Tesis / 0020/I.M. by MAOSABO

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRONICA

PRE-FACTIBILIDAD PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE SISTEMAS DE ALUMBRADO PÚBLICO ENERGIZADO POR MEDIO DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA.

Monografía Para Optar por el título de Ingeniera Macatrónica

Leidy Nataly Bohórquez Mora

Elizabeth Beltrán

Bogotá D.C. Octubre de 2014

Nota de aceptaci贸n

_________________________________________________ _________________________________________________ _________________________________________________ _________________________________________________

_________________________________________________ Presidente del Jurado

________________________________________________ Jurado

Bogot谩 D.C. Octubre de 2014

Agradezco y doy la Gloria a Dios por darme fortaleza, por ser la guía y el soporte día a día para continuar adelante, Él es quien ha hecho posible este momento, Es quien a través de su amor me ha levantado cuando pensaba que ya no podía más; Él quien coloco tantas personas hermosas que me ayudaron durante este largo camino que ya pronto llega a su fin para empezar un nuevo siclo. Gracias a mis Directores de carrera Elizabeth Beltrán y Heidi melisa Bautista, a todos los profesores que me apoyaron y me acompañaron durante mi proceso como estudiante. Gracias a mi mami por sus esfuerzos, por su dedicación y todo su amor, gracias a mi padre por hacerme fuerte, gracias a Julia y Wilfredo Hurtado por ese grano de mostaza que colocaron en mi crecimiento personal y profesional, por su apoyo constante durante tantos años. Gracias a Johan De Castro por ser una persona incondicional que estuvo a mi lado, quien se esforzó como si fuera su propia meta, gracias por sus trasnochos y su voz de aliento cada día. A todas las personas que estuvieron a mi lado durante este proceso que cambio mi vida y me dio una nueva perspectiva del mundo. Dios los bendiga y los llene de paz y prosperidad ¡A Todos Muchas Gracias!

Contenido INTRODUCCIÓN .........................................................................................................................................7 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ......................................................................................................9 JUSTIFICACION........................................................................................................................................10 1.

OBJETIVOS .......................................................................................................................................11 1.1.

OBJETIVO GENERAL .............................................................................................................11

1.2

OBJETIVOS ESPECIFICOS ...................................................................................................11

MARCO REFERENCIAL ..................................................................................................................12 2.1 MARCO TEORICO .........................................................................................................................12 2.1.1 Alumbrado Público. .................................................................................................................12 2.1.2 Requerimientos Técnicos En Alumbrado Público ..............................................................12 2.1.3 Sistema de alumbrado público. .............................................................................................13 2.1.4 Energía solar Fotovoltaica .....................................................................................................13 2.1.5 Tecnología LED .......................................................................................................................14 2.2 MARCO NORMATIVO...................................................................................................................14 2.2.1 REGLAMENTO TÉCNICO DE ILUMINACIÓN Y ALUMBRADO PÚBLICO – RETILAP ..............................................................................................................................................................14 2.2.2 ART. 365 DE LA CONSTITUCIÓN POLÍTICA DE COLOMBIA ......................................15 2.2.4 Ley 1715 del 13 de Mayo de 2014........................................................................................16 2.2.5 Incentivos a la inversión en proyectos de FNCE ................................................................19

CONCLUSIONES ..............................................................................................................................34

Bibliografía ..........................................................................................................................................37

GLOSARIO .........................................................................................................................................39

Índice de Figuras

Figura 1. Objetivo ley 1715............................................................................................. 16 Figura 2. Finalidad ley 1715 ........................................................................................... 17 Figura 3. Beneficios Tributarios ...................................................................................... 21 Figura 4. Esquema de una celda fotovoltaica de Silicio ................................................. 22 Figura 5. Conexión de las celdas para cada módulo FV ................................................ 23 Figura 6. Componentes básicos de una planta solar Fotovoltaica. ................................ 24 Figura 7. Componentes básicos de una planta solar Fotovoltaica para iluminación externa ........................................................................................................................... 26 Figura 8. Foto, Aspecto de puntos de iluminación externa con Energía Solar Fotovoltaica. ................................................................................................................... 26 Figura 9. Equivalencia entre farolas LED y lámparas convencionales ........................... 27 Figura 10. Esta planta de energía solar suministra iluminación autónoma al túnel Santa Rosa vía Dosquebradas (Risaralda). ............................................................................. 30 Figura 11. Primer alumbrado público alimentado a energía solar en Argentina ............. 32

Índice de Tablas.

Tabla 1. Cuadro de cargas para reconvertir un punto de iluminación de 150 W vapor de sodio a Led. .................................................................................................................... 27 Tabla 2. Cuadro de valores a tener en cuenta para el cálculo de los elementos para implementar un punto de iluminación pública S.F. ......................................................... 28 Tabla 3. Cálculo de componentes para el punto de iluminación requerido. ................... 28 Tabla 4. Comparativo costos luminaria energía solar vs energía convencional ............. 29

INTRODUCCIÓN

El medio ambiente está cambiando nuestra forma de pensar y de vivir, ya no se busca solo la comodidad y el satisfacer una necesidad; al comprar un producto se busca que sea amigable con el medio ambiente, que ahorre energía y que no produzca gases que afecten el planeta. Durante siglos hemos abusado del planeta y disfrutado todos sus recursos, ahora el planeta necesita nuestra ayuda. ¿Pero cómo se puede mitigar la contaminación al medio ambiente? Hoy en día la tecnología ha creado sistemas para evitar altos índices de contaminación y ahorrar energía como los sistemas solares fotovoltaicos. Uno de los proyectos donde podemos aprovechar la generación de energías alternativas es la implementación de alumbrado público en los diferentes sitios de nuestro país, ya sea para reemplazar los sistemas actualmente existentes o para instalaciones totalmente nuevas como en ZNI. En las ZNI es muy importante implementar proyectos con energías alternativas ya que esto ayuda al crecimiento y desarrollo de estas poblaciones; el alumbrado público les permite tener un nivel de seguridad alto, permite el crecimiento cultural y económico de la comunidad. En una ZNI es costoso implementar proyectos de energía eléctrica, es difícil acceder a este derecho que es una necesidad básica. El servicio de alumbrado público se ha catalogado como un servicio público, no domiciliario. Se presta, con el objeto de proporcionar exclusivamente, la iluminación de los bienes públicos y demás espacios de libre circulación, con tránsito vehicular o peatonal, dentro del perímetro urbano y rural del respectivo municipio o distrito, que es el responsable directo de velar y garantizar su prestación en condiciones óptimas. La tendencia de bajar costos y realizar un mantenimiento mínimo a los sistemas de alumbrado público está motivando a varias ciudades del mundo a utilizar nuevas

