑊ℎ/𝑑𝑖𝑎)
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎
𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑂𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 = 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 (𝑊ℎ)
𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑂𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 (𝑉)
Considerando una eficiencia del 20% característica de las baterías a base de Niquel y el voltaje de operación de la lámpara se obtuvieron los siguientes resultados:
Diseño básico de generación para un sistema de
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Tabla 14. Parámetros para el dimensionamiento de los acumuladores
Capacidad 13.158Wh
Corriente operación 1.316Ah
1315.789mAh
Dados los parámetros calculados anteriormente, los acumuladores seleccionados son baterías comerciales con las siguientes características [12]:
Tabla 15. Características Baterías
Classification Rechargeable Batery Pack
Chemical System Li-Ion
Nominal Voltage 12 V
Rated Capacity 2200 mAh
Typical Weight 170g
Cycle Life 500 times
Operating Temp -20°C to 60°C
Control de carga/Regulador
El regulador de carga es el dispositivo encargado de controlar la tensión y la corriente suministrada a la batería para su carga óptima y completa sin exceder sus límites. Para su dimensionamiento se establecieron la corriente de entrada y de salida que el regulador debe soportar [8].
𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 1.25 ∗ 𝐼𝑆𝐶∗ 𝑁𝑝
𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = 1.25 ∗𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 (𝑊)
𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑂𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 (𝑉)
Considerando la corriente de corto circuito del panel seleccionado y el voltaje de operación de las baterías, se obtuvieron los siguientes resultados:
Tabla 16. Parámetros para el dimensionamiento del Regulador
Corriente de Entrada 6.687A
Corriente de Salida 0.115A
En el mercado podemos encontrar pequeños reguladores de carga muy económicos, por ejemplo el C-0192 un regulador de carga comercializado por CEBEK. A continuación sus características [13]:
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Tabla 17. Características Regulador
Tensión Nominal 12/24 V
Corriente de Carga 20 A
Carga Máxima 20 A
Consumo max. electricidad propia 4 mA
Tensión final de carga 13.7 V
Márgenes de Temperatura -25°C +50°C
Dimensiones 190mm x 100mm x 85mm
Peso 300g
6.2.3. Simulación
Para el desarrollo de esta etapa se realizó una simulación del diseño en Simulink, una herramienta de MATLAB. Se empleó el PV Module en un Grid-Connected PV System [14] como se muestra en la siguiente figura:
Diseño básico de generación para un sistema de
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Se realizó la simulación del panel solar dimensionado para los tres escenarios de radiación. A continuación se muestran la figura y la tabla de estadísticas obtenida para las diferentes mediciones realizadas por el simulador para el primer escenario (Día 1):
Fig. 8 Resultados simulación panel Día 1
En la Fig. 8 se puede observar como alrededor del minuto 30 la corriente de referencia es nula, al igual que la eficiencia. Aunque idealmente se espera obtener un valor de potencia considerable, los niveles de insolación no permiten que se adquiera los niveles de operación mínimos.
Tabla 18. Estadísticas Día 1
Estadísticas Ideal PV Energy (Wh) Output Energy (Wh) PV Energy (Wh)
PROMEDIO 27,011 -0,913 0,540
DESVIACION 17,330 0,805 0,124
MAXIMO 54,454 0,303 0,578
MINIMO 0,000 -2,357 0,000
Como podemos observar en la tabla anterior, aunque idealmente se esperaba generar alrededor de los 27Wh, cuando se realiza un modelo real la potencia de salida presenta
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valores negativos, esto quiere decir que el panel no está generando sino consumiendo, esto se debe a las condiciones de insolación, que no permiten el arranque del equipo. Por esta razón, para este escenario el panel no puede cumplir los requerimientos de la carga.
Para el segundo escenario (Día 2) tenemos la siguiente figura y tabla de estadísticas obtenida para las diferentes mediciones realizadas por el simulador:
Fig. 9 Resultados simulación panel Día 2
En la Fig. 9 es posible observar valores aceptables de potencia generada y corriente de referencia, además de niveles considerables de eficiencia.
