Tesis / 0056 / I.M.

DISEÑO DE UN SISTEMA BIOSOSTENIBLE EN UN VIVIENDA URBANA

ANDRÉS MAURICIO BERNAL RESTREPO

UNIVERSIDAD AGRARIA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECATRÓNICA BOGOTÁ 2016

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DISEÑO DE UN SISTEMA BIOSOSTENIBLE EN UN VIVIENDA URBANA

ANDRÉS MAURICIO BERNAL RESTREPO

PROYECTO DE GRADO

ANDRÉS FELIPE SÁNCHEZ CRISTO

UNIVERSIDAD AGRARIA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECATRÓNICA BOGOTÁ 2016

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Nota de Aceptaciรณn

X F irm a d e Ju ra d o

X F irm a d e Ju ra d o

X F irm a d e Ju ra d o

Bogotรก, 10 de Octubre de 2016

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Dedicatoria

Este proyecto de grado estĂĄ dedicado en primera parte a Dios por dar este grandioso don de la vida y el poder adquirir el conocimiento de una rama tan hermosa como lo es la ingenierĂ­a, y en segundo lugar a los ingenieros y colegas que hacen de la ingenierĂ­a una de las ramas mĂĄs importantes de la humanidad dĂĄndole grandes aportes a la comunidad y permitiendo grandes logros para la vida cotidiana.

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Agradecimientos

Agradecimiento a Dios que hace que todo sea posible, a mi familia que me acompaño incansablemente para el cumplimiento de este sueño, a mis abuelos que con su voluntad y apoyo intervinieron en mi formación, mi madre que con su cariño estuvo presente en varios momentos duros, que dieron la fuerza y la motivación para continuar cada día.

Al ingeniero Andrés Felipe Sánchez Cristo, tutor y guía en el proceso de elaboración del presente proyecto, gracias por su apoyo incondicional y su gran disposición.

A los ingenieros de la universidad de San Buenaventura que fue en donde inicie mi formación como ingeniero y ellos aportaron grandes conocimientos, A los ingenieros y personal de Uniagraria que es la Universidad donde culminaré mis estudios y en donde han permitido mi formación integral profesionalmente y me ha dado las bases para ser una persona íntegra en el desempeño y gran camino como profesional.

Y todas aquellas personas que conocí durante mis estudios quienes fueron mis compañeros de trabajo y estuvieron conmigo más de 8 horas laborales, permitiéndome crear un círculo social en el cual aportaba conocimientos de mi carrera a pesar de ellos ser profesionales en otros campos.

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Contenido INTRODUCCION................................................................................................................................. 13 PROBLEMA ........................................................................................................................................ 15 DEFINIENDO EL PROBLEMA .......................................................................................................... 15 OBJETIVOS ......................................................................................................................................... 17 OBJETIVO GENERAL....................................................................................................................... 17 OBJETIVOS ESPECIFICOS ............................................................................................................... 17 JUSTIFICACION .................................................................................................................................. 18 ANÁLISIS DEL PROBLEMA.................................................................................................................. 20 1.

MARCO REFERENCIAL ............................................................................................................... 21 1.1.

ESTADO DEL ARTE ............................................................................................................. 21

1.2.

MARCO TEORICO .............................................................................................................. 22

1.2.1.

ENERGIA SOLAR......................................................................................................... 25

1.2.2.

ENERGIA GEOTERMICA ............................................................................................. 32

1.2.3.

ENERGIA HIDRAULICA ............................................................................................... 38

1.2.4.

ENERGIA BIOMASA.................................................................................................... 41

1.2.5.

ENERGIA EOLICA ....................................................................................................... 46

1.2.6.

RESULTADOS OBTENIDOS ............................................................................................. 58

1.3.

MARCO INSTITUCIONAL ........................................................................................................ 59

1.4.

MARCO LEGAL ....................................................................................................................... 60

Ley 1715, del 23 de mayo del 2014. ............................................................................................. 60 2.

CARACTERISTICAS DEL ENTORNO ............................................................................................. 60 2.1.

2.2.

ANALISIS SISTEMA ELECTRICO EN EL MUNICIPIO ............................................................. 60 ANALISIS DE LA ZONA ........................................................................................................... 65 6

2.3.

3.

POTENCIA REQUERIDA EN LA VIVIENDA ........................................................................... 68

DISEÑO DEL SISTEMA ................................................................................................................ 69 3.1.

DISEÑO DEL SISTEMA DE CONVERSIÓN ............................................................................ 70

3.2.

SIMULACION DEL SISTEMA ............................................................................................... 87

Información detallada ................................................................................................................ 90 CONCLUSIÓN..................................................................................................................................... 91 EL PRESENTE PROYECTO SE PUEDE CONTINUAR: ............................................................................. 92 4.

BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................................ 93

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LISTA DE FIGURAS

Ilustración 1 Ideam. Visor de atlas de radiación. ........................................................................ 27 Ilustración 2 Ideam. Visor de Atlas de Radiacion. Promedio Mensual de radiacion. ............ 28 Ilustración 3 UPME. Registro de proyectos de generación. ...................................................... 29 Ilustración 4 UPME. Tabla de registro de proyectos a febrero de 2016. .................................. 29 Ilustración 5 ambiente soluciones. Panel solar. .......................................................................... 30 Ilustración 6 adrformacion. Instalaciones solares fotovoltaicas................................................ 31 Ilustración 7 Natacha C. Marzolf Hacienda la Quinta. Proyecto Geotérmico macizo Volcánico del Ruiz. [En línea] Emprendimiento en energía geotérmica IsaGen 2011. ......................... 33 Ilustración 8 Ciencias de la Tierra. Sección transversal esquemática del proceso de tectónica de placas. ........................................................................................................................................ 34 Ilustración 9 Natacha C. Marzolf esquema general de planta tipo flash. [En línea] Emprendimiento en energía geotérmica IsaGen 2011. ........................................................... 35 Ilustración 10 Natacha C. Marzolf esquema general de planta tipo Binario. [En línea] Emprendimiento en energía geotérmica IsaGen 2011. ........................................................... 35 Ilustración 11 Isagen. Áreas de interés Geotérmico en Colombia. Potencial Geotérmico ..... 37 Ilustración 12 alcogen. Definición de fuentes de energía. Central hidroeléctrica .................. 39 Ilustración 13 alcogen. Definición de fuentes de energía. Central hidroeléctrica. ................. 39 Ilustración 14 upme. Atlas hidroenergetico. Capítulo 1 hidroenergia página 31 .................... 40 Ilustración 15 UPME. Atlas del Potencial Energético de la Biomasa Residual en Colombia............. 42 Ilustración 16 UPME. Informe de avance 02..................................................................................... 44 Ilustración 17 UPME. Informe de avance 02..................................................................................... 45 Ilustración 18 IRENA. Win global atlas. [En línea]. ..................................................................... 48 Ilustración 19 UPME. SIMEC. Visor de potencial eólico. ........................................................... 50

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Ilustración 20 IDEAM. Atlas del viento en Colombia. ................................................................. 51 Ilustración 21 IDEAM. Atlas del viento en Colombia. ................................................................. 52 Ilustración 22 energia eólica. Multipala americano.[en línea]. .................................................. 53 Ilustración 23 Iñaki y Sebastián UrkiaLus. Primara edición. Pamplona 2003. Energía renovable práctica. ISBN. 84-7681-375-9. ................................................................................. 54 Ilustración 24 tecnoblogsanmartin. Tecnológica de san martin Santander. Aerogenerador partes.[en línea].. ............................................................................................................................ 55 Ilustración 25 tecnologica de san martin Santander. Aerogenerador partes.[en línea]. ....... 56 Ilustración 26 Archiexpo. Aerogenerador doméstico. [En línea]. Consultado: 28 de marzo de 2016. ................................................................................................................................................ 57 Ilustración 46. Acuerdo 0333, modelo pedagógico. ......................................................................... 59 Ilustración 27 Simec. Sistema de transmisión nacional actual, [en línea] [Citadoen 2016]. ........ 63 Ilustración 28 Andrés Mauricio Bernal Restrepo, Motorola X, elaboración propia. ............ 66 Ilustración 29 pantallazo google maps. [en línea]. Consultado 30 de marzo de 2016 .......... 66 Ilustración 30. Imagen Plano casa. Distribución Interna. Echo en Auto Cad. Auditoria propia .......................................................................................................................................................... 71 Ilustración 31. Imagen Plano distribución eléctrica en casa. Distribución Interna. Echo en Auto Cad. Auditoria propia ............................................................................................................ 71 Ilustración 32. Diagrama de Bloques sistema solar. Auditoria Propia .............................................. 72 Ilustración 33. Sunearthtools. Paso del sol por la locación en Agua de Dios.[En línea]. Visto 5 de Abril del 2016. ........................................................................................................................ 73 Ilustración 34 altura máxima del sol con respecto a la posición. ..................................................... 74 Ilustración 35. sunearthtools. Grafico polar [en línea]. ............................................................... 75 Ilustración 36. Inclinación de panel solar. Realizado en Corel draw................................................. 77 Ilustración 37. Sunearthtools. Grafico cartesiano. [En línea]. ................................................... 77 Ilustración 38. hybrytec Plano panel solar. Catalogo [En línea]. .............................................. 79 Ilustración 39. Hybrytec. Dimensiones batería.[En línea]. ......................................................... 82

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Ilustración 40. Esquema de conexión circuito solar .................................................................... 84 Ilustración 41. Plano en Auto Cad de la casa con el Sistema solar. .................................................. 85 Ilustración 42. Plano sistema solar. .................................................................................................. 87 Ilustración 43 modelo software, Solar Pro V3 .................................................................................. 88 Ilustración 44 modelo de simulación, Solar Pro V3 .......................................................................... 88 Ilustración 45 grafica de potencia, Solar Pro V3 ............................................................................... 89

LISTA DE TABLAS Tabla 2 SIEL, cobertura de energía [en línea] ........................................................................... 61 Tabla 3 , Siel. cobertura de energía [en línea] ........................................................................... 61 Tabla 4 , Siel. Cobertura de energía [en línea] .......................................................................... 61 Tabla 5 Promedio de días sin brillo solar. anexo [En línea]. ............................................................. 67 Tabla 6 anexo: lista de estaciones automáticas satelitales de radiación global del ideam usadas en el atlas.[en línea]. ........................................................................................................ 67 Tabla 7 anexo: promedios mensuales de irradiación global media recibida en superficie para las principales ciudades del país (wh/m2 por día).[En línea] ......................................... 67 Tabla 19, Valores de la potencia mes de los elementos electrónicos de la vivienda. ...................... 68 Tabla 20. Tabla de las luminarias en la vivienda ............................................................................... 69 Tabla 21. sunearthtools. Tabla de posición solar.[En línea]. ..................................................... 75 Tabla 22.sunearthtools. Comportamiento asimut en las horas de sol [En línea]. .................. 76 Tabla 23. Hybrytec. Especificaciones del panel solar.[En Linea]. ............................................ 78 Tabla 24, hybrytec. Valores de la batería. [En línea]. ................................................................. 82 Tabla 25. Características Regulador de carga. .................................................................................. 83 Tabla 26. Valores nominales de funcionamiento inversor 12/800 ................................................... 84

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Tabla 27. Resumen caracterĂ­sticas, sistema solar............................................................................. 86

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RESUMEN

Con este proyecto de grado, se quiere promover y fomentar el uso de energías alternativas, en aras de construir herramientas que generen una reducción al déficit energético por el que pasan los países (hispanohablantes, tercermundistas, en vía de desarrollo) como Colombia. Por lo anterior y en vista que el mundo moderno se mueve y trabaja con electricidad, e inclusive precisar, que la cultura moderna gasta mucha más energía que hace 100 años, se hace necesario un mayor consumo de recursos para la satisfacción de la demanda.

Con la creciente importancia de contar con el suministro eléctrico a la fecha en Colombia hay zonas que no cuentan con este recurso y al hacer el análisis de una de estas locaciones como lo es el Municipio de Agua de Dios (Cundinamarca); se evidenció carencia del fluido eléctrico en algunas viviendas, siendo un municipio que cuenta con gran diversidad climática, la propuesta es buscar una solución para el problema fluido de energía, haciendo un análisis de energías renovables y determinar cuál es la mejor opción viable en la implementación de mecanismos que permitan suplir esta necesidad.

Al poder contar con recursos naturales ilimitados se logra diseñar un sistema de transformación de energía ya sea solar, eólica, entre otras, con el fin de poder abastecer la necesidad del fluido carente en una vivienda, con un sistema que brinde autonomía, tranquilad y bajo costo, pensando en la personas que habitan la vivienda y supla la necesidad de sus habitantes.

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INTRODUCCIÓN

En la actualidad hay muchos lugares que no cuentan con suministro de energía eléctrica alrededor del mundo, por ejemplo, en Colombia hay sitios que no tienen la infraestructura suficiente para que llegue el fluido eléctrico debido a las condiciones del terreno, el difícil acceso en ciertas locaciones y el sobrecosto que llevaría poder realizar estos montajes; no sólo en lugares marginales se encuentra con estos inconvenientes, también se puede evidenciar en poblaciones dentro y cercanas al casco urbano, en donde parte del fluido eléctrico llega a unas casas y otras no.

El crecimiento de la población es un factor a tener en cuenta, dado que con el, se estipulan los cálculos para el sostenimiento de la infraestructura eléctrica, el cual incrementa la necesidad de abastecer todo el territorio nacional; en proyecciones, el gobierno de Colombia estipula que para el año 2030 se haya doblado el consumo que se tiene en la actualidad, esto sin contar con el crecimiento paralelo de la contaminación que causa las formas de generación de energía eléctrica que se tiene en la actualidad.

En estos momentos es posible ver, que las emisiones de dióxido de carbono que tienen los países industrializados, como china, sobrepasan el índice de contaminación, y las personas no pueden respirar aire limpio, dando un aviso urgente a las organizaciones del cambio climático para que prendan las alarmas, y se busque la forma de mitigar el daño, por medio de políticas y tecnología, que conlleven a fomentar el uso de energía renovable, y así reducir estos índices, o mejor aún, no tenerlos presentes en localizaciones como Colombia, que cuenta con gran variedad de recursos ilimitados para su aprovechamiento.