alternativas de iluminación en las vías, al emplear la iluminación Led y paneles solares en los postes. Entre las ventajas que ofrece esta alternativa energética está la de poderse instalar en cualquier lugar del país, porque no requiere interconexión a red. Una solución que se une a los propósitos del cuidado del medio ambiente. Esta nueva tecnología proporciona hasta cuatro veces más intensidad luminosa que una lámpara fluorescente tradicional, con una vida útil de hasta 60 mil horas, garantizando el encendido durante toda la noche, los 365 días del año, aún en condiciones extremas de tiempo nublado. Comparando la vida de una lámpara Led frente a las 1.000 o 1.500 horas de una bombilla estándar y las 5.000 de una fluorescente (ahorradora), se está hablando que el Led dura unos 12 años funcionando 8 horas diarias. Por tanto, no requieren de tendido de cable eléctrico, lo que ofrece a las localidades, donde se instalan, una iluminación estética, disminuyen significativamente en forma indirecta emisiones de dióxido de carbono (CO2) por Termo-generación e Hidrogene ración. Al final podrá encontrar un glosario para que pueda entender y comprender de una forma más sencilla los términos que se usan en este trabajo.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En Colombia aproximadamente el 52% del territorio nacional no tiene iluminación pública, ya sea por los altos costos de instalación y mantenimiento del proyecto, por la ubicación geográfica del sitio y/o difícil acceso para conectarse a la red de energía actualmente existente. Los costos de mantenimiento del sistema de alumbrado público convencional son altos al igual que el consumo y pérdidas de energía. Toda esta carga económica actualmente la asume el usuario. Los sistemas convencionales de alumbrado presentan alta vulnerabilidad a eventos naturales (Terremotos, Vendavales, tormentas eléctricas) o atentados especialmente por la dependencia del tendido de Redes.

JUSTIFICACION

Este estudio es de relevante importancia debido a que en la actualidad, el mundo se encuentra bajo amenaza a raíz de los constantes cambios climáticos que se presentan por la contaminación ambiental, esto trae consecuencias notables e irreversibles al medio ambiente. Las energías no renovables conocidas como el petróleo y el carbón contaminan el aire y el agua, generan cambios climáticos y son nocivos para la salud una de las formas de combatir esta realidad es la implementación de un alumbrado ecológico para el ahorro energético y poder brindar el beneficio de la energía eléctrica a lugares de difícil acceso. En nuestro país Las ZNI corresponden al 52% del territorio nacional, donde se asienta el 79% de la población de carácter rural del país. Las ZNI están conformadas por 17 departamentos, 5 capitales departamentales, 39 cabeceras municipales, 112 municipios, 1441 localidades, más de 176.000 usuarios atendidos y 94 entes prestadores organizados en 14 grupos territoriales. (IPSE, 2014) El alumbrado público convencional depende de la red eléctrica y en las ZNI es difícil llevar una línea eléctrica teniendo en cuenta la geografía con que cuenta nuestro país, la implementación de la red eléctrica sería un trabajo de alta ingeniería lo cual sería demorado y costoso. Hace más de 10 años se está buscando una estrategia para que las ZNI cuenten con servicio de energía eléctrica en Colombia según el documento COMPES 3055 de 1999. Un estudio realizado por el Ministerio de Minas y Energía arrojó resultados y recomendaciones de mucha trascendencia que hasta el momento eran y tal vez son desconocidos hasta por las mismas autoridades locales y las del orden central. (CONPES 3055 y 3108)1 Determinó que en las Zonas No Interconectada y de Difícil Acceso viven alrededor de 1.524.304 habitantes, 4% del total nacional, de los cuales el 12,4% reside en las capitales departamentales y cabeceras municipales y el 88% en los centros poblados rurales y en las áreas netamente rurales.

Estas zonas tienen una densidad promedio de 2 hab. /km 2 (33 promedio nacional y 93 promedio SIN). Ocupan alrededor del 66% (756.000 km2) del territorio nacional. 22 departamentos y 115 municipios, allí se localizan 5 capitales departamentales, Leticia, San José del Guaviare, Mitú, Puerto (MINISTERIO DE MINAS Y ENERGIA, MINISTERIO DE HACIENDA Y CREDITO PUBLICO, 1999) Existen subsidios para poder implementar este tipo de proyectos en ZNI y también contamos con el respaldo de la ley 1715 la cual brinda beneficios para llevar a cabo proyectos con energías renovables.

1. OBJETIVOS

1.1.

OBJETIVO GENERAL

Estudiar la pre-factibilidad de instalar iluminación pública con energía solar auto sustentable en vez de alumbrado público convencional x luminaria. 1.2   

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Determinar el estado del arte de los sistemas solares fotovoltaicos. Determinar los elementos que componen la infraestructura tecnológica requerida para la atención adecuada del alumbrado S.F.V. Utilizando el marco de la actual regulación colombiana se determinara que beneficios se obtienen al generar energía eléctrica a través de S.F.V.

2. MARCO REFERENCIAL Este segmento se divide en dos partes, marco teórico y marco legal. En el marco teórico se encuentran algunos conceptos básicos de la iluminación pública fotovoltaica y la tecnología más importante para el alumbrado público con energía fotovoltaica.

2.1 MARCO TEORICO

A continuación se encuentran definidos los conceptos más relevantes para comprender que es el alumbrado público solar fotovoltaico.