Tabla 19. Estadísticas Día 2
Estadísticas Ideal PV Energy (Wh) Output Energy (Wh) PV Energy (Wh)
PROMEDIO 30,547 5,210 9,825
DESVIACION 18,615 3,160 5,894
MAXIMO 58,290 9,747 18,427
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En este escenario podemos observar que idealmente se esperaba un potencia generada alrededor de los 30Wh muy cercana a la esperada en el escenario anterior, sin embargo, en el modelo real la potencia generada para este día alcanza los 5.210Wh. Dados los resultados estadísticos y los observados en la figura anterior, se espera que para un escenario como este la potencia requerida pueda ser suplida sin ningún problema, además de permitir la carga de los equipos de respaldo (Acumuladores).
Finalmente, tenemos los resultados obtenidas por el simulador para el último escenario (Día 3):
Fig. 10 Resultados simulación panel Día 3
En la Fig. 10 al igual que en el escenario anterior se obtuvieron valores aceptables de potencia generada y corriente de referencia, además de niveles considerables de eficiencia. Esto nos permitirá suplir la carga requerida. Es importante resaltar que este escenario obtiene valores de potencia menores al escenario anterior, no obstante son aceptables.
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Tabla 20. Estadística Día 3
Estadísticas Ideal PV Energy (Wh) Output Energy (Wh) PV Energy (Wh)
PROMEDIO 21,401 3,302 6,617
DESVIACION 12,300 1,984 3,903
MAXIMO 39,727 6,125 12,331
MINIMO 0,000 -0,001 0,000
De la tabla anterior podemos establecer que la potencia ideal esperada esta alrededor de los 21Wh, y que la potencia real generada es en promedio 3.302W. Aunque el valor ideal en este caso es considerablemente menor al obtenido en el primer escenario, se obtuvieron valores positivos de generación, esto se debe a que la insolación presenta valores más constantes que permiten el correcto funcionamiento del panel solar.
6.2.4. Análisis de costos
De acuerdo a la información económica provista en la sección anterior se procedió a realizar el cálculo del costo de la energía producida. El presente análisis fue realizado desde el punto de vista económico, y su principal objetivo es analizar el costo promedio de generación de energía [15].
Como se describió anteriormente la capacidad instalada del panel es de 85W con una producción anual de energía aproximadamente de 1205Wh, considerando una producción diaria de 3.302Wh, que corresponde a la producción media obtenida en los tres días de estudio.
Para el cálculo del costo de energía producida por el proyecto, se utilizó la siguiente fórmula [15]:
𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 =(𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛 ∗ 𝐶𝑅𝐹) + 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙
𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛
Donde:
Inversión: Inversión total del proyecto en US$
Costo anual: O&M y otros costos anuales en US$
Generación: Energía anual producida por el proyecto en kWh
Factor de recuperación del capital (CRF):
𝐶𝑅𝐹 = 𝑟
1 − (1 + 𝑟)−𝑛
r = tasa de descuento (10%)
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Los principales parámetros para la evaluación del proyecto se encuentran en las tablas a continuación:
Tabla 21. Costos de Inversión
Equipo Unidades Costo Und. (US$) Costo (US$)
Panel Solar [11] 1 $ 299.00 $ 299.00
Baterías [12] 18 $ 8.13 $ 146.35
Regulador de carga [13] 1 $ 95.93 $ 95.93
Costos de Instalación (10%) $ 54.13
Costo de Inversión $ 595.40
Para determinar los costos de operaciones y mantenimiento se estableció el pago de una revisión mensual por parte de un técnico capacitado. Este pago corresponde al equivalente de un salario mínimo diario [16] y se determinó de la siguiente manera:
Tabla 22. Costos de O&M
Salario Mínimo $ 644,350.00 $COP
Salario diario $ 21,478.33 $COP
Auxilio de Transporte $ 24,000.00 $COP
CESANTIAS $ 6,873.07 $COP
Intereses de CESANTIAS $ 824.77 $COP
Salud $ 1,718.27 $COP
Pensiones $ 2,577.40 $COP
Riesgos Profesionales III $ 523.21 $COP
Cargo Adicional (10%) $ 5,799.50 $COP
Revisión Trimestral $ 63,794.55 $COP
Días de trabajo al año 4 $COP
Revisión Avanzada Anual $ 255,178.21 $COP
Tasa de Cambio $ 2,531.65 $COP
Costos de O&M $ 201.59 $USD/año
A continuación se determino el factor de recuperación de capital:
Tabla 23. Factor de Recuperación de Capital
Tasa de interés 10%
Horizonte de evaluación 25 años
Energía generada 1205.230Wh
CRF 11.017%
A continuación se muestra el resultado obtenido para el costo del Wh del proyecto:
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6.3. Generación hidráulica
6.3.1. Estudios previos
Para el diseño de la PCH, se determinó el caudal y velocidad de flujo en uno de los ríos aledaños a los lugares de implementación de las plantas en Villapinzón. A continuación se muestra un mapa de los 13 puntos de conexión y la ubicación geográfica del rio. La localización de cada punto y la distancia entre los mismos se obtuvo con ayuda de la herramienta Maps de Google.