Por medio de energías renovables, y contando con los recursos naturales que se tienen en colombia, se hace un estudio de fuentes de transformación de energía con el que se quiere garantizar el uso de energía alternativa, el cual se explota de un recurso natural renovable ilimitado, poniendo como ejemplo el aire, éste únicamente, se usa para que a través de su movimiento mueva un aerogenerador que pueda transformar un movimiento mecánico en energía eléctrica para uso doméstico; con esto no se genera contaminación, o algún daño a la integridad y

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salud de las personas que habitan en los alrededores, o personas que van hacer uso de esa tecnología, garantizando así una fuente ilimitada de electricidad para sus necesidades.

Este tipo de energías se pueden aprovechar en el mismo lugar en donde se genera, teniendo en cuenta que depende de los flujos y ciclo del planeta. Este tipo de implementaciones ayudan a poder dar solución a muchos inconvenientes ambientales por el que pasa el mundo entero, y reducir las emanaciones de dióxido de carbono, que se presentan en Colombia ya sea por las fuentes de generación de energía o diversas métodos que se usan en el diario vivir. En Colombia se cuenta con una diversidad climática, en la cual se pueden obtener variedad de escenarios que están determinados por las condiciones geográficas y atmosféricas que corresponden a cada región, en donde se puede obtener determinado aprovechamiento de recursos; que se tienen en los municipios y sectores que por su asentamiento, permite que las personas habiten en pueblos, caseríos y ciudades, logrando un crecimiento poblacional, el cual puede determinar sitios en donde se pueden usar los recursos naturales y ayudar a la población para suministrar la energía eléctrica. .

Una población pequeña que hace parte de este estudio, es el Municipio de Agua de Dios-Cundinamarca, está situado en la provincia del Alto Magdalena, región ubicada a 114 km de Bogotá, la capital de Colombia, y es denominado el paraíso escondido de Cundinamarca, cuenta con un promedio de 8384 habitantes entre hombres y mujeres, aquí se hace explotación minera a baja escala, y tiene un clima templado-cálido ya que se encuentra a unos 400 metros sobre el nivel del Mar.

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PROBLEMA

Carencia del suministro de energía eléctrica para las viviendas del municipio de Agua de Dios.

DEFINIENDO EL PROBLEMA

En el transcurso de los años, las instalaciones eléctricas de las viviendas han ido evolucionando. Antiguamente, los usuarios no contaban con fluido eléctrico para poder disponer de iluminación y puntos de acceso, tomas corrientes para poder conectar sus electrodomésticos a la red eléctrica, pero en la actualidad es extraño el que no cuente con esta infraestructura en su hogar; en vista de que se presenta esta dificultad, se hace necesario el plantear soluciones que cumplan a cabalidad con los estándares ambientales y sociales, garantizando la calidad de vida de las personas que habitan la vivienda.

Teniendo en cuenta lo anterior en el sector de Agua de Dios municipio de Cundinamarca, no se tiene una buena distribución del recurso eléctrico, lo que implica que varias personas no cuenten con este en sus hogares; problemática que se presenta ya sea por mala planeación o falta de recursos para construir toda la infraestructura y abastecer a la comunidad, de tan importante servicio.

Las plantas generadoras de energía del municipio de AGUA DE DIOS, entregan este fluido a otra empresa, que es la encargada de hacer la distribución, para todas las viviendas de los municipios aledaños, permitiendo que las personas cuenten con el fluido de electricidad, pero por falta de desarrollo o difícil acceso a algunas zonas, no se puede brindar el servicio a lo cual se necesita plantear una solución pertinente, y acabar la problemática de insuficiencia o falta de energía.

Se evidencia una alta necesidad de implementación de un sistema, que minimice la carencia del fluido eléctrico, y genere comodidad para todos y cada uno de los 15

habitantes del municipio, al igual que para las autoridades encargadas de velar por la calidad de vida de los individuos, generando un sistema eléctrico tal en la vivienda que permita la autonomía de la casa.

Los entes encargados de la distribución del fluido eléctrico como las empresas de energía, ya no serían tan virales para el desarrollo de una zona alejada o con problemas económicos, que no le permitan disponer de la demanda de medios de primera necesidad tan elementales para una persona en la ciudad, pero tan escaso para una persona de este municipio.

Teniendo en cuenta todos estos factores también se evidencia que se cuenta con población vulnerable, es decir, con índices de pobreza o desigualdad para lo que se hace necesario el diseño de un plan que ayude al suministro de energía y supla la necesidad de la población, permitiendo una vida a mena.

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OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Solucionar el problema de falta de suministro eléctrico en una de las viviendas del municipio de Agua de Dios - Cundinamarca

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. Realizar el estudio del estado del arte concerniente a la carencia de fluido eléctrico en las viviendas del municipio de Agua de Dios-Cundinamarca.

2. Selección del sistema de conversión de energía.

3. Realizar el diseño del sistema de conversión de energía.

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JUSTIFICACIÓN

En vista de la problemática que se presenta para el municipio de Agua de Dios respecto al suministro del fluido eléctrico para algunas viviendas, se plantea el diseño de un sistema biosostenible, que abastezca la necesidad de electricidad para una vivienda que no cuenta con el.

Teniendo en cuenta la zona y sus características geográficas, se requiere la implementación de un sistema de herramientas, para cubrir la necesidad de suministro eléctrico en una vivienda. Con el aprovechamiento de los recursos naturales, se diseña la implementación de un sistema lo más conveniente posible para la obtención natural del recurso eléctrico, en el hogar de una familia promedio que habita en esta zona, permitiéndole una mejora en su diario vivir, diseñando una herramienta o estructura que permita la electrificación de la vivienda en un grado bajo o elevado, garantizando el bienestar de las personas que moren en las instalaciones.

En la actualidad, con los perjuicios originados en relación con el cambio climático y la afectación de los fenómenos naturales que se están presentando en el mundo, es una opción veraz, el tener en cuenta el uso de las energías renovables, permitiendo su implementación en zonas locales y rurales, ya que esto ayudaría a abastecer la necesidad del fluido eléctrico y de paso mitigaría la contaminación con un gran aporte, puesto que la actual fuente de energía que se usa es renovable e ilimitada, teniendo esto en cuenta se puede apreciar que el índice de contaminación bajaría y que las personas de determinada población estarían generando su propia energía para suplir sus necesidades.

Esta es una forma determinante, para mediar con las personas frente a lo que hace el gobierno local, en aras de garantizarles un servicio al cual de forma directa el mismo gobierno es el que tiene que garantizar el suministro eléctrico, pero que por circunstancias o factores, a la población no se le brinda; se pueden tener en cuenta fuentes alternativas como el sol, el viento, el calor o las fuentes hídricas, para poder abastecer el flujo de energía; una vivienda, que no esté obligatoriamente interconectada a la red eléctrica de la empresa suministradora

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del servicio, teniendo un tipo de sistema que pueda generar su propia electricidad se propone hacer uso de energía limpia renovable no contaminante.

Teniendo en cuenta la situación geográfica se cuenta con varios recursos, no muy lejos del pueblo, se tiene una planta generadora de energía Geotérmica, la cual está ubicada cerca al nevado del Ruiz para poder ejecutar su funcionamiento, los ríos del municipio, el aire que generan las corrientes de viento, ya que se cuenta con una zona montañosa cercana la cual genera corrientes de aire que pueden llegar a ser beneficiosas en el sitio en donde se pretende instalar el sistema de conversión de energía, y además de estos factores se cuenta con la radiación solar, que por este espacio se encuentra de manera ilimitada, ya que es una zona llamada tierra caliente, en donde los índices de radiación son constantemente altos.

En este corto análisis se hace evidente la necesidad de un estudio de este tipo de energías no contaminantes, y de esta manera poder determinar cuál es la mejor solución ponderando costo - beneficio en la elaboración del diseño del sistema de conversión de energía y suministro de electricidad, que más se adecue al entorno de la vivienda que se está analizando, y la necesidad del consumo de la familia, el gasto energético que tienen diariamente; de esta forma poder brindar la robustez de un sistema que complemente todas las necesidades y la calidad de vida con la que merecen contar para su diario vivir.

Al mismo tiempo, el sistema que se quiere implementar debe ser un sistema de fácil mantenimiento y que además cuente con la facilidad para que cualquier persona de la casa pueda hacer manejo de el, ya sea, para su mantenimiento, control y/o supervisión de la seguridad de sus habitantes. El sistema que se quiere acoplar debe tener la capacidad de poder almacenar la energía durante un periodo de tiempo, ya que es una implementación que va directa a la red y es indirecta al uso que se le da, es decir, el sistema de conversión de energía hace la generación y esta misma se acumula en un banco de baterías para poder abastecer los sistemas de la casa, esto sucedería si se está contando con el banco de baterías y así se garantice que el suministro de electricidad para la vivienda sea constante y en un lapso de las 24 horas del día, permitiendo de esta manera que se interactúe con todos los electrodomésticos en cualquier momento y sin el temor de quedarse sin electricidad o que haya un apagón por las condiciones actuales en las cuales se encuentra el déficit energético de las hidroeléctricas que no dan abasto con la creciente demanda de este recurso.

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ANÁLISIS DEL PROBLEMA

Teniendo todos estos datos importantes en cuenta, se puede iniciar con un análisis más profundo de la localización, la cual permite llegar a evidenciar factores y soluciones para el problema del fluido eléctrico para este municipio, con la pequeña muestra documental y demás textos que abarcan el tema de la implementación de soluciones para todo lo que se está planteando; se puede realizar la estructuración de un plan de cuál es la energía más conveniente con respecto a la distribución eléctrica que se tiene en el Municipio de Agua de Dios.

Para iniciar con este análisis se tiene que en la zona hay un índice económico bajo, dado que por las costumbres, aún se encuentran casas construidas con el material de bareque, que son casas con material muy bueno con el cual en el pasado se hacían todo tipo de construcciones y se lograba un gran hábitat para las personas, en esta época las personas prefieren las construcciones en ladrillo o bloque que les proporciona más confort y seguridad, por el miedo a alguna catástrofe, pero cabe aclarar que la construcción en bareque o guadua son muy resistentes y de gran calidad, contando con una gran ventaja que brinda una climatización natural y aún más para una zona que está arriba de los 30° grados la mayor parte del año.

Contando con esta climatización natural se asume que no se requiere que el ventilador este encendido todo el día, sino que en el momento de mayor fulgor que se presente, con respecto al sol de mediodía, en este tipo de escenarios en donde más calienta y se siente el bochorno en el ambiente. Concerniente a ello debemos describir las cualidades del bareque el cual no es un sistema demasiado complejo pero sí demasiado completo, puesto que se compone de carrizo entretejido que forma un encofrado relleno posteriormente con paja, cáscaras de coco, lodo o incluso botellas de pet, dependiendo de la zona donde se utilice. Así que además de económico es completamente amigable con el ambiente.

No obstante, este no es el problema que se quiere abarcar, todo inicia con la falta de suministro eléctrico en algunas de las viviendas de la zona, en cifras del municipio se dice que alrededor de unas 80 casas no cuentan con este beneficio, sin tener en cuenta que se encuentran entre la zona rural o urbana, lo cual hay que analizar las posibles causas de la falencia energética y poder brindar una solución pertinente para este problema.

Teniendo en cuenta lo anterior, se dará inicio a un análisis de cómo está estructurada toda la red eléctrica que llega al municipio para permitir de una manera clara evidenciar la carencia del fluido eléctrico permitiendo llegar a los sistemas que implementan las empresas, además de explorar la zona para

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encontrar fuentes de energía limpia que permita abastecer la necesidad a un bajo costo y gran calidad en la prestación del servicio, así sea de forma individual; este proyecto permitirá la escogencia de la mejor opción a ser implementada con una muestra de diseño que llene las expectativas.

Para un análisis eficaz, se analiza con respecto a los datos que tiene el gobierno y los entes territoriales en sus proyectos de expansión de la red de infraestructura eléctrica, por medio de consulta del SIEL (sistema de información eléctrico colombiano), para con ello permitir ver en la actualidad como se encuentra en el municipio con respecto a las fuentes de producción energética.

1. MARCO REFERENCIAL 1.1.

ESTADO DEL ARTE

Todos los gobiernos alrededor del mundo se han empeñado en el inicio de la mitigación del daño ambiental que está sucediendo en los países, para este ejemplo contamos con los países pertenecientes a la Unión Europea, que cuenta con pocos recursos y son países que no cuentan con grandes recursos naturales, por lo cual se encuentran en la obligación de imponer estrategias energéticas de colaboración entre los países en materia de eficiencia energética, así garantizando seguridad, competitividad y sostenibilidad, de dicho sistema para la creciente demanda en la cual se integren estrategias basadas en el texto Energía que forma parte de las publicaciones, comprender la políticas de la unión europea.

Lo que permite a los investigadores el tocar herramientas que no sean contaminantes y que ayuden a cubrir con las necesidades energéticas que tiene la población, haciendo un análisis profundo de energías convencionales, en paralelo con un análisis de las principales energías renovables, colocando en otro contexto el tema de índice energético que conocemos en la situación actual, se permite hacer la valoración de las fuentes de energías no contaminantes y gratis en principio, como lo estipula en el libro Fuentes de energía, José Roldan Viloria ya

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que no genera costo alguno el aprovechamiento de estas, el costo está reflejado en el montaje de elementos.

El análisis profundo en este campo podría llevar a las universidades en sus grupos de investigación a fomentar ideas sobre los recursos naturales que se pueden involucrar para contener el daño ambiental, con la implementación de energías renovables, como lo hace en su libro Energías Renovables y Eficiencia Energética, del Instituto Tecnológico de las Canarias, los problemas energéticos que se presenta en las canarias el cual fomenta el uso de las energías renovables en países que, por la necesidad, se han visto obligados a buscar alternativas para poder mitigar el daño ambiental y poder brindar el abastecimiento completo del recurso tan necesario como lo es la electricidad, este tipo de investigaciones llevan a tener las herramientas para la aplicación de este tipo de proyectos para Colombia, permitiendo de esta forma poner conciencia en las personas y en la conservación de los abundantes recursos con los que cuenta el país.

En la actualidad hay empresas dedicadas al rubro de la investigación de la mejora de tecnologías, que den una mejor eficiencia energética, ya sea en el ámbito solar, eólico, mareomotriz, y demás, en lo cual se puede implementar sistemas calificados para competir con las energías no convencionales.

1.2.

MARCO TEÓRICO

La generación de electricidad, por medio de energías renovables es una alternativa que se estudia en la actualidad, ya que con estos sistemas se puede llegar a cubrir un número mayor de usuarios, para que gocen del suministro eléctrico, con sistemas no tan robustos y que cubran las necesidades en pequeñas poblaciones, en las cuales hay difícil acceso o que por otras razones que no cubra el sistema de distribución en parte del territorio; gran parte de Colombia cuenta con generadoras hidroeléctricas, distribuidas por todos los municipios, al igual que generadoras de electricidad con fuente de energía convencional que llegan a suplir la necesidad eléctrica de las viviendas.

