LIBRO LANCHA SOLAR A ESCALA REAL

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ELEKTRA o mas conocida como la lancha solar a escala real, desea mostrar la energía solar como fuente sostenible de desarrollo y como alternativa energética para la protección del medio ambiente, implementando la energía solar en vehículos acuáticos, más específicamente en lanchas de mediano alcance utilizadas en la pesca, el turismo y el transporte de alimentos. El modelo del vehículo propuesto funciona con una red de celdas fotovoltaico, un sistema de control de carga y de flujo de corriente, un sistema de almacenamiento de corriente y un sistema electromecánico que consta del motor y un motor de posición que controla el direccionamiento, además de un mando a distancia.

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LIBRO LANCHA SOLAR A ESCALA REAL

  1. 1. ELEKTRA Lancha Solar a Escala Real Adonaí Zapata Gordon José Andrés Chaves Osorio Universidad Tecnológica de Pereira Facultad de Ingeniería Mecánica Facultad de Ciencias Básicas Pereira 2012
  2. 2. ii
  3. 3. Agradecimientos En el camino son muchos los seres divinos y terrenales que de una u otra forma nos acompañan en la vida, donde siempre se presentan obstáculos que debemos enfrentar y resolver, éxitos o fracasos, todos nos enseñan algo importante que debemos saber distinguir. Agradecemos a Dios porque es nuestro amigo leal y constante que siempre está a nuestro lado. A nuestros padres, esposas, hijos y familiares por su inquebrantable dedicación en forjar un mundo de oportunidades y éxitos en el camino de nuestra vida. A la Rectoría de la Universidad Tecnológica de Pereira por la labor continua por mejorar la educación superior. A la Vicerrectoría Académica por la excelente administración dando lugar a la investigación y desarrollo. A la Vicerrectoría de Investigaciones, Innovación y Extensión por su conanza y apoyo en el desarrollo de este tipo de proyectos. A la Facultad de Ingeniería Mecánica por brindar los conocimientos en sistemas energéticos y reconversiones energéticas. A la Facultad de Ciencias Básicas por construir las bases que hacen posible este tipo de proyectos. Al Ingeniero M. Sc. Carlos Alberto Orozco Hincapié por forjar nuestros pilares en energía solar. Al Ingeniero M. Sc. Alexander Molina Cabrera por el apoyo en el campo de la ingeniería eléctrica. Al Ingeniero Edwin Andrés Quintero por los aportes en el campo de la ingeniería electrónica. Al Ingeniero Omar Enrique Castro Hernández por compartir sus conocimientos en el campo de la programación e ingeniería eléctrica. Al Ingeniero M. Sc. Jimmy Alexander Cortez Osorio por brindar sus conocimientos en programación e ingeniería eléctrica. Al grupo de Investigación Robótica Aplicada por el excelente equipo de trabajo. A todos los profesores que participaron y que hacen parte de nuestras clases. A nuestros compañeros, amigos que una u otra forma aportaron su granito de arena. Finalmente a alguien que nos dió la oportunidad de estudiar, de aprender, de compartir, de sufrir, de ganar, de perder, que nos da la oportunidad de continuar, Gracias mil Gracias a nuestra UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA. iii
  4. 4. iv
  5. 5. Resumen Las fuentes de energía tradicionales como las hidroeléctricas, el petróleo, el gas natural, muestran un panorama nublado debido a su vida nita, además es importante resaltar que el uso de los combustibles fósiles está destruyendo nuestro planeta, generando altos costos de vida para la población y provocando enfermedades mortales. Es por ello que el mundo está en busca de fuentes alternas de energía como: la energía solar, eólica, térmica, biomasa entre otras. Estas energías permiten proponer y desarrollar nuevos proyectos, por ejemplo se desea mostrar la energía solar como fuente sostenible de desarrollo y como alternativa energética para la protección del medio ambiente, implementandola en vehículos acuáticos, más especícamente en lanchas de mediano alcance utilizadas en la pesca, el turismo y el transporte de alimentos, cambiando todo su sistema de funcionamiento, es decir, pasando del sistema de combustión a un sistema de energía eléctrica. El modelo del vehículo propuesto funciona con un sistema de captación y transformación (Panel Fotovoltaico) a energía eléctrica, un sistema de control de carga y de ujo de corriente, un sistema de almacenamiento de corriente (Acumulador o Batería) y un sistema electromecánico que consta del motor eléctrico y un motor de posición que controla el direccionamiento del vehículo, además de un mando a distancia para operar el vehículo desde cualquier parte de las cubiertas principales. v
  6. 6. vi
  7. 7. Índice general Agradecimientos iii Resumen v 1. DEFINICIÓN DE LA PROPUESTA 1 1.1. INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.3. DELIMITACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.4. OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.4.1. General. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.4.2. Especícos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.5. JUSTIFICACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2. FUNDAMENTOS DE POTENCIA EN BOTES Y ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAI- CA 5 2.1. POTENCIA REQUERIDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1. Velocidad de carena. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.2. Resistencia al avance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.3. Potencia del motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2. ENERGÍA SOLAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.1. Energía fotovoltaica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.1.1. Un poco de historia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.1.2. Línea de tiempo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.1.3. Desarrollo actual. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.2. Descripción del fenómeno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2.2.1. El efecto fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2.2.2. Las celdas solares o celdas fotovoltaicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2.3. Metodología de cálculo de la capacidad de un sistema fotovoltaico. . . . . . . . . . . . 11 2.2.3.1. Pasos de diseño. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.4. Algunas aplicaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.4.1. Sistemas domésticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3. MEDIO AMBIENTE, ECONOMÍA Y ENERGÍA 19 3.1. EFECTOS NOCIVOS CAUSADOS POR EL USO DE HIDROCARBUROS . . . . . . . . . . 19 3.1.1. Efectos sobre la salud humana. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.1.2. Efectos sobre los materiales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 vii
  8. 8. viii ÍNDICE GENERAL 3.1.3. Efectos globales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.1.4. Efectos sobre los ecosistemas (lluvias ácidas). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.1.5. Efectos sobre la estratosfera. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2. CALENTAMIENTO GLOBAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2.1. Originalmente, un fenómeno natural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.3. CONTAMINACIÓN AUDITIVA Y VISUAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.4. BENEFICIOS DEL USO DE ENERGÍAS ALTERNATIVAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.5. ECONOMÍA Y ENERGÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.5.1. Inuencia en el costo de vida debido al consumo de combustibles. . . . . . . . . . . . . 27 3.5.1.1. Lo que más sube. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.5.2. Las energías alternativas en la economía. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.5.2.1. La energía solar como fuente sostenible de desarrollo en Colombia. . . . . . . 28 3.6. COMBUSTIBLES FÓSILES Vs ENERGÍA SOLAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.7. BENEFICIOS AMBIENTALES, ECONÓMICOS Y ENERGÉTICOS DEL MODELO . . . . 33 3.7.1. Benecios Ambientales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.7.1.1. En hidrocarburos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.7.1.2. Acumuladores de energía eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.7.2. Benecios Económicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.7.2.1. En los combustibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.7.2.2. Lancha convencional vs lancha eléctrica solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.7.3. Benecios Energéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL MODELO A ESCALA 37 4.1. ANTECEDENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.1.1. Una pequeña historia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.1.2. Desarrollos históricos en la Universidad Tecnológica de Pereira. . . . . . . . . . . . . . 39 4.1.3. Últimos desarrollos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.2. ESTRUCTURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.2.1. Cubierta exterior. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.2.2. Cubierta principal proa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.2.3. Cubierta principal popa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.2.4. Cubierta de carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.2.5. Cubierta superior (Techo). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.2.6. Barras de techo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.2.7. Otras estructuras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.2.7.1. Panel de control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.2.7.2. Barras de protección. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.3. MECANISMO DE PROPULSIÓN Y DIRECCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.3.1. Cálculo de la potencia requerida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.3.1.1. Cálculo de la velocidad de carena. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.3.1.2. Cálculo de la resistencia al avance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.3.1.3. Cálculo de la potencia del motor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.3.2. Motor eléctrico sin escobillas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.3.3. Sistema de dirección. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.3.4. Servomotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.3.5. Especicaciones técnicas del sistema electromecánico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
  9. 9. ÍNDICE GENERAL ix 4.4. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Y CONTROL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.4.1. Cálculo de la capacidad del sistema fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.4.1.1. Pasos de diseño. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.4.2. Baterías. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.4.3. Panel solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.4.3.1. Circuito serie del panel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.4.3.2. Circuito serie paralelo del panel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.4.4. Circuitos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.4.4.1. Diseño de los circuitos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.4.4.2. Diagramas de bloques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.4.4.3. Plano eléctrico y constructivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.4.4.4. Indicador de carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.4.4.5. Control de ujo de carga y esquema de conexión . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.4.4.6. Integrados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5. MODELO REAL 81 5.1. ESTRUCTURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.1.1. Cubierta exterior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.1.2. Cubierta superior (Techo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.2. MECANISMO DE PROPULSIÓN Y DIRECCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5.2.1. Cálculo de la potencia del motor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5.2.2. Motor eléctrico fuera de borda DC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5.3. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Y CONTROL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.3.1. Calculo modulos solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.3.2. Baterías. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 5.3.3. Panel Solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.3.4. Controlador solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 6. RESULTADOS 95 6.1. RESULTADOS PROTOTIPO A ESCALA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 6.1.1. Sistema de propulsión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 6.1.2. Sistema fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 6.1.3. Datos y tiempos de carga del panel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 6.1.4. Datos y tiempos de carga y descarga del sistema de propulsión. . . . . . . . . . . . . . 97 6.1.5. Prototipo a escala de Lancha Eléctrica Aisitida por Energía Solar. . . . . . . . . . . . 98 6.2. RESULTADOS MODELO REAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 6.2.1. Modulo solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 6.2.2. Modelo real de la Lancha Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 7. CONCLUSIONES 103
  10. 10. x ÍNDICE GENERAL
  11. 11. Índice de guras 2.1. Resistencia de avance por tonelada. [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2. Alexandre Edmund Becquerel. [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.3. Descripción del efecto fotovoltaico. [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.4. Elementos de construcción de una celda solar. [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.5. Esquema de generación. [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.6. Conabilidad del sistema. [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.7. Sistema de corriente directa DC. [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.8. Sistema de corriente alterna AC. [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.9. Esquema básico del cargador emergente. [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.10. Cargador solar para celular. [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.11. Esquema detector de intensidad lumínica. [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.12. Detector de intensidad lumínica. [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.13. Sensores de luz. [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.1. Países emisores de gases de efecto invernadero. [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.2. Valores del PAO y PCG [33] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.3. Efecto invernadero y calentamiento global. [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.4. Tendencias anuales de temperatura. [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.5. Calentador solar de agua. [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.6. Colector solar. [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.7. Sistema solar de 2.8 kWp. [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.8. Sistema fotovoltaico de 3.4 kWp. [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.9. Valores PAO y PCG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.1. Chaqueta solar. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.2. Detector de intensidad lumínica. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.3. Cargador solar para celular. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.4. Bote cisterna. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.5. Modelo en desarrollo 1. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.6. Modelo en desarrollo 2. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.7. Bote SeaAngle. [Los autores] [18] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.8. Planos base del modelo. [Los autores] [18] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.9. Boceto cubierta inferior. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.10. Molde arcilla. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.11. Molde icopor y yeso. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.12. Cubierta inferior. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 xi
