Bogotá 22-4-2016

PROYECTO DE APROVECHAMIENTO ENERGETICO SOPORTADO POR FUENTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA

Electiva 1

Juan Camilo Sarmiento MoraPresentado a: Ing. Luis Alejandro Barragan

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Contenido1. Ubicación geográfica de zona para la respectiva aplicación de fuentes energéticas alternativas........................................................................................................................................1

2. Abastecimiento..........................................................................................................................2

2.1. Porcentaje de abastecimiento..........................................................................................2

2.2. Energías alternativas........................................................................................................2

2.2.1. Modelamiento UML de las opciones energéticas seleccionadas....................................3

3. Potenciales energéticos de zona Engativá para energías renovables y no renovables............5

3.1. Análisis micro turbinas..........................................................................................................5

3.2. Análisis energía fotovoltaica.................................................................................................7

3.3. Análisis de vientos.................................................................................................................8

3.3.1. COMPORTAMIENTO DE LA DIRECCIÓN Y VELOCIDAD DEL VIENTO..................................8

4. Cálculos y selección de proveedores.......................................................................................10

5. Mapa conceptual de la propuesta energetica.........................................................................14

6. Diagrama Sketchup de las edificaciones.................................................................................14

7. Diagrama fluid simm de mecanismo a la respuesta de la demanda......................................16

8. Programa para respuesta a la demanda.................................................................................17

8.1. Instructivo de funcionamiento:...........................................................................................17

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1. Ubicación geográfica de zona para la respectiva aplicación de fuentes energéticas alternativas

Figura 1: ubicación geográfica de la zona a trabajar (Engativa), imagen tomada de Google Earth

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2. Abastecimiento

2.1.Porcentaje de abastecimiento El porcentaje de abastecimiento autónomo para los usuarios será el siguiente:

Usuario 1 (residencial) 30% al mes139340W*0,3=41800W

Usuario 2 (residencial) 0 % al mes105613W*0=0W

Usuario 3 (residencial) 15 % al mes145892W*0,15=21883,8W

Usuario 4 (comercial) 0% al mes64702W*0W=0

Usuario 5 (industrial) 30% al mes 78460W*0,3=23538W

2.2. Energías alternativasLas posibilidades de abastecimiento energético se plantean a través de una simulación hibrida que consta de: fuentes solar-fotovoltaica, microturbina, eólica

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2.2.1. Modelamiento UML de las opciones energéticas seleccionadas

Modelamiento UML microturbina

Figura 2. Modelado UML de una micro turbina para un edificio

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Modelamiento UML celdas solares

Figura 3. Modelado UML para las celdas solares

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Modelamiento UML Aerogeneradores

Figura 4: modelado UML para generadores eólicos

3. Potenciales energéticos de zona Engativá para energías renovables y no renovables.

3.1.Análisis micro turbinas

“Menor número de grandes plantas generadoras y de tendidos eléctricos aéreos, un uso más eficiente de los recursos naturales y una electricidad más barata, estos son los objetivos posibles ahora gracias a un innovador concepto de la generación de energía distribuida. La microturbina, una pequeña turbina de gran eficacia que puede ser propulsada por medio de gas natural, biogás o agua, es un elemento decisivo para este éxito. Capaz de generar más calor, incluso, que electricidad, la microturbina es especialmente indicada como fuente de energía para instalaciones que van desde hospitales y hoteles hasta centros comerciales y fábricas. Con la ayuda de sistemas de telecomunicación, estas plantas generadoras pueden ser conectadas entre si para crear soluciones de red que revolucionarán en el futuro el modo de generar y distribuir energía.”

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La primera opción viable a usar es una microturbina Capstone C30 con las siguientes especificaciones para alimentar al usuario industrial:

Figura 5: microturbina Capsone

Tipo C30Potencia 30KWEficiencia a plena carga 26%Consumo calorífico 13.8MJ/KWhCombustible liquido D2, 1-K, Jet A, JP-8, JP-5Gases (HHV) 13,0-99,1 MJ/m3

Corriente de salida 46A RMSVoltaje nominal 400 a 480 VACTemperatura gases de escape 530F (275C)NOx emisiones

Gas < 9ppmLiquido < 35ppm

Acustica 65 dBA

La segunda opción viable a usar es una microturbina Pelton AC4-75M con las siguientes especificaciones para alimentar al usuario industrial:

Figura 6: microturbina Pelton

Modelo Pelton AC4-75MPotencia máxima 30KWAncho (A) 1050mmGrosor (B) 1050mm

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Altura (H) 1350mmVolumen 1488m3

3.2.Análisis energía fotovoltaicaLa Radiación Solar mide la intensidad, en calorías por centímetro cuadrado y por minuto, que alcanza la superficie de la Tierra. La radiación solar es de máxima importancia para la vida sobre la Tierra. Los distintos flujos de radiación, hacia y desde la superficie de la Tierra, permiten deducir el balance de calor de la Tierra en su totalidad, y de cualquier lugar particular sobre el globo. El conocimiento de la radiación solar es de gran valor para la ciencia, la industria, la agricultura y otras actividades del ser humano.