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Las fuentes convencionales de energía a través de los años han sido las encargadas de suministrar todo fluido eléctrico al territorio nacional, incluso en la actualidad en Colombia las más representativas es la generación de energía hidroeléctrica, luego le sigue la térmica, eólica y la cogeneración, en el caso de la energía hidroeléctrica el recurso que se usa es el agua para poder hacer la transformación de energía potencial a energía eléctrica, caso que no se da con la energía térmica, ya que su fuente principal para la transformación es de gas, combustibles líquidos y el carbón, lo que contribuye de cierta manera a que haya contaminación ambiental, por otro lado la energía eólica que es una energía alternativa la cual es amigable con el medio ambiente, lo que no se obtiene con la cogeneración, ya que esta usa el bagazo y el carbón como su fuente de transformación.

Un análisis profundo de energías convencionales, en paralelo con un análisis de las principales energías renovables, que narra en su libro Fuentes de energía de José Roldan Viloria, se coloca en otro contexto el tema de índice energético que conocemos en la situación actual, permitiendo un desglose y análisis de definiciones que ayudan al lector en la valoración de las fuentes de energías no contaminantes y gratis en principio, ya que no genera costo alguno el aprovechamiento de estas, el costo está reflejado en el montaje de elementos. Lo que permite adentrarse en el contexto de las energías alternativas a nivel general, pero estas llevan un espacio bastante grande dado que para muchas locaciones del planeta son consideradas el tipo de energía de forma distinta, es decir, lo que para Colombia es una fuente de energía alterna, para otro país puede ser una fuente convencional de energía.

Las energías alternativas las cuales se encuentran ligadas al hombre desde su origen, y de la forma en que abarcan todos los sistemas de generación, en un principio se percibe que todos estamos iluminados por una sola estrella fuente de energía ilimitada, pero esta no se ha usado en su totalidad ya que el mundo está ligado a energías tan convencionales, que contaminan y con las que se suplen la demanda energética, ubicando en un segundo plano la generación de energía limpia como una propuesta ambiental para poder pasar a la experimentación que se lleva a cabo en el uso e implementación de sistemas energéticos no convencionales que permitan de gran manera suministrar fuentes de energía eléctrica de una manera limpia, y de gran aprovechamiento por una comunidad, lo

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cual permite procesos de investigación que son aprovechados por las universidades como lo hace el Instituto Tecnológico de las Canarias, en su libro Energías Renovables y Eficiencia Energética, en el cual se hace un análisis de los problemas energéticos que se presenta en las canarias, permitiendo publicar de esta forma el cómo se está abocando el uso de las energías renovables en países que, por la necesidad, se han visto obligados a buscar alternativas para poder mitigar el daño ambiental y poder brindar el abastecimiento completo del recurso tan necesario como es la electricidad, permite ver al lector un análisis de unas fuentes de energías alternativas y la forma de enfrentar el ahorro y la eficiencia energética haciendo la propuesta de sistemas robustos y de gran calidad.

Logrando este tipo de implementaciones se puede tener sistemas individuales en los hogares de las personas que permitan abastecer el suministro propio personal y a su vez, tener la oportunidad de poder llegar a vender algo de energía a las empresas de transmisión de energía para llevar este suministro comprado a cubrir una necesidad en otro sitio, y disminuir el uso de energías contaminantes, lo que permite tener una visión más allá de los sistemas planteando un libre montaje de cualquier sistema, que permita tener un enfoque de lo que se quiere lograr para generar respectiva transformación de energías, y de esta forma tener el aprovechamiento de los recursos naturales disponibles.

Al adentrarse en las energías renovables, se hace evidente determinar cuáles son los tipos de energía que se pueden encontrar en el municipio y que sean de correcto aprovechamiento, para la generación de energía eléctrica, tomando como punto de partida la energía solar fotovoltaica, se puede llegar a tener un estándar de lo que se quiere medir en la localización para de esta forma poder determinar si es viable un montaje de este tipo, o sigue una mejor espera de la obtención de energía convencional, lo que conlleva a hablar de Instalaciones Solares Fotovoltaicas, un libro de Carlos Tobajas Vásquez, muy completo sobre los estándares solares, aquí se habla del caso de conexiones solares fotovoltaicas, analizando los tipos y las formas más benéficas mediante el cual se puede optimizar el aprovechamiento de esta fuente de energía, habla de las problemáticas y los costos que se pueden presentar y enseña la pauta como una opción muy viable para la implementación de este tipo de generación de energía ya sea para zonas interconectadas o aisladas, concluye que deja gran autonomía en el caso de inclinarse por este tipo de generación.

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1.2.1. ENERGÍA SOLAR Este tipo de energía es la que en el momento presenta el mayor auge debido al encarecimiento de las energías convencionales, y por la mitigación del daño ambiental y la contaminación que hay a nivel mundial, es un método eficaz de generación de energía en el cual muchas personas lo están tomando como opción para el suministro de su propia electricidad debido a que son zonas alejas y es económica su implementación.

De la energía solar se tiene que es uno de los elementos que siempre esta constante en el planeta, y es una fuente inagotable, el sol como estrella está compuesto por varios elementos de tipo gaseoso, donde el gas principal es el hidrogeno, el cual se mezcla en una fuente de energía en su núcleo y de esta forma se crea una mezcla, llamada una fusión nuclear que viajan al espacio por medio de la convección y la radiación desde su núcleo.

Esta energía llega a la tierra en forma de radiación terrestre, y este tipo de radiación solar que afecta sobre la tierra se puede aprovechar gracias a la capacidad de calentar, y además por medio de paneles o de forma directa se puede generar su uso para generar energía eléctrica o calentar de forma natural, algunas acciones que se usan en la industria, y hasta en los mismos hogares para calentar alimentos y agua.

Para la generación de electricidad por medio de energía solar fotovoltaica se hace precisar que la radiación se da por tres tipos: directa, que es la que llega directamente donde se quiere alimentar; difusa: en este caso la energía encuentra obstáculos para poder llegar directamente, la cual se distorsiona y llega en pequeñas porciones; reflejada: que se entiende como la energía que llega primero a otro objeto y luego va al sitio directo en donde se necesita. Teniendo en cuenta todo ello se ve precisar que se debe de tener en cuenta en el momento de un montaje.

La energía solar tiene su historia basada en el inicio de las civilizaciones anteriores en donde ellos hacían el aprovechamiento de su uso, luego de pasar los años inicio con los romanos que fueron los que más fuerza le dieron a estas implementaciones, ya que los romanos tomaron vidrio en sus ventanas para poder usar el sol que calentaba en ellos, esta forma de usarlo era para poder proveer calefacción en sus casas, luego iniciaron sus adaptaciones para generación de

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ambientes controlados, creando invernaderos y poder suplir una cosecha controlada por medio de un ambiente adecuado.

Con el pasar de todo ello la tecnología fue evolucionando hasta tal punto que se creó el panel solar, claro este en sus inicios contaba con muy poca eficiencia de adsorción, a lo cual con el desarrollo tecnológico fue brindando mejoras para poderlo hacer eficiente y su uso fuese aprobado, hasta tal punto de encontrarse con parque solares que son dedicados a suplir la energía a las redes que llegan a las ciudades; este tipo de energía es considerado como energía verdad, ya que emite o contaminación y su uso es apropiado para muchas zonas lejanas o de difícil acceso para tener otro tipo de infraestructura, sin tener en cuenta el rol de la rotación frente a al sol, que son variables cambiantes, pero ha demostrado ser una buena fuente y de gran calidad.

Por otro lado el mundo se ha apropiado de este tipo de energía para la generación de la electricidad, a nivel de Colombia que el recurso por la ubicación del país, lo hace eficiente para pensar en la implementación y suplir necesidades en muchas regiones, ya se pueden ver muchos proyectos funcionando y abasteciendo la demanda energética, que es un factor de primera necesidad para las personas, en muchos lugares se hacen implementaciones caceras contando con buena calidad de suministro y sin necesidad de tener un costo dependiente.

Por lo dicho anteriormente Colombia por su ubicación es privilegiada para poder contar con este tipo de energía, la cual se localiza en todo el territorio nacional con diferentes índices de radiación, como se muestra en el mapa de promedio multianual, creado por el Unidad Nacional de planeación energética (UPME), en su atlas de radiación solar.

En la ilustración 1 se pueden apreciar los índices de radiación solar, que varía en una rama de colores de amarillo a naranja oscuro, lo que indica que el primero es la zona con menor radicación y el naranja oscuro es la locación que tiene el mayor índice de irradiación sobre Colombia, todo ello gracias a la ubicación de los puntos negros en los cuales se encuentran las estaciones meteorológicas principales.

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Ilustración 1 Ideam. Visor de atlas de radiación.

Con la muestra del mapa se denota que Colombia es una gran zona desde su parte central hasta sus costas para el aprovechamiento del sol como fuente de energía, según el mapa muestra cómo se mantienen esas zonas con esta radiación, pero para el análisis pertinente se detiene que hay que hacer un estudio más a fondo del comportamiento en varios meses de año, para así determinar la fiabilidad de que el sistema de conversión de energía solar funcione de gran calidad.

Dicho esto, se analizan los mapas pertinentes con la información y la zona del Alto Magdalena en donde se encuentra ubicado en el Municipio de Agua de Dios, para ver y demostrar la fiabilidad que podría tener una implementación de energía solar fotovoltaica para la zona, con respecto al suministro eléctrico en la misma.

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Contando con ello se toma como punto de referencia la ciudad de Ibagué para determinar el índice de radiación exacto en la zona:

Ilustración 2 Ideam. Visor de Atlas de Radiacion. Promedio Mensual de radiacion.

Con esto se puede decir que el comportamiento es ideal para la generación de energía solar fotovoltaica, lo que permite pensar en una futura implementación para abastecer las necesidades energéticas de la zona. En un análisis más profundo, con respecto a los mapas suministrados por el Ideam, en compañía con los generados por el UPME, desde 1994, hasta la fecha, la variación que se ve es la del aumento del índice de radiación, ya sea por el cambio climático y ciertas variables ambientales, pero indica también la estabilidad y la tranquilidad de que aquí un proyecto funcionaria.

Se tiene que en Colombia se cuenta con pocos proyectos de energía solar instalados y en funcionamiento, el registro ante el UPME, arroja que a febrero de 2016 son de 7, con una capacidad de generación de 120,90 MWh, que es muy poco, para toda la energía que se tiene; a continuación se muestra en donde están ubicados y la relación con respecto a los montajes funcionando, que en el plan de expansión de generación de energías del gobierno nacional se vislumbra que es mayor la implementación de esta tecnología; por el momento lo que se tiene en la actualidad es:

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Ilustración 3 UPME. Registro de proyectos de generación.

Ilustración 4 UPME. Tabla de registro de proyectos a febrero de 2016.

Con estos datos se evidencia que la inversión en energía solar en mínima, y es un recurso que se puede aprovechar de manera ilimitada.

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 COMO FUNCIONA

Este es uno de los usos más frecuentes para la energía solar, la utilización de un panel solar fotovoltaico para la generación de electricidad directa, donde mediante el efecto fotovoltaico convierte la energía del sol, este efecto consiste en la conversión de energía luminosa en energía eléctrica.

Una celda solar, es un semiconductor con los contactos adecuados para canalizar el flujo de electrones, estas suelen tener un espesor entre 200 y 400 micras, con una superficie de 8 o 10 cm, estas celdas están adaptadas para el suministro de diferentes valores de potencia en el orden de Wp, llegando a su pleno trabajo puede entregar 0,5 por 1Wp. Interconsulting. Bureau, Aprovechamiento de energías renovables. Medio ambiente. 1 edición, ICB Editores-Bogotá.

Ediciones de U, 2015. 154 p; 24cm.ISBN 978-958-762-405-2

Ilustración 5 ambiente soluciones. Panel solar.

Este tipo de instalaciones se usan comúnmente en casas y edificios, pero es de saber que también hay varias centrales eólicas en el mundo. El funcionamiento es básico pero necesitas de otros elementos que se adapten al sistema para su correcto funcionamiento en una instalación fotovoltaica, que consta básicamente de:  Los módulos fotovoltaicos  Regulador

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 Acumuladores  inversor

Un esquema de un montaje solar clásico es:

Ilustración 6 adrformacion. Instalaciones solares fotovoltaicas.

Con este sistema se incrementa su utilización para la generación de energía solar en diferentes apartados que se pueden usar como lo son:    

Viviendas urbanas y rurales.

Para calefacción Bombeo de agua.

Telecomunicaciones.

Para estos tipos de uso se pueden hacer implementaciones simples y sencillas las cuales no tienen un costo mayor, para el caso de proveer de electricidad a una vivienda, es muy útil debido a que su implementación es sencilla y de fácil mantenimiento.

Después de analizar este tipo de generación de energía, se puede determinar que es una forma viable de proveer la solución al problema de energizar una vivienda

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en el sector de Agua de Dios-Cundinamarca, debido a que el sol es una constante en la zona, con ello el índice de radiación solar es el del promedio que se puede manejar para mantener un sistema equilibrado y poder proveer de electricidad, por parte de un sistema privado que brinde el equilibrio al uso del consumo promedio que tiene una familia en el lugar. Debido a esto, esta es una opción muy favorable para su adaptación.

A pesar de ser favorable para la implementación al inicio de este capítulo se hace un análisis de varios tipos de energías renovables con lo que se quiere llegar a determinar cuál es el modelo que mejor se ajuste a la demanda para este municipio; en diversas lecturas y análisis de las universidades se encuentran que se toma en cuenta una energía que para un país es su principal fuente de suministro, para Colombia podría llegar a ser una opción valida para robustecer el sistema eléctrico nacional, por medio de la energía geotérmica como lo argumenta Natacha C. Marzolf, en su investigación titulada Emprendimiento de la Energía Geotérmica en Colombia, en la actualidad, se ve la necesidad de explorar todas las fuentes que puedan generar energía, de este modo, la energía Geotérmica representa todo un adelanto y gracias a la locación en que se encuentra Colombia permite la generación de la misma, presentando un análisis de la forma de generación y de los avances científicos en este campo, como su nombre lo dice, es un proyecto patrocinado por las principales empresas de energía de Colombia con una perspectiva mayor de poder generar este recurso y abastecer la necesidad energética que se presenta actualmente de este país, llevando consigo una solución para ayudar a muchas personas. Pero la pregunta es ¿qué es este tipo de energía lo que conlleva a dedicar un capitulo a sus características?.

