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DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA LA ILUMINACIÓN
PERIMETRAL DEL CENTRO DE ENTRENAMIENTO BOSANOVA.
ANDRÉS FELIPE ROJAS BÁEZ
20131007039
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA ELÉCTRICA
BOGOTÁ D.C
2018
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DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA LA ILUMINACIÓN
PERIMETRAL DEL CENTRO DE ENTRENAMIENTO BOSANOVA.
ANDRÉS FELIPE ROJAS BÁEZ
20131007039
DIRECTOR INTERNO
JAVIER ANTONIO GUACANEME MORENO
DIRECTOR EXTERNO
CESAR HERNANDO VELEZ ARCE
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA ELÉCTRICA
BOGOTÁ D.C
2018
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NOTA DE ACEPTACIÓN
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FIRMA DEL DIRECTOR INTERNO
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FIRMA DEL DIRECTOR EXTERNO
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FIRMA DEL JURADO
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Agradecimientos
A Dios por permitirme realizar la culminación de este proyecto y con ello lograr el alcance
de un nuevo logro en mi camino.
A mi familia por siempre haberme inculcado los buenos valores y la perseverancia para
cumplir con los objetivos fijados, por compartir todos los buenos y malos momentos y estar
siempre atentos del desarrollo de este trabajo.
A mis amigos, compañeros y todas las personas que de manera directa o indirecta siempre
me mostraron su apoyo y me dieron ánimo en todos los momentos de la carrera para seguir
adelante y dar lo mejor de mis conocimientos y habilidades.
A los directores por el interés mostrado hacia el proyecto, las recomendaciones,
observaciones entregadas y su apoyo en la realización.
5
Contenido
Lista de Tablas ........................................................................................................................ 6
Lista de Figuras ...................................................................................................................... 7
1. Introducción .................................................................................................................... 8
2. Objetivos de la pasantía................................................................................................. 10
2.1 Objetivo general .......................................................................................................... 10
2.2 Objetivos específicos .................................................................................................. 10
3. Descripción de los resultados. ....................................................................................... 11
4. Estado del arte ............................................................................................................... 12
4.1 Antecedentes ............................................................................................................... 12
4.2 Marco referencial. ....................................................................................................... 13
4.2.1 Zona de práctica exterior: ........................................................................................ 14
4.2.2 Zona de práctica interior .......................................................................................... 18
4.3 Energía solar ............................................................................................................... 20
4.4 Sistemas Fotovoltaicos. .............................................................................................. 20
4.4.1 Módulos Fotovoltaicos ........................................................................................... 20
4.4.1.1 Influencia de la temperatura en módulos FV ........................................................ 21
4.4.2 Baterías .................................................................................................................... 22
4.4.3 Inversores ................................................................................................................. 22
4.4.4 Reguladores ............................................................................................................. 23
5. Metodología .................................................................................................................. 24
5.1 Sistemas aislados. ....................................................................................................... 24
5.2 Sistema interconectado a la red................................................................................... 27
6. Diseño............................................................................................................................ 28
6.1 Ubicación. ................................................................................................................... 28
6.2 Radiación solar .......................................................................................................... 29
6.3 Sistema aislado ........................................................................................................... 31
6.4 Sistema interconectado a la red................................................................................... 36
6.4.1 Sistema interconectado por área. ............................................................................. 37
6.4.2 Sistema hibrido. ...................................................................................................... 39
7. Análisis financiero......................................................................................................... 41
8. Análisis de los resultados. ............................................................................................. 45
9. Evaluación y cumplimiento de los objetivos de la pasantía. ......................................... 46
10. Conclusiones y recomendaciones .............................................................................. 47
11. Bibliografía ................................................................................................................ 49
12. Anexos ....................................................................................................................... 51
6
Lista de Tablas
Tabla 1. Radiación Solar CE Bosanova IDEAM. ................................................................ 30
Tabla 2. Cuadro de cargas a 220 V AC ................................................................................ 31
Tabla 3. Cuadro de cargas a 120 V AC ................................................................................ 31
Tabla 4. Características de los inversores. ........................................................................... 32
Tabla 5. Características de los paneles fotovoltaicos. .......................................................... 33
Tabla 6. Conexión de paneles para el sistema fotovoltaico. ................................................ 33
Tabla 7. Voltajes de circuito abierto con temperatura máxima y mínima. .......................... 34
Tabla 8. Características del regulador de carga. ................................................................... 34
Tabla 9. Características de la batería. ................................................................................... 35
Tabla 10. Características de los paneles fotovoltaicos. ........................................................ 37
Tabla 11. Conexión de paneles. ........................................................................................... 38
Tabla 12. Características del inversor. ................................................................................. 38
Tabla 13. Elementos sistema hibrido. .................................................................................. 39
Tabla 14. Características Paneles fotovoltaicos. .................................................................. 39
Tabla 15. Características inversores. .................................................................................... 39
Tabla 16. Análisis Financiero SFV aislado. ...................................................................... 42
Tabla 17. Análisis Financiero SFV interconectado por área ............................................. 43
Tabla 18. Análisis Financiero SFV hibrido. ...................................................................... 44
7
Lista de Figuras
Figura 1. Centro de entrenamiento Bosanova. Fuente: Propia .......................................................... 13
Figura 2. Prácticas en estructuras de redes aéreas. Fuente: Propia. .................................................. 15
Figura 3. Prácticas en la subestación de frente vivo o local. Fuente: Propia .................................... 15
Figura 4. Prácticas en cámaras de inspección. Fuente: Propia .......................................................... 16
Figura 5. Redes enanas. Fuente: propia. ............................................................................................ 17
Figura 6. Prácticas en las torres de transmisión. Fuente: propia. ...................................................... 17
Figura 7. Prácticas en andamio. Fuente: propia. ............................................................................... 18
Figura 8. Celdas para subestaciones encapsuladas. Fuente: propia................................................... 19
Figura 9. Prácticas en tableros de Medidores. Fuente: propia. .......................................................... 20
Figura 10. Modelo de simple diodo de una celda FV ....................................................................... 21
Figura 11. Esquema de Componentes Topología Push-Pull. (a) Circuito eléctrico (b) Voltaje sobre
la carga. ............................................................................................................................................. 22
Figura 12. Esquema de Componentes Topología Medio Puente. (a) Circuito eléctrico (b) Voltaje
sobre la carga. .................................................................................................................................... 23
Figura 13. Esquema de Componentes Topología Puente Completo (a) Circuito eléctrico (b) Voltaje
sobre la carga. .................................................................................................................................... 23
Figura 14. Generador fotovoltaico (Módulos serie-Ramas en paralelo). Fuente: propia. ................. 26
Figura 15. Banco de Baterías (Baterías serie-Ramas paralelo). Fuente: propia. ............................... 27
Figura 16. Ubicación del Centro de Entrenamiento Bosanova. Fuente: Google Maps. .................... 28
Figura 17. Plano de las instalaciones físicas del CE Bosanova. ........................................................ 29
Fuente: Centro de Entrenamiento. ..................................................................................................... 29
Figura 18. Promedio Mensual de radiación global en Bogotá. Fuente: Ideam. ................................ 30
Figura 19. Diagrama de conexión de elementos para el diseño aislado. Fuente: Propia. .................. 32
Figura 20. Esquema de conexión del sistema fotovoltaico aislado. ................................................. 36
Figura 21. Área seleccionada para la instalación de paneles............................................................. 37
Figura 22. Esquema de conexión del sistema fotovoltaico de inyección a la red. ............................ 38
Fuente: propia. ................................................................................................................................... 38
Figura 23. Esquema conexión sistema híbrido. Fuente: Propia ........................................................ 40
Figura 24. Sistema de anclaje a teja y guía de módulos. Fuente: Autosolar. .................................... 40
Figura 25. Modelo 3D Centro de Entrenamiento Bosanova. Fuente: Propia. ................................... 51
Figura 26. Centro de Entrenamiento Bosanova. Fuente: Propia. ...................................................... 51
Figura 27. Vista Frontal Centro de Entrenamiento Bosanova. Fuente: Propia. ................................ 52
Figura 28. Instalaciones del Centro de Entrenamiento Bosanova. Fuente: Propia............................ 52
8
1. Introducción
La generación de energía eléctrica a partir de fuentes renovables ha tomado un gran auge en
los últimos años debido principalmente al impacto causado en el medio ambiente por las
fuentes de energías convencionales, además estas tecnologías renovables traen beneficios
climáticos, de salud pública y económicos. (REN21, 2017). Una de las principales fuentes
no convencionales de generación de energía utilizadas alrededor del mundo es a partir de la
radiación solar lumínica la cual se basa en la obtención de corriente continua mediante las
celdas fotovoltaicas a través del fenómeno físico conocido como efecto fotovoltaico. La
cantidad de energía que generan es directamente proporcional a la irradiación solar que incide
sobre la superficie fotovoltaica colectora por lo cual al momento de realizar el
dimensionamiento de los distintos sistemas fotovoltaicos es importante conocer el recurso
disponible de radiación solar en la ubicación geográfica correspondiente. (R. Fernandez,
2014)
Los centros de entrenamiento son espacios diseñados para la capacitación y entrenamiento
de los trabajadores directos, de empresas colaboradoras y programas de formación externos.
Pretende orientar el desarrollo de las actividades técnico-operativas y de conocimiento de los
negocios de generación y distribución de energía eléctrica, que contribuyen a mantener en
las empresas altos estándares en temas como protección a la vida, cuidado del medio
ambiente, calidad de los procesos, optimización de los recursos, entre otros. (Contratistas,
21)
Dadas las consideraciones mencionadas anteriormente, en el presente trabajo se diseñara un
sistema fotovoltaico dentro del Centro de Entrenamiento Bosanova ubicado en la ciudad de
Bogotá, en la localidad de Bosa, Barrio Villa del Rio, que permitirá aprovechar la radiación
solar para alimentar la iluminación perimetral de este lugar. Esta alternativa de generación
presenta diferentes beneficios dado que la distribución de los paneles se realizara sobre los
tejados evitando utilizar otra área para cumplir dicho fin, su ubicación permitirá un mayor
aprovechamiento del recurso solar y el mantenimiento de los mismos. Su instalación es fácil
y va a permitir ser una energía independiente, que traerá diversos beneficios ambientales.
También servirá como medio de ilustración para explicar el proceso de generación de
energía solar fotovoltaica y realizar una capacitación de su funcionamiento, ventajas y
aplicaciones en el sector.
Para el desarrollo del sistema se utilizó la tecnología de iluminación que se encuentra
actualmente instalada, identificando los niveles de tensión, horas de uso, teniendo en cuenta
estos datos iniciales y la metodología a desarrollar se realizaron tres opciones de diseño uno
de manera aislada, otro interconectado a la red y un sistema hibrido, estableciendo los
9
números de componentes y viabilidad económica para poder elegir la mejor opción a
implementar.