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Fig. 12 Ubicación de la PCH
La ubicación del lugar utilizado en el estudio previo y los valores promedio que se muestran a continuación fueron aportados por los estudiantes de ingeniería ambiental que participan en el desarrollo del proyecto:
Tabla 24. Parámetros de diseño de la PCH
Caudal (Q) 0,05 m3/s
Velocidad (V) 3 m/s
6.3.2. Planteamiento teórico
Las centrales hidroeléctricas son aquellas instalaciones que trasforman la energía hidráulica del agua en energía eléctrica. La energía hidráulica, es la energía que tiene una masa de líquido por su elevación, velocidad y por la presión a la que está sometido. Esta se obtiene a partir de la siguiente ecuación [17]:
𝐸ℎ =
𝑣2
2𝑔+
𝑝
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Donde están presentes la energía cinética, ocurre por el movimiento del líquido, la energía de presión, energía interna del fluido que puede producir un desplazamiento, y la energía potencial, producto de la elevación de la masa de líquido sobre un nivel de referencia.
La potencia la obtenemos a partir de la siguiente ecuación [17]:
𝑃 = 𝜂𝛾𝑄𝐻
Donde H equivale a [17]:
𝐻 =𝑣𝑖𝑛
2 − 𝑣 𝑜𝑢𝑡2 2𝑔
Dado que la potencia requerida equivale a 13W y este es un valor muy bajo, se consideró una potencia mínima dependiendo de los valores estándar de la turbina y el alternador. Conociendo este parámetro, el caudal de diseño y asumiendo una eficiencia estándar pata la turbina se puedo establecer la cabeza de presión (H). Los resultados obtenidos se muestran a continuación:
Tabla 25. Parámetros para el cálculo de la cabeza de presión
Peso específico 9810 NW/m2
Eficiencia 65 %
Potencia (P) 100 W
Cabeza (H) 0.313 m
Por otra parte, con los valores de velocidad de entrada y el caudal es posible determinar el área de la tubería de entrada a la turbina, sin embargo, dado que la velocidad del río es muy baja se implementara una tubería de menor diámetro que con el mismo caudal nos permita aumentar la velocidad de entrada:
Tabla 26. Diámetro de la tubería de entrada
Velocidad (Vin) 7.859 m/s
Área 1 0,00636 m2
Diámetro 1 0,09 m
Conociendo la cabeza de presión y la velocidad de entrada se determinó la velocidad de salida. Además con los parámetros de velocidad y caudal de diseño de estableció el diámetro de la tubería de salida de la PCH.
Tabla 27. Diámetro de la tubería de salida
Velocidad (Vout) 7.457 m/s
Área 2 0,0067 m2
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Considerando que las máquinas que poseen más de 2 pares de polos suelen ser máquinas destinadas a sistemas de baja velocidad, como turbinas hidráulicas o motores térmicos, se procedió al dimensionamiento de la turbina. Para ello, se establecieron los siguientes parámetros de diseño.