  12. 12. xii ÍNDICE DE FIGURAS 4.13. Boceto proa. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.14. Cubierta proa 1. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.15. Cubierta proa 2. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.16. Boceto popa. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.17. Cubierta popa 1. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.18. Cubierta popa 2. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.19. Boceto zona de carga. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.20. Zona de carga 1. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.21. Zona de carga 2. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.22. Boceto techo. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.23. Techo cubierta 1. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.24. Techo cubierta 2. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.25. Techo cubierta 3. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.26. Techo cubierta 4. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.27. Boceto barras de techo. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.28. Barras de techo. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.29. Tablero de comando 1. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.30. Tablero de comando 2. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.31. Puesto de tripulación. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.32. Barras de protección. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.33. Banca auxiliar. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.34. Resistencia al avance por tonelada. [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.35. Motor refrigerado por agua. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.36. Sistema de dirección. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.37. Servomotor. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.38. Esquema de generación. [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.39. Conabilidad del sistema. [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.40. Acumuladores de níquel e hidruro metálico. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.41. Celda solar. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.42. Plano de simulación de circuito de celdas en serie. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.43. Plano de simulación de circuito de celdas en serie y paralelo. [Los autores] . . . . . . . . . . 70 4.44. Diseño de conexión de celdas solares. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.45. Boceto panel solar. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.46. Conexión celdas solares. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.47. Area de captura. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.48. Perl panel solar. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.49. Panel solar 1. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.50. Panel solar 2. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.51. Panel solar 3. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.52. Diagrama de bloques circuito indicador de carga. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.53. Diagrama de bloques circuito de control de ujo de carga. [Los autores] . . . . . . . . . . . . 75 4.54. Conexión transistor y led. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.55. Plano de simulación del circuito indicador. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.56. Circuito impreso de indicador de carga. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.57. Conexión diodo. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
  13. 13. ÍNDICE DE FIGURAS xiii 4.58. Esquema de conexión. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.59. Circuito indicador de carga. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.1. Modelado cubierta exterior [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.2. Cubierta exterior de la lancha [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.3. Modelado cubierta superior [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.4. Vientos de rigidez [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.5. Soportes exibles en riata [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.6. Cubierta superior tipo techo [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.7. Motor eléctrico Minn Kota fuera de borda [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5.8. Soporte y anclaje de motor eléctrico [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.9. Ficha técnica de motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.10. Baterías de sistema de potencia [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.11. Ficha técnica de batería VRLA [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.12. Sistema de conexion de baterías [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.13. Panel solar de sistema de potencia [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.14. Ficha técnica de panel ASM [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.15. Panel solar de sistema de comunicación [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.16. Ficha técnica de Panel PFV [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.17. Esquema de conexión y montaje de modulo solar [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.18. Módulo solar [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.19. Sistema de protección de panel solar [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.20. Controlador de sistema de potencia [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 5.21. Ficha técnica de controlador Wellsee [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 5.22. Controlador de sistema comunicación [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.23. Ficha técnica de controlador Phocos [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.24. Gabinete de sistemas de control [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 6.1. Motor Pro Boat. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 6.2. Panel solar construido. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 6.3. Ficha técnica del panel solar construido. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 6.4. Modelo en prueba. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 6.5. Ficha técnica modelo construido. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 6.6. Módulo de 4 paneles solares [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 6.7. Modelado lancha solar [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 6.8. Proa de la lancha [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 6.9. Estribor de la lancha [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 6.10. Popa de la lancha [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 6.11. Prototipo de la lancha eléctrica asistida por energía solar [Los autores] . . . . . . . . . . . . 102
  14. 14. xiv ÍNDICE DE FIGURAS
  15. 15. Índice de cuadros 2.1. Probabilidad de operación de diferentes elementos. [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2. Calibres de la American Wire Gage. [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.1. Hidrocarburos vs energía solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2. Baterías contaminantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3. Costo de las lanchas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.1. Proyectos de grado. [16] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.2. Artículos revista Scientia et Technica. [16] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.3. Especicaciones del motor. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.4. Especicaciones servomotor. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.5. Especicaciones sistema electromecánico. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.6. Consumo medio diario 1. [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.7. Consumo medio diario 2. [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.8. Probabilidad de operación de diferentes elementos. [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.9. Calibre de la American Wire Gage. [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.10. Especicaciones baterías. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.11. Especicaciones celdas solares. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 6.1. Resultados de carga. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 6.2. Resultados de descarga en vacío. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 6.3. Resultados de descarga en navegación. [Los autores] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 xv
  16. 16. Capítulo 1 DEFINICIÓN DE LA PROPUESTA 1.1. INTRODUCCIÓN En el proceso de mejoramiento en la calidad de vida de una sociedad inuyen muchos factores económicos y sociales que pueden afectar el desarrollo ideal de una nación, es por ello que desde este punto de vista y tratando de alivianar los problemas se deben cuestionar algunos temas como: la responsabilidad social de las empresas productoras en el uso de los recursos naturales y el exceso de consumo (Hiperconsumo) de la población, estos problemas nacen de la inevitable carrera en el afán de desarrollar y consumir nuevos productos, sin tener en cuenta las consecuencias o los resultados, por ejemplo: la explotación de los combustibles fósiles como el petróleo, generan gran contaminación debido tanto a la obtención de sus subproductos (Destilación del crudo) como el consumo de éstos, además inuye directamente en el costo de vida, incrementando el valor de los alimentos, el vestido y un sin número de productos de primera necesidad. La propuesta consiste en construir un modelo de vehículo acuático asistido por energía solar fotovoltaica que permite mostrar como las energías renovables pueden cambiar el uso inadecuado de los recursos naturales y además fortalecer y motivar a la sociedad en general a investigar e implementar las nuevas tecnologías basadas en energías sostenibles. La energía solar fotovoltaica aunque está limitada por las condiciones geográcas y el estado del tiempo, permite desarrollar este tipo de modelos, donde se puede mostrar como generar energía eléctrica disponible para el sustento de la sociedad, empleando estrategias de implementación basados en elementos de ingeniería solar y métodos teórico prácticos. En el primer capítulo se dene la propuesta del proyecto, en el segundo la metodología propuesta para desarrollar el prototipo, en el tercero la relación energía, medio ambiente y economía y en el último capitulo el diseño y la construcción del modelo a escala, el cual cambia el sistema de combustión tradicional en los motores fuera de borda en un sistema electromecánico simple con algunos elementos electrónicos que controlan el funcionamiento, este modelo posee una estructura en bra de vidrio y aluminio, un motor de imanes permanentes, un motor de posición, un timón y el sistema de alimentación que consta de 40 células fotovoltaicas que conforman el panel solar, dos acumuladores recargables y un circuito electrónico, todo el modelo desarrollado a una escala de aproximadamente 1:10. 1.2. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN ¾Es posible mejorar las condiciones económicas, sociales y ambientales de las comunidades costeras y ribereñas dedicadas a la pesca y el turismo? 1
  17. 17. 2 CAPÍTULO 1. DEFINICIÓN DE LA PROPUESTA Las comunidades costeras son vulnerables a la pobreza, el hambre y la contaminación ambiental, es por ello que los lancheros dedicados a la pesca y el turismo ven limitado el desarrollo sostenible de su núcleo familiar. Esta situación se ve reejada particularmente en el hecho de que sus vehículos de trabajo están alimentados por combustibles fósiles que generan grandes costos de mantenimiento y daños al medio ambiente, lo que a su vez redunda incluso en incrementos permanentes en el costo de los alimentos. Los combustibles fósiles son una fuente de energía importante para la industria; sin embargo, su uso ha generado un impacto ambiental irreparable, debido a que la maquinaria y el transporte actual funcionan por combustión (mezcla de aire e hidrocarburos y calor), la cual genera una gran cantidad de gases tóxicos como: Monóxido de Carbono (CO), Hidrocarburos (CH), Óxidos de Nitrógeno (NOx), Dióxido de Azufre (SO2) y el más dañino el denominado Material Particulado (MP) compuesto de hollín, hidrocarburos condensados y compuestos de azufre cuyo tamaño aproximado es de 1,3 micrones de diámetro promedio. La exposición prolongada a estas sustancias puede causar cáncer, irritación en las vías respiratorias por la presencia de SO2 así como lluvia ácida, la cual se genera debido al efecto invernadero. Estudios de la Organización Mundial de la Salud (OMS) revelan que el MP es la forma de polución que más afecta de acuerdo al nivel vehicular, es decir que el Material Particulado producido por los hidrocarburos es el contaminante que más tiene efectos en el ambiente. Estos residuos en los gases de escape van a parar a la atmósfera de ahí la importancia de controlarlos para que no superen los límites aceptables para la salud. 1.3. DELIMITACIÓN El proyecto pretende la creación y desarrollo de un prototipo funcional como fuente base y sostenible en la generación de soluciones ambientales, económicas, sociales y educativas, utilizando e implementando desarrollos actuales de energía solar y sistemas electromecánicos adecuados. El sistema es electromecánico alimentado por un circuito de celdas fotovoltaicas (panel solar) que transforma la energía proveniente del sol a energía eléctrica, el ujo es transportado y controlado por un circuito electrónico, luego, es almacenado en 2 acumuladores (baterías) y nalmente el sistema propulsiona un motor DC de imanes permanentes y un servomotor de direccionamiento. 1.4. OBJETIVOS 1.4.1. General. Implementar la energía solar en vehículos acuáticos eléctricos asistidos por energía fotovoltaica. 1.4.2. Especícos. ˆ Construir un modelo a escala que permita visualizar como las energías alternativas pueden cambiar la perspectiva del uso de los recursos naturales desarrollando nuevas tecnologías energéticas sostenibles en sistemas eléctricos, electromecánicos y/o electrónicos. ˆ Fortalecer el estudio de las energías alternativas manteniendo un constante y continuo mejoramiento para el planeta formando una sociedad de cultura conciente de la situación actual del medio ambiente, haciendo cambios continuos en el estilo de vida para benecio de todos. ˆ Motivar a la comunidad universitaria a realizar investigación en temas de interés común como la problemática económica del país y el calentamiento de la tierra en busca de nuevas soluciones en el campo de las energías alternativas.
