Este es un estudio de la viabilidad de un proyecto de generación fotovoltaica en el edificio aulas de ingeniería de la universidad nacional.

1. UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, TALLER DE INGENIERÍA, 17 DE ENERO DE 2020 1
Energía solar fotovoltaica para el 411
Edgar David Jiménez 1
, Bryan Andrés Rico 2
, Alejandra Tapasco Ramirez 3
1
1014285019, 2
1026292967, 3
25441429.
{1
edjimeneze 2
baricoq, 3
atapascor}@unal.edu.co
Resumen—Design of a photovoltaic solar energy system to
install it in building 411 (Engineering laboratories) of the National
University of Colombia-Bogotá D.C., so that it can supply a
constant power of 60kW.
I. INTRODUCCIÓN
En este documento se proporcionara al lector un apoyo teórico
para la comprensión de los modelos circuitales y sus compo-
nentes, con su correspondiente base matemática, así como las
leyes implementadas en los montajes. En el modelo propuesto
se presentara el diseño definitivo de la instalación fotovoltaica
de 60Kw del edificio 411 Laboratorios de Ingeniería de la
Universidad Nacional de Colombia. Posteriormente, se presenta
una sección de análisis de viabilidad; finalmente presentamos
las conclusiones a las que se llegan tras los estudios y análisis
presentados.
II. LOCALIZACION GEOGRAFICA
La universidad Nacional con sede en Bogotá D.C. comprende
la Ciudad Universitaria y otros predios ubicados dentro y fuera
del perímetro urbano de la capital del país y es considerada el
campus universitario más grande de Colombia . Está ubicado
en la localidad de Teusaquillo, en la dirección Carrera 45 # 26-
85, cuenta con una superficie de 1 213 500 metros cuadrados
(121,35 ha) y aproximadamente 308.541 m2 de área construida.
Figura 1. Mapa Ciudad universiaria
II-A. Laboratorios de Ingeniería 411
El edificio ubicado en la ciudad universitaria perteneciente a
la facultad de ingeniería y lugar de desarrollo de las practicas
de laboratorio esta ubicado en las coordenadas:
Latitud : 4,6391◦
Longitud : −74,0827◦
Elevacion : 1799,07m
II-B. Datos de radiación solar horizontal
el IDEAM reporta una radiacion mensual promedio: [2]
Figura 2. Radiación solar en kW H
m2 día del año 2010 al 2017
la radiación se divide por 1000w y se optiene el valor de horas
solares pico, con este valor se estimara la energia optenida.
II-C. Producción de energía:
se instala una potencia de 60kw y un area de 307 m2
en las
cubiertas del 411:
Mes Días Horas Pico
Energia
kwh mes
Enero 31 4.7 8742
Febrero 28 4.3 7224
Marzo 31 4.3 7998
Abril 30 3.6 6480
Mayo 31 3.4 6324
Junio 30 3.7 6660
Julio 31 3.9 7254
Agosto 30 4.2 7812
septiembre 30 3.9 7020
Octubre 31 3.9 7254
Noviembre 30 4.0 7200
Diciembre 31 4.3 7998
Total 87966

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III. SELECCIÓN DE PANELES
III-A. Declinación solar
Angulo del sol con respecto al ecuador, se toma el día medio
del mes de menor radiación en el año.
α = 23,45 sin(
360 ∗ (284 + n)
365
) (1)
n : día del año
Para el 15 de marzo el n=75
δ = −2,18◦
III-B. Ángulos de puesta (ωs)y salida del sol (ωd)
si se conoce la declinación solar y la latitud del lugar
geográfico (φ) del cual se quiere calcular estos datos se obtiene,
se obtiene el angulo solar (ω) para la salida y puesta de este.
Esto permite saber cuantas horas habrá luz en el día y también
altura del sol,a la hora solar es nula al mediodía, negativa por
la mañana y positiva por la tarde.
ωs = arc cos(
− sin(δ) ∗ sin(φ)
cos(δ) ∗ cos(φ)
) (2)
ωp = −ωs (3)
para este caso:
φ = 4
ωs = arc cos(
− sin(12,10) ∗ sin(4)
cos(12,10) ∗ cos(4)
) = −89,8◦
≈ −90◦
ωp = 89,8◦
≈ 90◦
III-B1. Angulo de salida del sol sobre un plano inclinado:
Dado que se desea posicionar los paneles con un angulo de
4,6◦
(Angulo de la latitud del lugar de instalacion) con respecto
a la horizontal para maximizar la captacion de energia solar.
ωss = Max[ωs, − arc cos(− tan(δ) tan(φ − β))] (4)
ωss = Max[−90◦
, −90◦
]
Donde β corresponde al angulo de inclinación del panel. En
este caso ambos resultados dan igual y se escogerá los −90◦
III-C. Factor de excentricidad
Relación entre la distancia del Sol a la Tierra de un día
determinado (r) y el valor medio de esta distancia a lo largo
del año (r0)
o = 1 + 0,033 ∗ cos(2π
n
365
) = 1,032 (5)
III-D. Calculo de la radiación
Radiación Directa, B: representa la fracción de irradiancia
procedente en línea recta del Sol.