2.1.1 Alumbrado Público.

Es un servicio público no domiciliario que se presta con el fin de iluminar lugares de libre circulación, que incluyen las vías públicas, los parques y demás espacios que se encuentren a cargo del municipio, con el fin de permitir el desarrollo de actividades nocturnas dentro del perímetro urbano y rural. Pero sin duda, el objetivo principal es proporcionar condiciones de iluminación que generen sensación de seguridad a los peatones y una adecuada visibilidad a los conductores de vehículos en zonas con alta circulación peatonal. (UNIDAD DE PLANEACION MINERO ENERGETICA, 2007)

2.1.2 Requerimientos Técnicos En Alumbrado Público

Los sistemas de alumbrado público deben cumplir exigencias y especificaciones mínimas para que las instalaciones de iluminación garanticen la seguridad y confort con base en su buen diseño y desempeño operativo así como los requisitos de los productos empleados en las mismas. (COMISION DE REGULACION DE ENERGIA Y GAS) RETILAP: es el Reglamento establece las normas generales que deben tener en cuenta los sistemas de iluminación interior y exterior en Colombia donde se incluyen los de alumbrado público. (COMISION DE REGULACION DE ENERGIA Y GAS)

De esta forma se promueve el uso racional y eficiente de energía en iluminación, de acuerdo con lo establecido en la Ley 697 de 2001. (COMISION DE REGULACION DE ENERGIA Y GAS) Cualquier instalación de infraestructura de alumbrado público debe sujetarse a las disposiciones del Reglamento Técnico de Iluminación y Alumbrado Público - RETILAP, expedido por el MME. (COMISION DE REGULACION DE ENERGIA Y GAS)

2.1.3 Sistema de alumbrado público.

Sistema de alumbrado público (AP) “Comprende el conjunto de luminarias, redes, transformadores de uso exclusivo y en general, todos los equipos necesarios para la prestación del servicio de alumbrado público, que no formen parte del sistema de distribución” (MINISTERIO DE MINAS Y ENERGIA, 2006)

2.1.4 Energía solar Fotovoltaica

La energía fotovoltaica es la transformación directa de la radiación solar en electricidad. Esta transformación se produce en unos dispositivos denominados paneles fotovoltaicos. En los paneles fotovoltaicos, la radiación solar excita los electrones de un dispositivo semiconductor generando una pequeña diferencia de potencial. La conexión en serie de estos dispositivos permite obtener diferencias de potencial mayores. (ASOCIACION DE EMPRESAS DE ENERGIAS RENOVABLES, 2009) Aunque el efecto fotovoltaico era conocido desde el siglo XIX, fue en la década de los 50, en plena carrera espacial, cuando los paneles fotovoltaicos comenzaron a experimentar un importante desarrollo. Inicialmente utilizados para suministrar electricidad a satélites geoestacionarios de comunicaciones, hoy en día constituyen una tecnología de generación eléctrica renovable. (ASOCIACION DE EMPRESAS DE ENERGIAS RENOVABLES, 2009)

2.1.5 Tecnología LED

Viene del inglés L.E.D (Light Emitting Diode) traducido diodo emisor de luz. Se trata de un cuerpo semiconductor sólido de gran resistencia que al recibir una corriente eléctrica de muy baja intensidad, emite luz de forma eficiente y con alto rendimiento. (Tecnologia y educacion, 2012) La iluminación LED posee una serie de ventajas que la convierten en la fuente de luz ideal para un espectro cada vez mayor de aplicaciones, gracias a su fiabilidad técnica, bajo mantenimiento y facilidad de encendido. La iluminación pública es hoy en día un feudo casi exclusivo de las lámparas de vapor de sodio, tanto de alta como baja presión. La razón fundamental consiste en la eficiencia luminosa de estas lámparas, que permite convertir cada vatio en una cantidad que varía entre 130 y 170 lumens. Aunque ya existen LED en el mercado con capacidad para alcanzar hasta los 150 lumens por vatio, la mayoría de LEDs comerciales proporcionan entre 80 y 100 lumens, en base a un régimen de funcionamiento que prima la fiabilidad y durabilidad. No obstante, la tecnología LED sigue destacando por ser la forma de iluminación que evoluciona más rápidamente y sus posibilidades de desarrollo aún no han alcanzado techo. (solar uno, 2014)

2.2 MARCO NORMATIVO

A continuación se relacionan Las normas y leyes más importantes a tener en cuenta para poder desarrollar un proyecto de alumbrado público solar fotovoltaico.

2.2.1 REGLAMENTO TÉCNICO DE ILUMINACIÓN Y ALUMBRADO PÚBLICO – RETILAP

El objeto del Reglamento Técnico de Iluminación y Alumbrado Público – RETILAP, es establecer los requisitos y medidas que deben cumplir los sistemas de iluminación y alumbrado público, tendientes a garantizar: los niveles y calidades de la energía lumínica requerida en la actividad visual, la seguridad en el abastecimiento energético, la protección del consumidor y la preservación del medio ambiente; previniendo,

minimizando o eliminando los riesgos originados por la instalación y uso de sistemas de iluminación. (CODENSA, 2010) El RETILAP aplica a las instalaciones de iluminación, tanto interior como exterior (incluyendo el alumbrado público), a los productos utilizados en las instalaciones de iluminación, y a las personas que intervienen en los siguientes términos: • Instalaciones: los requisitos y prescripciones técnicas de este reglamento serán de obligatorio cumplimiento en Colombia en todas las instalaciones nuevas, remodeladas o ampliadas, públicas o privadas. Las prescripciones técnicas del presente reglamento serán exigibles en condiciones de operación normal de las instalaciones. (CODENSA, 2010) • Productos: Son objeto del presente Reglamento los productos usados es sistemas de iluminación contemplados en la tabla 110.2 a., los cuales son de mayor utilización en iluminación y alumbrado público y están directamente relacionados con el objeto y campo de aplicación de este Reglamento, tales productos deben demostrar su conformidad con el RETILAP, mediante un certificado de producto. (CODENSA, 2010).

