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EVALUACIÓN DEL USO RACIONAL DE AGUA Y ENERGÍA EN UNA
INSTITUCIÓN EDUCATIVA
ING. HUGO RIATIGA FANDIÑO
UNIVERSIDAD DE SANTANDER
MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS
BUCARAMANGA
2016
EVALUACIÓN DEL USO RACIONAL DE AGUA Y ENERGÍA EN UNA
INSTITUCIÓN EDUCATIVA
ING. HUGO RIATIGA FANDIÑO
Trabajo de grado presentado como requisito parcial para obtener título de
Magíster en Sistemas Energéticos Avanzados
Director y Asesores de Tesis:
ERIK VERA MERCADO
PhD En Ingeniería
LILIANA CASTRO MOLANO
PhD. En Ingeniería Química
UNIVERSIDAD DE SANTANDER
MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS
BUCARAMANGA
2016
3
4
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo es dedicado especialmente al padre creador, a mi madre, que gracias
a ella pude realizar y ver consolidado mi ilusión de ser magister. A mis hijas,
Elizabeth y Jennifer Riatiga, que por ellas es que cada día me esfuerzo más. A mis
hermanos que con su apoyo y colaboración aportaron enormemente, para alcanzar
esta meta.
También quiero recordar a mis compañeros de la maestría por los momentos
agradables que pasamos en el desarrollo del plan académico, a los profesores por
brindarnos de una forma clara y agradable sus conocimientos, a la universidad que
nos brindó sus aulas para el buen desarrollo de esta tarea y aquellas personas que
hicieron posible que este sueño fuera una realidad.
5
CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCIÓN 15
1. Generalidades 21
1.1 Formulación del Problema 21
1.2 Objetivos 22
1.2.1 Objetivos Generales 22
1.2.2 Objetivos Específicos 22
2. Historia Energía Fotovoltaica 23
2.1. Empleo de la energía fotovoltaica en satélites espaciales. 24
2.2. Del espacio a la tierra. 26
2.3. La energía solar fotovoltaica en los últimos años. 28
2.4. El futuro de la energía solar fotovoltaica. 30
3. Sistema fotovoltaico. 33
3.1. Componentes de un sistema solar fotovoltaico. 34
3.2. Tipos de sistemas solares. 35
3.2.1. Sistemas Solares Autónomos. 35
3.2.2. Sistemas Solares Interconectados. 36
4. Eficiencia energética. 37
4.1. Ventajas y usos de la eficiencia energética: 38
4.2. Cómo llegar a la eficiencia energética. 39
4.3. El efecto Rosenfeld. 39
5. Aguas lluvias. 41
6
5.1. Captación agua de lluvia. 41
5.2. Situación en el mundo y américa. 42
5.3. Cosecha de lluvia. 43
5.4. Conceptos relacionados con la captación pluvial. 43
5.4.1.Área de captación 43
5.4.2. Estructura de captación 44
5.4.3. Sistema de conducción 44
5.4.4. Dispositivo de retiro de contaminantes y filtración 44
5.4.5. Tanques de almacenamiento 44
5.4.6. Tanques Tormenta 44
5.4.7. Vertedor 45
5.5. Beneficios de la cosecha de lluvia. 45
5.5.1. Económicos 45
5.5.2. Medioambientales 46
5.5.3. Sociales 46
5.6. Desventajas de la captación de lluvias. 46
5.7. Agua de lluvia es potable. 47
5.8. Lluvia ácida. 47
6. Dimensionamiento de un sistema fotovoltaico autónomo. 50
6.1. Características del lugar: 50
6.2. Diseño del sistema fotovoltaico. 56
6.3. Estimación de consumos. 62
6.4. Dimensionado del generador fotovoltaico. 70
6.5. Dimensionado del acumulador: 72
7
6.6. Dimensionado del regulador: 75
6.7. Dimensionado del inversor. 77
6.8. Distancia mínima entre filas de módulos. 81
6.9. Dimensionamiento del cableado. 82
6.10. Costos de inversión aproximados para Colombia. 88
7. Consumo de agua. 90
7.1. Caudal. 95
7.2. Aguas lluvias. 101
7.3. Consumo hidráulico. 103
7.4 Como se debe recolectar el sistema de aguas lluvias. 103
8. Tiempo de retorno de la inversión. 107
8.1 Escenario 2, si realizamos el proyecto eléctrico por medio de bloques,
suministrando la potencia pico. 109
8.2. Escenario 3, si eliminamos las baterías y disminuimos carga. 112
8.3. Escenario 4, Cambiando el sistema de iluminación por led y sin
acumuladores. 114
9. CONCLUSIONES. 118
10. GLOSARIO. 121
BIBLIOGRAFÍA 124
8
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1.Alexandre Edmond Becquerel, tomado de Biographical Encyclopedia of
Astronomers 23
Figura 2. Crecimiento energía fotovoltaica, tomado de REN 21 28
Figura 3. Kit de un sistema Fotovoltaico, tomado de ingemecánica. 34
Figura 4. Símbolo de la Eficiencia energética, tomado de eficiencia energética.es.
37
Figura 5. Tanque subterráneo para Aguas Lluvias, tomado de archiexpo.es. 41
Figura 6. PH del agua de lluvia en diferentes regiones del mundo, tomado de
hidropluviales.com. 48
Figura 7. Ubicación Geográfica de Floridablanca. 52
Figura 8.Mapa de Irradiación Horizontal para Sur América, (NREL). 58
Figura 9.Mapa de Brillo Solar Anual en Colombia, (UPME). 59
Figura 10. Distribución horaria de consumo Eléctrico en un día. 61
Figura 11.Consumo Energético del Colegio. 62
Figura 12.Horas de Funcionamiento de Elementos Eléctricos. 62
Figura 13.Programa METEONORM Versión 6.1. (Remund & Kunz, 2003). 64
Figura 14.Coordenadas de Floridablanca. 65
Figura 15.Radiación y temperatura de Floridablanca, Programa METEONORM
6.1. (Remund & Kunz, 2003). 66
9
Figura 16.Gráficos de radiación, temperatura y pluviosidad de Floridablanca,
programa METEONORM 6.1. (Remund & Kunz, 2003). 67
Figura 17.Registro Radiación Diaria, *Albatros-UIS. (Escuela de Ingeniería Civil-
UIS, 2015). 69
Figura 18.Panel Solar Panasonic- Sanyo. 72
Figura 19.Selección de la Batería y precio. 74
Figura 20.Cotización del total de las baterías. 74
Figura 21.Regulador MPPT80A. 76
Figura 22.Cotización de los Reguladores. 76
Figura 23.Cotización del Inversor Trifásico AFORE de 45 KW. 77
Figura 24.Distribución de Área del Instituto La Cumbre. 78
Figura 25.Distancia entre paneles. Tomado de solarsostenible.org. 81
Figura 26.Factura de la Luz, Cuenta 1136751-8. 85
Figura 27.Factura de la Luz, Cuenta 1136751-8. 86
Figura 28.Factura de la Luz, Cuenta 574289-7. 87
Figura 29.Factura de Consumo de Agua. Instituto La Cumbre. 96
Figura 30.Factura de Consumo de Agua. Instituto La Cumbre. 97
Figura 31. Selección de la Bomba Centrifuga y precio. 105
10
LISTA DE FOTOS
Pág.
Foto 1. Faro solar, tomado de sitiosolar.com 27
Foto 2. Huerta Solar en Portugal, tomado de elmundo.es, ciencia y ecología. 29
Foto 3. Celda solar flexible, tomada de Portal de energías renovables. 31
Foto 4. Celdas Solares Flexibles, tomada de Portal de energías renovables. 31
Foto 5. Tanque Superficial para recolección de Aguas Lluvias, tomado de
hidropluviles.com. 43
Foto 6. Fachada principal del Instituto La Cumbre. 50
Foto 7.Edificio Sala de Profesores, Bloque C. 79
Foto 8.Terraza Bloque B. 79
Foto 9.Vista Frontal Bloque A. 80
Foto 10.Patio A. 80
Foto 11.Patio B. 81
Foto 12.Tipos de Sensores de Movimiento. 84
Foto 13. Lavamanos de baños Bloque A. 92
Foto 14.Sanitarios Bloque B. 92
Foto 15.Sanitarios Bloque A. 93
Foto 16.Orinal Bloque A. 93
Foto 17.Tipos de Sanitarios del Colegio. 94
Foto 18.Llaves Para Aseo. 94
Foto 19.Baño con divisiones y respiraderos. UDES. 98
Foto 20. Distribución orinales. Centro Comercial El Cacique. 98
Foto 21.Orinal seco. UDES. 99
Foto 22.Sanitario con fluxómetro. UDES. 99
Foto 23.Llave Lavamanos con sensor. Centro Comercial El Cacique. 100
Foto 24.Montaje de Lavamanos. Centro comercial El Cacique. 100
11
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Instalaciones fotovoltaicas en satélites ................................................... 25
Tabla 2. Tipos de Energía Alternativas. ................................................................ 52
Tabla 3.Encuesta 1 ............................................................................................... 54
Tabla 4.Encuesta 2. .............................................................................................. 55
Tabla 5. Consumos Eléctricos de la Institución (ELECTRICARIBE, 2015). ........... 60
Tabla 6.Irradancia media de Floridablanca, Programa METEONORM 6.1.
(Remund & Kunz, 2003). ...................................................................................... 65
Tabla 7. Relación Ldm/Gdm(Φ,β), para diferentes meses, Programa
METEONORM 6.1. (Remund & Kunz, 2003). ....................................................... 68
Tabla 8.Radiación promedio 04/07/2015. Datos Albatros-UIS. (Escuela de
Ingenieria Civil-UIS, 2015). ................................................................................... 68
Tabla 9.Selección de Cables Eléctricos. ............................................................... 83
Tabla 10.Costos de generación diferentes tipos de Tecnología. ........................... 88
Tabla 11. Costo de Producción de Energía por diferentes Tecnologías
(CORPOEMA, 2010). ........................................................................................... 89
Tabla 12.Áreas para servicios Sanitarios. ............................................................. 90
Tabla 13.Parámetros climáticos de Bucaramanga. ............................................. 101
Tabla 14. Elementos Ahorradores de Agua Seleccionados. ............................... 102
Tabla 15. Consumo de elementos hidráulicos de la Institución. .......................... 103
Tabla 16. Consumos de los elementos hidráulicos alimentados por agua lluvia. 104
12
Tabla 17. Costos de implementar el sistema fotovoltaico para ser autosuficientes.
........................................................................................................................... 105
Tabla 18. COSTOS DE INVERSION HIDRAULICA ........................................................ 106
Tabla 19. Tiempo de retorno para la parte hidráulica. ......................................... 107
Tabla 20. Tiempo de retorno para la parte fotovoltaica. ...................................... 108
Tabla 21. Consumo Aproximado de Electricidad en Instituto La Cumbre de
Floridablanca, bloque B. ..................................................................................... 109
Tabla 22. Costos de inversión eléctrica bloque B. .............................................. 109
Tabla 23. Tiempo de retorno de la inversión bloque B. ....................................... 110
Tabla 24. Consumo aproximado del Bloque C. ................................................... 110
Tabla 25. Costos de inversión eléctrica bloque C. .............................................. 111
Tabla 26. Tiempo de retorno de la inversión bloque C. ....................................... 112
Tabla 27. Sistema fotovoltaico solo para iluminación, sin acumuladores. ........... 112
Tabla 28. Sistema fotovoltaico sola para iluminación, sin acumuladores, inversión.
........................................................................................................................... 113
Tabla 29. Tiempo de retorno de la inversión sin acumuladores. ......................... 114
Tabla 30. Reemplazo de elementos de iluminación y su equivalencia. ............... 114
Tabla 31. Consumo de elementos eléctricos con luces led. ................................ 115
Tabla 32. Inversión de elementos eléctricos con iluminación Led. ...................... 116
Tabla 33. Tiempo de retorno de la inversión, con luces Led. .............................. 116
13
LISTA DE ANEXOS
Anexo 1. Decreto 3102 de 1997 - Instalación equipos bajo consumo agua.
Anexo 2. Especificaciones -tecnica-hidraulicas-generales-feb-2011.
Anexo 3. NTC 4595, planeamiento y diseños ambientales de zonas escolares.
Anexo 4. Griferia-lavamanos-electronica-cromo-ficha-tecnica-706000001-1.
Anexo 5. Manual de instalación de baltico-sin-fluxometro-antibacterial-blanco-
paso-a-paso-01311A001.
Anexo 6. Fluxometro-sanitario-expuesto-de-palanca-sloan-cromo-ficha-tecnica-
707100001-1.
Anexo 7. ORINAL SECO-agua-blanco-ficha-tecnica-105101001-1, orinal seco.
Anexo 8. ORINAL SECO-agua-blanco-step-by-step-1-105101001, orinal seco.
Anexo 9. Taza sanitario, trevi-acometida-posterior-blanco-ficha-tecnica-
028551001-1.
Anexo 10. Panel solar, SANYO-230HDE-ficha-ES.
Anexo 11. Batería solar china CSB.
Anexo 12. Mapa solar UPME.
Anexo 13. Tabla aparatos eléctricos.
Anexo 14. Recibos luz.
Anexo 15. Consumo de agua del Colegio.
Anexo 16. Consumo de electricidad.
Anexo 17. Encuesta 1.
Anexo 18. Encuesta 2.
Anexo 19. Huella ecológica.
Anexo 20. Toma de datos.
Anexo 21. Video, Grifo de sensor Aquaflow animación lavamanos.
Anexo 22. Video, Instalación de lavamanos electrónico.
Anexo 23. Video, Instalación y mantenimiento de orinales secos.
Anexo 24. Video, IPC UD05 VIDEO-montaje colectores solares (junkers).
14
Anexo 25. Video, Tutorial - Como instalar un kit fotovoltaico en casa.
Anexo 26. Video playback, instalación taza sanitario.
Anexo 27 Costos fotovoltaica Bloque C y Bloque B
Anexo 28 Cálculo sin acumuladores y solo iluminación.
Anexo 29 Cambio a luces Led y sin acumuladores.
Anexo 30 T.R.I. Tasa de Retorno de la Inversión.
15
RESUMEN
TITULO: EVALUACIÓN DEL USO RACIONAL DE AGUA Y ENERGÍA EN UNA
INSTITUCIÓN EDUCATIVA.
AUTOR: HUGO RIATIGA FANDIÑO
PALABRAS CLAVES: Eficiencia Energética, sistema fotovoltaico, sistemas
hidráulicos.
Contenido:
El problema de los colegios en la actualidad es el desperdicio de los recursos
energéticos, como el agua y la luz, sin que se presente alguna mejoría en el
consumo de los mismos.
El proyecto se analiza una forma de llevar a la mejoría en el consumó de los mismos,
siendo a la vez más eficientes. Se hará toma de datos en campo para verificar el
consumo actual de los mismos, se verificara el estado de las instalaciones
hidráulicas para ver cómo se puede ser más amigables con el ambiente.
Se plantea los conocimientos adquiridos en la maestría de sistemas energéticos,
dictados en la universidad, para cumplir con este objetivo primordial y se
determinara, en la parte eléctrica utilizar un medio alternativo para la generación de
energía eléctrica como lo es el sistema fotovoltaico, aprovechando la gran radiación
solar y la posición geográfica donde se encuentra el colegio.