  18. 18. 1.5. JUSTIFICACIÓN 3 ˆ Llegar a ser fuente de ideas para el desarrollo de nuevas tecnologías basándose en el sistema construido para este proyecto. 1.5. JUSTIFICACIÓN En el hiperconsumo de productos y servicios de una sociedad en vía de desarrollo donde las necesidades surgen todos los días y donde la sociedad requiere jóvenes innovadores con responsabilidad social que a través de la academia y la industria realicen investigación en las nuevas energías y su transformación en productos y servicios. La energía solar permite desarrollar una nueva perspectiva en el concepto de energías que permiten solucionar varias problemáticas, como la producción de gases y partículas contaminantes que alteran el proceso normal del efecto invernadero e incrementan la temperatura supercial (Calentamiento Global), evita enfermedades y permite que la sociedad reduzca sus gastos e incremente sus productos de consumo; sin embargo lo que realmente soluciona es la problemática de depender de aquellas energías que son nitas y que tienen altos costos. El desempleo es otro problema social, político y económico que se debe abordar y que incrementa constantemente, esta situación genera otros muchos problemas que afectan el bienestar de una sociedad. Las energías renovables podrían alivianar esta situación descentralizando muchas actividades que son para unos pocos, por ejemplo; las centrales hidroeléctricas, termoeléctricas e industrias petroleras están ubicadas en solo algunas zonas como la hidroeléctrica de Chivor en Cundinamarca, Jaguas en Antioquia y plantas petroleras como la de Cartagena y la de Barrancabermeja que sólo benecian a unos pocos trabajadores, mientras que las nuevas formas de energía podrían generar más empleos, oportunidades y empresarios, por ejemplo; la energía solar y eólica están en el mayor territorio de un país, lo que permite descentralizar las fuentes de energía y a su vez estabilizar un poco más la economía de un gobierno.
  19. 19. 4 CAPÍTULO 1. DEFINICIÓN DE LA PROPUESTA
  20. 20. Capítulo 2 FUNDAMENTOS DE POTENCIA EN BOTES Y ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA 2.1. POTENCIA REQUERIDA El objetivo de las distintas formas de energía es generar potencia bien sea térmica, mecánica o eléctrica, para este caso en particular se requiere determinar la forma de calcular la potencia necesaria para mover un bote de mediano alcance; es decir con una eslora entre 4 y 8 metros. 2.1.1. Velocidad de carena. Las embarcaciones poseen diversidad de velocidades según la aplicación, éstas pueden variar desde lanchas rápidas a 25 nudos a 30 nudos hasta botes de carga a 5 nudos a 6 nudos, el método para calcular esta velocidad según el especialista francés Pierre Gutelle diseñador de embarcaciones es: Todo barco de desplazamiento tiene una velocidad máxima en función de su eslora. Sólo puede superar esta velocidad en caso de planear. Los veleros de competición planean bajo ciertas condiciones (en general con vela globo). Existen diversas fórmulas que permiten este cálculo, pero se incluye la más correcta: V = R ∗ Ef (2.1) Siendo Ef la eslora de otación (en metros) y V la velocidad de carena (en nudos). R es el grado de velocidad y para un bote de desplazamiento estaría en 2,4. [1] 2.1.2. Resistencia al avance La resistencia total al avance (resistencia de la ola, rozamiento y estela) está entre 30 y 40 daN (decanewtons: son 10 Newtons y aproximadamente el equivalente a 1 kg de fuerza) por tonelada de desplazamiento (suponiendo un casco limpio, libre de algas y lodos). El valor más bajo correspondería a un velero de regata con poca supercie mojada, mientras el mayor sería el de un velero pesado con quilla corrida. A partir de la Figura 2.1, se puede conocer la resistencia al avance por tonelada teniendo en cuenta distintos grados de velocidad y mediante la relación desplazamiento/eslora en el eje de las abscisas denido 5
  21. 21. 6CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS DE POTENCIA EN BOTES Y ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA como: D Ef 100 3 (2.2) Siendo D el desplazamiento en toneladas. [1] Figura 2.1: Resistencia de avance por tonelada. [1] 2.1.3. Potencia del motor Una vez calculada la resistencia al avance Rest del barco en unas determinadas condiciones, se puede pasar a evaluar la potencia necesaria. En primer lugar se calcula la potencia en la hélice Ph: Ph = Rest ∗ V ∗ 0, 005 (2.3) La resistencia debe introducirse en daN y V en nudos. El resultado viene dado en kilowatts (kW). Si se desea en CV, basta con saber que: 1 CV = 0,735 kW ó 1 kW = 1,36 CV, esta será la potencia que efectivamente aplicará la hélice para el avance. Sin embargo no es la misma que la que se aplicará en el eje de la hélice, ya que el rendimiento de la hélice dista mucho de ser el 100 %. Para un barco mercante el rendimiento está sobre el 75 %. En general se adoptará un valor del 75 %. Se puede por tanto calcular la potencia real Pe necesaria en el eje:
  22. 22. 2.2. ENERGÍA SOLAR 7 Pe = Ph 0, 75 (2.4) Todavía quedan varias pérdidas a tener en cuenta Prensaestopas: en torno al 2 % (ojo, si está muy apretado puede ser más) Inversor: Por engranajes relación 2/1: 4-5 % Multidisco hidráulico: 8 % Totalmente hidráulico: 15 % Habrá por tanto que aplicar las pérdidas totales prensaestopas + inversor y recalcular la potencia necesaria: Por ejemplo: Pérdidas = 2 + 4 (inversor clásico por engranajes) = 6 % Pot = Pe 0, 94 0, 94 = 100−6 100 (2.5) Aún se necesita añadir más pérdidas: Alternador: La potencia absorbida por el alternador es 2,2 veces la suministrada. [1] Palternador = 2, 2 ∗ Vt ∗ I (2.6) 2.2. ENERGÍA SOLAR Una energía garantizada para los próximos 6.000 millones de años. La energía solar es obtenida mediante la captura de las ondas UV y el calor emitido por el sol, ambas formas de energía dependen de la radiación solar (Intensidad solar) por metro cuadrado, de forma más especíca el sol provee dos tipos de energía, el efecto fotovoltaico y la radiación térmica, de la primera mediante celdas fotosensibles o fotovoltaicas obtenemos energía eléctrica y de la segunda mediante cuerpos negros se obtiene energía térmica para el calentamiento de uidos, de ambas existen algunas aplicaciones como: Calentadores solares (Proveen energía térmica al uido para procesos especícos) Iluminación pública (Fotorresistencias que regulan el consumo de electricidad o paneles solares que alimentan el elemento lumínico) Paneles fotovoltaicos (Entregan electricidad) Cocinas solares (Entregan energía térmica para la cocción de alimentos o productos) Cargadores portables (Proveen ujo eléctrico) 2.2.1. Energía fotovoltaica. 2.2.1.1. Un poco de historia. El principio fotovoltaico fue descubierto por el físico francés Edmund Becquerel Figura 2.2 1 en 1839 al iluminar el electrodo de una célula electrolítica con electrolito poco conductor. Durante los años 1880, las primeras células fotovoltaicas eran fabricadas con Selenio y solamente conseguían entre el 1% y el 2% de eciencia de conversión. Los principios cuánticos desarrollados en los años 1920 y 1930, fundamentaron el presente modo de entender el fenómeno fotovoltaico. 1BECQUEREL Edmund, físico frances 24 de marzo de 1820 - 11 de mayo de 1891
  23. 23. 8CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS DE POTENCIA EN BOTES Y ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA Figure 2.2: Alexandre Edmund Becquerel. [3] El método Czochralski de 1918 supuso uno de los mayores avances, que posibilitaron en la década 1940- 1950 la obtención de monocristales de Si con la suciente pureza para el desarrollo de células solares (junto con transistores y diodos). Las células solares están basadas en los mismos mecanismos físicos que los transistores y dispositivos cuánticos, y se desarrollan bajo el impulso de la investigación espacial en los años 50-60 como alternativa a los generadores de isotopos radioactivos de los satélites. [3] 2.2.1.2. Línea de tiempo. ˆ 1839 Edmund Bacquerel, físico frances, descubre el efecto FV: en una celda electrolítica compuesta de 2 electrodos metálicos sumergidos en una solución conductora, la generación de energía aumentaba al exponer la solución a la luz. ˆ 1873 Willoughby Smith descubre la fotoconductividad de selenio. ˆ 1877 W.G. Adams y R.E. Day observan el efecto fotovoltaico en selenio sólido. Construyen la primera celda de selenio. ˆ 1904 Albert Einstein publica su trabajo acerca del efecto fotovoltaico. ˆ 1921 Albert Einstein gana el Premio Nobel por sus teorías explicativas del efecto fotovoltaico.
