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Implementacin de una cerca
elctrica mediante el uso de un sistema fotovoltaico en el sector de Mogotes
Parroquia de Alaquez
Implementation
of an electric fence using a photovoltaic system in the Mogotes area Parish of
Alaquez
Implantao de
cerca eltrica utilizando utilizao de sistema fotovoltaico no setor Mogotes
Parquia de Alquz
Jefferson Alberto
Porras Reyes I Jefferson.porras0449@utc.edu.ec https://orcid.org/0009-0005-9333-0934 Carlos Efrain Chicaiza
Bolaos III carlos.chicaiza7852@utc.edu.ec https://orcid.org/0009-0006-3577-3611
Correspondencia: Jefferson.porras0449@utc.edu.ec
Ciencias Aplicadas
Artculo de Investigacin
* Recibido:
31 de enero de 2025 *Aceptado:
17 de febrero de 2025 *
Publicado: 02 de abril de 2025
I.
Universidad Tcnica de Cotopaxi
II.
Universidad Tcnica de Cotopaxi
III.
Universidad Tcnica de Cotopaxi
IV.
Universidad Tcnica de Cotopaxi
Resumen
El proyecto describe
la implementacin de un sistema de generacin solar fotovoltaico para alimentar
una cerca elctrica, diseada para restringir el acceso de personas y animales
a una zona que alberga una fuente natural de agua esencial para la parroquia de
Alaquez. Ante la falta de energa en el rea, se realizaron estudios para
aprovechar la energa solar como recurso renovable. El sistema incluye tres
paneles fotovoltaicos monocristalinos de 160 W, una batera de plomo-cido tipo
gel de 150 Ah, un regulador de carga Powest y un energizador Hagroy HR-10 000,
capaces de cubrir 2,000 m lineales. Estos equipos operan a 12 V en corriente
continua.
Los datos
climticos de la zona, obtenidos de la NASA POWER, indican una radiacin solar
promedio de 3.54 kWh/m. Pese a las condiciones adversas a 4,000 m.s.n.m., se
dimension el sistema para una potencia instalada de 64.5 W y una demanda
diaria de 748 Wh/da. En condiciones climticas favorables, se alcanz una
potencia de hasta 151 W, garantizando el funcionamiento continuo del sistema.
Este proyecto contribuye a la proteccin del suministro de agua potable y
satisface las necesidades energticas del sector, reforzando el compromiso con
la sostenibilidad y la vinculacin comunitaria.
Palabras claves: Energa Renovable, Eficiencia energtica, Radiacin solar,
Generacin
solar
fotovoltaica, Cerca elctrica.
Abstract
The project
describes the implementation of a solar photovoltaic generation system to power
an electric fence, designed to restrict the access of people and animals to an
area that houses a natural water source essential to the Alaquez parish. Given
the lack of energy in the area, studies were conducted to harness solar energy
as a renewable resource. The system includes three 160 W monocrystalline
photovoltaic panels, a 150 Ah gel-type lead-acid battery, a Powest charge
regulator and a Hagroy HR-10 000 energizer, capable of covering 2,000 linear
meters. This equipment operates at 12 V direct current.
Climate data for
the area, obtained from NASA POWER, indicate an average solar radiation of 3.54
kWh/m. Despite the adverse conditions at 4,000 m.a.s.l., the system was sized
for an installed power of 64.5 W and a daily demand of 748 Wh/day. Under
favorable climatic conditions, a power output of up to 151 W was achieved,
guaranteeing the continuous operation of the system. This project contributes
to the protection of the drinking water supply and meets the energy needs of
the sector, reinforcing the commitment to sustainability and community
involvement.
Keywords: Renewable Energy, Energy Efficiency, Solar Radiation, Solar
Photovoltaic Generation solar photovoltaic, Electric fence
Resumo
O projeto descreve a
implementao de um sistema de gerao solar fotovoltaica para alimentao de
uma cerca eltrica, destinada a restringir o acesso de pessoas e animais a uma
rea que alberga uma fonte de gua natural essencial para a freguesia de
Alaquez. Dada a falta de energia na rea, foram realizados estudos para
aproveitar a energia solar como recurso renovvel. O sistema inclui trs
painis fotovoltaicos monocristalinos de 160 W, uma bateria de chumbo-cido
tipo gel de 150 Ah, um regulador de carga Powest e um energizador Hagroy HR-10
000, capaz de cobrir 2.000 m lineares. Esses dispositivos operam em corrente
contnua de 12 V.
Os dados climticos da rea,
obtidos da NASA POWER, indicam uma radiao solar mdia de 3,54 kWh/m. Apesar
das condies adversas a 4.000 metros de altitude, o sistema foi dimensionado
para uma potncia instalada de 64,5 W e uma demanda diria de 748 Wh/dia. Sob
condies climticas favorveis, foi alcanada uma potncia de at 151 W,
garantindo o funcionamento contnuo do sistema. Este projeto contribui para a
proteo do abastecimento de gua potvel e satisfaz as necessidades
energticas do setor, reforando o compromisso com a sustentabilidade e o
envolvimento comunitrio.
Palavras-chave: Energia Renovvel,
Eficincia energtica, Radiao solar, Gerao
solar fotovoltaica, cerca
eltrica.