Radiación Difusa, D: cuantifica la radiación procedente
de todo el cielo salvo del Sol, y por tanto incluye todos
los rayos dispersados por la atmósfera según los procesos
descritos.
Radiación del albedo, R o AL: es aquella fracción de radia-
ción procedente de la reflexión en el suelo. Habitualmente
supone una contribución muy pequeña y en algunos casos
puede ser despreciada.
La suma de estas tres componentes constituyen la denominada
irradiancia global:
G = B + D + R (6)
III-D1. radiación extra-atmosférica en un plano horizontal:
la distancia entre la Tierra y el Sol varía a lo largo del año
debido a la excentricidad de la elipse. Esta variación influye
en la irradiacion solar que alcanza la atmósfera. Teniendo en
cuenta este hecho, para calcular la radiacion incidente en una
superficie tangente a la atmósfera en una latitud determinada
emplearemos la ecuación 7
Ho(0) = 0B0cos(θzs) (7)
Este valor, denominado como irradiancia extra-atmosférica o
extra-terrestre en el plano horizontal, representa el valor límite
alcanzable en la superficie terrestre en un plano horizontal.
Así, podemos calcular la irradiación diaria extra-atmosférica
integrando la ecuación 7, y obteniendo la 8:
Hd,m(0) =
T
π
Bo 0[−
π
180
(ωss sin(δ) sin(φ))−(cos(φ) cos(δ) sin(ωss))]
(8)
Donde B0 = 1367W/m2 es una constante solar propuesta
por la Organización Meteorológica Mundial., T=longitud del
dia(24h),ωss angulo de salida del sol sobre un plano inclinado.
Hd,m(0) = 10668
Wh
m2
III-D2. Indice de claridad y radiación difusa: La determi-
nación de la radiación global se aborda a partir del cálculo de
la radiación horizontal directa y difusa, tomando los datos de
partida Hd,m(0), el índice de claridad (KT ) y la fracción difusa
(KD).
Se define el índice de claridad (KT ) como la relación entre
la radiación global y la radiación extraterrestre:
KT =
Gd,m(0)
Hd,m(0)
(9)
Donde Gd,m(0) es la radiación solar global reportada por la
Nasa( se tomara el dato reportado para el mes de marzo que es
el de menor radiacion ver tabla 1)
KT,m =
Gd,m(0)
Hd,m(0)
=
3760W h
m2
10668W h
m2
= 0,352
la fracción difusa
KD,m = 1 − 1,33kT = 0,531 (10)
para la radiacion difusa
Dd,m(0) = Gd,m(0) ∗ KD = 1996,56
Wh
m2
(11)

3. UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, TALLER DE INGENIERÍA, 17 DE ENERO DE 2020 3
III-D3. Radiacion directa:
Bd,m(0) = Gd,m(0)−Dd,m(0) = (3760−1996)
Wh
m2
= 1764
Wh
m2
(12)
III-D4. Radiacion total: Como los paneles se planean poner
en la parte del techo del edificio la radiación albedo se va a
despreciar.
Gd,m(0) = Bd,m(0) + Dd,m(0) = 3796
Wh
m2
(13)
III-D5. Horas pico solares: H.S.P. Horas de Sol pico sobre
horizontal : Para un lugar concreto, es el valor de la energía
solar (G) total incicidente sobre una superficie horizontal de 1
m2, expresado en kWh.El significado de "Horas de Sol Pico", es
equivalente a decir "Horas de sol a una intensidad de 1 kW/m2"
HSP =
Gd,m(0)kW h
m2
1W h
m2
=
3,8kW h
m2
1 W
m2
= 3,8h (14)
Este valor es muy cercano por los datos reportados en el
IDEAM[2] y la UPME[6].
III-E. Cantidad de paneles necesarios Np
Np =
Ppico
Pcadapanel
(15)
IV. PANELES
caracteristicas tecnicas:
Marca Libertad
Material Mono
Potencia (W) 500
Ancho (m) 1,976
Largo (m) 1,310
Área (m) 2,58856
Precio ($/W) 0,33
Tiempo (años) 25
Tensión MP (V) 48
Corriente MP (A) 10.87
Peso (kg) 32
Certificado Iso90011/4001
Celdas 96
Marca InfiniSolar Ongrid
phase 3 fases
Power out 10Kw
M.Power In 14.85Kw
M.DC voltage 900v
M.DC Current 2x25A
eficiencia 0.96
se usaron 120 paneles en configuracion serie paralelo y 6
inversores trifasicos conectados en paralelo con la red
Numero Paneles 120
Serie 480
Paralelo 21,74A
la información detallada se encuentra en el digrama unifilar
adjunto.