  24. 24. 2.2. ENERGÍA SOLAR 9 ˆ 1951 El desarrollo de la unión p-n crecida posibilita la producción de una celda de germanio monocristalino. ˆ 1954 Los investigadores de los Laboratorios Bell (Murray Hill, NJ) D.M. Chapin, C.S. Fuller, y G.L. Pearson publican los resultados de su descubrimiento; celdas solares de silicio con una eciencia del 4,5 %. ˆ 1955 Se comercializa el primer producto fotovoltaico, con una eciencia del 2 % al precio de $25 cada celda de 14 mW. ˆ 1958 El 17 de marzo se lanza el Vanguard I, el primer satélite articial alimentado parcialmente con energía fotovoltaica. El sistema FV de 0,1 W dura 8 años. ˆ 1963 En Japón se instala un sistema fotovoltaico de 242 W en un faro. ˆ 1973 La Universidad de Delaware construye Solar One, una de las primeras viviendas con EFV. Las placas fotovoltaicas instaladas en el techo tienen un doble efecto: generar energía eléctrica y actuar de colector solar (calentado el aire bajo ellas, el aire era llevado a un intercambiador de calor para acumularlo). ˆ 1974-1977 Se fundan las primeras compañías de energía solar. El Lewis Research Center (LeRC) de la NASA coloca las primeras aplicaciones en lugares aislados. La potencia instalada de EFV supera los 500 kW. ˆ 1978 La NASA LeRC instala un sistema FV de 3.5 kWp en la reserva india Papago (Arizona). Es utilizado para bombear agua y abastecer 15 casas (iluminación, bombeo de agua, refrigeración, lavadora, ...). Es utilizado hasta la llegada de las líneas eléctricas en 1983, y a partir de entonces se dedica exclusivamente al bombeo de agua. ˆ 1980 La empresa ARCO Solar es la primera en producir más de 1 MW en módulos FV en un año. ˆ 1981 Solar Challenger, un avión abastecido por EFV, vuela. Se instala en Jeddah, Arabia Saudita, una planta desalinizadora por osmosis-inversa abastecida por un sistema FV de 8-kW. ˆ 1982 La producción mundial de EFV supera los 9.3 MW. Entra en funcionamiento la planta ARCO Solar Hisperia en California de 1 MW. ˆ 1983 La producción mundial de EFV supera los 21.3 MW, y las ventas superan los 250 millones de dólares. El Solar Trek, un vehículo alimentado por EFV con 1 kW atraviesa Australia; 4000 km en menos de 27 días. La velocidad máxima es 72 km/h, y la media 24 km/h. ARCO Solar construye una planta de EFV de 6 MW en California, en una extensión de 120 acres; conectado a la red eléctrica general suministra energía para 2000-2500 casas. ˆ 1992 Se instalo un sistema FV de 0.5 kW en Lago Hoare, Antártida, con baterías de 2.4 kWh. Se utiliza para abastecer a equipamiento de laboratorio, iluminación, Pcs e impresoras y un pequeño horno microondas. ˆ 1996 El icaro, un avión movido por EFV sobrevuela Alemania. Las alas y la zona de cola están recubiertas de 3000 células superecientes con una supercie de 21m 2 . [3] 2.2.1.3. Desarrollo actual. A nivel mundial, uno de los países que más ha avanzado en el estudio de la energía solar es España, que por su privilegiada situación y climatología, se ve particularmente favorecida respecto al resto de los países de Europa, ya que sobre cada metro cuadrado de su suelo inciden al año unos 1.500 kWh de energía, cifra similar a la de muchas regiones de América Central y del Sur. Esta energía puede aprovecharse directamente, o bien ser convertida en otras formas útiles como por ejemplo, en electricidad. Aparte de las dicultades que una política energética solar avanzada conllevaría por sí misma, hay que tener en cuenta que esta energía está sometida a continuas uctuaciones y a variaciones más o menos bruscas. [4]
  25. 25. 10CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS DE POTENCIA EN BOTES Y ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA 2.2.2. Descripción del fenómeno. 2.2.2.1. El efecto fotovoltaico. El efecto fotovoltaico consiste en el potencial eléctrico desarrollado entre dos materiales diferentes por la radiación de un haz de fotones sobre la región que une dichos materiales (ver Figura 2.3). Se tiene entonces un proceso de conversión directa de luz a electricidad. Figura 2.3: Descripción del efecto fotovoltaico. [6] La generación de potencia fotovoltaica radica en la diferencia del potencial químico (llamado nivel de Fermi) de los electrones de los dos materiales aislados. Cuando los materiales se unen, la unión se acerca a un nuevo equilibrio termodinámico. La energía térmica incrementa la vibración molecular y es capaz de golpear electrones hacia fuera de su banda de valencia y ubicarlo dentro de la banda de conducción. Tal equilibrio sólo se consigue cuando el nivel de Fermi es igual en los dos materiales. Esto se debe al ujo de electrones de un material a otro hasta que se establece una diferencia de potencial entre los dos materiales. Si un campo eléctrico está presente, estas cargas pueden producir una corriente tal como existe permanentemente en las uniones en materiales prefabricados con campos electrostáticos, donde se genera una fuerza electromotriz (fem). [5] 2.2.2.2. Las celdas solares o celdas fotovoltaicas. Desde el punto de vista de la física de estado sólido, la celda solar es básicamente un gran diodo p-n con su juntura localizada cerca de la supercie superior de la celda. La mayoría de las celdas solares son hechas de silicio puro. El silicio es el segundo elemento más común en la faz de la tierra. Una celda fotovoltaica está hecha de una delgada galleta de cristal de silicio (1 mm de grosor). La región activa de generación solar es únicamente de 0.001mm de espesor, siendo el resto de la celda su estructura mecánica.
  26. 26. 2.2. ENERGÍA SOLAR 11 Figura 2.4: Elementos de construcción de una celda solar. [6] La Figura 2.4 muestra la construcción básica de la celda. Para obtener corriente, se proveen contactos metálicos en ambos lados de la unión de la celda. De esta manera se logra una corriente eléctrica inducida por el impacto de los fotones en el lado frontal (superior) de la celda. Los contactos son láminas conductoras (soldadas) que se colocan sobre la supercie del fondo (parte oscura) y en el borde de de la supercie superior (donde incide la luz). Después continúa una delgada malla conductora encima de la supercie colectora de corriente permitiendo que pase la luz a través de ella. El espacio de las bras conductoras en la malla es un asunto de compromiso entre maximizar la conductancia eléctrica y minimizar el bloqueo de la luz. Además de los elementos básicos, varias características mejoradas se incluyen también en la construcción de la celda, por ejemplo; la cara frontal de la celda tiene una capa anti-reectiva para absorber tanta luz como sea posible minimizando la reexión. La celda se protege mecánicamente por medio de una cubierta de vidrio con un adhesivo transparente. [5] 2.2.3. Metodología de cálculo de la capacidad de un sistema fotovoltaico. 2.2.3.1. Pasos de diseño. 1. Esquema de generación. Existen varios esquemas de generación donde se involucran inversores, reguladores, panel, baterías entre otros, para este modelo solo se requiere de 3 elementos como lo ilustra la Figura 2.5. [2] Figura 2.5: Esquema de generación. [2]
  27. 27. 12CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS DE POTENCIA EN BOTES Y ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA 2. Dimensionamiento. a. Determinar la tensión de trabajo Vn b. Calcular la carga media C del sistema en Ampere - hora C = Consumo Medio Diario (WH/d´ıa) Vn A − H d´ıa (2.7) c. Denir inclinación del panel fotovoltaico d. Calcular las horas diarias de brillo solar promedio anual n e. Calcular la corriente del panel necesaria, Io Io = C n (2.8) f. Aplicar un factor de seguridad que tenga en cuenta las pérdidas por suciedad, envejecimiento y pérdidas en la batería. Valor típico de 1,2 donde I es la corriente real: I = 1, 2 ∗ Io (2.9) g. Determinar el número total de módulos, K. K = M ∗ N (2.10) Si las características del panel fotovoltaico a máxima potencia son Vm e Im, el número de paneles en serie N y el número M en paralelo. [2] N = Vn Vm (2.11) M = I Im (2.12) 3. Determinación de la conabilidad del sistema. Se dene como la probabilidad de operación del sistema fotovoltaico que es función de cada uno de los componentes. [2] Figura 2.6: Conabilidad del sistema. [2]
  28. 28. 2.2. ENERGÍA SOLAR 13 Para cada componente de la Figura 2.6 se pueden denir las siguientes probabilidades: Pi: Probabilidad de operación de un elemento i (panel, regulador entre otros) Qi: Probabilidad de falla de un elemento i. Cuadro 2.1: Probabilidad de operación de diferentes elementos. [2] La conabilidad Z del sistema de la Figura 2.6 está dada por: Z = PCO[1 − (1 − PG)(1 − PI ∗ PR ∗ PB ∗ PP ∗ PS ∗ PC)] (2.13) 4. Determinación de la eciencia y capacidad del sistema. Se debe diferenciar entre la eciencia del panel (10-11 %), la eciencia de un arreglo (8 %) y la eciencia de la celda. Esta última es mayor y sobrepasa en general el 10 %. La capacidad de un sistema fotovoltaico se determina con base a la demanda media de energía, Wn, que se obtiene del análisis de cargas, agregándole las pérdidas que pueden ser del 15 % al 20 %. La eciencia global η se dene como Wn o energía demandada dividida por la energía disponible sobre los paneles HT A 5. Cálculo de la capacidad del cableado. El siguiente Cuadro 2.2 suministra los calibres de la American Wire Gage (AWG). Observe que la relación entre un diámetro y el siguiente es constante a 1,123 y la relación entre un diámetro y seis posteriores es casi 2(1,123 6 =2,0058). Los conductores de diámetro mayores a los calibres 0000 deben ser trenzados como cables. La resistencia R en ohm (Ω) de un cable se puede determinar a partir de la siguiente ecuación: R = ρ ∗ L Ac (2.14) Donde L es la longitud del cable, Acárea de la sección tranversal yρ es la resistividad del cable cuyos valores a 20 o C son para el cobre 0,01724 Ω − mm2 /m, el aluminio 0,02828 Ω − mm2 /m, el oro 0,0244 Ω − mm2 /m y la plata 0,01628 Ω − mm2 /m.