2.2.2 ART. 365 DE LA CONSTITUCIÓN POLÍTICA DE COLOMBIA De acuerdo al contenido en el capítulo 5 de la finalidad social del estado los servicios públicos son inherentes a la finalidad social del Estado. Es deber del Estado asegurar su prestación eficiente a todos los habitantes del territorio nacional. (CONFEDERACION COLOMBIANA DE CONSUMIDORES, 2010) Los servicios públicos estarán sometidos al régimen jurídico que fije la ley, podrán ser prestados por el Estado, directa o indirectamente, por comunidades organizadas, o por particulares. En todo caso, el Estado mantendrá la regulación, el control y la vigilancia de dichos servicios. Si por razones de soberanía o de interés social, el Estado, mediante ley aprobada por la mayoría de los miembros de una y otra cámara, por iniciativa del Gobierno decide reservarse determinadas actividades estratégicas o servicios públicos, deberá indemnizar previa y plenamente a las personas que en virtud de dicha ley, queden privadas del ejercicio de una actividad lícita. (CONFEDERACION COLOMBIANA DE CONSUMIDORES, 2010)

2.2.4 Ley 1715 del 13 de Mayo de 2014 Es a través de esta ley que se obtienen beneficios y se fomenta el uso de energías renovables no convencionales y se regula la integración de las energías renovables no convencionales al Sistema energético Nacional” El objeto principal de esta ley se describe a continuación. • “… promover el desarrollo y la utilización de las fuentes no convencionales de energía, principalmente aquellas de carácter renovable, en el sistema energético nacional, mediante su integración al mercado eléctrico, su participación en las zonas no interconectadas y en otros usos energéticos como medio necesario para el desarrollo económico sostenible, la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y la seguridad del abastecimiento energético. Con los mismos propósitos se busca promover la gestión eficiente de la energía, que comprende tanto la eficiencia energética como la respuesta de la demanda.” (UNIDAD DE PLANEACION MINERO ENERGETICA, 2014) En la figura 1 se puede observar el resumen del objetivo de la ley 1715.

Figura 1. Objetivo ley 1715

La finalidad de la ley 1715 se puede establecer en los siguientes parámetros. • “… establecer el marco legal y los instrumentos para la promoción del aprovechamiento de las fuentes no convencionales de energía, principalmente aquellas de carácter renovable, lo mismo que para el fomento de la inversión, investigación y desarrollo de tecnologías limpias para producción de energía, la eficiencia energética y la respuesta de la demanda, en el marco de la política energética nacional…” • “… establecer líneas de acción para el cumplimiento de compromisos asumidos por Colombia en materia de energías renovables, gestión eficiente de la energía y reducción de emisiones de gases de efecto invernadero…” (UNIDAD DE PLANEACION MINERO ENERGETICA, 2014) La finalidad de la ley 1715 se resume en la figura 2.

Figura 2. Finalidad ley 1715

Fuente: UPME

La promoción, estímulo e incentivo al desarrollo de las actividades de producción y utilización de fuentes no convencionales de energía, principalmente aquellas de carácter renovable, se declara como un asunto de utilidad pública e interés social, público y de conveniencia nacional, fundamental para asegurar la diversificación del abastecimiento energético pleno y oportuno, la competitividad de la economía colombiana, la protección del ambiente, el uso eficiente de la energía y la preservación y conservación de los recursos naturales renovables. (UNIDAD DE PLANEACION MINERO ENERGETICA, 2014) • Esta calificación de utilidad pública o interés social tendrá los efectos oportunos para su primacía en todo lo referente a ordenamiento del territorio, urbanismo, planificación ambiental, fomento económico, valoración positiva en los procedimientos

administrativos de concurrencia y selección, así como a efectos de expropiación forzosa. (UNIDAD DE PLANEACION MINERO ENERGETICA, 2014) Destacados de la Ley 1715 de 2014 El Gobierno promoverá la generación con Fuentes No Convencionales de Energía Renovable (FNCE) y la gestión eficiente de la energía mediante la expedición de los lineamientos de política energética, regulación técnica y económica. (Submitted by admin, 2014) Se implementará un programa destinado a sustituir progresivamente la generación con diésel en las ZNI con el objetivo de reducir los costos de prestación del servicio y las emisiones de gases contaminantes. (Submitted by admin, 2014) Se creará el Fondo de Energías no Convencionales y Gestión Eficiente de la Energía para financiar programas de FNCE y gestión eficiente de energía. (Submitted by admin, 2014) El Gobierno Nacional, en coordinación con las Corporaciones Autónomas, establecerá planes de actuación con el fin de fomentar el aprovechamiento energético de biomasa agrícola; además, la energía solar, eólica, geotérmica, la energía de los mares y el contenido energético de los residuos sólidos que no sean susceptibles de reutilización y reciclaje, serán considerados como FNCER. (Submitted by admin, 2014) En desarrollo del Programa de Uso Racional y Eficiente de la Energía (PROURE) y demás formas de energía no convencionales, el Ministerio de Minas y Energía deberá desarrollar una serie de instrumentos técnicos, jurídicos, económico-financieros, de planificación y de información, entre los que se contempla un plan de acción indicativo para el desarrollo del PROURE, reglamentaciones técnicas, sistemas de etiquetado e información al consumidor sobre eficiencia energética, y campañas de información y concientización. (Submitted by admin, 2014) 2.2.5 Incentivos a la inversión en proyectos de FNCE Al invertir en proyectos con fuentes de energía no convencionales de energía se puede acceder a beneficios como: Reducir anualmente de su renta, por los 5 años siguientes al año gravable en que hayan realizado la inversión, el cincuenta por ciento (50%) del valor total de la inversión realizada, el valor a deducir por este concepto, en ningún caso podrá ser superior al

50% de la renta líquida del contribuyente, determinada antes de restar el valor de la inversión. (UNIDAD DE PLANEACION MINERO ENERGETICA, 2014) Los equipos, elementos, maquinaria y servicios nacionales o importados que se destinen a la pre inversión e inversión, para la producción y utilización de energía partir de las fuentes no convencionales, así como para la medición y evaluación de los potenciales recursos estarán excluidos de IVA. (UNIDAD DE PLANEACION MINERO ENERGETICA, 2014) Exención del pago de los derechos arancelarios de importación de maquinaria, equipos, materiales e insumos destinados exclusivamente para labores de pre inversión y de inversión de proyectos con FNCE, será aplicable y recaerá sobre maquinaria, equipos, materiales e insumos que no sean producidos por la industria nacional y su único medio de adquisición esté sujeto a la importación de los mismos, aplicable a las maquinarias, equipos y obras civiles necesarias para la pre-inversión, inversión y operación de la generación con FNCE, que sean adquiridos y/o construidos, exclusivamente para ese fin. (UNIDAD DE PLANEACION MINERO ENERGETICA, 2014) La tasa anual de depreciación será no mayor de veinte por ciento (20%) como tasa global anual. (UNIDAD DE PLANEACION MINERO ENERGETICA, 2014) En la figura 3 se puede observar un resumen de los benéficos tributarios de carácter ambiental la ley que lo respalda y cuál es el benéfico al que aplicara.

