Tesis / 0021/I.M. by MAOSABO

USO DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA EN INCUBADORAS AVÍCOLAS

DIEGO ANDRÉS SEPÚLVEDA SEPÚLVEDA

Fundación Universitaria Agraria de Colombia Programa de Ingeniería Mecatrónica Curso de Profundización Agro - energía. Aplicaciones tecnológicas para la energía sostenible en la ruralidad Bogotá, Septiembre 24 de 2014

USO DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA EN INCUBADORAS AVÍCOLAS

DIEGO ANDRÉS SEPÚLVEDA SEPÚLVEDA

Trabajo de Monografía para optar al título de Ingeniero Mecatrónica

Director Monografía Ingeniero Luis Gabriel Becerra

Nota de aceptaci贸n

_________________________________________ _________________________________________ _________________________________________ _________________________________________

Presidente del Jurado _________________________________________

Jurado 1 _________________________________________

Jurado 2 _________________________________________

ÍNDICE GENERAL

AGRADECIMIENTOS

1. OBJETIVOS

1.1.

GENERAL

1.2.

ESPECÍFICOS

2. INTRODUCCIÓN

3. ESTADO DEL ARTE

3.1.

ANÁLISIS DE LA EFICACIA DEL USO DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES EN EL ÁREA RURAL COLOMBIANA

3.2.

ALGUNOS PROYECTOS INSTALADOS EN COLOMBIA

3.3.

ANÁLISIS DE ESTUDIOS ACERCA DEL USO Y EFICACIA DE PANELES SOLARES EN MAQUINARIA DOMESTICA Y/O AVÍCOLA.

3.3.1. INCUBACIÓN

3.3.2. TIPOS DE INCUBADORAS

3.4.

TECNOLOGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

3.4.1. ENERGÍA FOTOVOLTAICA

3.4.2. FUNCIONAMIENTO DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS

3.4.3. COSTOS DE LAS CÉLULAS SOLARES DE SILICIO

3.4.4. PROCEDIMIENTO PARA EJECUCIÓN DE PROYECTO FVAUTÓNOMO

4. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA

5. ANÁLISIS DE LAS DIFERENTES SOLUCIONES

5.1.

IMPLEMENTACIÓN DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

5.1.1. CÁLCULO DE UNA PLANTA FOTOVOLTAICA PARA INCUBADORA

6. CONCLUSIONES

7. BIBLIOGRAFÍA

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Modelo de aprovechamiento de las principales manifestaciones de las energías renovables.

Figura 2. Estado actual de las energías renovables en Colombia.

Figura 3 Valor promedio diario de Radiación Solar Global, promedio.

Figura 4. Convención de Colores para los mapas de Radiación Solar.

Figura 5. Campo solar filtros Partmo.

Figura 6. Campo solar a Instituto Técnico Salesiano Eloy Valenzuela.

Figura 7. SENA campo alegre Huila.

Figura 8. Campo solar TitimateUnguia Choco.

Figura 9. Planta solar en Nazaret Guajira.

Figura 10 Planta fotovoltaica para riego en Capitanejo.

Figura 11. Seguidores solares Localidad. Alta guajira.

Figura 12. Incubadora tipo horizontal.

Figura 13. Incubadora tipo vertical.

Figura 14. Esquema básico de una celda solar convencional de silicio.

Figura 15. Componentes de una planta solar fotovoltaica.

Figura 16. Historial de costos de la energía solar fotovoltaica en paneles solares.

ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Requisitos de incubación para diferentes tipos de aves.

Tabla 2. Necesidades energéticas de una incubadora pequeña.

Tabla 3. Listado de elementos y estimación de valores para alimentar continuamente una incubadora de 207W.

AGRADECIMIENTOS

La presente monografía fue realizada bajo la supervisión del Ingeniero Luis Gabriel Becerra, a quien me gustaría expresar mi más profundo agradecimiento, por transmitir me sus amplios conocimientos. Además, de agradecer su paciencia, tiempo y dedicación que tuvieron para que esto saliera de forma exitosa. Gracias por su apoyo, por ser parte de la columna vertebral de mi monografía. A mis padres, por darme la vida y apoyarme a lo largo de mi crecimiento profesional y como persona. A la Ingeniera Elizabeth Beltrán Roa, por guiarme apoyarme a mí y a mis compañeros durante estos años de formación profesional. A mis amigos por ser parte de mi vida, de mis momentos tristes y alegres, por apoyarme, por nunca dejarme caer, por cada momento vivido dentro y fuera de las aulas de clase, por estar siempre hay.

Por ultimo pero no menos importante a la UNIVERSIDAD AGRARIA DE COLOMBIA, a mis maestros y directivas, por brindarme la oportunidad de crecer y formarme como un gran profesional y una gran persona.

1. OBJETIVOS

1.1. GENERAL. Estudiar la viabilidad del uso de las energías renovables para llegar a mitigar o eliminar la contaminación provocada por la obtención de energía eléctrica de manera convencional para el uso en el sector avícola.

1.2. ESPECÍFICOS



Analizar la eficacia del uso de las energías renovables en el área rural colombiana.



Analizar estudios acerca del uso y eficacia de paneles solares en maquinaria domestica y/o avícola.



Analizar los impactos positivos y negativos que puedan llegar a generar el uso de energías renovables a pequeñas industrias del área avícolas.