  29. 29. 14CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS DE POTENCIA EN BOTES Y ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA La ecuación para calcular la última columna tiene en cuenta la temperatura así: R(T) = R(To)[1 + α1(T − To)] (2.15) Donde To es la temperatura de la resistividad, T es la temperatura de la zona y α1es un factor de temperatura y esta dado por: α1 = (234, 5 + To)−1 (2.16) Cuadro 2.2: Calibres de la American Wire Gage. [2] Para determinar el área del conductor se tiene: Ac = ρ ∗ L 0, 03Vn 2 ∗ M ∗ Im 1 + T − To 234, 5 + To (2.17) 6. Estimar la capacidad de las baterías. Ésta se dene como la energía que una batería está en capacidad de almacenar IAH Amperios-Hora a una diferencia de potencial dada V , para un período de tiempo dado en horas TH, por lo tanto: Energ´ıa Requerida = Energ´ıa Almacenada (2.18)
  30. 30. 2.2. ENERGÍA SOLAR 15 ˙W ∗ TH = IAH ∗ V (2.19) La potencia ˙W es la instalada del sistema y el tiempo TH de dicho sistema fotovoltaico deberá ser la autonomía del sistema. Para Colombia el ingeniero Carlos A. Orozco recomiendan 5 días de autonomía; lo que signica que el sistema podrá ser descargado hasta tener una carga equivalente al 20 % de la capacidad de la batería. [2] IAH = ˙W ∗ TH V (2.20) 2.2.4. Algunas aplicaciones. Ante la necesidad de fuentes eléctricas de energía para aplicaciones cotidianas como la carga de la batería de equipo electrónico en sitios o circunstancias en donde la red eléctrica no está disponible, se han implementado varias soluciones por medio de las celdas solares con el acompañamiento de circuitos electrónicos y sistemas mecánicos. [5] 2.2.4.1. Sistemas domésticos. SISTEMAS DC y SISTEMAS AC. El panel solar produce energía en forma de corriente directa que se almacena en la batería pasando a través del regulador cuya función es proteger la batería de la sobrecarga o de la sobredescarga. Los elementos que cargan el circuito como lámparas, radio o televisión se conectan a la batería a través del regulador (Sistema DC) como se ilustra en la Figura 2.7, o a través de un inversor (Sistema AC) mostrado en la Figura 2.8 que convierte la corriente almacenada en la batería, en corriente alterna y permite el uso de las lámparas y otros electrodomésticos que usan AC. [6] Figura 2.7: Sistema de corriente directa DC. [4] A mayor cantidad de luz, mayor es la cantidad de energía que se acumula en la batería. Por lo tanto
  31. 31. 16CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS DE POTENCIA EN BOTES Y ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA durante las temporadas secas de mucho sol se tiene energía en abundancia. En cambio durante la temporada de invierno, con días lluviosos y nublados, se tiene menor disponibilidad de energía. [6] Figura 2.8: Sistema de corriente alterna AC. [4] CARGADOR EMERGENTE DE BATERÍA PARA TELÉFONO CELULAR. El teléfono móvil (celular), ha brindado aportes muy signicativos al mundo de las comunicaciones, manteniendo constantemente interconectados a sus usuarios. Tal dispositivo se ha vuelto indispensable en el trabajo continuo del hombre. Este dispositivo móvil requiere de una constante recarga que se realiza a través de un cargador convencional conectado a una fuente de corriente alterna. Este nuevo sistema permite mantener una carga constante implementando sistemas de soporte con celdas fotovoltaicas o incluso sistemas de sostenimiento completo utilizando fuentes luminosas. De esta manera, se tendría como benecios una carga permanente. Este tipo de cargador puede atender una necesidad de aproximadamente diez horas en la batería de un celular. En la Figura 2.9 se muestra el esquema básico y en la Figura 2.10 la conexión del cargador a un teléfono celular. [5] Figura 2.9: Esquema básico del cargador emergente. [5]
  32. 32. 2.2. ENERGÍA SOLAR 17 Figura 2.10: Cargador solar para celular. [5] DETECTOR DE INTENSIDAD LUMINOSA Y POSICIONADOR DE PANEL SOLAR. Teniendo en cuenta que el objetivo es el aprovechamiento total de la radiación solar se ha desarrollado un sistema que detecta la mayor intensidad lumínica, y ubica un panel solar en forma perpendicular a los rayos de luz incidentes. El requerimiento de este desarrollo obedece al hecho de que un panel solar estático tiene un 40 % de eciencia menos que un panel seguidor de intensidad luminosa. En el esquema de la Figura 2.11 se muestran los componentes del detector de intensidad luminosa desarrollado. Éste tiene como base dos circuitos integrados, los cuales según los datos recolectados por los sensores fotoeléctricos son capaces de tomar decisiones, con el n de que el panel esté de forma perpendicular a la intensidad luminosa. El giro del panel se logra mediante un motor DC con velocidad controlada. El panel se formó con 14 celdas con lo que se obtuvo un voltaje de 12 V. En las Figuras 2.12 y 2.13 se aprecia el detector desarrollado. [5] Figura 2.11: Esquema detector de intensidad lumínica. [5]
  33. 33. 18CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS DE POTENCIA EN BOTES Y ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA Figura 2.12: Detector de intensidad lumínica. [5] Figura 2.13: Sensores de luz. [5]
  34. 34. Capítulo 3 MEDIO AMBIENTE, ECONOMÍA Y ENERGÍA Temas que en los últimos años han tenido que integrar tareas debido a que las formas de energía actual afectan el medio ambiente, por ejemplo; especies en extinción, afecciones en la salud y cambios en las condiciones climáticas del planeta, un caso reciente son los sismos y cambios de temperatura en la supercie de la tierra. Por otro lado la economía del país depende en gran parte del petróleo que proporciona muchos subproductos, pero genera grandes costos en los alimentos, en el vestido y muchos otros productos. En el último siglo se han explotado un sin número de recursos naturales que son fuente de energía que poseen una vida nita, es decir, que en un tiempo no muy distante serán parte del pasado, en este capítulo se citan muchos temas que aclaran el porqué se deben usar las energías sostenibles. 3.1. EFECTOS NOCIVOS CAUSADOS POR EL USO DE HIDRO- CARBUROS La contaminación atmosférica afecta a millones de personas de todo el mundo, principalmente en países emisores de gases, especialmente a aquellas que viven en los grandes núcleos urbanos y en áreas fuertemente industrializadas, con denso tráco de vehículos. Las emanaciones de polvos y gases corrosivos deterioran el medio ambiente dando lugar a olores desagradables, pérdida de visibilidad y daños para la salud humana, para los cultivos y otras formas de vegetación y sobre los materiales de construcción. La contaminación atmosférica apareció primero como una molestia grave, pero, posteriormente se ha convertido en una amenaza para la calidad de la vida, ya que una contaminación excesiva puede poner en peligro la salud y llegar a convertir algunas zonas en lugares no aptos para ser normalmente habitados. Los efectos producidos por la contaminación atmosférica dependen principalmente de la concentración de contaminantes, del tipo de contaminantes presentes, del tiempo de exposición y de las uctuaciones temporales en las concentraciones de contaminantes, así como de la sensibilidad de los receptores y los sinergismos entre contaminantes. Hay que tener muy en cuenta la graduación del efecto a medida que aumentan la concentración y el tiempo de exposición. En la Figura 3.1 se muestra el porcentaje de algunos países respecto al mundo y las toneladas de emisiones per cápita. [7] 19
  35. 35. 20 CAPÍTULO 3. MEDIO AMBIENTE, ECONOMÍA Y ENERGÍA Figura 3.1: Países emisores de gases de efecto invernadero. [12] Por otro lado la Unidad Técnica del Ozono del Ministerio del Medio Ambiente y el Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo, establecieron el Potencial de Calentamiento Global (PCG) y el Potencial de Agotamiento del Ozono (PAO) para algunas sustancias altamente contaminantes, donde se relaciona el valor para los hidrocarburos. Figura 3.2. Figura 3.2: Valores del PAO y PCG [33]
  36. 36. 3.1. EFECTOS NOCIVOS CAUSADOS POR EL USO DE HIDROCARBUROS 21 3.1.1. Efectos sobre la salud humana. Las relaciones existentes entre las enfermedades humanas y la exposición a la contaminación no son sencillas ni se conocen con exactitud. No obstante, existen pruebas abundantes de que en general, las concentraciones elevadas de contaminantes en el aire son peligrosas para los seres vivios. Los efectos que producen sobre la salud se ponen claramente de maniesto, como se ha observado en Londres, Nueva York y Osaka entre otras ciudades, por el aumento de la mortalidad, sobre todo en las personas de edad avanzada o en los individuos más sensibles. Más difíciles de discernir son los efectos que, a largo plazo, pueden producir las exposiciones episódicas a elevadas concentraciones medias y bajas de contaminantes. Se ha comprobado la relación existente entre la contaminación atmosférica, producida por partículas en suspensión y anhídrido sulfuroso, y la aparición de bronquitis crónica caracterizada por la producción de emas, la exacerbación de catarros y dicultades respiratorias tanto en los hombres como en las mujeres adultas. Se ha observado igualmente, que cuando las concentraciones tanto de SO2 como de partículas en suspensión superan los 500 microgramos/metro cúbico de aire, como promedio de 24 horas, se produce un aumento de la mortalidad en la población en general, siendo los grupos más sensibles los individuos con procesos cardíacos o pulmonares. Con promedios diarios de 250 microgramos/metro cúbico de SO2 y de humos se ha registrado el empeoramiento en los enfermos con afecciones pulmonares. Es de destacar que las concentraciones de partículas en suspensión y de SO2 que pueden provocar la aparición de efectos sobre la salud, pueden variar de un lugar a otro según cuáles sean las características físicas y químicas de las partículas, y en función de la presencia en el aire de otros contaminantes que puedan producir efectos sinérgicos con aquéllos. La presencia en el aire de elevadas concentraciones de monóxido de carbono (CO) representa una amenaza para la salud. El CO inhalado se combina con la hemoglobina de la sangre, dando lugar a la formación de carbooxihemoglobina, lo que reduce la capacidad de la sangre para el transporte de oxígeno desde los pulmones hasta los tejidos. Se ha comprobado que una saturación de carbooxihemoglobina por encima del 10 % puede provocar efectos sobre la función psicomotora que se maniesta con síntomas de cansancio, cefaleas y alteraciones de la coordinación. Por encima del 5 % de saturación se producen cambios funcionales cardíacos y pulmonares y se aumenta el umbral visual. No se han encontrado pruebas que indiquen efectos signicativos con una concentración de carbooxihemoglobina inferior al 2 %. Los óxidos de nitrógeno, NOx, son contaminantes igualmente peligrosos para la salud. La mayor parte de los estudios relativos a los efectos de los NOx se han ocupado, sobre todo, del NO2 ya que es el más tóxico. Los efectos producidos por el NO2 sobre los animales y los seres humanos afectan, casi por entero, al tracto respiratorio. Se ha observado que una concentración media de 190 microgramos de NO2 por metro cúbico de aire, superada el 40 % de los días, aumenta la frecuencia de infecciones de las vías respiratorias en la población expuesta. Otros tipos de contaminantes que afectan a la salud humana son los oxidantes fotoquímicos. Se han realizado estudios epidemiológicos en la ciudad de Los Angeles y no se descubrió ningún aumento de mortalidad como consecuencia de episodios de contaminación fotoquímica, cuando las concentraciones de oxidantes variaban entre 0,5 y 0,9 partes por millón. No obstante, se ha observado que los oxidantes fotoquímicos tienen efectos nocivos sobre la salud, produciendo irritación de los ojos y mucosas. Los oxidantes fotoquímicos afectan especialmente a las personas con afecciones asmáticas y broncopulmonares, en los que se han observado crisis asmáticas y disminución de la función pulmonar cuando las concentraciones atmosféricas de oxidantes eran superiores a 500 microgramos por metro cúbico de aire. Los metales tóxicos presentes en el aire representan una amenaza para la salud humana cuando se inhalan en cantidades sucientes, debido a la tendencia que presenta el organismo a su acumulación. Por su importancia, se destaca los efectos producidos por el plomo sobre la salud humana. Los compuestos inorgánicos del plomo atmosférico son absorbidos por los humanos, principalmente a través del sistema respiratorio, alcanzando el torrente sanguíneo aproximadamente el 35 % del plomo inhalado por los pulmones. Una vez incorporado el plomo a la corriente sanguínea, una parte se almacena en los huesos y otra se expulsa por la orina, en una