16
Debido a que los costos de esta energía son bastante altos se plantea, varias
situaciones para el consumo total del colegio y para el consumo parcial, sin que el
colegio este aislado de la red del servicio público.
En la parte hidráulica, como se dijo anteriormente se verificara el estado, el consumo
de los sistemas hidráulicos, mantenimiento de los mismos y comparar con
elementos hidráulicos eficientes, para ver el ahorro de cada uno de ellos, además
comprobar si las baterías de baños son suficientes para satisfacer las necesidades
del colegio.
La idea en la parte hidráulica al igual que en la eléctrica es ser eficientes y
aprovechar los recursos naturales de la región, y una de estas fuentes energéticas
que se están desperdiciando es el agua lluvia, realizar una recolección de la misma
y llevarlo como fuente de alimentación para las baterías de baños y como fuente
para el lavado de pisos de la institución.
Al final de estudio se verificara el tiempo de retorno de la inversión, con lo cual se
determinara si el proyecto es viable y si se puede llevar acabo, pero ante todo lo
primordial es justificar el uso de nuevas tecnologías aplicadas a la eficiencia de los
recursos naturales y tomar conciencia en las nuevas generaciones de estos tipos
de energías alternativas y el buen uso de los recursos naturales.
17
SUMMARY
TITLE: EVALUATION OF RATIONAL USE OF WATER AND ENERGY IN AN
EDUCATIONAL INSTITUTION.
AUTHOR: HUGO RIATIGA FANDIÑO
KEYWORDS: Energy Efficiency, photovoltaic system, hydraulic systems.
Content:
The problem of schools today is the waste of energy resources such as water and
light, without any improvement is present in their consumption.
The project leads to improvement in consumation, while being more efficient
analyzes. It will take field data to verify the current consumption of the same, the
state of hydraulic installations should be checked to see how you can be more
environmentally friendly.
the knowledge acquired in the mastery of energy systems poses taught in college,
to meet this primary objective and is determined in the electrical part to use an
alternative means of power generation such as the photovoltaic system, taking
advantage of high solar radiation and the geographical position where the college is
located.
Due to this energy costs are quite high, several situations for the total consumption
of the school and for partial consumption without a school is isolated from the
network of public service arises.
18
In the hydraulic part, as stated earlier state, consumption of hydraulic systems,
maintain them and compare with efficient hydraulics verification, for saving each of
them, plus check if sets of toilets enough to meet the needs of the school.
The idea hydraulics as the supply is to be efficient and use the natural resources of
the region, and one of these energy sources are being wasted is rainwater, make a
collection of it and take it as a source of power batteries for bathrooms and as a
source for washing floors of the institution.
At the end of the study time will verify the return on investment, which will determine
whether the project is viable and if they can carry out, but above all it is essential to
justify the use of new technologies applied to resource efficiency natural and
awareness in the younger generation of these types of alternative energy and the
proper use of natural resources.
19
INTRODUCCIÓN
El mayor gasto presentado en las instituciones educativas es el consumo de agua
y luz, debido al desperdicio de los mismos o por un mantenimiento pobre que se
realiza a estos elementos, se plantea una solución al consumo, como es la
utilización de equipos eficientes para el consumo de agua y un sistema fotovoltaico
para la generación de electricidad.
Para este análisis se desarrollan pruebas de campo que demuestren el consumo
real y se compara con los registro de los servicios públicos, y se verifica si estos
cumplen las normas de cubrimiento y ahorro para una institución educativa, además
se determina la viabilidad económica del estos sistemas energéticos.
Analizado los consumos de la institución, se establece qué tipo de sistema será el
que reemplace al actual, seleccionando los diferentes elementos que presenten un
menor consumo posible, pero sin que afecte el buen servicio y cobertura del mismo.
Se compara y se verifica los beneficios de los sistemas, tanto en la parte de
consumo, como en la económica. Es necesario dar a conocer cuál es el valor
aproximado de esta transformación, el tiempo de retorno de esta inversión (TRI),
para el colegio y que tipo de beneficios traerá a la comunidad.
El desarrollo de la investigación se distribuye de la siguiente manera: El capítulo 1,
se despliega la introducción, planteamiento del problema y objetivos, por otro lado.
El capítulo 2, Historia de la energía fotovoltaica, se describe, la evolución de la
energía fotovoltaica en satélites espaciales, aplicaciones en la industria petrolera y
de comunicaciones, por consiguiente. El capítulo 3, se explica que es un sistema
fotovoltaico, como está compuesto, sistemas autónomos e interconectados. Por otro
lado. El capítulo 4, explica la eficiencia energética, ventajas, desventajas,
20
aplicaciones de la misma y el efecto Rosenfeld. De igual manera. El capítulo 5,
sistema de aguas lluvias, explica la recolección, situación, tipos de tanques,
sistemas de recolección, ventajas y desventajas del mismo, como se debe tratar el
agua para poder ser potable, aplicaciones y la lluvia acida. El capítulo 6,se evalúa
el Diseño y selección de un sistema fotovoltaico para el Instituto La Cumbre,
teniendo en cuenta el consumo energético, para desarrollar los cálculos y
determinar el número de paneles, baterías, reguladores y demás elementos que lo
conforman y finalmente el capítulo 7, de modo similar al capítulo anterior, se calcula
las mismas variables pero aplicadas al consumo de agua en la Institución, con los
sistemas hidráulicos que cuenta el colegio, selección de equipos ahorradores de
agua, que cumplan normas técnicas de ahorro, que se cumplan con el mínimo de
elementos adecuados para el buen servicio en la institución y la utilización del
aguas lluvias.
21
1. Generalidades
1.1 Formulación del Problema
El medio ambiente, es todo lo que rodea a una comunidad y el objetivo del hombre
es poder recuperar algunos de los ecosistemas perdidos, sin llegar al agotamiento
de los que aún existen. El calentamiento global, la perdida de la capa de ozono y la
contaminación del agua, se han visto incrementado en los últimos años, debido a la
revolución Industrial, el crecimiento demográfico, que lleva a un alto consumo de los
recursos naturales de una forma casi depredadora con la naturaleza.
Se debe fomentar un sistema que ayude a disminuir de forma significativa los costos
energéticos, mediante sistemas inteligentes de ahorro del consumo de agua y luz,
aprovechar las aguas lluvias, para la alimentación de sanitarios, realizar una
demostración (teórica), de cuanto se podría ahorrar con estos nuevos sistemas de
control y verificando los resultados que se pueden obtener si se realiza en el colegio,
para cumplir con el decreto 3102 del año 1997, Instalación de equipos de bajo
consumo de agua y con la norma técnica NTC 4595, Planeamiento y diseño
ambientales de zonas escolares. Anexos 1 y 3.
Se aprovecharan la estructura física del colegio para el diseño de un sistema de
energía solar que ayude a satisfacer algunas necesidades energéticas, que
producirán beneficios económicos. (El Ecologista, 2015)
22
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivos Generales: Evaluar el uso racional del agua y energía en el Instituto
la Cumbre.
1.2.2 Objetivos Específicos
1. Valorar la situación ambiental del Instituto la Cumbre en términos de consumo
de agua y energía.
2. Evaluar el uso racional del agua mediante sistemas eficientes de ahorro
enfocado a las baterías sanitarias del instituto
3. Evaluar el uso racional de la energía mediante paneles solares
4. Realizar un análisis económico para implementar las alternativas de uso
racional de agua y energía.
23
2. Historia Energía Fotovoltaica
El científico francés Alexandre Edmond Becquerel (figura 1), en 1838 descubrió el
efecto fotoeléctrico, cuando experimentaba con una pila electrolítica con electrodos
de platino cuando comprobó que la corriente subía en uno de los electrodos cuando
este se exponía al sol. (Hockey, 3 de septiembre 2014).
Figura 1.Alexandre Edmond Becquerel, tomado de Biographical Encyclopedia of
Astronomers
Este proceso siguió su evolución y en el año 1873 el ingeniero eléctrico inglés
Willoughby Smith descubre el efecto fotovoltaico en sólidos. En este caso sobre el
Selenio.
En 1877, El inglés William Grylls Adams, junto con su alumno Richard Evans Day,
crearon la primera célula fotovoltaica de selenio.
Aunque la energía obtenida era muy poca, fue un gran paso para demostrar que se
podía obtener energía del sol, cuya fuente es casi infinita.
24
En el año 1953, se creó la primera célula fotovoltaica, gracias a Gerald Pearson de
Bell Laboratories, mientras experimentaba con las aplicaciones en la electrónica del
silicio, la característica de esta célula era más eficiente que cualquiera hecha de
selenio. A partir de este descubrimiento, otros dos científicos también de Bell
Laboratories, Daryl Chaplin y Calvin Fuller perfeccionaron este invento y produjeron
células solares de silicio capaces de proporcionar suficiente energía eléctrica como
para realizar aplicaciones prácticas, aquí comenzó realmente la evolución de las
placas fotovoltaicas. (Green, 1882)
2.1. Empleo de la energía fotovoltaica en satélites espaciales.
Aunque los avances técnicos fueron muy buenos el problema era el costo de
producción de estas células, lo cual era un inconveniente para su masificación en el
mercado.
En el año 1956 el valor del vatio de electricidad producido por centrales
convencionales rondaba los 50 céntimos de dólar, el producido por paneles
fotovoltaicos llegaba los 300 dólares lo que prácticamente hacía imposible la
comercialización de los paneles solares.
El empuje para esta industria fue la carrera espacial, como sistema de alimentación
para los satélites espaciales, ya que en esta época la guerra por conquistar el
espacio era depredadora entre E.U. y Rusia. Aunque este triunfo o fue tarea fácil,
ya que contaba con otros tipos de energía como la nuclear y la química pero su
ventaja era que los paneles solares eran capaces de suministrar energía de manera
fiable por muchos años sin grandes complicaciones.
25
En el año 1955, Hoffman Electrónic ofreció, en 1955, células de 14 mW con un
rendimiento del 3% a un costo de 1500$/W. Dos años después esta misma empresa
desarrolla células solares ya con un rendimiento del 8%.
El 17 de Marzo de 1958, se lanza el Vanguard I, el primer satélite alimentado con
paneles solares fotovoltaicos. El satélite llevaba 0,1W en una superficie aproximada
de 100 cm2 para alimentar un transmisor de 5 mW. Si bien en este satélite los
paneles solares eran solo la fuente de energía de respaldo, acabaron por
convertirse en la fuente principal cuando las baterías consideradas fuente de
alimento principal se agotaron en tan sólo 20 días. El equipo estuvo operativo con
esa configuración por 5 años. (Gil, 2008)
La durabilidad de los paneles solares fue lo que llevo al triunfo sobre los otros tipos
de energía, como sistema de alimentación en los sistemas espaciales, esta industria
no hubiera surgido los grandes avances sin la ayuda de las células fotovoltaicas,
como fuente de energía, a partir de allí los avances de materiales y paneles ligeros
y flexibles han llevado a estos dos tipos de tecnologías de la mano. En la tabla 1,
vemos las aplicaciones de los paneles solares en Instalaciones Fotovoltaicas en
Satélites Espaciales
Tabla 1. Instalaciones fotovoltaicas en satélites
AÑO PROYECTO ESPACIAL POTENCIA
FOTOVOLTAICA
1958 Vanguard 1 0,1 W
1962 Telstar 14 W
1964 Nimbus 470 W
1966 Observatorio Astronómico Espacial 1KW
1973 Skylab 20 KW
26
2.2. Del espacio a la tierra.
Después de las aplicaciones en la industria aeroespacial, se buscaron más campos
industriales para masificar la industria fotovoltaica, de aquí nacen nuevas
aplicaciones, sobre todo en la industria petrolera y de telecomunicaciones.
En los años 70 el Dr. Elliot Berman con la ayuda financiera de EXXON consiguió
crear una célula solar mucho más barata que reducía el coste por vatio de 100 U$
a 20 U$. Para ello empleo un silicio con un grado de pureza menor y unos materiales
encapsulaste más baratos.
Este proceso catapulto la industria fotovoltaica, donde su producción era más
económica y se aplicaron los campos de trabajo para la industria fotovoltaica, y era
más barato instalar paneles solares en sistemas lejanos a la interconexión eléctrica,
en el sistema de protección catódica en oleoductos, gasoductos, sistemas de
telecomunicaciones, en la foto 1, vemos una aplicación solar en un faro, para la
iluminación marítima. Para todas estas finalidades, la instalación de paneles solares
resultaba mucho más rentable económicamente y más eficiente en su labor.
27
Foto 1. Faro solar, tomado de sitiosolar.com
Tal fue el impulso que esta tecnología recibió que en el año 1975 las aplicaciones
terrestres habían ya superado a las espaciales.
Poco a poco, en las siguientes décadas, se fueron encontrando nuevas aplicaciones
para la energía solar fotovoltaica que siguieron desarrollando el uso de esta
tecnología.
La industria fotovoltaica se utilizó mucho en los países del tercer mundo, para llevar
electricidad a sus hogares, ya que era más económico un sistema de estos, que el
sistema de interconexión tradicional, también frente a los sistemas que utilizaban
combustibles fósiles, ya que a la final el precio sería más económico. Los paneles
se adaptan muy bien a unas demandas energéticas reducidas que se tiene en estas
sociedades. Numerosos han sido los proyectos que se han llevado a cabo, en este
sentido y muchas son las familias que disfrutan de electricidad solar en varios países
del tercer mundo. (Meinel, 1982)
28
2.3. La energía solar fotovoltaica en los últimos años.
En la década de los 90, la mejoría en esta industria fue la eficiencia de las células
fotovoltaicas, lo que conlleva a una mejoría en el costo de adquisición, Estos
factores unidos al apoyo por parte de algunos gobiernos hacia esta tecnología han
provocado un espectacular impulso de la electricidad solar en los últimos años, en
la figura 2 vemos el crecimiento de la energía solar instalada a nivel mundial.
(Secretariat, 2014)
Figura 2. Crecimiento energía fotovoltaica, tomado de REN 21
Medidas como apoyo al sector llevadas a cabo por algunos gobiernos, destacan
las leyes de primas que obligan a las compañías de luz a comprar la electricidad
fotovoltaica a una tarifa mucho más alta que la de la venta, lo que ayuda a
rentabilizar la instalación en un periodo de tiempo pequeño. Estas medidas como el
subsidio de impuestos, ayudan a que se pueda masificar la tecnología y se dinamice
la economía, produciendo nuevas ofertas de empleo.
29
El concepto de huerta solar también ha tenido un importante éxito. La huerta solar
es la asociación de varias empresas que invierten no solo en paneles solares,
también puede ser en otro tipo de energía alternativa, con lo cual forman una central
generadora de energía compartiendo un mismo terreno, un ejemplo de esta
aplicación la vemos en la foto 2, de una huerta solar en Portugal.
Foto 2. Huerta Solar en Portugal, tomado de elmundo.es, ciencia y ecología.