La cantidad de insolación que se recibe en un área cualquiera es uno de los factores más importantes en la determinación de la caracterización climática de cualquier zona. La distribución de los valores de insolación o brillo solar están relacionadas en forma inversa con otros elementos como la nubosidad y la precipitación en una región.

Los mayores valores se presentan en los meses de diciembre, enero, febrero, julio y agosto y los menores valores durante los meses de las temporadas lluviosas como son abril, mayo, junio, octubre y noviembre.

Dada la representatividad de la Estación El Dorado (zona Engativa) y de sus respectivas series de información, mayores a diez (10) años, se toma como referencia para el comportamiento de esta variable en la ciudad de Bogotá, como se muestra en la Figura x.

Figura 7 niveles de radiación mensual en Engativa

La más alta radiación solar en Bogotá (Estación Aeropuerto El Dorado) se presenta en los meses de enero (402,3 cal/cm2 ), febrero (372,1 cal/cm2 ), marzo (377,4 cal/cm2 ) y diciembre (370,4cal/cm2 ) respectivamente, con incidencia solar; los mínimos se observan en los meses de mayo (304,6 cal/cm2 ) y junio (314,3 cal/cm2 )

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3.3.Análisis de vientosEl viento es el movimiento del aire cuya intensidad está sujeta a variaciones, tanto en período como en amplitud, debido a que no es laminar. El viento sobre la Tierra es un flujo turbulento, que comprende remolinos de tamaños diversos y parámetros físicos que se desplazan con el flujo. La orografía de la Tierra es el principal factor que determina la estructura turbulenta del viento. Esta estructura del flujo del aire se manifiesta a través de la llamada “rafagosidad” del viento, o sea fluctuaciones de los parámetros del viento de superficie.

En Bogotá existen vientos generales y vientos locales, los primeros, son los de influencia sinóptica que son los alisios, los cuales toman direcciones noreste y sureste en el área de la ciudad y en el Altiplano. Estos traen consigo lloviznas a partir de la última semana de junio o comienzos de julio, pues una vez entra la influencia de este viento, las lluvias del primer período lluvioso (marzo, abril y mayo) cesan del todo y las reemplazan las lloviznas sobre todo en los cerros orientales y en la ciudad a lo largo de las estribaciones de la cadena montañosa que la enmarca.

Aunque los vientos Alisios disminuyen paulatinamente su intensidad, no dejan de presentarse algunas lluvias eventuales de corta duración, las cuales son precedidas por tiempo seco durante los meses de julio y agosto. Luego que abandona la influencia de los vientos Alisios, aproximadamente en septiembre, aumenta el cubrimiento de la nubosidad y aparecen las primeras lluvias producto de la presencia del viento.

Posteriormente, en la segunda temporada de lluvias de septiembre, octubre y noviembre, los vientos locales son bastante variables y dependen de la distribución de las precipitaciones; los vientos más dominantes en la temporada son los del noreste, este y oeste, con velocidades hasta de 6 a 8 m/s; esta situación en particular de los vientos encontrados de diferentes direcciones, da lugar a condiciones de discontinuidad y presencia de corrientes convectivas que junto con el calentamiento del día, favorecen enormemente las precipitaciones fuertes y ocurrencia de formaciones de tormentas eléctricas en zonas locales y a veces de poca extensión.

3.3.1. COMPORTAMIENTO DE LA DIRECCIÓN Y VELOCIDAD DEL VIENTO

Para el análisis horario mensual e tuvo en cuenta el comportamiento del viento ubicado en el Aeropuerto El Dorado (zona engativa), debido a que es la más representativa de la ciudad, de acuerdo a los datos registrados en la Tabla Nº 1 y la Tabla Nº 2. En términos generales, se observa un comportamiento de la dirección Este, oscilando entre el Norte y el Este durante todos los meses del año, regularmente entre las 7 y 8 de la noche hasta las 9 a 10 de la mañana; sin embargo, el comportamiento cambia en las horas del día hacia otras direcciones, lo cual permite establecer que la presencia del sol y su calentamiento, elevan paulatinamente la temperatura y por tanto cambian la mayoría de variables en su estado, permitiendo la formación de corrientes convectivas y advecciones de masas de aire de un sector a otro.