2. INTRODUCCIÓN Desde tiempos muy remotos, las incubadoras de aves se han utilizado para dar vida a pollos de engorde o postura, remplazando a la gallina en su proceso natural de incubación manteniendo unas condiciones ambientales controladas. Como la mayoría de procesos industriales y avícolas es necesaria la utilización de fuentes de energía convencionales. Suele conocerse la electricidad como un importante elemento de desarrollo y la principal fuente de energía en la actualidad pero de su forma de obtención depende los impactos ambientales que el uso de esta pueda llegar a generar. Nuestro planeta cada vez se encuentra más deteriorado a causa del hombre y su estilo de vida, la necesidad de cambiar las formas tradicionales de producción de energía es cada vez más latente y además es vital empezar a utilizar fuentes de energía renovables y sobre todo limpias, las celdas fotovoltaicas son sólo una de las muchas soluciones que deben implementarse y son una mínima parte del cambio, cambio que debe ser alimentado y complementado por otros medios de ahorro como focos ahorradores, electrodomésticos de bajo consumo de energía, y sobre todo, lo más importante por la conciencia humana. La obtención de energía alternativa es una solución muy práctica y el fin de la empresa puede no ser específicamente su obtención, sino más bien una aplicación de la misma en cualquier ámbito. Sea cual fuere la elección del empresario seguirá siendo una idea y un proyecto rentable. Es necesario hacer conciencia del uso de energías alternativas y que puedan llegar a ser accesibles en cualquier tipo de condición geográfica donde se necesite, debido a esto una solución económicamente viable y rentable puede llegar a ser la implementación de energía solar fotovoltaica para dicho proceso de incubación . La presente monografía pretende mostrar el contexto de la viabilidad del uso de las energía solar fotovoltaica en el proceso de incubación avícola, abarcando las generalidades del proceso, especificaciones técnicas de los elementos planteados a usar y las soluciones plateadas, el marco legal del país, la situación del mercado internacional y del mercado nacional, el sistema de producción utilizado en nuestro país y los resultados económicos que pueden lograrse. Para analizar los puntos mencionados se analizaron los datos estadísticos disponibles. Sin embargo, el lector podrá apreciar desde una perspectiva más práctica la realidad del proceso de incubación avícola y el uso de la energía solar en

Colombia. Se analizan las perspectivas y los factores clave para lograr el desarrollo del tema (CASTRO, 2014). 3. ESTADO DEL ARTE Las energías renovables siempre han sido un desafío con respecto a la promoción y desarrollo a nivel nacional y regional. Con el pasar de los años se han visto diferentes reacciones con en nuestro planeta a causa de la contaminación que se ha venido presentando como parte de la solución a esta contaminación nace el nombre de energías renovables, con el fin de limitar dicha contaminación. Estudios realizados demuestran que el 78% de las economías del mundo presentan una gran contaminación liberando en la atmosfera una gran cantidad de gases de efecto invernadero: NOx, SOx, CH4 y en especial el dióxido de carbono (CO 2) (Londoño & Pimiento, 2014). Proyectos a futuro tienen como visión lograr un 100% en energías renovables para el año 2050. Como recomendaciones se plantea aprovechar todas las formas y manifestaciones de las diferentes energías renovables disponibles a corto plazo. En la figura 1.Se muestra este abanico de posibilidades según la Unión Europea. Se aprecian básicamente tres tipos de manifestaciones de la Energía Solar:  Radiación Solar Directa: Es la utilización del espectro electromagnético solar para transformarlo en energía térmica. Se conocen aplicaciones principalmente en Arquitectura Bioclimática, cocinas solares, calentadores de agua, calefacción de ambientes. En el caso de transformación en Energía eléctrica mediante el efecto fotovoltaico las aplicaciones son enormes: iluminación, bombeo de agua, comunicaciones, agroindustria, computadores, congeladores, neveras, equipos de sonido, grabadoras TV, microondas, instrumentación, etc.  Radiación Solar Indirecta: Básicamente se utiliza la energía del viento (Eólica) y la Energía de las caídas de agua (Hidráulicas): Se conocen la Energía Hidráulica Renovable que incluye desde las Pico centrales, Micro centrales, Mini centrales hasta los 10MW, pues las mayores que este valor no se consideran renovables por su gran impacto en los ecosistemas acuáticos, terrestres y por generar indirectamente Gases de Efecto invernadero en forma apreciable.  Finalmente también se puede aprovechar la energía solar en forma acumulada mediante las tres fases de la Biomasa: a) Sólida: Tales como Pellets de comprimidos orgánicos de residuos sólidos vegetales o animales. b) Líquida: Se utilizan actualmente el Bioetanol derivado de la caña de azúcar o cultivos que generen alcoholes por fermentación. También está muy extendido el uso de combustibles derivados de plantas oleaginosas tales como la Palma, la 9

Higuerilla, la Raps, etc. c) Gaseosa: Se produce por metanización de la materia orgánica cuando las bacterias especializadas hacen el trabajo de descomponer las cadenas de Carbono en Unidades de gas Metano CH 4 en condiciones de humedad, PH y Temperaturas adecuadas. En estas tres formas la biomasa puede brindar todo su potencial energético con la gran ventaja de que en todos los casos el aporte de CO2 a la atmósfera durante su combustión es siempre “Cero CO2” pues retorna todo el que el organismo vivo ha capturado directa o indirectamente durante todo su periodo de vida (CCEE & Uniagraria, 2014).

ENERGÍA SOLAR

RADIACIÓN DIRECTA

Arquitect. Solar

Transmisión Retención

Cocina Solar

Colector Solar

Absorción

Energía Térmica

Durante el verano

ACUMULADA

INDIRECTA

Módulos Solares

Energía Eólica

Fotovoltaica

Energía Hidráulica

Conversión

Biomasa Sólida

Biomasa Líquida (Biodiesel y alcohol carburante)

Biogas

Carbonización+Fermentación Combustión Energía Eléctrica y Térmica

Energía Eléctrica

Todo el año

Durante la noche y en el Invierno

MODELO DE TRANSFORMACIÓN ENERGÉTICA QUE SUPLE TODAS LAS FUENTES NO RENOVABLES Figura 1. Modelo de aprovechamiento de las principales manifestaciones de las energías renovables. Fuente: Módulo Energía Solar Fotovoltaica UNIAGRARIA.

