Paper Fotovoltaica

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  Diseño de una micro-red con autoconsumo y conexion a la red electrica mediante la herramienta HOMER para una comunidad de 50 casas en Cali. Javier Marmolejo Pinzon Ingeniería Electrónica Institución Universitaria Antonio José Camacho Cali, Colombia  javi_tj_2009@hotmail.com Leine Tejada Ingeniería Electrónica Institución Universitaria Antonio José Camacho Cali, Colombia leinetp@gmail.com   Resumen   —  El presente artículo muestra el análisis de viabilidad del diseño de una microrred para suplir los requerimientos energéticos de una comunidad de 50 casas en la ciudad de Cali, con la representación de una instalación fotovoltaica diseñada en el programa Homer Energy. El proyecto permite identificar el aporte económico y ambiental que puede ofrecer la incursión en el aprovechamiento de energías limpias como es el recurso solar, en comparación con la energía convencional. Palabras clave   —  microrred, energia fotovoltaica, Homer, Inversor, Interconexion. I.   I  NTRODUCCIÒN Durante los últimos años se ha producido un gran avance en el área de las energías no convencionales como la fotovoltaica (FV), es  por esto que se constituyen como una de las mejores alternativas para satisfacer la demanda de energía eléctrica futura en Colombia. Además, en prevención a problemas de abastecimiento como los que  puede causar el fenómeno del Niño y en general el cambio climático, se requiere fortalecer y diversificar la estructura de generación, mediante la implementación de fuentes complementarias a la  producción hidráulica. En la actualidad, existen proyectos implementados por parte de la empresa EPSA [1], que ha incursionado en el negocio de la generación distribuida solar a través de dos proyectos en el Valle del Cauca. El primero instalado en la urbanización Frayle de Palmira, el cual tiene una capacidad de 51,5 Kilovatios pico de capacidad (kWp) y está produciendo energía para el uso de más de 400 familias en este sector. Este proyecto entro en operación el 13 de diciembre de 2014. El segundo corresponde al sistema solar fotovoltaico comercial de EPSA en la Universidad Autónoma de Occidente  de Cali, instalado sobre las cubiertas de los parqueaderos norte y sur de la Universidad, así como sobre uno de sus bloques de aulas; 602 paneles de 255 Wp componen este sistema fotovoltaico, que cuenta con una capacidad de 151.800 W y que generará   durante su vigencia unos 5.500.000 kWh, con lo cual la Universidad dejará de emitir a la atmósfera unas 2.000 toneladas de CO2, equivalentes a plantar 7.990 árboles maduros. Por los aspectos sociales, ambientales, y el fomento de la Ley 1715 de 2014 [2], sobre fuentes no convencionales y gestión eficiente de la energía, sumado al potencial que ofrece la producción de energías renovables y su baja generación en el país, que según el Plan  Nacional de Desarrollo 2014- 2018 cubren el 4,5 % de la capacidad efectiva a 2014 [3], se hace necesario explorar en el desarrollo de  proyectos que involucren energías alternativas. La estructura del articulo contiene consideraciones con respecto al impacto en la implementación de la energía fotovoltaica en microrredes con interconexión a la red, en la sección de la propuesta metodológica se determina los criterios que se consideraron para el diseño del proyecto, en la sección de simulación y resultados se realiza la evaluación económica y técnica del proyecto con los datos requeridos por el software Homer. Finalmente las conclusiones cierran con la presentación de posibles rutas de investigación y las  posibilidades de desarrollo de las instalaciones fotovoltaicas. II.   CONSIDERACIONES  A.    Avances en fuentes de energia no convencional a nivel mundial. La Energía solar fotovoltaica ha experimentado un crecimiento exponencial en los últimos años, impulsada por la necesidad de asumir los retos que en materia de generación de energía se   presentan. Este crecimiento se ha producido gracias a los mecanismos de fomento de algunos países, que, como España, han propiciado un gran incremento de la capacidad global de fabricación, distribución e instalación de esta tecnología. En consecuencia se ha visto una reducción considerable de hasta el 95% en el costo de los paneles fotovoltaicos de uso comercial y un incremento cercano al 200% en su eficiencia. Este avance mundial ha permitido que la energía generada por sistemas solares con interconexión a la red jueguen un papel muy importante, ya que es percibida como una tecnología indispensable  para el desarrollo de los países, siendo el incremento de esta industria hasta del 42% [ 4]. Fig. 1 Capacidad de energía renovable, países en desarrollo finales del 2014. Fuente: Reporte de la situación mundial Energías Renovables 2016  –   REN21 El desarrollo de estos sistemas, debido al impacto medioambiental que por estos últimos años se viene tratando en el mundo, está siendo considerado como prioridad y los gobiernos están haciéndolos parte de sus proyectos de estado. En la actualidad existen varias comunidades que se esmeran por la investigación y desarrollo de tecnologías que reemplacen a los tradicionales en materia de generación de energía. Fig. 2. Capacidad y adiciones anuales de energía solar FV, 2005  –  2015. Fuente: Reporte de la situación mundial Energías Renovables 2016  –   REN21  B.    