evaluacion de soluciones fotovoltaicas para el …
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EVALUACION DE SOLUCIONES FOTOVOLTAICAS PARA EL CASINO DE
LA POLICIA METROPOLITANA UBICADA DE LA CIUDAD DE VILLAVICENCIO
(META)
SEMINARIO DE PROFUNDIZACIÓN
NOMBRES:
JORGE ARMANDO LOPEZ TORREZ ID (204339)
CARLOS ENRIQUE BETANCOURT COCA ID (375793)
CAMILO ALONSO TOVAR FORERO ID (372982)
UNIVERSIDAD COOPERATIVA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍAS
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
VILLAVICENCIO (META)
2019
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EVALUACION DE SOLUCIONES FOTOVOLTAICAS PARA EL CASINO DE
LA POLICIA METROPOLITANA UBICADA DE LA CIUDAD DE VILLAVICENCIO
(META)
SEMINARIO DE PROFUNDIZACIÓN
NOMBRES
JORGE ARMANDO LOPEZ TORRES ID (204339)
CARLOS ENRIQUE BETANCOURT COCA ID (375993)
CAMILO ALONSO TOVAR FORERO ID (372982)
ASESOR:
MATEO AGUDELO VARELA
UNIVERSIDAD COOPERATIVA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍAS
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
VILLAVICENCIO (META)
2019
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AUTORIDADES ACADÉMICAS UNIVERSIDAD COOPERATIVA DE COLOMBIA
Dr. Maritza Rondón Rangel
Rector Nacional
Dr. Cesar Augusto Pérez Londoño
Director Académico sede Villavicencio
Dra. Ruth Edith Muñoz
Directora Administrativa
Ing. Raúl Alarcón Bermúdez
Decano Facultad de Ingenierías
Ing. María Lucrecia Ramírez Suárez
Jefe de Programa
Ing. Nelson González Rojas.
Coordinador de Investigación Programa de Ingeniería Civil
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Página De Aceptación
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Jurado
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Jurado
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Jurado
Villavicencio, Febrero 2019
5
Página de advertencia
La Universidad Cooperativa de Colombia
No se hace responsable por los
Conceptos emitidos por los autores.
6
Dedicatoria
……….
7
…………
8
Agradecimientos
Doy mi sincero agradecimiento a dios por habernos dado la oportunidad de haber culminado
esta hermosa y apasionada carrera que es la ingeniería civil, aunque hubo momentos duros en
los cuales nunca se desfallecieron y siempre con el pensamiento de que llegara este día.
En nuestro camino por el aprendiza tuvimos la oportunidad de conocer muchas personas
fabulosas compañeros, docentes, empleados de la UCC, tanto que cada uno de ellos nos
aportaron grades o pequeñas cosas para nuestro aprendizaje por nuestra carrera y con el fin de
ser mejores profesionales para nuestra nueva generación
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Contenido
Glosario .................................................................................................................... 15
Introducción............................................................................................................. 17
1. Generalidades ...................................................................................................... 18
1.1 Planteamiento Del Problema ............................................................................ 18
1.2 Formulación del problema ............................................................................... 19
1.3 Justificación ....................................................................................................... 20
1.4 Antecedentes ...................................................................................................... 22
1.5 Objetivos ......................................................................................................... 24
1.5.2 Objetivos Específicos ..................................................................................... 24
2. Marco Referencial ............................................................................................... 25
2.1 Marco Contextual.............................................................................................. 25
2.2 Localización del proyecto ................................................................................. 25
3. Marco Legal ......................................................................................................... 28
4. Marco Conceptual ............................................................................................... 30
5. Metodología ......................................................................................................... 38
5.1 Diseño metodológico.......................................................................................... 39
5.1.1 Diseño de encuesta para aplicación a la ciudadanía a 35 personas que
transitaban cerca a la policía Metropolitana y sus alrededores. .................................... 39
10
5.1.2 Visita técnica ................................................................................................... 44
5.1.3 Recolección de datos. ..................................................................................... 45
5.1.3.4 Tablas de Mediciones .................................................................................. 47
5.1.3.5 Presupuesto de implementación Panales Solar ........................................ 53
5.1.3.6 Calculo de ahorro en la implementación. ................................................. 54
6. Impacto................................................................................................................. 55
7. Conclusiones ........................................................................................................ 58
8. Recomendaciones ................................................................................................ 59
9. Referencias ........................................................................................................... 60
11
TABLA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1 Localización del proyecto en google Google Maps ................................................. 25
Ilustración 2Ubicación google Maps Policía Metropolitana ........................................................ 26
Ilustración 3 Radiación solar Villavicencio en KW/m2. .............................................................. 31
Ilustración 4 Características climatológicas de Villavicencio. El clima de Villavicencio es cálido
– muy húmedo. (IDEAM) ............................................................................................................. 32
Ilustración 5 V Esquema de conexión del regulador en la instalación. (Amazon AWS, pág. 20) 34
Ilustración 6 Funcionamiento de energía fotovoltaica y energía eléctrica (Elise Sebastian, 2016)
....................................................................................................................................................... 37
Ilustración 7 Se destacan las principales características de todo panel solar y puede verse un
esquema típico de su construcción. (Amazon AWS, pág. 14). ..................................................... 37
Ilustración 8 Tableros de distribución del primer y segundo nivel, respectivamente ................... 46
Ilustración 9 Punto geográfico de la unidad. ................................................................................ 48
Ilustración 10 Georreferencia para ubicación de panales ............................................................ 50
Ilustración 11 Georreferencia para ubicación de panales ............................................................. 50
Ilustración 12 Georreferencia para ubicación de panales ............................................................. 51
Ilustración 13 Georreferencia para ubicación de panales ............................................................. 51
Ilustración 14 Encuesta elaborada. .............................................................................................. 61
12
LISTA DE TABLAS
Tabla 1Pregunta N° 1 encuesta aplicada ...................................................................................... 39
Tabla 2Pregunta N° 2 encuesta aplicada ....................................................................................... 40
Tabla 3 Pregunta N° 3 encuesta aplicada ...................................................................................... 41
Tabla 4 Pregunta N° 4 encuesta aplicada ...................................................................................... 42
Tabla 5 Pregunta N° 5 encuesta aplicada ...................................................................................... 43
Tabla 6 Mediciones en tableros. ................................................................................................... 47
Tabla 7 Consideraciones de diseño ............................................................................................... 52
Tabla 8 Presupuesto para la implementación............................................................................... 53
Tabla 9 Calculo de ahorro debido a la implementación de paneles solares .................................. 54
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Resumen
La energía solar en los últimos años tiene gran acogida en el mercado, puesto que el
cambio climático en el mundo ha sido notorio, y devastador, en la ciudad de Villavicencio se
quiere implementar como ejemplo inicialmente es en la Policía Metropolitana, ubicada en vía
al camino ganadero, tomando como referencia los impactos positivos y negativos teniendo en
cuenta los ámbitos sociales, económicos y ambientales, que puede llegar a ser intervenidos
debido a la implementación de un sistema solar fotovoltaico por medio de panes solares, los
cuales captan la energía solar y la transforman en eléctrica de una forma amigable al medio
ambiente.