Junto con las instalaciones de pequeño y mediano tamaño se han construido o se
están construyendo grandes centrales fotovoltaicas. Destacan particularmente las
instaladas en España y Portugal. En Amaraleja en el baixo alentejo (Portugal) está
central solar produce con 64 MW de potencia será la mayor del mundo. (Catalán
Deus, 2008)
En los últimos años, con los materiales flexibles y la aparición de paneles flexibles
a precios asequibles, han proliferado también los gadgets solares destinados a
recargar las baterías de numerosos artículos portátiles (teléfonos portátiles,
cámaras de fotos, reproductores portátiles de música, etc.). Así como kits solares
para electrificar las caravanas o barcos.
30
Ha sido tanta la expansión que ha tenido este sector que, en determinados
momentos, inclusive llegando a escasear el silicio apto para los paneles solares.
La energía solar fotovoltaica es aún la forma de energía renovable costosa
comparada con otras que se encuentran en el mercado pero dada la dinámica del
mercado empieza a ser una certeza de que en pocos años podrá competir con el
resto de recursos energéticos en general.
2.4. El futuro de la energía solar fotovoltaica.
Diversas variables permiten ser optimistas acerca del futuro de la energía solar
fotovoltaica. Los avances tecnológicos que se suceden, en torno a esta tecnología
y por otro el apoyo brindado a las energías renovables por las grandes potencias
económicas y de consumo del mundo EEUU, China y Europa.
Los avances tecnológicos se basan en las alternativas a las células de silicio que
ya empiezan a ser viables. Se tratan de películas finas y flexibles que tienen un
costo de fabricación económico y unos rendimientos entre el 5% y el 20% foto 3 y
4.
Por un lado encontramos las tecnologías CIS (Cobre indio selenio) y CIGS (Cobre-
indio-Galio-selenio). Dado su carácter flexible y su muy reducido peso, se hará
posible su aplicación en la aeronáutica y automovilística.
Por otro lado están en desarrollo las llamadas células orgánicas, con un rendimiento
del 5% y las “dye-sensitized solar cells” (células solares del tipo sensibilizado por
tinte) con un rendimiento próximo al 10%. Las primeras tienen grandes aplicaciones
en la industria plástica mientras que las segundas permiten aplicárseles cualquier
31
tipo de color e incluso hacerlas translúcidas, pudiéndose emplear para diversos
fines, como en los vidrios domésticos, funcionando bien con cualquier tipo de luz.
Foto 3. Celda solar flexible, tomada de Portal de energías renovables.
Foto 4. Celdas Solares Flexibles, tomada de Portal de energías renovables.
La UE aprobó en 2008 la llamada normativa 20-20-20 que además de obligar a la
reducción del 20% de las emisiones de CO2 para el 2020, obliga a que al menos el
20% de la energía de la Unión Europea provenga de fuentes renovables.
En EEUU, Barack Obama, ha anunciado su decisión de apostar fuerte por las
energías renovables en unos objetivos de implantación semejantes a los de la Unión
Europea para así reducir el impacto en el medio ambiente y la dependencia de ese
país al petróleo extranjero.
El futuro de esta industria se cree que está asegurado, debido a la conciencia de la
humanidad por el medio ambiente y la reducción de CO2 a la atmosfera, donde la
energía solar se puede decir que es infinita, con la cual es una fuente energética
32
gratis y se llevara gran parte del pastel de las energías del futuro. (Santamaria
Flórez, 2010)
33
3. Sistema fotovoltaico.
El sistema fotovoltaico es un conjunto de dispositivos que aprovechan la energía
producida por el sol y la convierten en energía eléctrica. Los sistemas fotovoltaicos
están basados 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, 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 depende 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.
La energía fotovoltaica es una de las opciones más viables en un país como
Colombia en la cual la radiación solar es buena, ya que estamos en el trópico, donde
los rayos del sol llegan perpendicularmente a la superficie de la tierra, como lo indica
la tabla número 2.
La energía solar es adsorbida por las celdas solares. Estos son elementos de los
sistemas fotovoltaicos que tienen la capacidad de producir energía eléctrica al
aprovechar la luz solar que incide en ellos. Las celdas solares están fabricadas con
materiales semiconductores, tales como el silicio, que tienen la función de recibir los
fotones que viajan a través de los rayos solares. (Valentín Labarta, 2012)
El sistema funciona de a siguiente manera, una vez que los fotones que emite la
radiación solar entran en contacto con los átomos presentes en las celdas solares,
se liberan electrones que comienzan a circular a través del material semiconductor
con el que se fabrican las celdas y se produce energía eléctrica.
34
Un sistema fotovoltaico puede ser “interconectado” que es lo más conveniente para
residencias o negocios con acceso a la red eléctrica o aislado, este último se utilizan
en zonas apartadas de las grandes capitales. Estos sistemas son usados
principalmente en casas de campo, zonas petroleras y en antenas de
telecomunicación.
3.1. Componentes de un sistema solar fotovoltaico.
Un Sistema Solar Fotovoltaico es el conjunto de dispositivos cuya función es
convertir la energía solar directamente en energía eléctrica. Consta principalmente
de los siguientes elementos:
Figura 3. Kit de un sistema Fotovoltaico, tomado de ingemecánica.
1) Arreglos de módulos de celdas solares.
2) Estructura y cimientos del arreglo.
3) Reguladores de voltaje y otros controles, típicamente un controlador de carga de
batería, un inversor de corriente cd/ca o un rectificador ca/cd.
4) Baterías de almacenamiento eléctrico y recinto para ellas.
35
5) Instrumentos.
6) Cables e interruptores.
7) Red eléctrica circundante.
8) Cercado de seguridad, sin incluir las cargas eléctricas.
Un Sistema Solar Fotovoltaico puede variar según sus requerimientos pero los
nombrados anteriormente, son los más comunes, depende de la capacidad
energética a suministrar, el tiempo, hora, época de operación y la naturaleza de los
recursos energéticos disponibles en el lugar de la instalación. En la figura 3 vemos
un kit Fotovoltaico para una vivienda.
3.2. Tipos de sistemas solares.
Actualmente se manejan dos tipos de sistemas fotovoltaicos, los autónomos y los
interconectados, cada uno con características diferentes, en cuanto a la conexión
con la red eléctrica y su aplicación, pero los equipos son los mismos.
3.2.1. Sistemas Solares Autónomos.
Los sistemas fotovoltaicos autónomos (SFA) se caracterizan por ser independientes
de la red eléctrica. Dado que los paneles solares o módulos solares no almacenan
energía, usualmente se conectan a un banco de baterías para que la energía
almacenada en este pueda ser usada durante la noche o en períodos nublados.
Los sistemas solares a base de baterías pueden funcionar de manera autónoma y
autosuficiente si está bien diseñados y dimensionados. (Hernández, 2007)
A continuación se nombran las aplicaciones de los sistemas solares autónomos.
Telecomunicaciones
36
Supervisión Remota
Abastecimiento de electricidad para comunidades rurales
Casas de vacaciones
Calculadoras, relojes
Satélites Espaciales
3.2.2. Sistemas Solares Interconectados. Los Sistemas Fotovoltaicos
Interconectados a Red, son ideales para bajar el consumo electricidad actual en
residencias, comercios o empresas. Se puede proponer Sistemas Interconectados
a Red para la generación total o parcial del consumo promedio diario de los clientes
(kW*h/día).
A continuación se nombran las aplicaciones de los sistemas solares
Interconectados en Ciudades y centros urbanos
Uso residencial
Uso comercial
Uso industrial.
37
4. Eficiencia energética.
La disponibilidad de los recursos energéticos cada vez es más difícil, por lo que el
hombre ve con gran importancia, la eficiencia energética de los recursos naturales,
para obtener mejores resultados y menores costos de operación.
Figura 4. Símbolo de la Eficiencia energética, tomado de eficiencia energética.es.
El objetivo de la eficiencia energética es mantener el mismo resultado de un trabajo
pero disminuyendo el consumo de energía, además de ser amigable con el entorno
que lo rodea, figura 4, símbolo de la eficiencia energética.
No solamente se habla de eficiencia con respecto a la energía eléctrica, por ser la
más utilizada en la industria, la Eficiencia Energética puede aplicarse a todas las
fuentes de energía utilizadas, como agua, gasoil, gas, vapor, etc.
La Eficiencia Energética no es tener la última tecnología, sino de saber emplear y
administrar los recursos energéticos disponibles de un modo hábil y eficaz, lo que
requiere desarrollar procesos de gestión de la energía, para desarrollar un trabajo.
(Linares Llamas, 2009)
38
4.1. Ventajas y usos de la eficiencia energética:
Ventajas:
Menores costos de producción, al consumir menos energía por unidad
producida.
Contribuir al cumplimiento de las exigencias ambientales.
Mejorar la competitividad global.
Mayor capacidad de generación disponible.
Menor desperdicio de energía y menor generación de contaminación.
Usos:
Ser eficiente es producir lo mismo, pero disminuyendo el consumo, además sin
perder la calidad en el servicio, utilizando nuevas tecnologías o educando a las
personas para usar de forma adecuada la energía. Esto conlleva a un ahorro
económico en el costo de las facturas, ser amigables con el medio ambiente y
mejorar un servicio prestado. Ejemplo:
Apagar las luces cuando no se necesiten.
Utilizar sistemas de bajo consumo, en iluminación.
Utilizar colores claros en paredes, que disminuyan la utilización de energía
lumínica.
Recintos ventilados de forma natural.
Desenchufar los aparatos eléctricos cuando no estén en uso.
Comprar elementos de bajo consumo energético.
Adquirir elementos de acuerdo a las necesidades de tu casa o empresa.
39
4.2. Cómo llegar a la eficiencia energética.
Se deben evaluar las variables que se puedan controlar y comparar, que
dependerán de la actividad que se desea implementar y darán una visión del estado
actual, y del futuro según su evolución.
Todo esto se consigue con la realización de una Auditoría Energética, cuyo objetivo
es que una empresa conozca de forma detallada cómo contrata la energía, cuánto
consume, su repercusión en costos y detectar técnicas que disminuya el costo de
la energía.
En una Auditoría Energética se proponen acciones para mejorar la Eficiencia
Energética, entre las más importantes están:
Cambio energético (sustitución de fuentes energéticas por otras, etc.)
Mejoras tecnológicas (iluminación más eficiente, motores de alta eficiencia,
cambio de arrancadores por variadores, etc.)
Optimización de procesos industriales y automatización (rediseño de sistemas
productivos, etc.)
Manejo de temperaturas (mejor control de las temperaturas, evitar pérdidas de
frío y calor, etc.)
Climatización o uso de la luz solar
Mejora del factor de potencia
(Ahorro y eficiencia energetica, 2013), (Fundacion REPSOL, 2013)
4.3. El efecto Rosenfeld.
El Efecto Rosenfeld constituye una de las paradojas de la eficiencia energética a
nivel urbano territorial y debe su nombre al Físico Dr. Arthur H. Rosenfeld. Se aplica
al Estado de California en los EEUU, desde 1973 la demanda de energía per cápita
se mantiene prácticamente constante, mientras en el resto de EEUU ha crecido más
40
del 50%. En parte debido a la cultura de ahorro de energía de la población, pero
también a una constante innovación tecnológica y su aceptación por parte de la
sociedad.
En su honor se creó una unidad de medida de eficiencia energética con la
equivalencia
1 Rosenfeld = consumo de 250000 habitantes y sirve como medida de comparación
entre ciudades. (Sanz, 2007)
41
5. Aguas lluvias.
Uno de los tantos sistemas energéticos que nos brinda la naturaleza de forma
gratuita es el agua lluvia, que por generaciones se ha venido utilizando para el
consumo propio, riego, u otra razón, por esto es importante que este recurso hídrico
sea valorado siempre por la humanidad. Actualmente en nuestras ciudades no lo
apreciamos, pero en las partes rurales es un recurso importantísimo, inclusive más
que la energía eléctrica, ya que sin agua no habría vida. En la figura 5 vemos un
sistema de recolección de aguas lluvias.
5.1. Captación agua de lluvia.
Figura 5. Tanque subterráneo para Aguas Lluvias, tomado de archiexpo.es.
Ante el reto que supone el aumento de la población y la escasez del suministro,
tanto en las zonas urbanas como rurales, la captación de agua de lluvia y nuevos
sistemas para su correcta gestión, vuelven a verse como una solución para ahorrar
42
y aumentar las reservas de agua. (Museo de Ciencia Koshland de la National
Academy of Sciences, 2007)
5.2. Situación en el mundo y américa.
En países Industrializados como Inglaterra, Alemania, Japón o Singapur, el agua de
la lluvia se aprovecha en edificios que cuentan con el sistema de recolección, para
después utilizarla en los baños o en el combate a incendios, lo cual representa un
ahorro del 15% del recurso.
En China se resolvió el problema de abastecimiento de agua a cinco millones de
personas con la aplicación de tecnologías de captación de agua de lluvia en 15
provincias después del proyecto piloto “121” aplicado en la región de Gainsu.
Brasil tiene un programa para la construcción de un millón de cisternas rurales para
aumentar el suministro en la zona semiárida del noreste.
En las Islas del Caribe (Vírgenes, Islas Caicos y Turcas), Tailandia, Singapur,
Inglaterra, EUA y Japón entre otros, existe un marco legal y normativo que obliga a
la captación de agua de lluvia de los techos, para el riego de plantas, inclusive para
lavar automóviles.
En Israel se realiza microcaptación de agua de lluvia para árboles frutales como
almendros y pistachos.
En los Estados Unidos y Australia, la captación de agua de lluvia se aplica
principalmente para abastecer de agua a la ganadería y al consumo doméstico. En
algunos estados de ambos países se ha desarrollado regulaciones e incentivos que
invitan a implementar estos sistemas.
43
5.3. Cosecha de lluvia.
Foto 5. Tanque Superficial para recolección de Aguas Lluvias, tomado de
hidropluviles.com.
Es la práctica de recolectar y utilizar el agua de lluvia que se descarga de las
superficies duras, como los techos o el escurrimiento de suelos, llevándolos a
depósitos subterráneos o aéreos mediante motobombas, para el suministro de agua
para los baños. En la foto 5, vemos un taque superficial para la recolección de aguas
lluvias.
Para poder captar agua de lluvia es necesario que las superficies expuestas a la
precipitación pluvial permitan su escurrimiento, ya sea porque la superficie es
impermeable o porque su capacidad de absorción es inferior a la de infiltración en
terrenos con pendiente.
5.4. Conceptos relacionados con la captación pluvial.
5.4.1.Área de captación. Lugar de recolección de las aguas lluvias, son tanques
aéreos o subterráneos de las casas, escuelas, almacenes, etc., que deben estar
44
impermeabilizados. También se puede captar el agua que escurre de calles o
estacionamientos por medio de canales.
5.4.2. Estructura de captación: Recolectan las aguas en los sistemas de
alcantarillado pluvial, se utilizan sumideros o bocas de tormenta como estructuras
de captación, aunque también pueden existir descargas domiciliarias donde se
vierta el agua de lluvia que cae en techos y patios.
5.4.3. Sistema de conducción: Se refiere al conjunto de canaletas o tuberías de
diferentes materiales y formas que conducen el agua de lluvia del área de captación
al sistema de almacenamiento. El material utilizado debe ser liviano, resistente, fácil
de unir entre sí y que no permita la contaminación con compuestos orgánicos o
inorgánicos.
5.4.4. Dispositivo de retiro de contaminantes y filtración: Antes de llevar el agua
lluvia al sitio de almacenamiento se debe realizar un filtrado, para eliminar
sustancias peligrosas si estas se utilizan para el consumo humano, o un filtrado más
sencillo para sacar los elementos de gran tamaño, si son utilizadas para riego.
