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1. INTRODUCCIÓN
El clima de la tierra está en función del equilibrio o balance radiativo de la atmósfera, el cual depende a su vez de la cantidad de radiación solar que ingresa a la atmósfera y de la concentración de algunos gases variables que ejercen un efecto invernadero natural. Estos agentes de forzamiento radiativo varían tanto de forma natural como por la actividad humana, produciendo alteraciones en el clima del planeta [1]. Según la Agencia Internacional de la Energía (AIE) durante el período 1973 a 2013, las emisiones de dióxido de carbono debido a la quema de combustibles fósiles se han incrementado en 16.675 millones de toneladas, provocando un efecto perjudicial en la capa de ozono [2].
En Colombia, los avances logrados en los últimos años en la generación de energía a partir de fuentes renovables ha creado el interés de muchos sectores para trabajar en este tipo de proyectos y así aprovechar los recursos energéticos con que cuenta el país, entre los que se destacan la energía eólica, biomasa y energía solar disponibles en gran manera en la Región caribe colombiana [3-7].
Actualmente, la matríz energética a nivel mundial, se basa en combustibles fósiles y el ritmo de consumo es acelerado de modo que el agotamiento de las reservas existentes es una realidad que no admite discusión [8].
Por tal razón, se están implementando estrategias para el uso de energías renovables en diferentes sectores de la economía en todo el mundo y Colombia no debe ser ajena a esto ya que aproximadamente el 70% de su matriz energética la soportan las empresas hidroeléctricas, lo que ha hecho que el país atraviese por crisis muy severas cuando se presentan eventos climáticos importantes tales como el Fenómeno de El Niño, lo cual hace imperativa la necesidad de tener sistemas complementarios para suplir la demanda.
Como respuesta a toda esta problemática la industria y la academia se han dado a la tarea de investigar y desarrollar diferentes opciones tecnológicas para dar respuesta a este nuevo desafío y que a la vez se garantice el suministro de energía a las futuras generaciones. Estas respuestas consisten en estrategias para incentivar el uso de nuevas fuentes de energía y la implementación de programas integrales de eficiencia energética. Por tanto, las energías renovables serán una de varias soluciones para muchos de los problemas ambientales, como el cambio climático, los residuos radiactivos, las lluvias ácidas y la contaminación atmosférica [9].
Una de las fuentes renovables más importente es la solar. Las radiaciones directa y difusa que llegan a la tierra pueden generar a través de la tecnología solar fotovoltaica, la energía eléctrica necesaria para poder reemplazar en buena parte otras fuentes no renovables.
La existencia de zonas con niveles de radiación solar significativos en países latinoamericanos permite considerar la implementación de sistemas de generación de energía eléctrica a partir de esta fuente renovable [10]. La energía procedente del sol y que llega a la tierra en un año es mayor a toda la energía almacenada en las reservas de combustibles fósiles en el mundo. Si se pudiese aprovechar tan solo el 0,002% de dicha radiación, se podría abastecer toda la demanda energética mundial y todavía sobraría energía [11].
En términos de regulación y normativas en lo que respecta a la generación de energía a partir de fuentes renovables, el 13 de mayo del 2014 se aprobó en Colombia la Ley 1715 la cual puso de manifiesto la importancia de la implementación de nuevas tecnologías, para aprovechar los recursos renovables, tales como el solar. La finalidad de esta ley radica en establecer el marco legal y los instrumentos para la promoción del uso de las fuentes no convencionales de energía, principalmente aquellas de carácter renovable. Además, fomenta la inversión, investigación y desarrollo de tecnologías limpias para la producción de energía, así como usos energéticos como el medio necesario para el desarrollo económico sostenible, la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y la seguridad del abastecimiento energético [12].
En este artículo, se propone una alternativa para aprovechar la radiación solar que incide en la zona donde se encuentra ubicada la Universidad del Atlántico, a través del diseño técnico de un banco de prueba solar fotovoltaico que funcione de forma aislada, con el fin que los estudiantes de esta universidad y otras universidades de la región adquieran capacidades en esta tecnología tan importante para el desarrollo de la región. Se seleccionó la energía solar fotovoltaica como fuente de energía renovable para la producción de energía eléctrica, entendiendo que este tipo de energía es una fuente inagotable que puede autoabastecer energéticamente a la sociedad causando un menor impacto al medioambiente.