3.1. ANÁLISIS DE LA EFICACIA DEL USO DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES EN EL ÁREA RURAL COLOMBIANA En la figura 2.Se muestra el estado del arte de las energías renovables en Colombia. En este caso la mayor representatividad se encuentra en las pequeñas centrales hidroeléctricas que han sido instaladas pues la energía solar fotovoltaica es insignificante y se presume que aún no llega a 10MW (UPME, 2014).

LOGROS NACIONALES EN INSTALACIÓN DE ENERGÍAS RENOVABLES 2010 14 12 10 8 6 4 2 0

13,5 GW

0,12GW

CAPACIDAD NACIONAL CAPACIDAD INSTALADA RENOVABLE INSTALADA

CAPACIDAD NACIONAL INSTALADA CAPACIDAD RENOVABLE INSTALADA

Figura 2. Estado actual de las energías renovables en Colombia Fuente: UPME - Proyectos solares inteligentes

Los datos del recurso solar para cada municipio se obtienen a partir del Atlas de Radiación Solar de Colombia (2005), dicho atlas contiene mapas que representan la distribución espacial de la disponibilidad del recurso energético solar en Colombia; mapas de valor promedio diario de radiación solar global, brillo y radiación ultravioleta que incide sobre una superficie plana de un metro cuadrado. El mapa proporciona los valores en KWh/m2.día en forma plurianual de tal manera que se promedia cada mes y luego se obtienen los promedios acumulados de todos los meses. (Figura 3)

Figura 3 Valor promedio diario de Radiación Solar Global, promedio Fuente: Atlas de Radiación Solar 2005 (UPME, IDEAM, 2005).

Se determina el valor de la radiación en esa zona. Para ello, se tienen en cuenta que los rangos de intensidad de radiación solar están referidos mediante una convención de colores; cada color determina la radiación solar de la zona con una precisión de 0,5 kWh/ . (Figura 4)

Figura 4. Convención de Colores para los mapas de Radiación Solar. Fuente: Atlas de Radiación Solar 2005 (UPME, IDEAM, 2005).

En Colombia, la implementación de las energías renovables como solución de problemas energéticos aún están en estado incipiente. Sin embargo se han hecho algunos trabajos exitosos, tales como los que se mencionan a continuación (UPME, 2014): 3.2. ALGUNOS PROYECTOS INSTALADOS EN COLOMBIA. Proyecto energía solar de 30 KW en la ciudad de Bucaramanga. En empresa filtros Partmo con paneles solares de silicio amorfo (Figura 5)

Figura 5. Campo solar filtros Partmo. Fuente: Proyectos Solares Inteligentes

Proyecto energía solar 1KW en el Instituto Técnico Salesiano Eloy Valenzuela Bucaramanga. (Figura 6).

Figura 6. Campo solar a Instituto Técnico Salesiano Eloy Valenzuela. Fuente: Proyectos Solares Inteligentes

Proyecto piloto planta solar de 3.5 KW En SENA la Angostura Huila. Sistema alternante, que permite funcionar completamente desconectado de la red, y permite que la red energice la edificación en caso de pérdida de potencia Componentes. (Figura 7)

Figura 7. SENA campo alegre Huila. Fuente: Proyectos Solares Inteligentes.

Generación con sistema hibrido solar diésel: Localidad: TitimateUnguia Choco Incluye: Estudios de demanda, Instalación del sistema de generación Fotovoltaica, diseño y construcción de redes de baja tensión, acometidas y luminarias ahorradoras Fecha de inicio: Junio de 2008 (Figura 8)

Figura 8. Campo solar TitimateUnguia Choco Fuete: IPSE.

En 1998 se habían instalado aproximadamente 60.000 y sistemas mayores empleados en estaciones satelitales terrenas de aproximadamente de 3 KWp, o la central solar de primavera Vichada con 2.7 KWp, también se reportan sistemas híbridos fotovoltaicos diésel como el del hospital de Nazaret en la guajira con 7kWp. En Nazaret Guajira. Sistema de poligeneración conformado por 2 aerogeneradores monopalicos de 100 KW cada uno, un sistema de seguidores solares fotovoltaicos de 150 kW (Figura 9) (hybrytec, 2014).

Figura 9. Planta solar en Nazaret Guajira Fuente: Hibrytec

En Capitanejo Santander existe una planta solar fotovoltaica para riego. Potencia: 1.4 KWp Bombeo 35.000 l /día Con una cabeza de40m Distancia: 340 m

El sistema cuenta con una potencia instalada de 1,48 KWp, la cual es capaz de bombear 35.000 litros de agua al día con una cabeza de 40m (Figura 10)

Figura 10 Planta fotovoltaica para riego en Capitanejo Fuente: IPSE

Implementación de seguidores solares en la localidad de la Alta Guajira, Isla Fuerte. Incluye: Implementación de seguidores solares, con evaluación del comportamiento en instalaciones aisladas y conectadas a la red. Fecha de inicio: Enero de 2009. (Figura 11)

Figura 11. Seguidores solares Localidad. Alta guajira Fuente: IPSE, Utilización de alumbrado público fotovoltaico y luminarias tipo Leds.

Otros Proyecto de energía solar fotovoltaica de 104,4 kW en Nestlé, Dosquebradas (Risaralda). Proyecto de 52,2 kW para subestaciones en empresa de energía local. Proyecto de energía solar fotovoltaica de 33.1 kW para G4S.

