HERRAMIENTA COMPUTACIONAL PARA EL CÁLCULO DE …
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1 HERRAMIENTA COMPUTACIONAL PARA EL CÁLCULO DE SOLUCIONES FOTOVOLTAICAS María de la Paz Vidales Medina Proyecto de Grado Asesor: Álvaro Enrique Pinilla Sepúlveda, Ph. D. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Bogotá, D.C. Julio de 2016
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HERRAMIENTA COMPUTACIONAL PARA EL CÁLCULO DE SOLUCIONES
FOTOVOLTAICAS
María de la Paz Vidales Medina
Proyecto de Grado
Asesor:
Álvaro Enrique Pinilla Sepúlveda, Ph. D.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
Bogotá, D.C.
Julio de 2016
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Contenido
1. Nomenclatura ............................................................................................................................ 5
2. INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................... 6
3. OBJETIVOS .............................................................................................................................. 8
4. ENERGÍA SOLAR EN COLOMBIA ....................................................................................... 9
5. CANTIDAD DE AGUA MÍNIMA VITAL ................................................................................ 11
6. FACTORES ECONÓMICOS QUE AFECTAN UN SISTEMA FOTOVOLTAICO ......... 13
7. SISTEMAS DE BOMBEO FOTOVOLTAICO ..................................................................... 14
7.1. Descripción general .................................................................................................... 14
7.2. Componentes de un sistema fotovoltaico ............................................................... 14
8. RESUMEN DE EQUIPOS RECOPILADOS EN EL PROGRAMA .................................. 19
9. MARCO TEÓRICO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS .................................................. 20
9.1. Selección de sistemas de bombeo fotovoltaicos .................................................. 20
9.2. Sistemas de generación fotovoltaicos ..................................................................... 23
9.3. Análisis económico ..................................................................................................... 24
10. CÓMO UTILIZAR LA HERRAMIENTA COMPUTACIONAL PARA LA SELECCIÓN
DE SOLUCIONES FOTOVOLTAICAS ....................................................................................... 25
10.1. Sistemas de bombeo ................................................................................................. 25
10.2. Sistema fotovoltaico ................................................................................................... 33
10.3. Análisis económico ..................................................................................................... 35
11. CASO DE APLICACIÓN: SISTEMA DE BOMBEO EN UNA FINCA LECHERA ..... 37
12. CASO DE APLICACIÓN EDIFICIO W, UNIVERSIDAD DE LOS ANDES ................ 42
13. CASO DE APLICACIÓN DEL EDIFICIO W CON LOS INCENTIVOS DEL
GOBIERNO NACIONAL DESCRITOS EN EL DECRETO 2143 DEL 4 DE NOVIEMBRE
DEL 2015 ......................................................................................................................................... 47
14. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................. 49
15. Anexos ................................................................................................................................. 51
Bibliografía ....................................................................................................................................... 52
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Lista de ilustraciones
Ilustración 1: Jerarquía de las necesidades de agua (OMS, 2009). ......................... 11
Ilustración 2: Diagrama general de sistemas fotovoltaicos. ........................................ 14
Ilustración 3: Curva característica de un panel solar (SUNTECH, 2012). ................ 15
Ilustración 4: Esquema de un sistema de bombeo solar (Colombian Solar Systems,
2015). ................................................................................................................................... 25
Ilustración 5:Ventana de inicio. ............................................................................................ 28
Ilustración 6: Resumen información de salida de la herramienta. ............................. 30
Ilustración 7: Gráficas de volumen bombeado de agua y energía producida diaria.
.............................................................................................................................................. 30
Ilustración 8: Información del arreglo solar seleccionado. .......................................... 32
Ilustración 9: Información de los componentes de balance del sistema. ................. 32
Ilustración 10: Ventana de inicio de un sistema de generación fotovoltaica............ 34
Ilustración 11: Información de salida en la sección de análisis económico. ............ 36
Ilustración 12: Información del volúmen bombeado por día con el sistema
propuesto. ........................................................................................................................... 39
Ilustración 13: Resumen de equipos del sistema instalado en el edificio W............ 42
Ilustración 14: Resumen de producción de energia del sistema instalado en el
edificio W. ............................................................................................................................ 42
Ilustración 15,: Resumen de energía producida promedio diária por el sistema. ... 43
Ilustración 16: Resumen de equipos y generación de energía del sistema
propuesto. ........................................................................................................................... 44
Ilustración 17:Energía producida real y energía proyectada. ..................................... 44
Ilustración 18: Mapa multianual de radiación solar en Colombia (IDEAM, UPME, 2014). .. 51
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Lista de tablas
Tabla 1: Resumen de la base de datos de la herramienta.....................................19
Tabla 2: Características del sistema original de bombeo.......................................37
Tabla 3:Resumen del sistema propuesto...............................................................38
Tabla 4: Información de radiación solar de Bogotá................................................39
Tabla 5: Resumen de costos por valor unitarios de los equipos del proyecto......40
Tabla 6: Resumen del total de los costos de los equipos del proyecto. ................40
Tabla 7: : resumen de valores importantes en el análisis económico del
proyecto…………………………..…………………………………………….……......40
Tabla 8: Costo de los equipos por unidad del sistema propuesto. ........................45
Tabla 9: resumen de valores importantes en el análisis económico del
proyecto…………………………………………………………………………….........45
Tabla 10: Influencia de la TRM en el precio del kWh del proyecto………….…….46
Tabla 11: Valor de capital necesario para el proyecto con y sin IVA. ....................47
Tabla 12: Resumen de costos necesarios para el proyecto en los escenarios con y
sin IVA. ...................................................................................................................47
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1. Nomenclatura
Pr = Presión de entrada y salida [Pa]
v = Velocidad del fluido [m/s]
V= voltaje [V]
I = corriente [A]
Z = cabeza estática [m]
g= gravedad [𝑚 𝑠2⁄ ]
ℎ𝑓= pérdidas por fricción [m]
ℎ𝐿= pérdidas por accesorios [m]
ℎ𝑝= Energía por unidad de peso aportada por la bomba [m]
𝜂= Eficiencia [%]
Q= caudal [𝑚3 𝑠⁄ ]
ρ= densidad [𝑘𝑔 𝑚3⁄ ]
𝜔= velocidad angular [rad/s]
T= Momento par [Nm]
𝑛= vida útil del proyecto [años]
𝑉𝑝= valor presente de un flujo de costos [$]
𝑖𝑟𝑒𝑎𝑙= interés real [%]
𝑖𝑖𝑛𝑓𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛=inflación [%]
𝑖𝐸𝐴= interés efectivo anual [%]
P = Potencia [W]
kWh = kilo Vatio hora
Wp= Vatio pico
F.D = factor de desacople [-]
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2. INTRODUCCIÓN
Cada etapa de la historia de la civilización se ha caracterizado por el
descubrimiento o mejor uso de algún recurso energético, desde los molinos de
viento, hasta la máquina de vapor. Actualmente, los recursos energéticos
principales se derivan de combustibles fósiles. Esta dependencia está afectando
la estabilidad de nuestro planeta, ya que las huellas de carbón que generan
alteran la temperatura global y en consecuencia la vida en la tierra. Colombia no
es ajena a esta problemática, en lo corrido del 2016 el país enfrentó una de las
sequias más fuertes de su historia, afectando no solo la disponibilidad de agua en
el país, sino también el recurso energético. Esta situación llevó al Gobierno
Nacional a concientizar a la población sobre los hábitos de consumo que llevaban
hasta el momento para poder asegurar los recursos energéticos en el futuro.
Entre otras, la energía solar fotovoltaica se presenta como una alternativa de
energía limpia, en el sentido de que sus emisiones asociadas (40 kg CO₂ eq/MWh)
son mucho más bajas que las generadas por plantas operadas con combustibles
fósiles (1000 kg CO₂ eq/MWh) (National Renewable Energy Laboraotry, 2012). A
nivel de capacidad instalada, en el 2014, el 6% de la generación mundial de
energía fue producida por fuentes renovables, de los cuales 177GW fueron
aportados por la energía solar fotovoltaica (Renewables 2015 global status report,
2015). En Colombia se estima que en el 2010 se tenían 9 MWp instalados de
energía fotovoltaica y se espera que aumente progresivamente (UPME, 2015). Sin
embargo, factores económicos y políticos no han permitido que esta tecnología
penetre el mercado energético nacional de forma masiva, debido a que su
inversión implica grandes cambios en el mercado y el consumo energético del
país.
La Ley 1715 del 2014 fue el primer paso del país para integrar las energías
renovables no convencionales al sistema energético nacional. Esta ley establece
puntos clave para lograr rentabilidad en proyectos fotovoltaicos, y de esta manera
hacerlos económicamente competitivos frente a otras fuentes de generación de
energía. Por ejemplo, en el artículo 8 se establece la posibilidad de entregar a la
red eléctrica nacional el excedente de los auto-generadores, y reconocer ese
excedente como créditos energéticos, es decir, se implementaría la medición
bidireccional en el país. Los artículos 11 al 14 establecen incentivos fiscales como
la reducción de renta gravable hasta del 50% por cinco años, exclusión del IVA y
exención arancelaria. Esta ley se vio reglamentada por el Decreto 2143 del 4 de
noviembre del 2015, en la cual se hace énfasis en los siguientes incentivos
económicos: deducción especial sobre el impuesto de renta, exclusión del IVA,
exención de gravamen arancelario y régimen de depreciación acelerada.
