energia solar en el departamento de cundinamarca...
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ENERGIA SOLAR EN EL DEPARTAMENTO DE CUNDINAMARCA
DIRECTOR
ING. PABLO EMILIO ROZO GARCIA
DIEGO ALEXANDER RODRIGUEZ ZAMORA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS
INGENIERIA ELECTRONICA
BOGOTA D.C
2017
2
Tabla de contenido PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA: ................................................................................................ 4
JUSTIFICACIÓN: ................................................................................................................................ 5
OBJETIVO GENERAL: ....................................................................................................................... 6
OBJETIVOS ESPECÍFICOS: .............................................................................................................. 6
CAPITULO 1: ESTADO DEL ARTE .................................................................................................... 7
1 UBICACIÓN:................................................................................................................................. 7
1.2 ENERGIA SOLAR EN EL MUNDO ....................................................................................... 7
1.3 ENERGIA SOLAR EN LATINOAMERICA ............................................................................ 9
1.4 ENERGIA SOLAR EN COLOMBIA ..................................................................................... 10
1.5 INSTRUMENTOS DE MEDICION DE RADIACION ........................................................... 15
CAPITULO 2: INSTRUMENTO MEDIDOR DE RADIACION ............................................................ 19
2.1 UBICACIÓN:............................................................................................................................ 19
2.2 FUNCIONAMIENTO: ............................................................................................................... 23
2.2.1 ESTIMACION DE LA RADIACION SOLAR ..................................................................... 23
2.2.2 DESCRIPCIÓN DEL SOLARIMETRO ............................................................................. 24
2.2.3 ECUACIÓN DEL SOLARIMETRO ................................................................................... 25
2.2.4 CALIBRACIÓN DEL SISTEMA: ....................................................................................... 26
2.2.5 SISTEMA EMBEBIDO ...................................................................................................... 29
2.2.6 SENSORES DE TEMPERATURA: .................................................................................. 32
2.2.7 SISTEMA DE REFRIGERACION..................................................................................... 34
2.2.8 SEGUIDOR DE SOL: ....................................................................................................... 37
2.2.9 DISEÑO DE ESTRUCTURA ............................................................................................ 42
2.2.10 ALIMENTACION DEL SISTEMA.................................................................................... 45
2.3 SISTEMAS DE PROTECCION ............................................................................................... 49
2.3.1 SENSOR DE LLUVIA: ...................................................................................................... 50
2.3.2 ASILAMIENTO CONTRA LLUVIA.................................................................................... 51
CAPITULO 3 RESULTADOS: ........................................................................................................... 53
3.1 INSTRUMENTO DE MEDICION: ............................................................................................ 53
3.1.1 REGISTRO DE RADIACION ............................................................................................ 55
3.2 OBTENCION DE LOS DATOS DE RADIACION .................................................................... 56
3.3 IRRADIACION SOLAR DIARIA............................................................................................... 58
3.3.1 HSS .................................................................................................................................. 58
3.3.2 VARIABILIDAD ................................................................................................................. 60
3
3.4 ANALISIS CONSUMO ENERGETICO ................................................................................... 61
3.4.1 ANÁLISIS EN EL MUNICIPIO DE NARIÑO ..................................................................... 61
3.4.2 ANÁLISIS EN LA REGIÓN DEL ALTO MAGDALENA .................................................... 62
3.4.3 PROYECTOS DESTACADOS ......................................................................................... 65
3.5 CONCLUCIONES: .................................................................................................................. 66
3.6 TRABAJOS FUTUROS ........................................................................................................... 67
REFERENCIAS: ................................................................................................................................ 68
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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA:
En la actualidad el sector eléctrico en Colombia está mayormente dominado por
generación de energía hidráulica con un 70.35% de la producción y un 29% de
producción mediante generación térmica. No obstante, el gran potencial del país en
nuevas tecnologías renovables, principalmente eólica, solar y biomasa apenas han
sido explorados[1].La presente monografía pretende aportar información sobre las
energías renovables en Colombia, a su vez, crear una base para que a futuro se
puedan implementar aplicaciones de generación de energía alternativa, las cuales
se está volviendo una necesidad a causa de los impactos ambientales. Por esa
razón se busca hacer un análisis a fondo, desde la elaboración de sensores de
radiación, hasta el análisis detallado de los datos recopilados, para posteriormente
poder responder a las preguntas ¿Es posible el uso de energía solar en el las
provincias del alto magdalena-Cundinamarca? ¿En qué zonas de estas provincias
se optimizaría el uso de este recurso natural?
5
JUSTIFICACIÓN:
El interés científico de la presente monografía se basa en la importancia del
aprovechamiento de fuentes de energía renovables, para nuestro caso específico
de energía solar debido a diversidad climática que posee Colombia y posiblemente
su optimización, es por ello que a través de este estudio se pretende dar soluciones
mediante el uso de energía solar en diferentes regiones del país, además de
consolidar futuros estudios sobre esta problemática, se busca que permita
extenderse a todas aquellas instituciones que realizan investigación de energías
renovables y el cuidado del medio ambiente. Inicialmente se empezara con la
provincia del alto magdalena debido a su mayor promedio de temperatura en
Cundinamarca.; y determinar las zonas con mayor aprovechamiento de la radiación
solar.
Según la OMS (Organización Mundial de la Salud) más de 7 millones de personas
mueren anualmente en el mundo a causa de la contaminación ambiental ya sea
fuera o dentro del hogar, lo que convierte a la polución en el principal riesgo
medioambiental para la salud. [2] Por este motivo el uso de energías renovables a
nivel mundial, se está volviendo una necesidad fundamental debido a los daños
ambientales generados por fuentes convencionales. Se desea generar una
información que permita ser utilizada en mejorar la calidad de la generación de
energías limpias en el sector energético del país, de tal forma que permita directa e
indirectamente a todos los ciudadanos de la región de estudio, unas mejoras tanto
económicas como sociales. El interés investigativo, el esfuerzo humano, ético y
profesional de indagar y proponer posibles soluciones sobre la problemática
planteada, como una alternativa viable dentro de la población que se localiza dentro
de la zona de interés y poderlo extender a todas las regiones del país como una
forma de aplicar los conocimientos ingenieriles adquiridos en el trascurrir de la
formación de la profesión.
6
OBJETIVO GENERAL:
Generar una base de datos sobre la radiación en las provincias del Alto Magdalena
ubicadas en Cundinamarca-Colombia, para determinar la viabilidad del uso de
energía solar con el desarrollo de un sensor de radiación implementado en
diferentes puntos.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Investigar estudio realizados sobre energía solar en Colombia y en el
departamento de Cundinamarca, para poder ampliar el conocimiento ya
existente.
Realizar un instrumento de radiación el cual nos permita generar una base
de datos de la radicación en diferentes puntos del de la provincia del alto
Magdalena.
Analizar la base de datos recopilada por el sensor para determinar en qué
zona de la región se optimizaría la energía solar.
Generar un artículo de consulta para futuras investigaciones.
7
CAPITULO 1: ESTADO DEL ARTE
1 UBICACIÓN: El uso de energía solar, se potencializa a nivel mundial, debido al daño ambiental y
costos elevados que han generados las fuentes convencionales como lo es el
petróleo o el carbón. En Colombia aún no se ha implementado el uso de esta
energía, las investigaciones realizadas son muy generales y con muestras
dispersas.
1.2 ENERGIA SOLAR EN EL MUNDO
Según el artículo publicado a mediados del 2011 por el portal español Suelo solar
“Situación actual de la energía solar fotovoltaica en el mundo según el Plan de
Energías Renovables PER 2011-2020”. La Energía solar fotovoltaica ha
experimentado un crecimiento exponencial en los últimos años, impulsada por la
necesidad que conlleva el uso energético a nivel mundial.
Este crecimiento se ha producido gracias a los mecanismos de fomento de algunos
países, que, como España, han propiciado un gran incremento de la capacidad
global de fabricación, distribución e instalación de esta tecnología.
A finales de 2010, la potencia acumulada en el mundo era de aproximadamente
40.000 MWp según datos de la European Photovoltaic Industry Association (EPIA),
de los cuales cerca de 29.000 MWp, un 72%, se localiza en la Unión Europea. Las
tres áreas de mayor interés en el mundo, según la potencia acumulada, son Europa
(destacando Alemania y España, con más de un 52% del total mundial), Japón y
EE.UU. Japón con cerca de 3.622 MW acumulados y EE.UU. con aproximadamente
2.727 MW representan el 9% y el 6,80% respectivamente de la potencia total.
8
Figura 1 Producción de energía solar tomado de European Photovoltaic Industry Association
A corto plazo es previsible que esta distribución del mercado se mantenga, si bien
hay países que empiezan a despuntar, lo cual hace suponer también que en el
futuro el peso relativo de los países con más potencia no será tan preponderante
como en la actualidad. Así países como Italia, que se convierte en el año 2009 en
el segundo mercado mundial, con 711 MW instalados, y en el año 2010 se estiman
unos 2.321 MW más. En Europa la República Checa que instaló en 2009 411 MW
y en 2010 aproximadamente unos 1.490 MW, y Bélgica 210 MW en 2010. Japón y
Estados Unidos siguen manteniéndose en sus posiciones con 990 MW y980 MW
instalados respectivamente. [8]
Figura 2 Tipos de Energías tomado de gstriaum.com
9
1.3 ENERGIA SOLAR EN LATINOAMERICA
América Latina será uno de los grandes líderes del desarrollo fotovoltaico de la
próxima década, con una previsión de desarrollo de 3.500 MW para 2016, según
datos de la Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica (EPIA). Sudamérica
tiene un doble desafío: Mejorar el suministro de energía a la población y empresas
u al mismo tiempo, reducir el consumo de energía necesario.