3.3. ANÁLISIS DE ESTUDIOS ACERCA DEL USO Y EFICACIA DE PANELES SOLARES EN MAQUINARIA DOMESTICA Y/O AVÍCOLA. 3.3.1. INCUBACIÓN La incubación es el acto por el que los animales ovíparos (sobre todo las aves) empollan o incuban los huevos sentándose sobre ellos para mantenerlos calientes y así se puedan desarrollar los embriones. En la mayoría de las especies de aves, la temperatura necesaria para la incubación se produce por el calor corporal del progenitor empollador, aunque algunos grupos, especialmente los megápodos, usan el calor geológico o el generado por la materia vegetal en putrefacción, ya que ésta al transformarse en abono produce la temperatura suficiente como para incubar los huevos, mientras que otros, como la cigüeñuela cangrejera, utilizan parcialmente el calor del sol. Las gansas namaqua de los desiertos del sur de África necesitan enfriar sus huevos durante el momento más caluroso del día, colocando sus alas sobre ellos para sombrearlos. La humedad también es crítica, y si el aire es demasiado seco el huevo podría perder demasiada agua, lo que puede poner en peligro o incluso impedir que se produzca la eclosión. La incubación puede ser: natural o artificial (industrial). Los huevos son trasladados a la planta de incubación. Previo al incubado, pasan por una sala de clasificación. Por lo general los huevos destinados a la producción de carne son seleccionados en el galpón. Las características por las cuales se hace una selección a huevos de incubar son: • Tamaño, donde el ideal va desde 52 a 58 g. • Sanos, hay que evitar los que tengan rupturas o fisuras (éstas últimas sólo se observan a la ovoscopía). • Color, se descartan los huevos que han perdido coloración (por Bronquitis infecciosa). La incubación natural es la que realizan las aves en el nido durante los 21 días en el caso de la gallina y lo hace en un nido en forma de plato donde ubican los huevos en forma horizontal u oblicua, la gallina tiene una temperatura de 40.5º C y además las gallinas se sacan las plumas del pecho proporcionando así una temperatura al centro del huevo de 37.8º C, y a su vez cuando se levanta para comer mueve el huevo, con movimientos de volteo, con esto logra una ventilación y no permite que se adhieran las membranas embrionarias.

Todos estos requerimientos son los que tomamos en cuenta para reproducir una incubación artificial (M., 2014). La Incubación Artificial: es una industria en la cual existe un insumo que es el huevo fértil, un proceso que es la incubación, y un producto que el pollito bebé. El proceso tiene que ser eficiente para que sea productivo y económico, hay que conocer las técnicas, debe haber higiene y buena sanidad.

Requisitos Físicos para una Incubación 



 

Temperatura: Es de 37.8 º C, esta temperatura es la que debe tener el centro del huevo y es la que se determina en las incubadoras de tipo vertical. En las incubadoras de tipo horizontal, la temperatura se hace a 5 cm del huevo y es de 39.5º C. Estas temperaturas se aportan durante los primeros 18 días de incubación, y los últimos 3 días, que es el período de nacimiento, se disminuye un grado, debido a que los huevos durante el proceso de incubación van desprendiendo calor, y ya en el 2º tercio de la incubación, se eleva la temperatura debido al desprendimiento de calor por el huevo. Humedad: En cuanto a la necesidad de humedad relativa (que es la humedad a saturación en el aire del ambiente de la incubadora), se va a medir por la diferencia entre un punto húmedo y un punto seco del termómetro, que es el psicrómetro, y el aporte de los primeros 18 días va a ser del 60%, y en los últimos 3 días será del 70%. Volteos: Pueden ser a intervalos de ¼ de hora a 4 horas como máximo. Ventilación: Que aporte el 21% de O2 y 0.5% de CO2, la posición del huevo es con el polo más ancho hacia arriba.

Incubadoras: El tamaño y tipo de la incubadora seleccionada depende de las necesidades y de los planes futuros de cada productor. Hay muchos modelos disponibles que son diferentes. Para ajustes continuos, se recomiendan unidades separadas de incubadora y nacedora. Si todos los huevos en la unidad están en la misma etapa de incubación, se puede utilizar una sola unidad. Ubicar las unidades de incubadora y nacedora en el interior para protegerlas de cambios climáticos fuertes. Es fundamental que la habitación tenga un buen sistema de ventilación para suministrar suficiente aire fresco. Mantener las unidades en el interior hace más fácil mantener uniforme la humedad y la temperatura (Veterinaria.org, 2014).

3.3.2. TIPOS DE INCUBADORAS Horizontal: Para la industria ya ha pasado a la historia, fueron las primeras, Actualmente sólo se usan en explotaciones familiares o experimentales. Son de pequeña capacidad, van de 50 a 500 huevos, los huevos se colocan en forma horizontal. La Ventilación es estática, se produce por el calentamiento del aire que sube cuando se calienta y que sale cuando se enfría, y por lo tanto no es uniforme. La Humedad se proporciona colocando bandejas con agua o fieltros con agua. Temperatura, se toma a unos 5 cm del huevo, se coloca el bulbo y se mide la temperatura más alta que es de 37.8º C. Los Volteos son manuales, esto es una gran diferencia con las otras incubadoras, y se hace cada 4 horas. La fuente de Calor puede ser eléctrica o a kerosene. Otra diferencia es que no hay separación entre la fase de incubación y la de nacimiento, se produce todo en el mismo lugar. Esta separación es de gran importancia desde el punto de vista higiénico y sanitario, ya que durante el nacimiento se produce la eclosión y hay gran cantidad de polvillo, microorganismos, en ese momento no se puede hacer una limpieza y desinfección total de la máquina (Veterinaria.org, 2014).

Figura 12. Incubadora tipo horizontal Fuente: Plantamus, Incubadoras horizontales.