Introduccin
En Ecuador,
el uso de energas renovables representa una estrategia clave para reducir la
dependencia de combustibles fsiles y fomentar el desarrollo sostenible.
Recursos como la energa solar, elica e hidrulica ofrecen importantes
beneficios al ser inagotables y respetuosos con el medio ambiente. Este
proyecto aborda un problema crtico en la parroquia de Alaquez, sector Mogotes:
la falta de seguridad en una fuente de agua natural esencial para la comunidad.
Esta fuente, ubicada a una altitud aproximada de 4,000 metros sobre el nivel
del mar, est expuesta a riesgos de contaminacin y manipulacin debido al
acceso no controlado de personas y animales, adems de encontrarse en una
ubicacin aislada sin acceso a redes elctricas convencionales.
Para enfrentar
esta problemtica, se propone implementar un sistema fotovoltaico autnomo para
alimentar una cerca elctrica, garantizando as la proteccin de la fuente de
agua y su calidad para los 5,481 habitantes de la parroquia. El proyecto se
fundamenta en principios de energas renovables, sistemas fotovoltaicos y
cercas elctricas, destacando la energa solar por su capacidad para generar
electricidad en reas remotas. Los sistemas fotovoltaicos ofrecen una solucin
verstil y sostenible, con aplicaciones que van desde la generacin elctrica
hasta la desalinizacin.
El diseo
del sistema se adapta a las condiciones locales, considerando factores como la
radiacin solar, la inclinacin de los paneles y la demanda energtica. Segn
datos de NASA POWER, la radiacin solar promedio en la zona es de 3.54 kWh/m.
El sistema incluye bateras de plomo-cido tipo gel para almacenar la energa
generada, un regulador de carga para optimizar el flujo elctrico y un
energizador para operar la cerca. Los clculos realizados determinan una
potencia instalada de 64.5 W y una demanda diaria de 748 Wh/da, asegurando un
diseo eficiente que responde a las necesidades especficas del sector Mogotes
(Power, 2024).
Problemtica
y relevancia
La principal
problemtica identificada es la falta de proteccin de una fuente de agua
crucial para la comunidad, lo que la hace vulnerable a riesgos de contaminacin
y manipulacin. Este desafo se ve agravado por la ausencia de una red
elctrica pblica en la zona, lo que limita la implementacin de soluciones
convencionales. Para abordar esta situacin, se propuso la instalacin de una
cerca elctrica alimentada por un sistema fotovoltaico autnomo. Esta solucin
no solo responde a la necesidad especfica de proteccin, sino que tambin fomenta
el uso de tecnologas limpias y sostenibles, adecuadas para comunidades
rurales. Adicionalmente, el proyecto busca generar soluciones tecnolgicas que
puedan ser replicadas en otras reas con condiciones similares. La
implementacin de sistemas fotovoltaicos no solo asegura un suministro
energtico confiable, sino que tambin impulsa el desarrollo de capacidades
tcnicas dentro de la comunidad. Esto, a su vez, promueve la autosuficiencia y
la sostenibilidad a largo plazo, consolidando el impacto positivo del proyecto
en trminos sociales, econmicos y ambientales (Solar, 2024).
Radiacin
solar y condiciones climticas
La ubicacin
del proyecto, a 4,000 metros sobre el nivel del mar, plantea retos importantes
debido a las bajas temperaturas y a la variabilidad de la radiacin solar. Los
datos recopilados confirman que la radiacin solar en la zona es suficiente
para alimentar el sistema, aunque con fluctuaciones significativas entre das
soleados y nublados. Para garantizar la eficiencia del sistema, se realizaron
mediciones de irradiacin e irradiancia que permitieron dimensionar
adecuadamente sus componentes (Zambrano, 2022). El impacto del proyecto es
notable en diversos aspectos. Desde una perspectiva tcnica, asegura un
suministro elctrico confiable para la cerca elctrica, protegiendo una fuente
de agua esencial y preservando su calidad. Socialmente, mejora la calidad de
vida de la comunidad al garantizar el acceso a un recurso crtico bajo
condiciones ptimas. Ambientalmente, fomenta el uso de energas limpias,
contribuyendo a la reduccin de emisiones de carbono y promoviendo la
sostenibilidad. Esta solucin innovadora aborda una problemtica especfica en
la parroquia de Alaquez al combinar tecnologas fotovoltaicas con cercas
elctricas. El proyecto demuestra el potencial de las energas renovables para
transformar la calidad de vida en comunidades rurales, promoviendo la
autosuficiencia y estableciendo un modelo replicable en otras regiones del pas
(Velasco, 2018).
Estrategias
Metodolgicas / Materiales y Mtodos
La fuente
natural de Agua, se encuentra ubicado en la provincia de Cotopaxi, cantn
Latacunga parroquia de Alaquez, sector Mogotes. Ubicacin geogrfica: Latitud:
-0,87254556, Longitud: -78,42103258, aproximadamente a 3 992 m.s.n.m.
Figura 1. Ubicacin Geogrfica del sector Mogotes.