Los análisis realizados muestran que el sistema aislado es la mejor opción, por lo cual se
realiza el modelamiento 3D de cómo se vería la implementación de dicho sistema, de esta
manera incentivando a la implementación de proyectos que buscan el aprovechamiento de
fuentes de energías renovables. Además se diseña un folleto sobre la energía solar
fotovoltaica que servirá como apoyo al momento de realizar la explicación del
funcionamiento del sistema que se implementara en el centro de entrenamiento Bosanova,
teniendo en cuenta que este sistema no solamente va a permitir la alimentación de la
iluminación perimetral si no también se utilizara como modelo de referencia para que
diversos aprendices conozcan, identifiquen y se involucren de manera pedagógica con el
tema de la generación de energía eléctrica a partir de fuentes de energía no convencionales.
10
2. Objetivos de la pasantía
2.1 Objetivo general
Realizar el diseño fotovoltaico para la alimentación de la iluminación perimetral del centro
de entrenamiento BOSANOVA, buscando la integración de las energías renovables para
contribuir al cuidado del medio ambiente y servir como estrategia de explicación de la
generación fotovoltaica.
2.2 Objetivos específicos
Identificar la potencia instalada de las cargas de iluminación y las instalaciones físicas
para la adaptación de los paneles solares fotovoltaicos.
Conocer la radiación solar de la zona y determinar diferentes alternativas que
permitan establecer la mejor topología para la instalación de los paneles.
Considerar diferentes escenarios, entre ellos sistema aislado o interconectado a la red
que permita establecer ventajas y desventajas.
Definir los elementos y materiales que se requieran utilizar y realizar un análisis
financiero que permita conocer el tiempo de retorno de la inversión inicial y otros
parámetros importantes a tener en cuenta en el desarrollo de un proyecto.
Establecer la ubicación de los elementos de tal manera que se logre mostrar de una
manera pedagógica a los aprendices el proceso de generación de energía eléctrica
solar fotovoltaica.
11
3. Descripción de los resultados.
Con la realización del presente proyecto se obtuvieron diferentes resultados, los cuales se
muestran a continuación:
Se identificó la tecnología de la iluminación existente en el Centro de Entrenamiento
Bosanova, los niveles de tensión a los cuales están funcionando en la actualidad y
las horas de uso de dichas cargas, a partir de esto se estableció que era necesario tener
un sistema de almacenamiento en el sistema fotovoltaico a implementar dado que la
energía sería utilizada en horas nocturnas.
Se plantearon tres alternativas de solución de sistemas fotovoltaicos (aislado,
interconectado a la red e hibrido) para la alimentación perimetral del Centro de
Entrenamiento Bosanova, estableciendo en cada uno los elementos y materiales
necesarios para colocarlos en funcionamiento mostrando sus respectivas
características y parámetros técnicos.
Se realizó un análisis financiero de los diseños planteados para establecer la inversión
inicial necesaria de los tres sistemas, teniendo en cuenta estos valores calculados se
obtuvo el tiempo de retorno de la inversión y el costo de generar un kilovatio
utilizando cada sistema.
Se mostraron las diferentes actividades desarrollas en el Centro de Entrenamiento
Bosanova, lo cual permite evidenciar los beneficios de que las empresas tengan estos
espacios para la capacitación del personal directo y de empresas contratistas, además
que también permitan la visita de estudiantes de diferentes instituciones educativas
para enriquecer su proceso de formación como futuros profesionales.
Teniendo en cuenta existen diferentes formas pedagógicas de enseñar el proceso de
la generación de la energía solar fotovoltaica es necesario realizar un estudio más
profundo que permita establecer la mejor forma de capacitar los aprendices, como
posible material de ayuda se plantearon dos folletos donde en el primero se muestran
definiciones de los elementos que componen un sistema fotovoltaico y en el segundo
las ecuaciones necesarias para realizar un diseño de un sistema fotovoltaico aislado o
interconectado a la red.
12
4. Estado del arte
4.1 Antecedentes
La implementación de la energía solar fotovoltaica se ha visto como una solución para
alimentar diversas cargas de diferentes instalaciones eléctricas, entre ellas, iluminación,
como es el caso de la propuesta desarrollada en el año 2016 para el diseño de un sistema SFV
para iluminación pista BMX Peñamonte ubicada a 3.5 kilómetros de Ubaté vía Ubaté -
Bogotá. En este caso se desarrollaron tres modelos de iluminación (iluminación en guayas,
iluminación a través de postes laterales y una iluminación sobre graderías) y se tuvo en cuenta
tres formas de diseño del SFV (sistema aislado, sistema de inyección a red y un sistema
hibrido) de los cuales se eligió la mejor opción a partir de simulaciones, cálculos y análisis
financieros desarrollados. Se recomendó tener en cuenta la iluminación tipo led ya que
solamente se utilizó lámparas de sodio y lámparas de halogenuros metálicos. (TRIVIÑO,
2016).
Además de avanzar en la generación solar fotovoltaica también se han dado grandes mejoras
en el tipo de iluminación a utilizar como es el caso de las bombillas tipo LED que muestra
un gran ahorro con respecto a las antiguas tecnologías, en el año 2016 se desarrolló la tesis
en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas sobre “Caracterización y viabilidad de
la tecnología LED para el Diseño de Iluminación de los Laboratorios del sexto piso de la
sede de Ingeniería de la UDFJC” por los estudiantes Edison Pachón y Diego Chaparro donde
se realizaron diversas pruebas de caracterización a diversas tecnologías y se evaluaron las
condiciones actuales de iluminación llegando a la conclusión que la tecnología LED en
cuestión de ahorro e iluminancia son idóneos para todas las soluciones de iluminación que
se requieran, pero su costo sigue siendo alto a pesar de que se encuentra en un gran auge.
(Edison Pachon, 2016)
En el año 2013 se realizó un artículo buscando el enfoque de los sistemas fotovoltaicos para
la iluminación por medio de diodos emisores de luz tipo led, titulado “Sistema fotovoltaico
de iluminación solar” en donde se obtuvieron los siguientes aspectos: la mayor problemática
radica en el almacenamiento de energía y no en la fuente, la tecnología LED es más eficiente,
permitiendo así ahorrar energía y la alimentación de iluminación por medio de un sistema
SFV es una gran alternativa. (Victor Benitez, 2013)
EL uso de las energías renovables ha tomado gran fuerza en los últimos años como lo muestra
el articulo desarrollado en el año 2012 “Impacto de la generación distribuida en el sistema
eléctrico de potencia colombiano: Un enfoque dinámico” donde se evidencia que la
generación de forma no convencional se muestra como una alternativa importante para la
prestación del servicio de energía ya que permite aumentar la confiabilidad del suministro a
corto, mediano y largo plazo. Los factores que han sido determinantes para el impulso de
estas formas de generación son el cambio climático y la inestabilidad de los precios de los
13
combustibles fósiles, del anterior trabajo se concluye que la generación con energías
renovables en Colombia es una opción viable de generar de manera eficiente, confiable y de
calidad, también se establece que las leyes colombianas no incentivan el uso de los recursos
renovables y que se deberían dar beneficios regulatorios. (Sandra Carvajal, 2012)
En este mismo año también se desarrolló una análisis comparativo entre las bombillas
tradicionales y el bombillo LED titulado “Illumination benefits using LED high brightness
bulb compare to traditional illumination systems” en donde a partir de diferentes pruebas se
obtuvo que el bajo consumo de potencia de los HB-LED comparado con los bombillos
tradicionales los hace una excelente alternativa para trabajar con sistemas fotovoltaicos
debido a que se reducen hasta en un 90% la potencia requerida para los paneles solares y la
capacidad de corriente de las baterías. (Hugo Macias, 2012)
4.2 Marco referencial.
El Centro de entrenamiento Bosanova fue inagurado en marzo de 2009 con los propositos
de:
Divulgar y fortalecer los procedimientos relacionados con los negocios de generación
y distribución de energía eléctrica para el correcto desarrollo de las operaciones y la
prestación de un servicio de calidad.
Brindar una capacitación integral que apoye el proceso de certificación de
competencias laborales del personal operativo de las empresas contratistas,
contribuyendo con su formación y con su desarrollo profesional y personal.
Figura 1. Centro de entrenamiento Bosanova. Fuente: Propia
14
El centro de entrenamiento cuenta con diferentes espacios para poder realizar su función
como lo son las salas de capacitación (Sala Nikola Tesla, Sala James Maxwell, Sala Ampere,
Sala de computo Braun, Sala Westinhouse, Sala Faraday) y las zonas de práctica (exterior e
interior).
4.2.1 Zona de práctica exterior:
La zona de práctica exterior del Centro de Entrenamiento Bosanova está compuesta por:
A. Cajas de maniobras: Las cajas de maniobras en el sistema eléctrico de potencia son
usadas en las redes de distribución subterránea y que permiten abrir, cerrar y algunos
casos proteger los circuitos. Las capacitaciones en estas cajas de maniobra permiten
identificar las diferentes ventajas que tiene cada una de ellas, la divulgación de los
procedimientos de operación segura, los mantenimientos o cambio de protecciones,
etc.
B. Estructuras de redes aéreas: Son estructuras reales dotadas con todos sus
elementos, con las que se encuentran en la red de distribución. Están desenergizadas
para proporcionar un espacio de capacitación libre de riesgos y son utilizadas para
realizar los siguientes procedimientos:
Trabajos en línea viva: consiste en simular los procedimientos que se realizan en la
línea energizada, mediante la utilización de un carro-canasta.
Ascenso y descenso en poste: sirve como escenario para capacitarse y obtener la
certificación de trabajos en alturas.
Montajes de redes de distribución: Sirve como escenario de práctica para que los
linieros simulen los procedimientos que se realizan en línea muerta.
Reconocimiento de estándares: Se utiliza para fortalecer el reconocimiento de los
estándares de construcción e instalación de los elementos.
Operaciones Comerciales: Se enseña a realizar supervisión y mantenimiento a los
equipos de medida instalados, además de la divulgación de algunas medidas técnicas
implementas para evitar el hurto de energía.
15
Figura 2. Prácticas en estructuras de redes aéreas. Fuente: Propia.
C. Subestación de frente vivo o local: Debido a que en la actualidad aún existen este
tipo de subestaciones instaladas, la capacitación en este lugar es importante ya que se
simulan procedimientos como la apertura de cámaras, el acceso a ellas, el uso
completo de los equipos de protección, la apertura de los fusibles y seccionamientos,
la medición de la ausencia de tensión, etc.
Figura 3. Prácticas en la subestación de frente vivo o local. Fuente: Propia
D. Cámaras de inspección: Las cámaras de inspección garantizan el acceso a las redes
subterráneas de MT y BT. Estas cámaras fueron diseñadas para la realización del
procedimiento estandarizado de apertura y cierres seguro de las tapas de concreto,
16
revisión del estado de los conductores o empalmes, revisión de los drenajes, entre
otros. En este lugar, se construyeron los tres tipos de cámara que existen en el sistema:
Sencilla: que consiste en una sola tapa de concreto.