Vertical: Casi todas las incubadoras actuales son verticales, en Uruguay son las que se usan industrialmente, ocupan poco espacio y tienen gran capacidad, que puede variar entre 10.000 a 300.000 huevos, son armarios de 3 ´ 3.5 ´ 3 m, entran en espacios de 4 ´ 4 m.

Figura 13. Incubadora tipo vertical Fuente: veterinaria.org, Tipos de incubadoras.

Internamente consisten en una serie de bandejas unidas por una varilla dentada, en las bandejas se colocan los huevos con el polo mayor hacia arriba. La capacidad del sector de incubación es el doble de la del sector de nacimiento, son bandejas móviles unidas por las varillas dentadas que determinan movimientos totales de 90º, o sea 45º sobre la horizontal, con volteos cada 30 minutos. Período crítico del desarrollo embrionario: Hay dos períodos: Entre el 3º y 5º día, cuando se inicia el sistema de vasos sanguíneos y se realiza un cambio de dieta de una alimentación carbohidratada a una de base lipídica y proteica. Del día 18º al 21º se produce el pasaje de la respiración corioalantoidea a la respiración pulmonar. A los 18 o 19 días pica la cámara de aire, y a los 21 días pica la cáscara para el nacimiento (Veterinaria.org, 2014).

El cuadro a continuación enumera los requisitos de incubación para diferentes especies de aves.

Tabla 1. Requisitos de incubación para diferentes tipos de aves

Especie

Abrir No Periodo Humedad más Temp Humedad voltear incubación últimos la ° F1 ° F2 después 2 días 3 días entrada de de aire

Pollo

100

85-87

día 18

Pavo

84-86

día 25

Pato

100

85-86

día 25

Pato 35-37 Muscovy

100

85-86

día 31

día 30

Ganso

28-34

86-88

día 25

Gallinita de Guinea

100

85-87

día 25

día 24

Faisán

23-28

100

86-88

día 21

día 20

Pavo Real

28-30

84-86

día 25

Codorniz 23-24 Bobwhite

100

84-87

día 20

Codorniz 17 Común

100

85-86

día 15

día 14

Perdiz Chukar

100

81-83

día 20

Urogallo 25

100

83-87

día 22

día 21

Paloma

100

85-87

día 15

día 14

23-24

El sector avícola ha sido uno de los sectores más dinámicos de la agricultura colombiana en los últimas dos décadas. Adicionalmente, existe un potencial de crecimiento para el sector derivado, tanto de las posibilidades de expansión en el mercado interno, como del resultante de la apertura de nuevos mercados en el exterior y de los avances logrados en materia de productividad (Veterinaria.org, 2014). 21

3.4. TECNOLOGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA 3.4.1. ENERGÍA FOTOVOLTAICA Es la energía que se obtiene del sol, a partir de células fotovoltaicas, convirtiéndose en energía eléctrica. La energía se acumula en baterías solares; aplicaciones: vivienda aislada, telecomunicaciones, bombas solares, mobiliario urbano, camping, barcos,... Conectada a la red: La energía previamente ondulada se vende a la compañía eléctrica con una prima superior a su coste, de acuerdo con los programas de fomento y la legislación actual. Algunos productos: paneles fotovoltaicos, controladores, productos para alumbrado y bombeo, sistemas estándar de gestión y monitoreo de instalaciones fotovoltaicas, y complementos para cubrir diferentes tipos de instalación Paneles Fotovoltaicos: Los paneles solares están construidos con una especie de célula que captan la luz para luego convertirla en energía eléctrica. A estas células se les denomina también celdas fotovoltaicas y utilizan el efecto fotovoltaico para absorber la luz solar y transformarla en electricidad. La corriente fluye entre las capas de la celda que poseen cargas opuestas. La eficiencia de conversión de los paneles fotovoltaicos se puede considerar aún muy baja, pues varía entre un 16% y un 30% de efectividad. Los paneles fotovoltaicos comúnmente utilizados en las viviendas o parques son generalmente de baja eficiencia debido al coste de fabricación de los mismos. La tecnología solar ha evolucionado mucho en los últimos años. El descubrimiento de nuevos materiales semiconductores puede elevar los estándares de calidad en el futuro, junto con el descenso de los precios (CCEE & Uniagraria, 2014). 3.4.2. FUNCIONAMIENTO DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS Algunos de los fotones, que provienen de la radiación solar, impactan sobre la primera superficie del panel, penetrando en este y siendo absorbidos por materiales semiconductores, tales como el silicio o el arseniuro de galio. Los electrones, partículas subatómicas que forman parte del exterior de los átomos, y que se alojan en orbitales de energía cuantizada, son golpeados por los fotones (interaccionan) liberándose de los átomos a los que estaban originalmente confinados. 22

Esto les permite, posteriormente, circular a través del material y producir electricidad. Las cargas positivas complementarias que se crean en los átomos que pierden los electrones, (parecidas a burbujas de carga positiva) se denominan huecos y fluyen en el sentido opuesto al de los electrones, en el panel solar. Se ha de comentar que, así como el flujo de electrones corresponde a cargas reales, es decir, cargas que están asociadas a desplazamiento real de masa, los huecos, en realidad, son cargas que se pueden considerar virtuales puesto que no implican desplazamiento de masa real. En la figura 14 Se muestra el esquema de una celda solar convencional de silicio compuesta de, al menos, dos delgadas láminas de silicio. Una dopada con elementos con menos electrones de valencia que el silicio, denominada P y otra con elementos con más electrones que los átomos de silicio, denominada N.