Figura 3. Beneficios Tributarios

3. ANÁLISIS DE LA SOLUCION PARA LA ILUMINACION PÚBLICA CON ENERGIA FOTOVOLTAICA En este numeral se describe una solución para implementar un proyecto con energía solar fotovoltaica. 3.1. ¿QUÉ ES LA ENERGÍA FOTOVOLTAICA? El fundamento de la energía solar fotovoltaica es el efecto fotoeléctrico o fotovoltaico, que consiste en la conversión de la luz en electricidad. Este proceso se consigue con algunos materiales que tienen la propiedad de absorber fotones y emitir electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad. (ATM SOLAR, s.f.)

Para las células fotovoltaicas, una rejilla semiconductora recibe un tratamiento químico especial para formar un campo eléctrico, positivo en un lado y negativo en el otro. Cuando la luz solar incide en la célula, los electrones son desplazados del material semiconductor. (Gomez, 2008) Si ponemos conductores eléctricos tanto del lado positivo como del negativo de la rejilla, formando un circuito eléctrico, los electrones pueden ser capturados en forma de electricidad. En la figura .4 se muestra el esquema básico de una celda solar de silicio con las zonas dopadas P y N. Además se muestran las rejillas de contacto. Todo debe estar encapsulado en un sustrato al vacío para proteger al silicio de la oxidación. La capa superior debe permitir el ingreso de la luz (Transparente) y a la vez ser muy eficiente evitando la reflectividad (Antirreflectivo). Adicionalmente debe tener buena resistencia mecánica (Vidrio templado). (Gomez, 2008)

RAYOS SOLARES REJILLA COLECTORA CÁTODO

ANTIRREFLECTIVO TRANSPARENTE

ÁNODO CAPA N CAPA P SUSTRAT O

Figura 4. Esquema de una celda fotovoltaica de Silicio Fuente: (Riveros, 2014) Esta electricidad puede ser utilizada para suministrar energía a una carga, por ejemplo para encender una bombilla. La conjunción de varias células conectadas eléctricamente entre si y montadas en una estructura de apoyo o marco, se llama módulo fotovoltaico tal como se muestra en la figura 4 (SUMSOL, s.f.)

La electricidad generada DC se trabaja a voltajes de 12VDC, 24VDC o para los sistemas interconectados con la Red existen módulos a 36VDC.

Existen disponibles en el mercado actualmente varios tipos de tecnología: Monocristalina, Policristalina y de Capa delgada (Silicio Amorfo). La tecnología se selecciona de acuerdo a las necesidades por ejemplo para alumbrado público se utilizan actualmente las tecnologías monocristalina y policristalina. Figura 5. Conexión de las celdas para cada módulo FV

Fuente: (Riveros, 2014) Varios módulos pueden ser conectados unos con otros para formar un campo solar. Los módulos producen electricidad en corriente continua, pudiendo ser conectados en serie o en paralelo para conseguir el voltaje que se requiera. 3.2. EQUIPOS AUXILIARES PARA LA GESTIÓN DE LA ENERGÍA FOTOVOLTAICA La generación estable y confiable de energía eléctrica FV, requiere de equipamiento especializado, adicional a los paneles solares pues es necesario regular, almacenar, controlar y transformar la electricidad para su uso. En la figura5 se muestra la configuración básica de una planta solar fotovoltaica.

.Regulador o controlador: Se encarga principalmente de estabilizar los niveles de voltaje, proteger el sistema de cortocircuitos y cargar adecuadamente las baterías. Los reguladores disponibles en el mercado son actualmente netamente electrónicos y cada día se mejoran sus características. Incluso se conocen reguladores inteligentes que almacenan información y la aplican. Acumuladores: Son los encargados de almacenar la energía en forma electroquímica. Los acumuladores disponibles comercialmente para estos propósitos son de Plomo ácido. De acuerdo a la cantidad de energía que se almacena se conocen 2 clases de acumuladores: Los primeros son baterías tipo Monoblock estacionarias libres de mantenimiento que trabajan a 12VDC y son viables en caso de pequeñas instalaciones. La vida útil y garantía usualmente es del orden de 5 a 10 años. Los segundos tipos de acumuladores son los de vaso abierto con electrolito líquido cuya vida útil y factor de descarga es muy superior. Trabajan a voltajes de “VDC cada celda y son viables en caso de instalaciones medianas y grandes. Figura 6. Componentes básicos de una planta solar Fotovoltaica.

Fuente: (Riveros, 2014) El inversor: Es el encargado de elevar y transformar la corriente directa en corriente alterna. De acuerdo a la aplicación existen inversores de onda cuadrada, onda senoidal modificada y onda senoidal pura. Normalmente elevan la tensión de 12VDC o 24 VDC a 120VAC. Actualmente los inversores son de alta tecnología PWM y con sistemas inteligentes de gestión y protección de los equipos.

