Diseño, construcción y operación de la microrred solar fotovoltaica para automatización de una planta compacta de potabilización de agua en zonas no interconectadas.

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Proporcionar acceso al agua y la energía impacta profundamente una comunidad en términos de mejora de la calidad de vida, la educación y el medio ambiente. El presente trabajo de investigación demuestra el diseño, la construcción y operación de una microrred solar fotovoltaica -FV- para suplir requerimientos energéticos de una planta compacta de bajo costo para la purificación del agua en Barichara (Santander). La viabilidad de la planta se calcula por las variaciones en la demanda de agua, y el consumo de energía de la planta en una escala de tiempo de 1 año. Se encuentra que una radiación media de 5,34 kwh/m2/d es suficiente para satisfacer la demanda de energía de la planta de tratamiento de agua fuera de la red para cubrir las necesidades de agua de un pequeño grupo de personas en un período de un año; estos resultados permiten dilucidar la viabilidad y fiabilidad del desarrollo de sistemas así o más complejos en áreas que no están conectados al sistema nacional de suministro de electricidad en Colombia.

Maestría

Magister en Sistemas Energéticos Avanzados

RESUMEN ............................................................................................................... 7 1. INTRODUCCIÓN. ............................................................................................. 8 2. FORMULACIÓN/DECLARACIÓN DEL PROBLEMA..................................... 10 3. ANTECEDENTES, MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL. ............................ 12 3.1 ANTECEDENTES ..............................................................................................................12 3.2 MARCO TEÓRICO .............................................................................................................15 3.2.1 Teoría solar fotovoltaica .............................................................................................15 3.3 MARCO CONCEPTUAL ....................................................................................................18 3.3.1 Energía .......................................................................................................................18 3.3.2 Regulador de carga ....................................................................................................20 3.3.3 Diseño ........................................................................................................................21 3.3.4 Instalación fotovoltaica aislada de red .......................................................................21 3.3.5 Células y paneles fotovoltaicos ..................................................................................21 3.3.6 Generador fotovoltaico ...............................................................................................22 3.3.7 Acumulador o batería .................................................................................................22 3.3.8 Baterías de plomo - ácido de electrolito liquido .........................................................22 3.3.9 Baterías selladas ........................................................................................................23 3.3.10 Inversor ......................................................................................................................24 3.3.11 Células solares comerciales ......................................................................................24 3.3.12 Sistemas y automatización ........................................................................................26 3.3.13 PLC ............................................................................................................................27 3.3.14 Planta compacta de potabilización de agua ..............................................................27 3.3.15 Zonas no interconectadas ..........................................................................................27 3.4 SITUACIÓN ACTUAL ...............................................................................................................27 4. MOTIVACIÓN Y JUSTIFICACIÓN. ................................................................. 29 5. OBJETIVOS. ................................................................................................... 30 5.1 OBJETIVO GENERAL .......................................................................................................30 5.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..............................................................................................30 6. RESULTADOS Y PRODUCTOS. ................................................................... 31 6.1 IMPACTOS .........................................................................................................................31 6.1.1 Impactos científicos y tecnológicos de la tesis ..........................................................31 6.1.2 Impactos sobre la productividad y competitividad del sector productivo de la región o el país 32 6.1.3 Impactos sobre el medio ambiente y la sociedad ......................................................33 7. METODOLOGÍA Y PLAN DE TRABAJO. ...................................................... 34 7.1 FASES DE INVESTIGACIÓN .....................................................................................................34 7.2 CRONOGRAMA .................................................................................................................36 7.3 RECURSOS Y PRESUPUESTO ........................................................................................37 8. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. ...................................................................... 38 8.1 MICRORRED PROYECTADA PARA BARICHARA ...........................................................38 8.1.1 Generador FV .............................................................................................................38 8.1.2 Controlador de carga .................................................................................................39 Inversor DC/AC ..........................................................................................................................41 8.1.3 Acumulador ................................................................................................................41 8.1.4 Sección de cable ........................................................................................................41 8.2 CARACTERIZACIÓN ENERGÉTICA DE LA PTAP ...........................................................41 8.3 MONTAJE .............................................................................................................................45 8.4 PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE ..........................................................47 8.4.1 Válvula solenoide .......................................................................................................49 8.4.2 Cono de Mezcla. ........................................................................................................50 8.4.3 Floculador ...................................................................................................................51 8.4.4 Sedimentador. ............................................................................................................51 8.4.5 Filtro rápido ................................................................................................................52 8.4.6 Tanques para almacenamiento de químicos. ............................................................53 8.4.7 Sensor de nivel del tanque de almacenamiento de agua potable. ............................53 8.4.8 Tablero de control ......................................................................................................54 8.5 ESCENARIO RADIACIÓN Y DEMANDA ENERGÉTICA BARICHARA .............................55 8.5.1 Demanda Energética PTAP .......................................................................................57 8.6 CAPACIDAD DE LA PLANTA ............................................................................................63 8.7 DISEÑO DE LA MICRORRED BARICHARA, METODOLOGÍA PARA SISTEMAS AUTÓNOMOS. ...............................................................................................................................65 8.7.1 Número de paneles: ...................................................................................................66 8.7.2 Acumulador ................................................................................................................67 8.7.3 Controlador de carga .................................................................................................67 8.7.4 Inversor ......................................................................................................................68 8.8 MICROGRID ARCHITECTURE DIAGRAM. ...................................................................................69 8.9 EVALUACIÓN TÉCNICA-FINANCIERA ............................................................................70 9. CONCLUSIONES. .......................................................................................... 74 10. RECOMENDACIONES. ............................................................................... 76 11. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................... 77 ANEXOS ................................................................................................................ 81

Ej. 1