Aquellos fotones procedentes de la fuente luminosa, que presentan energía adecuada, inciden sobre la superficie de la capa N, y al interactuar con el material liberan electrones de los átomos de silicio los cuales, en movimiento, atraviesan la capa de semiconductor, pero no pueden volver. La capa N adquiere una diferencia de potencial respecto a la P. Si se conectan unos conductores eléctricos a ambas capas y estos, a su vez, se unen a un dispositivo o elemento eléctrico consumidor de energía que, usualmente y de forma genérica se denomina carga, se iniciará una corriente eléctrica continua (CCEE & Uniagraria, 2014).

ESQUEMA BÁSICO DE UNA CELDA CONVENCIONAL RAYOS SOLARES

REJILLA COLECTORA CÁTODO

ANTIRREFLECTIVO TRANSPARENTE

CAPA N

CAPA P SUSTRATO

Figura 14. Esquema básico de una celda solar convencional de silicio Fuente: Proyectos Solares Inteligentes

Factores De Eficiencia De Una Célula Solar: Punto de máxima potencia: Una placa o célula solar puede operar en un amplio rango de voltajes e intensidades de corriente. Esto puede lograrse variando la resistencia de la carga, en el circuito eléctrico, por una parte, y por la otra variando la impedancia de la célula desde el valor cero (valor de cortocircuito) a valores muy altos (circuito abierto) y se puede determinar el punto de potencia máxima teórica, es decir, el punto que maximiza V y tiempo frente a I, o lo que es lo mismo, la carga para la cual la célula puede entregar la máxima potencia eléctrica para un determinado nivel de radiación. El punto de potencia máxima de un dispositivo fotovoltaico varía con la iluminación incidente. Para sistemas bastante grandes se puede justificar un incremento en el precio con la inclusión de dispositivos que midan la potencia instantánea por medida continua del voltaje y la intensidad de corriente (y de ahí la potencia transferida), y usar esta información para ajustar, de manera dinámica, y en tiempo real, la carga para que se transfiera, siempre, la máxima potencia posible, a pesar de las variaciones de luz, que se produzcan durante el día. Los módulos fotovoltaicos están compuestos por multitud de celdas solares conectadas en arreglos serie, paralelo o mixtos. Este tipo de paneles producen electricidad en corriente continua y aunque su efectividad depende tanto de su orientación hacia el sol como de su inclinación con respecto a la horizontal, se suelen montar instalaciones de paneles con orientación e inclinación fija, por ahorros en mantenimiento. Tanto la inclinación como la orientación, al sur, se fija dependiendo de la latitud y tratando de optimizarla al máximo usando las recomendaciones de la norma ISO correspondiente. En la figura 15.Se muestra la configuración básica de una planta solar fotovoltaica básica (CCEE & Uniagraria, 2014).

Figura 15. Componentes de una planta solar fotovoltaica Fuente: Módulo Energía Solar Fotovoltaica UNIAGRARIA.

Funciones Electrónicas Del Regulador Solar •

Limitante: Evita que la batería se sobrecargue por encima del voltaje de gasificación. • Limitante de carga: Evita que la batería se baje del voltaje mínimo de descarga cortando el suministro hacia la carga. • Protección: Protege el sistema en caso de Corto-circuitos. • Direccionamiento de corriente: Evita que la batería se descargue a través de los módulos durante la noche. • Testeo permanente: Proporciona información del estado de la batería, del estado de los módulos y del tipo de batería. • Descarga preventiva: Cada 15 días realiza automáticamente una extracción de corriente de la batería para evitar el daño por desuso. • Optimización del tiempo de carga: Transforma internamente la onda DC de los módulos solares a onda diente de sierra pulsante a una frecuencia de 1 KHz con el fin de cargar la batería en el menor tiempo posible. Funciones Electrónicas Del Acumulador • Almacenar la energía • Estabilizar la corriente del campo FV. • Estabilizar la resistencia interna de la planta solar. • Estabilizar los niveles de voltaje del campo FV. Funciones Electrónicas del Inversor:



Transformar y elevar la corriente continua a corriente alterna similar o idéntica a la de la red eléctrica.

3.4.3. COSTOS DE LAS CÉLULAS SOLARES DE SILICIO El coste de las células solares de silicio cristalino ha descendido desde 76,67 $/Wp en 1977 hasta aproximadamente 0,36 U$/Wp en 2014.7 8 Esta tendencia sigue la llamada "ley de Swanson", una predicción similar a la conocida Ley de Moore, que establece que los precios de los módulos solares descienden un 20% cada vez que se duplica la capacidad de la industria fotovoltaica (Finance, 2014).

Figura 16. Historial de costos de la energía solar fotovoltaica en paneles solares. Fuente: Bloomberg, New Energy finance.

3.4.4. PROCEDIMIENTO PARA EJECUCIÓN DE PROYECTO FVAUTÓNOMO 1. Recogida y análisis de documentación y datos de interés técnico y del lugar. 2. Cálculo y diseño de la instalación fv. 3. Elaboración de titular de fv. 4. Asesoramiento técnico del proyecto al titular de sobre el procedimiento del proyecto. 26

5. Elaboración de del proyecto y del resto de la documentación. 6. Solicitud de subvenciones a los programas de apoyo vigentes 7. Suministro de componentes y materiales. 8. Montaje del generador solar fotovoltaico. 9. Montaje del resto de componentes: acumulador, regulador, inversor, y las protecciones tanto en cc como en ca. 10. Montaje y puesta en marcha (pruebas) del sistema solar fv 11. Comprobación del generador solar fotovoltaico. 12. Comprobación del funcionamiento de la instalación 13. Asesoramiento técnico del proyecto al titular sobre el funcionamiento de la instalación solar. 14. Entrega del manual de uso y mantenimiento. 15. Entrega de la instalación provisional. 16. Entrega de (15 días después de). 17. Control de seguimiento.

4. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA En una sociedad donde la mayoría de proyectos y uso de maquinaria implican directa o indirectamente contaminación para el medio ambiente por el uso de energías no renovables o no limpias es necesario la implementación de fuentes de energías alternativas o renovables un ejemplo claro de ello en nuestra ruralidad colombiana es el uso de las incubadoras avícolas convencionales que necesariamente requieren el uso de energía eléctrica que es convertida en calor de una forma ineficiente implicando grandes costos en el consumo de la energía (Spiegel & Maystre, 2014). Primer problema a solucionar: La continuidad en el servicio de energía eléctrica en la Red, pues un corte de energía puede ser fatal para el proceso de incubación y las pérdidas son enormes. Por lo tanto se requiere una planta de respaldo durante estos cortes de energía. En Colombia se utilizan plantas auxiliares de gas, gasolina o ACPM pero el costo del combustible y el mantenimiento es muy costoso. Además, en estos tipos de apoyo si no se tienen instalaciones adecuadas se producen infiltración de gases de combustión a los embriones lo que produce costosas pérdidas y baja en la calidad del producto (Veterinaria.org, 2014). Segundo problema a solucionar: En muchas regiones del país no se pueden implementar incubadoras por la falta de interconexión de Redes eléctricas accesibles y los productores de aves se ven obligados a desplazarse a zonas urbanas ha sobrepoblar centros urbanos y a competir en condiciones desfavorables. Por lo tanto es 27

necesario implementar soluciones energéticas sustentables para los productores rurales quienes son el motor del desarrollo del país. Con la implementación de las nuevas tecnologías en el uso de energías renovables que puede llegar a beneficiar al sector rural de Colombia incluso el uso de dichas energías para el uso doméstico e industrial en las zonas no interconectadas. La industria avícola colombiana necesariamente depende de la energía eléctrica para llevar a cabo sus procesos de producción pero no en toda la geografía colombiana se tiene acceso a una red eléctrica es necesario una fuente de energía de fácil acceso y que satisfaga las necesidades de consumo de los equipos que se necesiten, el proceso que más dependencia tiene de la energía eléctrica constante es la incubación de huevos. Debido a que se requiere gran cantidad de energía térmica mantener las condiciones de temperatura de una incubadora las inversiones iniciales en equipos solares puede ser inicialmente alta, sin embargo, el retorno de esta inversión se ve Recompensado por el inmenso beneficio de confiabilidad ahorro y disponibilidad de la planta solar (CCEE & Uniagraria, 2014). 5. ANÁLISIS DE LAS DIFERENTES SOLUCIONES 5.1. IMPLEMENTACIÓN DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA La industria avícola que generalmente se encuentran ubicadas en lugares de poco acceso energético y con la necesidad de consumo para sus equipos de producción es necesaria la implementación de nuevos métodos de obtención de energía de una fuente confiable e inagotable como lo es el sol La energía obtenida del sol es la más limpia e inagotable hasta ahora utilizada, esta energía puede ser transformada por paneles foto voltaicos en energía eléctrica para ser utilizada en el proceso de incubación de huevos este proceso requiere una constante fuente de energía eléctrica y de ser obtenida del sol mitigara impactos ambientales y generara un gran ahorro monetario para el productor avícola. La implementación de dicha energía necesitara una inversión inicial pero con el ahorro que generara mensualmente llegara a recuperar la inversión inicial y podrá volverse energéticamente autosuficiente de esta forma podrá llevar a cabo su producción de pollos. De acuerdo a las necesidades requeridas por el productor se puede llegar a implementar este mismo sistema fotovoltaico para los procesos que se requiera, este

sistema desde su etapa de diseño de la planta solar puede llegar a adaptarse a casi cualquier sistema que necesite energía eléctrica 5.1.1. CÁLCULO DE UNA PLANTA FOTOVOLTAICA PARA INCUBADORA: En este caso se requiere conocer la potencia de los componentes de la incubadora. En la tabla 2 Se enlistan las necesidades energéticas de una incubadora pequeña (Cuadro de cargas). Tabla 2. Necesidades energéticas de una incubadora pequeña CAN T

POTENC IA EN WATTS/

HORAS DIURNA S DE USO

HORAS NOCTUR NAS DE USO

ENERGÍA DIURNA EN Whr

ENERGÍA NOCTUR NA EN Whr

TOTAL ENERGÍA EN Whr

200

2400

4800

Sistema de volteo automático

Humectadores

120

Circuitos de control electrónico

2484

4968

TIPO DE CARGA

Calef actores o bombillos de incubadora

TOTAL

POTEN CIA EN W

207

Parámetros de diseño: Energía Total = 4968Whr Energía Diurna = 2484Whr Energía Nocturna = 2484Whr Factor de Autonomía = 2484Wh/4968Wh=0.5 Factor de irradiación solar de área (Mesa de los Santos Santander) = 5.2hr Eficiencia típica de la planta solar = 85% Factor de descarga de las baterías = 30% Cálculo de componentes: Potencia Fotovoltaica requerida = 4968Whr/(5.2hr)/0.85= 1124Wp (Esta es la potencia MÁXIMA que debe ser instalada) (5 Módulos de 230 Wp/24VDC) Corriente de acumuladores monoblock = 2484/12V/0.3= 690Ah

Nº de baterías Monoblock = 4 baterías de 12V/200AH c/u. Arreglos de 2 en serie x 2 paralelos Corriente de entrada del regulador = (230x5/24) = 47.9A Corriente de salida del regulador hacia la carga DC. = (207W/24V) = 8.62A Tabla 3. Listado de elementos y estimación de valores para alimentar continuamente una incubadora de 207W.