3.3. ILUMINACIÓN PÚBLICA CON ENERGÍA SOLAR Energía Pública Solar, proveen una solución económica y amigable con el ambiente, dado que no necesita estar conectado a la red eléctrica, lo que permite una reducción importante en los costes de instalación, además en los costes de mantenimiento ya que la tecnología LED es de alta eficiencia y sin otros componentes como arrancadores, luz directa y al momento de ser encendida, bien sea por Controladores Timmer, estos son sistemas autónomos con 3 días de autonomía y vida útil de la luminaria de 18 Años (Aprox), vida de las batería entre 10 y 12 años (Aprox). Los sistemas de iluminación pública solar poseen controladores electrónicos que permiten ser monitoreados vía Web y controlados web o vía GPRS, siendo encendido y apagado remoto. Estás luminarias tienen un retorno de inversión de aproximadamente 6 Años (Según estándares de cálculo) 3.3.1. Elementos de alumbrado público con energía fotovoltaica Para implementar puntos de iluminación externa con Energía Solar Fotovoltaica se requiere un estudio previo que incluya básicamente los siguientes aspectos:  



Factor de área de radiación solar del lugar donde se instala el punto de iluminación. (Se obtiene de un mapa solar de la UPME, de datos del IDEAM, o de un Simulador de base de datos solares). Estudio luminotécnico del lugar donde se desea implementar: Se refiere a los niveles de iluminación requeridos de acuerdo al tipo de aplicación: vías peatonales, vías vehiculares primarias, secundarias o terciarias, Autopistas, parques, zonas verdes, puentes, lagos, piscinas, etc. Tiempo de iluminación diaria: Se refiere al tiempo que debe estar encendida la Luminaria diariamente, pues en algunos casos no se requiere iluminación toda la noche. Este tiempo es requerido para el dimensionamiento de paneles,, reguladores, acumuladores e inversores. Facilidad de mantenimiento: En casos de zonas alejadas se deben tomar precauciones para programar la eventual limpieza de paneles, revisión y cambio de baterías, ajuste de bornes, etc.

En la figura7. Se muestra el esquema básico de una planta solar para iluminaria externa. Incluye todos los elementos de protección e interconexión a la Red en casos de baja suplencia o mantenimiento del sistema.

Figura 7. Componentes básicos de una planta solar Fotovoltaica para iluminación externa

Módulo Solar 210W

Inversor DC/AC

Interconexión a Red

Controlador de 20A/24VDC

Batería 100 Ah

Fuente: (Riveros, 2014) Figura 8. Foto, Aspecto de puntos de iluminación externa con Energía Solar Fotovoltaica.

Fuente: (Neiva, 2014).

Figura 9. Equivalencia entre farolas LED y lámparas convencionales

Fuente: Fuente especificada no válida. 3.3.2. Ejemplo de cálculo para reconversión de un punto de iluminación externa a LED alimentado con energía solar fotovoltaica: Para implementar energía solar fotovoltaica a un punto de alumbrado exterior con luminaria de vapor 150W de sodio a Led 60W (teniendo en cuenta la Figura 9), se requiere evaluar el cuadro de cargas que se presenta como ejemplo en la Tabla1. TIPO DE CARGA

Lámpara LED 60Watt TOTAL

VOLTAJE

110

POTENCIA EN W

CANT

POTENCIA EN WATTS/ 12VDC

POTENCIA EN WATTS/ 110VAC

HORAS DIURNAS DE USO

HORAS NOCTURNAS DE USO

ENERGÍA DIURNA EN Whr

ENERGÍA NOCTURNA EN Whr

TOTAL ENERGÍA EN Whr

720

Tabla 1. Cuadro de cargas para reconvertir un punto de iluminación de 150 W vapor de sodio a Led. Fuente: propia

En la tabla1 Se presenta la energía diaria requerida en Watts/hora, la potencia de la luminaria Led, Energía Total Whr

720

Energía Diurna Whr

Energía Nocturna Whr Factor de autonomía E.N./E.T. Potencia 110VAC

720 1 60

Factor de área hr (depende lugar)

4 Para Cundinamarca se obtiene de los mapas de radiación solar

Eficiencia típica de un inversor

85%

Eficiencia típica de un regulador

95%

Factor de descarga Baterias

25%

Tabla 2. Cuadro de valores a tener en cuenta para el cálculo de los elementos para implementar un punto de iluminación pública S.F. Fuente: propia Potencia Max requerida Modulo Solares 230WP

Esta es la potencia Max. que debe ser instalada 1 módulo de 230Wp

222,9102167 Watt 0,969174855

Corriente Max Almacenable

74,30340557 Ah

Corriente de acumuladores

297,2136223 Ah

No de Baterías

1,486068111

2 baterías de 12V/200AH c/u.

Corriente de entrada del regulador

9,583333333 A

1 regulador de 12 A

Corriente de salida del regulador hacia la carga DC.

12,91666667 A Potencia mínima del Inversor 60 W

1 inversor de 150W

Tabla 3. Cálculo de componentes para el punto de iluminación requerido. Fuente: propia

Teniendo en cuenta los resultados obtenidos en el desarrollo anterior se realizar una comparación básica para analizar la pre-factibilidad de realizar el cambio de luminarias convencionales por luminaria con energía solar fotovoltaica Costos Energía Solar costo KW/h celdas solares Fotocelda para luminaria Brazo Metálico Galvanizado 3/4" Bombilla LED 60W Poste 8 y 10 metros caja baterías de almacenamiento inversor Regulador

Costos Planta Diésel

Costo Energía Convencional

$ $

800.000

12.720

21.000

649.216

206.000

$ $

419.422 200.000

419.422

$ 659.604,00

659.542,00

$ 505.890,00

438.000,00

$6.070.680,00

5.256.000,00

$ 620.000 $ 180.000 $ 180.000 $ 3.082.358

costo KW/h año $ Vida Útil Aprox. 12 años costo Aprox. Energía (KW/h) en 12 años

462

400

No se tiene en cuenta el alza o baja del costo de la energía eléctrica durante el periodo Aprox. de vida útil. Ahorro Aprox. por año.