2. METODOLOGÍA
A continuación se presentan las ecuaciones fundamentales empleadas para el análisis de la disponibilidad solar, para el diseño del sistema solar fotovoltaico y finalmente se muestran las ecuaciones empleadas para el análisis económico.
2.1 Análisis de la disponibilidad solar
Para analizar la disponibilidad solar de la zona de estudio inicialmente se calcula la radiación media diaria mensual en superficie inclinada (I) disponible en el lugar de instalación, en este caso la Universidad del Atlántico, teniendo en cuenta que ésta se encuentra orientada hacia el sur y que el ángulo azimutal es cero, mediante la ecuación 1 [13].
I = R . R . K (1)
donde 𝑅 es la radiación global promedio recibida sobre un plano horizontal, R̅β es el coeficiente de conversión y Ka es el factor de corrección de limpieza atmosférica.
Para determinar las horas solares pico (HSP), se empleó la ecuación 2 la cual se presenta a continuación.
𝐻𝑆𝑃 = (I/días)/86,01 (2)
donde I representa la radiación para una superficie inclinada.
Teniendo en cuenta que el rendimiento de los sistemas de aprovechamiento energético como los paneles solares fotovoltaicos dependen del ángulo óptimo de inclinación que se le asigne [14], se consideraron los promedios de las horas solares pico para cada ángulo, permitiendo seleccionar el mayor.
2.2 Diseño del sistema solar fotovoltaico
A partir del valor de radiación incidente en la zona, se realizaron una serie de cálculos para obtener los parámetros de diseño del sistema solar fotovoltaico, utilizando el método amperios-hora [15]. Para calcular el consumo en el dimensionado del banco de prueba en este proyecto, se asumió una carga total de 500 W.
La ecuación para obtener el consumo (Ah/día) es la siguiente [15]:
donde PAC es 500 W generados por el sistema para abastecer el consumo diario, VDC es el voltaje de diseño del sistema, el cual está relacionado con la potencia que se necesita para alimentar la carga, se toma el valor de 12V, debido a que se recomienda tensiones de 12V para potencias menores de 1,5 kW y la constante η es el rendimiento de transformación o del inversor [15].
Para calcular la intensidad o corriente pico se emplea la ecuación 4. Este valor determina el régimen de corriente que deben soportar algunos elementos del sistema.
donde Ip es la intensidad pico, WAC es la potencia a la que opera el inversor del sistema, WDC es la potencia que entra al inversor y VDC es la tensión o el voltaje nominal del sistema [15].
Para la corrección del consumo se tiene en cuenta un factor que tiene en cuenta el rendimiento del cableado del sistema, este valor se toma como 0,98. En este caso el factor de rendimiento de la batería es 0,95, así como se plantea en la ecuación 5 [15].
Para el dimensionado de la batería del sistema fotovoltaico se calcula la capacidad necesaria de la batería con la ecuación 6 [15].
donde IB es la capacidad de la batería, I es el consumo total corregido calculado anteriormente, el número de días de autonomía hace referencia a los días en que el sistema fotovoltaico trabajaría sin exposición al sol y Mpd es la máxima profundidad de descarga, el cual es el límite de energía al cual se puede someter la batería [16].
Con el factor de corrección de temperatura la ecuación de la capacidad de la batería queda planteada como se presenta en la ecuación 7.
Para obtener el número de baterías conectadas en serie en el sistema cociente entre el voltaje nominal de las cargas del consumo [VDC] y el voltaje nominal de la batería VB . Se expresa con la ecuación 8 [15].
El número de baterías conectadas en paralelo se calcula a través del cociente entre la capacidad necesaria de batería ( IB ) y la capacidad nominal de una sola batería ( IBS ) tal como se expresa en la ecuación 9 [15].
Para el dimensionado del generador fotovoltaico (FV) en el sistema se calculó la corriente de diseño (Cd) del generador FV mediante la ecuación 10 [15].
Donde Cd es la corriente de diseño, I es el consumo corregido en amperios-hora y HSP es el número de horas solares pico. Para obtener la corriente de diseño corregida se tiene en cuenta un factor de corrección del módulo el cual es función de la radiación.
El Número de módulos en paralelo del banco de prueba fotovoltaico se obtiene con la ecuación 11 [15].
Donde I*Dc es el valor de la intensidad de diseño corregida y In es la intensidad nominal del módulo seleccionado de acuerdo a sus especificaciones.
