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Resumen—El presente artículo muestra el diseño de una

instalación fotovoltaica autónoma, destinada a proveer energía

eléctrica a una Institución Educativa ubicada en la vereda Santa

Rita, área rural del municipio de Páez- Boyacá. El centro

educativo presenta un difícil acceso (se encuentra a más de tres

horas del casco urbano del municipio con vías en difícil situación,

mientras el municipio a su vez, dista más de cuatro horas de la

capital del departamento (118 km)), razón por la cual, los entes

territoriales y la empresa de energía del departamento no han

podido llevar el servicio debido a los altos costos que implica

instalar y mantener esta red, por lo que se puede considerar a la

Zona como No Interconectada (ZNI). La carencia del energético

actualmente impide que estos niños puedan acceder a una

alimentación escolar digna, a condiciones de iluminación

adecuadas para sus actividades y a recursos educativos tan

importantes como lo son las tecnologías de la información. Se

muestra en el documento la caracterización energética y la

determinación de las condiciones de la aplicación, los potenciales

del recurso energético renovable en el sitio, y el diseño de cada

uno de los componentes del sistema fotovoltaico autónomo. Se

incluye al final, algunos análisis del diseño obtenido y

comparaciones entre diferentes opciones tecnológicas.

Palabras claves—Sistema fotovoltaico, energías renovables,

soluciones energéticas.

I. INTRODUCCIÓN

El presente documento describe algunos aspectos

relacionados con un proyecto adelantado por el Grupo de

Investigación en Robótica y Automatización Industrial GIRA

de la Escuela de Ingeniería Electrónica de la Uptc y la

Secretaria de Minas y Energía de la Gobernación de Boyacá

en los años 2014 y 2015 titulado, “Investigación aplicada a la

obtención de información del potencial energético alternativo

y sus formas de aprovechamiento en el departamento de

Boyacá”.

Este proyecto identifico que el territorio colombiano está

sometido a serios problemas de energización de comunidades

aisladas (Zonas No Interconectadas - ZNI), problemas con la

calidad del servicio de energía eléctrica (fenómenos

transitorios, variaciones de corta duración, variaciones de

larga duración -IEEE Std 1159-1995, IEEE Std 519, entre

otras.) y a la susceptibilidad de afrontar crisis energéticas

serias debido a la alta dependencia del recurso hidráulico en la

matriz energética nacional, como se muestra en tabla I [1].

Esta problemática está relacionada directamente con las

cambiantes condiciones climáticas a nivel global y a

fenómenos locales como “El niño” o “La niña” que han

repercutido seriamente en la confiabilidad del sistema.

TABLA I. CAPACIDAD INSTALADA POR TECNOLOGÍA

Capacidad por tecnología

Tecnología Potencia (MW) Participación (%)

Hidráulica 11,500.5 69.97%

Térmica Gas 1,619.5 9.85%

Térmica Carbón 1,348.4 8.20%

Líquidos 1,592.0 9,69%

Gas-Líquidos 264.0 1.61%

Viento 18,4 0.11%

Biomasa 93.2 0,57%

Total 16,436.0 100%

Según la información reportada por el Sistema de

Información Eléctrico Colombiano-SIEL- del Ministerio de

Minas y Energía, actualmente Boyacá es un departamento

considerado como completamente interconectado [2], lo que

no concuerda con la realidad de varias comunidades de los

123 municipios del departamento que en pleno siglo XXI aún

no conocen la energía eléctrica en sus hogares, estableciendo

condiciones serias de desigualdad y falta de oportunidades.

Una de las razones para que persista esta problemática es el

alto costo de las redes de interconexión eléctrica y lo complejo

de la topografía de algunas zonas del Departamento, que

complican la instalación y elevan aún más los montos de este

tipo de iniciativas. Se suma a lo anterior, que en la actualidad

la mayor parte de las empresas de energía del país son de

carácter privado, por lo que si la tasa de retorno a la inversión

de estos proyectos resulta adversa, como ocurre en la mayoría

de los casos, la posibilidad de que estas comunidades de zonas

apartadas cuenten con energía eléctrica del Sistema de

Interconexión Nacional SIN, se vea relegada a un futuro

demasiado lejano.

La iniciativa pretendía establecer sistemas piloto para

ofrecer soluciones energéticas (energización y mejoras en la

calidad del servicio) en algunas comunidades vulnerables de

Boyacá, lo que permitiría posteriormente, ampliar estas

tecnologías al resto de la población afectada. En este escenario

se define la necesidad de contar con sistemas de generación

eléctrica que aprovechen diversas fuentes de energía,

especialmente sustentables, tales como la solar, eólica,

geotérmica, biomasa, entre otras y que podrían

adicionalmente, constituir sistemas alternos a la generación

Diseño de un Sistema solar fotovoltaico

autónomo para una institución educativa rural

en el municipio de Páez - Boyacá

Luis Ariel Mesa, Camilo Andrés Sanabria, Wilson Javier Peréz.

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2

hidroeléctrica de gran escala, con el potencial de mejorar la

confiabilidad energética de la región y el país. Por otro lado,

estas fuentes alternativas de energía constituyen una opción

importante para suministrar energía a zonas rurales aisladas

ZNI.