Chile, Brasil, México y Perú se están convirtiendo en líderes del mercado en
Sudamérica y el Caribe para energía fotovoltaica gracias su impulso mediante
normas y políticas que facilitan su uso.. Consecuentemente, casi el 70 por ciento
de la demanda fotovoltaica regional se concentraría en esas naciones para 2017
según comenta el analista de NPD Solarbuz, Chis Sunsong. [9]
El norte de Chile es la región con la mayor radiación solar del mundo. El
proyecto Calama Solar 3 es una cooperación entre la empresa española Solarpack
y la mina de cobre estatal CODELCO. Se espera que la instalación produzca en
total 2,69 GW anuales para suministrar electricidad para la minería de cobre.
En Brasil dentro del marco del acuerdo bilateral con EE UU, firmado por los
presidentes Calderón y Obama en 2009 se prevee el desarrollo de redes eléctricas
transfronterizas que incluye la producción basada en energía solar.
En México, inauguraron la primera planta solar-térmica en Sonora, el proyecto
propuso una inversión de 252 millones de dólares a cargo de empresas privadas y
tendrá una capacidad de 650 MW.
En el Alto de la Alianza, región de Tacna (PERU) el desarrollo de un parque
fotovoltaico de 20 MW por la constructora Sanjosé se convirtirá en el primero del
país que inyectará a la red. La planta comenzará a generar energía a finales de
este año, produciendo 45 GW/año.La radiación Solar que recibe la tierra en 10 días
supera la cantidad de energía acumulada de las reservas de combustibles fósiles
estimadas en todo nuestro planeta
En Ecuador funciona la primera planta fotovoltaica a gran escala, ubicada en la
norteña provincia de Imbabura, con una potencia de 998 KW, es un proyecto
desarrollado por la empresa Valsolar Ecuador. La inversión ha sido estimada en
más de 3,5 millones de dólares (2, 75 millones de euros), un 60% aportado a través
de un fideicomiso por el Banco del Instituto Ecuatoriano de Seguridad Social (Biess),
y el resto a cargo de la propia empresa.
10
1.4 ENERGIA SOLAR EN COLOMBIA
Un estudio realizado en el 2010 sobre el recurso Solar en la Ciudad de Bogotá-
Cundinamarca para el diseño de sistemas fotovoltaicos Interconectados
residenciales por el grupo de investigación de energía renovables LIFAE,
Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Bogotá, Colombia. Y el
Departamento de Química, Universidad Nacional, Bogotá, Colombia. Encabezada
por J. Hernández, E. Sáenz, W. A. Vallejo. En este estudio se pretende establecer
las principales características del recurso solar (radiación promedio y variabilidad)
en la ciudad de Bogotá, sin el empleo de estimaciones, centrándose principalmente
en las aplicaciones fotovoltaicas. [4]
En esta investigación se tomaron mediciones de tres estaciones meteorológicas de
la zona urbana, estas se encuentran en Aeropuerto El Dorado, Escuela de
Ingeniería y Departamento de Física de la Universidad Nacional, la cuales cumplían
con las características adecuadas para tomar muestras precisas de radiación solar.
Posteriormente se realizó un análisis estadístico para obtener la radiación mensual
de la ciudad, partiendo de ese resultado se propone un criterio de diseño para
sistemas fotovoltaicos interconectados.
La investigación se planteó inicialmente con 8 estaciones meteorológicas, pero
finalmente solo se tuvieron en cuenta muestras de 3, debido a que no todas
cumplían con la tecnología y precisión requerida para el análisis estadístico.
Teniendo en cuenta que Bogotá D.C posee una superficie de 1.587 Km2 tres puntos
de muestras no permiten un análisis estadístico adecuado. A su vez la nula
colaboración de los entes gubernamentales, complicaría la implantación inicial de
sistemas fotovoltaicos.
Según la investigación “Bogotá no posee un recurso solar abundante, pero sí
dispone de un promedio de radiación solar anual superior al existente en Alemania
y otros países europeos donde la energía proveniente del sol se aprovecha en gran
escala y en donde las variaciones de radiación mensual, debido a la presencia de
estaciones climáticas, son mucho más acentuadas.
Lo anterior nos indica que la ciudad cumple los requerimientos para implementar
sistemas fotovoltaicos interconectados, pero nada de esto es posible sin los
adecuados incentivos por parte del gobierno y/o las empresas del sector eléctrico”.
[4]
A continuación se muestra una tabla donde se muestra la radiación solar en la
ciudad de Bogotá mensual (HSS) con su respectiva desviación estándar y
variabilidad.
11
Tabla 1: Características del recurso solar de Bogotá. Imagen del documento Revista Colombiana de Física, Vol. 42, No. 2
de 2010.
1.4.1 ATLAS RADIACION SOLAR EN COLOMBIA
El Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales, IDEAM, y la Unidad
de Planeación Minero Energética, UPME, que aportan sus recursos técnicos y
administrativos dentro de un convenio marco, firmado en diciembre del año 2002,
para desarrollar actividades conjuntas a fin de favorecer el desarrollo y
aprovechamiento de las fuentes de energía alternativas y renovables en Colombia.
A finales del 2015 generan una investigación formal sobre la radiación solar
mensual del país.
“El Atlas de Radiación Solar brinda información que cuantifica la energía solar que
incide sobre la superficie del país. Para el caso de las zonas apartadas de las redes
nacionales de transporte y distribución de energía. Esta información es necesaria
para el dimensionamiento de sistemas o aplicaciones tecnológicas que a partir de
la energía solar permiten el abastecimiento de energía eléctrica con el fin de
satisfacer diversos requerimientos como iluminación, comunicaciones, bombeo de
agua, señalización o sistemas solares térmicos para el suministro de calor en
12
calentamiento de agua o aire en secadores de productos agrícolas, entre otras
aplicaciones. Igualmente, los mapas son importantes para el diseño de
edificaciones confortables y energéticamente eficientes. Se aporta por primera vez
información solar de Colombia en la banda espectral ultravioleta (UV), radiación
electromagnética de alta frecuencia y peligrosidad, como una importante referencia
para quienes trabajan en la salud (comunidades médicas), el medio ambiente, el
nivel técnico y científico dadas sus repercusiones sobre la vida humana, los
ecosistemas y los materiales, aportando elementos para prevenir sobre los efectos
nocivos de esta radiación en las diferentes zonas del país.” [3]
El atlas de radiación solar se realizó mediante la recolección de la información
medida por el IDEAM como institución encargada de la medición de estas variables
y de la vigilancia del medio ambiente en el orden nacional. Igualmente, el IDEAM
recopiló información proveniente de instituciones de carácter privado como
CENICAFÉ y CENICAÑA, que disponen de redes meteorológicas propias para sus
investigaciones en café y caña de azúcar, respectivamente. La radiación solar global
se realizó la digitalización y evaluación de las gráficas de actinógrafos, obteniendo
los valores de radiación, que se almacenaron mediante hojas de cálculo para su
modelación matemática.
Una limitación de la recopilación de los datos es que para todo el territorio nacional
se realizó mediante el uso 71 estaciones radiométricas lo cual es insuficiente para
establecer un análisis preciso, por la cual se recurrió al modelo de Ångström
modificado, que permite estimar la radiación solar a partir de valores de brillo solar,
donde la red de estaciones es más numerosa (cerca de 383 estaciones).
Adicionalmente, sobre la base de adecuados resultados de correlación mediante un
modelo multivariado, se obtuvieron estimaciones de brillo solar a partir de valores
medidos de la humedad relativa y la diferencia de temperaturas (cerca de 96
estaciones). Esto nos muestra que los resultados poseen un alto porcentaje de
imprecisiones, debido al bajo número de estaciones meteorológicas y la
heterogeneidad que presenta el territorio Colombiano.
El estudio de la investigación concluye que Colombia posee un buen promedio de
radiación solar a lo largo del territorio. A su vez establece la región de la Guajira
tiene potencial para el uso energético enfocado a la energía solar. De esta
investigación también se destaca la región Andina, en la cual se enfocara la
presente monográfica, donde su promedio anual de radiación es de 1.643𝐾.𝑊ℎ
𝑚2
1
𝑎ñ𝑜
.
13
Tabla 2 Tomado de Atlas de radiación solar- Radiación anual por departamentos
1.4.2 MAPAS RADIACION SOLAR EN COLOMBIA:
En el 2015 los mapas de radiación actualizados los cuales fueron generados por el
Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales, IDEAM, y la Unidad
de Planeación Minero Energética, UPME. Muestran un total de 14 mapas –uno para
cada mes del año, uno promedio anual y uno donde se muestran la ubicación de las
estaciones meteorológicas en donde se tomaron las muestras.
Se destaca el uso de estaciones que miden temperatura, humedad y brillo. Estas
estaciones se ubican en tan solo el 50% del territorio nacional. También se destaca
la región norte del país (departamento de la guajira) donde el promedio anual es
superior al del resto.
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Figura 3 Ubicación estaciones Meteorológicas tomado Documento UPME "atlas de radiacion solar 2015"
15
Figura 4 Mapa de radiación solar Tomado de Documento UPME "atlas de radiación solar 2015"
1.5 INSTRUMENTOS DE MEDICION DE RADIACION
El Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales poseen una breve
descripción de las estaciones meteorológicas empleadas en sus investigaciones
sobre radiación. También hace referencia a sus métodos de calibración y modelos
utilizados para la estimación de la radiación solar y sus componentes directa y difusa
sobre una superficie horizontal. [6]
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1.5.1 MEDICION SOLAR
La radiación solar posee un amplio espectro que se puede clasificar en tres rangos
ultravioleta para longitudes de onda desde (0,3 a 0,4) μm, visible desde (0,4 a 0,7)
μm e infrarrojo en el intervalo de (0,7 a 5) μm. Los instrumentos de radiación solar
miden la potencia incidente por unidad de superficie, integrando la energía de las
diferentes longitudes de la onda.