$ 303.993,83

236.098,67

Tabla 4. Comparativo costos luminaria energía solar vs energía convencional Fuentes: Propia, (Perez, 2014) (Riveros, 2014)

En la tabla No 4 se tiene en cuenta el costo de los elementos básicos para implementar un punto de iluminación pública. Se obtiene un promedio del costo del KW/h de 400$ para la energía convencional y se realiza el cálculo para obtener el costo del KW/h de una planta Diésel de 6KW el valor promedio del KW/h de la planta diésel es 462$. Teniendo en cuenta el costo del KW/h se determina el costo de la energía utilizada x 12 horas diarias en un año. Luego se calcula el ahorro x años que se obtiene al implementar la iluminación pública con energía solar fotovoltaica. (El cálculo se realiza x luminaria) 3.3.3. Ejemplo iluminación Fotovoltaica en Colombia El país hasta ahora está incursionando en el uso de la tecnología Led y los paneles solares en el alumbrado público, pero ya existen ejemplos que van a permitir que se extienda su uso. Uno de ellos es el proyecto fotovoltaico autónomo Off-Grid, que realizó la compañía Alta Ingeniería XXI Ltda., para Autopistas del Café, siendo la primera planta de energía solar de 20 kilovatios (KW) que se haya construido en Colombia, para ofrecerle iluminación autónoma al túnel Santa Rosa vía Dosquebradas (Risaralda). Figura 10. Esta planta de energía solar suministra iluminación autónoma al túnel Santa Rosa vía Dosquebradas (Risaralda).

Fuente: (Higuera, 2013)

“Este es un modelo para Colombia, pues se demostró que con el uso del sol se minimiza el gasto energético y se disminuye la emisión de gases efecto invernadero, siendo de gran beneficio para el medio ambiente”, dice Viviana Niámpira Malagón, del Departamento de Energías Renovables de Alta Ingeniería XXI Ltda. (Higuera, 2013) Allí la firma Col Energy colocó varios postes con tecnología solar e iluminación Led, “que ha representado a la compañía petrolera ahorros económicos importantes en el consumo de energía y un aporte ambiental significativo para el hábitat del área”, dice Andrés Felipe Ramírez, ingeniero Supervisor E&I Equión Proyectos. (Higuera, 2013) ¿Cómo funcionan estos sistemas fotovoltaicos?: Durante el día, el sistema captura la energía solar y cuando llega la noche, las luces se encienden. (Higuera, 2013) Estas cuentan con sensores automáticos que van aumentando la intensidad de la luz a medida que se oscurece. (Higuera, 2013) Lo mismo ocurre en la mañana, cuando sale el sol, los sensores detectan la luminosidad y van apagándose paulatinamente. La autonomía diseñada es de dos días, para tener respaldo en días nublados. (Higuera, 2013)

3.3.4. Ejemplo iluminación Fotovoltaica Internacional Se acaba de inaugurar el primer alumbrado público de la Argentina en base a energía solar.

Figura 11. Primer alumbrado público alimentado a energía solar en Argentina

Fuente: (La Mañana, 2011) La ciudad en la que se instaló este sistema es en el municipio de General Mosconi en la provincia de Salta. En estos barrios los pobladores son en su mayoría aborígenes de la etnia wichi. Esta zona tiene diversas carencias de infraestructura urbana por eso fue una de las elegidas para este proyecto. (La Mañana, 2011) El sistema autónomo fotovoltaico para la iluminación de las calles utilizando como fuente de energía la radiación solar es bastante simple y de fácil mantenimiento. (La Mañana, 2011) Se colocó en cada columna del alumbrado un panel solar, una batería y un controlador de carga para regular la energía acumulada. Este sistema es independiente y autónomo por lo que se enciende solo a la noche y se apaga cuando comienza la claridad del día. (La Mañana, 2011) Este alumbrado público se instaló en sitios consensuados con la comunidad aborigen del barrio dando prioridad a las cercanías de escuelas, templos religiosos y lugares de interés para los pobladores. (La Mañana, 2011) Con esta simple medida se mejorara notablemente la vida de las personas en esta ciudad. (La Mañana, 2011)

Este proyecto fue elaborado por el municipio, apoyado por los ciudadanos y recibió financiamiento del gobierno nacional. (La Mañana, 2011) Es muy importante este tipo de iniciativas debido que brindarles más servicios a poblados pobres ayuda a mejorar la calidad de vida de las personas y a lograr una mayor autosuficiencia en materia energética. (La Mañana, 2011) En municipios con importantes índices de pobreza es importante buscar alternativas económicas pero duraderas a largo plazo, por lo que este es un ejemplo de política pública sustentable ambientalmente y económicamente. (La Mañana, 2011) Las energías renovables son una excelente alternativa para lograr mejoras en pequeños pueblos o ciudades carenciados. Por eso debería ser más utilizados por los estados locales en Argentina ya que es muy incipiente todavía esta tecnología en este país. (La Mañana, 2011)

4. CONCLUSIONES

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El uso y la distribución de la energía eléctrica se constituyen en un indicador de bienestar, seguridad, inclusión social, crecimiento y desarrollo económico de una sociedad determinada. En ese sentido, el servicio de alumbrado público contribuye a mejorar las condiciones de seguridad y confiabilidad de los habitantes de la ciudad.

•

Es pertinente, establecer un criterio unificador que evite el desorden normativo, mediante la implementación de una política pública que busque fortalecer el contexto jurídico, la capacidad administrativa, la participación activa de la comunidad, la implementación de nuevas tecnologías y el sostenimiento ambiental, en la prestación del servicio de alumbrado público.

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Al realizar el cambio de alumbrado convencional por iluminación LED con energía solar se minimiza el costo de mantenimiento y costo de consumo de energía por lo cual en impuesto que se paga por este tipo de servicio puede disminuir.

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Según el análisis de costos en este trabajo se puede concluir que los ahorros de carácter directo pueden alcanzar el 45% al implementar luminarias Led alimentadas con Energía Solar Fotovoltaica.

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La implementación de Energía Solar para el alumbrado público aumenta la confiabilidad de los sistemas públicos de alumbrado y proporcionan más autonomía a las comunidades.

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En Colombia estamos en el tiempo correcto para comenzar a implementar proyectos con energía solar fotovoltaica ya que la ley 1715 apoya el desarrollo de proyectos con energías renovables teniendo en cuenta el estado en el que se encuentra el medio ambiente, el mundo está de acuerdo con todo lo que se pueda realizar para proteger el medio ambiente y mitigar el daño que ha causado la contaminación y la generación de todos los productos que se consumen diariamente.

•

En la actualidad se puede observar que los combustibles fósiles están cada vez más escasos y que son una amenaza para el planeta por lo que cada día se desarrollan nuevas tecnologías que permiten pensar en dejar de lado este tipo de combustibles y usar energías renovables.