El proyecto involucro abordar en el departamento, un centro

de salud, una institución educativa y algunas viviendas rurales

que presentaran problemas relacionados con la falta de

recursos energéticos y/o inconvenientes en la calidad de los

mismos. Se seleccionó para el caso junto con la ayuda de

algunas alcaldías, el Centro de salud Manuel Elkin Patarroyo

del municipio de Otanche (región occidental), una institución

educativa rural y algunas comunidades apartadas, del

municipio de Páez (región sur oriente). El presente documento

describe parte de los resultados obtenidos para el caso de la

electrificación de una institución educativa del sector rural del

municipio de Páez, región sur oriente de Boyacá, que presenta

serios inconvenientes relacionados con el acceso al servicio de

energía eléctrica.

II. DETERMINACIÓN DE LAS CONDICIONES DE LA APLICACIÓN

Páez se ubica en Provincia de Lengupá en el departamento

de Boyacá y dista 118 km a la ciudad de Tunja capital del

departamento (Fig. 1). Limita al norte con Berbeo, San

Eduardo y Aquitania; por el oriente con Chámeza, Tauramena

y Monterrey (Casanare); por el sur con Sabanalarga y San

Luis de Gaceno, y por el occidente con Campohermoso y

Miraflores. Se ubica sobre la estribación oriental de la

Cordillera Oriental por lo que su topografía es bastante

montañosa. El territorio es bañado por los ríos Upía y Lengupá

y posee una altura media 1300 m s. n. m. con temperaturas que

promedian los 23 °C. La economía de la región está basada

especialmente en la actividad agropecuaria [3].

Fig. 1. Ubicación del municipio de Páez -Boyacá. Fuente: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=22615538

Según información de la Secretaria de Educación de la

Gobernación de Boyacá [4] Páez presenta uno de los mayores

números de instituciones educativas a nivel Boyacá,

consideradas como de difícil acceso. Para este ente

departamental se consideran zonas de rurales difícil acceso

aquellas que cumplen con uno de los siguientes criterios:

Que sea necesario la utilización habitual de dos o más

medios de transporte para un desplazamiento hasta el

perímetro urbano.

Que no existan vías de comunicación que permitan

el transito motorizado durante la mayor parte del año

lectivo.

Que la prestación del servicio público terrestre, fluvial o

marítimo, tenga una sola frecuencia, ida o vuelta, diaria.

La tabla II muestra algunas de las Instituciones Educativas

del municipio de Páez que se ajustan a estos criterios [4].

Estas instituciones educativas son sedes de la Institución

Educativa de Educación Básica y Media Técnica José

Antonio Páez. Con base en lo anterior se definen dificultades

en el acceso a estas instituciones que además, están

acompañadas de inconvenientes energéticos.

TABLA II.

INSTITUCIONES EDUCATIVAS DE DIFÍCIL ACCESO DEL MUNICIPIO DE PÁEZ.

Institución Educativa de Educación Básica y

Media Técnica José Antonio Páez

Código DANE

institución 115514000249

Código DANE

sede Sede Vereda

215514000049 Yamuntica Yamuntica

215514000171 Capaga Capaga

215514000286 Caracoles Caracoles Bajo

215514000421 Cortaderal Cortaderal

215514000383 Chirire Chirire

215514000103 Guamal Guamal

215514000146 Mincho El Mincho

215514000138 Oso El Oso

215514000073 Pan De Azúcar Pan De Azúcar

215514000405 Porvenir La Chula Porvenir

215514000031 Sirasí Inspección Sirasí

215514000057 Yamunta Yamunta

215514000413 Yapompo Yapompo

215514000316 Californias Californias

215514000154 Ceibal Ceibal

215514000197 Agua Blanca Agua Blanca

215514000022 Ururía Inspección La Ururía

215514000367 Canales Canales

215514000111 Guadual Guadual

215514000162 Colegio Colombia

Chiquita Colombia Chiquita

215514000430 Mochilero Mochilero

215514000341 Paraíso El Paraíso

Debido a que las condiciones resultan similares para cada

una de estas instituciones, se tomó como caso de estudio

representativo la Institución Educativa Santa Rita. Esta

institución se encuentra ubicada en la vereda del mismo

nombre, la cual está a más de tres horas del casco urbano, por

caminos en malas condiciones como se observa en Fig. 2 [5].

La instalación está capacitada para albergar hasta 20 niños y

un profesor. El profesor tiene una residencia en el mismo

plantel debido a que las condiciones de acceso impiden que en

la semana pueda desplazarse al centro urbano del municipio

(Fig. 3 [5]). La población es de bajos recursos donde su

economía está basada principalmente en la actividad

agropecuaria, y donde aún no se presta el servicio de energía

eléctrica, por lo que se puede considerar como población

vulnerable. La alcaldía municipal había realizado en años

anteriores un proyecto para llevar energía a esta pequeña

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3

comunidad, para lo cual había solicitado apoyo a la empresa

de energía del departamento, sin embargo y a pesar de que el

municipio se había comprometido a financiar los gastos de

instalación de la red, el proyecto no fue asumido por dicha

empresa debido a los altos costos de supervisión,

mantenimiento y aforos en comparación con el número de

usuarios. La institución no escapa a esta realidad por lo que en

la actualidad no se cuenta con el servicio de energía eléctrica,

lo que impide el acceso de la comunidad estudiantil a

herramientas educativas como computadores, tabletas,

servicio de internet e incluso a iluminación artificial y a

disfrutar de un servicio adecuado de restaurante escolar por no

contar con refrigerador para conservar los alimentos. Estas y

otras razones han ocasionado que existan periodos académicos

donde la institución no presta servicio por no completar el

número mínimo de estudiantes para habilitar el contrato de un

docente, lo que se convierte en una problemática social muy

grave al no proveerse acceso a la educación a esta población.