A continuación se muestra una tabla con los instrumentos empleados por la
organización mundial de meteorología OMM. Donde se destaca de tipo de
instrumento, parámetro de medida, empleo principal y el ángulo de visión.
Tabla 3. Instrumento empleado en la actualidad tomado de APENDICE C IDEAM. Atlas de Radiación Solar de
Colombia, 2015
1.5.2 MEDIDA DE RADIACION DIRECTA
La radiación solar directa se mide por medio de pirheliómetros, instrumentos cuya
superficie receptora se dispone perpendicularmente a los rayos solares incidentes.
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Hay varios tipos de instrumentos que la OMM clasifica como patrones primarios y
secundarios. A continuación se describen los dos tipos de pirheliómetros.
Pirheliómetro de cavidad absoluta:
El instrumento posee dos cavidades cónicas idénticas: una externa, que se calienta
al estar expuesta a la radiación solar, mientras la otra cavidad, oculta en el interior
del instrumento, se calienta utilizando energía eléctrica hasta obtener una
temperatura igual a la cavidad externa, asignándose el valor de la energía eléctrica
consumida como el valor de la radiación solar incidente.
Figura 5 Pirheliómetro de cavidad Absoluta, serie PMO-6. Tomado de Radiación solar. IDEAM. Consultado el 24 de Octubre de 2007.
Pirheliómetro Eppley de incidencia normal (montado sobre un seguidor del Sol es
un instrumento que requiere de un dispositivo que le permita seguir el movimiento
del Sol durante su tránsito diurno por el cielo. Este pirheliómetro es muy estable y
puede emplearse como patrón secundario para calibrar otros instrumentos.
En Colombia se emplea, aunque no es de uso generalizado ni permanente.
Figura 6 Pirheliómetro Eppley de incidencia normal (montado sobre un seguidor del Sol) tomado de http://images.slideplayer.es/1/20026/slides/slide_21.jpg
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1.5.3 MEDIDA DE RADIACION SOLAR DIFUSA
Las mediciones de la radiación difusa se realizan con piranómetros cuyo sensor es
sombreado por una banda o disco, de manera que no deja pasar radiación solar
directa. El más tradicional utiliza la banda de sombra en forma de aro, puesto de
acuerdo con la declinación del Sol y la latitud del lugar. De esta manera, el sensor
se protegerá de la radiación directa durante el día. [6]
Figura 7 Piranómetro con banda de sombra para la medición radiación difusa tomado de atlas de radiacion solar apendice C
Tabla 4 Clasificación de piranometros según su clase tomado de atlas de radiación solar apéndice C
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CAPITULO 2: INSTRUMENTO MEDIDOR DE RADIACION
Teniendo en cuenta las investigaciones previas, mencionadas en el capítulo 1, se
tiene indicios positivos sobre el aprovechamiento de la energía solar en todo el
territorio nacional, esto debido al alto promedio anual que se tiene comparado con
otros países del mundo donde el promedio anual se reduce debido a que poseen
estaciones del año. En el presente capítulo se detallara la ubicación, funcionamiento
y ensamblaje del instrumento de radiación.
2.1 UBICACIÓN:
Inicialmente se determina un lugar donde podemos instalar nuestro instrumento de
radiación, para ello se investigó en mapas e información del departamento de
Cundinamarca. La región seleccionada para llevar a cabo las pruebas, será el
departamento de Cundinamarca en la región del alto Magdalena la cual, tiene el
promedio más alto de temperatura en este departamento. Esta región está
constituida por seis provincias Agua de Dios, Girardot, Guataqui, Jerusalén, Nariño
y Nilo donde su temperatura promedio es de 28°C.
Tabla 5 Región del alto Magdalena- Cundinamarca tomado de wikipedia.com
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Figura 8 Imagen mapa del alto Magdalena- Cundinamarca tomado de wikipedia.com
Teniendo en cuenta la información anterior se decide ubicar el instrumento en la
provincia de Nariño con una temperatura promedio de 27°C, en el cual se encontró
un lugar óptimo para instalar todos los equipos, donde se destaca la ausencia de
obstáculos (arboles, construcciones montañas, entre otros) que puedan alterar las
mediciones y a su vez todos los elementos tengan seguridad. A continuación se
muestra una imagen del lugar propuesto.
Figura 9 Lugar de instalación
21
Este lugar queda ubicado en el centro del pueblo de Nariño, la imagen es de un
predio el cual posee un patio trasero de aprox. 200 𝑚2. La propietaria del lugar
autorizo el uso de este lugar para poder realizar las diferentes pruebas.
Posteriormente se realiza una investigación de la época del año en la que se
realizara las pruebas iniciales. Como se muestra en la siguiente figura, la distancia
del sol con respecto a la tierra varía según el mes del año esto debido a la órbita
elíptica de la tierra. [10] A la vista está, la distancia entre el sol y la tierra oscila entre
los 1.017 AU el 4 de Julio (Afelio) y unos 0,983 AU el 3 de Enero (Perifelio). Las
unidades AU son “Unidades Astronómicas” y es la distancia promedio entre el Sol y
la Tierra (150 millones de Kilómetros).
Figura 10 Distancia entre sol y la tierra tomado de: Sun fields
El sol produce una cantidad de energía constante que, en el momento de incidir sobre la superficie terrestre pierde parte de su potencia debido a distintos fenómenos ambientales.
La potencia radiante de 1367 W/m2, denominada constante solar, que llega al Planeta Tierra no es la que finalmente alcanza la superficie terrestre debido a la influencia de los fenómenos atmosféricos, la actividad humana, la forma propia de la Tierra, el ciclo día/noche y la órbita elíptica de la Tierra. A continuación la gráfica
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nos muestra la variación de la constante de radiación dependiendo el mes del año.
[10]
Figura 11 Variación de la radiación solar fuera de la atmosfera terrestre. Tomado de Apéndice B mapa radiación solar
Las pruebas iniciales se realizaron en los días 16 de Junio del 2017 hasta el 16 de
Julio del 2017. Por lo que la radiación máxima alcanzada es de 1310 𝑊𝑚2⁄
aproximadamente, es decir se escoge la distancia más grande entre el sol y la tierra, para poder establecer la radiación solar en el peor de los casos.
10La atmósfera atenúa la radiación solar debido a los fenómenos de reflexión,
absorción y difusión que los componentes atmosféricos (moléculas de aire, ozono,
vapor de agua, CO2, aerosoles, etc.) producen sobre ésta. [10]
Figura 12 Tipos de radiación
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La difusión que se produce debida a la presencia de polvo y a la contaminación del
aire depende, en gran medida, del lugar donde se mida, siendo mayor en los lugares
industriales y en los lugares más poblados. Los efectos meteorológicos locales tales
como nubosidad, lluvia o nieve afectan también a la irradiación solar que llega a un
determinado lugar.
Además de la radiación directa, difusa y de albedo, hay que tener en cuenta que
cuando los rayos solares no inciden perpendicularmente sobre unas celdas
fotovoltaicas, se producen pérdidas por reflexión y absorción en las capas anteriores
a la célula, como el vidrio, encapsulante y capa anti reflexiva. También es necesario
tener en cuenta las pérdidas por suciedad y los efectos espectrales, ya que las
células solares responden selectivamente a los fotones de la luz incidente, es decir,
que para cada longitud de onda de la radiación solar incidente, generan una
corriente determinada. [10]
2.2 FUNCIONAMIENTO:
2.2.1 ESTIMACION DE LA RADIACION SOLAR
A fin de contribuir a realizar una buena estimación de la radiación solar en un área
de interés de una manera sencilla y económica, es que el CEPIS/OPS ha
desarrollado un solarímetro casero. De esta manera, a través del solarímetro casero
es posible estimar datos sobre radiación solar para una zona en particular. En este
Informe Técnico, realizado con el apoyo de la Agencia Suiza para el Desarrollo y la
Cooperación (COSUDE), se exponen los aspectos de su construcción y operación
del solarímetro casero. [7]
Teóricamente, un cuerpo negro capta toda la radiación a la que está expuesta. Sin
embargo, en la práctica sólo se cuentan con cuerpos opacos los cuales solamente
son capaces de captar una parte de la radiación total. No obstante, a partir de
consideraciones termodinámicas es posible emplear estos cuerpos opacos para
estimar la radiación solar instantánea sobre una región determinada. De otra parte,
la energía aprovechable de la radiación solar proviene de la región del espectro
visible e infrarrojo cercano, que son las ondas electromagnéticas que producen el
incremento de la energía interna del cuerpo.
24
2.2.2 DESCRIPCIÓN DEL SOLARIMETRO
Este solarímetro casero determina la radiación solar instantánea. Está construido
con materiales sencillos y de fácil adquisición, compuesto básicamente por un
cuerpo opaco hueco, lleno de agua destilada. En uno de sus extremos cuenta con
un termómetro. A manera de protección para eliminar la influencia del viento, el
cuerpo opaco es sostenido en el interior de una cápsula transparente.
Figura 13 Componentes del solarimetro casero tomado del documento Estimación de radiación solar
Para la estimación de la radiación solar es necesario determinar el plano en que se
encuentre, ya sea un plano horizontal, un plano inclinado o un plano normal
referente a los rayos solares. En este documento destacaremos el plano horizontal.
25
Figura 14 Medición solar en plano perpendicular tomado del documento Estimación de radiación solar
2.2.3 ECUACIÓN DEL SOLARIMETRO
La operación del equipo consiste en medir el tiempo que demanda un incremento
determinado de temperatura. Estos datos se ingresan en la “ecuación del
solarímetro”, para obtener finalmente el valor de la radiación solar instantánea. A
partir de este valor, se determina la cantidad de energía solar diaria mediante la
integración de valores hallados cada hora en el transcurso del día.