LISTADO Y VALORES ESTIMADOS DE CADA COMPONENTE DE LA PLANTA SOLAR PARA INCUBADORA V/UNIT. A TODO COSTO

ÍTEM

DESCRIPCIÓN

UNIDAD

CANTIDAD

Módulo Solar de 230W/24VDC

$ 860.000,00

$ 4.300.000,00

Regulador de 24VDC/10A

$ 120.000,00

Batería Solar Monoblock 12VDC/200Ah

$ 1.200.000,00

$ 4.800.000,00

Cableado, estructuras metálicas de anclaje y accesorios a todo costo

Gbl

$ 160.000,00

TOTAL

V/PARCIAL

$ 9.380.000,00

En la tabla 3 Se muestra un listado de elementos con los valores comerciales actuales estimados para proporcionar una solución energética de una pequeña incubadora para sector rural. Se aprecia que el costo no sobrepasa los $10’000.000.oo lo cual está dentro de las posibilidades de un apoyo gubernamental o privado con los productores de aves. En otros casos, estas planta solares pueden proporcionar un respaldo para el caso de cortes de energía en zonas interconectadas incluso con menor costo debido a que los tiempos de autonomía son menores de 24 horas.

6. CONCLUSIONES

Tomando en consideración la solución planteada y los objetivos de la investigación se concluye que es viable la implementación de energías renovables para el uso del sector avícola y sobre todo el uso de energía solar fotovoltaica en incubadoras para uso avícola para llevar a cabo la producción de aves de engorde o ponedoras. Además, gracias al análisis e interpretación de las investigaciones y estadísticas mencionadas en el cuerpo del documento fue posible llegar a conclusiones relevantes y pertinentes que se especifican a continuación: 

En principio se puede decir que es viable el uso de energías renovables en el sector avícola de Colombia.



Se puede dar certeza que es posible y factible utilizar la energía solar fotovoltaica en incubadoras de uso avícola.



Además podemos observar que la energía solar fotovoltaica puede llegar a implementarse en procesos de la industria avícola a parte de la incubación como en nacedoras e iluminación doméstica.



Las fuentes consultadas dan una gran aprobación a la incubación artificial ya que gracias a los ambientes controlados es muy similar a la incubación natural.



La gran productividad que genera la implementación de incubadoras con energía solar fotovoltaica nos garantiza que el retorno de la inversión inicial se dará de forma rápida y generara ingresos adicionales.



De acuerdo al ejemplo de dimensionamiento de una planta solar fotovoltaica para alimentar una incubadora pequeña se puede concluir que aún hace falta mejorar la eficiencia térmica en las actuales incubadoras para disminuir los costos en inversión de paneles y Baterías.



Finalmente, se puede decir que la incubación avícola alimentada con energía solar fotovoltaica impulsa la producción avícola siempre y cuando los productores estén dispuestos a hacer inversiones que llegar a beneficiarlos de una forma económica y productiva.

Para concluir se puede afirmar que la implementación de energías renovables en la industria puede llegar a generar grandes beneficios para los productores, en este caso la energía solar fotovoltaica es una buena alternativa para el desarrollo de sistemas de incubación avícola, además permite un mayor desarrollo económico y una solución ambiental al problema de contaminación generada por la obtención de energías convencionales no renovables.

7. BIBLIOGRAFÍA

A.P.P.A (15 De 08 De 2014) Asociación De Empresas De Energías Renovables Obtenido De: Http://Www.Appa.Es/09fotovoltaica/09tecnologia.Php Prospectiva De Las Tecnología Solar Fotovoltaica Para La Generación De Electricidad. (18 De 08 De 2014) Obtenida De: Http://Www.Energia.Gob.Observalosiguientemx/Websener/Res/168/A7_Fotovol.Pdf Ipse (25 De 08 De 2014) Utilización De Alumbrado Público Fotovoltaico Y Luminarias Tipo Leds. Obtenido De: Http://Www.Ipse.Gov.Co/Ipse/ El Sitio Avícola (2 De 09 De 2014) Incubación Artificial Obtenida De: Http://Www.Elsitioavicola.Com/Articles/1802/Incubacian-Artif Castro, C. C. (2014). Estudio De Comportamiento De Las Propiedades Microbiológicas, . Universidad De San Buenaventura – Cali. Ccee, & Uniagraria. (7 De 2014). Curso De Profundizacion Agro-Energia Aplicaciones Tecnologicas Para La Energia Sostenible En La Ruralidad. Bogota. Finance, B. E. (25 De 6 De 2014). Bloomberg.New Energy Finance. Obtenido De Http://About.Newenergyfinance.Com/About/Services/Renewable-Energy/ Hybrytec. (3 De 7 De 2014). Hybrytec. Obtenido De Http://Www.Hybrytec.Com/Wf_Casos_Exit_Detalle.Aspx?Id=195 Londoño, L. G., & Pimiento, E. V. (2014). Desarrollo Económico Sostenible, Relaciones Económicas. Universidad Nacional-Medellin. M., B. (2014). A Study Of The Incubation Periods Of Birds. Denver, Col., The Kendrick-Bellamy Co. Spiegel, J., & Maystre, L. (2014). Control De La Contaminbacion Ambiental. Csic. Sunwindenergy. (12 De 08 De 2009). Recuperado El 15 De 09 De 2014, De Http://Www.Sunwindenergy.Com/ Upme. (15 De 6 De 2014). Unidad Planeacion Minero Energetica. Obtenido De Http://Www1.Upme.Gov.Co/Planeacion-Integral Veterinaria.Org. (10 De 7 De 2014). Veterinaria.Org. Obtenido De Http://Www.Veterinaria.Org/Asociaciones/Vet-Uy/Articulos/Artic_Avic/019/Avic019.Htm