Fig. 2. Ubicación de la vereda Santa Rita del municipio de Páez.

Fig. 3. Imágenes de la Institución Educativa Santa Rita.

III. DETERMINACIÓN DE POTENCIALES ENERGÉTICOS

La determinación de los potenciales energéticos alternativos

se basó en la consulta de algunas fuentes de información

disponibles, para lo cual, se tuvieron en cuenta los atlas

energéticos y algunos documentos disponibles por el Instituto

de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de

Colombia- IDEAM, el Instituto Geográfico Agustín Codazzi -

IGAC y la Unidad de Planeación Minero Energética – UPME

[6], [7], [8] y [9], entre otros. Las fuentes energéticas

alternativas consideradas fueron la solar, eólica e hidráulica de

pequeña escala. La información obtenida se validó con

información entregada por la red de satélites de la National

Aeronautics and Space Administration- NASA [10].

A. Información radiación solar

Para definir el recurso solar en la zona de interés se recurre

al Atlas de Radiación Solar de Colombia establecido por la

UPME, donde se determinan los valores de Irradiancia

(potencia de la radiación solar), Brillo solar (cantidad de

promedio horas de sol por día) y Horas solar pico (horas

hipotéticas de irradiancia solar constante de 1000 W/m2).

Estos datos resultan fundamentales ya que aparte de definir la

posibilidad de aprovechar esta fuente de energía, también

intervienen en el adecuado dimensionamiento y diseño del

sistema. De los mapas de la radiación solar sobre superficie

plana [6] y los de brillo solar [6], se obtienen la información

mostrada en las figuras 4, 5 y 6.

Fig. 4. Detalle del departamento de Boyacá del mapa de radiación solar sobre

superficie plana de la UPME, promedio anual.

De estos mapas se establecen los valores de promedio de la

irradiancia y brillo solar para cada mes del año. Los

resultados se muestran en la fig. 5 y 6.

La información obtenida arroja valores de irradiancia

promedio anual de 4217 Wh/m2 y brillo solar promedio anual

de 4.0 horas con un mínimo de 3.2 horas, presentado en el mes

de Noviembre. Estos datos resultan concordantes con la latitud

ecuatorial del territorio colombiano. Es importante señalar que

el brillo solar resulta un tanto reducido, lo que implica un

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4

aumento en el número de módulos fotovoltaicos necesarios

para garantizar una autonomía aceptable.

Fig. 5. Promedio mensual de la irradiancia en la zona rural de Páez.

Fig. 6. Promedio mensual del brillo solar en la zona rural de Páez.

B. Información de potencial eólico.

La determinación del potencial eólico se obtuvo

consultando la información entregada por la UPME y el

IDEAM [7], respecto a la velocidad media y la desviación

estándar de la velocidad del viento. Para el caso, el Atlas de

Viento y Energía Eólica de Colombia, del cual se obtuvo la

información mostrada en las fig. 7 y 8.

Fig. 7. Detalle del departamento de Boyacá del mapa de la Velocidad Media del viento en superficie- promedio anual.

Fig. 8. Desviación estándar de la velocidad del viento en superficie del

departamento de Boyacá - promedio multianual mes de agosto.

Fuente: Atlas de Viento y Energía Eólica de Colombia- UPME.

En la fig. 8 se muestra la información correspondiente al

mes de agosto, en el cual se suponen las mayores variaciones.

Para el resto del año las variaciones resultan incluso menores

según los datos. La información obtenida muestra vientos con

variaciones no significativas de entre 1.5 y 2.0 m/s pero con

velocidades muy bajas cercanas a 1m/s.

C. Información de potencial hidráulico.

El Atlas de potencial Hidroenergético de Colombia

desarrollado por la UPME, el IGAC y el IDEAM [8][9],

permite establecer los potenciales en este aspecto para la zona

de interés. Se resalta que de acuerdo a la zonificación

establecida en el atlas, el municipio de Páez se localiza en la

región hidrológica del Orinoco (Región 14). La fig. 9 muestra

el histograma de caudal para la región centro oriente del país.

Fig. 9. Detalle del departamento de Boyacá del Histograma de caudal por zona hidrográfica [8]

.

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5

En estos mapas se puede observar que el caudal es variable

a lo largo del año siendo muy alto hacia mitad y muy bajo en

resto, especialmente en el inicio del año.

D. Validación de los datos

Debido a cuestiones de presupuesto y tiempos establecidos

por la fase inicial del proyecto, fue imposible realizar un

monitoreo directamente en el sitio de interés, por tanto, se

utilizó la información suministrada por el aplicativo NASA

Surface meteorology and Solar Energy: RETScreen Data [10],

la cual es obtenida a partir del procesamiento de datos de la

red global de satélites climatológicos y solares de la NASA.

La instalación de estaciones meteorológicas y radiométricas en

el área habría involucrado la compra, instalación y monitoreo

de equipamiento de alto costo, junto con el requerimiento de

recolectar datos como mínimo en un año para ser

representativos.

Utilizando el aplicativo RETScreen Data, y las coordenadas

del municipio de Páez (5° 5′ 56″ N, 73° 3′ 6″ W), se logró

obtener información consolidada para la validación la

información establecida referente a potenciales energéticos.