  37. 37. 22 CAPÍTULO 3. MEDIO AMBIENTE, ECONOMÍA Y ENERGÍA continua fase de renovación en el organismo. A partir de ciertas cantidades puede producir efectos adversos en el comportamiento, afectan la inteligencia de los niños y son causa de anormalidades en los fetos de madres gestantes. Los adultos, por lo general, son menos sensibles que los niños a los efectos del plomo, pero una acumulación excesiva en el organismo puede producir serios e irreversibles daños en su sistema nervioso. Otras sustancias tóxicas presentes en el aire tales como el cadmio, amianto, el cloruro de vinilo, el benzo-a-pireno, varios compuestos orgánicos halogenados y el benceno, también pueden provocar modicaciones genéticas y malformaciones en los fetos, siendo algunos de ellos cancerígenos. [7] 3.1.2. Efectos sobre los materiales. Cada vez se está prestando más atención, tanto por sus repercusiones económicas como por los daños irreparables que causa sobre los objetos y los monumentos de alto valor histórico-artístico, a los efectos que la contaminación atmosférica produce sobre los materiales. La acción de los contaminantes atmosféricos sobre los materiales puede manifestarse por la sedimentación de partículas sobre la supercie de los mismos, afeando su aspecto externo, o por ataque químico al reaccionar el contaminante con el material. Los SOx causan daños a muchos tipos de materiales, bien directa o indirectamente. Un alto contenido de SOx en el aire produce la aceleración de la corrosión de los metales tales como el acero al carbono, zinc, acero galvanizado, compuestos del cobre, níquel y aluminio. Esta aceleración se ve favorecida por la presencia de partículas depositadas por la humedad y por la temperatura. En general, puede señalarse que la corrosividad de una atmósfera depende de condiciones meteorológicas y factores de contaminación. Se han observado correlaciones entre tasas de corrosión en metales y concentraciones de SO2 en la atmósfera, dándose las tasas de corrosión más altas en zonas industrializadas. Las nieblas de ácido sulfúrico procedentes de la conversión catalítica del SO2 a SO3 en la atmósfera, atacan a los materiales de construcción como el mármol, la caliza y la argamasa, convirtiendo los carbonatos en sulfatos solubles en el agua de lluvia. Esto unido a que el volumen especíco de los sulfatos es mayor que el de los carbonatos, hace que en la piedra aparezcan escamas y se debilite mecánicamente. Los compuestos de azufre pueden producir daños en pinturas plásticas, papel, bras textiles y sobre los contactos eléctricos de los sistemas electrónicos, dando lugar a deciencias en su funcionamiento. La acción de los oxidantes fotoquímicos se produce sobre todo en los cauchos y elastómeros en los que causan un rápido envejecimiento y agrietamiento. Los óxidos de nitrógeno decoloran y estropean las bras textiles y los nitratos producen la corrosión de las aleaciones de cuproníquel. [7] 3.1.3. Efectos globales. Cada vez está más admitida la necesidad de realizar estudios sobre los posibles efectos que a largo plazo puede producir la contaminación atmosférica sobre los distintos ecosistemas, sobre el clima y sobre la estratosfera. Tanto las modicaciones de las características de los suelos, debidas al lavado de los elementos del mismo por las lluvias ácidas, como los cambios producidos en las grandes masas de agua por el aumento de la concentración de metales tóxicos, pueden tener consecuencias ecológicas irreversibles. El aumento de las concentraciones de dióxido de carbono y de otros contaminantes en la atmósfera puede dar lugar a una elevación general de la temperatura del globo, por efecto invernadero, que modicaría el régimen de lluvias, lo que produciría alteraciones sobre las tierras cultivables y la extensión de los desiertos. Por otra parte, los sulfatos y las partículas nas que disminuyen la visibilidad pueden igualmente reducir la intensidad de la radiación solar. Los hidrocarburos halogenados y los óxidos de nitrógeno emitidos por los aviones supersónicos pueden provocar una disminución de ozono en la estratosfera con el consiguiente aumento de la radiación ultravioleta que llegaría a la Tierra. [7]
  38. 38. 3.2. CALENTAMIENTO GLOBAL 23 3.1.4. Efectos sobre los ecosistemas (lluvias ácidas). Los primeros efectos producidos por las precipitaciones ácidas se detectaron en cientos de lagos de Escandinavia, alrededor de los años 60. En la actualidad, más de 18,000 lagos están acidicados, en Suecia alrededor de 6.000 de ellos muestran graves daños sobre la biología acuática, y unos 2.000 de los situados en la zona meridional y central han perdido sus poblaciones piscícolas. La acidicación de las aguas interiores tiene efectos muy graves sobre los ecosistemas acuáticos. Se ha demostrado que todos los tipos de organismos integrantes de los ecosistemas de agua dulce son sensibles a la acidicación, produciéndose cambios en todos los niveles trócos. La acidicación de los lagos y de las masas de agua se está extendiendo progresivamente cada vez a mayor número de países, afectando día a día a más extensas áreas. Las zonas más propensas a la acidicación del agua tienen suelos ácidos de poca profundidad, superpuestos a rocas graníticas o son suelos arenosos muy erosionados. El aumento de la acidez del agua de los lagos y ríos provoca un fuerte aumento del contenido de iones aluminio disueltos en el agua. El ión aluminio es muy tóxico para la mayor parte de los organismos y se cree que la causa última de la muerte de las poblaciones de peces en los lagos acidicados se debe al envenenamiento por aluminio. Otros metales tales como el cadmio, zinc y plomo tienen igualmente una mayor facilidad para disolverse, por lo que son más accesibles para los animales y plantas acuáticas. Los suelos presentan, por lo general, una mayor resistencia a la acidicación que el agua. No obstante, el grado de sensibilidad puede variar muy ampliamente de unas zonas a otras dependiendo, principalmente, del espesor de la capa de humus, de la consistencia del sustrato, así del tipo de rocas y suelo. Uno de los efectos más importantes de la acidicación de los suelos es, probablemente, el incremento de la movilidad con las consiguientes pérdidas por lixiviación de ciertos cationes metálicos de carácter básico tales como el calcio, magnesio, potasio y aluminio. En Europa Central, las altas deposiciones de compuestos de azufre y nitrógeno han producido graves daños sobre amplias áreas de suelo y bosques. El daño a los bosques probablemente ha sido causado por la acción combinada de ácidos y metales en el suelo y por las altas concentraciones de SO2 presentes en el aire de estas zonas. La combinación de un bajo pH en el agua del suelo unido a la presencia de metales, principalmente aluminio, produce daños en las raíces de los árboles, a través de las cuales absorben gran cantidad de nutrientes. Este hecho produce una pérdida de vitalidad haciéndolos especialmente sensibles a las plagas. [7] 3.1.5. Efectos sobre la estratosfera. La presencia en la estratosfera de determinados compuestos, especialmente los clorouorocarbonos, puede provocar una disminución de la concentración de ozono en la estratosfera. La capa estratosférica de ozono protege la supercie de la tierra de una exposición excesiva a los rayos solares ultravioletas actuando como ltro. Una disminución sensible de esta capa protectora tendría efectos perjudiciales para la salud humana y para la biosfera. Este incremento de la radiación produciría un aumento apreciable de casos de cáncer de piel en los seres humanos y efectos negativos sobre los organismos, al ser ciertos tipos de plancton vegetal, animales invertebrados y algunos vertebrados en determinadas etapas de su ciclo vital, especialmente sensibles a la radiación ultravioleta. [7] 3.2. CALENTAMIENTO GLOBAL El clima siempre ha variado, el problema del cambio climático es que en el último siglo el ritmo de estas variaciones se ha acelerado de manera anómala, a tal grado que afecta ya la vida planetaria. Al buscar la causa de esta aceleración, algunos cientícos encontraron que existe una relación directa entre el calentamiento global o cambio climático y el aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), provocado
  39. 39. 24 CAPÍTULO 3. MEDIO AMBIENTE, ECONOMÍA Y ENERGÍA principalmente por las sociedades industrializadas. Un fenómeno preocupa al mundo: el calentamiento global Figura 3.3 y su efecto directo, el cambio climático, que ocupa buena parte de los esfuerzos de la comunidad cientíca internacional para estudiarlo y controlarlo, porque, arman, pone en riesgo el futuro de la humanidad. ¾Por qué preocupa tanto? Destacados cientícos coinciden en que el incremento de la concentración de gases efecto invernadero Figura 3.3 en la atmósfera terrestre está provocando alteraciones en el clima. Coinciden también en que las emisiones de gases efecto invernadero (GEI) han sido muy intensas a partir de la Revolución Industrial, momento a partir del cual la acción del hombre sobre la naturaleza se hizo acelerada. [8] Figura 3.3: Efecto invernadero y calentamiento global. [8] 3.2.1. Originalmente, un fenómeno natural El efecto invernadero es un fenómeno natural que permite la vida en la tierra. Es causado por una serie de gases que se encuentran en la atmósfera, provocando que parte del calor del sol que nuestro planeta reeja quede atrapado manteniendo la temperatura media global en +15º centígrados, favorable a la vida, en lugar de -18 º centígrados, que resultarían nocivos. Así, durante muchos millones de años, el efecto invernadero natural mantuvo el clima de la tierra a una temperatura media relativamente estable y permitía que se desarrollase la vida. Los gases invernadero retenían el calor del sol cerca de la supercie de la tierra, ayudando a la evaporación del agua supercial para formar las nubes, las cuales devuelven el agua a la tierra, en un ciclo vital que se había mantenido en equilibrio. Durante unos 160 mil años, la tierra tuvo dos períodos en los que las temperaturas medias globales fueron alrededor de 5º centígrados más bajas de las actuales. El cambio fue lento, transcurrieron varios miles de años para salir de la era glacial. Ahora, sin embargo, las concentraciones de gases invernadero en la atmósfera están creciendo rápidamente, como consecuencia de que el mundo quema cantidades cada vez mayores de combustibles fósiles y destruye los bosques y praderas, que de otro modo podrían absorber dióxido de carbono y favorecer el equilibrio de la temperatura. Ante ello, la