Doble: que contiene doble tapa de concreto.
Vehicular: diseñada especialmente para tráfico pesado.
Figura 4. Prácticas en cámaras de inspección. Fuente: Propia
E. Redes enanas: Representan los diferentes tipos de estructuras utilizadas usualmente
en el sistema de distribución de media tensión. Son usadas para:
Reconocer los estándares de construcción e instalación en detalle, con la
identificación de los diferentes elementos que existen sobre ellas.
Debido a su altura de 1.70m, se puede simular el trabajo en línea viva de igual
forma como se realiza en un carro canasta, ya que el operador se encuentra a
la altura de la línea. Este trabajo es complementado con capacitaciones que
permiten fortalecer el trabajo en un carro canasta real.
En el centro de entrenamiento se encuentran las siguientes estructuras enanas:
Estructura final de circuito, retención sencilla en construcción simétrica.
Estructura de doble cruceta y doble aislador de pin en ángulo.
Estructura de cruceta en bandera.
Estructura de cruceta central.
Estructura tangencial doble de cambio de dirección a 90 grados.
Estructura en retención doble con seccionador.
Estructura vertical de cambio de dirección, ángulos entre 30 y 90 grados.
Estructura en retención doble.
Estructura con protecciones y subterranización.
17
Figura 5. Redes enanas. Fuente: propia.
F. Torres de transmisión: Están diseñadas para fortalecer los procedimientos de
tendido de conductor en líneas de alta tensión, realización del mantenimiento, cambio
de elementos en las torres, etc.
Adicionalmente sirven para complementar los estándares de trabajo seguros en alturas
y permitir la identificación de las características constructivas. El centro de
entrenamiento posee 3 torres de transmisión a escala, de las cuales 2 son reticuladas
y 1 es de tipo tubular.
Figura 6. Prácticas en las torres de transmisión. Fuente: propia.
G. Andamio: Su función es preparar a los trabajadores para obtener la certificación de
trabajos en alturas, y capacitarlos para ensamblar y desensamblar el andamio de
múltiples formas y configuraciones.
18
Figura 7. Prácticas en andamio. Fuente: propia.
4.2.2 Zona de práctica interior
A. Celdas para subestaciones encapsuladas: Contiene una configuración real y es
construida en lugares cerrados. Estas celdas permiten el reconocimiento de las partes,
las características operativas de cada una y la funcionalidad. Tienen una
particularidad y es que siguen una secuencia típica de una acometida que alimenta a
un centro de distribución, y el orden es:
Celda tipo codo no operable bajo carga: es el barraje o punto común de acople de
los circuitos.
Celda dúplex operable bajo carga: es el equipo de maniobra que permite abrir o
cerrar el circuito.
Celda de medida de Media Tensión: es la que contiene a los transformadores de
potencial y de corriente, encargados de transformar los parámetros de la energía
a niveles adecuados para el medidor.
Celda de protección y operable bajo carga: cumple doble función, sirve como
equipo de maniobra y como sistema de protección.
Celda del transformador: es en la que está alojado el centro de transformación y
cumple con la función de aislar sus partes energizadas del contacto directo con las
personas.
19
Figura 8. Celdas para subestaciones encapsuladas. Fuente: propia.
B. Módulo de reconectadores: Son los equipos que permiten identificar las fallas del
sistema, interrumpirlas y realizar un cierre automático para volver a alimentar la línea.
Están dotados con una herramienta que le permite realizar varias reconexiones
sucesivas. El centro de Entrenamiento cuenta con una amplia variedad de
reconectadores de diferentes marcas y tecnologías, que permiten adquirir las
destrezas necesarias para la correcta operación, configuración, montaje e
interpretación de los datos de cada uno de los equipos que se encuentran en terreno.
Estos son: Reconectadores NULEC 15, Reconectadores NULEC 34, Reconectadores
ABB, Reconectadores NOJA, Reconectadores W&B.
C. Tableros de Medidores: Estos tableros permiten capacitar a los trabajadores en la
instalación de los equipos de medida, los diferentes tipos de conexión y las clases de
medidores que existen (digitales y electromecánicos). En el Centro de Entrenamiento
se encuentran los diferentes grupos de medida que están en terreno: indirecta, semi-
directa y directa. Además cuenta con armarios de medidores para varias cuentas o
usuarios que permiten ilustrar pedagógicamente el principio de conexionado, de
medida y de balance de cargas.
20
Figura 9. Prácticas en tableros de Medidores. Fuente: propia.
4.3 Energía solar
El sol es una de las fuentes de energía más constantes, a causa de la abundancia y la alta
irradiación que genera en la capa exterior de la atmósfera. La energía recibida en la superficie
de la tierra recibe el nombre de irradiancia, la cual depende de la hora del día, la inclinación
de los rayos de sol y la cobertura de las nubes. Esta tecnología puede ser aprovechada de
diversas maneras, tanto para generar electricidad, como para aprovechar el calor. Sin
embargo, una de sus principales barreras es que sólo se recibe durante el día, por lo que se
requiere combinarla con otras fuentes de energía o bien, asociarla a sistemas de
almacenamiento. La energía solar puede ser transformada directamente en energía eléctrica
a través de sistemas fotovoltaicos, indirectamente a través de la concentración solar de
potencia y puede ser utilizada para calentar agua por medio de colectores solares. (Avalos,
2017)
4.4 Sistemas Fotovoltaicos.
Los sistemas fotovoltaicos están compuestos por diversos elementos los cuales cumplen
funciones específicas para el aprovechamiento de la radiación solar, a continuación se
desarrollaran los conceptos de los elementos que conforman un sistema fotovoltaico como
los son paneles solares, reguladores de carga, baterías, inversores y convertidores DC/DC.
4.4.1 Módulos Fotovoltaicos
Los módulos FV son dispositivos de estado sólido que convierten la luz proveniente del Sol
directamente en energía eléctrica, sin la intervención de motores térmicos o equipamientos
rotantes. Los dispositivos FV no poseen partes móviles y por ello requieren de un
mantenimiento mínimo, poseen una larga vida útil y son altamente confiables. Además, no
producen gases de efecto invernadero y son absolutamente silenciosos. Estos sistemas
pueden construirse en diferentes tamaños, desde algunos mW hasta centenas de MW y son
altamente modulares, es decir, múltiples paneles pueden ser fácilmente añadidos para
aumentar la potencia generada.
21
4.4.1.1 Influencia de la temperatura en módulos FV
Como todos los dispositivos semiconductores, las celdas FV son sensibles a la temperatura.
El aumento de la temperatura reduce la banda prohibida del semiconductor, afectando así la
mayoría de los parámetros característicos. Esto puede entenderse como el aumento de la
energía de los electrones en el material, por lo que se necesitará menos energía para romper
el enlace. En la Fig. 10 se muestra el modelo de celda FV.
Figura 10. Modelo de simple diodo de una celda FV
En una celda FV, el parámetro más afectado por un aumento en la temperatura es la tensión
de circuito abierto VOC, debido a la dependencia de la temperatura respecto de la corriente
de saturación inversa de la juntura p-n. El efecto de la temperatura en 𝐼𝑠 puede apreciarse en
la siguiente ecuación:
𝐼𝑠 = 𝐾𝑇𝑐3𝑒(𝐸𝐺𝑜𝐾𝑇𝑐
) [1]
Siendo 𝑇𝑐 la temperatura de la celda [K], 𝐾 la constante de Boltzmann (1,380658·10-23 J/K)
y 𝐸𝐺𝑜 el ancho de la banda prohibida a 0 K. La tensión de circuito abierto en función de la
temperatura de la celda viene dada por la ecuación 2:
𝑉𝑂𝐶 (𝑇𝑐) =𝐸𝐺𝑜
𝐾𝑇𝑐−
𝐾𝑇𝑐
𝑞 𝑙𝑛
𝐾𝑇𝑐3
𝐼𝐿 [2]
Donde q es la carga de un electrón (1,60217733·10-19 C) e 𝐼𝐿 es la corriente fotogenerada.
La variación de 𝑉𝑂𝐶 con la temperatura se aprecia mejor en la siguiente ecuación:
𝑑𝑦
𝑑𝑥=
1
𝑇𝑐[𝐸𝐺𝑜
𝑞− 𝑉𝑂𝐶 (𝑇𝑐)] [3]
Para celdas de Silicio (Si), la reducción de 𝑉𝑂𝐶 con la temperatura es de aproximadamente -
2,2 mV/ºC. La corriente de cortocircuito Isc aumenta ligeramente con la temperatura, pues
se produce un aumento de las longitudes de difusión de los portadores minoritarios y un
estrechamiento de la banda prohibida 𝐸𝐺𝑜, y así más fotones tienen energía suficiente para
crear pares electrón-hueco, aumentando la corriente 𝐼𝐿. Sin embargo, este efecto es pequeño,
22
siendo el aumento en Isc del orden de 0,06 %/ºC, para celdas de Si. La potencia máxima de
salida y el factor de forma presentan una disminución con el incremento en la temperatura,
del orden del -0,5% y -0,14% por cada ºC, respectivamente (para celdas de Si). En definitiva,
el rendimiento de una celda FV decrece con el aumento de la temperatura. La disminución
es del orden de 0,04% a 0,06 % por cada ºC para celdas de Si, y de 0,02% a 0,03 % para las
de Arseniuro de Galio (GaAs), para temperaturas de operación próximas a la temperatura
ambiente. Un efecto secundario no deseado de la encapsulación de las celdas FV es que la
misma altera el flujo de calor hacia y desde el módulo FV, aumentando así la temperatura de
operación de éste. Estos aumentos de temperatura tienen un impacto importante en el módulo
FV provocando una reducción en su tensión y por lo tanto una reducción en la potencia de
salida. Por otro lado, los aumentos en la temperatura tienen implicancia en fallas mecánicas
y degradación de los componentes de los módulos FV. (Emmanuel J. Espejo)
4.4.2 Baterías
Son dispositivos que permiten almacenar energía en forma electroquímica, según su
construcción se clasifica en baterías primarias y secundarias. Las baterías primarias son
aquellas cuya característica principal es no ser recargable, es decir, después que la batería se
descargue queda en desuso, mientras que las baterías secundarias son todas aquellas que
pueden ser recargadas. Las baterías son elementos indispensables en sistemas autónomos de
generación fotovoltaica. En estos sistemas se utilizan baterías secundarias, donde las más
adecuadas son las de ciclo profundo y principalmente de plomo-ácido debido a su economía
y confiabilidad. Las baterías de descarga profunda, permiten ser descargadas hasta en un 90%
para cada ciclo de carga-descarga. Una batería de ciclo profundo promedio, soporta alrededor
de 2000 ciclos de carga-descarga, es decir, unos 6 años de vida útil. (MONTAÑA, 2017)
4.4.3 Inversores
Un inversor DC/AC, es un dispositivo electrónico que permite transformar una señal de tipo
continua en una señal alterna bien sea de tipo de onda sinusoidal pura aplicado en sistemas
conectados directamente a la red; sinusoidal modificada o de onda cuadrada con aplicación
en sistemas autónomos.