5.4.5. Tanques de almacenamiento: Pueden ser de dos tipos, dependiendo del lugar
donde se encuentren ya sea por encima o por debajo de la tierra. Deben ser de
material resistente, impermeable para evitar la pérdida de agua por goteo o
transpiración y estar cubiertos para impedir el ingreso de polvo, insectos, luz solar
y posible contaminantes. Además, la entrada y la descarga deben de contar con
mallas para evitar el ingreso de insectos y animales; deben estar dotados de
dispositivos para el retiro de agua. Deben ser de un material inerte, el hormigón
armado, de fibra de vidrio, polietileno y acero inoxidable son los más recomendados.
5.4.6. Tanques Tormenta: Un tanque de tormentas es una infraestructura de
alcantarillado bastante grande, que ayuda a capturar y retener el agua de lluvia,
45
sobre todo cuando hay precipitaciones muy intensas, para disminuir la posibilidad
de inundaciones en los casos en que la capacidad de escurrido del agua es menor
que el volumen de lluvia. Tiene además la función de hacer depuración al evitar que
las primeras lluvias, que son las más contaminadas, se viertan directamente a
sistemas naturales acuáticos. Estos dispositivos destinados a comprimir los
caudales máximos de una avenida, son particularmente importantes en las áreas
donde se ha producido una impermeabilización masiva de las cuencas por lo
general a causa de la urbanización. Son particularmente importantes en el caso de
que la red de alcantarillado sea un sistema unitario, es decir que conduce,
mezclándolas, las aguas negras y las aguas pluviales.
5.4.7. Vertedor: Es la estructura de una obra hidráulica de almacenamiento a través
de la cual se descargan los volúmenes que exceden la capacidad del embalse, con
objeto de evitar fallas por desbordamiento.
5.5. Beneficios de la cosecha de lluvia.
Son múltiples los beneficios para la humanidad, se enunciaran los más importantes,
como: económicos, medioambientales, sociales.
5.5.1. Económicos
El agua de lluvia es un recurso gratuito y fácil de mantener. Relativamente limpio
que se puede utilizar en actividades que no requieran de su consumo.
Reducción en las tarifas de agua potable entubada por la disminución en su uso,
ya sea en sanitarios, para lavar (superficies, vehículos o ropa), riego de jardines
o cultivos, entre otras posibilidades
46
5.5.2. Medioambientales
Recargar los acuíferos abatidos.
Conservación de las reservas de agua potable (ríos, lagos, humedales)
Fomenta una cultura de conservación y uso óptimo del agua
5.5.3. Sociales
Disminuir el volumen de agua lluvia que entra al sistema de drenaje combinado
(sanitario y pluvial), evitando que se sature y reduciendo las inundaciones y el
volumen de descargas de aguas negras. Aumentando su disponibilidad para
otros usos.
Reducir la utilización de energía y de químicos necesarios para tratar el agua de
lluvia en la ciudad, disminuyendo también el gasto que genera mover y tratar el
agua negra del drenaje a distancias lejanas.
Aminorar el volumen de agua potable usada en aplicaciones no potables
(sanitarios) o de consumo humano (regar jardín).
5.6. Desventajas de la captación de lluvias.
Sistemas de captación de agua de lluvia cuentan con algunas desventajas como:
Depender directamente de la cantidad de precipitación presentada en la zona.
La instalación de sistemas adecuados representa una inversión inicial que tarda
unos años en amortizarse.
Se debe tener cuidado con posible contaminación del agua por materia orgánica
o animales, razón por debe pasar por un proceso de limpieza antes de ser
almacenada en un lugar seguro y bien cerrado.
47
El agua lluvia no es potable por que arrastra elementos que estén contenidos en
las superficie de contacto, si se desea que esta agua sea potable se debe
realizar un tratado para eliminar los patógenos que contenga.
5.7. Agua de lluvia es potable.
El agua de lluvia es en teoría pura, sin embargo el contacto con superficies hacen
deslizar todo tipo de sustancias que se encuentre en ellas, ya sea por el material de
los tejados, por la contaminación ambiental, desechos de animales, etc., no se
recomienda que si el agua lluvia entra en contacto con superficies extrañas sea
utilizada, para el consumo doméstico.
Por esta razón, si se quiere aprovechar el recurso pluvial en zonas urbanas, se
recomienda que el líquido pase por un proceso que retire sedimentos y grasas
primero y si se quiere una mayor calidad puede pasar por un proceso de filtrado que
retire a mayor profundidad los contaminantes. Una vez se ha pasado por este
proceso el agua debe ser almacenada en un lugar seguro y bien sellado.
(Fernández, 2004)
5.8. Lluvia ácida.
La lluvia se considera ácida cuando sus valores de pH son inferiores a los
considerados normales. El pH es una escala que va de 0 a 14 y nos indica que tan
ácida o alcalina es una sustancia. El agua pura tiene un valor de pH de 7, que se
considera neutro; valores de pH menores a 7 son ácidos, como el jugo de limón que
tiene un pH de 2.3 y valores superiores a 7 se consideran alcalinos, por ejemplo, la
sangre humana con un valor de 7.3. En la figura 6, vemos el PH del agua lluvia en
algunos lugares del mundo.
48
Este fenómeno se debe a los gases contaminantes que se encuentran en la
atmósfera principalmente por los automóviles y las industrias, gases de dióxido de
azufre (SO2) y óxidos de nitrógeno (NOx), los cuales reaccionan químicamente con
el vapor de agua y otras sustancias de la atmósfera para formar ácidos sulfúrico (H2
SO4) y nítrico (HNO3), dos ácidos fuertes que cuando caen a la superficie
mezclados con el agua de lluvia producen una disminución en el pH de la lluvia por
debajo de 5.0, lo cual es conocido como lluvia ácida.
Figura 6. PH del agua de lluvia en diferentes regiones del mundo, tomado de
hidropluviales.com.
Los efectos ocasionados por la lluvia ácida ocasiona sobre las áreas naturales son
muy diversos como acidificación de ríos y lagos, empobrecimiento de los suelos, ya
que arrastran los nutrientes del suelo. La lluvia ácida puede tener efectos indirectos
49
sobre la salud, ya que las aguas acidificadas pueden disolver metales y sustancias
tóxicas de los suelos, rocas, conductos y tuberías y posteriormente transportarlos
hacia los sistemas de agua potable. ((PNUMA), 2010) ; (Garcés Giraldo &
Hernández Ángel, 2004)
50
6. Dimensionamiento de un sistema fotovoltaico autónomo.
Foto 6. Fachada principal del Instituto La Cumbre.
6.1. Características del lugar:
El Instituto La Cumbre, es un colegio ubicado al costado nororiental del municipio
de Floridablanca, cuya prestación es la enseñanza de la comunidad del barrio la
cumbre y los demás barrios aledaños a este. En las fotos 6, 7, 8, 9,10 y 11,
demuestra las características del colegio, y en la tabla 2 se determinara que tipo de
energía alternativa es la adecuada para este lugar.
La latitud es aproximadamente 7,0411 Norte, Longitud 73,05 Oeste y la altitud
promedio es de 1100m sobre el nivel del mar, con una temperatura promedio de 25
51
grados centígrados. En la Figura 7, podemos ver la Ubicación Geográfica de
Floridablanca.
Uno de los barrios más populares y tradicionales de Floridablanca es La Cumbre.
Debido a la alta ubicación geográfica tomó este nombre, sin embargo, desde su
fundación fue llamado La Sabana y posteriormente La Laguna y finalmente La
Cumbre. Y aunque nació como un pequeño centro poblado hace más de 50
años hoy se convierte en uno de los barrios más grandes de este municipio.
Por su gran extensión, este barrio está conformado por 27 barrios y asentamientos
humanos, algunos de estos ya están en proceso de legalización.
El número de habitantes es de 73 mil aproximadamente, el barrio se fundó hace
55 aproximadamente, el tipo de viviendas es de estrato 1, 2 y 3. (Carvajal Pineda,
2014).
Número de estudiantes del Instituto La Cumbre, de Floridablanca, es de 2255, en
la mañana (1093 estudiantes) y en la tarde (997 estudiantes) y en la jornada de los
sábados 165 estudiantes, profesores y personal administrativo 75, dando en total
2330 personas, en el año 2015. (Datos dados por el colegio).
52
Figura 7. Ubicación Geográfica de Floridablanca.
Tabla 2. Tipos de Energía Alternativas.
Fuente de
Energía Tecnología Viabilidad
Energía solar Sistemas solares
fotovoltaicos
Este tipo de energía es costosa, pero la
fuente de energía es casi infinita, la
posición geográfica y la radiación del
colegio es buena para este tipo de
tecnología.
Energía Eólica Generación de
electricidad
Este tipo de energía requiere una
velocidad mínima de para su
funcionamiento, y las velocidades del
viento en el colegio son inferiores a las
requeridas, además se debe cumplir con:
Buena disponibilidad del recurso eólico.
En su barrio o área rural, se permite la
instalación de torres altas.
53
Fuente de
Energía Tecnología Viabilidad
Cuenta con suficiente espacio propio para
instalar la torre y equipos de control.
Por esta razón no es viable este tipo de
energía.
Energía
geotérmica
Generación de
Electricidad
Este tipo de energía se obtiene en zonas
tectónicas o regiones donde se
presenten capas freáticas en las que se
calienta el agua: al ascender, el agua
caliente o el vapor producen
manifestaciones en la superficie, como los
géiseres o las fuentes termales, esto no
aplica en la región.
Biomasa Combustión
directa
Este tipo de energía lo único que se podría
utilizar son las excretas de las personas,
pero se necesita un lugar aislado para el
biodigestor, en la institución no hay lugar
para este elemento.
Se realizaran dos encuestas, la primera para verificar los principales problemas en
el mundo, país y ciudad.
La segunda encuesta trata los problemas ambientales específicos, en el colegio.
Los resultados de las encuestas se encuentran en los anexos 17 y 18.
54
Encuestas:
Tabla 3.Encuesta 1
ENCUESTA QUE LES PREOCUPA A LOS COLOMBIANOS
EDAD
MENOR DE 18 AÑOS ____ 18-25AÑOS____ 26-35AÑOS____ 36-45AÑOS_____
46-55AÑOS____ 56-65AÑOS_____ MAYOR 65 AÑOS____
GENERO
F______ M_____
NIVEL EDUCATIVO
PRIMARIA______ SECUNDARIA_____ TECNICO-TECNOLOGO_____
UNIVERSITARIO-POSGRADO_____ NINGUNO____
OCUPACION
TRABAJAR____ HOGAR____ ESTUDIAR Y TRABAJAR_____ PENSIONADA____
ESTUDIAR_____ DESEMPLEADO____ NO RESPONDE_____
¿CUALES CONSIDERA USTED COMO LOS PRINCIPALES PROBLEMAS EN LA ACTUALIDAD EN EL MUNDO?
Enumere del 1 al 9, siendo el 1 más bajo y 9 el más alto problema
ECONOMIA____ MEDIO AMBIENTE_____ SALUD_____ SEGURIDAD_____ EDUCACION____
POLITICA_____ CULTURA____ DESPLAZAMIENTO____ OTRO____
¿CUALES CONSIDERA USTED COMO LOS PRINCIPALES PROBLEMAS EN LA ACTUALIDAD EN EL COLOMBIA?
Enumere del 1 al 9, siendo el 1 más bajo y 9 el más alto problema
ECONOMIA____ MEDIO AMBIENTE_____ SALUD_____ SEGURIDAD_____ EDUCACION____
POLITICA_____ CULTURA____ DESPLAZAMIENTO____ OTRO____
¿CUALES CONSIDERA USTED COMO LOS PRINCIPALES PROBLEMAS EN LA ACTUALIDAD EN NUESTRA
CIUDAD?
Enumere del 1 al 9, siendo el 1 más bajo y 9 el más alto problema
ECONOMIA____ MEDIO AMBIENTE_____ SALUD_____ SEGURIDAD_____ EDUCACION____
POLITICA_____ CULTURA____ DESPLAZAMIENTO____ OTRO____
55
Tabla 4.Encuesta 2.
IDENTIFICACIÓN DE LA IMPORTANCIA DEL MEDIO AMBIENTE EN EL COLEGIO INSTITUTO LA CUMBRE
Ocupación ___________________ Edad ____________ Genero: F _____ M ______
1. Usted como califica el estado actual del medio ambiente en el colegio: Favorable (muy bueno ó bueno) ___
Desfavorable ( Regular y malo) ______
2. Quienes considera usted que son los actores que más contribuyen a cuidar el medio ambiente en su colegio?
(Marque con una X)
a. Estudiantes ___ b. Profesores ___ c. Los administrativos ___ d. Otro. Cual ______
3. Cuáles son los temas ambientales más importantes en su colegio: (Marque con una X)
a. Manejo de residuos sólidos ___ b. Ruido ___ c. Manejo del agua ___ d. Aire ___ e. Energía ___
4. En una escala de 1 a 4, donde 1 es muy baja afectación y 4 es muy alta afectación. Que tan afectado se
siente por:
Inadecuada disposición de desechos ____
Elevada producción de basura ___
Inadecuado manejo del agua ___
Escases de agua ___
Contaminación acústica diurna ___
Contaminación atmosférica proveniente de la quebrada____
Contaminación del aire causada por vehículos motorizados ___
Exceso del alumbrado/Iluminación ___
Exceso de uso de aparatos electrónicos ____
5. Conoce alguna persona que en su colegio afronte los siguientes problemas ambientales: (Marque con una X)
Uso racional del agua___ Uso racional de energía ___ Manejo de residuos ___ _ Contaminación del aire
___
6. Qué hace usted cuando encuentra un papel en el piso: (Marque con una X)
Lo recoge ___ Lo deja ahí ___ No ve papeles en el piso ___
7. Conoce alguno de los siguientes métodos que el colegio haya implementado: (Marque con una X)
Bombillos reutilizables ___ Reutilizar materiales ___ Compartir transporte con dos o más personas ___ Usar
medio de transporte menos contaminante____ Manejo adecuado de residuos ____
8. Cuál cree usted que es la razón principal de cuidar el medio ambiente? (Marque con una X)
Mejorar su calidad de vida ___ Proteger los recursos naturales ___
Reducir gastos en servicios públicos ___ No responde ___
9. Con que frecuencia usa usted uno de los siguientes medios de transporte para desplazarse a su lugar de
trabajo o estudio: ( Siempre (S), Frecuentemente (F), Casi nunca (CN), Nunca (N), No responde (NR))
Bus o servicio de transporte masivo ___ A pie ___ Automóvil ___ Taxi ____ Motocicleta ____ Bicicleta ____
56
6.2. Diseño del sistema fotovoltaico.
El diseño y selección de una instalación fotovoltaica puede llegar a ser muy
complejo y costosa, se aplicaran los conocimientos adquiridos en la maestría de
Sistemas Energéticos Alternativos, vistos en la UDES. Además, se cuenta con la
ayuda de herramientas tecnológicas para comprobar los cálculos, como valores de
radiación, inclinación, número de paneles, etc, requeridos para el desarrollo de este
trabajo. Un ejemplo claro de estos programas, es el desarrollado por la Comisión
Europea: PVGIS (Photovoltaic Geographical Information System); que permite
consultar on-line y de forma gratuita datos de irradiación de Europa o África, este
programa se podría utilizar, pero hay que cambiar longitud, ya que no cuenta con
datos para América, cuenta con la ventaja que se encuentra traducido a las
principales lenguas de la Unión Europea además de ser muy intuitivo y fácil de
manejar. Otros programas de cálculo más potentes y con amplia difusión son el
HOMER (Hybrid Optimization Model for Electric Renewables). Este tipo de
herramientas permiten dimensionar un sistema a partir de unos requisitos
energéticos. Pueden dar una idea del tamaño óptimo de cada uno de los diferentes
componentes del sistema, proporcionan información detallada sobre el balance
energético de los componentes, indicando además los periodos críticos en los que
puede darse una pérdida de carga durante el año. Pueden considerar factores tan
obvios como irradiación, temperaturas e inclinación del lugar como otros más
complejos de correcciones por albedo, sombras, suciedad o tipo de componentes.