Clculo de inclinacin optima
Para la
posicin de inclinacin que tuvieron los paneles fotovoltaicos se utiliza la
Ecuacin 1.1., donde la latitud donde se encuentra el sector es de -0,87254556
considerando este valor de manera positiva para el clculo de inclinacin (Oa,
2005).
𝛽𝑜𝑝𝑡 = 3,7 + 0,69 ∗ |𝛷| Ec 1.1
𝛽𝑜𝑝𝑡 = 3,7 + 0,69 ∗
𝛽𝑜𝑝𝑡 = 4,30
Con este
valor obtenido se tiene un ngulo de inclinacin en los paneles fotovoltaicos
de 4,30, donde no tiene mucha variacin con respecto a los 0, mientras tanto
se toma en cuenta 15 de inclinacin con el fin de procurar que no se acumule
mucho polvo o algn otro elemento que pueda obstruir la captacin de la
radiacin solar.
Clculo de cargas en corriente alterna
Para el
desarrollo del clculo de las cargas en corriente alterna, se considera la
cantidad de artefactos o equipos a utilizar, la potencia y el tiempo de uso de
cada uno de los equipos a instalarse, ya que con los datos obtenidos se
determina la energa en corriente continua. Para el clculo de esta energa se
utiliza la Ecuacin 1.2 (Predes, 2022).
𝐸𝐴𝐶 = 𝑛 ∗ 𝑃 ∗ 𝑡 Ec.
1.2
Donde:
𝑛 = 𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑎𝑟𝑡𝑒𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑠 𝑜 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑜𝑠.
𝑃 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝑊).
𝑡 = 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑎𝑙 𝑑𝑖𝑎 (h/da).
Tabla 1. Determinacin de las cargas en corriente alterna.
|
Artefacto |
Cantidad |
Potencia (W) |
Tiempo (h/da) |
Energa (Wh/da) |
|
Energizador Hagroy
HR-10000. |
1 |
4,5 |
24 |
108 |
|
Cmaras de vigilancia HIK-VISION |
3 |
10 |
8 |
240 |
|
Perifoneo |
1 |
50 |
8 |
400 |
|
TOTAL |
64,5 |
|
748 (Wh/da) |
|
Con base en los
clculos realizados, se determin que la carga total diaria en corriente
alterna es de 748 Wh/da, considerando las horas de consumo. Para el cerco
elctrico, se estim un tiempo de funcionamiento continuo de 24 horas al da,
asegurando as la confiabilidad del sistema en todo momento. En el caso de las
cmaras de vigilancia, se consider un consumo diario limitado, ya que el
sistema fotovoltaico est diseado para abastecerlas durante un perodo de 8
horas al da. Esto se plante con vistas a futuros proyectos de generacin
elctrica que permitan cubrir las 16 horas restantes, asegurando as un
funcionamiento completo y continuo del sistema en fases posteriores.
Clculo de cargas en corriente continua
Con los
datos obtenidos de la Tabla 1 se realiza el producto entre las cargas en AC y
un factor de conversin que se establece por el uso de un inversor DC - AC para
proyectos futuros. El aumento de este factor de seguridad del 20 % a la
estimacin de la energa elctrica requerida para el sistema y se dimensiona la
instalacin para satisfacer la demanda aumentada (V. C. Castellano Karen,
2021).
𝐸𝐷𝐶 = 𝐸𝐴𝐶 ∗ 1,2 Ec. 1.3
𝐸𝐷𝐶 = (748 ∗ 1,2) 𝑊ℎ/𝑑𝑎
𝐸𝐷𝐶 = 897,6 𝑊ℎ/𝑑𝑎
Dentro del
diseo de iluminacin se consideran luminarias led de consumo de corriente
continua, el cual se le sumara a la carga total DC (Aparicio, 2015).
Tabla
2.
Clculo de cargas en corriente continua
|
Artefacto |
Cantidad |
Potencia (W) |
Tiempo (h/da) |
Energa (Wh/da) |
|
Lmparas led
DC |
2 |
9 |
1 |
18 |
|
TOTAL |
18 (Wh/da) |
|||
𝐸𝐷𝐶𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐸𝐷𝐶 + 𝐸𝐷𝐶𝑙𝑢𝑚𝑢𝑛𝑎𝑟𝑖𝑎 Ec.
1.4
𝐸𝐷𝐶𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = (897,6 + 18) 𝑊ℎ/𝑑𝑖𝑎
𝐸𝐷𝐶𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 915,6 𝑊ℎ/𝑑𝑖𝑎
Seleccin de
voltaje del sistema
Una vez
establecido la potencia que se va a instalar al sistema fotovoltaico, se
selecciona el voltaje con el que van a operar los equipos. Conocemos la
potencia que se va a instalar que es 𝑃 = 64,5 𝑊, como se observa en la tabla 1.,
podremos seleccionar el voltaje, donde el voltaje del sistema es 𝑉𝑠𝑖𝑠𝑡 = 12 𝑉 (Clamper, 2019).
Clculo de la capacidad Amperios - Hora (Ah)
Una vez establecido el consumo energtico por da,
utilizamos la Ecuacin 1.4., donde se determinar la profundidad de descarga.