Figura 11. Esquema de Componentes Topología Push-Pull. (a) Circuito eléctrico (b)
Voltaje sobre la carga.
23
Figura 12. Esquema de Componentes Topología Medio Puente. (a) Circuito eléctrico (b)
Voltaje sobre la carga.
Figura 13. Esquema de Componentes Topología Puente Completo (a) Circuito eléctrico (b)
Voltaje sobre la carga.
4.4.4 Reguladores
Es un dispositivo utilizado en los sistemas fotovoltaicos autónomos y su función es controlar
y proteger el estado de la batería mediante una supervisión permanente del voltaje en los
bornes de ésta. Si el voltaje desciende de un valor preestablecido por el fabricante, el
regulador debe enviar una señal de desconexión al sistema de mando para que este ejecute la
desconexión de las cargas conectadas a la batería y permita que esta vuelva a cargarse. En el
caso de sobrecarga, el regulador detecta voltaje por encima del preestablecido, por lo cual
debe enviar señal de desconexión de cargas y el circuito de mando debe permanecer abierta
hasta que la batería ceda parte de esta carga. De esta forma el regulador debe mantener a la
batería trabajando entre unos valores de carga preestablecidos dependiendo del tipo de
batería. Para un mayor rendimiento del sistema algunos reguladores corrigen el voltaje que
reciben de los paneles y que entregan a la batería; a continuación se describen los tipos de
reguladores: PWM y MPPT.
24
A. Regulador Modulador de ancho de pulso (PWM)
Un regulador PWM (Pulse Width Modulation), tiene la capacidad de controlar la corriente
de carga de las baterías, cuidando que no se supere el voltaje nominal de la batería. El
funcionamiento es el mismo de los convertidores PWM, pero en el caso del regulador, la
señal de salida es continua y no alterna, por lo cual este tipo de reguladores se les denomina
también convertidores DC/DC. Con la variación del ancho de pulso se busca que el promedio
de la señal no supere el voltaje nominal de la batería.
B. Reguladores MPPT
Un regulador MPPT (Maximun Power Point Tracking), es un dispositivo computarizado que
ajusta el voltaje de entrada que recibe de los paneles para de esta manera extraer la máxima
potencia posible, es un convertidor DC/DC que transforma el voltaje de máxima potencia a
voltaje constante que debe estar un poco por encima del voltaje nominal de la batería. Cuando
la batería ha alcanzado la carga nominal, el regulador hace que se abra el circuito y cuando
la carga se baja de un valor preestablecido hace cerrar el circuito. El regulador MPPT es un
convertidor DC/DC que a diferencia de los otros tipos de reguladores, puede reducir o
amplificar el voltaje de entrada, manteniéndolo constante a la salida y su avanzado sistema
de control basado en modulación PWM adapta la señal de salida para ajustarla al punto de
máxima potencia de los paneles, lo cual lo convierte en el más eficiente de los reguladores
del mercado, con valores entre el 93 y 99% de eficiencia. (MONTAÑA, 2017)
5. Metodología
Para realizar el diseño de los sistemas fotovoltaicos aislado e interconectado a la red se
manejara la siguiente metodología según sea el tipo de diseño.
5.1 Sistemas aislados.
El diseño de los sistemas aislados se realiza a partir de energía y no de potencia por lo cual
lo primero que se debe realizar es establecer la potencia requerida (AC o DC), tensión de
operación y horas de uso. A través de la ecuación 4 se establecerá la energía requerida.
𝐸𝐴𝐶 =∑ 𝑃𝐴𝐶𝑖 ∗ 𝑛𝑖
𝑛𝑖=1
𝜂𝑖𝑛𝑣 [4]
Donde:
PACi = Potencia nominal del elemento AC
ni = Horas de uso diario del artefacto.
ηinv = Eficiencia del inversor.
25
Se establece la tensión DC de operación del sistema y a partir de las fuentes de información
disponibles se determina la energía solar disponible en la zona. Teniendo en cuenta esto, a
partir de la ecuación 5 se hallara la energía a suministrar a la carga.
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑎 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑟 𝑎 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 𝐸𝐴𝐶 ∗ (1 + 𝐹𝑆) [5]
Donde FS es el factor de seguridad, normalmente se escoge entre 0.1 o 0.2 según el criterio
del ingeniero de diseño, para este caso se utilizara un factor de seguridad FS =0.2
Utilizando la ecuación 6 se determinara la potencia pico del generador utilizado en los
sistemas con reguladores MPPT.
𝑃𝑃𝐺 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑎 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑟 𝑎 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎
𝐻𝑆𝑆 [6]
Teniendo en cuenta los parámetros de las hojas de especificaciones de los módulos solares y
aplicando la ecuación 7 se establecen los números de paneles en serie.
𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠𝑆𝑒𝑟𝑖𝑒 =𝑉𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
𝑉𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑠𝑒𝑙𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜 [7]
Para establecer las ramas en paralelo de los módulos fotovoltaicos se deben utilizar las
ecuaciones 8, 9 y 10 estableciendo la carga diaria en corriente y pico del generador.
𝐶𝐼 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑎 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑟 𝑎 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎
𝑉𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 [8]
𝐼𝑝𝑔 =𝐶𝐼
𝐻𝑆𝑆 [9]
𝑅𝑎𝑚𝑎𝑠𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 =𝐼𝑝𝑔
𝐼𝑝𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 [10]
Finalmente para elegir el números de paneles a utilizar se debe relacionar los módulos en
serie y las ramas en paralelo como se muestra en la ecuación 11.
𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 𝑒𝑛 𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 ∗ 𝑅𝑎𝑚𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 [11]
En la figura 14 se observa un ejemplo de un generador fotovoltaico de 10 paneles solares
donde se evidencia 2 módulos serie y 5 ramas en paralelo.
26
Figura 14. Generador fotovoltaico (Módulos serie-Ramas en paralelo). Fuente: propia.
El regulador de carga se elige por potencia, teniendo en cuenta los valores nominales de
tensión y corriente del regulador y se debe verificar que la corriente del regulador debe ser
mayor que la corriente de cortocircuito del generador.
𝐼𝑅𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 =𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
𝑉𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 [12]
𝑰𝑹𝒆𝒈𝒖𝒍𝒂𝒅𝒐𝒓 > 𝑰𝒄𝒄 𝑮𝒆𝒏𝒆𝒓𝒂𝒅𝒐𝒓 [13]
El siguiente paso es determinar el banco de baterías a instalar teniendo en cuenta las
características de la batería seleccionada, la carga definida por el usuario, la tensión DC
nominal del sistema, la autonomía del sistema y la profundidad de descarga. Aplicando la
ecuación 14 podemos determinar el número de baterías necesarías para conectar en serie.
𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 = 𝑉𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
𝑉𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑠𝑒𝑙𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑎 [14]
Preferiblemente se deben evitar instalar ramas en paralelo de baterías dado a las memorias
de carga que estás poseen, para realizar el cálculo se utilizan las ecuaciones 15, 16 y 17.
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑁𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙𝑆𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 = 𝐶𝐼 ∗ (#𝑑𝑖𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎) [15]
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎 =𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑁𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
𝑃𝑑 [16]
27
𝑅𝑎𝑚𝑎𝑠𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 =𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑁𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 [17]
Y finalmente para determinar el número total de baterías se debe relacionar la cantidad en
serie y paralelo como se muestra en la ecuación 18.
𝐵𝑎𝑛𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 = 𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 ∗ 𝑅𝑎𝑚𝑎𝑠𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 [18]
En la figura 15 se observa un ejemplo de un banco de baterías compuesto de 6 elementos, 2
baterías en serie y tres ramas en paralelo.
Figura 15. Banco de Baterías (Baterías serie-Ramas paralelo). Fuente: propia.
El inversor se debe diseñar por potencia en corriente alterna y se deben tener en cuenta los
valores nominales de tensión DC y AC, Potencia y Corriente de arranque. (Hernandez, 2012)
5.2 Sistema interconectado a la red
Teniendo en cuenta si se desean entregar excedentes a la red el diseño se realiza por potencia
o energía según sea el caso. A partir de la carga definida por el usuario (Kwh) y la radiación
solar se establece la potencia del generador como lo muestra la ecuación 19.
𝑃𝐺𝐹𝑉 =
∑𝐸𝑖
𝐻𝑆𝑆𝑗 ∗ 𝑁𝑖 ∗ 𝑃𝑅𝑗
12𝑗=1
12 [19]
Donde:
𝐻𝑆𝑆 = Número de horas de radiación solar estándar promedio mensual de la localidad.
𝑁 = Números de días del respectivo mes.
𝑃𝑅 = Factor de rendimiento del sistema.
28
La limitación de espacio es necesaria tenerla en cuenta para el dimensionamiento del sistema
fotovoltaico. La manera de elegir el inversor es diferente al sistema anterior dado que se debe
tener en cuenta unas características específicas como, la sincronización e interconexión
automática con la red, seguidor del punto de máxima potencia, alta eficiencia, larga vida y
normas de seguridad. Utilizando la ecuación 20 se establece el factor de dimensionamiento
del inversor, preferiblemente debe estar en un rango de 0.8 a 1. . (Hernandez, 2012)
𝐹𝐷𝐼 =𝑃𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟
𝑃𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 [20]
6. Diseño
El Centro de entrenamiento Bosanova pertenece al Grupo ENEL y se encuentra ubicado en
la ciudad de Bogotá, en la localidad de Bosa, Barrio Villa del Rio. Los centros de
entrenamiento son espacios diseñados para la capacitación y entrenamiento de los
trabajadores directos, de empresas colaboradoras y programas de formación externos.
Pretende orientar el desarrollo de las actividades técnico-operativas y de conocimiento de los
negocios de generación y distribución de energía eléctrica, que contribuyen a mantener en
las empresas altos estándares en temas como protección a la vida, cuidado del medio
ambiente, calidad de los procesos, optimización de los recursos, entre otros. (Contratistas,
21)
6.1 Ubicación.
A continuación en la figura 16 se muestra la ubicación del CE Bosanova en la Carrera 71c
N:57b-03 sur, este cuenta con 8 salas, servicio de cafetería, baños, zona de parqueadero,
estructuras normalizadas y enanas para realizar diversas prácticas, andamio tubular, bodegas
etc.
Figura 16. Ubicación del Centro de Entrenamiento Bosanova. Fuente: Google Maps.