La ecuación considera una constante, la cual es propia del solarímetro casero en
cuestión. Esta constante fue determinada a partir de la calibración con un
solarímetro de referencia. La ecuación del solarímetro casero es la siguiente:
Donde:
𝑅[𝑤𝑚2⁄ ] =
𝐽 ∗ ∆𝑇[℃]
𝑡[𝑠]
Ecuación 2.1. Ecuación del solarimetro
R: Radiación solar instantánea (W/m2)
J: Constante del solarímetro
ΔT: Diferencia de temperatura del agua después de tiempo “t” de exposición (ºC)
t: Tiempo de exposición (segundos)
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-Radiación solar instantánea:
Se quiere determinar la radiación instantánea de la ciudad de Bogotá D.C empleado
el solarimetro. Siendo las 4pm la temperatura ambiente es de 22.1°C y se expone
el solarimetro el cual toma un tiempo de 260 segundos para alcanzar la temperatura
de 24.1°C.La constante empleada para este caso es de 64500.
Reemplazando todos los valores en la ecuación del solarimetro (Ecuación 2.1) se
obtiene que:
𝑅 =64500 ∗ 2[℃]
260[𝑠]= 496.15 [𝑤
𝑚2⁄ ]
2.2.4 CALIBRACIÓN DEL SISTEMA:
Para realizar una calibración apropiada y teniendo en cuenta que en el exterior la
variación de la radiación es muy alta , se decide realizar una calibración mediante
focos de halógenos (Figura 14) la cual proporciona una radiación constante
dependiendo la cantidad y la distancia con la cual se interactúa.
Figura 15. Focos halógenos tomado de ferreteriayhosteleria.com
Comparando el espectro electromagnético del halógeno y el del sol (Figura 15) en
la superficie de la tierra, se aprecia que en donde mayor magnitud se presenta es
en la banda visible (400nm-700nm) y el halógeno llega un poco más allá del
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infrarrojo, aunque son similares en la banda del ultravioleta la cual es fundamental
en el efecto fotovoltaico. Teniendo en cuenta estas consideración se procede a
realizar un proceso de comparación entre el solarimetro planteado con uno de
referencia.
Figura 16 Espectro de radiación del sol (Arriba) Espectro de la lámpara halógena (Abajo) tomado de – http://fc.uni.edu.pewww.scielo.org.m
Nuestras medidas de referencia provienen de un piranometro ES2000 debidamente certificado bajo las normas de control de calidad establecidos por la norma ISO9001-2000 estandares, el cual es un dispositivo que se utiliza para medir la energía por unidad de área de la radiación solar incidente de llegar a la zona de detección del medidor. Cuenta con sensor de luz de alta precisión y proporciona una medición precisa y rápida. [21]
28
Figura 17 Piranometro ES-2000
Pantalla 3 - 1/2 dígitos LCD con lectura máxima 1999
Resolución 0,1 W / m 2 , 0.1 BTU / (m 2 * h)
Rango 1.999 W / m 2 , 634 BTU / (ft 2 * h)
Precisión
Normalmente dentro de A± 10 W / m 2 [A± 3 BTU
/ (ft 2 * h)] o A± 5% lo que sea mayor a la luz solar.
Tiempo de muestreo aprox. 0,25 segundos Tabla 6 Especificaciones Pirómetro ES-2000 [21]
-Curva de calibración:
Teniendo el piranometro de referencia el cual asumiremos como el valor verdadero
y con el solarimetro planteado generaremos la curva de calibración la cual nos
permite especificaciones asociadas a la calidad del instrumento. Luego de
determinar la constante de calibración planteada en la ecuación 2.1 (J=65400), en
la gráfica 1 en la línea naranja se observa el comportamiento del ideal del
instrumento, la línea azul muestra el comportamiento del solarimetro generado. La
29
tendencia de las líneas es similar con un bajo error de angularidad. Los focos de
halógeno únicamente permiten alcanzar radiación máxima de 1000 𝑊𝑚2⁄ .
Grafica 1 Calibración del instrumento de medición.
2.2.5 SISTEMA EMBEBIDO
Un sistema embebido o empotrado (integrado, incrustado) es un sistema de
computación diseñado para realizar una o algunas pocas funciones dedicadas,
frecuentemente en un sistema de computación en tiempo real. [22] Este sistema
nos permite el desarrollo y control de todos los dispositivo necesarios para el
funcionamiento completo del instrumento de radiación.
-PSoC 5LP
Para ellos se empleara el Kit de prototipos PSoC 5LP CY8CKIT-059 cuenta con el
dispositivo CY8C5888LTI-LP097 de la familia PSoC 5LP. PSoC 5LP es SoC
programable más integrado de la industria, que combina periféricos
programables análogos y digitales de alta precisión con una CPU ARM® Cortex®-
M3 en un solo chip. El kit proporciona acceso a todo el dispositivo PSoC 5LP en un
formato compatible con protoboard. Cuenta con conector micro-USB para la
0
200
400
600
800
1000
1200
0 200 400 600 800 1000 1200
Val
or
real
Valor verdadero
Valor medido Referencia
30
creación de prototipos con conectividad Full Speed USB 2.0. El kit también está
diseñado con un factor de forma divisible conveniente, permitiendo a los usuarios
separar el conector USB con el programador KitProg y depurador de la placa destino
para utilizarlos de forma independiente. [23]
Fabricante Cypress Semiconductor
RoHS Cumple RoHS
Núcleo ARM Cortex M3
Tipo de interfaz USB
Voltaje operativo 3.3 V a 5.5 V
Marca Cypress Semiconductor
Software compatible PSoC Creator
Descripción/Función CY8CKIT-059 PSoC 5LP prototyping kit
Interfaz I2C, UART, USB
Tabla 7 Especificaciones Psoc 5 LP [23]
Figura 18 a) Psoc 5 LP b) Psoc 5 con tarjeta de desarrollo
31
-Diagrama de flujo:
A continuación se muestra un diagrama general de los procesos realizados en el
Psoc 5 LP empleado para en los procesos requeridos en la medición del instrumento
de radiación.
Figura 19 Diagrama de flujo programa
-RTC
32
El real time clock o reloj de tiempo real es un circuito integrado que mantiene la hora
actual. A su vez, este módulo incorpora una batería para alimentar el dispositivo de
forma independiente, es decir que se puede desconectar la fuente de alimentación
principal y el dispositivo seguirá funcionado sin perder el conteo, además incorpora
un oscilador interno el cual hace que la precisión no se vea afectada a largo plazo,
por lo cual puede mantener segundos, minutos, hora, día, mes y año con una muy
buena precisión. [24]
Figura 20 Modulo RTC tomado de mactronica.com
Voltaje de entrada 3.3V-5V
Chip DS3231
Onda de salida Cuadrada programable
Soporte calendario Hasta el año 2100
Precisión del sensor de
temperatura
± 3 grados
Chip de memoria AT24C32
Capacidad chip de memoria 32K
Tabla 8 Especificaciones Modulo RTC [24]
2.2.6 SENSORES DE TEMPERATURA:
Los sensores empleados para el montaje del solarimetro casero es el Ds18b20.
Esta es una versión impermeable del sensor de temperatura DS18B20. Útil para
cuando se necesita para medir algo lejos, o en condiciones de humedad. La lectura
del sensor es hasta 125 ° C Debido a que la trasmisión de la lectura de temperatura
se hace en protocolo one-wire no hay perdida se señal o inclusión de ruido, incluso
en largas distancias! El DS18B20 ofrece lecturas de temperatura con una resolución
de 9 a 12 bits (configurable) a través de una interfaz 1-Wire,
33
Debido a que cada DS18B20 contiene un número de serie único de silicio, pueden
existir múltiples DS18B20s en el mismo bus 1-Wire. Esto permite la colocación de
sensores de temperatura en muchos lugares diferentes. Las aplicaciones donde
esta característica es útil incluyen HVAC controles ambientales, temperaturas de
detección dentro de los edificios, equipos o maquinaria, y el seguimiento y control
de procesos. [11]
Especificaciones Técnicas
Alimentación 3.0V a 5.5V
Precisión ± 0,5 de -10 ° C a +85 ° C
Rango -55 a 125 º C (-67 ° F a 257 ° F)
Resolución 9 a 12 bits
interfaz 1-Wire requiere sólo un pin digital para la comunicación
Tiempo de respuesta inferior a 750 ms
Cable rojo VCC
Cable Negro GND
Cable Azul DATOS
Diámetro del cable 4 mm
Longitud 90cm
Tabla 9 Especificaciones DS18B20 [11]
Figura 21 Sensor de temperatura Ds18b20 tomado de mactronica.com
Este sensor fue escogido por su impermeabilidad y a su vez por su interfaz one-
wire el cual es un protocolo de comunicaciones en serie. Se basa en un bus, el cual
posee un maestro y varios esclavos de una sola línea de datos en la que se
alimentan. Por supuesto, necesita una referencia a tierra común a todos los
dispositivos. En otras palabras podríamos manejar múltiples solarimetros en un
rango muy amplio con un mismos microcontrolador o sistema embebido.
34
2.2.7 SISTEMA DE REFRIGERACION
Para poder realizar múltiples pruebas con el diseño del solarimetro casero, es
necesario bajar la temperatura del cuerpo opaco, ya que de lo contrario este tomaría
datos erróneos. Teniendo en cuenta que la referencia del dispositivo es la
temperatura ambiente, lo ideal es que el sensor que está midiendo la temperatura
interna del cuerpo opaco este por debajo de la temperatura ambiente antes de iniciar
cada medición.