Para los datos de radiación, nos basamos en el programa METEONORM 6.1, para
los datos de irradiación promedio del lugar que se ira a analizar, en este caso el
colegio está ubicado en el municipio de Floridablanca, departamento Santander,
país Colombia.
Otro ítem para comparar con el programa son los datos de la UPME, donde están
los mapas de radiación solar promedio de Colombia. Anexo 12.
57
Nuestro lugar geográfico corresponde a una irradiación horizontal sobre los 2,5 a 4
kWh/m2/día o lo que corresponde a unos 1200 kWh/m2/año que se aproxima a los
valores de la base de datos Meteonorm. Esta diferencia de valores de 1624,25
kWh/m2/año dada por Meteonorm frente a los 1200 kWh/m2/año de los mapas del
NREL, es mostrada en el mapa de irradiación horizontal para Sur América, mostrado
en la figura 8. Muestra el Mapa de Irradiación Horizontal para Sur América (National
Renewable Energy Laboratory. NREL) y la Figura 9, el mapa de brillo solar anual
en Colombia (UPME). Por otra parte, tenemos los mapas de irradiación elaborados
por el UPME para el territorio colombiano donde la irradiación horizontal para
nuestra zona ronda los 3.5 a 4 kWh/m2/día, lo cual se aproxima aún más a los
valores proporcionados por la base de datos Meteonorm. La pequeña discrepancia
con los datos del NREL puede ser debida a que esta Entidad elaboró los mapas
para toda Sur América sin centrarse en el territorio colombiano y los datos pueden
llegar a uniformase más, ya que, no consideran con profundidad la diversidad
geográfica; mientras que Meteonorm y los mapas elaborados por el UPME aunque
tampoco se centran en nuestra localidad en concreto, sus valores pueden ser más
aproximados porque se centran en menos territorio y pueden considerar las
características geográficas del lugar y tener una interpolación más aproximada.
58
Figura 8.Mapa de Irradiación Horizontal para Sur América, (NREL).
59
Figura 9.Mapa de Brillo Solar Anual en Colombia, (UPME).
Consumos en el Instituto La Cumbre.
Se tomaran en cuenta el número de elementos anexo 13, su potencia, horas de
trabajo, para determinar el consumo teórico de la Institución. En la tabla 5 y el anexo
60
20, se demuestra un ejemplo de la toma de datos, para unos elementos, y esto se
realizara con los demás elementos de consumo eléctrico, en las figuras 10,11 ,12 y
el anexo 16, nos demuestran el consumo energético del colegio, el empleo de cada
elemento y las horas de uso de los mismos.
Tabla 5. Consumos Eléctricos de la Institución (ELECTRICARIBE, 2015).
DESCRIPCION POTENCIA
(WATT) NUMERO HORAS/DIA
CONSUMO (WH/DIA)
TUBOS FLUORECENTES AREAS COMUNES (F.A.C.) 30 22 6 3960
TUBOS FLUORECENTES SALONES (F.S.) 30 8 3 720
BOMBILLOS FLUORECENTES SALONES (B.S.) 65 174 2 22620
BOMBILLOS FLUORECENTES AREAS COMUNES (B.A.C.)
65 48 3 9360
AIRE ACONDICIONADO (24000 BTU), (A.A.1) 2500 4 5 50000
AIRE ACONDICIONADO (5000 BTU);(A.A.2.) 706 2 7 9884
AIRE ACONDICIONADO (50000 BTU);(A.A.3.) 5860 1 6 35160
VENTILADORES (V) 80 29 8 18560
PLANTA DE SONIDO (P.S.) 100 1 1 100
GRABADORAS(G) 22 6 4 528
COMPUTADORES TARDE©* 150 20 4 12000
COMPUTADORES MAÑANA©** 150 60 4 36000
NEVERAS (N) 130 4 10 5200
IMPRESORAS (I) 27 4 3 324
TELEVISORES (T.V.) 125 2 7 1750
FOTOCOPIADORAS (FOT.) 900 2 10 18000
REFLECTORES (REF) 250 2 1 500
TOTAL 11040 224666
Generador trabajando en el punto de máxima potencia.
Perfil de consumo: Constante anual
Ubicación: Floridablanca
Número de días de autonomía: N = 4
Inversor: ȠINV = 85%
61
Batería: VB = 48 V, Ƞ Bateria= 81%, PDmax,d = 25%, PDmax,e = 75%, Anexo 11,
ficha técnica de la batería.
Módulos fotovoltaicos: SANYO HIP-230HDE1: PM,MOD = 230 W, IM,MOD = 6,71 A,
VM,MOD = 34.3 V,ISC,MOD = 7,22 A, VOC,MOD = 42,3 V, Anexo 10, Ficha técnica del
panel fotovoltaico.
Radiación promedio aproximado en Floridablanca 3,69 KWH/m2 día, Radiación
promedio anual entre 1080 y 1620 KW/m2 /año. (UPME, 2002)
Figura 10. Distribución horaria de consumo Eléctrico en un día.
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Distribución horaria de consumo Eléctrico en un día
HORA POTENCIA REQUERIDA (WH)
62
Figura 11.Consumo Energético del Colegio.
Figura 12.Horas de Funcionamiento de Elementos Eléctricos.
6.3. Estimación de consumos.
Se tomaran en cuenta el consumo de cada aparato eléctrico y el número de horas
de operación de cada uno, para estimar el consumo diario de la institución. (fig.11).
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
CONSUMO ENERGETICO (WH/DIA)
0
2
4
6
8
10
12
HORAS DE USO/DIA
63
La toma de datos de campo en la parte eléctrica e hidráulica, se pueden ver en el
anexo 20.
Consumo diario en alterna: Ldm,AC = 224666 Wh
Media mensual de energía media: Ldm = Ldm,AC / (ȠB*Ƞinv )
Ldm= 224666
0.81∗0.85
Ldm=326312,3 Wh
Media anual de energía diaria: Lda = Ldm
Lda = 326312,3 Wh
Media anual de carga eléctrica diaria: Q da= Lda / VB = 326312,3 Wh / 48 V = 6798,2
Ah
Corriente que entrega el regulador hacia la carga:
IC = 11040 / (0,85*48) = 270,5 Amp
Posición óptima de los módulos fotovoltaicos
*Aquí está estipulado el consumo eléctrico del colegio, cumpliendo el primer objetivo
del proyecto.
Dato: Media mensual de radiación solar diaria Gdm(Φ,β) (kWh / m2*d) en
Floridablanca, gracias al programa METEONORM. Versión 6.1.
64
Figura 13.Programa METEONORM Versión 6.1. (Remund & Kunz, 2003).
65
Figura 14.Coordenadas de Floridablanca.
Tabla 6.Irradancia media de Floridablanca, Programa METEONORM 6.1. (Remund
& Kunz, 2003).
Mes Irradancia media G (Gh) Temperatura aire
(KWh/m2*d) (0C)
Enero 4,41 21,8
Febrero 4,55 22,2
Marzo 4,44 22,3
Abril 4,21 22,1
Mayo 4,61 22,2
Junio 4,68 21,9
Julio 4,69 22,1
Agosto 4,74 22,4
Septiembre 4,76 21,9
Octubre 4,21 21,7
Noviembre 3,99 21,4
Diciembre 4,06 21,7
Año 4,45 22
66
Figura 15.Radiación y temperatura de Floridablanca, Programa METEONORM 6.1.
(Remund & Kunz, 2003).
67
Figura 16.Gráficos de radiación, temperatura y pluviosidad de Floridablanca,
programa METEONORM 6.1. (Remund & Kunz, 2003).
Las figuras 13 a 16 y las tablas 6 y 7, nos demuestran los diferentes datos obtenidos
con el programa METEONORM 6.1, en cuanto a la posición geográfica del municipio
de Floridablanca, la radiación media, pluviosidad, la temperatura y la Irradancia
media.
68
Posición óptima de los módulos fotovoltaicos (ii)
Relación Lmd / Gdm(Φ,β) para diferentes inclinaciones del generador fotovoltaico:
Tabla 7. Relación Ldm/Gdm(Φ,β), para diferentes meses, Programa METEONORM
6.1. (Remund & Kunz, 2003).
MES Gdm(Φ,β); (kwh/m2)*dia Lmd / Gdm(Φ,β)
ENERO 4,41 73,99365079
FEBRERO 4,55 71,71692308
MARZO 4,44 73,49369369
ABRIL 4,21 77,5087886
MAYO 4,61 70,7835141
JUNIO 4,68 69,72478632
JULIO 4,69 69,5761194
AGOSTO 4,74 68,84219409
SEPTIEMBRE 4,76 68,55294118
OCTUBRE 4,21 77,5087886
NOVIEMBRE 3,99 81,78245614
DICIEMBRE 4,06 80,37241379
Tabla 8.Radiación promedio 04/07/2015. Datos Albatros-UIS. (Escuela de
Ingenieria Civil-UIS, 2015).
Hora Radiación ( W/m2)
0 0
1 0
2 0
3 0
4 0
5 7
6 19
7 112
8 407
9 221
10 183
11 191
69
Hora Radiación ( W/m2)
12 334
13 335
14 363
15 436
16 284
17 70
18 10
19 0
20 0
21 0
22 0
23 0
Total 2972
Figura 17.Registro Radiación Diaria, *Albatros-UIS. (Escuela de Ingeniería Civil-
UIS, 2015).
*Albatros es un sistema de datos que cuenta la Escuela de Ingeniería Civil de la
Universidad Industrial de Santander, el cual mide las condiciones atmosféricas de
la ciudad de Bucaramanga. (fig. 17).
Radiación sobre el generador
70
Radiación media mensual correspondiente al mes crítico y orientación óptima:
Según la posición geográfica, el Angulo óptimo está en 10 grados.
Gdm(Φ,10) = 3990 WH/m2 *d. (tabla 7).
6.4. Dimensionado del generador fotovoltaico.
Potencia del generador fotovoltaico
𝑃𝑀,𝐺 =𝐿𝑑𝑚 ∗ 𝐺𝐶𝐸𝑀
𝐺𝑑𝑚(ᾳ, 𝛽) ∗ 𝑃𝑅
Donde GCEM = 1 kW / m2 (Irradiancia en condiciones estándar de medida)
Instalaciones de conexión a red: PR = 0.7
𝑃𝑀,𝐺= (326312Wh*1KW) / (3990 Wh*0,7)
𝑃𝑀,𝐺= 116,832 KW
Número total de módulos (SANYO HIP-230HDEI): Considerando PR = 0.7, ficha
técnica del panel solar. Anexo 10.
𝑁𝑇 =𝐿𝑑𝑚 ∗ 𝐺𝐶𝐸𝑀
𝑃𝑀,𝑀𝑂𝐷 ∗ 𝐺𝑑𝑚(ᾳ, 𝛽) ∗ 𝑃𝑅
𝑁𝑇 = (326312,3Wh)* 1KW/m2 ) / (230 W*3990 Wh/m2* 0,7)
𝑁𝑇 = 508 Paneles
71
Número de módulos conectados en serie:
𝑁𝑆=
𝑉𝐵𝑉𝑀,𝑀𝑂𝐷
𝑁𝑆= 48 𝑉
34,3 𝑉 = 1,4
Número de ramas conectadas en paralelo:
NP=𝑁𝑇
𝑁𝑆 =
508
2= 254
NP = 254 Paneles
Corriente Total del Generador:
𝐼𝑀,𝐺 = 𝐼𝑀,𝑀𝑂𝐷 ∗ 𝑁𝑃
𝐼𝑆𝐶,𝐺 = 𝐼𝑆𝐶,𝑀𝑂𝐷 ∗ 𝑁𝑃
IM,G =6,71 Amp*254 = 1704,34 Amp.
ISC,G =7,22 Amp * 254 = 1833,88 Amp.
72
Figura 18.Panel Solar Panasonic- Sanyo.
En la foto 18, muestra las características del panel seleccionado y la empresa que
los distribuye en España.
6.5. Dimensionado del acumulador:
Tipo de batería: Preferentemente de plomo-ácido, estacionarias y de placa tubular.
No se permite el uso de baterías de arranque. Ficha técnica del acumulador
anexo11.
Tensión nominal: En general se recomienda:
VB = 12 V para P < 1.5 kW
VB = 24 V para 1.5 kW < P < 5 kW
VB = 48 V ó 120 V para P > 5 kW
73
Capacidad Nominal Diaria de la Batería:
𝐶𝐵𝑑 =𝐿𝑑𝑚
𝑃𝐷𝑚𝑎𝑥,𝑑 ∗ 𝑉𝐵
Las profundidades de descarga máximas, se suelen considerar para un ciclo diario
(profundidad de descarga máxima diaria), están en torno al 15-25%.
CBd =326312,3 𝑊ℎ
0,25∗48𝑉 = 27192,69 Ah
Capacidad Nominal Estacional de la Batería:
𝐶𝐵𝑒=
𝐿𝑑𝑚∗𝑁𝑃𝐷𝑚𝑎𝑥,𝑒∗𝑉𝐵
N= 4 días, número máximo de días que podrá estar una batería descargándose sin
recibir los módulos radiación solar suficiente, está en torno a los 3-10 días y un
profundidad de descarga del 75% aproximadamente.
CBe = 326312,3 𝑊ℎ∗3
0,75∗48𝑉 = 27192,7 Ah
CB = MAX (CBd, CBe )
CB (Ah) = 27192,7 Ah
Comprobación: (CB / ISC,G )
(27192,7 Ah / 1833,88 Amp.=14,82 h < 25), cumple con las condiciones de
instalaciones aisladas a red.
74
Figura 19.Selección de la Batería y precio.
Figura 20.Cotización del total de las baterías.
En la figura 19 y 20, muestran el valor de una batería y la cotización del número de
baterías necesarias, para satisfacer la necesidad de la Institución.
Se necesitan 1008 baterías, marca CSB MSJ650 2V, 650 Ah.
75
6.6. Dimensionado del regulador:
Intensidad de entrada del regulador:
Ie,RG=1,25*ISC,G
Ie,RG = 1,25* 1833,88Amp = 2292,35 Amp
Intensidad de salida del Regulador:
𝐼𝑆,𝑅𝐸𝐺 = 1,25 ∗ (𝑃𝐷𝐶
𝑉𝐵+
𝑃𝐴𝐶
Ƞ𝐼𝑁𝑉 ∗ 𝑉𝐵)
IS,REG= 1,25*(0+11040𝑤
0,85∗48𝑣) = 338,23 Amp.