Centro de Entrenamiento
Bosanova
29
A continuación en la figura 17 se indica las zonas donde se encuentra la iluminación
perimetral dentro del CE Bosanova, la cual será alimentada por medio del sistema
fotovoltaico. Los puntos rojos indican lámparas ubicadas en postes funcionando a niveles de
tensión de 220V, mientras que los puntos azules indican la iluminación ubicada en el pasillo
principal, las cuales funcionan a 110V.
Figura 17. Plano de las instalaciones físicas del CE Bosanova.
Fuente: Centro de Entrenamiento.
6.2 Radiación solar
A continuación en la tabla 1 se muestran los datos encontrados de la energía solar disponible
en la zona obtenidos del Atlas de Radiación Solar, Ultravioleta y Ozono de Colombia
elaborado por el IDEAM, para el diseño se toma el valor del mes de mayo que es donde
sucede la peor condición durante todo el año con una radiación solar de 3,52 Kwh/m^2.
30
Tabla 1. Radiación Solar CE Bosanova IDEAM.
Meses del año Radiación Solar [Kwh/m^2]
Enero 4,76
Febrero 4,35
Marzo 4,35
Abril 3,71
Mayo 3,52
Junio 3,68
Julio 3,93
Agosto 4,26
Septiembre 3,97
Octubre 3,97
Noviembre 4,12
Diciembre 4,2
A continuación en la figura 18 se muestra el promedio mensual de la radiación global en
Bogotá.
Figura 18. Promedio Mensual de radiación global en Bogotá. Fuente: Ideam.
En la tabla 2 y 3 se muestra el cuadro de cargas donde se especifica la potencia, nivel de
tensión y energía consumida de la iluminación perimetral disponible en el CE Bosanova.
31
Tabla 2. Cuadro de cargas a 220 V AC
Tabla 3. Cuadro de cargas a 120 V AC
A continuación se realizaran los diseños fotovoltaicos estableciendo tres opciones (Aislado
interconectado a la red, e hibrido) para poder determinar la cantidad de elementos y elegir la
mejor solución.
6.3 Sistema aislado
A partir de la tabla 2 y 3 se obtienen los siguientes valores de potencia y energía totales según
el nivel de tensión de alimentación de las cargas.
Carga 220 V AC
Potencia total =980 W
Energía total =11760 Wh-d
Carga 120 V AC
Potencia total =1280 W
Energía total =15360 Wh-d
Se establece un nivel de tensión de 48 VDC por lo cual será necesario un inversor de 48VDC
a 120 VAC y de 48V DC a 220 VAC.
Voltaje de alimentación 220 V-AC
Carga Cantidad Potencia
unitaria [W]
Potencia Total
[W]
# horas de uso
[h]
Energía diaria
[Kwh-d]
Iluminación
Postes 14 70 980 12 11,76
Potencia Total 980 Energía Total 11,76
Voltaje de alimentación 120 V-AC
Carga Cantidad Potencia
unitaria [W]
Potencia Total
[W]
# horas de uso
[h]
Energía diaria
[Kwh-d]
Iluminación
pasillo 20 64 1280 12 15,36
Potencia Total 1280 Energía Total 15,36
32
Figura 19. Diagrama de conexión de elementos para el diseño aislado. Fuente: Propia.
A continuación en la tabla 4 se muestran las características de los inversores seleccionados
Tabla 4. Características de los inversores.
Inversor Voltaje de Salida Pmáx Frecuencia Eficiencia
Victron Phoenix solar 220 VAC +/- 3% 1000/850 W 60Hz +/- 0,1% 91%
MeanWell de Onda Pura 100/110/115/120 VAC 1500 W 60 Hz 91 %
Estableciendo una eficiencia del inversor Victron Phoenix solar (energy, s.f.) y del Inversor
MeanWell de Onda Pura del 91% (Meanwell, s.f.) se obtiene una nueva potencia y energía
para las cargas aplicando la ecuación 4.
Carga 220 V AC
Potencia total =1076,92 W
Energía total =12923,07 Wh-d
Carga 120 V AC
Potencia total =1438,20 W
Energía total =17258,42 Wh-d
La energía total del sistema va a ser igual a 30181,50 Wh-d y la potencia total del sistema va
a ser igual a 2515,12 W. Posteriormente se calcula la energía a suministrar teniendo en cuenta
la ecuación 5 y para este caso se utilizara un factor de seguridad de 0.2.
𝐸𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑟 = 30181,50 ∗ (1 + 0,20) = 36217,8 Wh − d
Luego se establece la potencia pico del generador teniendo en cuenta la energía a suministrar
a la carga y la radiación solar como lo muestra la ecuación 6.
𝑃𝑃𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 =36217,8
3.52= 10289,14𝑊
33
A continuación en la tabla 5 se muestran las características de los paneles fotovoltaicos
seleccionados
Tabla 5. Características de los paneles fotovoltaicos.
Nombre
Pmáx
(W)
Voc
(V)
Isc
(A) Vmáximo (V)
Vnominal
(V)
Imáxima
(A)
Panel Solar mono Blanco
48V-SL250-270TU-48M 270 60,22 5,58 51,79 48 5,21
Panel Solar Suntech 48 V 300
W 310 W 320 45,82 9,03 37,56 48 8,52
Panel Solar Sunel 48 V 250 W 250 37,2 8,72 30 48 8,33
Panel Solar 4BB 300W 48V 300 45,2 8,73 36,41 48 8,24
Se requieren 40 paneles de 270 W Panel solar Mono Blanco
Se requieren 33 paneles de 320 W Panel solar Suntech
Se requieren 42 paneles de 250 W Panel Solar Sunel.
Se requieren 36 paneles de 300W Panel Solar 4BB
A continuación en la Tabla 6 se muestra las posibles configuraciones a utilizar en el sistema
fotovoltaico.
Tabla 6. Conexión de paneles para el sistema fotovoltaico.
NOMBRE
Configuración
1
Configuración
2
Configuración
3
Configuración
4
Panel solar
Mono Blanco
Panel solar
Suntech
Panel Solar
Sunel
Panel Solar
4BB
Total módulos 40 33 42 36
Serie 8 11 14 12
Paralelo 5 3 3 3
Corriente de Corto
circuito 27,9 27,09 26,16 26,19
Corriente Máxima 26,05 25,56 24,99 24,72
Tensión Circuito abierto 481,76 504,02 520,8 542,4
Tensión Máxima
Generada 414,32 413,16 420 436,92
Regulador 1 1 1 1
34
Baterías 2 2 2 2
No Serie 2 2 2 2
Teniendo en cuenta la temperatura mínima 7,9 °C y máxima 20 °C del sitio se procede a
calcular los rangos de los voltajes para poder seleccionar el regulador de carga adecuado.
(IDEAM, 2010)
Voltaje Máximo
𝑇𝐶 = 𝑇𝐴𝑥 +𝑁𝑂𝐶𝑇 − 20
800∗ 𝐺𝑥
𝑇𝐶 = 7,9 +48 − 20
800∗ 1000 = 42,9
∆𝑇 = 42,9 − 25 = 17,9
∆𝑉 = ∆𝑇 ∗ 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑉𝑜𝑐
Voltaje Mínimo
𝑇𝐶 = 𝑇𝐴𝑥 +𝑁𝑂𝐶𝑇 − 20
800∗ 𝐺𝑥
𝑇𝐶 = 20 +48 − 20
800∗ 1000 = 55
∆𝑇 = 47,9 − 25 = 22,9
∆𝑉 = ∆𝑇 ∗ 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑉𝑜𝑐
Tabla 7. Voltajes de circuito abierto con temperatura máxima y mínima.
Aplicando la ecuación 12 se obtiene:
𝐼𝑠𝑎𝑙 =2483.51 𝑊
48 𝑉= 51.73 𝐴
Se elige el regulador de carga (Xantrex, s.f.) donde las características se muestran en la tabla
8 y se puede aplicar cualquier conexión de los paneles mostrados en la tabla 6.
Tabla 8. Características del regulador de carga.
Regulador Xantrex Rango Operación Voltaje batería Imáx Pmáx
195 a 550 Vdc 24 /48 V 80 A 2560 W
Panel Solar ∆𝑽 VOC Máximo ∆𝑽 VOC Mínimo
Seraphim Solar Panel -5.728 % 56,77 -7.328 55,80
Canadian Solar Poly Solar Panel -6.086 % 43,03 -7.786 42,25
Csun Policristalino. -5.226 % 35,25 -6.686 34,71
Waaree Policristalino -5.262 % 42,82 -6.732 42.15
35
Para el diseño de la batería se tuvieron en cuenta las siguientes consideraciones:
Días de autonomía 1
Profundidad de descarga 0.65
Voltaje sistema 48V
Energía a suministrar 36217,8 Wh-día
Se procede hallar la caga diaria en corriente utilizando la ecuación 8:
𝐶𝐼 [𝐴ℎ] =36217,8 Wh − d
48= 754.53 𝐴ℎ − 𝑑𝑖𝑎
La capacidad nominal del sistema según la ecuación 15 es:
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 = 754.53 ∗ (1) = 754.53 𝐴ℎ − 𝑑𝑖𝑎
Aplicando la ecuación 16 se obtiene la capacidad corregida del sistema.
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎 =754.53
0,65= 1160.82 Ah
Se elige la batería Estacionaria 12V 1280Ah Enersol-T 6 vasos y se necesitan dos baterías en
serie: (Power, s.f.).
Tabla 9. Características de la batería.
Batería
Enersol
Voltaje (V) Capacidad
(Ah)
Profundidad de la
descarga
Ciclos de
vida
12 1280 0,65 2000
A continuación en la figura 20 se muestra el modelo de la configuración 1 para la
alimentación de la iluminación perimetral ubicada en el CE Bosanova, se muestra esta
configuración como referencia, pero cualquiera de las mostradas en la tabla 6 puede ser
utilizada dado que todos los elementos se mantienen constantes excepto los paneles que
cambian la cantidad a utilizar según las características propias de estos.
36
Figura 20. Esquema de conexión del sistema fotovoltaico aislado.
6.4 Sistema interconectado a la red.
Teniendo en cuenta que la iluminación perimetral del centro de entrenamiento solamente se
utiliza en horas de la noche, la utilización de un sistema fotovoltaico inyectado a la red se
debe realizar también con un sistema de almacenamiento como en el diseño anterior para de
esta manera asegurar la alimentación de las cargas asociadas dado que en horas nocturnas no
se genera energía.
Dadas las consideraciones anteriormente mencionadas a continuación se muestran dos
alternativas de solución: un diseño en el cual se parte desde una restricción de área utilizando
los tejados disponibles de los pasillos la cual se muestra de color rojo en la figura 21 y a
partir de la energía que se obtenga se definirán cuales cargas pueden ser alimentadas por
dicho sistema y otra alternativa en la cual se realiza un diseño hibrido de interconexión a la
red de tal manera que permita durante el día almacenar energía suficiente para alimentar la
iluminación perimetral del Centro de Entrenamiento Bosanova.