El número de módulos en serie (Mserie) se obtiene mediante la ecuación 12 [15].
donde VN es el voltaje nominal del sistema y Vnm es el voltaje nominal del módulo.
En la selección del regulador de carga se utilizó la ecuación 13 para el cálculo de la corriente en corto circuito del arreglo de un sistema de 12 V [15].
donde 1,25 es el factor de seguridad respecto a la corriente de cortocircuito del generador o del módulo y ICCmódulo es la corriente de corto circuito del módulo.
En el cableado del sistema para dimensionar un conductor se consideraron dos variables, la caída de tensión máxima y la corriente máxima. La ecuación 14 se utilizó para calcular la sección transversal de un conductor [15].
Donde I es la intensidad en el tramo a considerar en amperios, L es la longitud del cable en metros, δ es la conductividad del cable que depende del material del mismo y de las condiciones de temperatura a las que estará expuesta la instalación fotovoltaica, K el coeficiente que depende del tipo de alimentación y ∆U es la caída de tensión máxima admitida o pérdida en el tramo.
Para determinar el dimensionamiento del inversor, hay que tener en cuenta que la potencia de este dispositivo está asociado al suministro de la potencia de las cargas AC y por los picos de demanda, debido a que algunas cargas conectadas al sistema FV poseen bobinas o inductancias (motores, compresores) que durante un corto periodo de tiempo de arranque aumentan la corriente demandada entre 4 a 6 veces la corriente de operación. Las características de funcionamiento que definen un inversor o convertidor DC/AC son: Potencia Nominal (kW), Tensión Nominal de Entrada (V), Tensión Nominal de Salida (V), Rendimiento (%) y Frecuencia de operación (Hz).
2.3 Análisis económico para el sistema solar fotovoltaico
El método utilizado para realizar el análisis de factibilidad o rentabilidad económica del diseño consta de cuatro pasos que se detallan a continuación:
Paso 1: para el cálculo de la inversión inicial, se obtuvo un presupuesto que tenía en cuenta tanto el precio real de cada uno de los equipos como los costos de instalación [17].
Paso 2: seguidamente se calculó la producción anual, tomando como base de datos los valores de radiación horizontal para cada mes, teniendo en cuenta un factor k mensual del ángulo óptimo de inclinación en la latitud 11° [17].
Paso 3: se determinó el flujo de caja, considerando tanto ingresos como gastos, teniendo en cuenta las variaciones o incrementos que estos valores presentaran con el paso de los años, donde los gastos están representados por la inversión inicial del sistema, mientras que los ingresos corresponden a la producción anual de energía eléctrica en el lugar de instalación [17].
Paso 4: para el cálculo del valor actual neto (VAN), que permite calcular la factibilidad económica a partir de un determinado flujo de caja futuro, se consideró que, si el VAN es positivo, esto es indicativo que se ha recuperado la inversión en un periodo de tiempo determinado [17].
Para el cálculo de la VAN se utilizó la ecuación 15 como se detalla a continuación.
donde I es la inversión inicial, Q el flujo de caja o beneficio calculado, n el número de años y TI es la tasa de interés para este tipo de proyectos tomando un valor de 5%.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 Análisis de la disponibilidad solar
Para calcular los valores de radiación global promedio para una superficie inclinada, se empleó la ecuación 1, donde se tuvo en cuenta que el factor de corrección atmosférico (para una atmósfera limpia) es 1,05. Los datos de radiación se observan en la figura 1, donde se representan los valores promedio de radiación a diferentes ángulos de inclinación; en esta gráfica se observa que en el intervalo entre 10°-15° se encuentran los mayores valores de radiación.
Se calcula el valor de las horas solares pico aplicando la ecuación 2 donde de I son los valores de radiación tomados de la figura 1. Se observa también los valores promedio de las horas solares pico y su comportamiento a diferentes ángulos de inclinación.
3.2 Determinación del ángulo óptimo de inclinación
Se observa en la figura 1 que en el intervalo de 10 y 15 grados de inclinación para la latitud 11° se encuentra el mejor valor para la radiación. Por esta razón, se selecciona para la instalación un ángulo de inclinación de 10°.
3.3 Diseño y dimensionado de sistemas fotovoltaicos de 12 y 24V
Utilizando el conjunto de ecuaciones relacionadas en el apartado metodológico y teniendo en cuenta los parámetros de diseño se obtienen los resultados para el dimensionado y selección de los componentes del banco de prueba solar fotovoltaico con una tensión del sistema de 12 y 24V. En la tabla 1 se muestran los valores obtenidos para el consumo de los sistemas en Ah/día, la intensidad o corriente pico y el consumo corregido.