IREG= MAX (IS,REG ; Ie,RG ) = 2292,35 Amp
Corriente del regulador 80 Amp, 2292,35 amp/80amp= 29 reguladores mínimo,
N. paneles en paralelo 254/29=8,7 paneles =8 paneles, un regulador
254/8=31,75 reguladores, se necesitan 32 reguladores.
Se necesitan 32 reguladores MMPPT 80A-FLEXMAX
76
Figura 21.Regulador MPPT80A.
Figura 22.Cotización de los Reguladores.
Las figuras 21 y 22, muestran las cotizaciones de 1 inversor y los necesarios para
la Institución.
77
6.7. Dimensionado del inversor.
Potencia: PINV=PAC
PINV = 11,040 Kw
Considerando el factor de Funcionamiento Ff =0,75
PINV=PAC* Ff = 11,040 Kw* 0,75= 8,28 Kw
Considerando el máximo consumo simultaneo, (fig.10):
Hora de mayor consumo: 11 a.m.:
Consumo= (A.A.1+A.A.2+A.A.3+V+G+CM+N+I+T.V+FOT) =
10000W+1412W+5860W+2320W+132W+9000W+27W+520W+250W+1800W=
31321 W
Pac,max,sim=31321 W
Pinv= Pac,max,sim*1,2 = 37585,2 W
Figura 23.Cotización del Inversor Trifásico AFORE de 45 KW.
78
El colegio está constituido por tres bloques, el área de cada bloque es:
Área Bloque A: 341,44m2
Área Bloque B: 345,68 m2
Área Bloque A: 131 m2
Figura 24.Distribución de Área del Instituto La Cumbre.
Área total construida: 818,12 m2
Área del Colegio: 1617 m2
Latitud de Floridablanca 7,0353 norte* (fig. 24).
Longitud -73,0523 oeste * (Alcaldia de Floridablanca, 2014)
79
Foto 7.Edificio Sala de Profesores, Bloque C.
Foto 8.Terraza Bloque B.
80
Foto 9.Vista Frontal Bloque A.
Foto 10.Patio A.
81
Foto 11.Patio B.
6.8. Distancia mínima entre filas de módulos.
Debido a las sombras, para garantizar al menos 4 horas de sol al mediodía en el
solsticio de verano, la distancia entre filas debe ser superior al valor d:
h: Altura de los módulos
Ф: Latitud del lugar (º)
Figura 25.Distancia entre paneles. Tomado de solarsostenible.org.
82
d= distancia de separación entre paneles.
𝑑 =ℎ
tan(61 − 𝛷)
Angulo de inclinación del panel 100 = 𝛷
Longitud del panel = 1,61m
Altura vertical del panel, h= 0,28 m
Ancho del panel = 0,861m
d= 0,55𝑚
tan(61−7,0353) , entonces d=0,4 m
Distancia entre bases de cada panel = 1,58m+0,4m = 1,985m
Orientación hacia el sur, debido a la latitud del colegio, en la figura 25, se demuestra
la forma que deben colocarse los paneles solares en el techo de la institución.
Basados en estos datos, en el bloque A, solo se pueden colocar 192 paneles, (4
columnas y 38 filas + 4 columnas y 8 filas).
Basados en estos datos, en el bloque B, solo se pueden colocar 225 paneles (15
columnas y 13 filas).
Basados en estos datos, en el bloque C, se pueden colocar 80 paneles (4 columnas
y 19 filas).
6.9. Dimensionamiento del cableado.
Cableado del Generador Fotovoltaico- Regulador
Criterio de máxima caída de tensión:
Datos:
83
Longitud = 7 m
S: Sección del cable (mm2)
L: Longitud del circuito (m)
Imax: Corriente máxima que circula por los conductores (A)
δ: Conductividad del material: 52 (m / (Ω· mm2)
e: Caída de tensión máxima del tramo (V), e = 1.5% Vmax
S=2∗𝐿∗𝐼𝑚𝑎𝑥
𝜎∗𝑒 =
2∗7𝑚∗1833,88𝐴𝑚𝑝
52𝑚
Ω∗𝑚𝑚2∗0,6345𝑣 = 778,15 mm2
* Diámetro del cable 31,5 mm, cable unipolar AWG 1750, ver tabla 9, de selección
de cables eléctricos.
Tabla 9.Selección de Cables Eléctricos.
Tamaño Designación
mm2 AWG
507 1000
633 1250
760 1500
887 1750
1013 2000
(Ibañez Escobar, 2014), (Gasquet, 2004). (www.portaelectricos.com, 2015)
Además se necesita un contador eléctrico, cuyo valor de € 335,45.
El modelo 5CTD
Forma parte de una familia de equipos digitales que integran funciones de
medida, registro y tarifación de energía.
En concreto, el equipo 5CTD-E1F está destinado a la medida de la energía de
cliente
con posibilidad de telegestión, es decir, comunicación remota para funciones de
lectura, gestión de energía, control de potencia, etc. a través de un módulo PLC
integrado en el equipo.
84
Se describe el modelo de 5CTD-E1F de clase B en activa y 2
en reactiva, bidireccional, con función registrador, tarifador y maxímetro, con
elemento de corte y reconexión en todos los polos y con módulo de
comunicaciones
integrado (GPRS ó PLC con tecnología PRIME) con protocolo de comunicaciones
DLMS/COSEM.
Sensores de movimiento, para ayudar a economizar y ser más eficientes en el
consumo de energía eléctrica para la institución.
La foto 12, muestra sensores de movimiento de techo para áreas comunes y de
pared para áreas encerradas, que harán más eficiente el servicio lumínico de la
institución.
Foto 12.Tipos de Sensores de Movimiento.
85
Figura 26.Factura de la Luz, Cuenta 1136751-8.
86
Figura 27.Factura de la Luz, Cuenta 1136751-8.
87
Figura 28.Factura de la Luz, Cuenta 574289-7.
88
6.10. Costos de inversión aproximados para Colombia.
Tabla 10.Costos de generación diferentes tipos de Tecnología.
FUENTE DE
ENERGIA TECNOLOGIA
COSTOS POR
KILOVATIO (US$/KW)
Hidroeléctricas Embalse (represa) 700-1700
Energía solar Sistemas solares fotovoltaicos 5000-10000
Viento (en costas) Generación de electricidad
800 a 1200, a gran escala
Hasta 3000 pequeña
escala.
Energía geotérmica Generación de Electricidad
3000 a 5000, a pequeña
escala, 1500 a 2500 a
gran escala.
Biomasa Combustión directa 2800-5000
Según trabajo realizado por la Corporación para la Energía y el Medio Ambiente
(CORPOEMA); Tabla 10, los costos actualizados a 2012 para la implementación de
proyectos de generación con Energías Renovables en zonas pertenecientes al
Sistema Interconectado Nacional (SIN) en Colombia serían, tabla 11:
89
Tabla 11. Costo de Producción de Energía por diferentes Tecnologías (CORPOEMA, 2010).
Zona Tecnología Sistema US$/kW
2010
US$/kW
2015
US$/kW
2020
Vida Útil
(Años)
Factor de
Capacidad (%)
SIN Eólica EEo 100 MW 1.385 1.206 1.072 20 30
SIN Nuclear Nuclear 1.500 1.500 1.500 40 90
SIN Eólica EEo 10 MW 1.609 1.407 1.251 20 30
SIN Biomasa Bio Vapor 50 MW 1.898 1.730 1.700 20 90
SIN Biomasa Bio Gasif 20 MW 2.289 2.020 1.910 20 90
SIN Solar ST sin Alm 30 MW 2.458 2.212 1.991 30 20
SIN PCH PCH 5 MW 2.647 2.547 2.513 30 45
SIN Geotermica Geo 50 MW 2.803 2.624 2.557 30 90
SIN Biomasa Bio RSU 5 MW 3.629 3.329 3.161 20 80
SIN Biomasa Bio Gasif 20 MW 2.289 2.020 1.910 20 90
SIN Solar ST sin Alm 30 MW 2.458 2.212 1.991 30 20
SIN PCH PCH 5 MW 2.647 2.547 2.513 30 45
SIN Geotermica Geo 50 MW 2.803 2.624 2.557 30 90
SIN Biomasa Bio RSU 5 MW 3.629 3.329 3.161 20 80
SIN Geotermia Geo 20 MW 4.579 4.278 4.166 30 90
SIN Solar ST con Alm 30 MW 4.807 4.326 3.894 30 50
SIN Solar SFV 5 MW 6.924 6.232 5.608 25 20
90
7. Consumo de agua.
* Número de estudiantes del Instituto La Cumbre, de Floridablanca, es de 2255, en
la jornada mañana (1093 estudiantes) y tarde (997 estudiantes) y en la jornada de
los sábados 165 estudiantes, profesores y personal administrativo 75, dando en total
2330 estudiantes, en el año 2015.( Fuente alcaldía de Floridablanca y rectoría del
colegio).
El colegio cuenta con tres baterías de baños, ubicadas una en el bloque A (6
sanitarios y 11 llaves para lavado de manos cada batería), y dos en el bloque B
(14sanitarios y 10 llaves para lavado de manos), además de 5 baños más, para el
personal docente y administrativo, 3 llaves para lavar traperos. Consumo de agua y
costos, se encuentran en el anexo 15.
Tabla 12.Áreas para servicios Sanitarios.
Tipo Capacidad (Estudiante/
Aparato) Área (m2/aparato)
preescolar 15 3
Escolares 25 3,6
Administrativos y
docentes 25 3,6
Vestidores 5 estudiantes por ducha
hasta 40 estudiantes 5,5
Nota: En preescolar, los aparatos sanitarios deben instalarse acorde con la estatura
de los niños. Las alturas para duchas, lavamanos e inodoros son de 1,2 m, 0,45 m,
0,3 m, respectivamente.
Con los datos tomados en campo, (anexo 20), se ha visto una reducción en el
consumo de agua, debido a que el colegio no cumple con las norma técnica sanitaria
91
para Instituciones Educativas NTC 4595, anexo 3, la cual menciona que debe haber
un mínimo por cada 25 personas 1 lavamanos, 1 sanitario u orinal en el caso de los
hombres, tabla 12, además tampoco se cumple con la norma para los aparatos sean
de bajo consumo (NTC 920-1). Esto basado en el decreto 3102 de 1997, el cual
decreta: “por el cual se reglamenta el artículo 15 de la Ley 373 de 1997 en relación
con la instalación de equipos, sistemas e implementos de bajo consumo de agua”,
anexo 1.
Otro ítem por el cual se ve un consumo menor como se puede observar en la Fig.
29 y 30. Factura de Consumo de Agua, Instituto La Cumbre, es porque se anuló
una batería de baños en el bloque B, falta de mantenimiento en sanitarios y llaves
selladas.
Por esta razón el análisis se realizara como si fuera un consumo ideal con lo que
tiene el colegio sin que haya ningún elemento dañado actual en el colegio. En las
fotos de la 13 a la 18, observamos el tipo de elementos hidráulicos que cuenta
actualmente la institución, y las fotos de la 19 a la 24, serian el tipo de elementos
hidráulicos ahorradores que debería contar la institución, (anexo 1 y 3). (Escriva
Escriva, 2013)
92
Foto 13. Lavamanos de baños Bloque A.
Foto 14.Sanitarios Bloque B.
93
Foto 15.Sanitarios Bloque A.
Foto 16.Orinal Bloque A.
94
Foto 17.Tipos de Sanitarios del Colegio.
Foto 18.Llaves Para Aseo.
95
7.1. Caudal.
*Una llave consume 10 lt/min
*Inodoro consume 10 lt/min, (Null, 1997).
El inodoro demora aproximadamente 1 min en llenarse, se abren dos baterías de
baños uno en el bloque A y otro en el bloque B.
Aproximadamente utilizan 300 personas las baterías de baños por jornada, lo que
significa 600 personas al día, una persona consume aproximadamente.
Las llaves permanecen abiertas los 30 minutos del descanso.
CAUDAL =𝑉𝑂𝐿𝑈𝑀𝐸𝑁
𝑇𝐼𝐸𝑀𝑃𝑂
VOLUMEN= CAUDAL*TIEMPO
Número de profesores 75
Número de administrativos 7
Un profesor va 2 veces al baño, en un día, un mes tiene 22 días hábiles y el
programa CLEI, asiste a clase 5 veces al mes.
Presión de agua entre 25 a 35 psi.
96
Figura 29.Factura de Consumo de Agua. Instituto La Cumbre.
97
Figura 30.Factura de Consumo de Agua. Instituto La Cumbre.
98
Foto 19.Baño con divisiones y respiraderos. UDES.
Foto 20. Distribución orinales. Centro Comercial El Cacique.
99
Foto 21.Orinal seco. UDES.
Foto 22.Sanitario con fluxómetro. UDES.
100
Foto 23.Llave Lavamanos con sensor. Centro Comercial El Cacique.
Foto 24.Montaje de Lavamanos. Centro comercial El Cacique.
Las fichas técnicas de los elementos hidráulicos seleccionados, se encuentran en
los anexos 4, 5, 6,7 y 8.
101
7.2. Aguas lluvias.
El clima de la ciudad de Bucaramanga está clasificado como cálido seco y templado seco en las partes bajas de la
ciudad, los periodos de lluvias están clasificados en dos periodos secos y dos periodos húmedos, datos según el
IDEAM.
Tabla 13.Parámetros climáticos de Bucaramanga.
MES ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC AÑO
TEM. MAX 30 29 28 27 27 25 26 27 28 26 27 28 27,1
TEM.MIN 19 19 18 17 16 15 16 18 17 18 19 18,5 17,5
PRE. (MM) 81 90 121 133 110 112 106 103 98 133 119 73 1279
DIAS LLUVIA 10 14 14 17 18 20 24 20 19 18 14 11 199
HORA.SOL 151 116 107 106 91 90 86 118 111 114 133 123 1346
HUM (%) 80 80 82 83 88 89 82 82 83 84 85 83 83,4
102
Temperatura Máxima: 30,9 0C
Temperatura Promedio: 24 0C
Precipitación Promedio 1279 mm al año.
El promedio de lluvias en Bucaramanga es de 1279 mm al año, esto quiere decir q
en un área de 1617 m2, el agua que se puede recolectar para el uso de sanitaros
equivale a un volumen de 2068,143 m3 =2068143 litros. La Tabla 13 muestra los
Parámetros climáticos de Bucaramanga. En la tabla 14, muestra el número
adecuado y el consumo de cada elemento hidráulico para el colegio. (Instituto de
Hidrologia e Investigaciones Ambientales (IDEAM), 2010)
Tabla 14. Elementos Ahorradores de Agua Seleccionados.
ELEMENTO AHORRADOR DE AGUA cantidad Consumo (Lt)
Inodoros (fluxómetro sanitario Sloan cromo+Taza
Trevi (corona) 36 6
Lavamanos: grifería electrónica cromo (corona),
ref. 706000001 51 3,6
Orinal seco Corona ref. 105101001 14 0
103
7.3. Consumo hidráulico.
Tabla 15. Consumo de elementos hidráulicos de la Institución.