Los datos arrojados por la aplicación se muestran en la Tabla

III y IV.

TABLA III.

INFORMACIÓN ENERGÉTICA DEL MUNICIPIO DE PÁEZ ENTREGADA POR EL APLICATIVO RETSCREEN DATA DE LA NASA.

NASA Surface

meteorology and Solar

Energy: RETScreen

Data

Latitude °N 5.099

Longitude °E -73.052

Elevation m 1518

Heating design temperature °C 13.57

Cooling design temperature °C 23.35

Earth temperature amplitude °C 7.39

Frost days at site day 0

TABLA IV INFORMACIÓN VARIABLES DE INTERÉS PARA EL MUNICIPIO DE PÁEZ. [11]

Mo

nth

Air

tem

per

atu

re

Rela

tive

hu

mid

ity

Da

ily

sola

r

ra

dia

tio

n -

ho

riz

on

tal

Atm

osp

heri

c

press

ure

Win

d s

pee

d

Earth

tem

per

atu

re

Hea

tin

g

deg

ree-d

ay

s

Co

oli

ng

deg

ree-d

ay

s

°C % kWh/m2/d kPa m/s °C °C-d °C-d

January 18.4 76.4% 5.18 84.9 1.9 19.9 2 269

February 19.2 73.1% 5.15 84.9 1.9 21.0 1 264

March 19.4 76.9% 5.11 84.9 1.8 21.3 0 296

April 19.3 80.8% 4.78 84.9 1.7 21.0 0 282

May 18.9 82.0% 4.84 84.9 1.7 20.2 1 280

June 18.4 80.2% 5.02 85.0 2.0 19.6 3 256

July 18.1 75.7% 5.17 85.0 2.1 19.3 8 255

August 18.6 71.3% 5.22 85.0 1.9 19.9 2 271

September 19.1 72.1% 5.31 85.0 1.7 20.6 1 275

October 18.8 79.9% 4.91 84.9 1.6 20.3 2 276

November 18.6 82.8% 4.82 84.8 1.6 19.9 2 263

December 18.3 81.5% 4.91 84.9 1.8 19.5 3 265

Annual

18.8

77.7%

5.04

84.9

1.8

20.2

25

3252

Measured at (m) 10.0 0.0

E. Análisis de los potenciales energéticos alternativos.

De la información solar, eólica e hidráulica del lugar de

estudio se pudieron establecer los siguientes análisis:

El potencial eólico obtenido define baja variabilidad de

los vientos (desviación estándar de hasta 1m/s) pero con

velocidades muy bajas para ser aprovechadas

adecuadamente (1.5 – 2.0 m/s), ya que los

aerogeneradores convencionales promedio comienzan a

funcionar con velocidades de 3 a 4 m/s, llegado a la

máxima producción de electricidad con vientos de 13 a

14 m/s.

El potencial hidráulico presenta variaciones sustanciales

en los caudales por lo que no se estiman posibilidades de

implementar pequeños aprovechamientos hidráulicos

(PCH´s) que funcionen de manera continua. Por otro

lado, debido a que tanto las instituciones educativas

como las comunidades cercanas resultan dispersas, los

costos de montaje y operación de una micro-red pueden

equiparar el costo de la conexión al sistema de

interconexión nacional SIN.

El recurso solar resulta la fuente energética alternativa

más viable, ya el valor de irradiancia obtenido (4217

Wh/m2) es bueno, aunque con bajos niveles de brillo

solar (4-5 h/día). De la información climática obtenida se

puede agregar además que los valores de humedad

relativa (más del 70%) y temperatura media (23 °Cº)

suponen posibles condiciones de nubosidad como

descenso en el rendimiento de los módulos fotovoltaicos

por altas temperaturas.

Considerando los resultados anteriores se opta por el diseño

de una instalación solar fotovoltaica ya que la aplicación

requiere especialmente de energía eléctrica. Por el clima y la

temperatura ambiente no se establece un requerimiento de

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6

energía solar térmica, sin embrago puede a futuro

contemplarse este recurso para fines de refrigeración y

climatización (Heating, Ventilating and Air Conditioning -

HVAC).

IV. DISEÑO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO

Considerando los resultados de los potenciales energéticos

alternativos y las condiciones socioeconómicas de la región, se

procedió a realizar el diseño de un sistema solar fotovoltaico.

La aplicación involucra, además de tener un costo limitado, el

criterio de manejo de equipos con capacidad de ser reparados

o reemplazados fácilmente con elementos disponibles en la

región. Esto se define con el propósito que el sistema no salga

de servicio ante un posible fallo que requiera de componentes

no asequibles fácilmente.

Considerado lo expuesto en [12], [13] y [14], se presenta a

continuación la descripción del diseño del sistema autónomo

para la institución foco de estudio en este documento:

A. Estimación del consumo

La determinación de la carga que debe alimentar el sistema

fotovoltaico se realizó por medio de un estimado de los

equipos consumidores de energía y sus tiempos de

funcionamiento (Censo de Carga). No se llevó a cabo un

diagnostico energético con mediciones de potencia y energía

en el sitio, debido nuevamente a cuestiones de presupuesto y

tiempos establecidos por el proyecto, así como por

dificultades en el acceso. Para la estimación del consumo se

consideraron los diferentes ambientes presentes en la

edificación a saber: salón de clases, comedor escolar, cocina,

baños y una residencia para el profesor. El salón de clases se

utiliza habitualmente en el día, y es ahí en donde los niños

están la mayor cantidad de tiempo, además de servir a la

comunidad de la vereda como salón comunal para reuniones.