  40. 40. 3.3. CONTAMINACIÓN AUDITIVA Y VISUAL 25 comunidad cientíca internacional ha alertado de que si el desarrollo mundial, el crecimiento demográco y el consumo energético basado en los combustibles fósiles, siguen aumentando al ritmo actual , antes del año 2050 las concentraciones de dióxido de carbono se habrán duplicado con respecto a las que había antes de la Revolución Industrial. Esto podría acarrear consecuencias funestas para la vida planetaria. En la Figura 3.4 podemos observar cómo ha aumentado la temperatura en nuestro planeta los últimos años del siglo. [8] Figura 3.4: Tendencias anuales de temperatura. [12] 3.3. CONTAMINACIÓN AUDITIVA Y VISUAL Vivir en una gran ciudad tiene muchas ventajas pero también puede traer serias afecciones a la salud. El ruido es uno de los elementos más dañinos que tienen las urbes, al grado de que el 80 por ciento de las personas que las habitan padecen cierto nivel de sordera, y eso no es lo peor, aunque parezca difícil de creer, el estruendo también provoca enfermedades gastrointestinales, sin contar la ansiedad, irritabilidad e insomnio. ¾Será posible crear una reglamentación para eliminar este mal de las zonas altamente urbanizadas? Por los altos niveles de ruido, cuatro de cada cinco habitantes de ciudades industrializadas padecen algún tipo de deciencia auditiva; sin embargo, pocos son los que se percatan de su problema. Invisible e irreversible es el camino que conduce a la sordera, y lo más grave es que las personas se acostumbran al ruido nocivo y lo ven como parte de su entorno. El tránsito, la música en las discotecas, conciertos o estas; el sonido de las fábricas e, incluso, los gritos, son grandes enemigos de la salud auditiva y mental. De acuerdo con investigaciones del Instituto Nacional de Comunicación Humana, un 80 por ciento de los habitantes de las grandes ciudades sufren cierto nivel de sordera. Contrario a la creencia de que la sordera llega con la edad y que son los ancianos los más propensos a ella, actualmente son los jóvenes los más afectados. Recientemente, la Organización para la Cooperación y Desarrollo Económicos realizó un estudio con jóvenes entre los 15 y 25 años que vivieran en diferentes ciudades, y encontró con asombro que ninguno de ellos poseía íntegra su capacidad auditiva. Ante estos hechos, concluyeron que la creciente población de sordos ya no sólo es consecuencia del proceso degenerativo natural del envejecimiento o como secuela de enfermedades respiratorias mal cuidadas, sino por
  41. 41. 26 CAPÍTULO 3. MEDIO AMBIENTE, ECONOMÍA Y ENERGÍA ciertos sonidos como los producidos los audífonos de los reproductores de música, que ya son parte de la vida del hombre. [9] La presencia de contaminantes en la atmósfera produce la absorción y dispersión de la luz solar, acompañados de una notable reducción de la visibilidad. Los aerosoles de tamaños comprendidos entre 1.4 y 0.8 micras son los que tienen una mayor inuencia en la dispersión de la luz solar, debido a la proximidad de su tamaño a la longitud de onda de la luz visible. Se ha observado una estrecha relación entre la disminución de la visibilidad y la presencia de sulfatos en la atmósfera. Una experiencia realizada en Suecia, ha demostrado que los períodos de mínima visibilidad se corresponden con concentraciones máximas de sulfatos y nitratos presentes en la atmósfera. Los gases presentes normalmente en la atmósfera no absorben la luz visible. El NO2 en concentraciones altas puede tener un efecto signicativo ya que absorbe la franja azul-verde del espectro visible de la radiación solar. Consecuencia de esta absorción es el que la atmósfera de las grandes ciudades adquiera una coloración amarilla-parduzca-rojiza cuando se presentan concentraciones de NO2 elevadas. [8] 3.4. BENEFICIOS DEL USO DE ENERGÍAS ALTERNATIVAS Las energías renovables constituyen una fuente inagotable de abastecimiento de energía, ya que provienen de manera directa o indirecta de la luz del sol, renovándose continuamente. Actualmente los diferentes recursos que pueden aprovecharse de las energías limpias y renovables están haciendo que éstas vayan cobrando cada vez más popularidad e importancia, siendo adoptadas como modo de abastecimiento en muchos países a la fecha. Para conocer más a fondo sus características, se deben tener en cuenta las ventajas: ˆ Son respetuosas con el medio ambiente, no contaminan y la solar y eólica representan la alternativa de energías más limpias hasta el momento. ˆ Permite cubrir las necesidades energéticas, sin tener que utilizar recursos naturales agotables. ˆ Desarrollan la industria y la economía de la región en la que se instala. ˆ Se trata de sistemas autónomos, por lo que no dependen del abastecimiento externo a la propia instalación, como ocurriría si se tratase de un sistema de energía eléctrica (tendido eléctrico), o de cualquier tipo de combustible. Esto contribuye a la mejora y autonomía en el abastecimiento energético. ˆ No emiten dióxido de carbono a la atmósfera, al no requerir ningún tipo de combustión, por lo que evitan el proceso de calentamiento terrestre como consecuencia del efecto invernadero, en estos momentos el planeta se encuentra con el nivel más alto de concentración de este gas de los últimos 160 000 años. ˆ No contribuyen a la formación de la lluvia ácida. ˆ No dan lugar a la formación de óxidos de nitrógeno. ˆ No requieren sosticadas medidas de seguridad, en relación con la energía nuclear. ˆ No producen residuos tóxicos de tratamiento complejo. ˆ Favorecen la creación de empleo, además estas formas de aprovechamiento energético requieren de la mano de obra del hombre para su manipulación, cada vez hay más trabajos que apoyan las energías renovables, particularmente la energía solar. 3.5. ECONOMÍA Y ENERGÍA Por otra parte durante muchos años aproximadamente desde la Revolución Industrial en la segunda mitad del siglo XVIII, las poblaciones hacen uso de las energías convencionales como el petróleo, carbón, madera, gas natural, de las cuales obtienen lucro sólo algunos países, que por sus condiciones geográcas y sus riquezas, sectorizan las economías haciendo que sólo en algunos países se desarrollen mejor las condiciones
  42. 42. 3.5. ECONOMÍA Y ENERGÍA 27 socioeconómicas; sin embargo depende en gran proporción que las comodidades sociales y económicas las controle un gobierno que promueva buenas políticas económicas. Hoy día las energías renovables como la eólica, solar, biomasa, entre otras, están presentes en cualquier nación, pueden ser desarrolladas de forma independiente; es decir no dependen de las condiciones económicas, las alianzas y convenios entre países; de lo que si requieren es de investigación, construcción, aplicación e implementación de tecnologías que involucren la educación con la mano de obra, generando empleo y solucionando problemas de hambre, salud, educación y transporte. 3.5.1. Inuencia en el costo de vida debido al consumo de combustibles. Junto a la importancia que tienen los alimentos en el costo de vida se presenta la paradoja de que entre los rubros que más se encarecen están los controlados por las autoridades. De acuerdo con analistas de Citibank, la lista de alzas de los 176 productos que hacen parte de la canasta está encabezada por 15 alimentos que se compran en las centrales de abastos, plazas de mercado y tiendas de barrio. En el puesto 16 ya aparece el servicio de energía eléctrica, cuyo precio se incrementó en 11,44 % en los primeros seis meses del 2009 y en el puesto 19 gura el gas, otro producto cuyo precio es regulado, con un alza de 8,85 %. Entre los productos que evidencian el aumento está la gasolina, cuyo valor es intervenido por el Gobierno. El combustible ha subido 15,3 % de diciembre de 2009 a junio de 2010. Los precios de servicios como la energía o el gas son regulados mediante fórmulas que jan las respectivas comisiones de regulación. Lo mismo pasa con el agua y el teléfono. El Gobierno establece, además, un precio de referencia para los hidrocarburos que viene subiendo mes a mes y será más alto para la gasolina que para el ACPM. En lo corrido del año, el agua se ha encarecido 5,92 %, mientras que los servicios de telefonía ja residencial lo hicieron en 3,72 %. [13] Otros bienes y servicios en cuyo costo intervienen decisiones de las autoridades son: tiquetes aéreos, arriendos, pensiones y matrículas, que ya a mitad de año superan la meta del Banco de la República para el 2010. De esa misma manera, se encuentra el acueducto y alcantarillado, que según la Ley 142 de 1994 y la propia Comisión de Regulación, las empresas prestadoras de este servicio podrán ajustar las tarifas cada vez que el IPC alcance un incremento acumulado del 3 %. De hecho, a partir del 15 de julio todas las empresas de acueducto y alcantarillado del país tendrán la posibilidad de aumentar sus tarifas (no es obligación) por la prestación de ambos servicios. Recientemente Andesco, gremio de las empresas de servicios públicos, señaló que la Comisión de Regulación de Energía y Gas (Creg) hizo un cambio en la fórmula tarifaria para que reejara más rápidamente el encarecimiento de la comercialización de energía. Este fenómeno se da al comienzo de todos los años y normalmente, también, rigen nuevas tarifas para el transporte público que incluye el sistema de transporte masivo, los buses, las busetas, los colectivos y los taxis. [13] 3.5.1.1. Lo que más sube. De acuerdo con analistas de Citibank, los alimentos perecederos y los precios regulados son la principal fuente de la inación en Colombia, y si se excluyen, la inación parece converger hacia el 5 %, con un alivio casi exclusivo de la inación de transables (aquellos bienes que se pueden exportar), que permanece cerca del 2,1 % en los 12 meses terminados en junio. En contraste, dice la entidad, la inación de no transables (bienes y servicios que no se pueden vender fuera del país) permanece alta, en 5,3 %. De la lista de 176 productos, 22 registraron aumentos de precios inferiores al uno por ciento. Igualmente, 34 de éstos mostraron descensos en precios, como la panela, la zanahoria, los equipos de sonido y de TV, la yuca, el azúcar y los discos. [13]