Para establecer el DOD (Profundidad de Descarga) se analizar la Tabla 3.,
teniendo en cuenta el tipo de batera, profundidad de descarga mxima (Larico
J. A., 2018).
Tabla 3. Profundidad de descarga con el tipo de batera.
|
Tipo de batera |
DOD |
Tipo de proyecto |
Capacidad (Ah) |
|
Gel |
70 % |
Rural |
Menor 1 500 Ah |
|
Tubulares (OPZv) |
85 % |
Industrial |
Mayor 1 500 Ah |
|
Litio |
98 % |
Telecomunicaciones |
|
El sistema de
profundidad de descarga para el sistema es igual 70 % por ser un proyecto
ubicado en un sector rural. Los das de autonoma establecido para el sistema
es de 1 da con la finalidad de garantizar el funcionamiento, cuando no exista
generacin fotovoltaica (Chipugsi, 2023).
Clculo dimensionamiento
paneles solares
Las horas
solares pico se obtuvo de la pgina web NASA POWER, donde se obtiene el valor
histrico anual de los ltimos 4 aos considerando el ao, 2 022 los ltimos
datos como se observa la figura 2., para la obtener la radiacin expresada en
kW - h/
Figura 2. Resolucin Nativa
Mensual y Anual de las HSD [20].
El parmetro
seleccionado para determinar la radiacin fue la Irradiacin Descendente de Onda Corta en la Superficie del Cielo
Despejado (ALLSKY SURFACE SHORTWAVE),
que corresponde a una onda corta de radiacin no ionizante. Este tipo de
radiacin contribuye al aumento de la temperatura y a la intensificacin del
campo magntico generado. Tras verificar los datos de radiacin
correspondientes a los aos 2019 a 2022, se identific que en febrero de 2022
se registr una radiacin de 3.54 kWh/m, siendo este el valor ms bajo en el
periodo analizado. Este valor fue seleccionado para el dimensionamiento del
sistema, asegurando que pueda operar de manera eficiente incluso en condiciones
menos favorables. En el dimensionamiento, utilizando la Ecuacin 1.6, se
calcul la eficiencia del sistema para evaluar la potencia generada por los
paneles fotovoltaicos. Se consideraron dos escenarios: para sistemas
fotovoltaicos conectados a la red (SFCR), se utiliz una eficiencia del 81 %,
mientras que para sistemas fotovoltaicos autnomos (SFA), se aplic una
eficiencia del 72 % (Sebastian, 2022). Estas mtricas permiten garantizar el
rendimiento del sistema en condiciones reales, optimizando su capacidad de
generacin.
Para el
clculo de la Ecuacin 1.7., se considera el factor de seguridad de del 15 %
tomando en cuenta el rendimiento de un panel fotovoltaico monocristalino que comprende
entre el 15 y 17 %, se obtuvo la informacin de la radiacin del NASA POWER y
los valores pueden variar al realizar medicin en el lugar de implementacin
del sistema.
𝑃𝐺𝐹𝑉 = 359,22 𝑊 ∗ 1,15
Ec. 1.7
Clculo cantidad de paneles a utilizar
Donde:
𝑇𝑒𝑛 =Potencia de trabajo del
diseo del sistema.
𝐻𝑆𝑃 =Hora solar de la radiacin
solar.
ƞ=eficiencia del
panel solar determinado por el fabricante.
Clculo de protecciones en corriente continua
En los
sistemas de generacin fotovoltaica, es fundamental incluir protecciones
adecuadas para prevenir descargas elctricas peligrosas y disipar rpidamente
el exceso de voltaje antes de que este alcance los equipos. El clculo del
tamao de las protecciones, tal como se describe en la Ecuacin 1.9, se basa en
la informacin tcnica proporcionada en las fichas de los paneles solares. La International Electrotechnical Commission
(IEC) reconoce que los requerimientos de proteccin en sistemas fotovoltaicos
difieren de las instalaciones elctricas tradicionales. Esto se detalla en la
norma IEC 60269-6, que especifica las caractersticas tcnicas que deben
cumplir estas protecciones (Mersen, 2018). En cuanto a los factores de
seguridad, se establece un margen del 20 % para la tensin. Para la intensidad,
la norma NEC 690.8(A)(2) define que la corriente mxima del circuito debe
calcularse como 1.25 (o el 25 %) multiplicado por la corriente nominal de
cortocircuito del mdulo fotovoltaico (EATON, 2014). Estas consideraciones
garantizan un diseo seguro y eficiente, minimizando riesgos para el sistema y sus
componentes.
𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖𝑛 = 𝑉𝐷𝐶 ∗ 𝑁𝑜. 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 (𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒) ∗ 1,20 Ec. 1.9
Donde:
𝑉𝐷𝐶: Voltaje
de cortocircuito de los panes solares.
1,20: Factor de
correccin
𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝐼𝑆𝐶 ∗ 1,25 Ec. 2.0
𝐼𝑆𝐶: Corriente de cortocircuito de los paneles
solares
1,25: Factor de correccin
Conductores elctricos
Las
propiedades que cuenta cada cable de todo un sistema fotovoltaico deben estar
diseados con el objetivo de generar sistemas ms fiables y duraderos. La
seccin del cable depender de la intensidad mxima que se puede someter al
conductor como indica la Figura 3 (MERSEN, 2018) .
Figura 3. Calibre del conductor en
funcin de la corriente [22].