Nuestro hogar, la tierra…tiene la capacidad de retener energía solar en una hora como
para abastecer al mundo entero durante un año. (Trinasolar, 2016). Otros métodos como
importantes recursos y capital necesarios para extraer y quemar combustibles fósiles, una
persona del común con buen asesoramiento técnico puede implementar en su casa paneles
solares, consiguiendo con esto ahorros importantes en su bolsillo, Por otro lado, a energía
generada por los combustibles fósiles el cual es el método más común y convencional
actualmente por el cual tenemos energía eléctrica, la energía solar no libera emisiones
peligrosas de dióxido de carbono (CO2). Estamos teniendo las soluciones energéticas
sostenibles sin carbono es esencial para ralentizar el cambio climático y prevenir mayores
daños al medio ambiente
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Abstract
The solar energy in the last years has great reception in the market, since the climatic
change in the world has been notorious, and devastating, in the city of Villavicencio it is
wanted to implement like example initially it is in the Metropolitan Police, located in way to
the cattle road, taking as reference the positive and negative impacts taking into account the
social, economic and environmental scopes, that can get to be intervened due to the
implementation of a photovoltaic solar system by means of solar breads, which capture the
solar energy and transform it into electric of a friendly form to the environment.
Our home, the earth...has the capacity to retain solar energy in one hour to supply the
whole world for one year. (Trinasolar, 2016). Other methods such as important resources and
capital needed to extract and burn fossil fuels, a common person with good technical advice
can implement in your home solar panels, getting with this significant savings in your pocket,
on the other hand, to energy generated by fossil fuels which is the most common and
conventional method currently by which we have electricity, solar energy does not release
dangerous emissions of carbon dioxide (CO2). We are having sustainable carbon-free energy
solutions is essential to slow climate change and prevent further damage to the environment.
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Glosario
Energía: Capacidad que tiene la materia de producir trabajo en forma de movimiento,
luz, calor, etc.
La energía fotovoltaica: es la transformación directa de la radiación solar en
electricidad.
Panel Solar: Son módulos fotovoltaicos individuales que captan la energía que
proporciona el sol convirtiéndola en electricidad
Consumo: Consiste en la satisfacción de las necesidades presentes o futuras y se le
considera el último proceso económico.
Magnitud: Es todo aquello que se puede medir, que se puede representar por un
número y que puede ser estudiado en las ciencias experimentales (que son las que observan,
miden, representan, obtienen leyes, etc.).
Georreferenciación: es la técnica de posicionamiento espacial de una entidad en una
localización geográfica única y bien definida en un sistema de coordenadas y datos
específicos.
16
Plano cenital: Es aquel en el que el punto de vista de una cámara se encuentra
perpendicular respecto del suelo y la imagen obtenida ofrece un campo de visión orientado de
arriba abajo.
Voltaje: Es la capacidad física que tiene un circuito eléctrico, debido a que impulsa a
los electrones a lo extenso de un conductor, esto quiere decir, que el voltio conduce la energía
eléctrica con mayor o menor potencia, debido a que el voltaje es el mecanismo eléctrico entre
los dos cuerpos, basándose a que si los dos puntos establecen un contacto de flujo de
electrones puede suceder una transferencia de energía de ambos puntos, porque los electrones
son cargas negativas y son atraídas por protones con carga positiva, pero además los
electrones son rechazados entre sí por tener la misma carga.
El voltaje de fase: Es el que tenemos de una de las tres líneas (técnicamente llamamos
líneas vivas) del alternador al conductor neutro.
El voltaje de línea: Es el que tememos entre líneas vivas
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Introducción
El presente informe tiene como principal propósito dar una solución de la mano con
el medio ambiente, calculando el consumo energético de la unidad del casino de oficiales de
la policía metropolitana de la ciudad capital del Meta -Villavicencio, con el fin de determinar
el tipo de solución fotovoltaica ON GRID (Energía generada por sus paneles, no se utiliza
banco de baterías, resultando de menor costo) consiste en la transformación y
aprovechamiento directo de la radiación solar en eléctrica, el material base para la elaboración
de estos panales suelen ser el silicio, para la instalación a estudio como prioridad es la
optimización, y al mismo tiempo, que se logre adecuar para la capacidad energética que
requieren este espacio, la energía solar fotovoltaica es una energía renovable con recursos
ilimitados, no produce emisión siendo totalmente amigable con el medio ambiente siendo su
costo menor frente a la energía eléctrica convencional, cada panel tiene un periodo de vida o
uso de hasta 20 años, sus tamaños dependen de la necesidad y son adaptables a estructuras
nuevas o ya existentes. Para este proceso se efectuaron algunas medidas en cuanto a las
magnitudes de los voltajes y corrientes del sistema trifásico que abastece la unidad en
mención, también se tuvieron en cuenta la determinación de otros parámetros como el punto
geográfico de la unidad, las distancias desde el tablero de distribución hasta el tejado; el área
y el buen estado de la cubierta.
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1. Generalidades
1.1 Planteamiento Del Problema
Los seres humanos hemos creado una dependencia por los aparatos electrónicos,
empezando principalmente por uno que usamos diariamente como es nuestro teléfono celular,
un interruptor para encender luces en nuestros hogares, trabajos y diferentes sitios los cuales
frecuentamos, siendo o no necesario, sin saber por qué o el cómo es posible todo esto sin
notar su importancia la energía pasa por muchos procesos y en cada uno de ellos genera daños
ambiental en el entorno donde se genera la electricidad e inevitablemente reflejado en nuestro
hogar.