•

El proyecto de iluminación pública solar fotovoltaica, suple la necesidad básica de muchas zonas en Colombia donde es bastante costoso colocar energía publica convencional, este desarrollo no sería solo para la zona sino que acarrearía un cambio en la vida de las personas que viven en estas regiones pues les brindaría seguridad, desarrollo social, desarrollo cultural y económico.

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Desde el punto de vista que se pueda observar el implementar un proyecto de iluminación pública en las ZNI de Colombia es una oportunidad de brindar una vida mejor, más seguridad, crecimiento y una oportunidad para el desarrollo de nuestro país además de proteger nuestro ecosistema.

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Con el respaldo que se obtiene de la ley, ya que es una obligación del estado velar por que todo el territorio nacional cuente con los servicios públicos necesarios, este tipo de proyectos pueden ser fácilmente aprobados

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En las ZNI es casi imposible llevar una línea de energía eléctrica convencional ya que la inversión que se debería hacer es muy alta y por la geografía de nuestro país sería una Azaña. Por tal motivo es rentable implementar proyectos de iluminación pública con energía solar.

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El desarrollo de iluminación pública solar fotovoltaica disminuye el riesgo de contaminar nuestro ecosistema con combustibles como el Diésel.

5. Bibliografía

ASOCIACION DE EMPRESAS DE ENERGIAS RENOVABLES. (2009). APPA. Obtenido de http://www.appa.es/09fotovoltaica/09que_es.php ATM SOLAR. (s.f.). ATM SOLAR. Obtenido de http://www.amt-solar.com/index.php/es/fotovoltaica CODENSA. (2010). CODENSA. Obtenido de http://empresas.micodensa.com/BancoConocimiento/R/retilap/retilap.asp COMISION DE REGULACION DE ENERGIA Y GAS. (s.f.). CREG. Obtenido de http://www.creg.gov.co/phocadownload/publicaciones/alumbrado_publico.pdf CONFEDERACION COLOMBIANA DE CONSUMIDORES. (2010). CONFEDERACION COLOMBIANA DE CONSUMIDORES. Obtenido de http://www.ccconsumidores.org.co/index.php?option=com_content&view=article&id=41:art78-y-365-constitucion-politica&catid=19:legislacion&Itemid=126 Gomez, L. M. (2008). REDINED. Obtenido de http://redined.mecd.gob.es/xmlui/bitstream/handle/11162/20248/00620110000002.pdf?seque nce=1. Higuera, J. M. (09 de 06 de 2013). Portafolio . Obtenido de http://www.portafolio.co/economia/elalumbrado-publico-solar-llego-colombia IPSE. (2014). IPSE. Obtenido de http://www.ipse.gov.co/ipse/atencion-ciudadano/preguntas-frecuentesy-respuestas/2-Institucional/3-Qu%C3%A9%20son%20las%20ZNI L. (s.f.). La Mañana. (01 de 05 de 2011). Obtenido de http://www.renovablesverdes.com/primer-alumbradopublico-alimentado-a-energia-solar-en-argentina/ MINISTERIO DE MINAS Y ENERGIA. (2006). Decreto Numero 2424 de Julio 18 de 2006, Artículo 3°. Obtenido de Por el cual se regula la prestación del servicio de : http://www.minminas.gov.co/minminas/kernel/usuario_externo_normatividad/form_consultar _normas_energia.jsp?parametro=43&site=1

MINISTERIO DE MINAS Y ENERGIA, MINISTERIO DE HACIENDA Y CREDITO PUBLICO. (10 de NOVIEMBRE de 1999). ISSUU. Obtenido de http://issuu.com/andrespastrana/docs/estrategia_y_acciones_para_la_energ Neiva, T. C. (2014). Todo Cercas Solar Neiva. Obtenido de http://todocercasolar.blogspot.com/2013/11/todo-cercas-es-una-empresa.html Perez, L. (2014). Formato para presentacion de trabajos de portafolio. Bogotรก, Colombia. Riveros, L. G. (08 de 2014). Curso de profundizacion en energia fotovoltaica. Bogota, Colombia. solar uno. (2014). solar uno. Obtenido de http://www.solaruno.com/index.php?route=information/information&information_id=8 Submitted by admin. (08 de 05 de 2014). COLOMBIA ENERGIA . Obtenido de http://www.colombiaenergia.com/node/348 SUMSOL. (s.f.). SUMSOL. Obtenido de http://www.sumsol.cl/tipos-de-energia-solar/energiafotovoltaica/ Tecnologia y educacion. (30 de 05 de 2012). Tecnologia y educacion. Obtenido de http://www.tecnologiayeducacion.com/%C2%BFque-es-luz-led/ UNIDAD DE PLANEACION MINERO ENERGETICA. (2007). UPME. Obtenido de http://www.upme.gov.co/Docs/Alumbrado_Publico.pdf UNIDAD DE PLANEACION MINERO ENERGETICA. (06 de 06 de 2014). UPME. Obtenido de http://feriadelmedioambiente.com/pdf/memorias/UPME-L1715-renovables.pdf UNIDAD DE PLANEACION MINERO ENERGETICA. (25 de 07 de 2014). UPME. Obtenido de http://www.upme.gov.co/Descargas/2014/jornadaacademica/Ley_1715_Energias_renovables_p roceso_de_reglamentacion_y_analisis.pdf

6. GLOSARIO

ZNI: Zonas no interconectadas SIN: Sistema interconectado Nacional. IPSE: Instituto de planificación y promoción de soluciones Energéticas (para las ZNI.) RETILAP: REGLAMENTO TÉCNICO DE ILUMINACIÓN Y ALUMBRADO PÚBLICO MME: Ministerio de Minas y Energía FNCE: Fuentes no convencionales de energía (nuclear, FNCER) URE: Uso racional de energía FNCER: Fuentes no convencionales de energía Renovable (Eólica, Geotérmica, Solar, Biomasa, PCHs, Mares). E.E.: Eficiencia Energética R.D. Respuesta de la demanda G.E.E Gestión eficiente de la energía I+D: investigación + Desarrollo GD generación Distribuida