Energia renovable distribuida (DRE) para el acceso a la energia y su tendencia innovadora en el mercado periodo 2015. Alrededor de 1.2 mil millones de personas (17% de la población mundial) viven sin electricidad, la gran mayoría se encuentra ubicada en la región de Asia-Pacífico y en el África subsahariana. Los sistemas de energía renovable distribuida continúan desempeñando un papel cada vez importante en la prestación de servicios de energía  para estas poblaciones. Los avances en la tecnología, una mayor conciencia sobre los efectos de la deforestación y un creciente apoyo gubernamental, permitieron la expansión de la generación distribuida de energía (DRE) en el sector de preparación de alimentos y en la calefacción durante el 2015. A finales del año, aproximadamente 28 millones de hogares en todo el mundo utilizaban cocinas ecológicas. De igual forma, los mercados de DRE y de energía solar FV continuaron prosperando. A mediados de 2015, se vendieron alrededor de 44 millones de  productos pico-solar fuera de la red en todo el mundo, representando un mercado anual de 300 millones de dólares. Hacia finales del 2015, cerca de 70 países contaban con cierta capacidad instalada de generación de energía solar FV fuera de la red, o presentaban  programas de apoyo a las aplicaciones de energía solar FV fuera de la red. Además, varias mini redes basadas en energías renovables estaban en funcionamiento, con mercados primarios en Bangladesh, Camboya, China, India, Marruecos y Mali. Durante el año 2015 también se observó una tendencia positiva del mercado y las inversiones aumentaron; continuaron desarrollándose diversos modelos innovadores de negocios, dando como resultado la expansión del uso de sistemas de pago móvil y tarjetas raspables, del modelo de negocios Powerhive [5], de esquemas de planes de micropago por uso o según el consumo, y de proveedores de servicios integrados, con productos que van desde lámparas solares simples con radios y teléfonos móviles, hasta artículos de lujo como televisores. La implementación de DRE en 2015 fue respaldada por una gran variedad de políticas, incluyendo subastas, metas de electrificación dirigidas, e iniciativas relacionadas a la energía renovable para cocinas ecológicas. Los incentivos fiscales y de otro tipo concentraron sus esfuerzos en tecnologías específicas de energía renovable, tales esfuerzos se tratan de exenciones al IVA y derechos de importación, los cuales también se utilizaron para impulsar la implementación de DRE. Decenas de actores internacionales, incluyendo al menos 30  programas y aproximadamente 20 redes mundiales estuvieron igualmente involucrados en la implementación de DRE en 2015. Diversos programas internacionales concentraron sus esfuerzos  justamente en mejorar el acceso a la energía con fuentes renovables, tanto en África como en otros lugares. C.    Incentivos fiscales en la implementacion de proyectos de energias renovables en Colombia En Colombia con la Ley 1715 promulgada en el 2014, que tiene como objeto el desarrollo y uso de fuentes no convencionales de energía dentro del sistema energético, se empezó a dar incentivos tributarios a las empresas que ejecuten todo tipo de proyectos de  energía renovable, pero solo hasta el 3 de febrero del presente año salió su reglamentación. Los incentivos tributarios son realmente atractivos, pues permiten recuperar la inversión realizada en energías renovables en poco tiempo. Por un lado está la depreciación acelerada de los activos del  proyecto a cinco años, ya que al depreciar un activo en un mayor  porcentaje se pagan menos impuestos. También está el derecho a reducir de la renta el 50% del valor de la inversión del proyecto dentro de los primeros cinco años de la realización y según el Artículo 12 de la ley los equipos, elementos, maquinaria y servicios importados para la ejecución de estos emprendimientos están exentos de IVA y aranceles. En este momento de crisis energética, al país le urgen proyectos que suplan la demanda que las hidroeléctricas no pueden satisfacer. De esta manera la Ley 1715 realmente presenta una oportunidad para animar a los inversionistas a desarrollar proyectos de energía renovable. Toda ley y proceso que ayude a impulsar los proyectos en energía renovable han de ser bienvenidos, porque al haber más energía generada, su costo disminuye, dando ahorros al país, y al  bolsillo de quienes la consumen. Además, las energías renovables  permiten cuidar la biodiversidad tan única y rica de la que todos disfrutamos y de la que Colombia puede sentirse orgullosa como  país. III.   