La residencia del profesor es en realidad un espacio donde

este habita en la semana debido a las condiciones de difícil

acceso de la institución desde el casco urbano del municipio (4

horas en vehículo todo terreno). La Tabla V presenta el

consumo teórico estimado para las áreas antes mencionadas, y

es elaborado a partir de información entregada por la alcaldía

del municipio y la comunidad de la vereda.

Para el salón de clases se ha considerado la inclusión de

televisor y video beam por ser herramientas necesarias para el

desarrollo de los nuevos ambientes aprendizaje y las TICS.

En la habitación del profesor se ha considerado los elementos

que son necesarios para la conservación y tratamiento de

alimentos, mientras se ha excluido el uso de una estufa

eléctrica por existir mejores opciones que evitan incluir este

consumo en la tabla. Los valores de potencia asignados para

los diferentes equipos, se han consignado considerando los

modelos que se encuentran normalmente en las cabeceras

urbanas de estos municipios en el departamento de Boyacá.

No se incluyen en el censo, cargas en DC por no encontrarse

aun este tipo de tecnologías en el mercado local, resultando

más versátil la energía en AC.

TABLA V

CENSO DE CARGA PARA LA INSTITUCIÓN EDUCATIVA SANTA RITA DEL MUNICIPIO DE PÁEZ.

Descripción Potencia

(W) Cantidad

Potencia

total (W)

Horas

uso/día

Energía

teórica

Wh/dia

Salón de clases

Iluminación salón clases (AC) 20 4 80 6 480

TV color (AC) 100 1 100 2 200

Grabadora o equipo de sonido (AC) 50 1 50 1 50

Video beam (AC) 400 1 400 1 400

Carga de computadores portátiles o tabletas (AC) 120 10 1200 1 1200

Casa profesor

Iluminación exterior (AC) 15 2 30 2 60

Iluminación comedor (AC) 20 1 20 3 60

Iluminación cocina (AC) 11 1 11 2 22

Iluminación baño (AC) 8 1 8 1 8

TV color (AC) 100 1 100 4 400

Pequeños electrodomésticos (AC) 50 1 50 1 50

Nevera (AC) 100 1 100 8 800

Lavadora (AC) 700 1 700 1 700

Ventiladores (AC) 60 3 180 2 360

La Tabla VI resume las características más relevantes del

consumo propuesto para la institución. Se ha discriminado el

consumo de los dispositivos que incluyen motores eléctricos,

ya que estos deben considerarse por separado para la

determinación de las especificaciones de los inversores y los

reguladores.

TABLA VI CARACTERÍSTICAS CONSUMO ESCUELA

Parámetro Valor

Total carga que no incluye motores (W) 2049

Total carga que incluyen motores (W) 980

Total potencia (W) 3029

Total energía teórica diaria (Wh/día) 4790

Total energía real diaria (Wh/día) 5748

Consumo energético (Wh) 239.5

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7

La información obtenida muestra una energía diaria de 5748

Wh/día, la cual debe ser proporcionada por el sistema

fotovoltaico a especificar; esta energía se obtiene al considerar

un 20 % de margen de seguridad de la energía teórica diaria

entregada por la Tabla V.

B. Consumo medio diario

Una vez determinado los consumos de los dispositivos se

realiza el cálculo del consumo medio diario del sistema

fotovoltaico dado por la siguiente ecuación:

_

_

md AC

md DC

invmd

bat con

LL

nL

n n

(1)

Donde:

𝐿𝑚𝑑 es el consumo medio diario del sistema fotovoltaico

𝐿𝑚𝑑_𝐷𝐶 es el consumo medio diario de las cargas en

corriente continua estimadas.

𝐿𝑚𝑑_𝐴𝐶 es el consumo medio diario de las cargas en

corriente alterna estimadas.

𝑛𝑖𝑛𝑣 es la eficiencia esperada de los inversores de

potencia.

𝑛𝑏𝑎𝑡 es la eficiencia esperada de las baterías.

𝑛𝑐𝑜𝑛𝑑 es la eficiencia esperada de los conductores.

Para el caso de estudio se ha asumido que la eficiencia de la

batería es del 95 %, la eficiencia del inversor es del 80 % y los

conductores tienen una eficiencia de 100 %. Con estas

consideraciones el consumo medio diario obtenido y la

información de la Tabla V, se obtuvo un valor de 7563.2

Wh/día.

C. Número de paneles

El número de paneles que se requieren para la aplicación se

puede calcular usando la siguiente expresión:

mdp

MP crit F

LN

P HSD F (2)

Donde:

𝑁𝑝 es el número de paneles.

𝐶𝑚𝑑 es el consumo medio diario del sistema fotovoltaico

𝑃𝑀𝑃 es la potencia máxima del panel en condiciones

estándar de medida.

𝐻𝑆𝐷𝑐𝑟𝑖𝑡 son las horas de sol diaria promedio crítica u

horas de sol diaria mínima.

𝐹𝐹 es el factor global de funcionamiento de los paneles

en la aplicación que varía entre 0.65 a 0.9.