Cantidad Caudal (Lt/min) Tiempo de uso (min) TOTAL MENSUAL (Lt)
Inodoros 6 10 1320
Lavamanos 11 10 1320
Inodoros 14 10 1320
Lavamanos 10 10 1320
Orinales 1 8 1320
Aseo 3 10 1320
Inodoros 3 10 1100
Lavamanos 2 10 825
Orinales 1 8 176
Inodoros 2 10 352
Lavamanos 2 10 176
Inodoros* 6 10 150
Orinales* 1 8 150
Lavamanos* 11 10 150
679528
*Aquí se cumple el primer objetivo del trabajo, que es el consumo de la institución.
7.4 Como se debe recolectar el sistema de aguas lluvias.
Existen dos tanques en la institución uno subterráneo en el patio A y uno aéreo en
el patio B.
El tanque subterráneo es de aproximadamente 6m3, este se alimentara por
gravedad, atraves de los sistemas de recolección aguas lluvia del patio y se bombea
el agua a la batería de baños del bloque A.
El tanque aéreo del bloque B, será alimentado un tanque subterráneo que se debe
construir en el patio B, su dimensión será 6 m3, se deben adecuar las tuberías de
104
recolección, para que lo alimenten por medio de una motobomba, el agua llegara
al tanque aéreo y este alimentara las baterías de baños por gravedad.
Tabla 16. Consumos de los elementos hidráulicos alimentados por agua lluvia.
Bloque A Bloque B Volumen de agua (litros)
Tiempo de trabajo
Caudal, bloque A. litros
Caudal, bloque B. litros
Costos
Sanitarios 11 24 6 30 min. 1980 4320
lavamanos 21 22 3,6 30 min. 2268 2376
orinales 11 0 0 30 min. 0
Total 4248 6696
Caudal 142 litros/min
224 litros/min
Altura 20 m 20m
Motobomba $ 2290900
$ 2846900
Mano obra tanque
$ 1500000
Tubería 3 pulg.
$ 200000 $ 200000
Total $7037800
105
Figura 31. Selección de la Bomba Centrifuga y precio.
Costos Sistema Fotovoltaico
Tabla 17. Costos de implementar el sistema fotovoltaico para ser autosuficientes.
ELEMENTOS CANTIDAD VALOR
UNITARIO MANO DE
OBRA COSTO DEL MATERIAL
COSTO TOTAL
Paneles Solares ( 452,4 Euros) 508
$ 1.323.722
$ 672.450.979
Baterias Bancada Classic Enersol T1250, de 1241 Ah, de 2V (293,05 euros) 1008
$ 432.600
$ 420.940.800
Regulador de Corriente 32 $
1.324.318 $
32.161.513
INVERSOR CARGADOR PARA INTERCONEXIÓN MARCA OUTBACK 48V 3,6kW 1
$ 31.283.418
$ 31.283.418
Estructura inclinada 12 filas de 20 puestos
$ 3.730.489
$ 44.765.868
Estructura inclinada 15 filas de 15 puestos
$ 2.794.288
$ 41.914.320
Estructura inclinada 5 filas de 10
puestos $
1.806.553 $
9.032.765
Base y fusible NH00 160 A / 48 V 1
$ 257.670
$ 257.670
106
ELEMENTOS CANTIDAD VALOR
UNITARIO MANO DE
OBRA COSTO DEL MATERIAL
COSTO TOTAL
Cargador de baterías CVC 100/12. 100A, 12Vcc 1
$ 2.940.301
$ 2.940.301
1 dólar por watt ($ 2536 por dolar, 13/06/2015)* 116832W
$ 296.285.952
$ 296.285.952
OTROS $
10.000.000 $
10.000.000
Sensores de techo 27 $
36.900 $
996.300
Contador eléctrico ZIV, modelo 5CTD-E1F 1
$ 981.527
$ 981.527
Sensores de Pared 30 $
45.900 $
1.377.000
TOTAL $
296.285.952 $
1.269.102.462
$ 1.565.388
.414
* Dato tomado de http://www.lanacion.cl/precio-de-instalacion-de-paneles-solares-
baja-a-us-1-por-watt/noticias/2012-01-10/183937.html
* El precio del dólar puede variar según la oferta y demanda.
* http://eliseosebastian.tumblr.com/post/85538621526/cuanto-cuesta-instalar-
paneles-solares
1 euro = 2926 pesos, 3/07/2015.
Tabla 18. COSTOS DE INVERSION HIDRAULICA
ELEMENTOS CANTIDAD
VALOR UNITARIO
MANO DE OBRA
COSTO DEL MATERIAL
COSTO TOTAL
Inodoros (fluxometro sanitario Sloan cromo+Taza Trevi (corona) 35
$ 783.900
$ 2.800.000
$ 27.436.500
$ 30.236.500
Lavamanos: griferia electronica cromo (corona), ref. 706000001 43
$ 465.200
$ 2.580.000
$ 20.003.600
$ 22.583.600
Orinal seco Corona ref. 105101001 11 $
710.000 $
770.000 $
7.810.000 $
8.580.000
PISOS (m2) 200 $
15.000 $
300.000 $
3.000.000 $
3.300.000
ENCHAPE (m2) 700 $
15.000 $
1.050.000 $
10.500.000 $
11.550.000
PUERTAS 24 $
150.000 $
3.600.000 $
3.600.000
DIVISIONES 12 $
80.000 $
960.000 $
960.000
Pegante para enchape 150 $
15.000 $
2.250.000 $
2.250.000
107
ELEMENTOS CANTIDAD
VALOR UNITARIO
MANO DE OBRA
COSTO DEL MATERIAL
COSTO TOTAL
otros (mantenimiento y costos del sistema de recoleccion de lluvia.
$ 10.000.000
$ 10.000.000
$
7.500.000 $
75.560.100 $
100.560.100
*Aquí se cumple el segundo y tercer objetivo del trabajo, que son los costos de la
inversión para la parte eléctrica e hidráulica.
8. Tiempo de Retorno de la Inversión (T.R.I).
Se realiza el análisis financiero con un interés anual del 6%, en la parte hidráulica
y 2% en la parte fotovoltaica.
Tabla 19. Tiempo de retorno para la parte hidráulica.
MENSUAL (Lt) INVERSI
ON
Consumo Anual (m3)* COSTOS
AHORROS ANUAL
TIR (Año
s)
CONSUMO SIN AHORRADORES 679528 6958,3667
2 $
20.179.263,49
CONSUMO CON AHORRADORES 478711,2
4902,002688
$ 14.215.807,80
Ahorro en Volumen 200816,8 2056,3640
32 $
5.963.455,69
Porcentaje de Ahorro 30% 30% 30%
AHORRO, 1m3=$1900, 10 meses con estudiantes
$ 381.551,92
AHORRO, 1m3=$1900, 2 meses sin estudiantes, consumo 77 m3
$ 33.649,00
TOTAL AHORRO ANUAL (Incluido aseo y alcantarillado)
$ 5.963.455,69
Aguas lluvias** 2056,36 $
5.963.444,00 $
5.963.444,00
$ 85.060.1
00 $
11.926.899,69
Otros (mantenimiento y montaje de recoleccion de agua lluvia
$ 7.037.80
0
$ 92.097.9
00 8,479419
108
Tabla 20. Tiempo de retorno para la parte fotovoltaica.
Consumo Anual (KWH)
COSTOS ( 1KWH=$ 399,23)
ALUMBRADO PUBLICO 10% COSTOS
TRI (Años)
CONSUMO NORMAL 55080
$ 21.989.588,40
$ 2.198.958,84
$ 24.188.547,24
CONSUMO CON SISTEMA FOTOVOLTAICO
AHORRO (KWH) 61200 $
24.432.876,00 $
2.443.287,60 $
26.876.163,60
Porcentaje de Ahorro
INVERSION
$
1.565.388.414
34,861922
*Aquí se cumple el cuarto objetivo del proyecto.
Se observa que el tiempo de retorno de la inversión, para la parte hidráulica es
buena, por lo que el proyecto es viable, pero en la parte eléctrica no ocurre lo mismo,
por eso se plantea otros escenarios posibles de la utilización del sistema
fotovoltaico.
109
8.1 Escenario 2, si realizamos el proyecto eléctrico por medio de bloques,
suministrando la potencia pico. Con una tasa del 2% anual.
Bloque B.
Tabla 21. Consumo Aproximado de Electricidad en Instituto La Cumbre de
Floridablanca, bloque B.
DESCRIPCION POTENCIA
(WATT) NUME
RO
HORAS/DI
A
CONSUMO
(WH/DIA)
CONSUMO DIAS NORMALES (KWH/MES)
CONSUMO FINES DE SEMANA (KWH/MES)
TOTAL (KWH/M
ES)
TUBOS FLUORECENTES SALONES (F.S.)
30 24 3 2160 47,52
BOMBILLOS FLUORECENTES SALONES (B.S.)
65 72 2 9360 205,92 56,16
VENTILADORES (V) 80 24 8 15360 337,92
NEVERAS (N) 130 2 10 2600 57,2
REFLECTORES (REF)
250 2 1 500 11
TOTAL 555 29980 659,56 56,16 715,72
Tabla 22. Costos de inversión eléctrica bloque B.
ELEMENTOS CANTIDA
D VALOR
UNITARIO MANO DE
OBRA COSTO DEL MATERIAL
COSTO TOTAL
Paneles Solares ( 452,4 Euros) 68 $
1.323.722 $
90.013.123
Baterias Bancada Classic Enersol T1250, de 1241 Ah, de 2V (293,05 euros) 144
$ 432.600
$ 62.294.400
Regulador de Corriente 4 $
1.285.714 $
5.142.855
INVERSOR CARGADOR PARA INTERCONEXIÓN MARCA OUTBACK 48V 3,6kW 1
$ 12.380.257
$ 12.380.257
Estructura inclinada 3 filas de
20 puestos $
3.730.489 $
11.191.467
Estructura inclinada 1 filas de
10 puestos $
1.806.553 $
1.806.553
Base y fusible NH00 160 A / 48 V 1 $
257.670 $
257.670
Cargador de baterías CVC 100/12. 100A, 12Vcc 1
$ 2.940.301
$ 2.940.301
110
ELEMENTOS CANTIDA
D VALOR
UNITARIO MANO DE
OBRA COSTO DEL MATERIAL
COSTO TOTAL
Convertidor Sumverter SV-5000/48. 5kVA, 48Vcc. Senoidal. Display digital. 1
$ 6.387.353
$ 6.387.353
1 dólar por watt ($ 2536 por dolar, 13/06/2015)* 15591W
$ 39.538.776
$ 39.538.776
OTROS, (incluyendo mantenimiento). $
10.000.000 $
10.000.000
Sensores de techo 3 $
36.900 $
110.700
Contador electrico ZIV, modelo 5CTD-E1F 1 $
981.527 $
981.527
Sensores de techo 27 $
36.900 $
996.300
TOTAL $
39.538.776 $
204.502.506 $
244.041.282
Tabla 23. Tiempo de retorno de la inversión bloque B.
Consumo Anual
(KWH) COSTOS (
1KWH=$ 399,23) ALUMBRADO PUBLICO 10% COSTOS
TRI (Años)
CONSUMO NORMAL 7729,776 $
3.085.958,47 $
308.595,85 $
3.394.554,32
CONSUMO CON SISTEMA FOTOVOLTAICO (KWH) 8592
$ 3.430.184,16
$ 343.018,42
$ 3.773.202,58
Porcentaje de Ahorro 100 %
INVERSION $
244.041.282
37,2039
6
Bloque C.
Tabla 24. Consumo aproximado del Bloque C.
DESCRIPCION POTENCIA
(WATT) NUME
RO HORAS/
DIA CONSUMO DIAS NORMALES (KWH/MES)
TOTAL (KWH/MES)
TUBOS FLUORECENTES SALONES (F.S.)
30 28 3 55,44
AIRE ACONDICIONADO (24000 BTU), (A.A.1)
2500 1 5 275
AIRE ACONDICIONADO (5000 BTU);(A.A.2.)
706 1 7 108,724
AIRE ACONDICIONADO (50000 BTU);(A.A.3.)
5860 1 6 773,52
VENTILADORES (V) 80 4 8 56,32
PLANTA DE SONIDO (P.S.) 100 1 1 2,2
COMPUTADORES MAÑANA©** 150 36 4 475,2
111
DESCRIPCION POTENCIA
(WATT) NUME
RO HORAS/
DIA CONSUMO DIAS NORMALES (KWH/MES)
TOTAL (KWH/MES)
NEVERAS (N) 130 1 10 28,6
IMPRESORAS (I) 27 2 3 3,564
TELEVISORES (T.V.) 125 2 7 38,5
TOTAL 9708 1817,068 1817,068
Tabla 25. Costos de inversión eléctrica bloque C.
ELEMENTOS CANTIDA
D VALOR
UNITARIO MANO DE
OBRA COSTO DEL MATERIAL
COSTO TOTAL
Paneles Solares ( 452,4 Euros) 187 $
1.323.722 $
247.536.089
Baterias Bancada Classic Enersol T1250, de 1241 Ah, de 2V (293,05 euros) 369
$ 432.600
$ 154.094.400
Regulador de Corriente 12 $
1.285.714 $
13.061.547
INVERSOR CARGADOR PARA INTERCONEXIÓN MARCA OUTBACK 48V 3,6kW 1
$ 12.380.257
$ 12.380.257
Estructura inclinada
9 filas de 20
puestos $
3.730.489 $
33.574.401
Estructura inclinada
1 filas de 10
puestos $
1.806.553 $
1.806.553
Base y fusible NH00 160 A / 48 V 1 $
257.670 $
257.670
Cargador de baterías CVC 100/12. 100A, 12Vcc 1
$ 2.940.301
$ 2.940.301
Convertidor Sumverter SV-5000/48. 5kVA, 48Vcc. Senoidal. Display digital. 1
$ 6.387.353
$ 6.387.353
1 dólar por watt ($ 2536 por dolar, 13/06/2015)* 42950 W
$ 108.921.200
$ 108.921.200
OTROS (Incluye mantenimiento). $
10.000.000 $
10.000.000
Contador electrico ZIV, modelo 5CTD-E1F 1 $
981.527 $
981.527
Sensores de Pared 30 $
45.900 $
1.377.000
TOTAL $
108.921.200 $
484.397.098 $
593.318.298
112
Tabla 26. Tiempo de retorno de la inversión bloque C.
Consumo Anual
(KWH) COSTOS (
1KWH=$ 399,23) ALUMBRADO PUBLICO 10% COSTOS
TRI (Años)
CONSUMO NORMAL 19624,3344
$ 7.834.623,02
$ 783.462,30
$ 8.618.085,32
CONSUMO CON SISTEMA FOTOVOLTAICO
AHORRO (KWH) 21804,816 $
8.705.136,69 $
870.513,67 $
9.575.650,36
PORCENTAJE DE AHORRO 100%
INVERSION $
593.318.298
33,42685
Como se puede apreciar no es viable de esta forma.
8.2. Escenario 3, si eliminamos las baterías y disminuimos carga.
* Asumimos una potencia de 10000wh/día, entregada por los paneles
fotovoltaicos, Con una tasa del 2% anual.
Tabla 27. Sistema fotovoltaico solo para iluminación, sin acumuladores.