Para ello se establece que después de cada medida, el sensor se oculta de la
radiación solar y posteriormente se refrigera. Para ello se emplea el uso de celdas
de Peltier.
-Celdas de Peltier
El efecto Peltier es una propiedad termoeléctrica descubierta en 1834 por Jean
Peltier, trece años después del descubrimiento del mismo fenómeno, de forma
independiente, por Thomas Johann Seebeck. El efecto Peltier hace referencia a la
creación de una diferencia de temperatura debida a un voltaje eléctrico. Sucede
cuando una corriente se hace pasar por dos metales o semiconductores conectados
por dos “junturas de Peltier”. La corriente propicia una transferencia de calor de una
juntura a la otra: una se enfría en tanto que otra se calienta. [15]
35
Figura 22 Celda de Peltier tomado de mactronica.com
Especificaciones
Modelo: TEC1-12706.
Dimensiones 40mm x 40mm x 3.6mm.
Corriente de trabajo 4.3-4.6 A (rated 12 v); Imax: 6A.
Voltaje DC12V (Vmax: 15 v corriente de inicio 5.8 A).
Opera a temperaturas 30°C to 70.°C-
Poder de refrigeración Qc max 50-60 w
Tabla 10 Especificaciones celda del Peltier [15]
Para mantener la integridad de la celda Peltier es muy importante disipar bien el
calor generado por ésta, de lo contrario la celda puede dañarse de forma
irremediable. Dependiendo de la disipación de la temperatura de la cara caliente de
la celda, la cara fría baja más su temperatura. En la figura 22 se observa el
funcionamiento de los disparadores en una celda de Peltier
36
Figura 23 Disipadores tomado de CFD_Free_Convection_Peltier_Cooler
Aunque las celdas de Peltier varia rápidamente la temperatura de sus caras es poco
eficiente en relación a la potencia consumida, de tal modo, se realiza un
recubrimiento aislante (Figura 23) para enfriar la recamara donde se incorporara el
cuerpo opaco después de tomada la medición. Esta recamara está hecha de
material aislante; la lámina de corcho y el icopor cumplen con estas características
para mantener la temperatura estable en el interior, funcionamiento similar el de una
nevera portátil. Para optimizar el sistema de refrigeración se emplearon dos celdas
de Peltier, una a 12 voltios y la otra a 5 voltios. La idea es que la celda de 12 V este
junto a la cara caliente de la celda de 5V, aunque se consume un 12% más de
energía, se mejora la velocidad de enfriamiento. Para finalizar, el sistema se le
añadió dos ventilador: el primero junto al disipador de calor para que la temperatura
no suba rápidamente, y el segundo un ventilador más pequeño en la parte interna
de la recamara, para que circule un leve flujo de aire frio en el interior.
37
Figura 24 Sistema de refrigeración
2.2.8 SEGUIDOR DE SOL:
Para que se emplee la ecuación (EC. 2.1) del solarimetro es necesario que este se
encuentre en un plano perpendicular a los rayos del sol como se muestra en la figura
24, por tal motivo es necesario incorporar un seguidor de sol el cual asegure la
perpendicularidad del sensor. A su vez, si se implanta el uso de paneles solares, el
seguidor de sol optimizaría el recurso solar y posteriormente se usarían paneles
solares de menos potencia. Lo cual garantiza un instrumento más pequeño y
versátil.
Para el cálculo de la producción energética de una instalación fotovoltaica es
fundamental conocer la irradiación solar en el plano correspondiente a la instalación
y la trayectoria solar en el lugar en las diferentes épocas del año. La situación del
sol en un lugar cualquiera viene determinada por la altura y el azimut del sol. [10]
38
Figura 25 Trayectoria del sol tomado de Sun fields
Cuanto más perpendicular se encuentra el sol con respecto a la superficie terrestre
(es decir, cuanto menor valor del ángulo cenital) menor es el camino que recorre la
radiación solar a través de la atmósfera. Por el contrario para ángulos cenitales
mayores (menor altura solar) el camino a recorrer por la radiación solar en la
atmósfera es mayor, lo que implica que la intensidad de la radiación solar que llega
a la superficie terrestre es menor. [10]
39
Figura 26 Irradiacion Anual Recibida tomado de Sun Fields
En la figura anterior se muestra un ejemplo de gráfico donde se aprecia el tanto
porcentaje de irradiación que recibirá un panel solar en función de su desviación
respecto al sur (azimut del panel) y su ángulo de inclinación. En el ejemplo de la
figura, podemos ver que una instalación fotovoltaica con un azimut de 45º (positivos
pues es hacia el Oeste), representados por la línea de puntos que une el centro con
los 45º, y con una inclinación de 30º (donde corta la línea de puntos con la
circunferencia de los 30º), nos sale en la zona de mayor radiación, por lo que
40
desviaciones de hasta 45º no afectan demasiado a la producción. En nuestro
ejemplo, hablaríamos de, en torno, a un 90% de radiación recibida durante el año.
Este tipo de gráficos deben estar adaptados a cada latitud, pues en función de esa
latitud hay variaciones importantes. [10]
-Hora solar:
La hora solar o solar verdadera es el intervalo entre dos pasos sucesivos del Sol
por el meridiano. Puede ser medido con un reloj de sol, y se corresponde con el
amanecer, el mediodía o el anochecer: se basa en lo que es posible observar de
manera directa. [12] Esta hora solar es diferente a la hora oficial, es decir, no en
todos los casos cuando son las 12 del mediodía en nuestra hora oficial, el Sol está
en el cénit (lo más alto); esto debido a la órbita elíptica de la tierra y su inclinación.
Figura 27 Analema en el hemisferio norte tomador de wikepedia.com
En la figura 26 anterior se observa la curva que describe la posición del son en el
cielo si todos los días del año se lo observara a la misma hora del día y desde el
mismo lugar de observación
A continuación se presenta una fórmula para poder calcular la hora de solar real
esta nos da un ángulo optimo a diferentes horas del día, dependiendo el lugar, día
del año en el que se ponga el seguidor del sol.
41
𝜔 = 15 ∗ (𝑇𝑂 − 𝐴𝑂 − 12) + ∆𝜆 +𝐸𝑜𝑇
4
Ecuación 2.2. Hora solar real
ω: hora solar real [º]
TO: hora oficial [h]
AO: adelanto oficial por horario de verano [h]
∆corrección por huso horario [º]
EoT: Ecuación del tiempo (día solar real y día solar medio) (min)13
-Ecuación del tiempo
Se define como la diferencia entre el tiempo solar medio y el tiempo solar aparente.
Esta diferencia varia a lo largo del año. A continuación se presenta la ecuación
empírica que la describe en función del día del año.
𝐸𝑜𝑇 = 229.18 ∗ (−0.0334 ∗ sin(𝑀) + 0.04184 ∗ sin (2 ∗ 𝑀 + 3.5884))
Ecuación 2.3. Ecuación del tiempo
Grafica 2 Ecuación del tiempo en función del día del año
42
Teniendo la hora solar podemos determinar el ángulo exacto del sol en diferente
hora, lugar y dial del año. En la figura 27 se muestra un estimado ideal del
desplazamiento del sol dependiendo de la hora año; en este él se ve una variación
aproximada de 15° por cada hora.
Figura 28 Desplazamiento del sol en el transcurso de un día tomado de http//ingenieria.anahuac.mxboletinimages201004
2.2.9 DISEÑO DE ESTRUCTURA
-Solidworks:
Teniendo en cuenta las necesidades del instrumento de medición, se emplea el uso
de un software CAD (diseño asistido por computadora) para un modelamiento
mecánico en 3D. Este programa denominado Solid Works permite el modelamiento
de piezas y conjuntos y extraer de ellos planos técnicos como otro tipo de
información necesaria para la producción. [14]
Solidworks nos permite estimar el tipo de material y características de motores
para emplear.
43
Figura 29 Solid Works. Tomado de dailymotion.com
Figura 30 Solid Works, sistema de refrigeración
-Materiales a usar
Teniendo en cuenta de que el solarimetro va a estar en un lugar expuesto al medio
ambiente, factores como la lluvia, insectos, entre otros; deben de tenerse en cuenta
para la conservación del solarimetro en óptimas condiciones. Para la estructura
principal se consideró el uso de un material resistente de fácil trabajo y a su vez
44
resistente al agua e insectos, por tal motivo se diseñó en madera impermeable la
cual se le inyecta una bacteria la cual evita que se dañe con la humedad del
ambiente.
Figura 31 Estructura principal
En cuanto a los tornillos y uniones empleadas se usó una campa de antioxidante,
para que estos no se dañen a causa de la oxidación del medio ambiente.
-Motores pasó a paso:
Figura 32 Motor paso a paso
45
Los motores paso a paso (Figura 31) permiten el movimiento preciso del ángulo del
seguidor del sol, adicionalmente expone u oculta el sensor de radiación. Para poder
controlarlos se requiero el uso de un driver, para esta situación se usó el driver
A4988. El driver permite emplear motores con tensiones de 8 a 32 voltios a su vez
se emplea únicamente tres señales provenientes del Psoc:
STEP: Se le envía una señal cuadrada con la cantidad de pasos.
DIR: Si es un uno lógico gira a la derecha, si es cero hacia la izquierda
ENABLE: Permite que el driver pueda enviar corriente al motor
Figura 33 Driver A4988 tomado de electronilab.com
2.2.10 ALIMENTACION DEL SISTEMA
La alimentación de todos los sistemas antes funcionados, se conforma por un
sistema fotovoltaico y con una fuente de respaldo, por si existe épocas prolongadas
de inverno.