Tabla 28. Parámetros para el dimensionamiento de la Turbina
Frecuencia (N) 60 Hz
Velocidad angular 600 rpm
Frecuencia angular (w) 62.832 rad/s
Con el valor de frecuencia, el caudal de diseño, la cabeza de presión y las siguientes ecuaciones se pudo determinar el facto Ω el cual en el diagrama de Cordier me permite identificar el facto Δ, con el que puedo establecer el diámetro de la turbina [18]:
Ω = 𝑁√𝑄
(𝑔𝐻)3/4 𝛥 =
𝐷(𝑔𝐻)1/4
√𝑄
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Tabla 29. Parámetros diagrama de Cordier
Omega 5.775
Delta 1.3
Diámetro 0,219m
Conociendo el diámetro de la turbina se estableció con la velocidad de entrada la velocidad angular a la cual operara la turbina y el alternador:
𝑟𝑝𝑚 =𝑣𝑖𝑛
𝑟 ∗
60
2𝜋=
7.053𝑚/𝑠
0.109𝑚 ∗
60
2𝜋= 683.863 𝑟𝑝𝑚
Dado que la velocidad de entrada puede disminuir alrededor de un 10% se consideró conveniente definir una velocidad angular de operación de 600 rpm.
Turbina
Se seleccionó una turbina de acción tipo Pelton (0.05m3/s) [19] dados los valores de
dimensionamiento anteriormente calculados y los parámetros de diseño. Este tipo de turbinas funcionan con flujo tangencial y bajos caudales. Para este caso la turbina debe ser fabricada con las siguientes especificaciones:
Tabla 30. Características de la Turbina
Potencia Nominal 100W
Tipo Pelton
Caudal 0.05m3/s
Velocidad 600rpm
Diámetro 219mm
Alternador
Dadas las condiciones del sistema al igual que la turbina, el alternador debe ser fabricado con las siguientes especificaciones:
Tabla 31. Características del Alternador
Tipo de Salida Monofásico
Potencia Nominal 100W
Tensión Nominal 120V
Frecuencia 60Hz
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Regulador y rectificador
Inicialmente se cuenta con un sistema de reducción y rectificación del voltaje de entrada, a continuación se ilustra el circuito que nos reducirá y rectificara de 120 voltios de corriente alterna a 24 volts de corriente continua. A grandes rasgos el sistema cuenta con un fusible, un interruptor, un transformador y finalmente un puente rectificador de diodos. El transformador empleado se dimensiono con ayuda de la tabla de caracterización de la carga (Apéndice 1).
El predimensionamiento de los transformadores se realizó teniendo en cuenta las siguientes consideraciones:
El factor de utilización de los transformadores es del 80%.
Las cargas operan a plena capacidad.
Tabla 32. Características Transformador 120V/24V
Corriente 0.083A
Tensión 24V
VA 2.00VA
Factor de utilización 0.8
Capacidad 2.50VA
Capacidad Estándar 5VA
Fig. 14 Esquema de conexión del transformador [20]
Ahora se quiere obtener el voltaje positivo, para esta parte se utilizara un LM317 que es el regular de voltaje positivo y lo alimentaremos con el circuito de la Fig. 14
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Fig. 15 Sistema de obtención de voltaje positivo [20]
Para este caso se requiere como salida dos voltajes de 12V positivos, por lo tanto en la siguiente figura se muestra el esquema final del sistema:
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Materiales:
1 fusible de 1 A.
1 Interruptor.
1 Transformador con: Primario 120V, Secundario 24V con derivación central, 1 A.
6 Diodos 1N4007.
2 Regulador de voltaje LM317.
2 Condensadores de 1000μF a más de 25V.
2 Condensadores de 100μF a más de 25V.
2 Condensadores de 10μF a más de 25V.
2 Potenciómetros de 5KΩ.
2 Resistores de 120Ω a 1/2W.
Acumulador/Batería
El sistema de alimentación de respaldo, al igual que el diseño en Generación solar consta de una batería que se implementará en cada hogar para alimentar la lámpara en caso de emergencia. Por ello se empleara la misma batería de 12V/2200mAh.