1.2.2. ENERGÍA GEOTÉRMICA

Este tipo de energía se considera un tipo de energía no convencional, del tipo de energías renovables que en sus inicios tiene un gran potencial para la generación de potencial eléctrico, en esencia, es el tipo de energía que se obtiene desde el interior de la tierra y es transferido a la superficie. Este tipo de energía se produce en cercanías a los volcanes ya que en el interior de estos las temperaturas son altas y ayudan al calentamiento del agua que se encuentra en el subsuelo para de esta forma también permitir otras aplicaciones, como las que podemos ver en sitios turísticos de aguas medicinales en la cercanía de los volcanes, y demás

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actividades como la piscicultura, la agricultura y actividades industriales, habiendo un campo amplio para la aplicación de ella.

A través del tiempo este tipo de energía se ha establecido como un tipo de energía madura y competitiva permitiendo la instalación de sus plantas alrededor del mundo, inclusive en el 2011 se instaló un proyecto de este tipo de generación para la obtención de calefacción en la hacienda la quinta, macizo volcánico del Ruiz

Ilustración 7 Natacha C. Marzolf Hacienda la Quinta. Proyecto Geotérmico macizo Volcánico del Ruiz. [En línea] Emprendimiento en energía geotérmica IsaGen 2011.

Este es un proyecto de implementación, por parte de la empresa Isagen, pero para entender mejor el tema es mejor aclarar cómo es el funcionamiento para obtener este tipo de energía, esta viene de la parte interna de la tierra la cual está constituida por una secuencia de capas en las cuales al final se encuentra el nucleo interno compuesto por metales pesados y solidos de alta densidad, luego de encontrar todas estas capas pasa a la corteza terrestre, que en su formación es más sólida y liviana que es la que permite el desplazamiento de las placas continentales y las placas marinas. En estos sitios en donde sucede todo esto hay generación de alta actividad volcánica la cual hace que el magma surja, creando movimientos telúricos al igual que generación de cordilleras, valles y demás.

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Ilustración 8 Ciencias de la Tierra. Sección transversal esquemática del proceso de tectónica de placas.

Todo deriva en zonas en donde se puede producir la extracción de varios fluidos geotérmicos, conocidos como sistemas los cuales son: fuente de calor, reservorio Geotérmico, sistemas de suministro de agua, la capa sello y fluido Geotérmico.

Así es el comportamiento de la tierra, y para la generación de energía eléctrica a través de este proceso se hace la utilización de motores o turbinas de vapor, que funcionan en un ciclo termodinámico llamado Rankine. En este ciclo se usa el trabajo del vapor para poder producir el movimiento en los ejes de los motores y de esta forma transmitir energía al generador eléctrico.

1.2.2.1. MÉTODOS DE GENERACIÓN o FLASH Este método de generación consiste en usar el agua y el vapor a más de 200°C en planta, en donde el vapor es inyectado a una turbina, y esta a su vez al generador eléctrico, que por este medio le hace mover.

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Ilustración 9 Natacha C. Marzolf esquema general de planta tipo flash. [En línea] Emprendimiento en energía geotérmica IsaGen 2011.

o BINARIA Este tipo de tecnología es de ciclo cerrado que se usa en temperaturas menores a 200°C, en donde por medio de la mezcla de compuestos químicos se hace posible que el vapor tenga la fuerza suficiente para la generación de energía en la turbina y a su vez para mover el generador.

Ilustración 10 Natacha C. Marzolf esquema general de planta tipo Binario. [En línea] Emprendimiento en energía geotérmica IsaGen 2011.

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Para estos dos tipos de montajes el vapor suministrado vuelve a retornar al sistema para poder retroalimentar en ninguno de los casos se genera contaminación alguna ya que es un ciclo limpio, que hace la separación del agua para permitir usar el vapor y este devolverlo a la tierra en donde se extrajo; en estos montajes se usa diferentes tipos de turbinas que son las que hacen la manera más fácil de transportar el vapor y en algunos casos este mismo se puede usar para la agricultura, fines de servicio de distribución o para fomentar el turismo.

1.2.2.2. DESARROLLO DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA EN COLOMBIA

En la actualidad los proyectos de Geotermia se encuentran una fase de investigación por medio de las universidades, lo cual indica que hay un proyección para el desarrollo y montaje de una planta geotérmica en el nevado del Ruiz, pero la falta de políticas por parte del Estado hace que sea difícil la implementación de este sistema, sin nombrar que la realización de los estudios es de alto costo; por otro lado, a pesar de haber plantas en el mundo este sistema no es 100% confiable, pero a pesar de ello se tiene en cuenta como un recurso de gran explotación para suplir las necesidades en Colombia.

La gran mayoría de estudios que se realizan están en la zona del Nevado del Ruiz, pero en Colombia hay más locaciones con potencial Geotérmico donde se puede aprovechar, se precisa que esta tecnología va en pie de fuerza y se está enfrentando a la aproximación de un proyecto que se quiere implementar para la generación de 50MW, ya que de este volcán, uno de los trece con que cuenta el territorio nacional puede ser de gran ayuda para este proyecto a gran escala en donde se deriva la solución al inconveniente de terminar de interconectar las zonas faltantes por energía.

Se da a conocer el mapa fuente de estudio por parte de ISAGEN, Geociencias de la Universidad nacional de Colombia, sede Bogotá; el servicio Geológico colombiano (antes InGeominas) y el departamento administrativo de ciencia tecnología e Innovación (Colciencias). En donde muestran el mapa de aprovechamiento de este tipo de energía para Colombia.

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Ilustración 11 Isagen. Áreas de interés Geotérmico en Colombia. Potencial Geotérmico

La energía Geotérmica es muy buena y de gran aplicación para el territorio Colombiano, pero en este proyecto no brinda la solución a la necesidad, dado que este sistema aún está en estudio de aplicación y lo que se pretenden es el aprovechamiento para proyectos de gran escala en los cuales se genera energía en el orden de Mega-Watios, lo que sería un costo muy grande para la solución de la red eléctrica de una vivienda la implementación de este tipo de turbinas y la perforación que se debería hacer para el aprovechamiento del calor que tiene el subsuelo, lo que indica que además en las locaciones de mayor productividad de este tipo de energía, se debe tener en cuenta que también se tiene que transportar; por lo tanto este tipo de energía, no brindaría una solución práctica para abastecer de energía eléctrica a una vivienda.

Este proyecto da a una solución a gran escala para la terminación del problema energético que se tiene, y que en un futuro va a ser necesario para abastecer la creciente necesidad del consumo eléctrico, como energía renovable, se tiene que es no contaminante y su uso da grandes beneficios; pero su implementación aun

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es un estudio que se pretende realizar para el montaje de una planta del orden de las hidroeléctricas con que cuenta Colombia.

1.2.3. ENERGÍA HIDRÁULICA Este término se refiere al tipo de energía llamado hídrica o hidroenergia, es el tipo de energía que se obtiene por el aprovechamiento de la energía cinética y potencial que brindan las fuentes de agua, contenidas en los embalses o pantanos a gran altura o cascadas, que nos brindan el aprovechamiento de los ríos y de más fuentes hídricas en la generación de energía eléctrica, tiene como gran ventaja a su favor que es una energía limpia y no genera ningún tipo de contaminación, fácil de almacenar.

Este tipo de recurso es de fácil aprovechamiento debido a que se cuenta con el recurso tal y como lo trae la naturaleza, ya que se pueden aprovechar las cataratas naturales o con la construcción de represas artificiales que son más conocida como las centrales hidroeléctricas que son las grandes generadoras de energía en Colombia, toda esta energía al igual que la energía Geotérmica también usa el principio de mover una turbina (hidráulica), para la generación de electricidad.

 COMO FUNCIONA En el aprovechamiento de la energía hidráulica influyen dos factores: el caudal y la altura del salto. Para aprovechar mejor el agua, se construyen presas para regular el caudal en función de la época del año. La presa sirve también para aumentar el salto.

Otra manera de incrementar la altura del salto es derivando el agua por un canal de pendiente pequeña (menor que la del cauce del río), consiguiendo un desnivel mayor entre el canal y el cauce del río.

Cuando se quiere producir energía, parte del agua almacenada se deja salir de la presa para que mueva una turbina engranada con un generador de energía eléctrica. Así, su energía potencial se convierte en energía cinética llegando a las salas de máquinas. El agua pasa por las turbinas a gran velocidad, provocando un

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movimiento de rotación que finalmente se transforma en energía eléctrica por medio de los generadores1.

En una central hidroeléctrica se cuenta con que el agua corre por una tubería, la cual hace que llegue la corriente de agua a una turbina en donde esta alimenta al generador, el cual da la energía eléctrica como se muestra a continuación:

Ilustración 12 alcogen. Definición de fuentes de energía. Central hidroeléctrica

En la ilustración 13, se explica el funcionamiento de una central hidráulica, en la cual el sentido de la operación se da de forma continua debido a que en ella no se puede almacenar agua.

Ilustración 13 alcogen. Definición de fuentes de energía. Central hidroeléctrica.

1

twenergy. Que es la energía hidráulica [En línea]. < http://twenergy.com/a/que-es-la-energia-hidraulica-426>. [Citado el 09 de mayo de 2012]

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Este tipo de centrales son con las que cuenta el área de Colombia y que permiten que llegue todo el fluido eléctrico a nivel nacional alimentando las líneas de transmisión, para que el fluido eléctrico sea suministrado a todas la personas en la comodidad de sus viviendas y empresas asociadas al sector comercial eléctrico, permitiendo el desarrollo de las regiones, con lo que se cuenta que en cada región se hacen los esfuerzos para el aprovisionamiento del recurso. En lo concerniente al Municipio de Agua de Dios se tiene en cuenta que en las cercanías no hay centrales hidroeléctricas, pero en la zona de Cundinamarca si existe.

Por otro lado revisando el plan de desarrollo territorial lo que pretende el gobierno es la instalación de dos micro centrales hidroeléctricas que corresponden al aprovechamiento de las corrientes del rio Magdalena y del río Bogotá para la generación de energía en la zona cercana, además de ello también se tiene que este proyecto va estar conectado a la red nacional permitiendo cumplir con los estándares y la demanda de energía para que en un tiempo futuro debido a que el ideario que se tiene en planeación energética está enmarcado por el desarrollo final de estos montajes para el 2050.

En la ilustración 14, se ve el comportamiento de la demanda de energía en Colombia:

Ilustración 14 upme. Atlas hidroenergetico. Capítulo 1 hidroenergia página 31

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El beneficio de este tipo de generación hace que todo pueda ser implementado con una energía limpia y competitiva para lograr cubrir la deficiencia energética con una gran escala, en donde el costo es bastante grande y debido a ello son proyectos que acondiciona el Estado colombiano para el sostenimiento de la demanda, en el sector de Agua de Dios se cuenta con ríos cercanos pero el montaje de infraestructura no sería apropiado para manejarlo a un proyecto a gran escala, debido al costo de generación, implementación y la adecuación de la infraestructura para poder llegar a la vivienda en cuestión.

El uso de este tipo de energía es de gran confiabilidad y de gran demanda por las fuentes hídricas que cuenta Colombia, y más la zona de Agua de Dios, debido a esto es un proyecto ideal, para la generación de energía, pero presenta el inconveniente que para una implementación de baja escala como se quiere, para una vivienda sería un costo demasiado alto puesto que la vivienda no se encuentra a la ladera de un rio, lo que conllevaría unos sobre costos en el montaje de la infraestructura para poder hacer el aprovisionamiento en la casa. Por otra parte la implementación en un rio pequeño no sería adecuada a las variantes climáticas con que se cuentan, ya que hay meses del año, en donde se presentan sequias, por esta razón, este proyecto no estaría provisto para mantener el flujo constante de energía en la reducción del caudal de un rio pequeño.

Este proyecto de centrales hidroeléctricas así sea dado en una escala mínima no es recomendable para abastecer una vivienda, más seria reflejado el mejor aprovechamiento en el montaje de abastecer una población completa o varias empresas.

1.2.4. ENERGÍA BIOMASA La biomasa es un tipo de solución para la generación de energía que se comporta con gran potencial para el sector energético colombiano, dado que aprovecha materiales provenientes de seres vivos animales o vegetales, es decir toda la materia orgánica que estos puedan generar, ya sea de forma natural o artificial, para convertirla en energía.

Con los estudios realizados a nivel de Colombia en esta área se identificaron 3 áreas que son las más prometedoras con la generación de energía eléctrica por este medio, y está dividida en el sector agropecuario e industrial que son los que generan varias fuentes de biomasa residual, las cuales se pueden determinar en

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el sector agrícola, pecuario y los residuos sólidos orgánicos urbanos, esto se da definiendo necesidades específicas para cada región.

Ilustración 15 UPME. Atlas del Potencial Energético de la Biomasa Residual en Colombia.

En este orden se puede apreciar la distribución del sector y quienes han dirigido este tipo de energía generada, se puede decir que en parte a esa pequeña escala para cubrir necesidades básicas para las fincas y de elementos industriales, pero por otro lado se puede ver el gran potencial que se tiene en este sistema para poder hacer la implementación de generar grandes volúmenes de energía para abastecer de este forma la demanda en Colombia, con la creación de una planta para que se elabore todo este tratamiento, y de esta forma poder interconectar la electricidad generada a la red eléctrica que abastece todo a nivel nacional.

La biomasa en Colombia tiene mucho potencial por la gran capacidad para el aprovechamiento de residuos forestales y agrícolas que tiene el país, sobre todo en banano, cascarilla de arroz, pulpa de café y explotaciones silvícolas. Aunque aún queda mucho por hacer. El potencial energético de la biomasa en Colombia está estimado en unos 16 GWh al año2.

Los últimos estudios apuntan que las producciones de bagazo de caña (estimada en 1,5 millones de toneladas anuales), la cascarilla de arroz (con 457.000 toneladas al año) y el fruto de palma de aceite presentan grandes posibilidades en el desarrollo de la biomasa en Colombia. Las zonas más adecuadas para generar esta energía son los Santanderes, los Llanos Orientales y la Costa Atlántica3.