Un sistema fotovoltaico es un conjunto de dispositivos que aprovechan la energía
producida por el sol y la convierten en energía eléctrica. Los sistemas fotovoltaicos
se basan en la capacidad de las celdas fotovoltaicas de transformar energía solar
en energía eléctrica (DC). En un sistema conectado a la red eléctrica esta energía,
46
mediante el uso de un inversor, es transformada a corriente alterna (AC), la cual
puede ser utilizada en hogares e industrias. La generación de energía eléctrica
dependerá de las horas que el sol brille sobre el panel solar y del tipo y cantidad de
módulos instalados, orientación, inclinación, radiación solar que les llegue, calidad
de la instalación y la potencia nominal. [17]
Los componentes más simples para un sistema fotovoltaico lo constituyen tres
elementos:
Panel solar
Controlador o regulador
Batería DC
Para poder dimensionar la capacidad necesaria de un sistema fotovoltaico,
debemos tener en cuenta la cantidad de energía y tiempo que va a emplear el
sistema, para nuestro caso son todos los componentes del instrumento de radiación.
En la tabla 11 Se muestra el consumo detallado de cada dispositivo empleado en el
instrumento de medición de radiación. A su vez, se logra calcular la energía
necesaria para dimensionar los paneles solares y las baterías.
Calculo de los paneles solares
Item Voltaje(V) corriente(mA) Potencia(mW) Tiempo(h) Energia(Wh)
Psoc 5 50 250 24 6
Motores 12 200 2400 12 28,8
Celda12v 12 3000 36000 0,8 28,8
Celda5v 5 1200 6000 0,8 4,8
Ventiladores 12 150 1800 0,8 1,44
Total 69,84 Wh
Marg. Seguridad (%) 20 83,808 Wh
Rendimiento batería 0,9 93,12 Wh
HSS 5,25 17,74 Wh
PR(Fact. global) 0,9 19,708 Wh
Paneles (W) 10 2,0 No. Tabla 11 Cálculo del sistema fotovoltaico
Teniendo en cuenta la energía empleada por cada carga y su tiempo de uso se
concluye el consumo por día es de 69.89 Wh y se requiere:
Módulos Solares con una Potencia de: 20 Vatios (Wp)
47
Batería(s) con una Capacidad de: 10 Ah a 12 Voltios (V)
Un Controlador Solar con mínimo: 2 Amperios (A)
-Panel solar
Es un elemento que utiliza la energía proveniente del sol para transformarla en
energía eléctrica. Estos dispositivos están compuestos por celdas solares hechas
de silicio cristalino, el cual tiene la propiedad de convertir la radiación solar en
electricidad. Cuanto mayor sea el panel, mayor será la energía que recibe del sol y
por ende mayor será la generación de electricidad.
Existen varios tipos de paneles solares, pero en este documento solo nos
encargaremos en los fotovoltaicos los cuales son los descritos con anterioridad.
Para cubrir la demanda del sistema se requiere módulos solares con una potencia
de 20 W; para ello se decide usar dos paneles de 10W en paralelo con las siguientes
características:
Potencia (W en prueba+-10%) 10W
Corriente Punto de máxima potencia(Imp): 0.61A
Tensión Punto de Máxima potencia(Vmp): 16.3V
Corriente corto Circuito(Isc): 0.68A
Tensión en Circuito abierto(Voc): 20.7V
Máxima tensión del sistema: 600V
Tabla 12 Especificaciones panel solar 20W tomado de erasmus.com
48
Figura 34 Panel solar 10W a 12 V
-Controlador:
Un regulador solar (o de carga) es un dispositivo encargado de controlar
constantemente el estado de carga de las baterías así como de regular la intensidad
de carga con el fin de alargar la vida útil de las baterías. Controla la entrada de
corriente proveniente del panel solar y evita que se produzcan sobrecargas y
descargas profundas en la batería. [18]
Figura 35 Controlador de carga 10 A 12/24 tomado de energiaymovilidad.com
49
Corriente de carga máxima: 10A
Modo de Carga: PWM
Carga flotante: 13.7V/27.4V
Carga de alta intensidad: 14.5V/29V
Funciones adicionales: Temporizador
Tabla 13 Especificaciones controlador de carga [18]
-Batería:
La energía recolectada por los módulos fotovoltaicos, se almacena en la batería DC
(corriente directa) Figura 35. Para los sistemas fotovoltaicos es recomendable usar
baterías de descargas profunda, las cuales permiten bajar su tensión nominal más
allá del 80% sin que tengan daños irreversibles. En nuestro caso se hace uso de
una batería de 12V-10Ah pero de plomo, esto implica que la tensión no debe bajar
más de 9.7 voltios para evitar daños. Para proteger esta batería, el Psoc mediante
el conversor ADC , monitorea la tensión de la batería y si esta es inferior a 11.70V
, conmuta un relé el cual pone a funcionar la fuente de respaldo , la cual es una
fuente conectada a una fuente AC (corriente alterna).
Figura 36 Batería DC 12V-10Ah
2.3 SISTEMAS DE PROTECCION
50
Al tomar medidas en medio de un lugar despejado, y en altas temperaturas, permite
la posibilidad de que existan fuertes lluvias e insectos, que puedan alterar o dañar
el funcionamiento del instrumento de medición. Para ello se decide realizar un
aislamiento y un sistema que detecte las lluvias para evitar algún percance en sus
largos tiempos de medición.
2.3.1 SENSOR DE LLUVIA:
Este Sensor (Figura 36) permite detectar gotas de lluvia, como un sensor de lluvia,
y seguimiento de humedad y se puede utilizar para una variedad de condiciones
climáticas. Convierte en números la señal de referencia de salida output AO. La
salida analógica puede ser conectada al puerto AD de un microcontrolador para
detectar la intensidad de la humedad y la precipitación.
Este módulo consiste en una serie de pistas conductoras impresas sobre una placa
de baquelita. La separación entre las pistas es muy pequeña. Lo que este módulo
hace es crear un corto circuito cada vez que las pistas se mojan. El agua hace que
se cree un camino de baja resistencia entre las pistas con polaridad positiva y las
pistas conectadas al GND. [19]
Posee un amplificador operacional, específicamente el circuito integrado LM393.
Este es el encargado de amplificar el pequeño diferencial de voltaje que se general
cuando una gota de agua cae sobre las pistas del módulo. [19]
51
Figura 37 Detector de lluvias tomado de electronilab.com
2.3.2 ASILAMIENTO CONTRA LLUVIA
En la 2.2.9 (Materiales a usar) se vio algunos materiales empleados para evitar
daños contra humedad e insectos en la estructura principal. En esta sección se
detalla los elementos utilizados para proteger los elementos electrónicos como son
motores, sensores, Sistema embebido entre otros.
Inicialmente se empleó una cubierta de plástico aislante de agua (Figura 37), en
esta caja se protege la batería, el controlador, el circuito de potencia y el Psoc.
En la parte superior se puso el sensor de detección de lluvia el cual cortara la
alimentación hacia los motores.
52
Figura 38 Caja de protección
La recubierta empleada para asilar el sensor de radiación con el viento es recubierta
con empaque de caucho y silicona líquida para evitar filtraciones internas dentro de
la recamara de refrigeración. En el caso de los motores paso a paso, se realizó una
recubierta de plástico (Figura 37).
Figura 39 Protección a motores
53
CAPITULO 3 RESULTADOS:
En el presente capitulo se evidencia los resultados obtenidos con respecto a lo
planteada en el capítulo 2, se llevara a cabo un análisis de estos y se determinara
si la energía solar en el departamento de Cundinamarca, específicamente en el alto
magdalena, es viable.
Inicialmente se mostrara el instrumento de medición de radiación, luego los
resultados obtenidos por este y finalmente un análisis detallado de la irradiación
solar diaria, la cual será efectuada mediante la integración de la curva de radiación
por el método del trapecio.
3.1 INSTRUMENTO DE MEDICION:
Figura 40 Diagrama de bloques del instrumento
54
Reuniendo todos los componentes mencionados en el capítulo 2 se genera un
instrumento de medición de radiación (Figura 40) capaz de tomar medidas en un
periodo largo de tiempo de manera autónoma con programación de toma de
medidas hasta de 15 minutos, este posee visualización del reloj y datos en una
LCD 16x2 o visualización UART. El instrumento logra trabajar en climas extremos,
con sistemas de protección a lluvias y animales presentes en el entorno de trabajo.
El almacenamiento es de 500 datos, con posibilidades de una ampliarlo con una
memoria USB. Su fuente de alimentación de 12VDC cargado con panel solare de
20W, con una fuente conectada a la red de respaldo.
55
Figura 41 Instrumento de medición de radiación a) Frontal abierto b) Lateral c) Frontal cerrado
Especificaciones
Pantalla LCD 16x2 o UART
Núcleo ARM Córtex M3
Resolución 1 W / m 2
Rango 107-1.999 W / m 2
Precisión
Normalmente dentro de A± 1 W / m 2
Tiempo de muestreo aprox. 15 minutos
Fuente Batería de 12VDC/10Ahconectado a panel solare
20W
Memoria 2000KB-Memoria extraíble (opcional)
Consumo 125mW modo reposo
44.76W modo operación
Dimensiones Estructura: 55cm*60cm*56cm
Caja control: 25cm*30cm*14cm
Modulos Detector de lluvia, RTC, controlador fotovoltaico Tabla 14 Especificaciones Instrumento de medición de radiación fuente propia
3.1.1 REGISTRO DE RADIACION
En la primera revisión del instrumento el día 20 de junio del 2017 se realizó una
comparación de las medidas tomadas con el piranometro de referencia, en la cual
se muestra en la siguiente gráfica:
56
Grafica 3 Curva de radiación 20 de Junio
MED 220 330 560 1001 930 1202 940 1300 1204 1158 980 460 153
REF 202 350 572 1102 892 1262 952 1281 1121 1150 928 462 220
%ERR 8,91 5,7 2,1 9,17 4,26 4,754 1,26 1,48 7,4 0,7 5,6 0,4 30 Tabla 15 Datos de radiación 20 de Junio
En la tabla 15 se observamos los datos empleados para generar la curva de
radiación del día 20 de junio en la cual el porcentaje de error promedio de todas las
mediciones es del 6.32%, lo cual es un valor tolerable teniendo en cuenta que en
este mes se presentan días nublados y afectan la medición del piranometro de
referencia.