37
6.4.1 Sistema interconectado por área.
Figura 21. Área seleccionada para la instalación de paneles.
Teniendo en cuenta las dimensiones de los diferentes paneles seleccionados y el área
seleccionada en la figura 21 se muestran a continuación las características de los paneles y
las posibles conexiones.
Tabla 10. Características de los paneles fotovoltaicos.
Nombre
Pmáx
(W)
Voc
(V)
Isc
(A)
Vmáximo
(V)
Vnominal
(V)
Imáxima
(A)
Panel Solar Polycrystaline
shs135w-150w 150 22,4 8,82 18,1 12 8,33
Polycrystalline Photovoltaic
Module Alt100-12p 100 21,61 5,74 17,70 12 5,65
Arun Series ws-200 200 33 8,08 27 12 7,41
38
Tabla 11. Conexión de paneles.
Módulo
Configuración 1 Configuración 2 Configuración 3
Polycrystaline
shs 150w
Photovoltaic
Module
Alt100-12p
Arun Series ws-
200
Total módulos 80 110 48
Serie 20 22 12
Paralelo 4 5 4
Corriente de Corto circuito (A) 35,28 28,7 32,32
Corriente Máxima (A) 33,32 28,25 29,64
Tensión Circuito abierto (V) 448 475,42 396
Tensión Máxima Generada (V) 362 389,4 324
Dimensiones (L x A) m 1,48 x 0,67 1,02 x 0,67 1,49 x 0,99
Factor de dimensionamiento 0,83 0,90 0,85
A continuación en la tabla 12 se muestran las características del inversor elegido para el
sistema fotovoltaico de inyección a la red.
Tabla 12. Características del inversor.
Inversor Voltaje
de
Salida
Pmáx AC Frecuen
cia
Eficiencia Rango
Fronius Symo 10.0-3-m 380 /220
V
10000 W 60Hz
(45-65
Hz)
91% 270V-800V
Teniendo en cuenta las correcciones por temperatura el voltaje de circuito abierto sigue
estando dentro del rango del inversor y también la corriente de corto circuito cumple con las
características del inversor de inyección a red anteriormente seleccionado.
A continuación en la figura 22 se muestra el modelo de la configuración 2 para la
alimentación de la iluminación perimetral ubicada en el CE Bosanova dado que según las
características del inversor elegido es la que presenta un mayor factor de dimensionamiento.
Figura 22. Esquema de conexión del sistema fotovoltaico de inyección a la red.
Fuente: propia.
39
6.4.2 Sistema hibrido.
A continuación se muestran los elementos utilizados para el diseño fotovoltaico
interconectado a la red con sistema de almacenamiento, los inversores elegidos permiten
durante las horas diurnas cargar las baterías a la vez que entregan energía a la red, lo cual
permite darle una mayor confiabilidad a la instalación eléctrica y alimentar la iluminación
del Centro de entrenamiento en horas nocturnas.
Tabla 13. Elementos sistema hibrido.
Configuración 1 Configuración 2 Configuración 3
Módulos Panel Solar
200W
Panel Solar
275W
Panel Solar
325W
Total módulos 40 28 24
Serie 20 14 12
Paralelo 2 2 2
Corriente de Corto circuito
(A) 16,16 18,3 18,12
Corriente Máxima (A) 14,82 18,3 17,2
Tensión Circuito abierto (V) 660 539 557,16
Tensión Máxima Generada
(V) 540 438,2 453,84
Inversor Fronius Symo Hybrid Sun-Storage Sun-Storage
Baterías Fronius Solar Battery Fronius Solar Fronius Solar
No Serie 1 1 1
Tabla 14. Características Paneles fotovoltaicos.
Nombre Pmáx
(W)
Voc
(V)
Isc
(A)
Vmáximo
(V)
Imáxima
(A) Panel Solar 200W Policristalino Waree 200 33 8,08 27 7,41
Panel Solar 275W Amerisolar Policristalino 275 38,5 9,15 31,3 9,15
Panel Solar 325W 24V Monocristalino
Atersa
325 46,43 9,06 37,82 8,6
Tabla 15. Características inversores.
Inversor Voltaje de
Salida
Pmáx
AC
Frecuencia Eficiencia Rango
Fronius Symo Hybrid 220 V 3000 W 60Hz 95,2% 200V-800V
Sun-Storage 220V 3000 W 50/60 Hz 95,5 % 300-550V
40
En la figura 23 se muestra el modelo de la configuración 2, esta opción se elige para ilustrar
el esquema del sistema hibrido, pero cualquiera de las mostradas en la tabla 13 pueden ser
utilizadas dado que todas cumplen con los requerimientos del sistema. En el presente
esquema se observa que el inversor hibrido va a permitir inyectar energía a la red y cargar
las baterías para poder alimentar la iluminación del Centro de Entrenamiento Bosanova.
Figura 23. Esquema conexión sistema híbrido. Fuente: Propia
En la figura 24 se muestran los soportes a utilizar en la instalación de los paneles fotovoltaicos
los cuales se utilizan para tejados que es el caso que se presenta en el centro de entrenamiento,
estos soportes van a permitir una fácil instalación y además brindar una buena resistencia
mecánica.
Figura 24. Sistema de anclaje a teja y guía de módulos. Fuente: Autosolar.
41
7. Análisis financiero.
A continuación se muestran los flujos de caja para los tres sistemas propuestos, teniendo en
cuenta los precios disponibles de los diferentes elementos en el mercado y manteniendo el
precio de la energía constante a lo largo de un tiempo de 25 años dado que la vida útil de los
paneles fotovoltaicos se considera para este periodo. Todos los valores se muestran en pesos
colombianos
Para los casos mostrados se considera que la inversión se recuperará a partir del dinero que
se deja de pagar por la energía consumida por la iluminación, de esta manera se evidencia
que a partir del año 11 se recupera totalmente la inversión realizada para el caso del sistema
aislado igualmente para el sistema interconectado a la red con restricción de área mientras
que para el caso del sistema hibrido sucede hasta el año 20.
Con respecto al costo que tendría generar un kilovatio-hora el que presenta el precio más
elevado es el sistema hibrido con 8283.74 mientras que el costo más bajo es producido por
el sistema aislado con 4554,61. El mantenimiento se considera anualmente para los tres
sistemas fotovoltaico dado que al no poseer partes móviles se considera un tiempo prudente
para la limpieza y ajuste de los diferentes elementos del sistema fotovoltaico.
42
Año 12 Año 13 Año 14 Año 15 Año 16 Año 17 Año 18 Año 19 Año 20 Año 21 Año 22 Año 23 Año 24 Año 25
200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000
13219,487 13219,487 13219,487 13219,487 13219,487 13219,487 13219,487 13219,487 13219,487 13219,487 13219,487 13219,487 13219,487 13219,487
447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5
5915720,43 5915720,43 5915720,43 5915720,43 5915720,43 5915720,43 5915720,43 5915720,43 5915720,43 5915720,43 5915720,43 5915720,43 5915720,43 5915720,43
5715720,43 5715720,43 5715720,43 5715720,43 5715720,43 5715720,43 5715720,43 5715720,43 5715720,43 5715720,43 5715720,43 5715720,43 5715720,43 5715720,43
8378987,19 14094707,6 19810428,1 25526148,5 31241868,9 36957589,4 42673309,8 48389030,2 54104750,7 59820471,1 65536191,5 71251911,9 76967632,4 82683352,8
Tabla 16. Análisis Financiero SFV aislado.
Año 0 Año 1 Año 2 Año 3 Año 4 Año 5 Año 6 Año 7 Año 8 Año 9 Año 10 Año 11
Inversión
Paneles fotovoltaicos 14175000
Regulador de Carga 3895776
Inversores 3404661
Baterías 13354221
Conductores 1000000
Soportes 11880000
Protecciones 500000
Obra Civil 10000000
Costo de instalación 2000000
Mantenimiento SFV 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000
Egresos -60209658
Energía generada (Kwh) 13219,487 13219,487 13219,487 13219,487 13219,487 13219,487 13219,487 13219,487 13219,487 13219,487 13219,487
Costo KWh 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5
Venta Energía 5915720,43 5915720,43 5915720,43 5915720,43 5915720,43 5915720,43 5915720,43 5915720,43 5915720,43 5915720,43 5915720,43
Resultado 5715720,43 5715720,43 5715720,43 5715720,43 5715720,43 5715720,43 5715720,43 5715720,43 5715720,43 5715720,43 5715720,43
Flujo Neto de Caja -60209658 -54493937,6 -48778217,1 -43062496,7 -37346776,3 -31631055,8 -25915335,4 -20199615 -14483894,5 -8768174,11 -3052453,68 2663266,76
43 Año 0 Año 1 Año 2 Año 3 Año 4 Año 5 Año 6 Año 7 Año 8 Año 9 Año 10 Año 11
Inversión
Paneles fotovoltaicos 19418240
Inversor de inyección a Red 10741553
Conductores 1000000
Soportes 23723040
Protecciones 500000
Medición bidireccional 990000
Obra Civil 10000000
Costo de instalación 2000000
Mantenimiento SFV 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000
Egresos -68372833
Energía generada (Kwh) 15417,6 15417,6 15417,6 15417,6 15417,6 15417,6 15417,6 15417,6 15417,6 15417,6 15417,6
Costo KWh 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5
Venta Energía 6899376 6899376 6899376 6899376 6899376 6899376 6899376 6899376 6899376 6899376 6899376
Resultado 6699376 6699376 6699376 6699376 6699376 6699376 6699376 6699376 6699376 6699376 6699376
Flujo Neto de Caja -68372833 -61673457 -54974081 -48274705 -41575329 -34875953 -28176577 -21477201 -14777825 -8078449 -1379073 5320303
Tabla 17. Análisis Financiero SFV interconectado por área.