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Tabla numero 1 Distribución mensual a nivel horario de la direccion y velocidad del viento

Tabla numero 2 Velocidad promedio y horario del viento

La velocidad del viento, se presenta un rango menor o igual a 1.5 m/seg a lo largo del año; sin embargo, a partir de las 7 y hasta las 10 de la mañana, la velocidad en todos los meses aumenta por encima de los 1.5 m/seg hasta 2.8 m/seg. A partir de junio y hasta el mes de agosto se experimenta un aumento de la velocidad desde las 7 de la mañana hasta las 12 de la noche, con valores superiores a 1.5 e inferiores a 3.8 m/seg. En los meses de enero febrero, marzo y septiembre, particularmente, se prolonga la ocurrencia de vientos por encima de los 1.5 m/seg regularmente entre las 2 y las 4 de la tarde. Finalmente, los meses de junio, julio y agosto se definen como los más representativos en cuanto a la mayor fuerza del viento en el área urbana de Bogotá, con valores de 2,8 m/s, 3,7 m/s y 3,8 m/s, respectivamente

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4. Cálculos y selección de proveedores

Edificio residencial 1 (30% mes, 49122W )

Celdas solares (potencia suministrada de 12250W)

Proveedor 1

Tiempo de autoabastecimiento

205 A∗12V=2460W

(2460Wh∗50)/(19122W )=6,4horas

Tiempo de recarga baterías

205 A /12V=17,08 Ah

ITEM CANTIDAD COSTO UNITARIO COSTO TOTALpaneles solares de 245W 50 800.000,00 COP 40.000.000,00 COPRegulador Mornigstar 10A12V ref SHS10 6 150.000,00 COP 900.000,00 COPInversor Prowatt 2000W 12V 10 1.580.000,00 COP 15.800.000,00 COPBaterias Americanas 205A AGM 50 600.000,00 COP 30.000.000,00 COPsoportes Global 5.000.000,00 COPCableado Global 600.000,00 COPProtecciones 1.000.000,00 COPmano de obra 15.000.000,00 COPAdministración de imprevistos (AIU) 12.000.000,00 COP 120.300.000,00 COP

Proveedor 2Tiempo de autoabastecimiento

250 A∗12V=3000W

3000Wh∗4019122W

=6,27horas

Tiempo de recarga baterías

250 A /12V=20,83 Ah

20,83 Ah∗(5% de perdida)=1,041

20,83 Ah−1,041 Ah=19,79 Ah

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250/19,79=12,6horas

ITEM CANTIDAD COSTO UNITARIO COSTO TOTALBateria AGM U-POWER UP-TFS 250ah 12v 40 1.043.250,00 COP 41.730.000,00 COPRegulador Xantrex 40amp (12,24,48volt) 3 480.000,00 COP 1.440.000,00 COPInversor Prowatt 1000W 12V 20 900.000,00 COP 18.000.000,00 COPPaneles Kyocera 215W 24V 59 1.150.000,00 COP 67.850.000,00 COPsoportes Global 5.000.000,00 COPCableado Global 600.000,00 COPProtecciones 1.000.000,00 COPmano de obra 15.000.000,00 COPAdministración de imprevistos (AIU) 12.000.000,00 COP 162.620.000,00 COP17,08 Ah∗(5% de perdida)=0,854

17,08 Ah−0,854 Ah=16,22

205/16,22=12,6horas

Microturbina (potencia suministrada de 30KW)

Opción 1 Capstone

proveedor 1ITEM CANTIDAD COSTO UNITARIO COSTO TOTALMicroturbina Captsone 1 82.500.000,00 COP 82.500.000,00 COPRegulador Mornigstar 10A12V ref SHS10 6 150.000,00 COP 900.000,00 COPUps 30KW 1 20.500.000,00 COP 20.500.000,00 COPsoportes Global 4.000.000,00 COPCableado Global 600.000,00 COPProtecciones 1.500.000,00 COPmano de obra 22.500.000,00 COPAdministración de imprevistos (AIU) 15.500.000,00 COP 273.400.000,00 COP

Opción 2 Pelton AC4-75M

proveedor 1ITEM CANTIDAD COSTO UNITARIO COSTO TOTALMicroturbina Pelton 1 77.000,00 COP 77.000,00 COPRegulador Mornigstar 10A12V ref SHS10 6 150.000,00 COP 900.000,00 COPUps 30KW 1 20.500.000,00 COP 20.500.000,00 COP

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soportes Global 4.000.000,00 COPCableado Global 600.000,00 COPProtecciones 1.500.000,00 COPmano de obra 22.500.000,00 COPAdministración de imprevistos (AIU) 15.500.000,00 COP 190.977.000,00 COP

Edificio industrial (30% mes, 23538W, 50% solar 50% eolico)