Líneas de distribución/Cables
Teniendo en cuenta la caracterización de la carga anteriormente realizada (Apéndice 1) se preseleccionaron los conductores de baja tensión (Apéndice 2), de tal forma que su Ampacidad corregida es mayor que la corriente FLA de las cargas y un tipo de aislamiento que cumple las siguientes características [21]:
Lugares secos y húmedos
Resistente a la humedad
Termoplástico
Retardante de llama
Además, en la tabla del Apéndice 2 encontramos los Dispositivos de Sobrecorriente (OCD), lo cuales se preseleccionaron teóricamente teniendo en cuenta la siguiente relación:
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6.3.3. Simulación
Dadas las características del sistema se especifico un generador monofásico a un nivel de tensión 120VAC, sin embargo al realizar la implementación del sistema en ETAP no se contaba con un generador con dichas especificaciones, por lo que se simulo con un generador con las siguientes características:
Tabla 33. Características del Generador de simulación
ID Generador
Rating 0.1 kW
Rated kV 0.208
kW 0.013
kvar 0
Amp 0.035
% PF 100
% Generation 12.7
Considerando que se requería un voltaje de 120V en un sistema monofásico, al implementar un sistema trifásico este se reemplazo por 208V. En el Apéndice 3 y 4 encontraran las tablas correspondientes a la caracterización de la carga, dimensionamiento de conductores y protecciones para estas especificaciones.
El esquema de implementación se muestra en el Apéndice 5.
Con el análisis de flujo de carga se observó que:
Los perfiles de voltaje para todas las cargas cumplían con los límites establecidos
La potencia consumida por las cargas corresponde al 13% del total de la potencia generada.
Al comprobar el funcionamiento de las protecciones del sistema, los fusibles de 0.5A y 5A no
contaban con las curvas TCC, por lo no fue posible su coordinación.
Los resultados obtenidos para el flujo de carga se muestran en el Apéndice 6. Todos los nodos se encuentran dentro del rango, ya que para 208V tenemos en el Rango A una variación entre el 95% y el 105%, mientras que para el Rango B tenemos una variación entre el 91.7% y el 105.8%.
Con respecto a los resultados obtenidos para los conductores (Apéndice 7) tenemos valores de corriente considerablemente menores a los esperados en algunos casos, esto se debe a una pequeña reducción en el voltaje de operación de la carga. Sin embargo, los niveles de flujo de potencia corresponden al planteamiento teórico.
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De la misma manera, los transformadores (Apéndice 8) presentan valores de corriente considerablemente menores a los esperados y niveles de flujo de potencia muy cercanos a los obtenidos en el planteamiento teórico.
Las variaciones en el nivel de tensión de la carga afectan los consumos de corriente y potencia de todo el sistema, haciendo que estos valores disminuyan. No obstante los resultados obtenidos nos permiten afirmar que el sistema de generación cumple el requerimiento de carga, manteniendo los niveles de tensión.
6.3.4. Análisis de costos
Al igual que el diseño de Generación solar se quiere determinar el costo de la energía producida para este caso. La capacidad instalada es un Generador de 100W que alimentará 13 cargas de un 1W. El costo de energía producida por el proyecto se determino utilizando la misma fórmula mostrada anteriormente:
𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 =(𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛 ∗ 𝐶𝑅𝐹) + 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙
𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛
Los principales parámetros para la evaluación del proyecto se encuentran en las tablas a continuación:
Tabla 34. Costos de Inversión
Equipos Und. Costo kW (US$) Potencia (kW) Costo (US$)
Turbina 1 $ 2,739.49 0.10 $ 273.95
Alternador 1 $ 4,383.18 0.10 $ 438.32
Equipo Und. Costo Und. (US$) Costo (US$)
Regulador/Rectificador [22] 13 $ 28.00 $ 364.00
Baterías [12] 65 $ 8.13 $ 528.45
Líneas de distribución [23] 1141.732 $ 0.49 $ 559.45
Costos de Instalación (10%) $ 236.74
Costo de Inversión $ 2,604.16
Dado que la turbina y el alternador son equipos que deben ser fabricados su precio fue calculado realizando una extrapolación de las consideraciones propuestas en [19]. En el Apéndice 9 se muestra la curva obtenida y los parámetros para calcular los precios de los equipos, teniendo en cuanta el crecimiento del precio.