Año 12 Año 13 Año 14 Año 15 Año 16 Año 17 Año 18 Año 19 Año 20 Año 21 Año 22 Año 23 Año 24 Año 25
200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000
15417,6 15417,6 15417,6 15417,6 15417,6 15417,6 15417,6 15417,6 15417,6 15417,6 15417,6 15417,6 15417,6 15417,6
447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5
6899376 6899376 6899376 6899376 6899376 6899376 6899376 6899376 6899376 6899376 6899376 6899376 6899376 6899376
6699376 6699376 6699376 6699376 6699376 6699376 6699376 6699376 6699376 6699376 6699376 6699376 6699376 6699376
12019679 18719055 25418431 32117807 38817183 45516559 52215935 58915311 65614687 72314063 79013439 85712815 92412191 99111567
44
Tabla 18. Análisis Financiero SFV hibrido
Año 0 Año 1 Año 2 Año 3 Año 4 Año 5 Año 6 Año 7 Año 8 Año 9 Año 10 Año 11
Inversión
Paneles fotovoltaicos 19866591
Inversor Hibrido 7121900
Baterías 25749318
Conductores 1000000
Soportes 23723040
Medición Bidireccional 990000
Protecciones 500000
Obra Civil 1000000
Costo de instalación 2000000
Mantenimiento SFV 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000
Egresos -81950849
Energía generada (Kwh) 9892,97 9892,97 9892,97 9892,97 9892,97 9892,97 9892,97 9892,97 9892,97 9892,97 9892,97
Costo KWh 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5
Venta Energía 4427104,08 4427104,08 4427104,08 4427104,08 4427104,08 4427104,08 4427104,08 4427104,08 4427104,08 4427104,08 4427104,08
Resultado 4227104,08 4227104,08 4227104,08 4227104,08 4227104,08 4227104,08 4227104,08 4227104,08 4227104,08 4227104,08 4227104,08
Flujo Neto de Caja -81950849 -77723745 -73496640,9 -69269536,9 -65042432,8 -60815328,7 -56588224,6 -52361120,6 -48134016,5 -43906912,4 -39679808,3 -35452704,3
Año 12 Año 13 Año 14 Año 15 Año 16 Año 17 Año 18 Año 19 Año 20 Año 21 Año 22 Año 23 Año 24 Año 25
200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000
9892,97 9892,97 9892,97 9892,97 9892,97 9892,97 9892,97 9892,97 9892,97 9892,97 9892,97 9892,97 9892,97 9892,97
447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5 447,5
4427104,08 4427104,08 4427104,08 4427104,08 4427104,08 4427104,08 4427104,08 4427104,08 4427104,08 4427104,08 4427104,08 4427104,08 4427104,08 4427104,08
4227104,08 4227104,08 4227104,08 4227104,08 4227104,08 4227104,08 4227104,08 4227104,08 4227104,08 4227104,08 4227104,08 4227104,08 4227104,08 4227104,08
-31225600,2 -26998496,1 -22771392 -18544288 -14317183,9 -10090079,8 -5862975,73 -1635871,65 2591232,42 6818336,5 11045440,6 15272544,6 19499648,7 23726752,8
45
8. Análisis de los resultados
Teniendo en cuenta los factores técnicos y económicos se establece como fuente de
alimentación a la iluminación perimetral del centro de entrenamiento Bosanova el sistema
fotovoltaico aislado dado que va a permitir ser una energía independiente y amigable con el
medio ambiente, además su fácil instalación y mantenimiento resulta ser un proyecto muy
prometedor para realizar la inversión. La tecnología de iluminación existente se mantuvo
constante con el fin de no incurrir en nuevos costos de inversión.
La instalación de los paneles fotovoltaicos se realizará sobre una parte del tejado ubicado en
el pasillo principal, los soportes se ubicaran de tal manera que se conserve el ángulo de
inclinación existente para la circulación del agua lluvia, aproximadamente de 25°
permitiendo de esta manera que no se presente una gran acumulación de polución sobre los
paneles y un mayor aprovechamiento de la radiación solar.
Considerando que la iluminación perimetral del centro de entrenamiento Bosanova
solamente se utiliza en horas nocturnas el sistema fotovoltaico necesitaría de sistemas de
almacenamiento que permitan utilizar de noche la energía generada durante el día, es por eso
que se tuvo en cuenta el sistema aislado, mientras que el sistema interconectado a la red
permitiría la alimentación de otras cargas ubicadas en las instalaciones como lo son hornos
microondas, cafeteras, computadores, iluminación de salas de capacitación, etc.
El modelamiento de la instalación se realizó con ayuda del software google sketchup (Ver
Anexo 1) donde se mostrara la ubicación de todos los elementos necesarios para el sistema
fotovoltaico y como va permitir de manera ilustrativa exponer la generación de energía solar
fotovoltaica. También se realizó un folleto explicativo (Ver Anexo 2) de los componentes y
funciones de los elementos de los sistemas fotovoltaicos para que los aprendices conozcan
un poco más del tema, y se motiven a trabajar hacia la implementación de fuentes de energía
renovables.
46
9. Evaluación y cumplimiento de los objetivos de la pasantía.
Durante el desarrollo del proyecto se cumplió cada uno de los objetivos específicos
planteados siguiendo la metodología programada para poder alcanzar el objetivo final. Se
identificó la potencia instalada de las cargas de iluminación y las instalaciones físicas para la
adaptación de los paneles solares fotovoltaicos y teniendo en cuenta la radiación solar de la
zona dada por el Atlas de Radiación Solar del IDEAM se evaluaron diferentes
configuraciones para establecer la mejor topología para la instalación de los paneles.
Se consideraron diferentes escenarios, sistema aislado, interconectado a la red e hibrido,
donde se pudieron establecer ventajas y desventajas de cada caso. En cada diseño se
determinaron los elementos y materiales que se requieren para la implementación de cada
sistema y a partir de un análisis financiero se conoció el tiempo del retorno de la inversión
inicial y el costo que se tendría que pagar por la generación de cada kilovatio. Además a
través de un software de modelamiento en 3D se mostró las instalaciones del Centro de
Entrenamiento Bosanova con la zona seleccionada para la ubicación de los paneles, y
también se desarrollaron dos alternativas de folletos de tal manera que los aprendices a través
de estos comprendan rápidamente el proceso de generación de energía eléctrica solar
fotovoltaica.
Teniendo en cuenta las consideraciones mencionadas anteriormente se cumplió con el
objetivo general de la pasantía ya que se realizó el diseño fotovoltaico para la alimentación
de la iluminación perimetral del Centro de Entrenamiento Bosanova para la integración de
las energías renovables en este sitio que permitan contribuir al cuidado del medio ambiente
y sirvan como estrategia de explicación del proceso de generación de energía solar
fotovoltaica.
47
10. Conclusiones y recomendaciones
Realizando la inspección de la iluminación perimetral del Centro de entrenamiento
Bosanova se identificó dos tipos de tecnologías de iluminación funcionando a dos
niveles de tensión 110 y 220V respectivamente, por lo cual se hizo necesario manejar
dos inversores para seguir trabajando con la instalación existente y no incidir en
costos de unificación.
Teniendo en cuenta las bases de datos de la radiación solar del IDEAM se observa
que el Centro de Entrenamiento se encuentra en una zona con un buen recurso para
realizar la implementación de esta alternativa de generación de energía eléctrica,
teniendo como peor condición el mes de mayo con 3.52 𝐾𝑤ℎ/𝑚2. El centro de Entrenamiento Bosanova cuenta con una área disponible
aproximadamente de más de 200 𝑚2 para la futura instalación de paneles
fotovoltaicos lo cual permitiría no solamente atender la demanda de la iluminación
perimetral sino las demás cargas que se utilizan diariamente para su funcionamiento.
Se evidencia que los tejados permiten la instalación de los paneles fotovoltaicos dado
que sus estructuras se observan en buen estado y gracias al desnivel presentado de
25° el mantenimiento que estos requerirán a futuro será mínimo ya que no se
presentará una gran acumulación de polución causada por la contaminación del medio
ambiente.
Los análisis financieros permiten mostrar que los sistemas de generación de energía
solar fotovoltaica son rentables a largo plazo dado que la inversión inicial se
recuperara para el mejor de los casos en un periodo mínimo de 11 años, sus costos de
operación y mantenimiento son de bajos,
Se evidencia que los sistemas fotovoltaicos requieren solamente de una gran
inversión inicial en este caso entre 60.209.658 y 81.950.849 pesos colombianos según
el tipo de sistema y entre más alto sea el costo del KWh que paga el usuario, más
rápido se recuperará la inversión, convirtiéndose en proyectos muy llamativos tanto
para grandes inversionistas como para pequeños usuarios residenciales.
El mercado de los elementos necesarios para los sistemas fotovoltaicos es muy
versátil lo cual permite lograr una gran combinación de precios, calidades, tamaños
acomodándose a las necesidades del usuario.
Se plantearon tres soluciones de sistema fotovoltaico aislado, interconectado a la red
e hibrido para la alimentación de la iluminación perimetral del Centro de
Entrenamiento Bosanova, donde se realizaron diferentes configuraciones según las
características de los diferentes paneles fotovoltaicos elegidos, finalmente se eligió
como alternativa el sistema fotovoltaico aislado dado que resulta más económico y
trae mayores beneficios ambientales, convirtiéndose en una energía independiente.
48
Es necesario realizar un estudio a profundidad de formas pedagógicas de aprendizaje
para poder establecer la mejor alternativa de implementación del sistema fotovoltaico
para que los aprendices puedan entender la generación de energía eléctrica a partir de
los sistemas fotovoltaicos.
Por medio del software Sketchup se muestra en un modelo 3D como sería la
implementación de la energía solar fotovoltaica en el Centro de Entrenamiento de tal
forma que los personas puedan observar el proceso de generación de energía eléctrica
y motivarse a desarrollar proyectos con fuentes de energía no convencionales.
Se desarrollaron dos folletos con información básica del Centro de Entrenamiento
Bosanova y de los sistemas fotovoltaicos para introducir a los aprendices de manera
pedagógica en el tema de energías renovables, mostrando sus ventajas y desventajas.
Recomendaciones
Teniendo en cuenta que el centro de entrenamiento es un sitio de capacitación a futuro
se podría implementar no solamente un sistema solar fotovoltaico, sino también
sistemas con otras fuentes no convencionales de energía, de tal manera que se logre
una integración de estas y permitan la enseñanza de forma pedagógica de dichas
tecnologías.
49
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SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADOS PARA LA. ASADES, 11.
[16] REN21. (2017). Avanzado en la transición mundial hacia la energía renovable.
Obtenido de http://www.ren21.net/wp-content/uploads/2017/07/17-8399_GSR_2017_KEY-
FINDINGS_Spanish_lowres.pdf
[17] Xantrex, S. E. (s.f.). Alte Store. Obtenido de
https://www.altestore.com/static/datafiles/Others/specSheet.pdf
[18] Hernández, J. (07 de 2012). Metodología para el análisis técnico de la masificación
de sistemas fotovoltaicos como opción de generación distribuida en redes de baja tensión.
Obtenido de http://www.bdigital.unal.edu.co/7029/1/298307.2012.pdf
[19] MONTAÑA, F. P. (08 de 2017). Diseño de prácticas, selección de equipo y
estudio edilicio para la implementación de un laboratorio de energía solar fotovoltaica
para la maestría en ingeniería con énfasis en energías alternativas de la universidad libre
sede Bogotá. Obtenido de
http://repository.unilibre.edu.co/bitstream/handle/10901/10956/Trabajo%20de%20grad
o%20%20Maestria%20en%20Ingenieria%20Fery%20Rodr%C3%ADguez%20FINAL.
pdf?sequence=1&isAllowed=y
51
12. Anexos
12.1 Anexo 1
A continuación se muestran diferentes imágenes del modelo 3D del centro de Entrenamiento
Bosanova desarrollado en Sketchup, donde se pueden evidenciar las zonas en las cuales está
distribuido este lugar y también permite identificar la instalación de los elementos del sistema
fotovoltaico. Los paneles se encuentran ubicados en el pasillo principal en la zona posterior
del centro de entrenamiento.