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A nivel de recurso hídrico, Colombia se perfilaba como uno de los países más
ricos y fuertes a nivel mundial; sin embargo, el mal uso del recurso y la falta de
protección de los páramos y las cuencas hidrográficas han generado que
poblaciones enteras queden sin el mínimo vital de agua potable. La Guajira y
Casanare son los casos más recientes y públicos que ha tenido el país, donde se
vieron a cientos de animales (Casanare) (Semana, 2014) y niños (Guajira) (Ávila,
2016) sufrir por falta de agua. Este problema se acrecienta, dado que
normalmente las poblaciones que no cuentan con recurso hídrico para consumo,
tampoco cuentan con recursos energéticos, haciendo las actividades de bombeo
desde fuentes subterráneas o superficiales imposibles.
La solución propuesta para este tipo de comunidades es el bombeo fotovoltaico, el
cual cuenta con una bomba y un arreglo solar, que provee la energía. Usualmente
estas poblaciones no cuentan con recursos hídricos superficiales, por lo que se
debe acudir a fuentes subterráneas, haciendo necesario el uso de bombas
sumergibles. Estos sistemas son ideales para solucionar este tipo de problemas
debido a que la oferta actual permite encontrar bombas con un gran rango de
trabajo. Además, el mantenimiento que requiere este tipo de sistemas es casi
mínimo, permitiendo que la población mantenga en funcionamiento el sistema.
Como se expuso anteriormente, en este momento gran parte de nuestro país sufre
de sed y no cuenta con el mínimo de recursos energéticos (Bohórquez, 2016), por
lo que buscar una solución es indispensable. La energía fotovoltaica se presenta
como una alternativa energética (por si sola) e hídrica (como fuente energética de
una bomba) a la que vale la pena invertir tiempo y recursos.
La necesidad de garantizar el mínimo de agua vital y recursos energéticos para
todas las poblaciones de Colombia fue el principal motivo de este proyecto, del
cual surgió una herramienta computacional sencilla, con la cual se pueden
calcular, seleccionar y evaluar económicamente soluciones fotovoltaicas. Para su
realización se investigó sobre el panorama de la energía solar en Colombia, la
cantidad mínima vital de agua requerida por persona, factores económicos y los
componentes y funcionamiento de un sistema fotovoltaico. Esta herramienta fue
probada en dos casos de aplicación, y pretende ser una ayuda para todo aquel
que quiera utilizar la tecnología fotovoltaica como una fuente de energía directa o
hídrica (junto con equipos de bombeo). Los conocimientos teóricos básicos y la
guía de funcionamiento del programa se presentan a lo largo de este informe.
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3. OBJETIVOS
El objetivo principal de este proyecto es desarrollar una herramienta
computacional en una hoja de Excel® para el cálculo y selección de soluciones
fotovoltaicas. Para lo cual es necesario primero, identificar los componentes de un
sistema fotovoltaico, tanto en sistemas de bombeo como en sistema de
generación de energía. Una vez se identifiquen los componentes necesarios se
recopilará información técnica en una hoja Excel® utilizando la oferta de equipos
fotovoltaicos en Colombia, de la cual se alimentará el programa. Utilizando
programación básica de macros en Excel® será posible iterar en una serie de
restricciones impuestas por el usuario las características técnicas de cada
componente hasta encontrar la mejor solución fotovoltaica para cada necesidad.
Además, se pretende entregar al usuario una idea de los costos y beneficios
económicos asociados a los sistemas fotovoltaicos, por lo tanto es necesario
reconocer los factores económicos que influyen en estos sistemas. Finalmente, se
realizarán dos casos de aplicación para verificar el funcionamiento del programa
desarrollado: un caso de aplicación de bombeo fotovoltaico en una finca lechera y
un sistema fotovoltaico para el edificio W de la universidad de los Andes. En este
último se realizará una comparación con el sistema que ya se encuentra instalado
en el edificio y adicionalmente se comparará la viabilidad económica del proyecto
con y sin los beneficios ofrecidos por el gobierno nacional.
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4. ENERGÍA SOLAR EN COLOMBIA
La ilustración 18 (ver sección de anexos) es el mapa del promedio interanual de
radiación solar incidente en Colombia realizado por el IDEAM (IDEAM, UPME,
2014). En este se identifican tres zonas que sobresalen por la cantidad de
radiación que reciben durante el año, las cuales se ubican en la Región Caribe,
Oriente, y Andina. Entre estas zonas es importante resaltar el departamento de la
Guajira, ya que en promedio recibe valores de radiación entre 5.5 y 6 kWh/m², de
los mayores del país. Se debe recordar que este departamento ha presentado
problemas con el suministro tanto de energía como de agua potable, por lo que la
implementación de sistemas de bombeo con alimentación fotovoltaica es una
opción viable para los habitantes de esta zona. El gobierno identificó este sistema
como una solución a los problemas de la comunidad y está entregando pozos
activos con bombeo solar a los habitantes más vulnerables de la región
(Presidencia de la República, 2016).
Colombia es privilegiada con la cantidad de radiación solar que recibe; sin
embargo, a pesar de su potencial, esta tecnología no ha sido adaptada en el país
de forma masiva. Al revisar la oferta de equipos solares en Colombia se encontró
una oferta limitada en equipos fotovoltaicos, especialmente en equipos de bombeo
solar (monopolizada por los fabricantes Lorentz y Grundfos) y con precios
elevados. Se espera que con el reciente interés en las energías renovables en el
país se incremente la oferta del mercado solar, para así incrementar la
competitividad y ofrecer mayores opciones a los usuarios.
A nivel de producción de energía eléctrica algunas empresas públicas y privadas
han identificado el potencial del país en sistemas fotovoltaicos y el impacto que
estos pueden generar en la calidad de vida de poblaciones en las zonas no
interconectadas de Colombia. Entre las iniciativas más importantes se encuentra
XUÉ, un proyecto conjunto entre la empresa de energía de Cundinamarca y la
gobernación de Cundinamarca. Este proyecto está orientado a los habitantes de
Yacopí y Caparrapí, municipios sin acceso a la red eléctrica nacional y con
grandes retos en malla vial. XUÉ entrega un kit de energía solar, el cual incluye
tres paneles solares de 250 Wp, 2 baterías de 205 Ah y un conjunto de
electrodomésticos básicos para ser utilizados con el sistema fotovoltaico. Cada
sistema se entrega a las familias en modalidad de arriendo y se involucra a los
habitantes de la zona desde el transporte de los equipos hasta el mantenimiento,
para generar sentido de pertenencia con el proyecto y cuidado del mismo. El
proyecto tendrá impacto en 59 familias de esta región (Gutiérrez, 2016). La
empresa AB energía también ha decidido invertir en estos sistemas en los
municipios de Trinidad y Paz de Ariporo, con la diferencia de que estos sistemas
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en lugar de contar con un banco de baterías de apoyo contará con una plata
diésel, por lo que el sistema funcionará como un sistema híbrido. La empresa
piensa empezar el piloto en Casanare y replicarlo en las zonas no
interconectadas del país (Dinero, 2016).
En conclusión, el mercado de energía solar en Colombia es muy joven aún y tiene
una oferta limitada de equipos; no obstante, debido a la cantidad de recurso solar
disponible se observa un gran potencial en este tipo de tecnología. El gobierno
nacional ha entregado algunos puntos importantes de bombeo solar, los cuales,
junto con los incentivos financieros descritos en la Ley 1715 del 2014 pueden
generar mayor interés para la inversión en este tipo de energía. Además, se
observa un interés particular de empresas privadas en sistemas fotovoltaicos en
poblaciones no interconectadas a la red eléctrica nacional, lo que permitiría que
cada vez más familias en Colombia cuenten con recursos básicos de energía para
mejorar su calidad de vida.
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5. CANTIDAD DE AGUA MÍNIMA VITAL
Para poder pensar en suplir un recurso básico para la vida humana como el agua,
es necesario primero conocer cuál es la cantidad mínima de este recurso que se
debe suministrar a cada persona para garantizar su vida en la tierra. Según la
FAO (Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura)
el consumo y calidad del agua necesario por persona está condicionado por el tipo
de cobertura que requiera la comunidad usuaria (ver la ilustración 1, Jerarquía de
las necesidades del agua).
Ilustración 1: Jerarquía de las necesidades de agua (OMS, 2009).
El suministro de agua para una comunidad debe pasar por un proceso de
recolección, almacenamiento, tratamiento y distribución. Cada una de estas
etapas incluye un costo, por lo que se debe ser selectivo a la hora de decidir que
necesidades se van a cubrir, ya que se puede afectar la viabilidad económica del
proyecto. Para evitar sobrecostos la FAO establece que a medida que se quieran
cubrir necesidades no vitales la calidad del agua entregada puede disminuir, dado
que las nuevas actividades que se sumen como lavar la ropa y alimentar animales
no requiere de un tratamiento estricto para su consumo. Esta medida disminuye el
costo final del sistema de bombeo y permite a las comunidades tener una
cobertura total de sus necesidades.
Además de pensar en la calidad y cantidad de agua mínima para la vida, la
ilustración 1 muestra cómo estas necesidades se suman progresivamente y no
necesariamente deben ser suplidas en su totalidad en una sola etapa. Las
necesidades básicas de consumo para beber y cocinar son las que menor
cantidad y mayor calidad de agua requieren y deben ser el objetivo principal e
inicial en un sistema de suministro de agua. Una vez se han suplido las
necesidades básicas de consumo se puede pensar en suplir recursos para
necesidades de aseo, las cuales aumentan la calidad de vida de la población, pero
no son decisivas en la supervivencia de sus habitantes. Finalmente, cuando se
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han suplido requerimientos directos de la población humana se pueden pensar en
suministrar agua a terceros, como los es el ganado y las plantaciones de una
comunidad. Como se mencionó anteriormente, en este punto final de suministro, la
calidad del agua es mucho más baja que la que requieren los habitantes para
consumo directo.
Según lo anterior, para realizar un sistema de suministro de agua hay varios
factores que se deben tener durante la plantación inicial del proyecto, como por
ejemplo, se debe pensar no solo en la fuente hídrica que se tenga, sino en la
cantidad de personas usuarias que se va a tener y las necesidades que se van a
cubrir, ya que de esta última dependen la cantidad y calidad del agua suministrada
y en consecuencia los costos asociados y la viabilidad económica del proyecto
(OMS, 2009).
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6. FACTORES ECONÓMICOS QUE AFECTAN UN SISTEMA
FOTOVOLTAICO
En los factores económicos que afectan los sistemas fotovoltaicos se identifican
tres variables principales que determinan los costos totales de este tipo de
proyectos y en consecuencia afectan su viabilidad económica. Entre estos se
tienen los costos iniciales, recurrentes y tasas bancarias y nacionales. Los dos
primeros se pueden entender como una inversión directa para el proyecto, es
decir, son necesarios para su funcionamiento técnico. Por otro lado, las tasas
bancarias y nacionales no se manifiestan como un gasto para la operación del
proyecto, sino que están asociados a tasas impositivas por el gobierno y los
bancos (en caso de requerir financiación) y por lo general no son negociables. A
continuación se hace una breve explicación de cada variable mencionada
anteriormente:
Costos iniciales: Incluye toda la inversión inicial que requiere el proyecto. Esto
incluye gastos de capital, es decir, los elementos físicos necesarios como los
paneles, bombas, controladores, tanques de almacenamiento, cables, tubería e
inversores. Además, se deben incluir todos los gastos necesarios no materiales
necesarios para empezar la operación del proyecto, como el costo de la
instalación, mano de obra y el transporte de equipos (Roy Barlow, 1993).
Costos recurrentes: Se refiere a todos los gastos necesarios para la operación
del proyecto, pero que se espera ocurran pocas veces en la vida útil del mismo.
En estos se incluyen los costos de operación y mantenimiento y costos de
reemplazo de equipos (inversores, bombas, controladores y baterías). En un
proyecto de energía no renovables se debería agregar el costo del combustible, ya
sea diésel o el consumo de energía eléctrica que se obtiene de la red, es en este
punto donde los sistemas fotovoltaicos tienen una ventaja frente a los demás
sistemas, ya que no requiere de ningún combustible adicional a la radiación solar
(Roy Barlow, 1993).
Tasas nacionales y bancarias: Se refiere a los costos que se deben pagar al
gobierno y a los bancos en caso de que se requiera de un préstamo para financiar
el proyecto, estos incluyen IVA, costos de importación, tasa de inflación y tasas de
interés. Se debe aclarar que las tasas nacionales e inflación no son negociables,
controlables y son de obligatorio cumplimiento; por otro lado, para buscar
viabilidad económica las tasas bancarias se pueden negociar y buscar en el
mercado la mejor opción para el proyecto (Roy Barlow, 1993).
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7. SISTEMAS DE BOMBEO FOTOVOLTAICO
7.1. Descripción general
Un sistema fotovoltaico es aquel que utiliza como fuente de energía principal la
radiación solar. Para esto se utilizan arreglos fotovoltaicos que convierten la
radiación solar en energía eléctrica y la transfiera a través de corriente directa.
Estos sistemas requieren frecuentemente de equipos, conocidos como el balance
del sistema, que regulen (controladores), conviertan (inversores) y almacenen
(baterías) la energía obtenida del arreglo solar para poder tener el mejor
rendimiento posible del sistema.
Con base en la descripción realizada en el párrafo anterior, los sistemas
fotovoltaicos se pueden resumir siguiendo la lógica de la ilustración 2. Estos
sistemas cuentan con un arreglo fotovoltaico (captura energía solar), el cual
transfiere energía eléctrica a los elementos de balance del sistema para
finalmente entregarla al consumidor final. En el caso específico de sistemas de
bombeo fotovoltaico, el único consumidor final de la energía debe ser el sistema
de bombeo, el cual utiliza la energía eléctrica recibida para generar energía
mecánica.
Ilustración 2: Diagrama general de sistemas fotovoltaicos.
7.2. Componentes de un sistema fotovoltaico
Arreglo fotovoltaico
Un arreglo fotovoltaico consiste en una agrupación de módulos solares, los cuales
cuentan con un conjunto de celdas fotovoltaicas. El principio de operación de
estas celdas está basado en el efecto fotoeléctrico, característico de algunos
Arreglo Fotovoltaico
• Sistema de panales solares
• Estructuras
Balance del sistema (BOS)
• Controladores
• Inversores
• Baterias
Consumidor de energía
• Bomba
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materiales, los cuales liberan electrones al recibir fotones de la radiación incidente
y en consecuencia generan una corriente eléctrica (Knier, 2002).
Los módulos se fabrican generalmente de silicio y pueden ser de dos tipos:
monocristalino y policristalino. Los módulos monocristalinos utilizan un solo cristal
de silicio (se caracterizan por su color negro y forma de rombo), permitiendo a los
electrones liberados moverse más libremente, por lo que generalmente estos
módulos presentan mayores eficiencias y en consecuencia mayores costos. Los
módulos policristalinos se componen de una agrupación de cristales de silicio,
estos suelen tener menores eficiencias y menores costos (National Energy
Foundation, 2008).
Normalmente los fabricantes entregan datos de potencia, voltaje de mejor
operación, corriente de mejor operación, corriente de corto circuito y voltaje de
circuito abierto de cada módulo. Cada parámetro se calcula en condiciones
estándar de prueba, la cual establece una incidencia de radiación de 1000 𝑊/𝑚2 y
una temperatura de 25°C. En condiciones de operación real estos parámetros no
siempre se cumplen, por lo tanto, los sistemas se deben seleccionar basados en
las curvas de rendimiento de los módulos a diferentes tasas de radiación y
temperatura. Esta información se puede observar en la ilustración 3, donde se
presenta un ejemplo de una curva característica de un módulo solar.
Ilustración 3: Curva característica de un panel solar (SUNTECH, 2012).
Controlador
Un controlador, como su nombre lo indica, controla la cantidad de corriente y
voltaje que transfiere el arreglo fotovoltaico al consumidor de energía. Son
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comúnmente utilizados cuando el sistema cuenta con un banco de baterías, ya
que ayuda a controlar la energía que reciben, y así extender la vida útil de las
mismas. Los sistemas de bombeo también son usuarios de los controladores de
carga, especialmente de la tecnología MPPT (Seguidor del Punto de Máxima
Potencia), ya que les permite obtener el máximo de potencia posible entregado
por el arreglo fotovoltaico en cada momento. Existen dos tipos de controladores,
MPPT (Seguidor del Punto de Máxima Potencia) y PWM (Modulación por ancho
de pulsos), los cuales se presentan a continuación:
MPPT (Seguidor del Punto de Máxima Potencia)
Al recordar la ley de ohm en la cual 𝑃 = 𝐼 × 𝑉, donde P representa la potencia, I la
corriente y V el voltaje, es posible deducir que el punto de máxima potencia se
alcanza cuando el producto de voltaje y corriente es el máximo. El controlador
MPPT intenta entregar siempre este nivel de potencia, independientemente de las
condiciones de radiación del ambiente; es decir, si el voltaje en el sistema
fotovoltaico cae, el controlador aumenta la corriente entregada para que la
potencia final sea constante, y viceversa. Además, el controlador no solo permite
regular la energía que entra al consumidor, sino que permite regular el voltaje de
alimentación del mismo, lo que significa que se puede tener un voltaje nominal del
sistema fotovoltaico mayor al voltaje de alimentación del consumidor (Mayfield,
2010).
Los controladores MPPT son los más utilizados actualmente, dado que permiten
obtener la mayor cantidad de potencia posible de un sistema de paneles solares,
basado en las curvas de PV (potencia-voltaje) de cada módulo solar.
PWM (Modulación por ancho de pulsos)
Los controladores PWM se utilizan generalmente en sistemas pequeños con
bancos de baterías. El principio de operación del controlador es muy sencillo: el
controlador regula por pequeñas “pulsaciones” la corriente que recibe hacia el
consumidor final, es decir, que el controlador envía pequeños paquetes de
corriente, como si apagara y prendiera la alimentación muchas veces cada
segundo. La batería recibe la corriente que necesita y a medida que va
completando su ciclo de carga el controlador baja la velocidad de estas
pulsaciones para finalmente dejar de enviar energía al banco. Este tipo de
controladores no puede modificar el voltaje de salida de los módulos solares, por
lo que se debe tener cuidado en fijar un voltaje único para las baterías y el arreglo
solar (Blue Light, 2011).
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Inversor
La corriente eléctrica es un mecanismo de transporte de energía, la cual se puede
entregar en forma continua o alterna. La corriente continua (DC current) viaja en
una sola dirección y no varía en el tiempo, por otro lado, la corriente alterna (AC
current) cambia de frecuencia y su recorrido tiene una forma sinusoidal.
Dado que los sistemas fotovoltaicos entregan energía en forma de corriente
directa, y los elementos eléctricos de uso común consumen energía en forma
alterna es necesario insertar al sistema un equipo que transforme la corriente
directa en alterna, para poder ser consumida. Este tipo de equipos se conocen
como inversores, los cuales se ubican generalmente justo antes del consumidor
final de energía (Inverters Canada, 2015).
Baterías
Las baterías son elementos de almacenamiento de energía, capaces de entregar
energía eléctrica mediante la generación de una reacción química. Los
componentes principales de una batería son las celdas, las cuales cuentan con
placas cargadas positiva y negativamente inmersas en un electrolito, líquido o gel,
el cual sirve de medio para propiciar el flujo de electrones entre las placas
cargadas.
Las baterías se clasifican dependiendo el tipo de electrolito y el material de las
placas utilizadas. De acuerdo con estas variables cada batería presentará una
profundidad de descarga (la cual representa la cantidad de energía que puede
entregar una batería) y un ciclo de vida característico; generalmente, entre mayor
sea la descarga de la batería menor será su ciclo de vida (Mayfield, 2010).
Bombas
Las bombas son elementos mecánicos que transforman energía mecánica en
energía hidráulica. Se pueden clasificar dependiendo el tipo de instalación que
tengan, pueden ser superficiales o sumergibles, y el principio de operación de las
mismas, las cuales las divide en centrifugas y de desplazamiento positivo.
Bombas centrífugas
Este tipo de bombas entregan energía cinética al fluido a través del aumento de su
velocidad, obligándolo a interactuar con un rotor girando a grandes velocidades.
Cuando el fluido deja de estar en contacto con el rotor se encuentra con la carcasa
de la bomba, la cual disminuye la velocidad adquirida por el fluido y convierte la
energía cinética en energía en forma de presión (Grundfos).
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La adición y conversión de energía se modela por medio de la ecuación de
Bernoulli, en donde se tiene en cuenta la cabeza entregada por la bomba y las
pérdidas generadas por fricción y accesorios.
(𝑃𝑟1
𝜌𝑔+
𝑉2
2𝑔+ 𝑧1)
𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
= (𝑃𝑟2
𝜌𝑔+
𝑉22
2𝑔+ 𝑧2)
𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
+ ℎ𝑓 + ℎ𝐿 − ℎ𝑝
La eficiencia de una bomba centrífuga depende de la cantidad de energía
mecánica que pueda transferir al fluido en forma de energía hidráulica, de la
siguiente manera (White, 2003):
𝜂 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 ℎ𝑖𝑑𝑟á𝑢𝑙𝑖𝑐𝑎
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑚𝑒𝑐á𝑛𝑖𝑐𝑎
𝜂 =𝜌𝑔𝑄ℎ𝑝
𝜔𝑇
Los motores de las bombas centrífugas pueden funcionar con cualquier tipo de
combustible, desde diésel hasta energía eléctrica. En aplicaciones solares los
fabricantes han adaptado motores eléctricos, por lo general sin escobillas, los
cuales trabajan con corriente directa, para evitar el uso de un inversor.
Bombas de desplazamiento positivo
En este tipo de bombas, el fluido es desplazado gracias a cambios de volumen en
el interior de la bomba. A diferencia de las bombas centrífugas, estas bombas
tienen múltiples mecanismos de funcionamiento, como pistones, paletas, tornillos,
piñones, etc. Se dividen en dos grandes grupos: reciprocantes y rotativas. Las
bombas rotativas presentan un eje giratorio y una carcasa como las bombas
centrífugas, pero en estas, el fluido es movido gracias a la reducción del volumen
contenido del mismo, el cual obliga al fluido a desplazarse. Su contraparte, las
bombas reciprocantes comprimen el fluido en una cámara para después forzarlo a
salir, funcionan a bajas velocidades y el caudal desplazado depende del radio del
pistón y la carrera del mismo.
Las bombas de desplazamiento positivo funcionan muy bien con fluidos altamente
viscosos y a grandes presiones, ya que su operación depende más de la
velocidad de rotación que de la cabeza de entrada. Son también utilizadas para
dosificación ya que se puede controlar la cantidad de fluido desplazado en cada
carrera (Gunt, 2005).
19
8. RESUMEN DE EQUIPOS RECOPILADOS EN EL PROGRAMA
En la Tabla 1 se presentan el resumen de la cantidad de equipos que alimentan el
programa. Se debe resaltar que todos los inversores, controladores de batería,
baterías y paneles solares recopilados se encuentran en el mercado colombiano,
sin embargo, en la información de bombas y de controladores de bombas se
agregó oferta del mercado estadounidense debido a la poca oferta encontrada en
Colombia.
Equipo Cantidad
Panel solar 210
Bomba 141
Controlador de batería
76
Controlador de bomba
20
Inversor 137
Batería 57
Información de radiación
39 ciudades
Tabla 1: Resumen de la base de datos de la herramienta1.
1 La información de radiación se obtuvo de RETscreen® (Government of Canada, 2016).
20
9. MARCO TEÓRICO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
Al momento de seleccionar un sistema de alimentación fotovoltaica lo más
importante es determinar la cantidad de energía requerida y las condiciones
ambientales (radiación solar incidente) a las que estará expuesto el sistema. En un
sistema de alimentación fotovoltaico doméstico la carga total requerida está dada
por la cantidad de elementos consumidores que se tenga y la cantidad de horas
que estos estén trabajando, un cálculo relativamente sencillo. Por otro lado, en
sistemas de bombeo fotovoltaico determinar la energía necesaria depende
además, de otras variables del sistema, como el volumen de agua requerido y la
fuente hídrica que se tenga. A continuación se presenta una guía para determinar
la carga energética de un sistema de bombeo con alimentación fotovoltaica y un
sistema de alimentación de energía fotovoltaica común, en la cual se basa el
programa desarrollado.
9.1. Selección de sistemas de bombeo fotovoltaicos
Primera parte: Determinar la potencia que debe ser entregada por el sistema
fotovoltaico.
1. Determinar el volumen de agua requerido por día, esto permitirá establecer
el caudal que manejará el sistema. El valor se puede dar en 𝑚3 ℎ⁄ o gpm.
2. Determinar la cabeza dinámica del sistema. Este parámetro establece la
energía por unidad de peso que necesitará suministrar la bomba al fluido
para entregarlo en el punto de consumo, y se rige bajo la ley de Bernouilli.
Las variables que influyen la cabeza son:
2.1. Profundidad del pozo, si la bomba es sumergible.
2.2. Longitud total de la tubería.
2.3. Accesorios como codos, entradas, salidas, etc.
2.4. Distancia vertical del tanque de almacenamiento o punto de
entrega del agua.
2.5. Diámetro de la tubería.
2.6. Densidad y viscosidad del fluido.
2.7. Presión inicial y final del fluido.
Con las variables descritas anteriormente, y utilizando la ecuación de Bernouilli se
puede determinar la cabeza dinámica que tendrá que entregar la bomba, medida
en metros [m].
3. Una vez se tenga la cabeza y caudal requerido se puede proceder a
escoger una bomba que cumpla con las condiciones impuestas por el
21
consumidor. Esta bomba consume una cantidad de potencia específica, la
cual será entregada por el sistema fotovoltaico.
4. Determinar la cantidad de horas al día que trabajará el sistema. Si la bomba
debe ser utilizada en horas de la noche, cuando no hay luz solar, se debe
utilizar un sistema de baterías o conectar el sistema a la red eléctrica para
darle apoyo cuando la energía solar no es suficiente.
5. Determinar la energía total consumida durante el día. (El siguiente
procedimiento se obtuvo de la sección “Solar power” del libro The power
guide, 1994).
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 [𝑊] × ℎ𝑜𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑎𝑙 𝑑𝑖𝑎 [ℎ] = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑜 [𝑊ℎ
𝑑í𝑎]
6. Determinar la potencia requerida del arreglo fotovoltaico que dependerá de
la cantidad de energía que se pierda con cada accesorio de balance, como
los controladores y las baterías. En este punto no se han escogido los
accesorios, por lo que se puede dar un estimado del 90% de eficiencia
global.
𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑜 [𝑊ℎ𝑑í𝑎
]
∏ 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑜𝑟𝑖𝑜𝑠= 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎 [
𝑊ℎ
𝑑í𝑎]
7. Determinar la radiación solar incidente diaria por metro cuadrado en el lugar
donde se instalará el sistema. Esta información se puede obtener de
diferentes organizaciones como el IDEAM (IDEAM, UPME, 2014), o
herramientas computacionales como RETScreen (Government of Canada,
2016). Se presenta en kWh/m²/d.
8. Una vez se tiene la cantidad de radiación solar y los requerimientos de
energía es posible hacer un estimado de la potencia total que deberá
entregar el sistema completo. Se agrega un factor de desacople asumiendo
que la radiación total no se usa en su totalidad, generalmente es del valor
de 0.85.
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑟𝑟𝑒𝑔𝑙𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 [𝑊𝑝] =𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎 [
𝑊ℎ𝑑í𝑎
]
𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 [
𝑘𝑊ℎ𝑚2
𝑑] × 𝐹. 𝐷
Segunda parte: Determinar los accesorios del balance del sistema.
1. Escoger la potencia nominal de panel solar que se usará en el sistema. El
número de paneles necesarios dependerá de esta potencia.
22
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 =𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑟𝑟𝑒𝑔𝑙𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 [𝑊𝑝]
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙 [𝑊𝑝]
2. Criterio de selección de controlador:
El Fabricante especifica el controlador que debe utilizarse con cada bomba,
es por esto que es común encontrar bomba y controlador en un solo
paquete de venta. Cuando el sistema no requiere de baterías, este
controlador especificado por el fabricante es suficiente para el sistema.
Cuando el sistema requiere de un sistema de almacenamiento de energía
como las baterías se requiere de un controlador que sirva de puente entre
las baterías y el arreglo solar, es decir, es necesario otro regulador de
carga. Inicialmente se debe elegir entre MPPT y PWM, esta elección suele
estar sujeta al tamaño del arreglo solar.
Para saber cuál es el controlador más adecuado para el sistema se deben
conocer la corriente, voltaje y potencia de operación de todo el arreglo
solar. El voltaje se obtiene sumando los voltajes de circuito abierto de los
paneles arreglados en serie, y la corriente se obtiene sumado la corriente
de corto circuito de los paneles arreglados en paralelo.
Una vez se tiene el voltaje y la corriente del arreglo se puede elegir el
controlador para el sistema, el cual será inicialmente del tipo que se haya
escogido inicialmente (MPPT o PWM), y deberá aceptar el voltaje mayor o
igual al voltaje de salido del arreglo solar y una valor igual o mayor de la
corriente de operación calculada anteriormente.
El programa elige el controlador adecuado para cada sistema discriminando
valores de corriente, voltaje y potencia. Si el sistema es demasiado grande
para un solo controlador, el programa le dirá cuántos controladores utilizar
en su proyecto fotovoltaico.
3. Dimensionamiento del banco de baterías.
La cantidad de energía almacenada depende del consumo en Wh diario,
del número de días de autonomía que se espera que tenga el sistema, el
voltaje nominal del sistema y el porcentaje de descarga permitido en cada
batería.
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎𝑠 [𝐴ℎ] = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑜 [
𝑊ℎ𝑑í𝑎
] × 𝑑í𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚í𝑎
𝑃𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 % × 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙
23
9.2. Sistemas de generación fotovoltaicos
Primera parte: Determinar la potencia requerida por el consumidor.
1. Determinar el consumo energético diario, el cual depende de la potencia
que consuman los elementos que quiera alimentar, y la cantidad de hora
que estos trabajen al día. Estos elementos se deben discriminar por el tipo
de corriente que consuman, AC o DC. El total de Wh que requiera será
entonces:
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 [𝑊ℎ
𝑑í𝑎] =
∑ 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜𝑟 𝐷𝐶 × ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑢𝑠𝑜
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟+ [∑ 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜𝑟 𝐴𝐶 × ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑢𝑠𝑜]
La eficiencia normal de un inversor es de 90%, por lo que se utilizará este
valor como valor inicial en el programa.
2. Con el consumo energético se puede calcular el arreglo solar más
apropiado para los requerimientos impuestos al sistema. El procedimiento
se repite desde el paso seis de la primera parte de la sección de Sistemas
de bombeo fotovoltaicos, descritos anteriormente.
Segunda parte: Determinar los accesorios del balance del sistema.
1. Escoger la potencia nominal de panel solar que se usará en el sistema. El
número de paneles necesarios dependerá de esta potencia.
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 =𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑟𝑟𝑒𝑔𝑙𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 [𝑊𝑝]
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙 [𝑊𝑝]
2. Criterio de selección de controlador: Ver sección dos de la segunda parte
de Sistemas de bombeo fotovoltaicos, expuesto anteriormente.
3. Selección de inversor: Para seleccionar un inversor se deben tener dos
variables claras: el voltaje de trabajo en AC y la potencia que puede recibir
el inversor. Por lo general los electrodomésticos que utilizan corriente AC lo
hacen con un voltaje de 120 0 240V. Una vez se ha escogido el voltaje de
trabajo el programa busca que inversor cumple con esta condición y
además puede manejar la potencia impuesta por el arreglo fotovoltaico. Si
ningún inversor cumple con ambos requerimientos, el programa le dirá el
número de inversores que debe utilizar para poder completar su sistema.
En sistemas con controlador e inversor, el programa intentará buscar
24
ambos equipos del mismo fabricante buscando evitar desacoples en el
sistema.
4. Selección de baterías: Ver la sección tres de la segunda parte de Sistemas
de bombeo fotovoltaicos, expuesto anteriormente.
9.3. Análisis económico
El principal valor que se busca obtener con el análisis económico es el
precio por kWh asociado, ya que este es el valor que permite comparar los
proyectos de energía fotovoltaica con otro tipo de generación eléctrica. Para lo
anterior se utiliza el método de las anualidades, el cual consiste en traer un flujo
de costos durante la vida útil del proyecto a valor presente, y calcular una
anualidad equivalente asumiendo que este valor se financia durante la vida útil del
proyecto.
El programa utiliza un valor de interés real de 10%, el cual es independiente de la
inflación; sin embargo, se requiere encontrar el interés efectivo anual para poder
calcular una anualidad, este interés se calcula de la siguiente manera:
1 + 𝑖𝑟𝑒𝑎𝑙 =1 + 𝑖𝐸𝐴
1 + 𝑖𝑖𝑛𝑓𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛
𝑖𝐸𝐴 = [(1 + 𝑖𝑟𝑒𝑎𝑙) × (1 + 𝑖𝑖𝑛𝑓𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛)] − 1
Una vez se tiene la tasa de interés se debe calcular la anualidad, la cual depende
del valor presente neto del flujo de costos del proyecto y de la tasa de interés
encontrada, de la siguiente manera:
𝐴 = 𝑉𝑝 × [𝑖(1 + 𝑖)𝑛
(1 + 𝑖)𝑛 − 1]
Finalmente, para encontrar el precio por kWh generado simplemente se debe
dividir la anualidad calculada entre la energía total anual generada.
$
𝑘𝑊ℎ=
𝐴𝑛𝑢𝑎𝑙𝑖𝑎𝑑𝑎𝑑 [𝐶𝑂𝑃]
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒 [𝑘𝑊ℎ]
25
10. CÓMO UTILIZAR LA HERRAMIENTA COMPUTACIONAL PARA LA
SELECCIÓN DE SOLUCIONES FOTOVOLTAICAS
Esta herramienta fue diseñada para entregar una idea sobre los equipos
necesarios para satisfacer una necesidad hidráulica (sistemas de bombeo) o
energética (sistemas fotovoltaicos). Los cálculos realizados son gruesos y no
pretenden ser muy precisos. Los sistemas propuestos se componen de los
equipos principales: paneles, bombas, controladores, inversores y baterías. A
continuación se presenta una guía rápida de cómo utilizar esta herramienta.
10.1. Sistemas de bombeo
Información de entrada
Importante: Las casillas que se encuentran en amarillo requieren información del
usuario digitalizada, las casillas que se encuentran en azul requieren que el
usuario elija una de las opciones de la lista desplegable, las casillas en blanco no
se deben modificar.
1. Seleccione la ciudad donde se encuentra, el programa tiene información de
radiación de 39 ciudades de Colombia.
2. Ingrese información del sistema de bombeo (ver ilustración 3).
D: diámetro de la tubería [in].
P: profundidad de pozo [m].
B: profundidad de la bomba [m].
L: longitud de la tubería [m].
H: elevación del tanque de almacenamiento o del punto de entrega
[m].
Ilustración 4: Esquema de un sistema de bombeo solar (Colombian Solar Systems, 2015).
26
Si no se desea ingresar esta información se debe seleccionar la opción
“ingresar mi propia cabeza” e ingresar el valor requerido. Además de la
información del sistema, en este punto se debe especificar el tipo de bomba
a utilizar, sumergible o superficial (si no se cuenta con un pozo como
fuente) y las horas al día que se espera que la bomba trabaje.
3. Requerimiento de agua: El programa le ofrece dos opciones de
requerimiento de agua establecidas por la FAO (La Organización de las
Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura), 10L por persona al
día para necesidades básicas de consumo sin aseo, y 60L por persona al
día para consumo y aseo. El usuario debe elegir una de las dos opciones e
ingresar el número de personas a las que se les suministrará agua.
También cuenta con la opción de establecer su propio consumo, en L/d.
Esto determinará la condición de caudal que deberá suplir la bomba.
4. Ingresar información para el arreglo fotovoltaico: El usuario debe elegir el
tipo de panel que desea utilizar en su sistema, policristalino o
monocristalino, a continuación, deberá elegir la potencia pico que quiere
para los módulos de su sistema en Wp (elegir entre las opciones
disponibles en el programa), finalmente debe ingresar un estimado del
voltaje de cada panel.
5. Una vez ingresada la información solicitada en los numerales anteriores se
debe presionar el botón “Bomba”. Inmediatamente aparecerán tres
opciones de bombas comercialmente disponibles recomendadas para la
configuración del sistema.
6. A continuación el usuario deberá elegir una de las tres opciones en la
casilla “elegir bomba”. También se debe decidir si se agrega un banco de
baterías de apoyo y el tipo de controlador que requiere, MPPT O PWM.
7. En caso de querer utilizar un banco de baterías como apoyo energético se
debe ingresar la siguiente información:
Días de autonomía: Se refiere al número de días que se espera no
contar con energía solar y se debe acudir a las baterías para
alimentar el sistema de bombeo.
Voltaje nominal de sistema [V]: Se refiere al voltaje que tendrá todo
el sistema.
27
Máxima descarga [%]: Indica el porcentaje de descarga permitido por
cada batería.
Voltaje de las baterías [V]: Se refiere al voltaje individual de cada
batería.
Corriente de las baterías [Ah]: Indica la energía almacenada en la
betería.
8. Finalmente se debe presionar el botón “calcular sistema”.
En la ilustración 4 se presenta la ventana de inicio del programa, donde se debe
insertar la información descrita anteriormente.
28
Ilustración 5:Ventana de inicio.
29
Información de salida
1. Resumen del sistema
Resumen del arreglo solar: El programa entrega un resumen de la cantidad
de panales necesarios para energizar el sistema, voltaje y corriente total del
sistema y el área requerida para su instalación.
Resumen del banco de baterías: Si se cuenta con un banco de baterías el
programa le informa la cantidad de baterías necesarias, así como la
configuración de baterías en serie y paralelo sugerida.
Resumen de energía producida: Muestra la cantidad de energía producida
por el sistema fotovoltaico en kWh diaria y mensual promedio con la
cantidad de radiación disponible en cada mes.
Resumen de agua bombeada: Muestra la cantidad de agua bombeada por
el sistema en m³ diaria y mensualmente promedio con la cantidad de
energía disponible cada mes. Inmediatamente después se presentan dos
gráficos con el resumen de la energía producida y el agua bombeada por
día.
La ilustración 5 presenta la sección de información de salida descrita
anteriormente, la ilustración 6 presenta las gráficas de salida de energía producida
y agua bombeada por día.
30
Ilustración 6: Resumen información de salida de la herramienta.
Ilustración 7: Gráficas de volumen bombeado de agua y energía producida diaria.
31
2. Información detallada del arreglo solar
Detalle del arreglo solar: Presenta información del panel solar
comercialmente disponible sugerido para el sistema.
Información de radiación: Esta sección contiene la información de radiación
promedio mensual de la ciudad elegida inicialmente. Además presenta la
energía requerida por el arreglo solar en cada mes y la cantidad de paneles
solares que esta representa. El programa utiliza el mayor número de
panales necesarios, asociados al mes con menor radiación, para asegurar
que se entrega la cantidad de energía necesaria durante todo el año.
En la ilustración 7 se presenta la sección del programa con la información de
salida descrita anteriormente.
3. Detalle del balance del sistema
Controlador del sistema sin banco de baterías: Muestra las características
relevantes del controlador sugerido para el sistema. Se debe mencionar
que este controlador por lo general es producido por el fabricante de la
bomba y está diseñado para trabajar exclusiva y necesariamente con esta.
Controlador y baterías del sistema con banco de baterías: Cuando el
sistema requiere de apoyo de baterías se debe utilizar un controlador de
carga para las mismas. En esa sección se muestra la información relevante
tanto del controlador como de las baterías sugeridas para el sistema. Todos
los equipos se encuentran disponibles en el mercado.
En la ilustración 8 se presenta la sección del programa que contiene la
información descrita anteriormente.
32
Ilustración 8: Información del arreglo solar seleccionado.
Ilustración 9: Información de los componentes de balance del sistema.
33
10.2. Sistema fotovoltaico
Información de entrada (ver ilustración 9)
1. Seleccione la ciudad donde se encuentra, el programa tiene información de
radiación de 39 ciudades de Colombia.
2. A continuación encontrará una tabla disponible para calcular la cantidad de
energía necesaria.
Consumidor, nombre del dispositivo consumidor.
Consumo [Wh], se refiere a la cantidad de energía que consume el
dispositivo.
Corriente, AC o DC, tipo de corriente que consume el dispositivo.
Número de consumidores, se refiere a la cantidad de dispositivos a
alimentar.
Horas de uso por día.
Finalmente, en la última columna, el programa le dará la cantidad de Wh
necesarias por cada dispositivo al día, y la cantidad de energía total que debe
proveer el sistema.
3. Una vez se tiene la información de energía requerida se debe ingresar la
información de balance del sistema.
Sistema asilado:, En este se debe elegir entre “Sí” o “No”. Un
sistema aislado requiere apoyo de un banco de baterías, un sistema
no aislado, se conecta a la red, por lo que esta es su apoyo en caso
de falta de recurso solar.
Voltaje AC [V],:Se refiere a la tensión de salida en corriente alterna,
se puede elegir entre 120 o 240 V.
Tipo de controlador, MPPT o PWM.
4. Información de paneles solares: Ver numeral cuatro en la sección
“información de entrada” de sistema de bombeo.
5. Información de banco de baterías: Ver numeral siete en la sección
“información de entrada” de sistema de bombeo.
Si desea realizar un sistema fotovoltaico basado en un área disponible se puede
seleccionar la opción “Calcular por área” e ingresar el área en m² disponible; la
herramienta le dirá la cantidad de paneles solares que puede instalar y cuál es la
potencia asociada a este arreglo fotovoltaico.
En la ilustración a continuación se presenta la pantalla de inicio de la sección de
sistema fotovoltaico.
34
Ilustración 10: Ventana de inicio de un sistema de generación fotovoltaica.
35
Información de salida
1. Resumen del sistema
Resumen del arreglo solar.
Resumen de generación de energía.
Resumen del balance del sistema, en esta se sección se agrega el
inversor, el cual es requerido para transformar la corriente directa
que se obtiene del arreglo solar a corriente AC, el tipo de corriente
consumida por los electrodomésticos comunes.
Resumen Banco de baterías.
Gráficas de salida de la energía promedio producida por día y
mensualmente con la radiación de cada mes disponible.
Para más información ver el numeral tres en la sección “información de salida” en
la descripción del sistema de bombeo.
2. Detalle del arreglo solar: Ver numeral dos en la sección “información de
salida” de sistema de bombeo.
3. Detalle del balance del sistema: el programa entrega la información más
relevante de los siguientes componentes del sistema. Se debe recordar que
la información del banco de baterías solo es relevante si se eligió la opción
del sistema aislado.
Inversor
Controlador
Banco de baterías
10.3. Análisis económico
El análisis económico de un proyecto se resume en un valor anual equivalente de
la inversión total requerida a lo largo de la vida útil del mismo. Además, se
presenta un costo por kWh generado en el caso de sistemas fotovoltaicos, y un
costo por m³ en sistemas de bombeo.
Inicialmente se debe elegir qué tipo de proyecto se va a evaluar (esquina superior
izquierda, elija sistema fotovoltaico o sistema de bombeo). El programa tiene
información de tasas como inflación, IVA y tarifas de transporte. Además, tiene
información de las tasas de cambio disponibles, USD (TRM), EURO y LIBRA. El
usuario puede utilizar la información guardada inicialmente en el programa, o
puede modificarla con los valores que desee.
36
En la ilustración 10 se presenta la información de salida relevante en el análisis
económico. En la parte superior se muestra la información de inversión inicial de
cada proyecto, se debe prestar atención únicamente al sistema escogido
inicialmente (en esta caso se eligió la opción de sistema fotovoltaico). En la parte
posterior de la ventana se presenta la energía total producida y el volumen total
bombeado por año. Finalmente, se presenta resumen de la inversión inicial, valor
presente neto del flujo de costos del proyecto, inversión total y anualidad
equivalente. El valor importante, con el que se compara la viabilidad del proyecto
frente a otros métodos de generación de energía es el costo por kWh generada o
por m³ bombeado.
El programa además genera una gráfica con el flujo de costos del proyecto. Los
flujos de costos se presentan como positivos, en caso que se generara un valor de
ganancias, este entraría negativo en la estructura del flujo presentada.
Ilustración 11: Información de salida en la sección de análisis económico.
37
11. CASO DE APLICACIÓN: SISTEMA DE BOMBEO EN UNA FINCA LECHERA
Durante el desarrollo del proyecto se tuvo la oportunidad de conocer el caso de
una finca lechera que requería de un sistema de bombeo fotovoltaico para
reemplazar el sistema de bombeo eléctrico con el que estaba operando
actualmente, dado que su propietario consideraba que el consumo de energía
eléctrica era demasiado alto. El sistema de bombeo inicial contaba con una
bomba centrífuga de alta presión de referencia Hidromac WKL 40/7, la cual
contaba con un motor eléctrico de referencia Siemens 1LA5 164-2YB70 con
capacidad de entregar hasta 25 hp. El sistema debe llenar un tanque de 100 m³ en
aproximadamente dos horas, y se utiliza cada tres días, por lo tanto la bomba solo
funciona 20 horas al mes. El resumen de las condiciones de operación del sistema
se presenta en la tabla 2.
Sistema actual Operación
Q [m³/h] 49.68 Horas al día 2
Q (gpm] 220 Días al mes 10
H [m] 120 Horas de trabajo al
mes 20
Potencia motor [kW] 18.7 Valor [kWh] $ 436.06
n [rpm] 3450 Consumo por
mes[kWh] 552.14
P hidráulica [kW] 16.25 Valor consumo [$] $ 240,766.20 Tabla 2: Características del sistema original de bombeo.
Al analizar los requerimientos de la finca y las opciones de bombeo solar se
reconoció que no sería posible encontrar una bomba y un arreglo solar que
suplieran la operación exacta del sistema previamente instalado. En general, el
sistema de bombeo debe garantizar el abastecimiento de agua a la finca a razón
de 100 m³ cada tres días, lo que equivale a aproximadamente 30 m³ de agua al
día, por lo que un bombeo continuo, diario, que satisfaga esta condición sería
aceptable para resolver el problema. La propuesta de un sistema de bombeo
fotovoltaico tomando en cuenta las restricciones previamente mencionadas para
este caso se presentan a continuación:
Bomba: Las condiciones de caudal (30 m³/día) y cabeza (120m) son altas, por lo
que una bomba centrífuga multietapa es la única opción viable para el sistema. La
bomba elegida es de fabricación Lorentz, con referencia PS4000 C-SJ5-25, de
instalación sumergible.
38
Controlador: El fabricante de la bomba recomienda utilizar el controlador
diseñado para trabajar únicamente con la bomba. El fabricante es Lorentz, con
referencia PS4000 y tecnología MPPT.
Arreglo solar: La selección del arreglo solar se realizó siguiendo la lógica descrita
en el marco teórico de este proyecto. Los paneles solares elegidos para suplir el
sistema son del Fabricante Yingli solar con potencia nominal de 310 Wp.
Para seleccionar el arreglo fotovoltaico se asumió que la bomba trabajaría nueve
horas al día (requerimientos de energía que se exponen en la tabla 3). La
información de radiación solar incidente se obtuvo de RETScreen® (Government
of Canada, 2016) y se comparó con los mapas realizados por el IDEAM (IDEAM,
UPME, 2014) para validar los datos entregados. Según la lógica expuesta
anteriormente se obtuvo el siguiente resultado (Datos de radiación y potencia
requerida por el arreglo se presentan en la tabla 4).
PS4000 C-SJ5-25
Centrífuga Sumergible
Caudal [m³/h] 5
Potencia bomba [W] 3400
η bomba % 48%
horas trabajo 9
η motor + cotrolador % 90%
Potencia requerida[Wh/day] 63633.3
Desacople 0.15 Tabla 3:Resumen del sistema propuesto.
Mes
Radiación solar horizontal por día
Potencia requerida
kWh/m²/d [kWp]
Enero 5.01 13.31
Febrero 4.66 14.31
Marzo 4.47 14.91
Abril 3.93 16.96
Mayo 3.70 18.02
Junio 3.79 17.59
Julio 4.04 16.50
Agosto 4.33 15.40
Septiembre 4.31 15.47
Octubre 4.33 15.40
Noviembre 4.10 16.26
Diciembre 4.55 14.65
39
Promedio anual 4.27 15.62
Tabla 4: Información de radiación solar de Bogotá.
Se puede observar que en el mes de mayo se presenta la menor cantidad de
radiación solar incidente, por lo que se debe seleccionar todo el sistema para
garantizar que el arreglo fotovoltaico provea suficiente energía durante este y
todos los meses del año. Utilizando las ecuaciones presentadas en la sección del
marco teórico se encontró que la energía que debe proveer el sistema en mayo, y
en consecuencia, la energía de diseño del sistema debe es de 63.63 kWp;
utilizando paneles solares de 310 W se debe contar con mínimo 70 paneles
solares.
Con el sistema de bomba, controlador y paneles solares, se espera que el
volumen bombeado diariamente, con la cantidad de radiación promedio mensual
disponible, obedezca la proyección presentada en la ilustración 12.
Ilustración 12: Información del volúmen bombeado por día con el sistema propuesto.
Resumen de elementos y costos del sistema
Una vez se tiene todo el sistema y los equipos seleccionados, se procede a
realizar un análisis económico del proyecto. A continuación se presenta la lista de
precios por unidad de los equipos seleccionados (panel solar, bomba y
controlador). En la tabla se incluye el valor del IVA en los tres equipos, pero solo el
transporte (valor de importación) del controlador y la bomba, ya que estos dos
últimos equipos por lo general no se encuentran en el país.
40
Impuesto Sistema de bombeo
Capital inicial Valor Unitario
Paneles solares $ 868,000.00
IVA panel $ 138,880.00
Bomba $ 17,197,950.00
IVA bomba $ 2,751,672.00
Transporte bomba $ 3,439,590.00
Controlador $ 6,217,750.00
IVA controlador $ 994,840.00
Transporte controlador $ 1,243,550.00 Tabla 5: Resumen de costos por valor unitarios de los equipos del proyecto.
El precio total de equipos que se debe invertir al proyecto se presenta en la tabla
6.
Capital inicial Valor Unitario Cantidad Total
Paneles solares $ 1,006,880.00 70 $ 70,481,600.00
Bomba $ 23,814,470.4 1 $ 23,814,470.4
Controlador $ 8,609,888.00 1 $ 8,609,888.00
Batería $ - 0 $ -
Total $ 28,169,092.00 62 $ 102,905,958.40 Tabla 6: Resumen del total de los costos de los equipos del proyecto.
A continuación, asumiendo un interés real de 10% y una inflación de 7% se
encuentra el valor presente de la inversión durante la vida útil del proyecto (se
asume 20 años). Entre los valores recurrentes durante el proyecto se incluyen los
costos de reemplazo de equipos, (controlador y bomba en diez años) y
mantenimiento (se asumió 10% del valor de los equipos instalados). Finalmente,
se calcula una anualidad equivalente a la inversión total del proyecto, con este
valor se obtiene el valor por kWh generado y por m³ bombeado. Los valores se
presentan en la tabla 7.
Proyecto Sistema de bombeo
Inversión Inicial $133,777,745.92
VPN inversión vida útil $ 11,945,441.96
Inversión total $145,723,187.88
Anualidad $ 26,823,351.92
$/kWh $ 990,15
$/m³ $ 2,452.08
Tabla 7: resumen de valores importantes en el análisis económico del proyecto.
41
Desafortunadamente el valor por kWh del sistema propuesto (COP $ 990,15) es
casi el doble del costo por kWh que se obtiene de la red eléctrica nacional (COP $
436,06) por lo que la energía fotovoltaica no sería competitiva en este sistema en
particular. Sin embargo, se debe recordar que el valor relevante en este caso
(dado que es un proyecto de bombeo) es el de m³ bombeado, el cual es de COP
$2 452.08. Estos valores pueden parecer elevados y restar interés a la inversión
en equipos fotovoltaicos, pero se debe tener en cuenta que contar con un sistema
fotovoltaico como fuente energética en un lugar donde no se cuenta con ninguna
otra fuente energética es una mejor alternativa que no contar con energía.
42
12. CASO DE APLICACIÓN EDIFICIO W, UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
En el edificio W de la Universidad de los Andes se encuentran instalados 117
paneles solares, cada uno con una potencia de 255 Wp, lo que representa una
capacidad instalada de 29.84 kWp conectada a la red por medio de tres
inversores. El informe de la energía producida mensualmente y el resumen del
sistema se presentan en la ilustración 13 e ilustración 14. Para verificar la
confiabilidad de la herramienta propuesta se procedió a imitar las condiciones de
requerimiento energético con las que fue diseñado el sistema instalado en el
programa desarrollado y comparar los resultados de producción de energía y
viabilidad económica del proyecto.
Ilustración 13: Resumen de equipos del sistema instalado en el edificio W.
Ilustración 14: Resumen de producción de energia del sistema instalado en el edificio W.
Inicialmente se debe aclarar que el programa calcula un sistema fotovoltaico para
una necesidad energética diaria. Esto significa que la potencia instalada del
0500
1000150020002500300035004000
Ene
rgía
pro
du
cid
a m
en
sual
[k
Wh
]
Mes
43
arreglo fotovoltaico propuesto por el programa será menor que el requerimiento
energético del usuario diario, dado que la energía se produce a lo largo del día.
Para encontrar la potencia de diseño del sistema se debe primero encontrar la
cantidad aproximada de energía producida por día, la cual se presenta en la
ilustración 15. El programa utiliza el valor del mes de menor radiación (menor
energía producida), en este caso es el mes de junio (los meses de abril y mayo no
reportaron todos los días, por lo que no se tienen en cuenta) con 93.42 kW.
Ilustración 15,: Resumen de energía producida promedio diária por el sistema.
Al utilizar la ecuación de la potencia requerida por día y asumiendo un valor de
eficiencia del sistema de 0.8, se puede encontrar el consumo energético de
diseño, de la siguiente manera:
𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑜 [𝑊ℎ𝑑í𝑎
]
∏ 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑜𝑟𝑖𝑜𝑠= 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎 [
𝑊ℎ
𝑑í𝑎]
𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑜 [𝑊ℎ
𝑑í𝑎] = 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎 [
𝑊ℎ
𝑑í𝑎] × ∏ 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑜𝑟𝑖𝑜𝑠
𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑜 [𝑊ℎ
𝑑í𝑎] = 93.42
𝑘𝑊ℎ
𝑑í𝑎× 0.8 = 74.73
𝑘𝑊ℎ
𝑑í𝑎
Al utilizar el valor de energía calculado anteriormente (74.73 kWh/día) se obtuvo
la siguiente propuesta de sistema fotovoltaico.
0
20
40
60
80
100
120
140
Ene
rgía
pro
du
cid
a d
iári
ame
nte
[k
Wh
]
Mes
44
Ilustración 16: Resumen de equipos y generación de energía del sistema propuesto.
En la ilustración 16 se presenta el resumen del sistema propuesto a nivel de
equipos requeridos (izquierda) y energía producida (derecha). Según el programa
se requieren 117 paneles solares de referencia YL255P-29b, del fabricante
YINGLI SOLAR (utilizando una potencia por panel de 255 Wp, si la potencia de los
paneles cambia, la cantidad total también lo hará) y tres inversores de referencia
Sunny Boy 11000TL-US 240 V y fabricante SMA.
Con los componentes del sistema propuesto y la información de radiación
promedio se puede proyectar la generación de energía del sistema. El resultado
de la proyección contra la producción real de energía se presenta a continuación:
Ilustración 17:Energía producida real y energía proyectada.
0500
10001500200025003000350040004500
Ene
rgía
pro
du
cid
a [k
Wh
/me
s]
Mes
Generación de energía mensual [kWh]
Producción real Proyección
45
Se puede ver que la proyección se acerca bastante a los valores obtenidos de la
generación real. Las pequeñas variaciones se pueden atribuir a que los datos de
radiación con los que trabaja el programa se toman en una estación lejos de la
ubicación del sistema del edificio W. Según el programa, se generarían 39.5 MWh
anuales y el valor real anual de producción de energía es de 33.74 MWh, esto
representa una diferencia de aproximadamente 15%. Además, se debe tener en
cuenta que los meses de marzo y abril no cuentan con los datos de todo el mes,
por lo que el valor anual es menor al de un año de operación normal, si se contara
con la totalidad de los datos, seguramente la diferencia disminuiría. Con base en
la similitud de los resultados obtenidos se puede identificar confiabilidad en el
programa.
Finalmente, se procedió a realizar el análisis económico. A continuación se
presenta el valor unitario de los componentes del sistema (Tabla 8) y el valor total
de la inversión, anualidad equivalente y precio por kWh asociado (Tabla 9).
Equipo Referencia Precio por unidad IVA Total
Panel solar YL255P-29b $ 714,000.00 $ 114,240.00 $ 828,240.00
Inversor Sunny Boy 11000TL-US
240 V $ 11,823,000.00 $1,891,680.00 $13,714,680.00
Tabla 8: Costo de los equipos por unidad del sistema propuesto.
Análisis económico
Inversión Inicial $ 179,462,556.00
VPN inversión vida útil $ 15,563,585.84
Inversión total $ 195,026,141.84
Anualidad $ 35,898,575.32
$/kWh $ 908.75
Tabla 9:resumen de valores importantes en el análisis económico del proyecto.
En la tabla 9 se presenta el valor por kWh asociado a este sistema, con una vida
útil de veinte años, el cual es COP $ 908,75. Este valor es casi el doble del valor
por kWh obtenido de la red eléctrica de la ciudad, lo que no lo hace rentable a
primera vista. Debido a que la mayoría de los costos dependen de la inversión
realizada en equipos, y que estos dependen fuertemente del valor de la TRM,
dado que la mayoría deben importarse, se realizó un análisis con cuatro diferentes
valores de TRM y se observó el cambio en el costo por kWh que este
representaría en el sistema. Los resultados se muestran en la tabla 10.
46
TRM $/kWh
2000 519.29
2500 649.11
3000 778.93
3500 908.75
Tabla 10: Influencia de la TRM en el precio del kWh del proyecto.
Es evidente la influencia de la TRM en esta clase de tecnología y en general,
cualquier tipo de tecnología que implique importar equipos. En este proyecto, en
particular, se puede ver como si se tuviera un valor de TRM similar al del año 2014
cerca de COP$ 2000, el precio por kWh del sistema podría llegar a ser competitivo
con el valor de la energía adquirida de la red eléctrica, lo que incentivaría más la
inversión hacia este tipo de tecnologías. Por ahora, el sistema fotovoltaico de la
Universidad de los Andes no es rentable para ser la principal fuente de energía de
la misma, pero si es un buen apoyo a la red eléctrica del edificio en cuestión.
47
13. CASO DE APLICACIÓN DEL EDIFICIO W CON LOS INCENTIVOS DEL
GOBIERNO NACIONAL DESCRITOS EN EL DECRETO 2143 DEL 4 DE
NOVIEMBRE DEL 2015
El análisis económico expuesto en el capítulo anterior se realizó en un escenario
de negocio normal, es decir, sin ningún incentivo financiero. En esta sección se
realizó un análisis financiero del caso del edificio W, utilizando el incentivo descrito
en el decreto 2143 del 4 de noviembre del 2015: exención de IVA.
Tabla 11: Valor de capital necesario para el proyecto con y sin IVA.
Proyecto Inversión Inicial VPN inversión vida útil Inversión total Anualidad $/kWh
Sistema fotovoltaico con IVA
$153,825,048.00 $13,340,216.44 $167,165,264.44
$30,770,207.42 $ 778.93
Sistema fotovoltaico sin IVA
$132,607,800.00 $11,500,186.58 $144,107,986.58
$26,526,040.88 $ 671.49
Tabla 12: Resumen de costos necesarios para el proyecto en los escenarios con y sin IVA.
En las tablas 11 y 12 se presenta la influencia del IVA en el costo total de capital y
en el precio final por kWh del sistema. Se observa como disminuyendo un 16% el
costo de capital total se logra reducir casi $100 el costo por kWh. En esta sección
Sistema fotovoltaico CON IVA SIN IVA
Capital inicial
Valor Unitario Cantidad Total
Valor Unitario Cantidad Total
Paneles solares $ 709,920.00 117
$ 83,060,640.00
$ 612,000.00 117
$ 71,604,000.00
Controlador $ - 0
$ -
$ - 0
$ -
Inversor $ 11,755,440.00 3
$ 35,266,320.00
$ 10,134,000.00 3
$ 30,402,000.00
Batería $ - 0
$ -
$ - 0
$ -
Total $ 12,465,360.00 120
$118,326,960.00
$ 10,746,000.00 120
$ 102,006,000.00
48
se debe aclarar que la exención se aplicó únicamente a los activos fijos, dado que
la regulación que debe expedir la UPME, en donde describe la lista de elementos
y servicios que estarán exentos de IVA todavía no ha sido publicada.
49
14. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Durante el desarrollo del proyecto se estudió el mercado de energía solar en
Colombia, el cual incluye la oferta de equipos solares y las empresas instaladoras
de este tipo de tecnología. Se observó que la oferta de equipos no es muy amplia
y esta monopolizada por algunos fabricantes, especialmente en equipos de
bombeo solar. Lo anteriormente descrito puede ser atribuido a que este es un
mercado aun joven en el país, y requiere de mayor investigación, inversión y
competitividad. Además, al recopilar la información de equipos para el programa
se pudo tener una idea de los rangos de precios asociados a los sistemas
fotovoltaicos en el país. También se concluyó que el mercado de energía solar en
Colombia se ha visto castigado por el incremento de la TRM, lo que afecta la
viabilidad económica de este tipo de proyectos. A pesar de esto, la energía
fotovoltaica se presenta como una alternativa viable en lugares donde no hay
acceso a la red eléctrica, en especial aplicada a sistemas de bombeo.
Se encontró que debido a la reciente sequía y crisis energética del país, el
gobierno nacional ha reconocido el potencial de Colombia en materia de energía
solar, por lo que decidió incentivar la inversión hacia estos proyectos. Para esto se
han tomado dos medidas importantes: la primera es la inversión directa en
sistema de bombeo solar en la Guajira y demás departamentos con escases de
agua y recursos energéticos. La segunda es la Ley 1715 del 2014, reglamentada
por el Decreto 2143 del 4 de noviembre del 2015, donde se crean incentivos
económicos para la integración de energías renovables no convencionales al
sistema energético nacional. Se espera que estas medidas logren aumentar el
crecimiento de energías renovables en el país, para poder disminuir
paulatinamente la dependencia de combustibles fósiles y a su vez el impacto
ambiental que estos generan.
Tomando en cuenta las necesidades de la población colombiana se realizó una
herramienta computacional, utilizando programación de macros en Excel®, que
permite seleccionar soluciones fotovoltaicas y evaluar su viabilidad económica.
Entre las soluciones disponibles se encuentran sistemas de bombeo solar y
sistemas de generación de energía fotovoltaica. Para verificar la confiabilidad del
programa diseñado se comparó la solución propuesta por éste y un sistema real
instalado en el edificio W de la Universidad de la Andes. Se asume que las
soluciones propuestas por el programa son confiables dada la similitud entre el
sistema real instalado y el sistema propuesto (diferencia menor al 15%). Sin
embargo, para poder tener mayor certeza de los datos entregados por el programa
se recomienda comparar el sistema propuesto por éste con los datos de energía
total del edificio W y otros sistemas fotovoltaicos instalados en el país.
50
En la sección de análisis económico del caso de aplicación del edificio W se
contemplaron tres escenarios: el escenario usual de negocio, un escenario con
una TRM menor a la actual y un escenario con exclusión de IVA. Se obtuvo como
resultado una disminución de casi COP $100 en el escenario de exclusión del IVA
en los equipos necesarios para el proyecto y una disminución de también COP
$100 en el escenario de menor valor de la TRM frente al escenario de negocio
normal. Del análisis de los tres escenarios se pudo concluir que la TRM es un
valor que no se puede controlar, por lo que se debe trabajar con el valor que exista
en el mercado en cada momento. Por otro lado, el gobierno nacional ha permitido
la exención de IVA y algunos valores arancelarios en equipos de energías no
convencionales, lo que permite disminuir costos y permitir mayor viabilidad
económica en los proyectos fotovoltaicos. De acuerdo con la explicación anterior
se puede tomar el escenario con exclusión de IVA como un escenario posible para
la evaluación económica de sistemas fotovoltaicos.
Por último, se debe aclarar que no se encontraron los precios comerciales de
todos los equipos recopilados, por lo que se realizaron aproximaciones basado en
la tendencia de precios encontrados en cada categoría. Para obtener valores más
precisos en el análisis económico de cada proyecto se recomienda completar los
precios de cada equipo en el programa.
51
15. Anexos
Ilustración 18: Mapa multianual de radiación solar en Colombia (IDEAM, UPME, 2014).
52
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