3.2 OBTENCION DE LOS DATOS DE RADIACION
Los datos recolectados por el instrumento de medición de radiación mostrado en la
tabla 16 tomados durante un mes, desde el 16 de junio al 16 de julio del 2017 donde
nos muestra el dato de radiación tomado durante cada hora del día (desde las 6:00
am hasta las 6:00pm hora local). En estos datos medidos en 𝑊𝑚2⁄ , con un valor
máximo 1304 𝑊𝑚2⁄ y uno inferior de 107 𝑊
𝑚2⁄ el cuál corresponde cuando pasan
más de 20 minutos y la temperatura interna del cuerpo opaco no genera un
diferencia igual a 2.0°C . En el caso de los valores que están en “0” nos indica que
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
IRR
AD
IAC
ION
HORA
Curva de radiacion
MEDIDO Referencia
57
a esa hora del día había una lluvia intensa, por lo que el instrumento apagaba todos
sus sistemas para evitar daños por corto circuito o lluvias eléctricas.
Radiación en Nariño- Cundinamarca medición en W/m2
D/H 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
15
16 0 0 0 751 107 107 230 890 906 708 401 330 220
17 198 230 440 890 1100 1203 1210 1280 1130 720 610 310 260
18 107 107 107 307 840 1202 940 1298 1204 1158 980 460 153
19 0 0 0 340 405 890 908 250 150 0 0 0 0
20 220 330 560 1001 930 1202 940 1300 1204 1158 980 460 153
21 107 520 980 1130 1288 1304 900 840 350 189 107 107 107
22 107 210 348 322 487 890 901 872 705 842 536 107 107
23 107 186 392 448 440 360 628 940 800 862 1137 107 0
24 0 0 0 107 1226 1120 1032 1120 1002 920 860 0 0
25 0 0 0 107 1017 1109 1002 307 907 107 0 0 0
26 107 107 107 448 532 802 1022 826 0 0 107 107 0
27 107 428 0 107 107 248 650 748 682 107 107 291 107
28 0 0 0 107 407 1089 920 1001 1072 820 643 322 107
29 107 107 234 526 820 910 972 998 824 907 578 437 198
30 203 381 420 530 311 582 702 803 920 741 741 420 107
1 107 107 234 289 371 481 623 434 743 437 403 107 0
2 0 0 0 0 0 107 234 563 836 702 501 447 201
3 0 0 0 0 0 0 107 509 403 593 637 342 290
4 231 367 620 790 1004 1210 1017 921 1004 890 401 522 322
5 0 0 107 107 197 341 224 223 107 0 0 0 0
6 0 0 107 0 0 107 202 543 631 702 532 432 301
7 0 107 107 243 340 590 620 407 107 0 0 0 0
8 203 420 620 760 890 540 107 0 0 0 0 0 0
9 0 107 290 470 430 601 1001 1102 980 820 730 320 201
10 0 0 107 152 237 563 702 902 1121 830 430 236 189
11 123 230 410 549 980 880 920 1120 890 872 541 422 107
12 360 832 652 431 837 991 572 731 271 0 0 107 107
13 272 480 890 928 630 365 210 420 891 752 522 434 372
14 107 107 341 243 632 712 1032 893 632 432 562 341 107
15 401 523 897 934 831 541 907 0 0 0 0 0 0
16 460 970 920 1132 843 1014 723 832 941 1024 632 543 411 Tabla 16 Comparación de radiación
58
3.3 IRRADIACION SOLAR DIARIA
3.3.1 HSS
La hora solar estándar es equivalente a la energía generada con una radiación solar
de un kilovatio sobre una superficie de un metro cuadrado durante una hora. Dado
que en los procedimientos de diseño de sistemas fotovoltaicos se parte siempre de
los datos de radiación promedio mensuales, [4] se requiere tomar todos los valores
de irradiación instantánea generados por el instrumento de medición y expresarlo
en HSS.
1𝐻𝑆𝑆 = 1𝐾𝑊ℎ𝑚2⁄
Ecuación 3.1: Hora de sol estándar
Teniendo en cuenta los datos recolectados de irradiación de solar diaria en un
plano perpendicular de la tabla 16 se determina la cantidad de radiación diaria
mediante la integración de la curva por el método del trapecio empleando la
siguiente ecuación;
𝐻𝑑 = ∑ ⌊(𝑅𝑛 + 𝑅𝑛+1) ∗ (𝑡𝑛+1 − 𝑡𝑛)
2⌋
𝑛−1
1
Ecuación 3.2: Integración por método del trapecio
Donde:
Hd : Radiación solar diaria (Wh/m2)
Rn : Radiación instantánea (Wh/m2)
tn: tiempo (horas ) para la medición “n”
n : Numero de medidas de radiación obtenidas
Tomando los datos tomados de día 20 de junio generamos la curva de radiación
correspondiente. Para el presente caso n=13, entonces:
𝐻𝑑 =(𝑅2 + 𝑅1) ∗ (𝑡2 − 𝑡1)
2+
(𝑅3 + 𝑅2) ∗ (𝑡3 − 𝑡2)
2+ ⋯ +
(𝑅13 + 𝑅12) ∗ (𝑡13 − 𝑡12)
2
Reemplazando:
59
𝐻𝑑 =(330 + 220) ∗ (7 − 6)
2+
(560 + 330) ∗ (8 − 7)
2+ ⋯ +
(153 + 460) ∗ (18 − 17)
2
𝐻𝑑 = 10251.5 𝑊ℎ𝑚2⁄
DIA HSS σ*
HSS V%
16 4,54 0,343 15,09
17 9,352 0,419 8,962
18 8,733 0,482 11,04
19 2,943 0,331 22,5
20 10,2515 0,404 7,887
21 7,822 0,479 12,24
22 6,327 0,318 10,05
23 6,3535 0,357 11,24
24 7,387 0,539 14,58
25 4,556 0,466 20,48
26 4,1115 0,362 17,63
27 3,582 0,258 14,4
28 6,4345 0,44 13,68
29 7,4655 0,341 9,142
30 6,706 0,246 7,346
1 4,2825 0,219 10,24
2 3,4905 0,299 17,14
3 2,736 0,25 18,31
4 9,0225 0,321 7,116
5 1,306 0,115 17,58
6 3,4065 0,264 15,5
7 2,521 0,227 18,01
8 3,4385 0,331 19,22
9 6,9515 0,361 10,38
10 5,3745 0,369 13,74
11 7,929 0,345 8,709
12 5,6575 0,342 12,09
13 6,844 0,244 7,142
14 6,034 0,302 10,02
15 4,8335 0,405 16,76
16 10,0095 0,231 4,612
PROMEDIO 5,81940323 0,336 13 Tabla 17 Características del recurso solar
60
3.3.2 VARIABILIDAD
El recurso solar se define a partir de los promedios mensuales de la radiación solar
(H expresada en HSS) y de la respectiva desviación estándar asociada (σ
expresada en HSS). Estas variables indican la disponibilidad y la variabilidad del
recurso solar en cada estación o punto de medida respectivamente[25]. La
variabilidad (V) se define como:
𝑉 = 2𝜎𝐻⁄
Ecuación 3.3: Variabilidad
Comparando los resultados obtenidos en la tabla 17 de los niveles de variabilidad
del recurso solar en Nariño- Cundinamarca respecto a los presentes en otros sitios
ubicados en diferentes puntos del globo terráqueo con condiciones climáticas
totalmente diferentes entre sí. En la tabla 18 se listan los promedios anuales de los
parámetros de radiación para estos punto a analizar. [26-29]
Lugar HSS σ*
HSS V%
Madrid 4.50 0.12 5.33
Argel 4.20 0,12 5.71
Yakarta 3.58 0,18 10.03
El Moralito 4.34 0,23 10.39
Ammassalik 2.63 0,085 6.364 Tabla 18 Características del recurso solar de estaciones meteorológicas utilizadas como parámetro de comparación.
Los datos de radiación solar medidos en cada una de los puntos analizados
permiten verificar que la variabilidad mensual presenta variaciones muy diferentes
entre sí, pero la variabilidad anual observada en todos los casos es muy similar y
no llega a superar el 12%. Este resultado no indica que la variabilidad es inherente
al comportamiento aleatorio que la incidencia de la radiación solar presenta en
muchas regiones del mundo, y por tal razón es un fenómeno general que no es
propio de un área geográfica determinada ni de un régimen climático determinado.
[4]
61
3.4 ANALISIS CONSUMO ENERGETICO
3.4.1 ANÁLISIS EN EL MUNICIPIO DE NARIÑO
Se desea realizar un análisis del consumo energético en el municipio evaluado, en
este caso el municipio de Nariño-Cundinamarca. Para ello, se mostraran algunos
informes dispuestos por la empresa de Energía de Cundinamarca del año 2011-
2012 en la cual detalla el consumo promedio anual y suscripciones (No. De clientes).
En la tabla 19 se detalla el consumo total de energía eléctrica incluyendo clientes
residenciales, comerciales, industriales, oficial y alumbrado público. Teniendo en
cuenta que la información más reciente es del año 2012 se realizó una estimación
para el año vigente (2017) empleando proyecciones de la demanda de energía
eléctrica en Colombia [31] realizada en marzo del 2013 por la unidad de planeación
minero energética con el aval del ministerio de minas y energía. En aquel texto
podemos establecer dos parámetros fundamentales, el primero es el crecimiento de
la población, para nuestro caso, la cantidad de suscripciones la cual se aproxima al
9% en 5 años. El segundo es el consumo energético promedio de cada región, para
este caso se proyectó un aumento del 2,5%(Figura41).