2

twenergy. Que es la energía hidráulica [En línea].< http://twenergy.com/co/a/la-biomasa-en-colombia-el-gran-reto-paragenerar-energia-sustentable-1140>citado el 13/03/2014

3

twenergy. Que es la energía hidráulica [En línea].< http://twenergy.com/co/a/la-biomasa-en-colombia-el-gran-reto-paragenerar-energia-sustentable-1140>citado el 13/03/2014

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 COMO FUNCIONA Existen diferentes formas para transformar la biomasa en energía que se pueda aprovechar, pero hay dos de ellas que hoy en día se utilizan más:

o Métodos termoquímicos

Es la manera de utilizar el calor para transformar la biomasa. Los materiales que funcionan mejor son los de menor humedad (madera, paja, cáscaras, etc.). Se utilizan para:

Combustión: existe cuando quemamos la biomasa con mucho aire (20-40% superior

al teórico) a una temperatura entre 600 y 1.300ºC. Es el modo más básico para recuperar la energía de la biomasa, de donde salen gases calientes para producir calor y poderla utilizar en casa, en la industria y para producir electricidad.

Pirolisis: se trata de descomponer la biomasa utilizando el calor (a unos 500ºC) sin

oxígeno. A través de este proceso se obtienen gases formados por hidrógeno, óxidos de carbono e hidrocarburos, líquidos hidrocarbonatos y residuos sólidos carbonosos. Este proceso se utilizaba hace ya años para hacer carbón vegetal.

Gasificación: existen cuando hacemos combustión y se producen diferentes

elementos químicos: monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO 2), hidrógeno (H) y metano (CH 4), en cantidades diferentes. La temperatura de la gasificación puede estar entre 700 y 1.500ºC y el oxígeno entre un 10 y un 50%.

Según se utilice aire u oxígeno, se crean dos procedimientos de gasificación distintos. Por un lado, el gasógeno o “gas pobre” y por otro el gas de síntesis. La importancia de este es que puede transformar en combustibles líquidos (metanol y gasolinas). Por eso se están haciendo grandes esfuerzos que tienden a mejorar el proceso de gasificación con oxígeno.

Co-combustión: consiste en la utilización de la biomasa como combustible de ayuda

mientras se realiza la combustión de carbón en las calderas. Con este proceso se reduce el consumo de carbón y se reducen las emisiones de CO 2.

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o Métodos bioquímicos Se llevan a cabo utilizando diferentes microorganismos que degradan las moléculas. Se utilizan para biomasa de alto contenido en humedad. Los más corrientes son: Fermentación alcohólica: técnica que consiste en la fermentación de hidratos de

carbono que se encuentran en las plantas y en la que se consigue un alcohol (etanol) que se puede utilizar para la industria.

Fermentación metánica: es la digestión anaerobia (sin oxígeno) de la biomasa, donde

la materia orgánica se descompone (fermenta) y se crea el biogás4.

A continuación se presenta un esquema que sirve de planos para modelar la forma y los ciclos en que se debe de pasar la biomasa por el proceso de transformación para la producción de energía eléctrica:

Ilustración 16 UPME. Informe de avance 02.

Aquí se muestra el esquema sencillo por el que se compone la base del sistema para poder dar movimiento en el generador por medio del vapor que se genera de la mezcla y la combustión que se le hace a la biomasa, y con ello se puede implementar para permitir explotar este tipo de energía para el beneficio de 4

Endesa Educa, Centrales de biomasa 2014, http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursosinteractivos/produccion-de-electricidad/xiv.-las-centrales-de-biomasa [consulta: lunes 1 de febrero de 2016].

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Colombia, debido a ello, en estudios se determina que con este tipo de sistema se puede generar la energía suficiente en el orden de DWh, para el uso de la red interconectada.

Para la generación de gas este debe de pasar por un proceso anexo al sistema de la ilustración 17, en donde se permita el tratamiento del gas que se enseña en la ilustración 18, por este medio es que se descompone el gas para permitir tratar la calidad del mismo y poder legar al estado de funcionamiento ideal por una serie de pasos que lo que logran por medio de componentes químicos que lo que hacen es lograr la purificación del gas para permitirle llegar al mover el motor para permitir la generación de energía, el sistema es confiable, y utiliza los residuos de otros productos lo que hace una brecha ambiental para bien permitiendo reusar materiales que se destinaban a generar mayor contaminación.

Ilustración 17 UPME. Informe de avance 02.

Hasta el momento la biomasa es usada para la generación de biocombustibles en Colombia, y las investigaciones en el campo dan unos buenos parámetros para iniciar con la inversión en este sector, logrando así de esta manera el mejor uso de los recursos y permitiendo ser más amigable con el ambiente, se plantea este sistema a pesar de que se encuentra en estudio de implementación dando como la zona que mejores rendimientos de potencia brinda es el Urabá, pero para el caso que concierne en la zona de Cundinamarca sería importante tener en cuenta el desecho sobrante de la panela.

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Con el bagaje sobrante de la producción de panela se puede tener gran potencial para la zona cundinamarques, lo grande la generación de energía y mejorar las condiciones de distribución para Agua de Dios, pero es un proyecto que lleva inversión y un poco más de estudios técnicos para probar su implementación.

En términos generales es dar un buen uso a los recursos y aprovechar toda la materia prima que se genera. Para el caso que compete, dar energía eléctrica a una vivienda se torna algo difícil debido a la infraestructura del montaje y además de ello brindaría un beneficio real siempre y cuando se fuese productor de algún tipo de producción que contase con la generación de residuos para el aprovechamiento, no para una familia que viva cerca de la zona urbana, y que además no cuente con ganado, ni este sea la forma de sustento de vida.

Esto conlleva a decir que no es funcional para la aplicación del problema planteado, dado a que a pesar de que genera energía eléctrica es más útil para otras localizaciones y funcionalidades y no para una vivienda del área urbana.

1.2.5. ENERGÍA EÓLICA

La energía eólica es una de las energías que desde la antigüedad, se aprovecha de manera eficiente en la industria, en la actualidad tiene su uso para la producción de energía eléctrica, pero desde siempre se ha usado el viento como recurso para resolver trabajos, por ejemplo en el empleo de molinos, para el bombeo de agua, permitiendo así reducir el trabajo que realizaban las personas.

Este tipo de energía es constante y se mantiene durante las 24 horas del día, en algún caso a menor intensidad, pero al lado de la solar en todo momento, ya que este solo se puede tratar durante el día que este toda la iluminación; la energía eólica se encuentra en constante funcionamiento y es considerada otro tipo de energía verde, ya que no genera contaminación, puesto que solo usa la fuerza de los vientos para hacer su generación, por medio de aparatos que se pueden describir como molinos de viento, los cuales reciben el nombre de aerogeneradores, estos elemento convierten la energía mecánica rotacional en energía eléctrica, para un suministro abierto para la red interconectada.

Precisando esto se puede decir que estos elementos mecánicos aprovechan las corrientes de viento que se generan, debido a la velocidad del mismo y los cambios de temperatura lo que hace la compensación y el aire se comporte de distintas maneras a depender de la región.

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El movimiento del aire se genera de forma tridimensional, pero solo se considera la velocidad y dirección de este en el plano horizontal, para poder medir estas variables se hace uso de la veleta que es la que me da la dirección con respecto a la rosa de los vientos y la velocidad se usa un anemómetro.

Gracias al calentamiento que produce la radiación sobre la superficie terrestre, se produce el viento, arrojando las masas de aire más grandes sobre el océano que se toma como el aire frio que se acopla a ocupar los lugares de aire caliente que están más adentro en la zonas de civilización, este aire frio se mueve por todas las masas continentales, pero su comportamiento varia tanto en el día como en la noche, en referencia a su velocidad y la altura del suelo, dando unas variaciones mínimas y máximas a tener en cuenta para el desarrollo de cualquier proyecto.

Con la problemática actual de energía, se ha visto la necesidad de invertir en nuevas fuentes de generación que entre ellas está la energía eólica, que al proceder con su instalación se cuenta que es número grande de máquinas, como se puede ver en los parques eólicos, para poder de esta forma, llegar a generar la suficiente energía para intercomunicarla con la red nacional del país que este implementando la tecnología.

Todas estas medidas de instalación y aprovechamiento se pueden determinar por medio de los mapas que se generan por las estaciones meteorológicas, que marcan la información del comportamiento de los vientos, en los cuales se puede saber qué tipos de máquinas usar y a que altura.

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Ilustración 18 IRENA. Win global atlas. [En línea].

En vista del mapa se puede evidenciar que el flujo de aire es una apreciación muy buena, ya que en todos los lugares del mundo siempre habrá aire a mayor o menor porción pero lo habrá, el comportamiento de este es bueno determinarlo para Colombia, y de esta forma poder evidenciar que tan funcional es el proyecto en el territorio nacional y más aún en Agua de Dios Cundinamarca.

Existen varias herramientas para demostrar que Colombia es una potencia, en eólica, a lo cual se tiene en atlas de los vientos que es un estudio detallado de la recolección de los datos por bastante tiempo, para de esta forma poder tener la certeza de proyectos estables de generación que se conecten a la red nacional y permitan suplir la necesidad energética, al igual que a la red independiente para lugares alejados.

En Colombia se tiene que la Guajira, es uno de los lugares que más puede llegar a generar este tipo de energía y ya se implementó parte de un parque eólico que contribuye con 20% de la demanda nacional de energía, por otro lado el UPME en sus estudios técnicos, da evidencia de que las zonas costeras de Cartagena y Barranquilla son de un potencial que se puede aprovechar para esta inversión tanto económica, como de recursos naturales y mitigación del daño ambiental, en este campo se unen varias empresas con el índice de mejorar y que Colombia cuente con la mejor infraestructura.

48

En la Ilustración 19, se puede apreciar el mapa del potencial eólico en nuestro país, que brinda una visión parcial del potencial que tiene Colombia en este campo, los diferentes colores indican la velocidad de los vientos, siendo los verdes lo que más potencia generan en las zonas específicas como las de la costa caribe, que es en donde se quieren implementar los parques eólicos para poder aprovechar todo este potencial.

Pero esto es a nivel nacional ahora se tratara de determinar el potencial eólico que se tiene en Agua de Dos y sus alrededores para determinar si es viable, la aplicación de uno de estos montajes para el suministro de energía en el pueblo de forma independiente, ayudando al sistema interconectado nacional, a suplir la necesidad que se tiene.

49

Ilustraciรณn 19 UPME. SIMEC. Visor de potencial eรณlico.

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En el siguiente mapa se detalla los puntos cercanos de estaciones meteorológicas con las que cuenta el IDEAM, para mirar los datos de la superficie con respecto a la velocidad del viento:

Ilustración 20 IDEAM. Atlas del viento en Colombia.

Para Agua de Dios se cuenta con solo un punto cercano, debido a que los otros corresponden a la altura de Bogotá, este punto al que se hace referencia cuenta con la cercanía, pero está ubicado en la zona de Tolima, pero el sitio cuenta con características similares, por lo cual puede ser tomado en cuenta para el desarrollo del análisis. En la esquina derecha se encuentra los niveles de la velocidad del viento, que para Agua de Dios rondan entre, 3 y 6 metros sobre segundo dependiendo el mes del año es que varía entre ese rango, y como dato adicional se tiene la medida de la estación meteorológica cercana que se encuentra en Ibagué: En Ilustración 21, se dan los picos de máxima afluencia del aire en la zona; la velocidad de los vientos que se maneja en la zona es media, por ello para hacer alguna implementación de este tipo se debe de escoger buenos molinos para que se garantice que va a efectuar una buena generación de energía, con ello, se puede decir que la localización no es muy buena para el manejo de energía eólica, pero con una buena Aero turbina se podría llegar a implementar algún buen tipo de proyecto.

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Ilustración 21 IDEAM. Atlas del viento en Colombia.

 COMO FUNCIONA La energía eólica se basa en el sistema de aerogenerador que es el que hace la magia de convertir la energía mecánica rotacional a energía eléctrica, pero viéndolo más a fondo un aerogenerador es un generador eléctrico movido por una turbina eólica, que es accionada por el viento, de los cuales existen tres tipos: eje horizontal, eje vertical y concentradores.

o EJE HORIZONTAL Este tipo de eje es el que más alcanza la captación de viento, lo que lo hace más eficiente, el eje horizontal predomina una fuerza de viento lateral, en donde las hélices pueden estar en contra o detrás del viento para hacer el movimiento, pero este tipo necesita un control de orientación del viento, este montaje tiene todo interconectado en la parte de arriba debido a que usa una torre en la cual van todos los elementos juntos al motor.

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En la actualidad hay de varios tipos de hélices, pero uno de los sistemas más eficientes que capta la mayor parte de viento se tiene que es el tres aspas, este sistema trabaja a bajas intensidades de viento y a su vez incrementa la potencia para tener una mejor generación de energía eléctrica, este tipo de generadores logran captar un 80% de energía, permitiendo que el sistema se implemente sobre una torre.

Ilustración 22 energía eólica. Multipala americano.[en línea].

Este sistema cuenta con un tipo de hélices igual a los que se usan en los graneros para poder moler algún cultivo, pero aquí en la siguiente imagen se presentan todos los modelos:

53

Ilustración 23 Iñaki y Sebastián UrkiaLus. Primara edición. Pamplona 2003. Energía renovable práctica. ISBN. 84-7681375-9.

Estos son los modelos en general que se pueden usar dependiendo de la zona y la cantidad de electricidad que se pretenda generar, pero el sistema en general esta dividido en:

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Ilustración 24 tecnoblogsanmartin. Tecnológica de san martin Santander. Aerogenerador partes.[en línea]..

Esta es la forma en que está dividido el sistema, pero falta la forma en que se divide la torre que está dada por: el control del motor, góndola, torre y cimentación, como se muestra en la imagen a continuación de un sistema eólico actual.

55

Ilustración 25 tecnologica de san martin Santander. Aerogenerador partes.[en línea].

Aquí ya se describe todo el comportamiento del sistema que se puede usar de varias formas para lograr la eficiencia y las aplicaciones necesarias, para poder abastecer de energía una casa se puede escoger un sistema pequeño, teniendo en cuenta los parámetros se puede lograr la eficiencia de montaje.

o EJE VERTICAL Este tipo de aerogenerador cuenta con una ventaja muy grande y es la de captar el viento en todas la direcciones, lo que indica que no necesita mucho control de la orientación, también permite que el montaje y las conexiones se hagan sobre el nivel del suelo, lo que hace que sea un sistema más sencillo y versátil a la hora de instalar.