Para la selección del tipo de panel fotovoltaico se tuvo en

cuenta lo expuesto en [15] y [16] donde se comparan las

tecnologías de fabricación monocristalina y policristalina,

considerando además la disponibilidad de los paneles en

Colombia. Aunque la tecnología monocristalina tiene una

mayor eficiencia de conversión de energía que la policristalina

(alrededor del 18 %), las mejoras actuales en la fabricación

han permitido que esta última tecnología alcance eficiencias

cercanas a la monocristalina, haciéndola más económica y

comercial en el país. Para el diseño se usa como referencia un

panel solar policristalino de 250 W, un voltaje nominal de 30.

8V y una eficiencia de 15. 7% [17].

A partir de la información obtenida, con un valor crítico de

3.2 horas de sol diarias (Hora solar pico), y considerando un

factor de funcionamiento de 0.9 (el mejor de los casos

posibles), se obtiene un total de 10 paneles. A partir de las

ecuaciones (3) y (4) se puede determinar el número de paneles

que se deben conectar en paralelo y en serie, teniendo en

cuenta tanto el voltaje de la batería como el voltaje del panel.

Con el panel seleccionado (30.8V) y asumiendo baterías de

24V, se observa que no es necesario colocar los paneles en

serie, sino únicamente en paralelo, para proveer la cantidad de

energía necesaria para el sistema autónomo de la institución

educativa.

.

bateriaserie

panel

VN

V (3)

p

paralelo

serie

NN

N (4)

Las ecuaciones (3) y (4) asumen que para obtener la

máxima potencia de los paneles es necesario un regulador de

Seguimiento del Punto de Máximo Potencia MPPT, lo cual

normalmente incrementa los costos de la instalación debido al

alto costo del mismo. Si no se desea utilizar este tipo de

regulador, es requerido un criterio adicional para determinar el

número de paneles. Uno de los criterios más utilizados es el de

Amperios-Hora (Ah), ya que es necesario que la batería

entregue la tensión del bus DC para los inversores.

La ecuación (5) muestra cómo calcular la capacidad de las

baterías en Ah, al considerar el consumo medio diario y el

voltaje de la batería, teniendo un valor de 315.13 Ah/día. Con

el valor obtenido en (5) se calcula en (6), la corriente que

deben entregar los paneles fotovoltaicos para cumplir con la

capacidad estimada, considerando el valor critico de horas de

sol diarias. Para el caso de estudio el resultado es de 98.48 A.

mdAh

bateria

LQ

V (5)

_Ah

total paneles

crit

QI

HSD (6)

Con el valor obtenido en (6) y considerando el valor

nominal de corriente de los paneles se puede encontrar el

número de paneles necesarios. La corriente en el punto de

operación óptimo de los paneles es de 8.28 A, por lo que se

necesitan un total de 12 paneles conectados en paralelo para

garantizar la corriente total dada en (5).

D. Baterías

Para el cálculo del banco de baterías necesario para

mantener el sistema funcionando ante variaciones de las

condiciones de luz solar, se tienen en cuenta las siguientes

consideraciones:

Profundidad de descarga máxima estacional (𝑃𝐷𝑚𝑎𝑥_𝑒): 70 %

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8

Profundidad de descarga máxima diaria (𝑃𝐷𝑚𝑎𝑥_𝑑): 15 %

Número de días de autonomía (N) = 3.

Factor de corrección de temperatura (𝐹𝐶𝑇) = 1.

Definidos los parámetros se procede a calcular la capacidad

necesaria de las baterías en función de la profundidad de

descarga máxima diaria y estacional. Se debe seleccionar

según [13] la mayor de estas capacidades para garantizar que

el sistema fotovoltaico tenga la autonomía esperada. La

capacidad nominal de las baterías en función de la descarga

máxima será:

44818.71mdmd

Dmax_d CT

LC Wh

P F (7)

Al considerar el voltaje de la batería se tiene que las

baterías deben tener una capacidad combinada de 2100.9 Ah.

Se repite el procedimiento modificando (7) para verificar la

descarga estacional multiplicando la ecuación por los días de

autonomía esperados y considerando el parámetro

correspondiente, obteniendo como resultado un valor de

32413.53 Wh o 1350.56 Ah. Con los resultados obtenidos se

elige para el diseño, el valor en amperios hora más alto

obtenido, considerando la opción de que no se presente

ninguna hora de sol por condiciones climáticas. Se asumen

baterías de capacidad de 100 Ah, con un voltaje de 24 V, por

lo que resultan necesarias 21 baterías para cubrir la demanda

de energía.

E. Calculo de reguladores e inversores

Como primer paso, se debe determinar la corriente máxima de

entrada y la corriente máxima de salida que debe soportar el

regulador. Para el cálculo de la corriente de entrada se utiliza

la ecuación (8), donde se toman como datos, la corriente en

cortocircuito de los paneles solares 𝐼𝑚𝑜𝑑_𝑐𝑐 que para el caso de

estudio es de 8.76 A [6], y el número de paneles conectados en

serie, lo cual origina un valor de 131.4 A.

entrada mod_cc pI = 1.25I N (8)

Para la determinación de la corriente de salida se utiliza (9),

donde a partir de la potencia de cargas en corriente continua y

corriente alterna y la eficiencia esperada del inversor se

obtiene la corriente de salida que debe soportar el regulador.

La eficiencia de los inversores es menor en tanto más bajo sea

el voltaje de la batería, para el caso de estudio, se asume una

eficiencia de 0.8 con lo cual se obtiene una corriente de salida

de 197.2 A.