  43. 43. 28 CAPÍTULO 3. MEDIO AMBIENTE, ECONOMÍA Y ENERGÍA 3.5.2. Las energías alternativas en la economía. Un reporte reciente de los impactos en la economía de un país debido al uso adecuado de las energías verdes amigas del ambiente fue escrito por la Asociación de Productores de Energías Renovales en España durante el año anterior donde muestra la incidencia y previsión de evolución de las renovables en el PIB. El impacto económico del sector de las energías renovables referido al PIB de la economía española se concreta en una contribución total en 2008 de 7.315 millones de euros (0,67 % del PIB de España). El crecimiento del sector de las energías renovables en los cuatro años analizados en el Estudio (2005 a 2008) ha alcanzado el 55 % en términos de PIB. En el último año, 2008, el incremento del PIB fue del 37 %. Las tecnologías renovables con mayor contribución al PIB en 2008 fueron la eólica (51,99 %), la fotovoltaica (21,67 %), la biomasa (15,07 %) y la minihidráulica (7,21 %). El estudio elaborado por Deloitte analiza los últimos datos disponibles, referidos a 2007, en los que se constata que las renovables superaron en aportación al PIB a sectores como la pesca, cuero, calzado, madera y corcho. Los principales motores de crecimiento de la contribución sectorial al PIB serán, en el corto plazo, 2010, el aumento de la potencia eólica hasta alcanzar el objetivo de 20.155 MW y el aumento de la utilización de biocarburantes hasta conseguir el objetivo del 5,83 % en el consumo. A largo plazo, el motor de crecimiento será el impacto que tendrá la Directiva Europea 2009/28/CE relativa al fomento del uso de energía procedente de fuentes renovables, que en el caso de España ja un objetivo del 20 % en 2020. [14] 3.5.2.1. La energía solar como fuente sostenible de desarrollo en Colombia. La energía solar se transforma en la naturaleza en otras formas de energía, como biomasa y energía eólica, pero también se puede transformar a otras formas de energía como calor y electricidad. Las aplicaciones más difundidas en Colombia son el calentamiento de agua (para uso doméstico, industrial y recreacional, calentamiento de agua para piscinas) y la generación de electricidad a pequeña escala. Otras aplicaciones menos difundidas son, el secado solar de productos agrícolas y la destilación solar de agua de mar u otras aguas no potables. LOS CALENTADORES SOLARES. Las aplicaciones térmicas en Colombia datan de mediados del siglo pasado, cuando en Santa Marta fueron instalados calentadores solares en las casas de los empleados de las bananeras, calentadores que aún existen aunque no operan. Más tarde, hacia los años sesenta, en la Universidad Industrial de Santander se instalaron calentadores solares domésticos de origen Israelí para estudiar su comportamiento. Posteriormente, hacia nales de los setenta y estimulados por la crisis del petróleo de 1973, instituciones universitarias (la Universidad de los Andes, la Universidad Nacional en Bogotá, la Universidad del Valle, entre otras) y fundaciones (como el Centro Las Gaviotas) sentaron las bases para instalar calentadores solares domésticos y grandes sistemas de calentamiento de agua para uso en centros de servicios comunitarios (como hospitales y cafeterías). Algunos desarrollos resultaron bastante innovadores. Sin embargo, se adoptó nalmente el sistema convencional que consta de uno o varios colectores solares y de su respectivo tanque de almacenamiento. El colector empleaba una parrilla de tubería de cobre y como absorbedor, láminas de cobre o de aluminio. Como película absorbedora se empleaba pintura corriente o con aditivos, y otros absorbedores selectivos. La cubierta exterior era vidrio corriente o templado y el aislamiento bra de vidrio, icopor o poliuretano. El tanque generalmente era metálico en sistemas presurizados o de asbesto cemento en sistemas abiertos. Estos desarrollos tuvieron su máxima expresión a mediados de los ochenta en la aplicación masiva de calentadores en urbanizaciones en Medellín (Villa Valle de Aburrá) y Bogotá (Ciudad Tunal, Ciudad Salitre) en donde fueron instalados miles de calentadores, desarrollados y fabricados por el Centro Las Gaviotas; el Palacio de Nariño, en Bogotá, también tuvo uno de estos grandes calentadores. A mediados de los ochenta surgieron varias compañías nacionales en Bogotá, Manizales y Medellín que fabricaron e instalaron miles de calentadores solares de diversas capacidades en esas ciudades.
  44. 44. 3.5. ECONOMÍA Y ENERGÍA 29 Muchas instituciones religiosas montaron calentadores solares en sus conventos y también alguna cadena hotelera (Hoteles Dann). Hacia nales de los 80, el programa PESENCA (Programa Especial de Energía de la Costa Atlántica), un proyecto realizado por CORELCA (Corporación de Energía Eléctrica de la Costa Atlántica), el ICA (Instituto Colombiano Agropecuario) y la GTZ (Sociedad Alemana de Cooperación Técnica), introdujo calentadores solares en la Costa Atlántica y desarrolló un campo experimental en Turipaná, Córdoba, en donde se realizaron pruebas y ensayos para determinar la eciencia de estos sistemas. Este momento puede considerarse el origen de las normas sobre calentadores solares, iniciativa que siguió su desarrollo por parte del ICONTEC (Instituto Colombiano de Normas Técnicas) y que ha dado origen a las normas existentes en el país sobre tales dispositivos. Si bien los calentadores solares para una pequeña familia costaban ya a mediados de los ochenta y noventa el equivalente a US$1000 por sistema (tanque de 120 litros, 2m2 de colectores solares) y representaban una inversión inicial medianamente alta, instituciones como el antiguo Banco Central Hipotecario, al hacer un análisis valor presente neto, comprendieron que era más económico emplear calentadores solares que emplear electricidad para calentar agua y obvió la inversión que harían los usuarios dotando a varias de sus urbanizaciones con estos equipos. Pero fue posteriormente la introducción de un energético más barato, el gas natural, la que desplazó del mercado esta naciente industria desde mediados de los noventa hasta la actualidad. [15] Figura 3.5: Calentador solar de agua. [15] En la Figura 3.5 el calentador de la cafetería de la antigua Empresa de Energía de Bogotá (EEB). Construido en 1983 por el centro Las Gaviotas (140 m 2 de colectores, tanque de 12 000 litros) y desde entonces en operación. En la Figura 3.6 los colectores solares del hospital Pablo Tobón Uribe de Medellín, en operación desde mediados de los ochenta (240 m 2 de colectores, tanque de 20 m 3 , no visible). El desarrollo alcanzado hasta 1996 indicaba que se habían instalado 48 901 m 2 de calentadores solares, principalmente en Medellín y Bogotá, y en barrios con nanciación del Banco Central Hipotecario. La mayoría
  45. 45. 30 CAPÍTULO 3. MEDIO AMBIENTE, ECONOMÍA Y ENERGÍA de los sistemas funcionaban bien pero algunos usuarios esperaban más de los sistemas, lo cual se ha entendido como que la demanda era superior a la capacidad de los mismos. No se han realizado nuevos estudios o evaluaciones sobre cómo se han comportado los sistemas instalados aunque se sabe, por ejemplo, que el calentador de la antigua sede de la Empresa de Energía de Bogotá lleva más de 25 años suministrando agua caliente. Actualmente, la industria de calentadores solares en el país sigue deprimida a la espera de una nueva crisis de energía. [15] Figura 3.6: Colector solar. [15] SISTEMAS FOTOVOLTAICOS. La generación de electricidad con energía solar empleando sistemas fotovoltaicos ha estado siempre dirigida al sector rural, en donde los altos costos de generación originados principalmente en el precio de los combustibles, y los costos de operación y mantenimiento en las distantes zonas, hacen que la generación solar resulte más económica en el largo plazo y conable. Estas actividades surgieron con el Programa de Telecomunicaciones Rurales de Telecom a comienzos de los años 80, con la asistencia técnica de la Universidad Nacional. En este programa se instalaron pequeños generadores fotovoltaicos de 60 Wp (Wp: vatio pico) para radioteléfonos rurales y ya en 1983 habían instalados 2950 de tales sistemas. El programa continuó instalando estos sistemas y pronto se escaló a sistemas de 3 a 4 kWp para las antenas satelitales terrenas. Muchas empresas comenzaron a instalar sistemas para sus servicios de telecomunicaciones y actualmente se emplean sistemas solares en repetidoras de microondas, boyas, estaciones remotas, bases militares, entre otras aplicaciones. Estos sistemas son hoy esenciales para las telecomunicaciones rurales del país. Según un estudio realizado, entre 1985 y 1994 se importaron 48 499 módulos solares para una potencia de 2,05 MWp. De estos 21 238 módulos con una potencia de 843,6 kW en proyectos de telecomunicaciones y 20 829 módulos con 953,5 kWp en electricación rural. El estudio anterior también indicó, sobre una muestra de 248 sistemas (con 419 módulos), que 56 % de los sistemas funcionaban sin problemas, 37 % funcionaban con algunos problemas y 8 % estaban fuera de servicio. Como principal
  46. 46. 3.5. ECONOMÍA Y ENERGÍA 31 fuente de problemas se encontraron la falta de mínimo mantenimiento, suministro de partes de reemplazo (reguladores y lámparas) y sistemas sub-dimensionados. Estos problemas, que se suelen repetir aún hoy en día, indican la importancia que tiene el asegurar la sostenibilidad del suministro del servicio de energía para estos usuarios. Estas dicultades se han mostrado como una de las debilidades más graves del servicio de energía con estos sistemas. Y más que tratarse de un problema meramente técnico, el problema es de calidad del servicio y de atención al usuario. En los últimos diez años tampoco se han realizado estudios sobre el comportamiento de estos sistemas. En los programas de electricación rural, el sistema convencional para hogares aislados ha constado de un panel solar de 50 a 70 Wp, una batería entre 60 y 120 Ah y un regulador de carga. Estos pequeños sistemas suministran energía para iluminación, radio y TV, cubriendo las necesidades realmente básicas de los campesinos. El costo actual de este sistema es del orden de US$ 1 200 a 1 500, afectado principalmente por los elevados costos de instalación en las zonas remotas. Durante los últimos años, se han instalado muchos más sistemas en los programas de electricación rural, con fuerte nanciación del Estado, haciendo uso actualmente de recursos como el FAZNI (Fondo de Apoyo Financiero para la Energización de las Zonas No Interconectadas). El IPSE (Instituto para la Promoción de Soluciones Energéticas) es en la actualidad la institución que lidera las acciones del Estado en la energización del campo colombiano. Según esta institución hay más de 15 000 sistemas instalados para estas aplicaciones. Pero, además, el IPSE tiene en desarrollo soluciones innovadoras como sistemas híbridos, en donde se combinan por ejemplo la energía solar fotovoltaica y las plantas diesel, para reducir los costos de generación del diesel y emplear el generador diesel como respaldo. El mercado de sistemas solares fotovoltaicos tuvo su boom hacia nales de los años ochenta con el programa de telecomunicaciones rurales de Teleco; las conocidas dicultades de orden público de la década de los 90 frenaron el desarrollo del mercado, que aún se puede estimar en el orden de 300 kW por año. Si se consideran 30 años de desarrollo de este mercado, entonces la potencia instalada sería del orden de 9 MWp. La generación de electricidad con energía solar tiene, entonces, enormes perspectivas, teniendo en cuenta que en Colombia cerca de 1 millón de familias carecen del servicio de energía eléctrica en el sector rural. [15] Figura 3.7: Sistema solar de 2.8 kWp. [15]

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