Celdas solares

Tiempo de autoabastecimiento

250 A∗12V=3000W

3000Wh∗4823538W

=6,11horas

Tiempo de recarga baterías

250 A /12V=20,83 Ah

20,83 Ah∗(5% de perdida)=1,041

20,83 Ah−1,041 Ah=19,79 Ah

250/19,79=12,6horas

ITEM CANTIDADCOSTO UNITARIO COSTO TOTAL

paneles solares de 245W 48 800.000,00 COP 38.400.000,00 COPRegulador Mornigstar 10A12V ref SHS10 6 150.000,00 COP 900.000,00 COP

Inversor Prowatt 2000W 12V 121.580.000,00

COP 18.960.000,00 COPBateria AGM U-POWER UP-TFS 250ah 12v 48 600.000,00 COP 28.800.000,00 COPsoportes Global 5.000.000,00 COPCableado Global 600.000,00 COPProtecciones 1.000.000,00 COPmano de obra 15.000.000,00 COPAdministración de imprevistos (AIU) 12.000.000,00 COP 120.660.000,00 COP

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Aerogeneradores

Tiempo de autoabastecimiento

250 A∗12V=3000W

3000Wh∗4023538W

=5,09horas

Tiempo de recarga baterías

250 A /12V=20,83 Ah

20,83 Ah∗(5% de perdida)=1,041

20,83 Ah−1,041 Ah=19,79 Ah

250/19,79=12,6horas

ITEM CANTIDAD COSTO UNITARIO COSTO TOTALAerogeneradores Air Boliy de 400W 30 2.100.000,00 COP 63.000.000,00 COPEstabilizador de voltaje UPS 12KW 6 150.000,00 COP 900.000,00 COPBaterías Americanas 250A 40 1.045.000,00 COP 41.800.000,00 COPsoportes Global 3.200.000,00 COPCableado Global 500.000,00 COPProtecciones 1.500.000,00 COPmano de obra 25.000.000,00 COPAdministración de imprevistos (AIU) 15.500.000,00 COP 151.400.000,00 COP

Edificio residencial 3 (21883,8W)

ITEM CANTIDAD COSTO UNITARIO COSTO TOTALMicroturbina Pelton 1 77.000.000,00 COP 77.000.000,00 COPRegulador Mornigstar 10A12V ref SHS10 8 150.000,00 COP 1.200.000,00 COPsoportes Global 4.000.000,00 COPCableado Global 500.000,00 COPProtecciones 1.200.000,00 COPmano de obra 15.000.000,00 COPAdministración de imprevistos (AIU) 12.000.000,00 COP 110.900.000,00 COP

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5. Mapa conceptual de la propuesta energetica

Figura 8, mapa conceptual de la propuesta energetica

6. Diagrama Sketchup de las edificaciones

Figura 9. Vista frontal derecha de las edificaciones y sus opciones energéticas

Edifi

cio

Resid

enci

al 1 30% de energia

suministrada por medio de celdas solares y una microturbina dando un total de 41,8KW donde 30KW le corresponde a la microturbina y los 11,8KW restantes corresponde a las celdas solares Ed

ifici

o Re

siden

cial

3 15% de energia suministrada por medio de una microturbina para un total de 21,8KW

Edifi

cio

Indu

stria

l

30% de energia suministrada por medio de celdas solares y aerogeneradores para un total de 23,5Kw repartidos equitativamente entre ambas opciones energeticas.

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Figura 10. Vista posterior de las edificaciones y sus opciones energéticas Edificio residencial 1

Figura 11

Edificio residencial 3

Figura 12

Edificio industrial

Figura 13Figuras 11, 12, 13. Edificaciones a las cuales se les suministrara las opciones de energía

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7. Diagrama fluid simm de mecanismo a la respuesta de la demanda

Figura 14. Montaje en fluid simm de la respuesta a la demanda

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8. Programa para respuesta a la demandaSoftwares donde fue realizado: C# para Visual Studio, MySQL server, Proteus, Virtual Port Manager

8.1. Instructivo de funcionamiento:Iniciar el programa, nombre: juan, contraseña: 1234

Si no hay errores en ningún campo, el sistema genera un mensaje de bienvenida

Si se escribe erróneamente el usuario o la contraseña, producirá un error

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1) El sistema generara una interfaz amigable con el usuario para la selección del estrato y demás funciones

Nota: el sistema no funcionara si no se selecciona primero el estrato, al seleccionarlo el programa indicara el valor del kilowatio para este estrato.

Nota 2: al presionar el botón generar, se enviaran 24 valores distintos uno por cada hora, cada 3 segundos enviara una señal al simulador proteus, la primera señal será de la hora 1, hasta llegar a la hora 24.

Nota 3: al presionar el botón enviar a usuario se abrirá una nueva ventana, la cual será la información que el usuario podrá observar.

Interfaz que vera el usuario

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Simulación de montaje realizado en Proteus

Interconexión entre C# y proteus

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