Figura 42 Escenario medio de proyección de demanda nacional de energía eléctrica y tasa de crecimiento. Tomado de Proyección de Demanda de Energía Eléctrica en Colombia
62
Nariño SUSCRIPCIONES CONSUMO ANUAL
KWh CONSUMO DIARIO
KWh
2012 1065 1.902.288 5.211,7
2017 1161 2.016.425 5.524,5
Total 5.524 KWh Diarios
Eficiencia 0,6 9.207 KWh Diarios
HSS 5,5 1.674 KWh Diaria Tabla 19 : a) Suscriptores y consumo de energía eléctrica Nariño b) Análisis de un sistema fotovoltaico
Analizando los datos obtenidos del año 2012, y la proyección hacia el año 2017
establecemos que el gasto energético promedio del presente año en el municipio
de Nariño es de 5524.5 KWh por día. Proponiendo la instalación de una planta
fotovoltaica con una eficiencia del 60% y con un potencial energético solar (HSS)
cercano al 5,5 KWh/m2, sería necesario una planta con una potencia nominal de
2 MW con un producción media anual de 4 GWh.
3.4.2 ANÁLISIS EN LA REGIÓN DEL ALTO MAGDALENA
Municipio Suscripciones Consumo Anual
(KWh) Consumo Diario
(KWh)
Girardot 33472 102.928.215 281.995,1
Agua de Dios 4295 9.552.405 26.171,0
Guataqui 74 70.155 192,2
Jerusalen 577 746.733 2.045,8
Nariño 1065 1.902.288 5.211,7
Nilo 1448 3.953.478 10.831,4
Tocaima 5256 10.973.106 30.063,3
Ricaurte 4729 16.183.755 44.339,1
Total 50916 146.310.135 400.849,7 Tabla 20 Suscriptores y consumo de energía eléctrica Alto magdalena 2012
Aprovechando el recurso solar de la región del alto magdalena y analizando el
consumo energético, similar al realizado al del municipio de Nariño, se establece el
consumo del presente año, en el cual se destaca el consumo del municipio de
Girardot el cual se aproxima al 298.9MWh. Teniendo en cuenta el gasto energético
63
de los 8 municipios de esta región el consumo total es de 424.9 MWh. Para este
caso se necesitaría una planta fotovoltaica con una potencia nominal 130MW con
una producción media anual de 260 GWh. (Tabla 21)
Municipio Suscripciones Consumo Anual
(KWh) Consumo Diario
(KWh)
Girardot 36484 109.103.908 298914,8
Agua de Dios 4682 10.125.549 27.741,2
Guataqui 81 74.364 203,7
Jerusalen 629 791.537 2.168,6
Nariño 1161 2.016.425 5.524,5
Nilo 1578 4.190.687 11.481,3
Tocaima 5729 11.631.492 31.867,1
Ricaurte 5155 17.154.780 46.999,4
Total 55498 155.088.743,1 424.900,7
Total 424.901 KWh Diarios Eficiencia 0,6 708.168 KWh Diarios
horas de sol 5,5 128.758 KWh Diaria Tabla 21 a) Suscriptores y consumo de energía eléctrica Alto magdalena 2017 b) Análisis de un sistema fotovoltaico
Los costos de los paneles solares de silicio cristalino se han reducido de forma
constante en el transcurso de los años, iniciando su comercialización de 1977 con
un valor estimado de 76,67$/Wp hasta llegar al valor de 0,30 $/Wp en el 2015. Esta
reducción se debe al incremento de la demanda y fabricación de los paneles. Esta
tendencia sigue la llamada Ley de Moore donde los precios de los módulos solares
descienden un 20% cada vez que se duplica la capacidad de la industria
fotovoltaica. (Grafica 4).
64
Grafica 4 Precio de las celulas fotovoltaicas de silicio cristalino en ($/Wp) Tomado de Bloomberg New Energy Finance & PV Energy Trend
Actualmente la construcción de una planta solar fotovoltaica de gran capacidad a
partir de 1 MW con el propósito de venta al distribuidor eléctrico con un contrato a
largo plazo. La tarifa de venta en este caso seria 0,05 - 0,07 Eur por kilovatio por
hora (175.6$ COP), el costo promedio actual en Colombia es de 446.74$ COP. El
coste de la construcción de la planta varía entre 1 y 1,2 Eur por 1W de capacidad,
una planta solar de 1MW tendría un coste de construcción de 1 000 000 - 1 200 000
Eur. La ganancia adquirida de tal inversión en plazo anual estaría entre 125 000 y
160 000 Eur al año. Teniendo en cuenta que la demanda es garantizada. [32]
Planta Capacidad(MW) Costo (Mill.Eur) Predios(Mill.Eur) TOTAL(Mill.Eur)
Nariño 2 2,4 1,091 3,491
Alto magdalena 130 156 79,158 235,158
Tabla 22 Inversión aproximada para plantas fotovoltaicas
Según los datos de la tabla 22 se presentan dos casos para utilizar el recurso solar
en la región. Para una planta fotovoltaica en Nariño es necesario una inversión
aproximada de 3,491millones de euros y para una planta en el alto magdalena, sé
65
requiere una inversión de 235,158 millones de euros. Se debe tener en cuenta que
esto es una aproximación la cual está sujeta al terreno, permisos y accesos donde
se desee establecer una planta fotovoltaica.
3.4.3 PROYECTOS DESTACADOS
Un proyecto destacado es la planta fotovoltaica “EL ROMERO SOLAR” ubicada en
desierto de Atacama (Chile) con un tiempo de construcción de 13 meses. Con una
capacidad de 246 MWp de potencia pico equivalente a 240 000 hogares chileno y
80 MW de su capacidad destinada a suministrar al centro de datos de Google en el
país. Es capaz de generar anualmente unos 493 GWh de energía limpia, evitando
la emisión a la atmósfera de unas 474.000 toneladas de CO2 en centrales de
carbón. En su conjunto, la planta cuenta con 776.000 módulos fotovoltaicos de silicio
policristalino que totalizan una superficie de captación solar de más de 1,5 millones
de m2, equivalente a 211 campos de fútbol profesionales. Los paneles van
instalados sobre estructuras metálicas estáticas que, alineadas, sumarían 196 km.
(Figura 42).
Figura 43 Planta fotovoltaica EL ROMERO SOLAR tomado de Acciona-energía
66
3.5 CONCLUSIONES:
A nivel mundial el uso de energías limpias, renovables y alternativas se ha
convertido en una necesidad a causa del impacto ambiental que las fuentes
convencionales han generado. Aunque en Colombia el 67% de la capacidad
energética proviene de las hidroeléctricas, un 29% proviene del uso del gas,
carbón, ACPM, entre otros. Los cuales generan un gran daño ambiental a
nuestros ecosistemas. En cuanto a la energía solar en Colombia los estudios
se han limitado al desarrollo de mapas de radiación para todo el territorio
nacional, donde no se encaminan a cada zona geográfica, donde se pueda
emplear este recurso.
El desarrollo de un instrumento de medición de radiación, permite realizar un
estudio más profundo del recurso solar presente en determinada zona
geográfica. El instrumento realizado en el presente documento genera la
posibilidad de captar información de radiación de manera autónoma en un
periodo de tiempo largo, lo que permite generar una base de datos precisa,
esencial en el planteamiento de un sistema de fotovoltaico.
Analizando la base de datos recopilada por el instrumento de radiación, se
determina que en las provincias del alto magdalena ubicadas en
Cundinamarca-Colombia, es viable el uso de sistemas fotovoltaicos debido a
un buen potencial energético solar en todo el territorio, con un promedio diario
cercano a 5,8 KWh/m2 propicio para un adecuado aprovechamiento.
Teniendo en cuenta ese potencial energético solar y el consumo energético
de la región, se puede dimensionar una planta fotovoltaica de 2MW con un
costo aproximado de 3,491 millones de euros para el municipio de Nariño o
una planta de 130MW con un costo aproximado de 235,158 millones de euros
para toda la región del alto magdalena. La inversión de estas plantas
fotovoltaicas permitiría bajar el aporte de las fuentes convencionales y reducir
el impacto ambiental que estas generan, como un ejemplo destacado, vemos
los beneficios de la planta fotovoltaica realizada en el desierto de Atacama
(Chile).
Aunque las mediciones realizadas por el instrumento de radiación, se
limitaron a un punto fijo y en un periodo de 30 días, se logró apreciar el buen
recurso solar disponible en esta región del país. Lo ideal sería dejar el
instrumento durante al menos un año tomando mediciones para poder validar
67
el recurso solar promedio anual, y con esto dimensionar de mejor forma los
sistemas fotovoltaicos a emplear.
3.6 TRABAJOS FUTUROS
El desarrollo descrito en este proyecto es un prototipo inicial, el cual busca poner
bases en el desarrollo y aplicación de la energía solar en el territorio Colombiano.
La base de las ingenierías es solucionar los problemas de la sociedad aplicando
conocimientos científicos, por ello el mejorar y optimizar lo trabajado en este
documento es esencial para el desarrollo social en nuestro país. Las cosas a
mejorar se basan principalmente en el instrumento de radiación:
Reducir el porcentaje de error el cual sea inferior al 3%.
Poder ver las medidas en tiempo real desde un dispositivo móvil o una
computadora.
Reducir las dimensiones del instrumento de medición
Realizar una serie de instrumentos los cuales puedan verificar diferentes
puntos de una región al mismo tiempo.
68
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