1.25 ACDC

inv

salida

bateria

PP

IV

(9)

Para dimensionar la potencia del inversor es necesario

considerar que algunas cargas tienen motores eléctricos, por lo

que presentan picos de arranque que deben tenerse en cuenta

para el dimensionamiento, tal y como se muestra en (10). Para

el caso, se ha diferenciado las cargas que incluyen motores de

la cargas en AC que no los tienen, y se ha dado un margen de

seguridad de 20 % para el diseño. Con los datos de la Tabla

VI, se obtiene una potencia para el inversor de 7.17 kW.

1.2(4 )inv motores ACP P P (10)

V. RESULTADOS

En la Tabla VII se muestran los resultados globales del

diseño planteado, así como algunos resultados al considerar

diferentes aspectos. En la primera fila se muestra los

resultados del diseño planteados en las secciones anteriores.

La segunda fila muestra el diseño al cambiar el panel de 250

W por un panel de 320 W con un voltaje y corriente en el

punto óptimo de operación 37.1 V y 8.63 A [18],

observándose que no se modifican fuertemente las

características del diseño.

TABLA VII

RESUMEN DE LAS ESPECIFICACIONES DEL DISEÑO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO.

Especificaciones

de diseño

Consum

o medio

diario

Ah/día

Número

total de

paneles

solares

Numero

de paneles

en serie

Numero

de ramas

de paneles

en paralelo

Numero

de Baterías

Corriente

de entrada

de los

reguladores

A

Corriente

de salida de

reguladores

A

Paneles de 250 W –

reguladores sin MPPT 315.1 12 1 12 21 131.4 197.2

Paneles de 320 W –

reguladores sin MPPT 315.1 12 1 12 21 131.4 197.2

Paneles de 320 W –

reguladores con MPPT 315.1 9 1 9 21 102.8 197.2

Paneles de 250 W,

baterías de 240 Ah - MPPT 315.1 11 1 11 9 120.45 197.2

Paneles de 250 W,

baterías de 48 V 240 Ah -

MPPT

140.1 10 2 5 4 54.75 87.64

Paneles de 250 W,

baterías de 48 V 240 Ah 140.1 12 2 6 4 65.7 87.64

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9

Las especificaciones cambian cuando se considera en el

diseño, que el regulador de carga cuente con la opción del

MPPT, presentándose los resultados en la fila 3 de la Tabla

VI, donde se observa disminución en el número de paneles

con respecto a lo observado en la opción de diseño 2.

Al considerar la opción de utilizar baterías con mayor

capacidad, en este caso de 240 Ah, se observa una

disminución del número de 21 a solo 9. En cuanto al tipo de

tecnología, se asume el uso de baterías de automóvil (plomo-

acido inundadas o tipo arranque) como una opción viable,

debido a la disponibilidad comercial en el casco urbano del

municipio de Páez. Este tipo de baterías presenta una vida útil

de tan solo 3 a 8 años, sin embargo, su mantenimiento es más

fácil y resultan más económicas en comparación a las de

tecnología gel (plomo-acido gel), las cuales pueden durar entre

5 y 10 años y no requieren mantenimiento.

Los últimos dos diseños consideran la opción de

incrementar el voltaje de las baterías de 24 a 48 V, lo cual

mejora la eficiencia del inversor del 80 % al 90 % al no tener

la necesidad de elevar tanto el voltaje, originando una

disminución en el número de paneles cuando se usan

reguladores con MPPT. Del mismo modo se observa una

disminución del número de baterías necesarias a 4, debido a la

baja corriente a manejar de entrada y salida por parte de los

reguladores. La opción del manejar un voltaje de 48 V

también permite utilizar sistemas de electrónica de potencia

donde se integra el regulador de carga y el inversor como lo

son el Inversor con cargador XW+8548 E de Schneider

Electric [19].

VI. CONCLUSIONES

La opción de diseño obtenida que mejor se ajusta a las

condiciones de la aplicación, es aquella que involucra uso de

paneles fotovoltaicos policristalinos de 250W, baterías a 48V

a 240 Ah de plomo acido e inversores con MPPT, según los

resultados mostrados en la tabla VI. En ella se requiere menor

número de paneles, menores magnitudes de corriente en el

regulador e inversor, la posibilidad de reducir costos de

montaje y mantenimiento y buena posibilidad del sistema de

mantenerse operativo con las condiciones propias de la región.

Sin embargo, aún falta realizar la implementación y operación

del sistema con el fin de ponerlo bajo estricta observación en

condiciones reales de uso, y de esta manera definir posibles

correcciones o mejoras.

Los estudios realizados para la zona interés de este

proyecto, mostraron que la puesta en funcionamiento de una

micro-red que incorpore energía procedente de una PCH y/o

de una minicentral fotovoltaica (la energía eólica no resulto

con potencial aprovechable), puede equiparar los altos costos

de la conexión al Sistema de Interconexión Nacional SIN

debido a lo disperso de las comunidades y a la complejidad de

la topografía, lo que no hace viable este tipo de alternativas.

Se define en razón a esto, que las tecnologías desarrolladas

para el caso deben ser soluciones individuales que provean

energía a cada usuario en particular.

La metodología de diseño llevada a cabo puede replicarse

con facilidad para cualquier otra institución educativa con las

mismas características donde se espera que el sistema

implementado pueda resolver parte de las necesidades

energéticas.