Batera
Para este proyecto, se seleccion
una batera de tipo gel de la marca POWEST, diseada especficamente para
aplicaciones de ciclo profundo, como se ilustra en la Figura 4. Este tipo de
batera es ideal para instalaciones fotovoltaicas de escala media, con
capacidades menores a 1,500 Ah. La batera escogida opera a 12 V y proporciona
un da de autonoma, garantizando el funcionamiento del sistema en ausencia de
generacin fotovoltaica. En el mercado nacional, la marca POWEST ofrece
bateras de ciclo profundo con capacidades que varan entre 100 y 250 Ah. En
este caso, se opt por una batera de 150 Ah/12 V, asegurando un equilibrio
entre capacidad y funcionalidad para las necesidades del sistema (Romero,
2012).Caractersticas y beneficios de la batera. Las bateras tipo gel posee
mayor durabilidad y excelente rendimiento recomendables para instalaciones de
proyectos de generacin fotovoltaica.
Figura 4. Batera gel ciclo profundo 150 Ah 12
Estructuralmente
cuenta con una composicin interna de electrolticos de gel distribuido
homogneamente en un cido sulfrico. Cuenta con vlvulas de ventilacin de
diseo especial utilizadas para controlar la tasa de gasificacin y perdida de
agua donde no requieren de un mantenimiento.
Paneles solares
Para la seleccin
de los paneles solares consideramos la potencia total del sistema calculado de
la Ecuacin 1.7, que es de 413,1 W y su tipo de conexin se analizara de la
Tabla 4 (Allauca, 2018).
Tabla 4. Caractersticas conexin serie y paralelo.
|
Caractersticas |
Conexin Serie |
Conexin Paralelo |
|
FUNCIONAMIENTO |
Un solo conjunto |
Cada panel es independiente |
|
CABLEADO |
Un solo camino y sentido de circulacin de corriente a travs de todos los
paneles |
Mltiples caminos para la circulacin de corriente |
|
FLUJO DE CORRIENTE |
La corriente es la misma para todos los paneles. |
Diferente cantidad de corrientes |
|
VOLTAJE |
Se suman |
Se mantiene |
Antes del
anlisis, se realizaron las conexiones de los paneles solares en serie para
garantizar el correcto funcionamiento del sistema. Se seleccionaron paneles
solares de tecnologa monocristalina de la marca POWEST, debido a su alta
eficiencia. El clculo del nmero de paneles necesarios se realiz utilizando
la Ecuacin 1.8, basada en los datos principales proporcionados por el
fabricante. Segn los resultados obtenidos, se determinaron tres paneles
solares como requerimiento para abastecer el sistema. Para este proyecto, se
eligieron paneles monocristalinos POWEST de 160 W, identificados con el cdigo
NERM-160-8160, como se muestra en la Figura 5.
Figura
5.
Panel monocristalino 160 W.
Controlador de carga
Una vez
identificados los datos tcnicos del panel solar 𝑉𝑜𝑐 = 21,8 𝑉𝐷𝐶 𝑉𝑚𝑝 = 18,24 𝑉𝐷𝐶 como se indica en el Anexo C y la carga
necesaria a implementarse al sistema 𝑃 = 480 𝑊, se analiz, las caractersticas de
los controladores MPPT y PWM detallados en la Tabla 5., para su respectiva
seleccin
Tabla 5. Caractersticas Controlador PWM y MPPT.
|
PWM (Modulacin por anchos de pulsos) |
MPPT (Seguidor del punto de mxima potencia) |
|
Son ms econmicos utilizados para pequeos sistemas de bajo costo. |
Mucho ms eficientes. |
|
La tensin nominal de los paneles solares y de las bateras
deben ser las mismas. |
Se ajustan a la tensin de los paneles a la
que precisa la batera segn su etapa de carga, alrededor de un 30 % ms de energa de un PWM. |
|
Debido a la simplicidad de componentes, son muy longevos y sufren poco estrs trmico. |
Mejor eficiencia de carga especialmente en
climas fros. |
𝑉𝐷𝑐 = 21,8 ∗ 3 = 65,4 𝑉𝐷𝐶
Ec. 2.1
𝑉𝑚𝑝 = 18,24 ∗ 3 = 54,72 𝑉𝐷𝐶
𝑃 = 480 𝑊
Considerando
la conexin de 3 paneles solares de 160 W en serie, donde los voltajes se suman
tenemos una potencia a generar de 480 W. Se seleccion un controlador de carga
SCC-MPPT 3KW como se muestra en la Figura 6, compatible para el sistema de 12
V.
Figura 6. Controlador de Carga SCC-MPPT 3KM.
Energizador cerco elctrico
Para la implementacin del cerco elctrico, se seleccion el
electrificador de marca HAGROY, especficamente el modelo HR-10 000, diseado
para cubrir las necesidades de proteccin perimetral. Este equipo destaca por
su tecnologa que facilita tanto la instalacin como la configuracin. Tal como
se ilustra en la Figura 7, el energizador tiene un consumo de potencia de 4.5 W
durante las 24 horas del da, lo que supone un consumo diario continuo. Este
dispositivo electrifica un cerco con una longitud total de 2,000 metros
lineales, distribuidos en 5 lneas a lo largo del rea perimetral. Adems, el
energizador cuenta con un alcance de hasta 3,000 metros lineales de
alimentacin, asegurando una cobertura adecuada para el sistema implementado
(Aparicio, 2015).