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Por otra parte, para determinar el costo anual se determinó que los costos de operaciones y mantenimiento corresponden al pago de un día de trabajo al mes y se determino de la siguiente manera:
Tabla 35. Costos Anuales
Salario Mínimo $ 644,350.00 $COP
Salario diario $ 21,478.33 $COP
Auxilio de Transporte $ 24,000.00 $COP
CESANTIAS $ 20,619.20 $COP
Intereses de CESANTIAS $ 2,474.30 $COP
Salud $ 1,718.27 $COP
Pensiones $ 2,577.40 $COP
Riesgos Profesionales III $ 523.21 $COP
Cargo Adicional (10%) $ 7,339.07 $COP
Revisión Mensual $ 80,729.79 $COP
Días de trabajo al año 12 $COP
Revisión Avanzada (5 años) $ 403,648.94 $COP
Revisión Avanzada Anual $ 100,912.23 $COP
Tasa de Cambio $ 2,531.65 $COP
Costos de O&M $ 422.52 $USD/año
Costos de Obra civil $ 2,604.16 $USD/año
Por otra parte, de acuerdo a la experiencia desarrollada en los últimos años con PCHs se determinó una composición de los costos hidroenergeticos a pequeña escala así [19]:
Costo obra civil: 50%
Costo equipos: 50%
Por lo que se asumió que el costo de obra civil era equivalente al de los equipos electromecánicos utilizados en el desarrollo del proyecto.
A continuación se determino el factor de recuperación de capital:
Tabla 36. Factor de Recuperación de Capital
Tasa de interés 10%
Horizonte de evaluación 25 años
Energía generada 1205.230Wh
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El resultado obtenido para el costo del Wh del proyecto fue de 2.75$US/Wh. Sin embargo, este corresponde al costo generado por el total de cargas, a continuación se muestra el resultado obtenido para el costo del Wh por carga:
Costo Energía 0.21 US$/Wh
7.
DISCUSIÓN
Con respecto a los resultados obtenidos en simulación y el análisis económico realizado se ha seleccionado como la alternativa más conveniente la Generación hidráulica, esto teniendo en cuenta las siguientes consideraciones:
Dadas las condiciones del medio es posible instalar un sistema con mayor capacidad
que permitiría la conexión de carga adicional. Dado que el requerimiento son 13W y la capacidad de la PCH es de 100W.
En la simulación realizada la planta cumple satisfactoriamente con los requerimientos
de la carga.
Después de realizar el análisis de costos se pudo concluir que para un tiempo de vida
de 25 años el sistema de generación hidráulica tiene un costo promedio de generación de
energía de 0.21 US$/Wh, un centavo más económico que la otra alternativa.
Aunque esta es la mejor alternativa, es importante resaltar que dadas las especificaciones del diseño no fue posible simular exactamente los parámetros especificados en el dimensionamiento, esto dado las restricciones de implementación en el software de simulación ETAP.
8.
CONCLUSIONES
Fue necesario realizar el diseño de la lámpara UVC LEDs, para determinar la carga y
posteriormente la demanda que quiere satisfacer. La carga requerida equivale a 1W por lámpara y el tiempo de encendido esperado del dispositivo es de dos horas y media al día, una hora y cuarto en la mañana y otra hora y cuarto en la tarde.
Dada la baja eficiencia de la lámpara UVC LEDs es necesario implementar en un sistema de
generación solar:
- Panel FV considerablemente grande. Se determinó un panel estándar de 85W - 12V.
- Regulador de carga 12/24V – 20A
- Batería Recargable 12V – 2200mAh.
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- Turbina 100W – 219mm de diámetro.
- Alternador 100W – 120V (600rpm)
- Regulador y Rectificador 120/24V – 5VA
- Batería Recargable 12V – 2200mAh.
- Línea de distribución y protecciones ODC
Al realizar los respectivos análisis económicos para cada una de las alternativas se obtuvo que
para un sistema de generación solar los Costos de Inversión equivalen US$ 595.40, los Costos de O&M corresponden a US$ 201.59, para finalmente obtener un costo de 0.22US$/Wh. Para un sistema de generación hidráulica los Costos de Inversión equivalen US$ 2,604.16, los Costos de O&M corresponden a US$ 422.52, los Costos de Obra civil equivalen a US$ 2,604.16. El resultado obtenido para el costo del Wh del proyecto fue de 2.12$US/Wh. Sin embargo, este corresponde al costo generado por el total de cargas, el costo del Wh por carga es de 0.21$US/Wh.