Pero su inconveniente mayor es que necesita un sistema de motorización para poder vencer el elevado par de arranque, los hay de varios tipos pero aquí se muestra uno de eficiencia casera:

56

Ilustración 26 Archiexpo. Aerogenerador doméstico. [En línea]. Consultado: 28 de marzo de 2016.

con el pertinente análisis, para la generación de energía para una vivienda, implementado sistemas caseros se necesita como mínimo 3m/s de la velocidad del aire, para poder permitir que se genere un minio de potencia para la carga del sistema, con ello se deduce que para la zona de Agua de Dios, esta es la velocidad mínima que se tiene durante el año lo que haría que el funcionamiento del sistema se haga forzado y origine que el voltaje suministrado no sea el suficiente para poder abastecer el sistema de una vivienda.

En este apartado se determinó lo concerniente a la energía eólica, que es una fuente potencial de energía para varias zonas de Colombia, pero para la solución del problema planteado en la zona especificada no es buen consejo usarlo solo y aislado, ya que esto permitiría que hubiese un montaje condicionado a estar interconectado, ya sea al flujo eléctrico u otro sistema de generación, lo que lo convertiría en una posible solución si no se tiene más, el inconveniente es que los sistemas van a funcionar cerca de los valores mínimos de especificaciones de fábrica lo que no lo hace muy eficiente para su implementación en este sitio.

Por otro lado el sistema si es recomendado para implementaciones a gran escala, pero en el caso que estamos analizando sería una pérdida de dinero, ya que no se puede garantizar que genere la suficiente electricidad y cumpla con las expectativas para con las personas que habitan la vivienda.

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1.2.6. RESULTADOS OBTENIDOS Los resultados para la solución del problema del suministro de energía para una vivienda en el municipio de Agua de Dios-Cundinamarca, se enfoca en la aplicabilidad que tiene la generación de energía limpia en el medio lo que lleva a determinar lo que mejor se comporta en el municipio.

Entre todos los datos analizados, se hace preciso implementar un sistema de energía solar fotovoltaica, para dar una solución viable e inmediata, teniendo en cuenta que los otros sistemas de generación de energía, siendo muy buenos, pero no cumplen con la determinante solución de la carencia de energía, debido a que en ciertas situación presentan inestabilidad, o no mantienen los requerimientos que se pretenden dar solución.

Con esto se da a conocer que varios de los tipos de energías renovables van como tal enfocadas a dar una solución a gran escala, y que son implementables para otras locaciones del país, permitiendo de esta forma brindar una ayuda a gran escala, en donde se lograría interconectar la red nacional para planes futuros.

Por otra parte la energía suministrada por la empresa de energía que llega a la zona, se encuentra en expansión de su interconectividad, para poder llegar a todos los hogares, pero no garantiza que sea un sistema que a corto plazo solucione el problema, ya que esta en obra y en muchos casos, apenas se está pensando en los proyectos de construcción de plantas generadoras para abastecer la demanda, lo que con lleva a analizar el plan ideario presentado por el UPME, que pretende a largo, plazo (año 2050), el crecimiento de toda la red interconectada nacional con un plan de mejoramiento y generación de energía que permita cumplir con la creciente demanda nacional, por tanto el Municipio se demuestra que esta entre estos planes, pero son proyectos a largo plazo que garantiza una espera incómoda para los habitantes de estas viviendas, por ello se descarta, ya se propone otro sistema, que garantice la solución y permita que su funcionamiento mejore la calidad de vida de las personas que viven en la locación.

Se escoge el sistema de uso de generación por medio de energía solar, dado las características de la zona, puesto que en esta locación se cuenta con el recurso del sol prácticamente todo el día, en todos los meses del año, se considera una locación de tierra caliente, lo cual hace referencia, a un alto grado de radiación solar, en donde se puede hacer un montaje que suministre la potencia necesaria para abastecer el consumo energético de una familia promedio del municipio.

58

Con los índices energéticos que brinda el sol, por medio de paneles solares se puede establecer una fuente ilimitada de producción eléctrica para uno de los hogares, con un sistema autosostenible y de bajo costo que opere todos los días del año, permitiendo de esta forma, el no necesitar estar interconectados a la red eléctrica nacional.

1.3. MARCO INSTITUCIONAL En el marco institucional se nombran los tres pilares de la uniagraria para la realización de este proyecto, ya que se tiene en cuenta la proyección social, el desarrollo investigativo y la conservación del medio ambiente, para con ellos poder ayudar a la sociedad y cumplir un aporte desde el área de la ingeniería mecatrónica para cubrir una necesidad de la población, y mostrando la formación institucional modelo agrarista como está estipulado en el modelo pedagógico de la universidad, acuerdo 0331, en el cual se resalta las características que debe tener el profesional uniagrarista, pero más que ello resalta el bien para la sociedad y el compromiso con el cual sale de su formación profesional que es lo que se presenta con el actual proyecto.

En el ámbito ambiental se da cumplimiento al uso de energía renovable eficiente, usando el sol como fuente de generación de energía, lo que permite poder llegar ayudar a las personas que cuentan con la carencia de este recurso, con lo cual se está ayudando a la solución de problemas en la sociedad, brindando ayuda con la implementación tecnológica, y de esta forma lograr la unión de los tres pilares y brindar a la sociedad resultados desde la ingeniería, presentando soluciones para la vida diaria.

Ilustración 27. Acuerdo 0333, modelo pedagógico.

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1.4. MARCO LEGAL Ley 1715, del 23 de mayo del 2014.

El instituto de planificación y promoción de soluciones energéticas (IPSE), publicò el comunicado del Gobierno Nacional sobre la sanción de la ley que incentiva el uso de energías renovables, fomenta la inversión, la investigación y el desarrollo de tecnologías limpias. Así mismo, se creará el Fondo de Energías No Convencionales y Gestión Eficiente de la Energía, orientado a financiar los programas de eficiencia energética.

El Ministro de Minas y Energía, Amylkar Acosta Medina, dijó con respecto a la nueva norma: “se van a promover y se van a estimular en Colombia todas las energías no convencionales especialmente las energías limpias y renovables” y explicó que además “contribuirá a las soluciones, a las zonas rurales, a las zonas que son aisladas del sistema interconectado nacional para llevar hasta ellas soluciones no convencionales”.

2. CARACTERÍSTICAS DEL ENTORNO Una de las formas al iniciar el un proyecto es el análisis de los datos con lo que se cuenta, se precisa encontrar las características demográficas y los recursos con que cuenta la zona para poder determinar y formular el sistema más conveniente para la comunidad.

2.1.

ANÁLISIS SISTEMA ELÉCTRICO EN EL MUNICIPIO

Para un gran comienzo se hace saber que según datos de censo del Departamento Administrativo Nacional de Estadística (DANE), publicado por la Unidad de Planeación Minero Energética (UPME), para febrero del 2016, en los cuales se nota el porcentaje manejado en el municipio en la tabla 2 se muestra el código respectivo de la identificación ante el ente territorial y seguido la tabla 3, en

60

la cual se aclaran los usuarios vinculados al Sistema Interconectado Nacional (SIN):

Tabla 1 SIEL, cobertura de energía [en línea]

Departamento Cod_Depto Cod_Mpio Cundinamarca 25

Municipio Agua de Dios

25001

Tabla 2 , Siel. cobertura de energía [en línea]

Usuarios cabecera municipal SIN

Usuarios resto SIN

3.932 796

Usuarios Total SIN

Usuarios cabecera municipal Totales

4.728

Usuarios resto totales

TOTAL USUARIOS

3.932 796

4.728

En el siguiente apartado se enseña el total de viviendas que pertenecen a la cabecera municipal de Agua de Dios y a las periféricas de la población y muestra el porcentaje de viviendas que cuentan con electricidad que se establece en el Índice de Cobertura de Energía Eléctrica.

Tabla 3 , Siel. Cobertura de energía [en línea]

Viviendas cabecera municipal

Viviendas resto

3.933 806

TOTAL VIVIENDAS

ICEE cabecera municipal

4.739

99,97%

ICEE resto

98,76%

ICEE Total

99,77%

Se puede identificar que son pocas las viviendas que hacen falta por el fluido eléctrico, según el Sistema de Información Minero Energético Colombiano – SIMEC, el cual determina estadísticamente las viviendas que faltan por estar interconectadas al Sistema de Transmisión Nacional, que se encuentra en expansión como se determina en el texto, Plan Energético Nacional Colombia: Ideario Energético 2050, presentado por el UPME en el año de 2015, texto que puede servir para tener bases en políticas energéticas e implementaciones en las regiones del sistema interconectado de transmisión eléctrica, una muestra actual

61

se da en el mapa en la ilustración 27, que contiene todas las líneas de transmisión que en la actualidad se han construido he implementado en Colombia.

Las líneas de transición que hay en la actualidad parten de las generadoras de energía eléctrica, que se encuentran por todo el territorio nacional, en el mapa se ven resaltadas en recuadros de diferentes colores, en los que se identifica la capacidad de generación, y la ubicación exacta que permite la identificación de las que se encuentran cerca al Municipio de Agua de Dios, entre las que se observan varias Subestaciones STN de 220 kV, como lo es las centrales de la Mesa, Baleillas, San Felipe, noroeste, entre otras. Adicional se encuentra cerca al municipio una central STN de 500 kV, de potencia efectiva.

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Ilustración 28 Simec. Sistema de transmisión nacional actual, [en línea] [Citadoen 2016].

Aquí se hace la apreciación de las centrales generadoras de energía eléctrica, entre las cuales esta termopaipa, la cual está conectada a las líneas de transmisión de 220kV, el proyecto se define como: una generadora de energía eléctrica a base de vapor, a través de carbón butaminoso pulverizado; está ubicada en el Kilómetro 3 vía Paipa - Tunja, Municipio de Paipa, Departamento de

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Boyacá; cuenta con una capacidad instalada de 321Mw, distribuida en la unidad I con 31MW; la unidad II con 70 MW; la unidad III con 70 Mw; de propiedad de GENSA y la representación comercial de la Unidad IV de Propiedad de -CES con una capacidad de generación de 150 MW, lo que nos convierte en la Central de Generación Térmica a Carbón más grande del país5.

Con esto se define que es una de las principales generadoras de energía eléctrica, pero además de ella se tienen más cerca de la localización analizada 2 subestaciones de energía hidráulica que alimentan también la red nacional, una de ellas se llama Central el Paraíso, que gran parte de ella pertenece a una empresa Chilena que hace las veces de conversión de energía para el suministro eléctrico a nivel nacional, en la cual se genera una potencia declarada de 276,60 MW, teniendo un índice anual de 1065 GWh. La segunda hidroeléctrica también es una empresa chilena que la controla, pero esta tiene una capacidad un poco mayor la potencia es de 324,60 MW, generando al año 1250 GWh, para este caso está cerca al rio Bogotá ya que se beneficia de sus aguas para poder hacer la generación de energía concerniente y la anterior esta ubicada en vía a mesitas del Colegio también municipio de Cundinamarca.

Para los dos casos el proyecto está en estudio de expansión para mejoras de la calidad efectiva lo que haría mejorar la generación para poder abastecer de mejor forma el suministro energético, ya que hay que garantizar que este llegue a todas las personas.

La empresa que se encarga de que llegue todo este fluido eléctrico es la Empresa de Energía de Cundinamarca (EEC), ella es la encarga de brindar la electrificación en el pueblo y la que permite que este no falte ya que intercomunica las redes de transmisión que sale de las plantas generadoras, antes nombradas, la EEC se encarga de cobrar por el servicio de energía eléctrica suministrado y hacer el mantenimiento, adecuación e implementación de toda la infraestructura para garantizar la fluidez del servicio, permitiendo que este llegue a las familias, todo ello se hace por medio de las políticas instauradas por el gobierno nacional, bajo la vigilancia y ejecución de organismos de control que permiten el desarrollo de este tipo de proyectos.

En todos los proyectos eléctricos se quiere llegar a brindar la comodidad a las personas, permitiendo que gocen del suministro de energía en sus hogares, pero en algunos casos no se da debido a la falta de infraestructura, ya que apenas la red está en crecimiento, y con la necesidad de cubrir la demanda dado que el 5

Definición tomada de la descripción de la página web. http://www.gensa.com.co/proyectos.php?uid_tpy=35&uid=35>.

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consumo eléctrico está creciendo, lo que conlleva a establecerse nuevas ideas que permitan suplir la necesidad de abastecer los lugares no interconectados, ya sea por medio de las energías renovables.

Colombia suple sus necesidades de energía eléctrica, Principalmente, con generación hidroeléctrica y termoeléctrica (66,92% y 32,75% de la capacidad instalada respectivamente), pero frente al marco coyuntural actual, relacionado con la problemática ambiental global y los efectos del cambio climático, el Estado colombiano ha priorizado en sus políticas, la promoción del uso eficiente de la energía, el desarrollo de fuentes no convencionales de energía, la mitigación del cambio climático y la reducción de las emisiones de Gases de efecto Invernadero (GeI), mediante la ley de Uso racional de energía (ley 697 de 2001; el decreto 3683 de 2003; el Plan Indicativo (2010–2015) para desarrollar el Programa de Uso racional y eficiente de energía y demás formas de energía no convencionales; el Plan energético nacional (Pen) 2010–2030; el Plan energético nacional, estrategia energética Integral, Visión 2003–2020 y la ley 1450 de 2011 (Plan de desarrollo, artículo 105).

2.2. ANÁLISIS DE LA ZONA

La selección del sistema de energía que se va a usar, es el sistema solar fotovoltaico ya que por las características tanto ambientales como demográficas, cumple con cumplir el primer objetivo, el sistema es pequeño y de gran potencia para generar gran cantidad de electricidad y así cubrir la demanda de una de las viviendas.

Para ello se escogió una vivienda ubicada en la dirección calle 8 N° 13 A - 47, en el Municipio de Agua de Dios Cundinamarca, que tiene Latitud 4.3774783, con la longitud -74.66418290000001, en donde se hizo todo el análisis para determinar el funcionamiento óptimo del proyecto, con esto se permitirá presentar un diseño del sistema solar fotovoltaico, para poder acoplar en la locación que se establecerá todo el análisis para el suministro de la electricidad.

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Ilustración 29 Andrés Mauricio Bernal Restrepo, Motorola X, elaboración propia.

Ilustración 30 pantallazo google maps. [en línea]. Consultado 30 de marzo de 2016

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Para tener en cuenta, el sistema de energía se recomienda por las estadísticas que muestra el UPME, IDEAM, con respecto al clima y al índice solar de radiación que hay en la zona, lo que permitirá servir de guía para los cálculos y datos necesarios del buen funcionamiento.

Se muestran características de la zona, las tablas completas se pueden ver en los anexos; de estas tablas solo se tomó el dato relevante que concierne a Agua de Dios, ya que en este municipio no hay estaciones meteorológicas, se toma locaciones cercanas, que tienen las mimas características y se encuentran muy cerca, demográficamente cumple con los datos que se quieren registrar para probar la viabilidad del proyecto.