Figura 7. Energizador HAGROY HR 1 0000.
Protecciones paneles solares
El dimensionamiento
de las protecciones de los paneles solares se realiz utilizando la Ecuacin
2.2 y 2.3 los valores de voltaje y corriente de cortocircuito proporcionados
por el fabricante, como se muestra en la Tabla 5.
𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖𝑛 = 𝑉𝐷𝐶 ∗ 𝑁𝑜. 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 (𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒) ∗ 1,20 Ec. 2.2
𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖𝑛 = 21,8 𝑉𝐷𝐶 ∗ 3 ∗ 1,20
𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖𝑛 = 78,48 𝑉
𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝐼𝑆𝐶 ∗ 1,25
Ec. 2.3
𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 = 9,4 𝐴 ∗ 1,25
𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 = 11,75 𝐴
|
PROTECCIONES DC |
|
|
FUSIBLES |
INTERRUPTORES MAGNETOTERMICOS |
|
Proteccin
contra sobre intensidades. |
Proteccin
contra cortocircuitos y sobreintensidades. |
|
Al
pasar corriente por el conductor se calienta se destruye y se abre el
circuito. |
Protege
corrientes con un valor superior al nominal, cuando el dispositivo acta se
separan los polos y se abre el circuito. |
|
Es
necesaria su reposicin. |
No
es necesaria su reposicin despus de actuar. |
|
Bajo
costo. |
Alto
costo. |
Tabla 5. Caractersticas Protecciones en DC.
En el
anlisis de la Tabla 5 se incluy la utilizacin de interruptores magnetotrmicos,
diseados para actuar de manera inmediata en caso de interrupcin del circuito
por corrientes superiores a su valor nominal. Estas protecciones estn
especficamente configuradas para corriente continua, ya que las protecciones
para corriente alternan no son adecuadas debido a sus aplicaciones distintas.
Los interruptores seleccionados corresponden a la marca SIEMENS, con
configuracin de 2 polos, garantizando un desempeo confiable y seguro en el
sistema (Allauca, 2018).
Protecciones batera
La
proteccin magnetotrmica de la batera esta dimensionada al 125 % de la
corriente mxima. La clasificacin del interruptor se detalla en la Ecuacin
2.4.
𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑀𝑎𝑥. 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 ∗ 1,25 Ec. 2.4
𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 = 60 𝐴 ∗ 1,25
𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 = 75 𝐴
Conexin cerca elctrica.
La conexin elctrica cumple con la
necesidad que requiere la conexin del cerco elctrico, ya que por recomendaciones
del fabricante ver Figura 8., se recomienda las puestas a tierra para el
funcionamiento correcto de la cerca elctrica (V. C. Castellano Karen, 2021).
Figura 8. Instruccin de conexin
cerca elctrica.
Diagrama unifilar
La representacin
del diagrama unifilar ordena grficamente los componentes de la instalacin
elctrica, en nuestro proyecto de generacin de energa mediante un sistema
fotovoltaico para alimentar la cerca elctrica se tiene un diagrama unifilar,
como se evidencia en la Figura 9, el diseo del sistema fotovoltaico es para
una instalacin aislada o autnoma y de un consumo diario. Se destaca los
elementos y equipos principales de instalacin, protecciones magnetotrmicas
que se localizan aguas arriba de cada tramo de instalacin paneles solares
controlador, controlador- bateras, bateras carga. Y los mandos de control,
paro de emergencia y selector de posiciones que nos permiten tener el control
de manera manual para el inicio del funcionamiento del sistema fotovoltaico.
Figura 9. Diagrama Unifilar
Expone los
principales logros alcanzados con la aplicacin de la metodologa seleccionada.
Es primordial una redaccin clara y adecuada, con una gran capacidad de
sntesis, sin descuidar la mencin de los hitos ms importantes de la
investigacin.
Anlisis de tensin esttica estructura paneles
solares
Mediante el
software CAD Fusion 360, se realiz un anlisis detallado de la deformacin y
la tensin en la estructura de soporte de los paneles solares, considerando las
cargas estructurales y restricciones. El peso individual de cada panel solar,
de 7.8 kg, fue tomado como base para el anlisis. Como se muestra en la Figura
10, los resultados indican que la estructura no presenta pliegues ni rupturas,
incluso bajo condiciones adversas. Adems, el coeficiente de seguridad
calculado es de 4.43, lo que garantiza que la estructura tiene la resistencia
necesaria para soportar las cargas y garantizar su estabilidad y funcionalidad
a largo plazo.
Discusin
de resultados
Con el
empleo de un piranmetro y un multmetro, se obtuvieron datos clave como
radiacin, potencia, voltaje y corriente, esenciales para evaluar la capacidad
de generacin del sistema conforme a los clculos previos realizados. Tal como
se observa en la Figura 11, estos datos fueron complementados con informacin
extrada de sitios web especializados, lo que permiti realizar un
dimensionamiento preciso del sistema y garantizar su funcionamiento ptimo.