REFERENCIAS

[1] “Informe mensual de variables de generación y del mercado eléctrico

colombiano”. UPME. Diciembre, 2015, Bogotá.

[2] Cobertura de Energía Eléctrica a 2015. “Sistema de Información

Eléctrico Colombiano-SIEL- del Ministerio de Minas y Energía”.

[Online]. Disponible: http://www.siel.gov.co/Inicio/Coberturadel

SistemaIntercontecadoNacional/ConsultasEstadisticas/tabid/81/Default.a

spx.

[3] Sitio oficial del municipio de Páez en Boyacá, Colombia. [Online].

Disponible: http://www.paez-boyaca.gov.co/.

[4] “Decreto Numero 001088 de Octubre 2011- Secretaria de Educación

Departamental”. Departamento de Boyacá. [Online]. Disponible:

http://www.dapboyaca.gov.co/descargas/zonas_rurales_dificil_acceso/d

ecreto%201088%202011.pdf

[5] Alcaldía de Páez 2015. [online], Disponible: http://www.paez-boyaca

.gov.co/mapas_municipio.shtml?apc=bcMapas%20Pol%EDticos-1-&x=

1524406

[6] UPME, “Atlas de Radiación solar de Colombia. Unidad de Planeación

Minero Energética”. Ministerio de Minas y Energía. 2015. [Online].

Disponible: http://www.si3ea.gov.co/si3ea/Home/EnergiaSolar/tabid/74

/language/en-US/Default.aspx

[7] UPME “Atlas de viento y energía eólica de Colombia. Unidad de

Planeación Minero Energética“. Ministerio de Minas y Energía. Bogotá.

[8] UPME, “Atlas-Potencial hidro-energético de Colombia. Unidad de

Planeación Minero Energética”. Ministerio de Minas y Energía. 2015.

[9] UPME “Informe mensual de variables de generación y del mercado

eléctrico colombiano. Unidad de Planeación Minero Energética”.

Ministerio de Minas y Energía. Subdirección de energía eléctrica –

grupo de generación. Diciembre de 2015. Bogotá.

[10] NASA “Surface meteorology and Solar Energy: RETScreen Data”.

[Online]. Disponible: https://eosweb.larc.nasa.gov/sse/RETScreen/

[11] NASA “Datos municipio de Paéz”. [Online]. Disponible

https://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/retscreen.cgi?email=rets%40nrc

an.gc.ca&step=1&lat=5.098889&lon=-73.051667&submit=Submit.

[12] M. Mora, “Instalaciones aisladas” en Instalaciones solares

fotovoltaicas; Paraninfo, 2013, pp 53-69.

[13] Boletín Solar fotovoltaica Autónoma, SunFields Europe. Santiago de

Compostela.

[14] Manual de uso y mantenimiento del sistema solar fotovoltaico

comunitario, Programa Euro Solar.

[15] M. Mora, “Células y módulos fotovoltaicos” en Instalaciones solares

fotovoltaicas; Paraninfo, 2013, pp 31-46.

[16] J. Romero, “Análisis del funcionamiento de paneles fotovoltaicos y su

utilización en las regiones de la costa y sierra del Ecuador. Caso de

estudio: Biblioteca Pompeu Fabra de Mataró”; M. S. trabajo de grado,

Escola Politecnica Superior d’Edificacio de Barcelona, Barcelona, 2015.

[17] Datasheet STP255 - 20/Wei. [Online]. Disponible: http://s

hangde.fanyacdn.com/imglibs/files/stp265_wei(265_260_255).pdf

[18] Datasheet STP320 - 24/Vem. [Online]. Disponible:

http://shangde.fanyacdn.com/imglibs/files/stp320_vem(mc4_320_315_3

10).pdf

[19] Datasheet Inversor con cargador XW+8548 E. [Online]. Disponible:

http://www.technosun.com/es/productos/inversor-cargador-SCHNEIDE

R-ELECTRIC-XW-PLUS-8548E.php

Luis Ariel Mesa Mesa: Ingeniero Electrónico de la

Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, con

Maestría en Ingeniería - énfasis en Energías Alternativas de la

Universidad Libre Bogotá. Investigador del Grupo de

Investigación en Robótica y Automatización Industrial GIRA

UPTC. Docente de la Escuela de Ingeniería Electrónica sede

Sogamoso de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de

Colombia.

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10

Camilo Andrés Sanabria Totaitive: Ingeniero Electrónico

con grado de honor en Ingeniería de la Universidad

Pedagógica y Tecnológica de Colombia, sede Sogamoso,

Maestría en Ingeniería Electrónica con énfasis en electrónica

de Potencia de la Pontificia Universidad Javeriana.

Investigador del Grupo de Investigación en Robótica y

Automatización Industrial GIRA UPTC. Docente de la

Escuela de Ingeniería Electrónica sede Sogamoso de la

Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia.

Wilson Javier Pérez Holguín: Ingeniero Electrónico de la

Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, con

Maestría en la Automatización Industrial de la Universidad

Nacional de Colombia y Doctorado en Ingeniería Electrónica

de la Universidad del Valle, Colombia. Director del Grupo de

Investigación en Robótica y Automatización Industrial GIRA

UPTC. Profesor asistente de la Escuela de Ingeniería

Electrónica sede Sogamoso de la Universidad Pedagógica y

Tecnológica de Colombia.