Según la estación meteorológica del aeropuerto Santiago Vila de Flandes, el promedio anual de horas de sol para la región es de 2.224,8 lo cual equivale a 6 horas diarias donde el sol brilla plenamente.

Tabla 4 Promedio de días sin brillo solar. Anexo [En línea].

PROMEDIO DE DÍAS SIN BRILLO SOLAR

ESTACIÓN

MUNICIPIO

LATITUD

La Victoria

Tocaima

4,47

LONGITUD ELEVACIÓN -74,6

380

PROM. ANUAL Wh/m2

AÑOS DE INFORMACIÓN

0,9

4

Tabla 5 anexo: lista de estaciones automáticas satelitales de radiación global del ideam usadas en el atlas.[en línea].

ESTACIONES AUTOMATICAS DEL IDEAM USADAS PARA EL ATLAS

ESTACIÓN U. cundí

MUNICIPIO Girardot

LATITUD 4,31

LONGITUD ELEVACIÓN -74,81 314

PROM. ANUAL Wh/m2 4352,2

AÑOS DE INFORMACIÓN 10

Tabla 6 anexo: promedios mensuales de irradiación global media recibida en superficie para las principales ciudades del país (wh/m2 por día).[En línea]

IRRADICACIÓN GLOBAL MEDIA PRINCIPALES CIUDADES

ESTACIÓN Perales

MUNICIPIO Ibagué

LATITUD 4,42

LONGITUD ELEVACIÓN -75,13 928

67

PROM. ANUAL Wh/m2 4663,2

AÑOS DE INFORMACIÓN 9

Teniendo en cuenta los datos y la locación se puede evidenciar que los días de poca luz solar no afectan mucho para los cálculos por que al igual se tiene radiación solar, esta es una cuenta mínima ya que en el promedio de irradiación de los puntos de medición más cercanos se encuentran que supera los 4000 Wh/m2, con lo que se permite poder implementar todo un sistema de paneles solares para la transformación en energía eléctrica. Todos estos datos son tomados en cuenta y comparados con los mapas presentados en los anexos, todos los datos tienen un muestre mensual, aquí se minimizo para poder garantizar la idea, para ver los mapas y las tablas completas, ver anexos.

2.3.

POTENCIA REQUERIDA EN LA VIVIENDA

Tabla 7, Valores de la potencia mes de los elementos electrónicos de la vivienda.

ELEMENTO

POTENCIA

POTENCIA/HORA POTENCIA/MES kWh/mes HORAS DE USO (W/h)

VENTILADOR TECHO 75W

8

600

18

VENTILADOR MESA

45W

6

270

8,1

VENTILADOR MESA

45W

6

270

8,1

NEVERA 272 Lt

60W

24

34,6

NEVERA 333Lt

87W

24

38,1

TEEVISOR led

45W

2

90

2,7

TELEVISOR

45W

3

135

4,05

MINICOMPONENTE

260W

3

780

23,4

LAVADORA

693W

0,3

207,9

6,2

LICUADORA DVD PORTATIL

19.3Wh/dia 11W 65W

0,3 1 4

5,79 11 260 2629,69

0,17 0,3 7,8 151,52

TOTAL

68

Tabla 8. Tabla de las luminarias en la vivienda

LUMINARIAS BOMBILLO BOMBILLO BOMBILLO BOMBILLO BOMBILLO BOMBILLO BOMBILLO BOMBILLO

POTENCIA W 20 20 20 15 15 15 15 10

POTENCIA/HORA POTENCIA/MES kWh/mes HORAS DE USO (W/h) 3 60 1,8 2 40 1,2 2 40 1,2 2 30 0,9 3 45 1,35 1 15 0,45 1 15 0,45 1 10 0,3 TOTAL 255 7,65

En las tablas 19 y 20, se muestra que el consumo total diario es de 2884,69Wh/día, valor que define la cantidad de energía que se tiene que generar diariamente para abastecer las necesidades de la vivienda, o lo mismo que equivale a 2,8kWh/día, con este valor se debe de aumentar el 10% por encima para tener la capacidad real de lo que se debe de generar, y así hacer la selección del sistema solar con sus elementos, para suministrar energía sin interrupciones a la vivienda.

Al sumar el 10% nos da un valor diario de 3,17 KWh/dia, que deben de generar por medio de los paneles solares. Ya con el consumo necesario, ya se sabe cuánto se debe generar ahora se describirán las características de la localización con respecto al sol que es la fuente de energía y la forma en como quedara el sistema.

3. DISEÑO DEL SISTEMA El diseño del sistema está enfocado en los datos encontrados anteriormente para los cuales se toman, los más influyentes para el diseño del sistema, en los cuales se va a tener en cuenta desde el número de personas promedio que habitan la vivienda, el consumo eléctrico en ella, al igual que las horas de sol que hay.

Tabla 21. Condiciones de diseño

Potencia día 2,62 KW/h

Potencia requerida Prom horas de sol viviendas personas 3,17 KWh/día 7 1 5

69

3.1.

DISEÑO DEL SISTEMA DE CONVERSIÓN

Para este diseño como se indicó anteriormente se tomó en cuenta una de las viviendas de la zona, que un habitante del municipio suministro muy amablemente para poder hacer los cálculos y determinar como fuese a quedar el montaje, el suministro la fachada y no permitió el ingreso a la vivienda pero si informo que es la distribución de esta, y los elementos eléctricos que usan para de esta forma, tener una apreciación más exacta de cómo viven en el pueblo, estos datos fuero constatados con demás habitantes del municipio, en donde se quería tener un promedio de las necesidades por hogares para así hacer el diseño más preciso y que pueda ser tomado en cuenta para otra vivienda con las mismas características.

La vivienda es rudimentaria, y aún se mantiene en buen estado, parte de ella se encuentra elaborada en bareque, que es un material muy fuerte y usado en la zona por su economía y calidad, en la parte trasera de la vivienda hay un solar, terminado en ladrillo y unas paredes en bloque, parte del tejado en la parte trasera esta sostenido por palos de bambú anclados al suelo que son lo que soportan el peso del tejado, y se cuenta con un amplio patio en donde hay árboles y arbustos, varios de estos proveen frutas.

La casa está en su frete mirando sentido sur-oeste, para una mejor ubicación de los paneles y que se aproveche una mejor absorción, durante las 7 horas de sol que hace en promedio en el día, se precisa ubicarlos en la parte trasera con vista hacia este, dado que la casa en este punto ve directo hacia el lado que sale el sol y aprovechara mejor las horas de sol de la mañana, que es las que cubre la mayor parte.

Teniendo esto, se debe precisar los elementos electrónicos que se usan dentro de la vivienda para tener una apreciación exacta de la cantidad de energía que hay que generar, en esta casa cuentan con: tres ventiladores, uno de techo que se encuentra en el comedor y otros dos de mesa que están en las dos habitaciones, en la casa cuentan con dos frigoríficos, que son para el sustento ya que en ellos almacenan la materia prima con la que trabajan, hay dos televisores uno moderno led de bajo consumo y el otro de tubos, cuentan con parte del entretenimiento un minicomponente, un DVD y una pc portátil, para el aseo de la ropa hay una lavadora pequeña, además cuentan con licuadora.

Con lo anteriormente expuesto, en la ilustración 30, se determina la distribución actual en la vivienda con respecto a la estructura y delimitaciones internas que se pueden encontrar, los muebles y algunos elementos que hay dentro de ella, para poder seguir con el análisis del sistema de generación de energía.

70

Ilustración 31. Imagen Plano casa. Distribución Interna. Echo en Auto Cad. Auditoria propia El plano se enseña sin medidas exactas, ya que no es fundamental para el cálculo de suministro energético; por otro lado el frente de la casa cuenta con 12m, y una profundidad de 7m.

Por otra parte en la ilustración 31, se detalla la distribución eléctrica interna que hay en la vivienda:

Ilustración 32. Imagen Plano distribución eléctrica en casa. Distribución Interna. Echo en Auto Cad. Auditoria propia

71

Este es el sistema eléctrico, como está conectado para una mejor idea de lo que se quiere hacer, en la implementación del sistema solar, se muestra, la parte de alimentación de este circuito, en donde se demarca toda la distribución eléctrica del hogar, teniendo ya esto, se precisa hacer los cálculos solares para determinar dónde poner los paneles solares y el sistema de energía solar.

A continuación se enseña un diagrama de bloques de la forma que esta interconectado el sistema, en el cual se puede apreciar la secuencia o el orden que llevan los elementos interconectados, ya que parte desde el panel solar y este a su vez alimenta el regulador el cual va a la batería y también al circuito de corriente continua, en donde entra al transformador y lo convierte en corriente alterna para conectar a la red de la vivienda.

Ilustración 33. Diagrama de Bloques sistema solar. Auditoria Propia

Teniendo las distribuciones, ahora se verá el índice de radiación y los valores necesarios para tener el montaje y su puesta a punto, a lo cual lo primero a determinar es el comportamiento del sol, que gracias a la página web, http://www.sunearthtools.com/. Se puede ver su trayectoria gráficamente para entender los cálculos y la distribución de los paneles sobre la vivienda.

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Ilustración 34. Sunearthtools. Paso del sol por la locación en Agua de Dios.[En línea]. Visto 5 de Abril del 2016.

El sol siempre va de este a oeste, en la figura según la ubicación de la casa muestra que la parte del frente está mirando hacia el sur-oeste, y la parte trasera se encuentra apuntando al noreste, a lo cual se deduce que la ubicación de los paneles va a ser en la parte noreste, ya que en este punto también se encuentra en vista del punto, en el momento en que el sol se encuentra más alto.

Peor no solo por lógica se llega a esta apreciación a continuación se muestra el cálculo con los cuales se determinó este punto, en donde para poder calcular el Angulo de altura solar H, se hace con la siguiente ecuación: 1) H(°)= arcsen (sen  * sen  + cos  * cos w)

Donde, , equivale al sen de la latitud del lugar. , equivale al Angulo de declinación. Que se halla 2)

W, variación entre 0° y 360°, donde, 12h=0° y crece en intervalos de 15°.

N, equivale al día del año, que para este caso se escoge el 21 de diciembre que es el días mas desfavorable a nivel mundial en índice de radiación solar, siendo este el día 355.

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Reemplazado en 2, se obtendría:

El Angulo de declinación es -23,45° Con este valor ya se puede hallar la altura solar, reemplazando en 1: H(°)= arcsen (sen 4 * sen -23,45 + cos -23,45 * cos 0) H(°)= 63°

Ilustración 35 altura máxima del sol con respecto a la posición.

Con este resultado se procede hallar el valor del azimut (), para cualquier hora del día y cualquier parte de latitud, con la fórmula: 3)

Reemplazando en 3,

= 68° El Angulo azimut es de 68°.

74

Ilustración 36. sunearthtools. Grafico polar [en línea].

En la ilustración 35, se muestra el azimut reflejado en el eje de coordenadas para delimitar su comportamiento con respecto al grado de inclinación que se debe manejar para la ubicación de los paneles, aprovechando la mejor adsorción solar.

Con estos datos se permite determinar las mejores horas del dia, entre la salida del sol y su ocultamiento.

Tabla 9. sunearthtools. Tabla de posición solar.[En línea]. sol" posición

Elevación

Azimut

latitudes

longitudes

14/04/2016 05:41 | GMT-5

-18.35°

68°

4.3774° N

74.6641° W

crepúsculo

Sunrise

Puesta de sol Azimut Sunrise Azimut Puesta de sol

crepúsculo -0.833°

06:52:28

19:05:10

80.25°

279.93°

crepúsculo civil -6°

06:31:25

19:26:12

79.8°

280.39°

Náutica" crepúsculo -12°

06:06:57

19:50:42

79.16°

281.04°

75

El crepúsculo astronómico -18° 05:42:25

20:15:15

78.38°

281.85°

la luz del día

hh:mm:ss

diff. dd+1

diff. dd-1

Mediodía

14/04/2016

12:12:42

00:00:14

-00:00:14

12:58:49

Tabla 10.sunearthtools. Comportamiento asimut en las horas de sol [En línea].

Fecha:

14/04/2016 | GMT-5

coordinar:

4.3774, -74.6641

ubicación:

Cra. 8

hora

Elevación

Azimut

06:52:28

-0.833°

80.25°

7:00:00

1.01°

80.4°

8:00:00

15.78°

81.18°

9:00:00

30.57°

81.33°

10:00:00

45.35°

80.62°

11:00:00

60.06°

78.11°

12:00:00

74.46°

69.06°

13:00:00

84.63°

356.84°

14:00:00

73.89°

290.34°

15:00:00

59.46°

281.85°

16:00:00

44.75°

279.45°

17:00:00

29.98°

278.8°

18:00:00

15.2°

279°

19:00:00

0.44°

279.83°

19:05:10

-0.833°

279.93°

Visto en la gráfica se puede determinar que lo paneles solares están en un rango de 10° y 40°, mirando en dirección noreste, que es donde mejor se comportaría adsorbiendo la energía solar.

76

Ilustración 37. Inclinación de panel solar. Realizado en Corel draw. ya teniendo estos datos, también hay que tener en cuenta las perdidas, que en este caso se tomara como el 10%, que es el estándar que se analiza en tipo comunes de implementaciones de este tipo, esto se hace así debido a que, en la zona no hay edificaciones altas que hagan una gran relevancia en el índice de sombras, y además no se tiene cerca árboles u otro tipo de obstáculo para recibir el sol, por ende se determina este valor que es valor de pérdidas por el tipo de inclinación y causales climáticas no tan aberrantes.

Ilustración 38. Sunearthtools. Grafico cartesiano. [En línea].

Visto en las coordenadas cartesianas, se ve que la curva de incidencia no afecta las coordenadas del punto, con lo que se corrobora las pérdidas al 10%.

77

Con estos valores ya es hora de pensar en cuantos paneles solares van a estar en la vivienda, para ello es necesario hacer unas apreciaciones, para determinar el número exacto para proporcionar la potencia necesaria, que es 3,17kWh/día, dicho esto se toma la fórmula para hallar el número de paneles solares necesarios para suministrar este valor a lo que tenemos: 4) Ar= 1200 * Ed / Id. Donde, Ar= Tamaño del panel en W Ed= consumo de electricidad por día en (kWh/dia) Id= irradiación (kWh/m2/día), valor por defecto tomado del promedio anual de la zona para este caso.