Figura
11. Recoleccin de datos con el piranmetro y
multmetro.
El anlisis de los datos
recolectados en la zona de implementacin del sistema, ubicada a una altitud de
4,000 metros sobre el nivel del mar, muestra variaciones significativas en las temperaturas
y condiciones climticas. Esta zona se caracteriza por un clima
predominantemente fro, nuboso y con pocos das soleados. En la Tabla 4.4, se
evalu la irradiancia durante un da intermedio con nubosidad, que constituye
una de las condiciones climticas clave para el anlisis de la generacin de
energa. En este contexto, se obtuvo una potencia mnima de 17 W y una potencia
mxima de 125 W en diferentes momentos del da, resultado de las mediciones
realizadas. Es importante destacar que, a medida que avanzaba el da, se
observ un crecimiento progresivo en la generacin de energa, lo que se
evidencia claramente en la Figura 12. Esto muestra cmo, a pesar de las
condiciones de nubosidad, el sistema sigue funcionando de manera eficiente, con
un incremento en la potencia generada conforme la radiacin solar mejora a lo
largo del da.
Tabla 5. Irradiancia en un da intermedio de nubosidad.
|
Hora |
Wm2 |
Potencia W |
Voltaje (V) |
Corriente (A) |
Voltaje Batera |
|
9:30 |
154,5 |
17 |
13,07 |
1,3 |
13,4 |
|
10:00 |
155,3 |
23 |
11,5 |
2 |
13,4 |
|
10:30 |
147,8 |
19 |
9,04 |
2,1 |
13,4 |
|
11:00 |
196 |
32 |
14,0 |
2,3 |
13,4 |
|
11:30 |
176 |
26 |
13,9 |
1,87 |
14 |
|
12:00 |
294,6 |
42 |
16,8 |
2,5 |
13,4 |
|
12:30 |
203,8 |
38 |
19 |
2 |
13,3 |
|
13:00 |
396,4 |
56 |
15,5 |
3,6 |
13 |
|
13:30 |
425,7 |
60 |
14,0 |
4,3 |
13,4 |
|
14:00 |
577,9 |
94 |
14,02 |
6,7 |
13,9 |
|
14:30 |
630,6 |
125 |
14,2 |
8,8 |
14,2 |
2 2 1 1
Figura 12. Radiacin solar y potencia da intermedio de
nubosidad.
Segn los
datos recolectados y presentados en la Figura 12, las mediciones realizadas entre
las 9:30 a. m. y las 2:30 p. m. muestran una radiacin solar variable a lo
largo del tiempo. En un rango mnimo de radiacin, que oscila entre 147.8 y
155.3 W/m, el sistema gener potencias de 17 a 19 W. Por otro lado, en un
rango mximo de radiacin, comprendido entre 425.7 y 630.6 W/m, las potencias
generadas alcanzaron valores entre 60 y 125 W. Estos resultados confirman que,
incluso en condiciones mnimas y mximas de radiacin durante este perodo, las
potencias generadas son suficientes para el funcionamiento adecuado del
sistema.
Asimismo, en
la Tabla 6 se analiza la irradiancia bajo las condiciones ms crticas,
caracterizadas por nubosidad y bajas temperaturas. En este escenario,
identificado como "el peor da", se registraron potencias mnimas de
13 W y mximas de 67 W, como se ilustra en la Figura 13. Estas potencias,
aunque menores, son an suficientes para satisfacer las necesidades del
sistema, incluyendo el funcionamiento de la cerca elctrica y las cmaras de
vigilancia. Adems, se observa un incremento gradual en la generacin conforme
avanza el da, lo que evidencia la capacidad del sistema para adaptarse y
operar eficientemente incluso en condiciones climticas adversas.
Tabla 6. Irradiancia en el peor da.
|
Hora |
Wm2 |
Potencia W |
Voltaje (V) |
Corriente (A) |
Voltaje Batera |
|
7:00 |
95,3 |
13 |
13 |
1 |
12,9 |
|
7:30 |
72 |
10 |
13,2 |
0,8 |
13,20 |
|
8:00 |
98,4 |
14 |
13,08 |
1,07 |
13 |
|
8:30 |
114,6 |
14 |
13,08 |
1,07 |
13,1 |
|
9:00 |
123 |
21 |
13,04 |
1,6 |
13,3 |
|
9:30 |
132,4 |
15 |
12,93 |
1,16 |
13,4 |
|
10:00 |
129,8 |
16 |
13,11 |
1,22 |
13,3 |
|
10:30 |
178,6 |
27 |
12,37 |
1,94 |
13 |
|
11:00 |
203,1 |
32 |
14 |
2,3 |
13,4 |
|
11:30 |
311,4 |
43 |
19,02 |
2,36 |
13,6 |
|
12:00 |
426,8 |
67 |
15,58 |
4,3 |
13,9 |
2 1 2 1
Figura
13.
Irradiacin solar y potencia en el peor da.