Se inició por la alternativa que a priori parecía más conveniente, dada la visita al lugar piloto
de implementación, sin embargo después de realizar las simulaciones y el análisis de costos se consideró más conveniente instalar un sistema de Generación Hidráulica.
Los estudios previos realizados permitieron determinar un diseño teórico que fue sometido a
simulación para su respectiva verificación. En ambas alternativas los resultados obtenidos arrojaron resultados positivos, sin embargo dadas las condiciones del medio (bajos índices de radiación y un caudal considerablemente bajo) fue necesario dimensionar equipos considerablemente grandes, con el fin de satisfacer los requerimientos de la carga.
9.
AGRADECIMIENTOS
Mis más sinceros agradecimientos al Dr. Mario Ríos por su asesoría. Al Dr. Manuel Rodríguez por guiar y aconsejar a todos los participantes del proyecto. A Lina Porras y los demás compañeros Andrés Uribe, Santiago Cortes y Luis Castro por su dedicación y apoyo durante el desarrollo del proyecto. A Daniel Penagos por su asesoría y por estar ahí cuando más lo necesitaba. Y finalmente a mis padres por su paciencia y compromiso social con el proyecto.
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10.
APENDICES
Apéndice 1 C ont inua [k V A ] Int e rm it e nt e [k V A ] S ta nB y [k V A ] G e n e ra d o r 120 120 0 .1 1 8 0 .8 5 0 .9 8 0 0 .9 8 0 0 .1 1 8 -0 .9 8 0 T X -B T 120 120 0 .0 0 5 -0 .0 4 2 -0 .0 1 7 L a m p a ra L E D 12 10 0 .0 0 1 -0 .1 0 0 0 .0 8 3 -0 .0 0 1 -0 .0 8 3 T X - B T 24 24 0 .0 0 5 -0 .2 0 8 -0 .0 8 3 0 .1 1 8 0 .0 0 1 C a ra c te rí s ti c a s y L is ta d e C a rg a s C a rga s N iv e l de Te ns ión [V a c ] Te ns ión N om ina l O pe ra c ión [V a c ] Fa c tor de P ot e nc ia (Ful l Loa d) C or ri e nt e FLA [A ] Loa d [A ] k V A P ot e nc ia O pe ra ti v a B a ja Te ns ión - 1 2 0 V TO TA L [ k V A ] C or ri e nt e O pe ra c ión [A ] B a ja Te ns ión - 1 2 V /2 4 VDiseño básico de generación para un sistema de
potabilización en ZNI
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Apéndice 2 D is p o s it iv o s d e P ro te c c ió n Ta m a ño de l C on du c tor A W G , k c m il C ob re , A lum ini o R a te d kV N iv e l de A is la m ie nt o [% ] Ti po de A is la m ie nt o Te m pe ra tura de O pe ra c ión [ oC] A m pa c ida d FL A [ A ] N úm e ro de C on du c tore s x Fa s e Fa c tor de c orr e c c ion A m pa c ida d C orr e gi da Lo ng it ud 