Reemplazando en 4: Ar= 1200 * ( 1,3 KWh/dia / 4,66 kWh/m2/dia) Ar= 334,54W. Aproximando por arriba 335, en el mercado no se encontró un panel solar con esta especificación, para lo cual hay que ajustar el total de esta potencia, en este caso se usaran dos paneles solares, con la potencia de salida de 175W, para lo cual la suma nos da 350W totales que se generan en condiciones ideales.

Las especificaciones de los paneles son: Tabla 11. Hybrytec. Especificaciones del panel solar.[En Linea]. especificaciones electricas Panel Solar tipo potencia Modulo Eficiencia Voltaje a Pmax corriente a Pmax V a circuito abierto corriente de corto

YGE 185 Series YL175P-23b 175 13,5 23 7,61 29 8,2

especificaciones de temperatura potencia Voltaje a Pmax

78

127,1 20,7

corriente a Pmax V a circuito abierto corriente de corto

6,13 26,5 6,64

especificaciones de operación Max Voltaje Max Corriente Temperatura

1000Vdc 15A -40 to 85°C

Estas son las especificaciones del fabricante a lo que se le suma en plano:

Ilustración 39. hybrytec Plano panel solar. Catalogo [En línea].

Con esta determinación ahora se hace necesario determinar, los otros elementos que complementan el sistema, para ello se procederá hallar el rendimiento global, que está dado por la ecuación: 5)

79

En donde, RG; rendimiento global Ka; coeficiente de auto descarga de la batería está dado por 2*10 -3/dia.

Kb; coeficiente de pedidas de rendimiento en acumulador, comprendido entre el 5 y 10%.

Kc; coeficiente de pérdidas de convertidor, si no lo hay se estima en 0.

Kv; coeficiente de perdidas joule. 10%.

Pd; profundidad de descarga entre 60 y 95%.

Reemplazando en 5, se tiene:

Determinando ello se procede hallar la energía total (E t), necesaria para el sistema, que está determinada por: 6) En dónde; E; energía del sistema en Ah/día CT; Consumo máximo del sistema.

V; voltaje.

Reemplazando en 6, se tiene;

Y reemplazando en la formula;

La energía total del sistema que se requiere es 127,82 Ah/día.

80

Teniendo estos datos ya se puede hallar la capacidad de la batería, por medio de la fórmula: 7)

Reemplazando en 7, se obtiene:

Teniendo la capacidad, se puede determinar la capacidad útil que equivale a: 8)

Reemplazando en 8, se tiene;

Y de aquí, se puede obtener la capacidad nominal;

Obteniendo;

Ya con los datos obtenidos, se puede ir a la página de los fabricantes de baterías para escoger una buena opción para el sistema, una de las cosas a tener en cuenta es que la temperatura de la mayoría de acumuladores para un trabajo optimo se encuentra entre el rango de 20 y 25°C, en donde da su mayor duración y cumple con las especificaciones.

Se determinó usar una Batería AGM 12VDC-255AH MTEK MT122550, del fabricante Mtek, distribuida por hybrytec, al igual que los paneles solares, con las especificaciones:

81

Tabla 12, hybrytec. Valores de la batería. [En línea].

Las dimensiones de la batería son:

Ilustración 40. Hybrytec. Dimensiones batería.[En línea].

Ya en este punto se hace la necesidad de la implementación de un regulador de carga, el cual se selecciona uno que ofrece la misma empresa dado a las especificaciones, que es el, pocos CML20NL, ya que sus características cumplen

82

para el circuito que se está implementando, su valor de corriente máxima se escoge por encima, por si en un futuro llega a verse la necesidad de ampliar el sistema, este controlador puede servir para esos fines, a continuación en la tabla 25, se detallan sus características:

Tabla 13. Características Regulador de carga.

Estas características también se acoplan a la zona ya que funcionan bajos estas mismas condiciones ambientales, llevando a la búsqueda e implementación del inversor que cumpla con las mismas características para el clima de la zona y suministre los voltajes nominales necesarios, se optara por uno que conserve los valores nominales para poder suministrar el correcto funcionamiento a la entrada de la red de la casa y manteniendo la protección del sistema tanto para el circuito de alimentación de los paneles como para a acometida eléctrica del hogar. El inversor es de la marca Phoenix, también distribuido por hybrytec, en la tabla 26 se detalla el funcionamiento:

83

Tabla 14. Valores nominales de funcionamiento inversor 12/800

En este tipo de inversor se selecciona la referencia 12/800, que es el que cumple con las especificaciones de los cálculos y los demás dispositivos instalados en el sistema, brindando comodidad en la instalación y la seguridad necesaria.

El sistema consta de estos modulos interconectados lo que permite su funcionamiento, y se muestra en la ilustración 40, la forma que está conectado:

Ilustración 41. Esquema de conexión circuito solar

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Teniendo en cuenta el diseño de la casa, se recomienda la construcción en el área del patio de un cuarto que contenga el sistema solar y de aquí mismo interconectarlo a la casa, se hace muestra de un plano en elaborado en Auto Cad, en el cual se enseña los paneles solares en el tejado y además el cuarto en donde está el Sistema, se deja aislado para que las personas no tengan contacto con él y los estén manipulando personas ajenas, le puedan dañar, además se hace muy cerca de la casa para que se pueda minimizar el uso de cableado y de esta forma reducir las pérdidas generadas por este hecho ya que para este caso no está a más de tres metros el sistema; los paneles solares están en el tejado y estos a su vez están anclados entre las tejas, como se muestra en la ilustración 41, una de las ventajas de la zona es que la velocidad del viento es de 3m/s, lo que no afecta en tan alta manera el anclaje sencillo que se hace en el tejado.

Ilustración 42. Plano en Auto Cad de la casa con el Sistema solar.

Esta recomendación también se hace debido a que la batería produce gases nocivos que pueden enfermar a los habitantes de la casa, e incluso hasta

85

matarlos, el cuarto esta ventilado y la teja es de zinc, lo cual hace que el sistema este a una temperatura ideal para el correcto funcionamiento de los equipos.

Se enseña un resumen de la etapa de diseño y todos los factores, para los cálculos que se hicieron y como va quedar el sistema, en donde lo primero que se tuvo en cuenta fue el estudio de la ubicación, los factores ambientales y la correcta climatización, en lo concerniente al acople de los paneles, estos van en la misma paralela con el tejado, anclado a las tejas y que estas mismas le sostengan, en el campo de la conexión se tiene en cuenta que no supere más de los tres metros de distancia a lo cual la casa se presta para poder hacer un cuarto en la parte trasera de la casa donde se alejen los elementos electrónicos de control del sistema fotovoltaico, y de aquí la salida a la red eléctrica de la casa.

Para la muestra de estos criterios se analizaron varios puntos los cuales se muestran a continuación: Tabla 15. Resumen características, sistema solar.

Paneles Solares Características Marca Modelo Potencia Tensión Dimensiones Disposición de Paneles Números Orientación Inclinación Acumulación Marca Aislamiento Capacidad Estado Dimensionado tipo de consumo potencia

YGE 185 series YLq75P-23b 175W 23V 990x131mm 2 sureste 18° Mtek 85% 255 Ah Nueva casero 1,3kWh/dia

86

Ilustración 43. Plano sistema solar.

Cabe aclarar que los equipos antes mencionados tienen su nivel de protección interna para evitar cortos o sobre cargas, lo que hace que el sistema a implementar sea sencillo, lo único extra, que se debe de hacer de forma independiente es la puesta a tierra, que lleva otras condiciones especiales según la RETIE, el cual se elabora en este arco de normatividad, y es de pequeña incidencia dado que las características de la zona no representan grandes rayos y descargas de otro tipo que pongan en riesgo el sistema, como para tener que montar un sistema industrial, el sistema es sencillo y cuenta con el electrolito, que es la varilla e cobre de tres metros de largo con un diámetro de 8mm, al cual va empotrado en el suelo a 10 metros de distancia en el patio trasero cerca cuarto en donde está ubicado el sistema solar, para prevenir y proteger el sistema de una posible sobre carga.

3.2.

SIMULACIÓN DEL SISTEMA

Para cumplimiento de este apartado se toman los valores nominales antes descritos, con los cuales el software, Solar Pro V3. De distribución gratuita hace el análisis de sombras y el cubrimiento del comportamiento que tiene el sol en varios días del año, con lo cual se toman las condiciones ideales para el funcionamiento del sistema, a continuación se determina en la ilustración 43 el modelo que va ser parte de la evaluación por el programa:

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Ilustración 44 modelo software, Solar Pro V3

Para efectuar el análisis se introdujeron los datos nominales del clima lo que permite efectuar el análisis de sombras para el efecto de dar la mejor perspectiva de ubicación de los paneles para el máximo aprovechamiento del sol en las horas día, en la ilustración 44 se muestran las líneas que crean sobra en el paso del sol en frente al panel.

Ilustración 45 modelo de simulación, Solar Pro V3

88

Con los datos del montaje hallados en el apartado anterior, se demuestra que la hora de mayor incidencia del sol se encuentra entre las 11:00am a 3:00pm, que son horas que corresponden a cuando el sol está en el punto más alto y es mejor el aprovechamiento de esta energía, al igual la ubicación del panel para este lado de la casa indica que siempre va haber incidencia tanto indirecta como directa del sol, lo cual trae un gran beneficio, puesto que va producir energía de forma directa e indirecta, en la gráfica los rombos formados entre más cortos, es la posición más directa con respecto al sol.

Entre otros puntos analizar se tiene que no se ubicaron otras viviendas alrededor, dado que estas no cuentan con la altura suficiente para incidir en obstaculizar el paso de la luz solar.

Por otro lado el programa arroja el posible comportamiento de la corriente con respecto al voltaje lo que ayuda a indicar la estabilidad del sistema para no incurrir en presuntos errores de diseño, el cual se puede apreciar en la ilustración 45:

Ilustración 46 grafica de potencia, Solar Pro V3

89

Esta grafica lo que permite predecir que a un máximo de voltaje, hay una caída de potencia en el sistema, lo que sería una situación poco inusual para el comportamiento de las personas en la vivienda, pero es bueno tener este tipo de situación identificadas para tener un mejor control en el proyecto.

Al igual del programa se constataron los datos de la referencia en una página especializada en el diseño de sistemas fotovoltaicos http://www.americafotovoltaica.com/simulador-online/, en la cual los datos arrojados son similares a los calculados, permitiendo tener una veracidad del entorno de todo el sistema, a lo que arrojo la pagina es:

Información detallada Su factura de la electricidad sin solar fotovoltaica Consumo anual de electricidad

kWh - año

1788

Valor de su factura para 1 año

$COP año

$488.621

$ COP

$15.082.322

%

100%

kWh - año

1788

KWp

1.35

#

6

Metros 2

15

#

277

Valor presente de su factura para 25 años sin instalación fotovoltaica (con incrementos en precio, sin aumentos en consumo)

Aspectos técnicos y ambientales Porcentaje del consumo eléctrico atendido con fotovoltaica Producción anual deseada con fotovoltaica Potencia instalada Número necesario de paneles solares Área instalable Número equivalente de árboles sembrados

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Aquí la página también arroja los datos de costos, que no se incluyeron en el análisis debido a que los costos son superiores y el planteamiento de diseño que aquí hacen es distinto.

CONCLUSIÓN Los problemas de energía en los Municipios de Colombia permiten establecer varios tipos de soluciones entre ellas, la implementación de energías noconvencionales que garanticen que se puede dar una calidad de vida a los entornos de las personas, permitiendo que ellas cuenten con el suministro de energía eléctrica, teniendo ello se hace evidente la adecuación de tecnologías que traigan consigo la innovación para los ciudadanos que habitan en este municipio.

Planteando un análisis profundo con las energías renovables que hay en la actualidad y que permitan su implementación en la zona, para que así haya una mejora en la calidad de vida de las personas, el hábitat, y optar por mitigar el daño ambiental.

Se realiza una muestra documental en la cual el análisis principal es la carencia del fluido eléctrico, ya sea porque hay locaciones lejanas, o los niveles de urbanización, aun en estos tiempos, no han cumplido a cabalidad para garantizar el suministro de energía, lo que lleva a encontrar una solución que genere electricidad a través de energías renovables, que abunden en la zona; partiendo de un estudio, para la determinación de cuál es el recurso más abundante y que garantice las condiciones planteadas, la solución al problema inicial, se obtiene que la energía solar es un gran aliado para poder suplir con la necesidad y la presente carencia.

Todos los tipos de energía son válidos para el uso, pero cabe aclarar que no todos sirven para el mismo lugar, con lo que se llega a desglosar de que parte de Agua de Dios se puede obtener energía, pero los resultados dieron la evidencia que el uso de otro tipo de energía renovable resulta muy costoso por el transporte, y el caso de la energía eólica en inviable debido al poco viento que corre en esta localización en concreto.

No obstante no hay que descartar el uso de otro tipo de energías renovables, en este caso se hace pertinente el uso de energía solar fotovoltaica, lo que permitió

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poder seleccionar un sistema de conversión de energía fotovoltaica a energía eléctrica por medio de elementos, como paneles solares, baterías para el almacenamiento de electricidad, conversores de energía para poder suministrar los voltajes requeridos en un hogar, entre otros, y con ello garantizar que en cualquier momento del día se cuente con el suministro eléctrico constante.

Todo el diseño está basado en el comportamiento del sol en la zona, por medio de estaciones meteorológicas cercanas se obtuvieron los datos a tener en cuenta para determinar la ubicación de los paneles solares para que tuviesen la máxima eficiencia posible que se requiere para el correcto funcionamiento.

Con todo lo aquí planteado se estimula el uso de energías limpias para los hogares, dando muestra que es una solución muy convincente para poder llevar un calidad de vida en una comunidad, ya sea que cuente con suministro eléctrico o no, y en otras aplicaciones dado que este tipo de sistemas sirven, para la industria o demás labores, que de gran modo permiten un ahorro y mitigan un daño ambiental.

EL PRESENTE PROYECTO SE PUEDE CONTINUAR: Para la continuación del siguiente proyecto se propone diversos sistemas que se pueden implementar para la elaboración y discusión sobre ellos, se plantean a continuación:  Diseño de Sistema de seguimiento solar para aplicarlo a los paneles en la vivienda.  Diseño de una central de energía solar para el abastecimiento de energía eléctrica a 100 viviendas, para la zona del Alto Magdalena en Cundinamarca.  Diseño de un sistema Domótico para mejorar la eficiencia energética y la calidad de vida de las personas.  Rediseño de las edificaciones para que cuenten con arquitectura biosotenible, y de esta forma minimice al máximo el uso de la energía eléctrica.

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