V. CABLEADO Y PROTECCIONES
Se usará un diodo bypass por panel y un diodo de bloqueo
por cada seccion en paralelo para protección por punto caliente.
Se usará un varistor para proteccion de sobretenciones (PU
II 2+1/R 1000 V / 40 kA), el fabricante recomienda que
el conductor de puesta a tierra tenga una seccion transversal
minimo de 25mm2
y una resistencia enferior a 8 ohms entre
la conexion y la puesta a tierra, el conductor se toma como 3
AWG cobre desnudo.
De acuerdo a las corrientes nominales se usarán 3 tipos de
calibres 10 AWG, 8 AWG y 6 AWG, escogidos de acuerdo
a la tabla 250-95 NTC 2050, del mismo modo se usaran las
protecciones de sobrecorrientes de acuerdo a la corriente nomi-
nal maxima que aguanta el conductor, se usarán protecciones
termomagneticas de 3x200A, 3x100A y 1X25A.
la información detallada se encuentra en el digrama unifilar
adjunto.
VI. CALCULOS MECÁNICOS
Paneles =
32kg ∗ 120
307m2
= 12,5
Kg
m2
(16)
Tejas = 12,1
Kg
m2
(17)
Soporte = 10
Kg
m2
= 15
Kg
m2
(18)
Cargatotal = Paneles + Tejas + Soporte = 39,1 (19)
se hizo la respectiva medicion de la insfraestrctura existente,
las columnas tienen un grosor de 0.3x0.3m m2
se estima que
la cubierta puede soportar un peso de 50 kg
m2 , no es necesario
reforzar la estructura, para un calculo detallado es nesesario
conocer el calibre de las varillas y el tipo de concreto, en caso
de implementarse se requiere un estudio detallado.
VII. COSTOS
Paneles 59 400 000
Inversores 30 000 000
QR siemens 3x200A 1 400 000
Q3100 3x100A 1 008 000Ö
1x25 120 000
DPS 1 200 000
6 AWG 43 200
8 AWG 230 400
10 AWG 180 00
3 AWG CU desnudo 138 000
canalizaciones y enpalmes 100 000
Diodos 400 000
medidor bidireccional 1 000 000
estructura 20 000 000
Mano de obra 4 000 000
Diseño 6 000 000
Ingeniería 11 081 960
Total 136 301 560
recuperacion de capital usando la funcion NPER de ecxel y
una tasa de interes anual de 21.5 %:

4. UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, TALLER DE INGENIERÍA, 17 DE ENERO DE 2020 4
tasa de interes anual 21.45 %
Pago por año -33 300 000
Valor actual 136 300 000
valor futuro 0
periodos del plan de pago 6.604
Despues de implementado el proyecto se debera hacer un
manteniemiento anual por un costo de 400 000 pesos, de
acuerdo al costo kwh para nivel de tension 2 que es de 385.92
pesos el ahorro anual es de 33 947 838 pesos, si se tiene en
cuenta las exepciones tributarias promulgadas en la la ley 1715
del año 2014 que regula la integracion de las FNRC (fuentes no
convencionales de energía renovable) las cuales contemplan:
50 % reduccion de la declaracion de renta anual por 5
años
excluión del iva
exención arancelaria de equipos e insumos.
incluso la CREG con la resolucion 030 fija pautas para que
los generadores y pequeños productores vendan energía.
VIII. CONCLUSIONES
1. Las conexiones on greed son realmente viables debido
a que no requieren un sistema de almacenamiento, este
puede llegar a representar cerca de la mitad del costo
del proyecto y tener un impacto ambiental considerable
debido a la presencia de metales pesados en las baterias.
2. Colombia es un lugar pivilegiado para explotar la gene-
racion fotovoltaica debido a que se encuentra cerca al
ecuador, lo cual aumenta considerablemente las horas pico
en diferentes momentos del año.
3.
REFERENCIAS
[1] Nasa Prediction Of Worldwide Energy Resources. [Online]. https://power.
larc.nasa.gov/data-access-viewer/
[2] Atlas de Radiación Solar, Ultravioleta y Ozono de Colombia. [Online].
hhttp://atlas.ideam.gov.co/visorAtlasRadiacion.html/
[3] Fundamentos de energia Solar. [Online]. http://reader.digitalbooks.pro/
content/preview/books/39121/book/OEBPS/Text/chapter1.html
[4] Energia solar Fotovoltaica,Oscar Perpiñan Lamigueiro, capitulos 2 y 3.[on-
line] https://oscarperpinan.github.io/esf/ESF.pdf
https://oscarperpinan.github.io/esf/
[5] Universidad de Jáen, curso energia solar. https://www.ujaen.es/investiga/
solar/07cursosolar/home_main_frame/02_radiacion/02_intermedio/ej_cal_
radiacion.htm
[6] Atlas de radiación solar, UPME, 2017. www.upme.gov.co/docs/atlas_
radiacion_solar/3-mapas_brillo_solar.pdf