Tabla 1 Valores del dimensionado de la batería para el banco de prueba solar fotovoltaico a 12 y 24 V.
| Intensidad y Consumos | ||
|---|---|---|
| 24V | 12V | |
| Consumo en Ah/Día | 66,14 | 132,48 |
| Intensidad pico (A) | 20,83 | 41,66 |
| Consumo corregido en Ah/día | 71,04 | 142,08 |
Para el dimensionado y selección de la batería es fundamental el valor de capacidad en Ah y el N° de baterías en serie y paralelo del sistema, como se muestran en la tabla 2.
Tabla 2 Valores del dimensionado de la batería para el banco de prueba solar fotovoltaico a 12 y 24 V.
| Dimensionado de batería | ||
|---|---|---|
| 24V | 12V | |
| Capacidad de la batería en Ah | 101,48 | 202,97 |
| Baterías en serie | 2 | 1 |
| Baterías en paralelo | 1 | 2 |
La batería seleccionada para el diseño del banco de prueba solar fotovoltaico a 12 y 24 V es una Green Solar Solutions de material de Polipropileno (país Colombia), la capacidad de la batería es de 160 Ah, con una dimensión de 26x181x281 mm, un peso de 28 kg y el tipo de batería es de plomo-ácido.
En el dimensionado del generador fotovoltaico se deben tener en cuenta el ángulo óptimo de inclinación obtenido en el análisis de la disponibilidad solar, la corriente de diseño corregida y el número de módulos en serie o en paralelo. Estos valores se muestran en la tabla 3.
Tabla 3 Valores del dimensionado del generador fotovoltaico para el banco de prueba a 12 y 24 V.
| País | Cánada |
|---|---|
| Marca | Canadian Solar |
| Modelo | Seleccionado CS6C-140P |
| Potencia | 140W |
| Dimensiones en mm | 1485 x 666 x 40 |
| Peso en kg | 12 |
| Tensión a la máxima potencia | 17,9V |
| Corriente a la máxima potencia | 7,84 A |
| Tensión de circuito abierto | 22,1V |
| Corriente de corto circuito | 8,40 A |
| Tolerancia mínima de potencia | 3% |
En el diseño del sistema solar fotovoltaico a 12 y 24 V se seleccionó el generador o módulo fotovoltaico Canadian Solar modelo CS6C-140P, con una potencia de 140 W, una dimensión de 1485x666x40 mm, peso de 12 kg, una tensión a la máxima potencia de 17,9V, una corriente a la máxima potencia de 7,84 A corriente de corto circuito 8,40 A, una tolerancia mínima de potencia de 3% y una tensión de circuito abierto de 22,1V. Para los sistemas de 12V y 24V se seleccionó un inversor con tecnología PWM y sus características se muestran a continuación en la tabla 4.
Tabla 4 Características del inversor seleccionado para el sistema a 12 y 24 V.
| Potencia Normal (kW) | Tensión normal en entrada | Tensión normal de salida | Frecuencia de operación | Rendimiento | |
|---|---|---|---|---|---|
| 24V | 3 | 24V | 220V | 50Hz ± 0,3 Hz | 90% |
| 12V | 3 | 12V | 110V | 50Hz ± 0,3 Hz | 90% |
En el dimensionado del regulador de carga se obtuvo que la corriente del arreglo es de 21 A, por lo tanto, el controlador con las especificaciones requeridas para el sistema a 24 V es de 30 A, mientras que para el sistema de 12V se obtuvo que la corriente del arreglo es de 42 A, por lo tanto, el controlador con las especificaciones requeridas para el sistema es de 60 A. La tabla 5 muestra las características de los reguladores seleccionados.
Tabla 5 Características del regulador seleccionado para el sistema a 12 y 24 V.
| Modelo | Tecnología | Eficiencia | Intensidad | Tensión del sistema | |
|---|---|---|---|---|---|
| 24V | Tracer-3215RN | MPPT | 96% | 30 A | 24 V |
| 12V | CN60240 | PWM | 96% | 60 A | 12 V |
Los requerimientos de cableado de ambos sistemas se resumen en la tabla 6, donde se muestran las secciones transversales y los calibres para cada tramo del sistema fotovoltaico.