PROPUESTA METODOLOGICA  A.   Situacion geografica y climatica de la zona de instalaciòn. El lugar seleccionado para la instalación del proyecto es el conjunto residencial Jardín del Viento en la ciudad de Cali, en donde se intervienen un total de 50 casas que presenta un área disponible por techo de 20m². Utilizando la herramienta en línea Google Maps, se pudo establecer las coordenadas exactas del lugar: Latitud: 3.481937 Longitud: - 76.496865 Fig. 3 Vista Satelital, 31 de Julio 2016 Fuente: Coordenadas establecidas por Google Maps. De acuerdo a las coordenadas se identifican que la zona se encuentra en el hemisferio norte, por lo cual los paneles a instalar deben estar orientados hacia el Sur con un grado de inclinación óptimo de 6,10˚     (Latitud)    ()       Teniendo además la recomendación del IDAE [6], la orientación se define por el ángulo azimut α , que es el ángulo que forma la  proyección sobre el plano horizontal de la normal a la superficie del módulo y el meridiano del lugar, los valores típicos son 0º para los módulos orientados hacia el sur. Con las coordenadas del lugar y el software Homer [7], que toma los datos vía internet de estaciones meteorológicas del País, se obtiene la radiación diaria y el perfil de claridad. Fig. 4. Radiación diaria según información de geo-referencia Fuente: Elaboración propia con información compilada por el software Homer Energy Fig. 5. Radiación diaria e índice de claridad de Cali Fuente: Elaboración propia con información compilada por el software Homer Energy (1)    De acuerdo a resultados obtenidos con la ayuda del software Homer se identificó una irradiación de 4.14 kWh/m²/d, que nos permitiría calcular las HSP según formula a continuación:           B.   Caracterizaciòn del perfil de carga Para establecer el perfil de carga del hogar representativo se tomó como referencia el estudio elaborado con el consumo horario de energía en una casa promedio, con lo cual se identificó un total de 12kWh/día. De acuerdo con este resultado se encontró que el consumo medio mensual de energía en este sector es de 329kWh en los últimos 8 meses. Fig. 6. Estimación de carga promedio diaria Fuente: Elaboración propia con información recolectada en el consumo diario de energía  –   Programa Excel Fig. 7. Perfil diario carga Homer Fuente: Elaboración propia con información compilada por el software Homer Energy C.   Selección de componentes y càlculo de la instalaciòn Para efectos de diseño, la estimación de componentes y cálculos se realiza por casa, y este resultado se multiplica por las 50 que se requiere en el proyecto. En la elección del Generador Fotovoltaico se tiene en cuenta 3 referencias, siendo el panel SUNTECH el seleccionado. Este panel cumple con los criterios de presupuesto y tecnología a utilizar. Esto también se tuvo en cuenta para la selección del inversor. Tabla. 1. Referencias paneles solares Fuente: Elaboración propia con información base de los datasheet de cada  panel solar. REFERENCIAS PANELES País China China España Marca SUNTECH UNIVPO VICTRON Potencia 190 W 190 W 190 W Precio en dólares 310.79 344.27 411.167 Precio en pesos 900,000 995,976 1´345,400 Garantía en años 25 25 25 Eficiencia 14,9 % 15,1% 15,95 % Dimensiones en mm 1580 x 808 x 35 mm 1580 x 808 x 35 mm 1580 x 808 x 35 mm Peso en Kg 15,5 Kgs. 16 Kgs 17 Kgs Modelo STP190S-24/Ad+ - - Tensión a la máxima potencia Vmp = 36.6 V Vmp = 36.5 V Vmp = 44 V Corriente a la máxima potencia Imp = 5,20 A Imp = 5,21 A Imp = 5,09 A Tensión de circuito abierto Voc = 45,2 V Voc = 44,5 V Voc = 52,5 V Corriente de cortocircuito Isc = 5,62 A Isc = 5,52 A Isc = 5,52 A Tolerancia mínima de  potencia 0/ +5% 0/ +5% 0/ +5% Habiendo seleccionado el panel se procede con el cálculo total de  paneles por área disponible. Tabla. 2. Área panel Suntech AREA QUE OCUPAN LOS PANELES 3,23 frente 3,16 fondo 10,2068    x casa 50 casas 510,34 área total    x 50 casas Cantidad de paneles:             Sabiendo que por casa se requiere 8 paneles, para las 50 casas sería un total de 400 paneles. (3 ) (2 )
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