Con base en los
datos recolectados y presentados en la Figura 13, las mediciones realizadas
entre las 7:00 a. m. y las 12:00 p. m. muestran una variacin de radiacin
solar a lo largo del tiempo. En un rango mnimo de radiacin, que oscila entre
72 y 98.4 W/m, el sistema gener potencias de entre 10 y 14 W. En contraste,
en un rango mximo de radiacin de 203.1 a 426.8 W/m, las potencias generadas
alcanzaron valores de 32 a 67 W. Estos resultados confirman que, tanto en
condiciones mnimas como mximas de radiacin durante este perodo, las
potencias generadas son suficientes para mantener el funcionamiento adecuado
del sistema. Adicionalmente, en la Tabla 7 se evalu la irradiancia durante un
da soleado bajo condiciones ideales, obteniendo resultados muy favorables para
el sistema. En estas condiciones, se generaron potencias mnimas de 94 W y
mximas de 151 W, como se ilustra en la Figura 14. Estas potencias, obtenidas
en intervalos de tiempo y con un crecimiento gradual, evidencian un desempeo
ptimo del sistema implementado, demostrando que este es capaz de operar
eficientemente bajo distintas condiciones climticas.
Tabla 7. Irradiancia en un da soleado
|
Hora |
Wm2 |
Potencia W |
Voltaje (V) |
Corriente (A) |
Voltaje Batera |
|
10:15 |
975,9 |
94 |
14,02 |
6,7 |
13,9 |
|
10:45 |
983,4 |
96 |
13,6 |
7,8 |
12,8 |
|
11:00 |
996,1 |
98 |
14 |
7 |
13 |
|
11:30 |
1004,8 |
101 |
14,04 |
7,19 |
13,1 |
|
12:00 |
1010,2 |
115 |
14,05 |
8,18 |
13,3 |
|
12:30 |
1028,7 |
120 |
14,21 |
8,44 |
13,4 |
|
13:00 |
1034,1 |
125 |
14,2 |
8,8 |
13,3 |
|
13:30 |
1029 |
129 |
12,37 |
9,08 |
13 |
|
14:00 |
1037,5 |
137 |
14,2 |
9,64 |
13,4 |
|
14:45 |
1042,6 |
142 |
14,21 |
9,99 |
13,6 |
|
15:30 |
1050 |
151 |
14,24 |
10,6 |
13,9 |
Figura 14. Radiacin solar y
potencia da soleado.
En base a
los datos recolectados, como se muestra en la Figura 14, las mediciones realizadas
entre las 10:15 a. m. y las 3:30 p. m. evidencian una radiacin solar variable
a lo largo del tiempo. En un rango mnimo de radiacin entre 975.9 y 996.1
W/m, el sistema gener potencias de entre 94 y 98 W. Por otro lado, en un
rango mximo de radiacin, comprendido entre 1037.5 y 1050 W/m, la potencia
generada alcanz valores de 137 a 151 W. Estos resultados indican que, tanto en
los niveles mnimos como en los mximos de radiacin, las potencias generadas
son favorables para el correcto funcionamiento del sistema. El anlisis de las
tres condiciones climticas tpicas del pramo muestra que las potencias
generadas son aceptables dentro del rango de consumo requerido por el sistema.
Esto asegura una carga estable y constante a la batera, con voltajes entre
12.9 V y 14 V, incluso en condiciones de baja radiacin. Este comportamiento
garantiza la autonoma del sistema, permitiendo su operacin confiable incluso
en escenarios donde la radiacin solar se encuentra en valores mnimos.
Conclusiones
Este
proyecto se centr en investigar las condiciones climticas, el funcionamiento
de sistemas fotovoltaicos aislados y la implementacin de cercas elctricas en
el pramo de Mogotes. A travs de diversas fuentes bibliogrficas, se recopil
informacin clave sobre las tecnologas disponibles en el mbito de los paneles
solares fotovoltaicos. Un aspecto relevante identificado fue la influencia de
las variaciones climticas en la eficiencia energtica de estos sistemas, ya
que las prdidas de energa y la incapacidad de captar toda la radiacin solar
afectan su rendimiento.
Para
calcular los equipos adecuados para esta zona aislada, se emplearon datos de
radiacin solar obtenidos de la plataforma NASA POWER. La potencia requerida
para el sistema se estableci en 64.5 W, con un voltaje de 12 V. El sistema
instalado incluye paneles fotovoltaicos con una capacidad total de 480 W,
diseados para futuras ampliaciones. La batera del sistema proporciona un da
de autonoma, y su adquisicin cont con el apoyo de la junta de agua de
Alaquez.
En la fase
de anlisis, se consideraron las particularidades de la zona, ubicada a 4,000
metros sobre el nivel del mar, donde los cambios de temperatura afectan el
desempeo. Durante los das ms desfavorables, el sistema gener una potencia
mxima de 64 W, mientras que en das ptimos alcanz hasta 151 W, garantizando
as un suministro confiable para la operacin de la cerca elctrica.
Se
eligieron paneles solares monocristalinos por su alto rendimiento y capacidad
para captar la radiacin solar de manera eficiente. Estos paneles fueron
instalados sobre estructuras metlicas a una altura de 2.60 metros para evitar
manipulaciones, con un ngulo fijo de 15 para facilitar el mantenimiento. Los
equipos fueron protegidos en un gabinete con certificacin IP65, mientras que
el cableado fue enterrado en tuberas corrugadas galvanizadas para aumentar la
seguridad y durabilidad del
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