Algunas plantas de electricidad emiten compuestos y gases de efecto invernadero
como es el CO2, dióxido de azufre (SO2) y óxido nitroso (N2O) entre otros factores
contaminantes, estos son generados por la quema de combustibles fósiles para poder producir
la energía finalmente, estos terminan en aguas y suelos generando enfermedades, un estudio
determinó que la contaminación del aire exterior es causa de cáncer para el ser humano, y que
las partículas del aire contaminado están relacionadas con la creciente incidencia del cáncer
de pulmón y el aumento de éste en vías urinarias y vejiga. (Centro Internacional de
Investigaciones, 2013)
El abuso del consumo de la energía eléctrica ha aumentado entre julio de 2011 y junio
de 2012 en una ciudad como New York la demanda de energía eléctrica creció 3,1 %,
19
mientras que en los primeros 6 meses de 2012 se registró un crecimiento del 2,7% (empresa
XM, 2013), el usar la luces, todo lo eléctrico 24 horas al día, 7 días a la semana está creando
una dependencia como individuo en cada ser dejando de lado la responsabilidad o deber que
tenemos con el medio ambiente, un núcleo familiar de cuatro personas tiene un consumo
mensual de cerca de 152 KVh, generando la bien llamada contaminación lumínica la cual
consiste en el brillo del cielo nocturno producido por la mala calidad del alumbrado de
nuestras ciudades, enviamos la luz hacia arriba en lugar de hacerlo direccionado hacia el suelo
que es lo correcto y donde está la necesidad, haciéndolo equivocadamente derrochamos
literalmente nuestro dinero, aparte abusamos de los recursos naturales, agredimos el hábitat de
animales nocturnos y migratorios, le quitamos la oportunidad a nuestros hijos de la
posibilidad de contemplar un cielo estrellado.
1.2 Formulación del problema
¿Es optima la implementación de energía fotovoltaica para el casino de oficiales de la
policía Metropolitana de la ciudad de Villavicencio?
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1.3 Justificación
Actualmente el mundo pasa por uno de los más grandes problemas ambientales de los
últimos tiempo teniendo consecuencias notorias en nuestro diario vivir como lo es el
calentamiento global el cual descontrolando la temperatura de nuestro hogar de una forma
exagerada, de extremos a extremos, esto ha despertado que diferentes organizaciones que
velan por la protección del medio ambiente quieran abrir campo en el mercado con
alternativas y/0 soluciones para contrarrestar las consecuencias del abuso ambiental que está
sucediendo.
La toma de conciencia en la población como lo es del departamento del Meta,
exactamente la ciudad de Villavicencio se basa objetivamente en la importancia sobre el
bueno uso, las buenas prácticas y aprovechamiento en forma correcta de las energías
renovables.
Entre las diferentes alternativas de energías renovables podemos encontrar las más
comunes como lo son la energía hidroeléctrica, energía geotérmica, energía eólica, energía
solar fotovoltaica, energía solar térmica y energía de la biomasa, siendo la energía solar una
de las más innovadoras por su tecnología en el mercado caracterizándose por ser limpia,
económica y sostenible ayudando a conservar y aprovechar los recursos naturales existentes.
21
En Colombia la producción de energía primaria proviene de la hidroelectricidad, por la
abundancia de agua en la mayoría de zonas del país, y en un segundo lugar de los
combustibles fósiles (petróleo, gas y carbón), cuyas reservas ya se están agotando.
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1.4 Antecedentes
El descubrimiento de la transformación de la luz solar en electricidad se atribuye al
físico francés Edmund Becquerel en 1839, quien, en una rudimentaria pila galvánica, formada
por dos electrodos metálicos sumergidos en una solución conductora, observó un leve
aumento en la generación eléctrica cuando sobre la misma hacía incidir radiación solar. En
1873, Willoughby Smith, quien experimentaba con nuevos materiales para aplicarlos en
cables de telégrafo marino, observó un efecto similar en un cristal de selenio. La primera
celda solar se atribuye a Charles Fritts quién depositó contactos de oro sobre una oblea de
selenio y obtuvo una celda solar con eficiencia cercana al 1%. (Miranda, 2009, pág. 10).
El desarrollo de la energía solar Fotovoltaica en el siglo XXI está teniendo un
acelerado avance tecnológico y económico. La energía es el motor de los avances económicos
en este siglo. El efecto fotovoltaico fue reconocido por primera vez en 1839 por el físico
francés Alexadre-Edmond Becquerel. Sus estudios sobre el espectro solar, magnetismo,
electricidad y óptica son el pilar científico de la energía fotovoltaica. En 1883 el inventor
norteamericano Charles Fritts construye la primera celda solar con una eficiencia del 1%. La
primera celda solar fue construida utilizando como semiconductor el Selenio con una muy
delgada capa de oro. Debido al alto costo de esta celda se utilizó para usos diferentes a la
generación de electricidad. Las aplicaciones de la celda de Selenio fueron para sensores de luz
en la exposición de cámaras fotográficas.
La celda de Silicio que hoy día utilizan proviene de la patente del inventor
norteamericano Russell Ohl. Fue construida en 1940 y patentada en 1946. La época moderna
23
de la celda de Silicio llega en 1954 en los laboratorios Bells. Accidentalmente
experimentando con semiconductores se encontró que el Silicio con algunas impurezas era
muy sensitivo a la luz. El siglo XXI nace con una premisa para el desarrollo sostenible
medioambiental. El creciente desarrollo industrial y de consumo trae como consecuencia un
deterioro del medio ambiente a través de las emisiones de CO2 y otros gases que además de
destruir la capa de Ozono afectan la salud del hombre. La protección del medio ambiente es
compromiso de todos, gobiernos, personas e industrias. Hoy día vemos un gran crecimiento,
tanto en la producción de paneles solares cada vez más económicos como en la
implementación de grandes plantas solares conectadas a la red eléctrica. (Energiza)
24
1.5 Objetivos
1.5.1 Objetivo General
Evaluar y plantear la viabilidad de utilización de paneles solares fotovoltaicos
para el casino de oficiales de la policía metropolitana de Villavicencio.
1.5.2 Objetivos Específicos
Análisis de consumo energético de la unidad.
Implementación de un dispositivo GPS GARMIN (Gpsmap 64s).
Calculo del pinto de georreferenciación.
Determinación de unidades de panales implementados
Identificación de la cubierta donde se proyecta la instalación de los panales.
Brindar soluciones a dificultades presentadas frente a los resultados.
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2. Marco Referencial
2.1 Marco Contextual
Es de gran importancia realizar una contextualización que brinde la información
en aspectos físicos, ambientales, sociales, territoriales y de localización, que puedan
darnos ayuda frente a la idea de entender a fondo los procesos en que se encuentran en la
implementación de estos materiales de renovables dando un lugar objetivo para realizar el
análisis respectivo y adecuación de los paneles solares a la estructura ya existente.
2.2 Localización del proyecto
Ilustración 1 Localización del proyecto en
google Google Maps
26
Villavicencio, capital del Departamento del Meta, está localizada en la margen derecha
del Río Guatiquía, a los 4°09’12’’ de latitud norte y 73° 39’ 06” de longitud oeste. La altura de
la ciudad oscila entre los 250 y 467 metros sobre el nivel del mar.
El Municipio cuenta con un área aproximada de 1.300 km² la cual limita al norte con los
municipios de Restrepo y El Calvario, al oriente con Puerto López, al sur con San Carlos de
Guaroa y Acacias y al occidente con el municipio de Acacias y el Departamento de
Cundinamarca; su distancia con la capital del país es de 90 kilómetros aproximadamente.
La nueva organización de la policía para la región del Meta, empezó a funcionar desde
el 15 de diciembre de 2011, demostrando el grado de compromiso del alto mando institucional
de la Policía Nacional con la seguridad ciudadana, ya que a partir de la categorización de la
unidad de tipo B Tipo A, permitirá la asignación de más talento humano y recursos
Ilustración 2Ubicación google Maps Policía Metropolitana
27
tecnológicos, logísticos y de movilidad para brindar un servicio eficiente y efectivo a la
ciudadanía, acorde al crecimiento demográfico, turístico, económico y social, como buen
ejemplo de la ciudadanía comprometidos con el medio ambiente , se quiere implementar
energías renovables y así garantizar el compromiso en todos los aspectos actuales.
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3. Marco Legal
Ley 143 de julio 11 de 1994
por la cual se establece el régimen para la generación, interconexión, transmisión,
distribución y comercialización de electricidad en el territorio nacional, se conceden unas
autorizaciones y se dictan otras disposiciones en materia energética.
Ley 697 de octubre 03 de 2001
Mediante la cual se fomenta el uso racional y eficiente de la energía, se promueve la
utilización de energías alternativas y se dictan otras disposiciones.
resolución 180919 de 2010
Por la cual se adopta el Plan de Acción Indicativo 2010-2015 para desarrollar el
Programa de Uso Racional y Eficiente de la Energía y demás Formas de Energía No
Convencionales, PROURE, se definen sus objetivos, subprogramas y se adoptan otras
disposiciones al respecto.
La ley 143 de 1994
Habla que todo aquel que produce energía exclusivamente para atender sus
necesidades es un autogenerador. Sí, todos los usuarios residenciales de cualquier estrato
pueden hacerlo, también los comercios y las industrias pequeñas.
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Resolución UPME 143 de 2016
Establece los requerimientos para el registro de proyectos de generación con fuentes
no convencionales de energía.
Resolución UPME 045 de 2016
Procedimientos y requisitos para emitir la certificación y avalar los proyectos de
fuentes no convencionales de energía (FNCE)
Resolución UPME 0281 de 2015
Define el límite máximo de potencia de la autoregeneración a pequeña escala en el
Sistema Interconectado Nacional (SIN)
Decreto MME 2143 de 2015
Reglamenta los lineamientos para la aplicación de incentivos establecidos en la Ley
1715
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4. Marco Conceptual
¿Qué es un panel solar? Un panel solar o modulo fotovoltaico está formado por un
conjunto de células, conectadas eléctricamente, encapsuladas, y montadas sobre una
estructura de soporte o marco. Proporciona en su salida de conexión una tensión continua, y
se diseña para valores concretos de tensión (6V, 12V, 24V…), que definirán la tensión a la
que va a trabajar el sistema fotovoltaico. (Amazon AWS, pág. 14).
El sol es la estrella más próxima a la tierra, la cual se halla separada por una distancia
media de 149.600.000 km. Es la única estrella que puede estudiarse con detalle; su masa,
brillo y composición están dentro de los límites normales. Posee un diámetro medio de
1.392.000 km. (109 veces el de la tierra) y una masa 333.000 veces mayor que la de nuestro
planeta. La densidad media solar es de 1.41 g/cc. El sol gira sobre sí mismo con un periodo
que varía de 26,9 días en la zona ecuatorial a 31,1 días en las zonas polares. Efectúa también
un movimiento de rotación alrededor de nuestra galaxia, con una velocidad orbital de 240
km/s. El elemento más abundante en el Sol es el hidrogeno, seguido por el helio. (Sevil, 2001,
pág. 4).
La radiación que atraviesa la atmosfera no es toda la recibida, pues una parte
considerable rebota debido a la reflexión atmosférica y vuelve al espacio. La atmosfera
supone un obstáculo al libre paso de la radiación mediante diversos efectos, entre los que cabe
destacar la reflexión en la parte superior de las nubes y la absorción parcial por las diferentes
31
moléculas del aire atmosférico. Este último fenómeno hace que la intensidad que llega a la
superficie, aun en días despejados y con atmosfera muy limpia, sea como máximo de unos
1000 W/m2 . Parte de radiación que atraviesa a la atmosfera es difundida y absorbida, es la
radiación difusa, y el resto es la radiación directa.
Aunque en un día despejado la radiación directa es mucho mayor que la difusa, ésta
última será, evidentemente la única forma posible de radiación en los días cubiertos,
filtrándose más o menos homogéneamente por toda la bóveda celeste a través de la capa
nubosa. La radiación difusa supone aproximadamente un tercio de la radiación total que se
recibe a lo largo del año. (Sevil, 2001, págs. 5-6).
Radiación solar Villavicencio
La radiación solar en el municipio de Villavicencio oscila entre 4.5-5.0 a 5.0-5.5 en
KW/m2 día, es decir una radiación solar media y una intensidad de brillo solar adecuado, que
facilita el buen funcionamiento del sistema de paneles fotovoltaicos.
Ilustración 3 Radiación solar
Villavicencio en
KW/m2.
32
Características climatológicas de Villavicencio
El promedio de lluvia total anual es de 4383 mm. Durante el año, presenta una
temporada seca y una temporada de lluvias. La temporada seca se extiende de diciembre a
marzo. En estos meses llueve entre 10 y 14 día al mes. De abril a noviembre se presenta la
temporada de mayores lluvias; la frecuencia de días lluviosos en estos meses es de 22 a 26. La
temperatura promedio es de 25.5 ºC. Al medio día la temperatura máxima media oscila entre
28 y 32ºC. En la madrugada la temperatura mínima está entre 20 y 22 ºC. El sol brilla cerca de
4 horas diarias en los meses lluviosos, pero en los meses secos de principios de año, la
insolación es ligeramente mayor a 5 horas/día
Ilustración 4 Características climatológicas de Villavicencio. El clima
de Villavicencio es cálido – muy húmedo. (IDEAM)
33
La humedad relativa del aire oscila durante el año entre 67 y 83 %, siendo mayor en
los meses de junio y julio y menor en el primer trimestre del año. (IDEAM, págs. 20-21).
Funcionamiento de los paneles fotovoltaicos.
La energía solar fotovoltaica es una fuente de energía renovable y, por tanto,
inagotable, limpia y se puede aprovechar en el mismo lugar en que se produce auto
gestionada). La sostenibilidad energética en un futuro vendrá dada por el uso de las energías
renovables. (Mendez & Rafael, 2007, pág. 15).
Los paneles solares se componen de un conjunto de celdas o células fotovoltaicas que
producen electricidad a partir de la luz que incide sobre ellos mediante el efecto fotoeléctrico.
Las placas fotovoltaicas pueden ser cristalinas o amorfas. Las cristalinas, a su vez, pueden ser
monocristalinas (se componen de secciones de un único cristal de silicio) o policristalinas (se
componen de varias partículas cristalizadas de pequeño tamaño). En cuanto a las amorfas, son
así cuando el silicio no se cristaliza. (EnergiaSolar365, 2011). Los paneles fotovoltaicos se
rigen por varios principios para su funcionamiento: Algunos de los fotones, provenientes de
los rayos del sol, impactan sobre la primera superficie del panel, siendo absorbidos por
diversos semiconductores, como puede ser el silicio. (EnergiaSolar365, 2011).
34
Ilustración 5 V Esquema de conexión del regulador en la instalación. (Amazon AWS,
pág. 20)
La conversión eléctrica
La electricidad es una de las formas de energía más versátil y que mejor se adapta a
cada necesidad. Su utilización esta tan extendida que hoy difícilmente podría concebirse una
sociedad tecnológicamente avanzada que no hiciese uso de ella. Miles de diferentes aparatos
están diseñados para funcionar alimentados con energía solar, interesante la posibilidad de
producir electricidad mediante una fuente energética segura y no contaminante, como es la
energía solar. El efecto fotovoltaico es la conversión de la energía lumínica proveniente del
sol en energía eléctrica; Se basa en el comportamiento de los materiales semiconductores, los
cuales, bajo ciertas circunstancias, son capaces de crear una fuerza electromotriz.
Bajo el nombre de semiconductores se conocen un conjunto de sustancias, cuya
resistividad esta generalmente comprendida entre 10-6 y 108 Ωm, que poseen ciertas
35
propiedades características. Algunos semiconductores son elementos químicos puros, como
por ejemplo el boro, el silicio y el selenio, y otros son compuestos químicos, como el
arseniuro de galio. Al ponerse en contacto un cuerpo cristalino semiconductor de tipo N con
otro de tipo P, se crea una unión P-N, la cual posee unas propiedades especiales. Tanto los
electrones en exceso del semiconductor N como los huecos del P tienden a difundir a través
de la superficie común de separación, penetrando un poco al lado de dicha frontera.
Como cada semiconductor es globalmente un cuerpo eléctricamente nuestro, esta
difusión de electrones y huecos, debida a la diferente concentración de unos y otros en cada
lado de la superficie, hará que el semiconductor N se cargue positivamente y el P
negativamente, estableciéndose así una diferencia de potencial de algunas décimas de voltio,
la cual da lugar a un campo eléctrico que restablece el equilibrio, evitando que continúe el
flujo de los portadores de carga.
El rendimiento de la transformación fotovoltaica de las células varía según el tipo de
material utilizado. Así, mientras que las células de silicio monocristalino consiguen
rendimientos que rondan el 17%, las de silicio policristalino y amorfo proporcionan
rendimientos más limitados, del orden del 12% y el 6% respectivamente. En lo referente a la
potencia que proporcionan los sistemas fotovoltaicos, una misma célula proporciona valores
diferentes al variar la intensidad de radiación que recibe. Por este motivo, normalmente la
potencia nominal de las células se mide en watt-pico (Wp), que es la potencia que puede
proporcionar la célula con una intensidad de radiación constante de 1000 W/m2 y una
36
temperatura de la célula de 25ºC. Para obtener potencias utilizables para aparatos de media
potencia, hace falta unir un cierto número de células con la finalidad de conseguir la tensión y
la corriente requeridos.
La unidad básica de las instalaciones fotovoltaicas es la placa fotovoltaica, que
contiene entre 20 y 40 células solares; estas placas se conectan entre ellas en serie y/o paralelo
para conseguir el voltaje demandado. (Sevil, 2001).
Los electrones que se alojan en orbitales son golpeados por los fotones, liberándose de
los átomos a los que principalmente estaban destinados. El conjunto de paneles transforma la
energía solar en electricidad continua, también llamada DC y que es un tipo de corriente
eléctrica que se define como un movimiento de cargas en una dirección y un solo sentido a
través de un circuito. Además, esta corriente se lleva a un circuito conversor que transforma la
corriente continua en alterna (AC), la cual entra en el panel eléctrico de la casa y genera una
electricidad que se distribuye a los sistemas de iluminación de la casa ya que éstos no
consumen demasiada energía. (EnergiaSolar365, 2011). - El impacto visual es nulo o mínimo,
los paneles son difícilmente visibles desde los alrededores. - Aprovechamiento de espacio. -
Riesgo mínimo para las personas. (Sevil, 2001)
37
Ilustración 7 Se destacan las principales características de todo panel
solar y puede verse un esquema típico de su construcción. (Amazon AWS, pág.
14).
Ilustración 6 Funcionamiento de energía fotovoltaica y
energía eléctrica (Elise Sebastian, 2016)
38
5. Metodología
El proyecto se desarrolló con la metodología cuantitativa, la cual tiene por objeto la
valoración del consumo de energía que se requiere para instalar el sistema de paneles en el
casino de oficiales de la policía Metropolitana ubicada en la ciudad de Villavicencio;
previamente se realizó un reconocimiento del área de influencia, realizando una visita técnica
en horas de la tarde con preferencia, la que corresponde al casino de oficiales de la policía
Metropolitana en la ciudad de Villavicencio, se emplearon diferentes equipos para medir
magnitudes de variables consideradas relevantes para el análisis del consumo energético de la
unidad, evidencia fotográfica desde un ángulo cenital con la idea de facilitar una mejor
panorámica, así poder determinar la forma del tejado y tener un criterio técnico de la
estructura para el soporte de los panales.
39
5.1 Diseño metodológico.
5.1.1 Diseño de encuesta para aplicación a la ciudadanía a 35 personas que
transitaban cerca a la policía Metropolitana y sus alrededores.
a) ¿Conoce usted la energía fotovoltaica?
Tabla 1 pregunta N° 1 encuesta aplicada
La respuesta con mayoría fue el “no”, las personas de la ciudad de Villavicencio
desconocen la energía fotovoltaica, desconociendo así mismo las ventajas que tiene la
implementación en los diferentes aspectos como lo son bajo costos, y lograr a contribuir con
el mejoramiento ambiental, debido a que por muchos años hemos sido regidos por EMSA,
una empresa que tiene como método otras alternativas diferentes a las renovables.
0
5
10
15
20
25
30
35
Pregunta 1
PREGUNTA 1
SI NO
40
Las personas que respondieron positivo solo conocían como funcionaba la energía de
manera solar y la disminución de costo, pero desconocían los impactos positivos al medio
ambiente, también su costo de instalación.
b) ¿Los recursos públicos deberían ser optimizados con energías renovables?
Tabla 2Pregunta N° 2 encuesta aplicada
La respuesta con mayor respuesta fue el “si”, actualmente pasa por una etapa
económica difícil, el salario mínimo no está alcanzando de la misma forma, los impuestos son
cada vez de mayor valor y más constantes, que la policía metropolitana de Villavicencio
0
5
10
15
20
25
30
35
Pregunta 2
PREGUNTA 2
SI NO
41
quiera implementar sistemas renovables como esto pueda que disminuya o lo que se puede
gastar en energía eléctrica normal sea implementado en otros como educación o salud.
Las personas que respondieron negativa creen que las cosas seguirán de igual forma,
dejando de un lado lo ambiental, no les afectaría.
c) ¿Considera que la energía eléctrica en su hogar es de un costo muy alto?
L
a
r
e
s
puesta con mayor porcentaje a su favor fue el “si”, debido a que últimamente han
aumentado los servicios públicos en el meta, más para la época decembrina por
consecuencia del alumbrado público que adornaban las calles.
0
5
10
15
20
25
30
Pregunta 3
PREGUNTA 3
SI NO
Tabla 3 Pregunta N° 3 encuesta aplicada
42
d) ¿Se preocupa por la situación actual del medio ambiente?
Las personas que respondieron positivamente tienen conciencia de que el clima
está cambiando, nuestra ciudad ahora llega a temperaturas altas lo que no sucedía antes, ahora
se ven más cambios climáticos en las diferentes ciudades totalmente abruptos, las personas
que respondieron negativamente piensan que la tierra tiene demasiado tiempo de vida antes de
que algo ocurra, que todas las fuentes ecológicas son ilimitadas.
e) ¿implementaría soluciones fotovoltaicas o amigables al ambiente en su hogar?
0
5
10
15
20
25
30
Pregunta 4
PREGUNTA 4
SI NO
Tabla 4 Pregunta N° 4 encuesta aplicada
43
La respuesta positiva es la que se espera en este proyecto, que las personas
empiecen a tomar más en cuenta las soluciones que sean amigables al medio ambiente como
es el sistema de paneles solares para obtener energía solar o fotovoltaica, la iniciativa de esto
y al ver como se implementan en una institución publica, siembra el ejemplo para la demás
comunidad y opta un estilo de vida. Las personas que respondieron con la otra opción son
porque desconocían las ventajas que ofrecen estas nuevas alternativas que ingresan con fuerza
al mercado.
0
5
10
15
20
25
30
Pregunta 5
PREGUNTA 5
SI NO
Tabla 5 Pregunta N° 5 encuesta aplicada
44
5.1.2 Visita técnica
5.1.2.1 Equipos utilizados y función.
EQUIPO USO.
PINZAS
VOLTIAMPERIMÉTRICAS: Para medir las magnitudes de las
variables que se consideran
relevantes para el análisis del
consumo energético de la unidad
GPS GARMIN GPSMAP 64S : para calcular el punto de
georreferenciación del lugar, con el
fin de determinar la radiación solar
estimada en ese punto (Horas Sol
Pico – HSP);
45
DECAMETRO o METRO: Medición de longitudes
PHANTOM 4 PRO : Para capturar
las imágenes de la cubierta donde
se proyecta la instalación de los
paneles fotovoltaicos.
5.1.3 Recolección de datos.
En las tablas que se muestran a continuación se plasman las medidas realizadas de las
magnitudes de los voltajes y corrientes del sistema trifásico que abastece la unidad. Se
realizaron mediciones tanto del voltaje de fase (R-N, S-N, T-N) como del voltaje de línea (R-
S, R-T, S-T), así como la medición de las corrientes de las diferentes fases; teniendo en cuenta
que el principal albergue de energía eléctrica del recinto es una caja de distribución
subterránea, donde se transmite la energía a través de una división de 4 tableros de
46
distribución que se encuentran instalados en el lugar (dos tableros por nivel, ver figura 1) y
que se deriva de una subestación eléctrica. Nótese que se tomaron los datos de cada tablero de
distribución para calcular la potencia consumida de cada uno para después hallar la potencia
total sumando cada valor de potencia. Es importante recalcar que al hacer las
correspondientes mediciones se estimó un 80 % del consumo energético puesto que no se
tuvo el acceso completo a la totalidad de las instalaciones. Por ello también se hizo el cálculo
del consumo energético a un 100 % del total estimado.
Ilustración 8 Tableros de distribución del primer y segundo
nivel, respectivamente
47
5.1.3.4 Tablas de Mediciones
Tabla 6 Mediciones en tableros.
48
De acuerdo a los valores que se muestran en las tablas, se calculó un consumo total
(100 ) estimado de la unidad cercano a los 15 𝐾𝑊. Tomando este valor como referencia
para hallar la cantidad de paneles solares a emplear en la instalación y teniendo en cuenta
que cada panel es de 330 𝑊 de potencia nominal, se determinó que se requieren alrededor
de 48 paneles solares para la solución.
Consumo de energía total estimado
Potencia nominal del panel solar= # de paneles a emplear en la solución
A través de un dispositivo GPS se logró obtener el punto de georreferencia del
lugar (N04°07.365’ W073°34,579’) como se puede observar en la figura 2. Esto con el
propósito de hacer una estimación de la radiación solar en el lugar donde se instalará la
solución fotovoltaica para obtener el mejor aprovechamiento posible de la energía solar.
Ilustración 9 Punto
geográfico de la unidad.
49
Con el apoyo de instrumentos de medición de longitud y un dron PHANTOM 4 PRO se
establecieron la distancia desde caja de distribución principal hasta la cubierta para determinar
las medidas de las acometidas y el área de la cubierta para conocer cómo serán distribuidos los
paneles solares sobre su superficie.
Se logró definir que la distancia desde la caja de distribución subterránea hasta la cubierta
corresponde a unos 13 𝑚 (altura del recinto). Así mismo, se fijó que las dimensiones del techado
de cada uno de los cuatro bloques que conforman la unidad son de 10.6 𝑚 x 12.4 𝑚, lo que
equivale a 131.44 𝑚2 de área para cada bloque; y resultando un área total de 525.76 𝑚2
(excluyendo el área de la plancha que se encuentra ubicada en el centro del recinto como se
apreciará más adelante en las evidencias fotográficas que se anexaron al presente informe) para
toda la cubierta del recinto.
Teniendo en cuenta que los paneles solares se instalarán de manera que permanezcan orientados
hacia el Sur, puesto que, según las coordenadas geográficas, Villavicencio se encuentra ubicado
en el hemisferio Norte; solo se hará uso de una parte del techado de cada uno de los bloques que
componen la unidad, requiriendo que solamente se disponga de un área de 65.72 𝑚2 por bloque,
contando así con un área total de 262.88 𝑚2 para los cuatro bloques. Haciendo mención a este
último valor de área como referencia para determinar la distribución en la que serán instalados
los paneles a utilizar en el proyecto y considerando que cada panel de 330 𝑊 cuenta con unas
dimensiones de 1 𝑚 x 2 𝑚, equivalente a un área de 2 𝑚2; se prevé que el área y espacio del
techado son óptimos y esenciales para la colocación de los paneles solares requeridos en la
solución, puesto que es admisible dividir los 48 módulos fotovoltaicos (con el fin de obtener una
50
mejor distribución y producción) que se precisan en la instalación en arreglos de 11-12 paneles
para cada uno de los 4 bloques que conforman el complejo.
A continuación, se evidencian los registros fotográficos del sistema de techado que se
capturaron a través del dron desde distintos ángulos, para de esta forma, dar un criterio
técnico de la forma y estructura para el soporte de los paneles.
Ilustración 10 Georreferencia para ubicación de panales
Ilustración 11 Georreferencia para ubicación de panales
51
Ilustración 12 Georreferencia para ubicación de panales
Ilustración 13 Georreferencia para ubicación de
panales
52
En el siguiente cuadro se pueden observar algunos datos importantes que se obtuvieron a partir de
medidas, cálculos, apreciaciones y estimaciones realizadas en la unidad; esenciales para tener en
cuenta en el diseño, estudio, análisis e instalación de la solución fotovoltaica.
Tabla 7 Consideraciones de diseño
Con base en la necesidad energética que demanda el presente proyecto fotovoltaico según
el análisis y estudio de los datos recolectados, se acordó el siguiente presupuesto para valorar el
costo total de la solución fotovoltaica; donde es importante recalcar que el valor del transporte en
cuanto a los materiales y equipos no se encuentra estipulado en la cotización, el cual sería un ítem
a acordar con el cliente
Potencia Nominal del panel solar (W) 330
Cantidad de paneles solares a usar en el
SFV 48
Hora Solar Pico Promedio Estimada
(Hrs) 5
Consumo de energía mensual (KWh) 2178,99
53
5.1.3.5 Presupuesto de implementación Panales Solar
A partir del presupuesto anteriormente expuesto, datos recolectados y de
consideraciones y estimaciones realizadas; se presenta el siguiente cuadro donde se aprecian
parámetros como el precio por KWh consumido y el consumo y la producción de energía;
necesarios para determinar el cálculo del ahorro tanto energético como económico y el tiempo
de recuperación de la inversión del sistema fotovoltaico
Tabla 8 Presupuesto para la implementación
54
5.1.3.6 Calculo de ahorro en la implementación.
Cálculo Ahorro con Sistema Fotovoltaico
Precio KWh ($) $ 512,62
Consumo de energía promedio al mes (KWh) 2178,99
Producción de energía promedio al mes (KWh) 2376
Costo promedio mensual de energía ($) $ 1.116.992,80
Ahorro mensual con el Sistema Fotovoltaico ($) $ 1.217.985,12
Ahorro anual con el Sistema Fotovoltaico ($) $ 14.615.821,44
Porcentaje de ahorro del Sistema Fotovoltaico
(%) 109,04%
Costo total del Sistema Fotovoltaico con IVA ($) $ 110.724.287,80
Tiempo de Recuperación de la Inversión (Años) 7,58
Costo total del Sistema Fotovoltaico con AIU ($) $ 107.886.396,39
Tiempo de Recuperación de la Inversión (Años) 7,38
Tabla 9 Calculo de ahorro debido a la implementación de paneles solares
55
6. Impacto
Costo de instalación
La implementación e instalación del sistema solar fotovoltaico con paneles solares
tiene altos costos, debido a la baja comercialización de estos sistemas alternativos en el país.
Aun siendo un alto costo la instalación del sistema, se empieza a recuperar la inversión
bajando los costos del consumo de energía eléctrica de la vivienda.
Residuos del sistema
Uno de los mayores impactos ambientales se produce a largo plazo, es decir, cuando el
sistema cumple con la vida útil y requiere la desinstalación de sus compontes; los paneles se
convierten en basura contaminante que contiene componentes peligrosos para la salud de las
personas. Estos residuos deben ser reutilizados en nuevos productos, disminuyendo la
intensidad contaminante.
Clima
La generación de energía eléctrica generada debido a luz solar no necesita de ningún
tipo de combustión, así evitando generar polución térmica ni emisiones de Dióxido de
Carbono aumentando las posibilidades de que se produzca el afecto invernadero.
56
Geología
Las células fotovoltaicas se fabrican con silicio, elemento obtenido de la arena,
muy abundante en la Naturaleza y del que no se requieren cantidades significativas. Por
lo tanto, en la fabricación de los paneles fotovoltaicos no se producen alteraciones en las
características litológicas, topográficas o estructurales del terreno.
Suelo
Al no producirse ni contaminantes, ni vertidos, ni movimientos de tierra, la
incidencia sobre las características fisico-químicas del suelo o su erosionabilidad es nula.
Aguas superficiales y subterráneas
No se produce alteración de los acuíferos o de las aguas superficiales ni por
consumo, ni por contaminación por residuos o vertidos.
Flora y fauna
la repercusión sobre la vegetación es nula, y, al eliminarse los tendidos eléctricos,
se evitan los posibles efectos perjudiciales para las aves.
Paisaje
Los paneles solares tienen distintas posibilidades de integración, lo que hace que
sean un elemento fácil de integrar y armonizar en diferentes tipos de estructuras,
57
minimizando su impacto visual. Además, al tratarse de sistemas autónomos, no se altera
el paisaje con postes y líneas eléctricas.
Ruidos
El sistema fotovoltaico es absolutamente silencioso, lo que representa una clara
ventaja frente a los generadores de motor en viviendas aisladas.
Medio social
El suelo necesario para instalar un sistema fotovoltaico de dimensión media, no
representa una cantidad significativa como para producir un grave impacto. Además, en
gran parte de los casos, se pueden integrar en los tejados de las viviendas.
Por otra parte, la energía solar fotovoltaica representa la mejor solución para
aquellos lugares a los que se quiere dotar de energía eléctrica preservando las condiciones
del entorno; como es el caso por ejemplo de los Espacios Naturales Protegidos.
58
7. Conclusiones
La implementación de un sistema de energía alternativa innovadoras, amigables
con el medio ambiente, poniendo como ejemplo la Policía de nuestro país, puede ser
oportunidad al cambio en el resto de la ciudadanía ya que es una solución para el ahorro
energético y un desarrollo sostenible de una población.
En este proyecto se determinan los impactos que genera la implementación de un
sistema solar fotovoltaico en una vivienda de una entidad pública como lo es la Policía
Nacional en este caso la Metropolitana en el municipio de Villavicencio. La puesta en
marcha del sistema solar fotovoltaico tiene un alto costo económico, que a largo plazo se
recuperara la inversión ya que se disminuiría el consumo de energía eléctrica
convencional y se mitigaría los daños ambientales producidos por el uso de esta al
planeta.
La implementación de estos sistemas a zonas rurales sería una alternativa que
favorecería a la sociedad la cual tiene problemas con la prestación del servicio de energía
por los constantes apagones y bajos voltajes en las viviendas. disminuiría la problemática
que se presenta por el mal servicio y se contribuiría a tener una energía amigable y limpia
con el medio ambiente.
59
8. Recomendaciones
Al momento de implementar el sistema alternativo fotovoltaico, se debe realizar:
Inspección de la cubierta donde se va a instalar los paneles solares a utilizar para el
sistema solar fotovoltaico, que esta cuente con las condiciones necesarias para la instalación
(si es de una estructura ya existente), limpia y libre de sombras como (árboles, postes,
viviendas de dos o más niveles, entre otros obstáculos que impidan la incidencia directa de la
luz sobre el panel solar).
Recalcular la estimación de cargas, determinando el consumo actual del casino,
verificando si se deben implementar más paneles solares para cumplir la demanda actual de
esta.
Periódicamente ejecutar los mantenimientos preventivos a los diferentes
componentes del sistema solar fotovoltaico para su correcto funcionamiento y durabilidad.
60
9. Referencias
.
(Castellon), S., & Ceramicos, A. E. (2004). Tecnología cerámica aplicada, Volumen 1. Faenza
Editrice Ibérica, 2004, 872. Obtenido de ISBN 8487683282
Hector Alfonso Rodriguez Diaz. (2017). Escuela Colombia de Ingenieria .
9.1 Bibliografía
Abella Miguel. (2001) Sistemas Fotovoltaicos. Introducción al diseño y dimensionado. Editorial
SATP de publicaciones técnicas. Sitio web:
http://api.eoi.es/api_v1_dev.php/fedora/asset/eoi:45337/componente45335.pdf
Miranda Millaray. (2016) Diseño de sistema de generación fotovoltaica para viviendas
conectadas a la red de distribución. Universidad de Chile. Sitio web:
http://repositorio.uchile.cl/bitstream/handle/2250/141781/Diseno-de-sistema-de-generacion-
fotovoltaica-para-viviendas-conectadas-a-la-red-de-distribucion-en-el-contexto.pdf?sequence=1
Gutiérrez Max. (2002) Manuel de instalación y mantenimiento de sistemas solares fotovoltaicos.
Sitio web:
http://www.kerwa.ucr.ac.cr/bitstream/handle/10669/11163/Manual%20de%20instalacion%20sist
emas%20fotovoltaicos.pdf?sequence=1&isAllowed=y
61
Rodríguez Juan. Energía Solar Fotovoltaica. Universidad de Sevilla. Sitio web:
http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/70158/fichero/C2+Energia+solar+fotovoltaica.pdf
Gómez J. & Murcia J. & Cabeza I. (2018) La energía solar fotovoltaica en Colombia:
Potenciales, antecedentes y perspectivas. Universidad Santo Tomás. Sitio web:
https://repository.usta.edu.co/bitstream/handle/11634/103012/Gómez2018.pdf?sequence=1&isAl
lowed=y
62
ANEXOS
Ilustración 14 Encuesta elaborada.