Tabla 6 Requerimientos de cableado para el sistema de 12 y 24V.
| TRAMO | Generador caja de conexión | Caja de conexión/regulador | Regulador/batería | Regulador/inversor | Inversor-Tablero de distribución | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Sección transversal (mm2) | 24V | 3,8 | 1,52 | 5,10 | 6,78 | 0,07 |
| (AWG) | 12 | 14 | 10 | 8 | 22 | |
| Sección transversal (mm2) | 12V | 3,8 | 6,08 | 20,42 | 27,08 | 0,29 |
| (AWG) | 12 | 8 | 4 | 2 | 22 |
3.4 Análisis económico para el sistema fotovoltaico autónomo
Para el análisis de factibilidad o rentabilidad económica para el banco de prueba fotovoltaico aislado a 12 V y 24 V, se desarrollaron dos etapas, inicialmente se realizó el cálculo de la inversión inicial sumando el precio real de cada uno de los equipos seleccionados para el sistema incluyendo los costos de instalación, el cual es un 10% del valor total en equipos. La inversión inicial del sistema con tensión de 12 V fue de $5.016.000, mientras que para el sistema de 24 V fue de $6.413.000. Seguidamente, se calculó la producción anual, obteniendo que el número de paneles utilizados en el sistema a 12 y 24 V fue de 4 con un área de 0,98901m2, un largo de 1,485m, un ancho 0,666m y un rendimiento de 0,16.
En este paso se toma en la base de datos los valores de radiación horizontal para cada mes, teniendo en cuenta un factor de corrección (k) mensual del ángulo óptimo de inclinación en la latitud 11. Los valores de radiación obtenidos en kWh/m2mes se multiplican por las características del módulo fotovoltaico para obtener la producción en kWh/mes. Por último, se suman los valores de producción mensual para obtener la producción anual. Se calcula la producción anual en kWh/mes durante un año. De la figura 2 se obtiene que en un año se producen 1228,012 kWh.
El flujo de caja está representado por los ingresos menos los gastos anuales, con lo cual se obtiene el beneficio para cada sistema, como se pueden observar en la figura 3 para el sistema en 12 y 24V. Los gastos corresponden al 1% de la inversión inicial del sistema, y este valor incrementa anualmente un 2,5%, donde el precio de la energía eléctrica en el lugar de instalación aumenta aproximadamente el 2% anual. Con base a esta variación se calculan los ingresos teniendo en cuenta que el precio del kWh para el año 0 es de $400, se realizó la proyección durante 10 años para ambos sistemas.
Para el cálculo de factibilidad económica se debe obtener el valor actual neto para cada año, el cual permitió calcular el valor presente de un determinado flujo de caja futuro, es decir, actúa junto con la TIR (Tasa Interna de Retorno) como indicador del nivel de rentabilidad de un proyecto, por lo que si al final de la vida de la instalación, el VAN es positivo, quiere decir que se ha recuperado la inversión. Se observan los valores calculados en la figura 4 para el sistema de 12 y 24 V, donde se puede observar que a partir del año 7 en el sistema de 12 V el valor del VAN es positivo, es decir que se recupera la inversión inicial a partir de ese momento. En la figura 4 se muestra que a partir del año 9 en el sistema de 24 V el valor del VAN es positivo, es decir que se recupera la inversión inicial a partir de ese momento.
4. CONCLUSIONES
Mediante este estudio experimental fue posible determinar que la zona de estudio que el mayor número de horas solares pico fueron 5,56 y 5,57 para los ángulos de inclinación de 15° y 10 ° respectivamente, por lo que se seleccionó una inclinación óptima de 10° para realizar el diseño del sistema solar fotovoltaico aislado. En cuanto a los componentes del sistema, se seleccionó una batería con capacidad de 160 Ah, utilizando dos de ellas en serie de 12 V cada una para el sistema de 24V. Para el sistema autónomo con tensión de 12 V se utilizaron 4 paneles en paralelo, mientras que para el sistema de 24V se ubican 2 paneles en serie y 2 paneles en paralelo. Por otro lado, para el sistema autónomo de 12 V se seleccionó un regulador de 60 A, mientras que para el sistema de 24 V se seleccionó un regulador de 30 A.
De la evaluación económica se concluyó que la recuperación de la inversión cuando el sistema está a 12 V se obtiene a partir de los 7 años, mientras que para el sistema a 24 V la inversión se recupera a partir de los 9 años.