Figura 25. Modelo 3D Centro de Entrenamiento Bosanova. Fuente: Propia.
Figura 26. Centro de Entrenamiento Bosanova. Fuente: Propia.
52
Figura 27. Vista Frontal Centro de Entrenamiento Bosanova. Fuente: Propia.
Figura 28. Instalaciones del Centro de Entrenamiento Bosanova. Fuente: Propia.
12.2 Anexo 2
A continuación se muestran dos posibles folletos desarrollados para la introducción a los
sistemas fotovoltaicos, en uno se muestran definiciones de los elementos de los sistemas
fotovoltaicos y en otro se plantean las ecuaciones necesarias para realizar los diseños de los
sistemas fotovoltaicos aislado o interconectado a la red respectivamente
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ANDRÉS FELIPE ROJAS BÁEZ
UNIVERSIDAD DISTRITAL
FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA ELÉCTRICA
BOGOTÁ D.C
2018
ENERGIA SOLAR
El sol es una de las fuentes de energía más
constantes, a causa de la abundancia y la alta
irradiación que genera en la capa exterior de
la atmósfera. La energía recibida en la
superficie de la tierra recibe el nombre de
irradiancia, la cual depende de la hora del
día, la inclinación de los rayos de sol y la
cobertura de las nubes. Esta tecnología puede
ser aprovechada de diversas maneras, tanto
para generar electricidad, como para
aprovechar el calor. Sin embargo, una de sus
principales barreras es que sólo se recibe
durante el día, por lo que se requiere
combinarla con otras fuentes de energía o
bien, asociarla a sistemas de almacenamiento
VENTAJAS 1. Alta confiabilidad
2. Bajos Costos Operacionales
3. Beneficios ambientales
4. Modularidad
5. Bajos costos de construcción.
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS.
Los sistemas fotovoltaicos están compuestos
por diversos elementos los cuales cumplen
funciones específicas para el
aprovechamiento de la radiación solar, a
continuación se desarrollaran los conceptos
de los elementos que conforman un sistema
fotovoltaico como los son:
Paneles solares.
Reguladores o controladores de
carga.
Baterías.
Inversores.
Convertidores DC/DC.
MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
Los módulos FV son dispositivos de estado
sólido que convierten la luz proveniente del
Sol directamente en energía eléctrica, sin la
intervención de motores térmicos o
equipamientos rotantes. Los dispositivos FV
no poseen partes móviles y por ello requieren
de un mantenimiento mínimo, poseen una
larga vida útil y son altamente confiables.
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
54 . BATERIAS
Son dispositivos que permiten almacenar
energía en forma electroquímica las baterías
son elementos indispensables en sistemas
autónomos de generación fotovoltaica.
INVERSORES
Un inversor DC/AC, es un dispositivo
electrónico que permite transformar una
señal de tipo continua en una señal alterna.
REGULADORES DE CARGA
Es un dispositivo utilizado en los sistemas
fotovoltaicos autónomos y su función es
controlar y proteger el estado de la batería
mediante una supervisión permanente del
voltaje en los bornes de ésta.
CENTRO DE ENTRENAMIENTO
Los centros de entrenamiento son espacios
diseñados para la capacitación y
entrenamiento de los trabajadores directos,
de empresas colaboradoras y programas de
formación externos. Pretende orientar el
desarrollo de las actividades técnico-
operativas y de conocimiento de los negocios
de generación y distribución de energía
eléctrica, que contribuyen a mantener en las
empresas altos estándares en temas como
protección a la vida, cuidado del medio
ambiente, calidad de los procesos,
optimización de los recursos, entre otros.
El centro de entrenamiento cuenta con
diferentes espacios para poder realizar su
función como lo son las salas de capacitación
(Sala Nikola Tesla, Sala James Maxwell,
Sala Ampere, Sala de computo Braun, Sala
Westinhouse, Sala Faraday) y las zonas de
práctica (exterior e interior).
SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
Una instalación solar fotovoltaica aislada es
un sistema de generación de corriente sin
conexión a la red eléctrica que proporciona
al propietario energía procedente de la luz
del sol. Normalmente requiere el
almacenamiento de la energía
fotovoltaica generada en acumuladores
solares -o baterías- y permite utilizarla
durante las 24 horas del día
La energia Solar fotovoltaica
es la solución a los
problemas de
contaminación.
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ANDRÉS FELIPE ROJAS BÁEZ
UNIVERSIDAD DISTRITAL
FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA ELÉCTRICA
BOGOTÁ D.C
2018
DISEÑO DE SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS
Para realizar el diseño de los sistemas
fotovoltaicos aislado e interconectado a la
red se manejara la siguiente metodología
según sea el tipo de diseño.
Sistemas aislados. El diseño de los sistemas aislados se realiza
a partir de energía y no de potencia por lo
cual lo primero que se debe realizar es
establecer la potencia requerida (AC o DC),
tensión de operación y horas de uso. A través
de la siguiente ecuación se establecerá la
energía requerida.
𝐸𝐴𝐶 =∑ 𝑃𝐴𝐶𝑖 ∗ 𝑛𝑖
𝑛𝑖=1
𝜂𝑖𝑛𝑣
Donde:
PACi = Potencia nominal del elemento AC
ni = Horas de uso diario del artefacto.
ηinv = Eficiencia del inversor.
Se establece la tensión DC de operación del
sistema y a partir de las fuentes de
información disponibles se determina la
energía solar disponible en la zona. Teniendo
en cuenta esto, a partir de la siguiente se
hallara la energía a suministrar a la carga.
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑎 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑟 𝑎 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 𝐸𝐴𝐶 ∗ (1 + 𝐹𝑆)
Donde FS es el factor de seguridad,
normalmente se escoge entre 0.1 o 0.2 según
el criterio del ingeniero de diseño, para este
caso se utilizara un factor de seguridad FS
=0.2
Utilizando la siguiente se determinara la
potencia pico del generador utilizado en los
sistemas con reguladores MPPT.
𝑃𝑃𝐺 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑎 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑟 𝑎 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎
𝐻𝑆𝑆
Teniendo en cuenta los parámetros de las
hojas de especificaciones de los módulos
solares y aplicando la siguiente ecuación se
establecen los números de paneles en serie.
𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠𝑆𝑒𝑟𝑖𝑒 =𝑉𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
𝑉𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑠𝑒𝑙𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜
Para establecer las ramas en paralelo de los
módulos fotovoltaicos se deben utilizar las
ecuaciones que se muestran a continuación,
estableciendo la carga diaria en corriente y
pico del generador.
𝐶𝐼 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑎 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑟 𝑎 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎
𝑉𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
𝐼𝑝𝑔 =𝐶𝐼
𝐻𝑆𝑆
𝑅𝑎𝑚𝑎𝑠𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 =𝐼𝑝𝑔
𝐼𝑝𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜
56 Finalmente para elegir el números de paneles
a utilizar se debe relacionar los módulos en
serie y las ramas en paralelo como se muestra
a continuación.
𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 𝑒𝑛 𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒
∗ 𝑅𝑎𝑚𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜
En la siguiente figura se observa un ejemplo
de un generador fotovoltaico de 10 paneles
solares donde se evidencia 2 módulos serie y
5 ramas en paralelo.
El regulador de carga se elige por potencia,
teniendo en cuenta los valores nominales de
tensión y corriente del regulador y se debe
verificar que la corriente del regulador debe
ser mayor que la corriente de cortocircuito
del generador.
𝐼𝑅𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 =𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
𝑉𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
𝑰𝑹𝒆𝒈𝒖𝒍𝒂𝒅𝒐𝒓 > 𝑰𝒄𝒄 𝑮𝒆𝒏𝒆𝒓𝒂𝒅𝒐𝒓
El siguiente paso es determinar el banco de
baterías a instalar teniendo en cuenta las
características de la batería seleccionada, la
carga definida por el usuario, la tensión DC
nominal del sistema, la autonomía del
sistema y la profundidad de descarga.
𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 = 𝑉𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
𝑉𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑠𝑒𝑙𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑎
Preferiblemente se deben evitar instalar
ramas en paralelo de baterías dado a las
memorias de carga que estás poseen, para
realizar el cálculo se utilizan las ecuaciones
que se muestran a continuación.
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑁𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙𝑆𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 = 𝐶𝐼 ∗ (#𝑑𝑖𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎)
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎 =𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑁𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
𝑃𝑑
𝑅𝑎𝑚𝑎𝑠𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 =𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑁𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎
Y finalmente para determinar el número
total de baterías se debe relacionar la
cantidad en serie y paralelo como se muestra
en la siguiente ecuación.
𝐵𝑎𝑛𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 = 𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 ∗ 𝑅𝑎𝑚𝑎𝑠𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜
En la siguiente figura se observa un ejemplo
de un banco de baterías compuesto de 6
elementos, 2 baterías en serie y tres ramas en
paralelo.
El inversor se debe diseñar por potencia en
corriente alterna y se deben tener en cuenta
los valores nominales de tensión DC y AC,
Potencia y Corriente de arranque
Sistema interconectado a la
red Teniendo en cuenta si se desean entregar
excedentes a la red el diseño se realiza por
potencia o energía según sea el caso. A partir
de la carga definida por el usuario (Kwh) y
la radiación solar se establece la potencia del
generador como lo muestra la siguiente
ecuación.
𝑃𝐺𝐹𝑉 =
∑𝐸𝑖
𝐻𝑆𝑆𝑗 ∗ 𝑁𝑖 ∗ 𝑃𝑅𝑗
12𝑗=1
12
Donde:
𝐻𝑆𝑆 = Número de horas de radiación solar
estándar promedio mensual de la localidad.
𝑁 = Números de días del respectivo mes.
𝑃𝑅 = Factor de rendimiento del sistema.
La limitación de espacio es necesaria tenerla
en cuenta para el dimensionamiento del
sistema fotovoltaico. La manera de elegir el
inversor es diferente al sistema anterior dado
que se debe tener en cuenta unas
características específicas como, la
sincronización e interconexión automática
con la red, seguidor del punto de máxima
potencia, alta eficiencia, larga vida y normas
de seguridad. Utilizando la siguiente
ecuación se establece el factor de
dimensionamiento del inversor,
preferiblemente debe estar en un rango de
0.8 a 1. . (Hernandez, 2012)
𝐹𝐷𝐼 =𝑃𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟
𝑃𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟
