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INTRODUCCIÓN
En el año 2022, varios países retomaron el uso del carbón para generar electricidad, registrándose un nuevo récord mundial de emisiones de CO2 a la atmosfera con 40 600 Mt, de esto el 90% son por la quema de los combustibles fósiles. Según la Organización de las Naciones Unidas (ONU) alrededor de 6.000 millones de personas dependen de combustibles fósiles importados, donde el 32,5%utiliza para cocinar o calentar exponiendo la salud de las personas. La Organización Mundial de la Salud (OMS) determinó que el 99% de la población mundial respira aire que no cumple los estándares de calidad, estimando alrededor de 13 000 muertes por año debido a la contaminación presente en el aire (1).
Datos del Banco Mundial señalan que en el 2020 el acceso de la población a la electricidad en países como: Argentina, Colombia, Chile, Brasil, El Salvador, Paraguay, Uruguay alcanzó el 100%, Perú 99,3%, seguido de Ecuador con el 98,8% y Panamá con un 96,7% (2)
Según el Plan de Ordenamiento Territorial (PDOT) de la provincia del Cañar (2021) (3) solamente el 0,04% de la totalidad de las viviendas de la provincia utilizan energía eléctrica generada por sistemas de paneles solares. Solo un pequeño porcentaje de la producción de la energía eléctrica a nivel mundial es generado a través de energía solar, que ha venido creciendo de manera acelerada y no solo porque ha ganado popularidad entre los usuarios sino también por el apoyo de entes estatales; la madurez tecnológica y una gran competitividad económica permite que la energía solar sea una fuente de generación alternativa a las usuales (4).
Según informes del Banco Mundial, los países pueden combatir la contaminación atmosférica por medio de inversiones físicas y normativas, entre estas se enfoca el uso de fuentes no contaminantes para generar energía, en la industria el uso de combustibles renovables, en el transporte con el uso de motores eléctricos, así como también soluciones limpias en cocina y calefacción (5).
En Ecuador, según el informe del Balance Nacional de Energía Eléctrica (BNEE) del 2021, el 64,89% de potencia efectiva total de generación proviene de fuentes renovables y el 35,11% de centrales térmicas, de la cual el 20,21% es producido con Motores de Combustión Interna (MCI). El informe indica que del 99,22% de la producción de energía, el 79% es por renovables y su déficit importado desde Colombia (6).
Con el avance tecnológico se ha intensificado la búsqueda de fuentes de energía alternativas a las convencionales, y la eficiencia en la recolección de energía renovable se ha mejorado continuamente. Una de las opciones más viables es la energía solar, ya que es limpia, renovable y se encuentra ampliamente disponible en la mayoría de las regiones. De hecho, en tan solo 90 minutos, el sol proporciona energía suficiente para cubrir la demanda energética mundial de un año. A pesar de esto, la energía solar representa una pequeña fracción de la combinación energética actual del mundo, pero esta situación está cambiando rápidamente gracias a la iniciativa global para mejorar la seguridad energética, garantizar el acceso y mitigar el cambio climático (7).
La energía obtenida por generación solar tiene un costo inicial alto, pero con el paso del tiempo su costo se verá disminuido ya que la inversión para producción y mantenimiento son mínimos; es un recurso amigable con el ambiente, duradero y sustentable. Por cada 100kW de potencia solar instalado en una infraestructura civil se evita enviar al ambiente aproximadamente 75.000kg de dióxido de carbono al año, lo que ayuda significativamente a mitigar el cambio climático (8).
El 58% de la población total de la provincia del Cañar se encuentra en la zona rural; este porcentaje de habitantes se dedica a la producción agrícola y ganadera, siendo estos sus principales fuentes de ingreso, por lo que generar planes de vivienda digna para este grupo de habitantes es de suma importancia.
Este estudio presenta un análisis y una solución para el abastecimiento de energía eléctrica para una vivienda rural de la provincia del Cañar, con el fin de garantizar su autonomía y brindar a una población de bajos recursos económicos una vivienda que cuente con los servicios básicos.
Materiales y métodos
La investigación fue de tipo cuantitativo; se analizó la propuesta de un sistema autónomo de generación eléctrica a través de paneles fotovoltaicos, se realizó un análisis de la zona de estudio con el fin de conocer la ubicación, temperatura ambiental y todas las condiciones necesarias para dimensionar el sistema autónomo de generación de energía eléctrica; de igual manera de consideró los elementos electrónicos básicos necesarios para una vivienda de interés social para la zona rural de la provincia del Cañar.
Se realizó el dimensionamiento de cada uno de los equipos necesarios para generar el sistema que abastecerá a la vivienda de energía eléctrica. A través del software Biosol (9), se obtuvo el posicionamiento de sol, con el fin de obtener el mejor rendimiento de los paneles fotovoltaicos propuestos.
Con el uso del Biosol se obtuvo datos de irradiancia y luminosidad, necesarios para que los paneles fotovoltaicos cumplan con las necesidades requeridas.
En la provincia del Cañar, una de las parroquias menos atendidas es la General Morales; el presente estudio se enfocará en las condiciones de este lugar, teniendo en cuenta que al ser una de las parroquias económicamente más vulnerable, netamente agrícola y ganadera, se busca generar una solución eficiente para las familias.
Requerimientos del sistema
Según Sánchez (2018) (10) es importante tener en mente 4 cosas para hacer un buen análisis y poder suplir la energía necesaria o requerida:
Cantidad de energía diaria requerida por la vivienda o negocio
Días de autonomía
Límite de descarga de la batería
Temperatura ambiente en la que estarán expuestas las baterías (10)
Existen otras consideraciones a tener en cuenta, como si las baterías se instalarán en serie o en paralelo, entre otras, pero eso es una determinación que el Panel Solar se hace normalmente al momento de determinar el tamaño de la instalación solar y si es necesario un sistema autónomo de energía solar (11).
Los elementos que forman parte de un sistema autónomo de generación de energía eléctrica son los siguientes:
Los paneles fotovoltaicos deben ser de silicio monocristalino debido a que al trabajar con policristalinos de la máxima capacidad conocida (12) son menos eficientes y para este estudio requieren un 9,94% de área adicional a la establecida para cubrir la misma demanda de energía proyectada (13).
Según SUNFIELDS EUROPA (2023) los paneles fotovoltaicos más eficientes y comerciales del 2023 son de la marca SunPower®, presentan mayor durabilidad y producen más energía con relación a otras marcas ya que mantienen el 92% de la potencia nominal al finalizar su vida útil a los 25 años (14)
Las protecciones y el calibre del conductor soportarán el 125% del valor de la corriente máxima y una caída de voltaje no superior al 3% según la Norma Ecuatoriana de la Construcción (NEC) para instalaciones eléctricas y electromecánicas (15).
Dispondrá de un sistema de puesta a tierra de tipo centrada a tierra, aislado galvánicamente por medio de un transformador de aislamiento (16).
Con respecto a los inversores, se consideró para este proyecto. Según el Global PV Inverter Shipments del 2018-2019 Huawei, Sungrow Power Supply y SMA en ese orden; son los mejores fabricantes de inversores fotovoltaicos (17).
Para el diseño del sistema autónomo de generación de energía eléctrica se analizó los principales artefactos que pudiere tener una vivienda en la zona rural de la provincia del Cañar tomando en cuenta su potencia, cantidad, horas de uso diario, consumo diario y demanda máxima.
Se tomó en cuenta un factor de protección del sistema de un 20%, que también puede contemplar la conexión de artefactos de bajo consumo al sistema (18).
El cálculo del consumo diario se obtiene de la multiplicación la cantidad de unidades de cada aparato por su potencia y las horas de uso diario, mientras que la demanda se obtiene de la multiplicación entre la cantidad de cada aparato y la potencia de este. En el caso de la demanda de la bomba de agua se toma un factor de seguridad de 3 veces la demanda por las encendidas repentinas que sufre este equipo (18).
Resultados y discusión
El consumo diario con el que se va a calcular el sistema es de 9,44Kwh/día tal como se observa en la Tabla 1, los equipos que comprenden el sistema autónomo están descritos en la Tabla 2:
Posicionamiento de los paneles fotovoltaicos
Considerando la latitud de la zona y con base a revisiones bibliográficas se determina que los paneles requieren una inclinación de 15° (19), con una orientación al norte geográfico mediante una estructura con fijación al suelo del “tipo S” (20-21).
Utilizando el software presentado por Morillón y Preciado (2010) (9), se puede identificar hacia dónde deben estar inclinados o direccionados los paneles fotovoltaicos, para poder aprovechar de mejor manera la irradiación solar en la zona de estudio.
Los datos de humedad relativa, temperatura mínima, máxima y valores de irradiación global diaria media fueron obtenidos a través de los mapas interactivos de (22-23)
Fig. 2: Gráfica solar Equidistante 1er trimestre del año. Fuente: Software BIOSOL (9)- Modificado por Autor
Fig. 3: Gráfica solar Equidistante 2do trimestre del año. Fuente: Software BIOSOL (9)- Modificado por Autor
Se puede observar a continuación, que la potencia radiante del sol recibida sobre el plano horizontal de tierra Tabla 3, la radiación reflejada en la superficie de la tierra dispersada por la atmósfera Tabla 4 y la radiación que llega a un punto específico procedente del disco solar Tabla 5, evidencia que el mayor aprovechamiento de la potencia de radiación tanto directa como difusa se tendrá entre el lapso de las 09H00 y las 15H00, siendo este periodo en el cual el sistema autónomo generará y almacenará la mayor cantidad de energía.
Las tablas 6,7 y8, respaldan que el lapso de mayor iluminación tanto global, horizontal y difusa se encuentra en el lapso de las 09H00 y las 15H00, siendo estos momentos los de mayor brillantez e iluminación homogénea del día.
Conclusiones
Se realizó el dimensionamiento del sistema autónomo en el cual se necesita el uso de 9 paneles fotovoltaicos de 375W, un controlador de carga de 48V, 12 baterías de 12V y un inversor de 3500W, para satisfacer con amplitud las necesidades de la vivienda.
En zonas muy frías, se debe realizar un análisis de la envolvente de la vivienda, cantidades de vidrios y demás materiales para mejorar las condiciones de temperatura interna de la vivienda, con el fin de no adicionar calefacción que incrementará los costos.