1 G -B P 13 0 .2 1 7 0 .2 1 7 14 A W G CU 0 .6 100% TW 60 15 1 1 .1 5 1 7 .2 5 3 0 .0 0 5 2 B P -L 1 1 0 .0 1 7 0 .0 1 7 14 A W G CU 0 .6 100% TW 60 15 1 1 .1 5 1 7 .2 5 5 .0 0 0 .5 3 B P -B 1 2 0 .0 3 3 0 .0 3 3 14 A W G CU 0 .6 100% TW 60 15 1 1 .1 5 1 7 .2 5 1 3 .0 0 5 4 B 1 -L 2 1 0 .0 1 7 0 .0 1 7 14 A W G CU 0 .6 100% TW 60 15 1 1 .1 5 1 7 .2 5 5 .0 0 0 .5 5 B 1 -L 4 1 0 .0 1 7 0 .0 1 7 14 A W G CU 0 .6 100% TW 60 15 1 1 .1 5 1 7 .2 5 1 7 .0 0 0 .5 6 B P -B 2 10 0 .1 6 7 0 .1 6 7 14 A W G CU 0 .6 100% TW 60 15 1 1 .1 5 1 7 .2 5 1 2 .0 0 5 7 B 2 -L 3 1 0 .0 1 7 0 .0 1 7 14 A W G CU 0 .6 100% TW 60 15 1 1 .1 5 1 7 .2 5 5 .0 0 0 .5 8 B 2 -B 3 9 0 .1 5 0 0 .1 5 0 14 A W G CU 0 .6 100% TW 60 15 1 1 .1 5 1 7 .2 5 2 3 .0 0 5 9 B 3 -L 5 1 0 .0 1 7 0 .0 1 7 14 A W G CU 0 .6 100% TW 60 15 1 1 .1 5 1 7 .2 5 5 .0 0 0 .5 10 B 3 -B 4 8 0 .1 3 3 0 .1 3 3 14 A W G CU 0 .6 100% TW 60 15 1 1 .1 5 1 7 .2 5 1 8 .0 0 5 11 B 4 -L 6 1 0 .0 1 7 0 .0 1 7 14 A W G CU 0 .6 100% TW 60 15 1 1 .1 5 1 7 .2 5 5 .0 0 0 .5 12 B 4 -B 5 7 0 .1 1 7 0 .1 1 7 14 A W G CU 0 .6 100% TW 60 15 1 1 .1 5 1 7 .2 5 2 5 .0 0 5 13 B 5 -L 8 1 0 .0 1 7 0 .0 1 7 14 A W G CU 0 .6 100% TW 60 15 1 1 .1 5 1 7 .2 5 5 .0 0 0 .5 14 B 5 -B 6 2 0 .0 3 3 0 .0 3 3 14 A W G CU 0 .6 100% TW 60 15 1 1 .1 5 1 7 .2 5 2 9 .0 0 5 15 B 6 -L 1 1 1 0 .0 1 7 0 .0 1 7 14 A W G CU 0 .6 100% TW 60 15 1 1 .1 5 1 7 .2 5 5 .0 0 0 .5 16 B 6 -L 1 3 1 0 .0 1 7 0 .0 1 7 14 A W G CU 0 .6 100% TW 60 15 1 1 .1 5 1 7 .2 5 6 4 .0 0 0 .5 17 B 5 -B 7 4 0 .0 6 7 0 .0 6 7 14 A W G CU 0 .6 100% TW 60 15 1 1 .1 5 1 7 .2 5 2 9 .0 0 5 18 B 7 -L 7 1 0 .0 1 7 0 .0 1 7 14 A W G CU 0 .6 100% TW 60 15 1 1 .1 5 1 7 .2 5 5 .0 0 0 .5 19 B 7 -B 8 3 0 .0 5 0 0 .0 5 0 14 A W G CU 0 .6 100% TW 60 15 1 1 .1 5 1 7 .2 5 2 0 .0 0 5 20 B 8 -L 9 1 0 .0 1 7 0 .0 1 7 14 A W G CU 0 .6 100% TW 60 15 1 1 .1 5 1 7 .2 5 5 .0 0 0 .5 21 B 8 -B 9 2 0 .0 3 3 0 .0 3 3 14 A W G CU 0 .6 100% TW 60 15 1 1 .1 5 1 7 .2 5 3 7 .0 0 5 22 B 9 -L 1 0 1 0 .0 1 7 0 .0 1 7 14 A W G CU 0 .6 100% TW 60 15 1 1 .1 5 1 7 .2 5 5 .0 0 0 .5 23 B 9 -L 1 2 1 0 .0 1 7 0 .0 1 7 14 A W G CU 0 .6 100% TW 60 15 1 1 .1 5 1 7 .2 5 4 6 .0 0 0 .5 B a ja Te ns ión 1 2 0 V L is ta d e C o n d u c to re s C a ra c te rí s ti c a s y L is ta d e C a rg a s C a rga s D e s c ri pc ión Lo a d [A ] C orr ie nt e po r c a da C on du c tor C O N D U C T O R C H A R A C T ER IST IC S O v e rc urr e nt P rot e c ti v e D e v ic e O C D [ A ]