DESCRIPCION POTENCIA
(WATT) NUME
RO HORAS
/DIA CONSUMO (WH/DIA)
TOTAL (KWH/MES)
TUBOS FLUORECENTES AREAS COMUNES (F.A.C.)
30 22 6 3960
TUBOS FLUORECENTES SALONES (F.S.)
30 8 3 720
BOMBILLOS FLUORECENTES SALONES (B.S.)
65 174 2 22620
BOMBILLOS FLUORECENTES AREAS COMUNES (B.A.C.)
65 48 3 9360
REFLECTORES (REF) 250 2 1 500
TOTAL 440 37160 964,4
113
Ldm,= 10000 Wh/dia, producción asumida
GCEM = 1 kW / m2
PM,G= 3,580 KW
NT= 16, numero de paneles
NP= 16
I MG= 107,36 amp
I SC,G= 115,52 amp
IREG= 647,05 amp
1 regulador para 2 paneles.
Se necesitan 8 reguladores de 80 amp.
1 inversor de 10 KW.
Costos, sin acumuladores
Tabla 28. Sistema fotovoltaico sola para iluminación, sin acumuladores, inversión
ELEMENTOS CANTIDA
D VALOR
UNITARIO MANO DE
OBRA COSTO DEL MATERIAL
COSTO TOTAL
Paneles Solares ( 452,4 Euros) 16
$ 1.323.722
$ 21.179.558
Regulador de Corriente 8 $
1.285.714 $
10.285.709
INVERSOR CARGADOR PARA INTERCONEXIÓN 20 Kw 1
$ 1.048.005
$ 1.048.005
Estructura inclinada 1 filas de 6 puestos
$ 1.083.932
$ 1.083.932
Estructura inclinada
1 filas de 10
puestos $
1.806.553 $
1.806.553
Base y fusible NH00 160 A / 48 V 1
$ 257.670
$ 257.670
1 dólar por watt ($ 2536 por dolar, 13/06/2015)* 3580W
$ 9.078.880
$ 9.078.880
OTROS (incluyendo el mantenimiento)
$ 5.000.000
$ 5.000.000
Contador electrico ZIV, modelo 5CTD-E1F 1
$ 981.527
$ 981.527
114
ELEMENTOS CANTIDA
D VALOR
UNITARIO MANO DE
OBRA COSTO DEL MATERIAL
COSTO TOTAL
Sensores de Pared 30 $
45.900 $
1.377.000
TOTAL $
9.078.880 $
43.019.955 $
52.098.835
Tabla 29. Tiempo de retorno de la inversión sin acumuladores.
MENSUAL
(KWH)
Consumo
Anual (KWH)
COSTOS, 1KWH=$
399,23
ALUMBRADO
PUBLICO 10% COSTOS
TRI
(Años)
CONSUMO NORMAL 964 10415,52
$
4.158.188,05
$
415.818,80
$
4.574.006,85
CONSUMO CON SISTEMA
FOTOVOLTAICO
AHORRO (KWH) 300 3600
$
1.437.228,00
$
143.722,80
$
1.580.950,80
Porcentaje de Ahorro 31%
INVERSION
$
52.098.835
23,712152
Comprobamos que sumiendo una carga, la cual no suministrara el consumo pico,
será de ayuda para el consumo de energía eléctrica para la iluminación, pero el
tiempo de recuperación es menor a 25 años, por lo cual es viable.
8.3. Escenario 4, Cambiando el sistema de iluminación por led y sin
acumuladores.
* Asumimos una potencia de 10000wh/día, entregada por los paneles
fotovoltaicos, Con una tasa del 2% anual.
Tabla 30. Reemplazo de elementos de iluminación y su equivalencia.
115
Bombilla Bajo LED [W]
incandescente [W] consumo [W]
25 9 5
60 20 10
100 30 15
200 65 30
Tabla 31. Consumo de elementos eléctricos con luces led.
DESCRIPCION POTENCIA
(WATT) NUME
RO HORAS
/DIA CONSUMO (WH/DIA)
TOTAL (KWH/MES)
TUBOS FLUORECENTES AREAS COMUNES (F.A.C.)
15 22 6 1980
TUBOS FLUORECENTES SALONES (F.S.)
15 8 3 360
BOMBILLOS FLUORECENTES SALONES (B.S.)
30 174 2 10440
BOMBILLOS FLUORECENTES AREAS COMUNES (B.A.C.)
30 48 3 4320
REFLECTORES (REF) 250 2 1 500
TOTAL 340 17600 455,6
Ldm,AC =340 WH/DIA
Ldm = 10000 Wh/dia
GCEM = 1 kW / m2
PM,G= 3,580 KW
NT= 16, numero de paneles
NP= 16
I MG= 107,36 amp
I SC,G= 115,52 amp
I REG= 500 amp
116
1 regulador para 2 paneles.
Se necesitan 7 reguladores de 80 amp.
Potencia del inversor 10000 vatios.
Costos elementos eléctricos con luces Led.
Tabla 32. Inversión de elementos eléctricos con iluminación Led.
ELEMENTOS CANTIDAD VALOR
UNITARIO MANO DE
OBRA COSTO DEL MATERIAL
COSTO TOTAL
Paneles Solares ( 452,4 Euros) 16 $
1.323.722 $
21.179.558
Regulador de Corriente 7 $
1.285.714 $
8.999.996
INVERSOR CARGADOR PARA INTERCONEXIÓN 20 Kw 1
$ 1.048.005
$ 1.048.005
Estructura inclinada 1 filas de 6
puestos $
1.083.932 $
1.083.932
Estructura inclinada 1 filas de
10 puestos $
1.806.553 $
1.806.553
Base y fusible NH00 160 A / 48 V 1
$ 257.670
$ 257.670
1 dólar por watt ($ 2536 por dolar, 13/06/2015)* 3580W
$ 9.078.880
$ 9.078.880
OTROS (incluyendo mantenimiento)
$ 5.000.000
$ 5.000.000
Contador electrico ZIV, modelo 5CTD-E1F 1
$ 981.527
$ 981.527
Sensores de Pared 30 $
45.900 $
1.377.000
TOTAL $
9.078.880 $
41.734.241 $
50.813.121
Tabla 33. Tiempo de retorno de la inversión, con luces Led.
MENSUAL (KWH)
Consumo Anual (KWH)
COSTOS ( 1KWH=$ 399,23)
ALUMBRADO PUBLICO
10% COSTOS TIR
(Años)
CONSUMO NORMAL 456 4920,48 $
1.964.403,23 $
196.440,32 $
2.160.843,55
CONSUMO CON SISTEMA FOTOVOLTAICO
AHORRO (KWH) 300 3600 $
1.437.228,00 $
143.722,80 $
1.580.950,80
117
MENSUAL (KWH)
Consumo Anual (KWH)
COSTOS ( 1KWH=$ 399,23)
ALUMBRADO PUBLICO
10% COSTOS TIR
(Años)
Porcentaje de Ahorro 66%
INVERSION $
50.813.121
23,286
28
Los datos del TRI (Tasa de Retorno de la Inversión, se realizó mediante un
programa Excel, Anexo 30). Se puede observar que el tiempo de retorno, es el
adecuado, ya que la vida útil de los equipos es de 25 años, se determinó que
económicamente es viable, además hay que mirar los beneficios que conlleva esta
tecnología, que es costosa, pero cuando se masifique disminuirá su valor.
118
9. CONCLUSIONES.
El sistema fotovoltaico es costoso, debido a que no hay reducción de impuestos
para esta tecnología. A medida que esta tecnología se masifique, habrá reducción
en los implementos necesarios para el montaje y generación con sistemas
fotovoltaicos, por lo tanto la reducción en el costo de los sistemas fotovoltaicos.
Es bueno montar en un sistema educativo esta tecnología, para demostrarles a los
futuros dirigentes de nuestro país, las ventajas de aprovechar los recursos naturales
que tenemos en nuestra región, además de energías limpias. Debemos pensar a
futuro y más si estamos educando personas que llevaran este mensaje de energías
limpias a todo lo largo de nuestro país. El estudio permite conocer cuánto vale un
sistema fotovoltaico para suministrar la energía necesaria para la Institución, donde
el colegio pueda garantizar un autoconsumo solo con energía fotovoltaica.
Colombia es un país que por su posición geográfica, tiene mucha energía solar que
se puede utilizar para el beneficio de toda la región y principalmente de las zonas
no interconectadas al sistema eléctrico nacional, pero se necesita ayuda del
gobierno dando incentivos a las empresas que monten esta tecnología, para que
llegue la empresa privada y se masifique la tecnología.
En la parte de consumo de agua, el ahorro es significativo y la inversión no es muy
costosa. El tiempo de retorno de la inversión es muy viable, 8 años y medio (sistema
hidráulico), con un interés alto del 6% anual. Con el estudio realizado se mejorara
el cubrimiento y se cumplirán las normas del uso de sistemas sanitarios para
colegios.
Aprovechar de una forma eficiente los recursos naturales que la naturaleza nos da
como la energía solar y las aguas lluvias que no se deben desperdiciar, sino
119
utilizarlas de una forma eficaz para satisfacer nuestras necesidades. Hay que
adaptar el sistema de captación de aguas lluvias en el colegio y su envió a los
diferentes suministros de alimentación.
Se realizaran talleres en clase con el grupo de medio ambiente del colegio, para
demostrar a importancia del ahorro de los sistemas energéticos, y crear conciencia
del buen uso de los mismos. Las personas cada día piensan más en la parte
ambiental, no solo por el costo de los recursos energéticos, sino por la forma de
obtenerlos.
A futuro se verán los cambios tanto en la parte económica, como en la parte de
conciencia ambiental, ya que cada día el consumo energético se incrementara
exponencialmente y debemos utilizar todos los recursos necesarios para satisfacer
esta sed de energía mundial. Sé espera ser pioneros a nivel nacional y regional, del
buen uso de los recursos energéticos y de la eficiencia energética.
El costo de la inversión del sistema fotovoltaico es muy grande, para ser
autosuficiente y la tasa de retorno es lejana, se analizaron otros escenarios, como
el proyecto por etapas (escenario 2) siendo autosuficientes, con lo cual se disminuye
la inversión inicial, y se examinó su viabilidad.
En el escenario 3 la energía suministrada será para la iluminación, se suministra
una potencia media, no se utilizaran acumuladores, con lo cual la energía que se
produzca será utilizada directamente, que ayudaran a disminuir los costos de
inversión.
En el escenario 4 se plantea que todos los sistemas de iluminación, fueran de tipo
LED, e igual que el caso anterior sin acumuladores, para ver la viabilidad del
120
proyecto. Se recomienda que este cambio de luminarias se realice, través de un
tiempo prudente.
Se determinó mediante este estudio, que los sistemas fotovoltaicos no son muy
viables económicamente, si cubren la carga total, debido a los grandes costos, ya
sea por impuestos, la importación de sus elementos, los altos costos del euro y del
dólar. Si el sistema da una potencia media para la iluminación es viable el proyecto,
porque la vida útil de los equipos es de 25 años. Pero este sistema será un respaldo
a la iluminación del Instituto, con lo cual las personas tendrán conocimiento del uso
de la energía solar. Se espera que el gobierno ayude a masificar esta industria, para
que en un futuro cercano sea más factible desde el punto de vista económico, ya
que del punto ambiental es muy importante.
121
10. GLOSARIO.
Acumuladores o baterías: permite el almacenamiento de la energía que se
produce durante el día con la radiación solar para ser utilizada en la noche o durante
periodos prolongados de mal tiempo o con poca radiación solar.
Celda solar flexible: Es un tipo de panel fotovoltaico que se puede adaptar a
cualquier superficie.
Cosecha de Lluvias: Captación de la pluviosidad, mediante sistemas de tuberías
llevadas a tanques aéreos o subterráneos, usualmente utilizadas para riego y los
sanitarios.
Eficiencia Energética: La eficiencia energética es una práctica empleada durante
el consumo de energía que tiene como objeto reducir el consumo de energía.
Fluxómetro: Un fluxómetro o fluxor es un mecanismo de descarga de agua para
inodoros, urinarios, que se caracteriza por el bajo consumo y alta presión.
Intensidad de corriente máxima (IM ó IMÁX): es el valor de la corriente en el punto
de máxima potencia o potencia pico. También se suele representar como IMP.
Intensidad de cortocircuito (ISC): es la máxima intensidad que se puede obtener
del panel fotovoltaico (tensión de salida 0 V).
Inversor o convertidor DC/AC: dispositivo que permite la conversión de la
corriente continua (DC) generada en los paneles fotovoltaicos en corriente alterna
(AC) para que pueda ser empleada por los receptores y electrodomésticos.
122
Irradancia Media: La irradiancia es la magnitud utilizada para describir
la potencia incidente por unidad de superficie de todo tipo de radiación
electromagnética. También se utiliza para definir la constante solar, cantidad de
energía solar que llega a la atmósfera superior de la Tierra por unidad de superficie
y tiempo.
Lluvia Acida: El concepto de lluvia ácida engloba cualquier forma de precipitación
que presente elevadas concentraciones de ácido sulfúrico y nítrico. También puede
mostrarse en forma de nieve, niebla y partículas de material seco que se posan
sobre la Tierra.
Los sistemas fotovoltaicos autónomos (SFA): Se caracterizan por ser
independientes de la red eléctrica. Dado que los paneles solares o módulos solares
no almacenan energía, usualmente se conectan a un banco de baterías para que la
energía almacenada en este pueda ser usada durante la noche o en períodos
nublados.
Orinal Seco: Elemento sanitario que no consume agua al utilizarse.
Paneles o módulos solares: son los encargados de captar la radiación solar y
transformarla en electricidad, generando una corriente continua (CC), también
llamada directa (DC). El número de paneles quedará determinado por la potencia
que se necesita suministrar, y su disposición y forma de conexionado (en serie o en
paralelo), será en función de la tensión nominal de suministro y la intensidad de
corriente que se desee generar.
Potencia nominal o máxima (PMÁX): es también conocida como potencia pico del
panel. Es el valor máximo de potencia que se puede obtener del panel, y se obtiene
del producto entre la tensión y la corriente de salida del panel.
123
Regulador o controlador de carga: Encargado de controlar la carga de las
baterías desde los módulos o paneles generadores, así como de su descarga hacia
el circuito de alimentación interior de la vivienda, evitando además que se produzcan
cargas o descargas excesivas del conjunto de baterías.
Sistemas Solares Interconectados: Son Sistemas Fotovoltaicos Interconectados
a la Red principal, son ideales para bajar el consumo electricidad actual en
residencias, comercios o empresas.
Tasa de Interés de Retorno (T.I.R.): Es la tasa de interés de retorno por medio de
la cual se recupera la inversión. Utilizado para definir la aceptación o rechazo de un
proyecto de inversión.
Tensión en circuito abierto (VOC): es el valor máximo de voltaje que se mediría en
el panel o módulo si no hubiese paso de corriente entre los bornes del mismo
(intensidad de 0 amperios).
Tensión en el punto de máxima potencia (VM ó VMÁX): es el valor de la tensión en
el punto de máxima potencia o potencia pico, que suele ser el 80% de la de vacío.
También se suele representar como VMP.
Vertedor: Estructura que tiene por objeto proteger los sistemas de almacenamiento
de agua, evacuando los excesos a la capacidad normal y su descarga aguas abajo.
124
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