Ingeniería Eléctrica · 2023
Gestión de prefactibilidad y diseño de una microrred eléctrica para una finca productiva del municipio Planadas del departamento del Tolima
El servicio de energía eléctrica es una necesidad de toda la población en general. El servicio de energía es fundamental para el bienestar humano, el desarrollo social y económico de una región. Sin embargo, en Colombia no todas las poblaciones tienen el privilegio de gozar con este servicio. Entre algunas razones se encuentra el difícil acceso diferentes regiones, fluctuaciones climáticas y déficit en la calidad y confiabilidad del suministro de energía. Estas problemáticas aumentan en zonas rurales como el municipio de Planadas, Tolima. Debido a esto, se propuso implementar una metodología para el diseño y dimensionamiento de una microrred eléctrica para una finca productora y exportadora de café ubicada en este municipio. Esto debido a que por sus actividades productivas es necesario tener un suministro permanente de energía que sea eficiente y confiable. Inicialmente se establecieron tres criterios fundamentales a evaluar en el diseño de la microrred eléctrica: confiabilidad, eficiencia e impacto ambiental. Lo anterior, con el objetivo de establecer la solución energética más viable para el cliente. Adicionalmente, se resalta que las alternativas consideradas fueron energías renovables disponibles en la región. Luego de su identificación se estimó su potencial para determinar su factibilidad en la suplencia de las necesidades energéticas del productor. Posteriormente, se realizó el diseño y dimensionamiento de la microrred eléctrica mediante el software Homer PRO, teniendo en cuenta los criterios previamente establecidos. Los resultados de este informe permitieron concluir que la implementación de una microrred compuesta por un sistema de generación hidráulico (MCH) y un sistema solar fotovoltaico (SFV) conectados a una transferencia permitirán suplir la totalidad de la demanda conectada y respaldarán la generación cuando la fuente principal (MCH) no pueda operar por mantenimientos, ausencia de caudal, averías, entre otros.
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1 páginas con «café cambio climático»
Contenido
- Introducciónp. 21
- 1. Objetivosp. 23
- 1.1 Objetivo generalp. 23
- 1.2 Objetivos específicosp. 23
- 2. Marco referencialp. 24
- 2.1 Índice poblacionalp. 25
- 2.2 Índice de industria y comerciop. 26
- 2.3 Índice de producción agrícolap. 26
- 2.4 Índice de producción ganadera y pecuariap. 26
- 2.5 Producción cafeterap. 27
- 3. Descripción de la zona de estudiop. 28
- 3.1 Detalles de la zona de interésp. 28
- 3.2 Fuentes renovables no convencionales disponibles en la zona de interésp. 30
- 3.2.1 Energía solarp. 31
- 3.2.1.1 Insolaciónp. 34
- 3.2.1.2 Irradiaciónp. 34
- 3.2.1.2 Irradianciap. 35
- 3.2.2 Energía eólicap. 36
- 3.2.3 Energía hidráulicap. 39
- 3.2.4 Biomasap. 43
- 3.3 Fuentes de energía no renovablesp. 44
- 4. Cálculo de la demandap. 45
- 4.1 Perfiles de usop. 47
- 4.2 Determinación del consumop. 50
- 4.3 Perfiles de cargap. 51
- 5. Análisis y estudio de alternativas para la generación de energíap. 53
- 5.1 Evaluación de criteriosp. 54
- 5.1.1 Criterio 1: Impacto ambientalp. 54
- 5.1.2 Criterio 2: Confiabilidadp. 56
- 5.1.3 Criterio 3: Eficienciap. 56
- 5.2 Análisis en el software en Homer PROp. 57
- 5.2.1 Selección de parámetrosp. 58
- 5.2.2 Caracterización de la fuente biomasap. 58
- 5.2.3 Caracterización de la fuente solarp. 59
- 5.2.4 Caracterización de la temperaturap. 60
- 5.2.5 Caracterización del vientop. 60
- 5.2.6 Caracterización del recurso hídricop. 61
- 5.3 Estimación del perfil de carga en Homer PROp. 62
- 5.4 Selección de componentes y equipos en Homer PROp. 62
- 5.4.1 Modelo de módulo voltaicop. 62
- 5.4.2 Modelo de bateríasp. 63
- 5.4.3 Modelo inversorp. 64
- 5.4.4 Modelo generador diéselp. 64
- 5.4.5 Modelo biomasap. 65
- 5.4.6 Modelo turbina eólicap. 66
- 5.4.7 Modelo turbina hidráulicap. 66
- 5.5 Simulación de la MG en Homer PROp. 67
- 5.6 Análisis de los resultados obtenidos en Homer PROp. 68
- 5.6.1 Criterio 1: Impacto ambientalp. 54
- 5.6.2 Criterio 2: Confiabilidadp. 56
- 5.6.3 Criterio 3: Eficienciap. 56
- 5.7 Combinaciones y posibles soluciones en Homer PROp. 76
- 5.7.1 MCH con redundancia en filtro y SFVp. 76
- 5.7.1.1 SFV sin bateríasp. 76
- 5.7.1.2 SFV con bateríasp. 76
- 5.7.2 MCH con redundancia en turbinas y SFVp. 77
- 5.7.3 MCH y SFVp. 77
- 6. Diseño del sistema hidráulicop. 79
- 6.1 Descripción de los componentes y su funcionamientop. 80
- 6.2 Bases para el diseño de una central micro eléctricap. 81
- 6.3 Determinación del caudalp. 82
- 6.4 Elaboración de la curva de duración de los caudalesp. 82
- 6.5 Caudal ecológico o reservadop. 84
- 6.6 Altura neta del saltop. 85
- 6.7 Duración de potenciap. 85
- 6.8 Disponibilidad por mantenimientop. 88
- 6.8.1 Disponibilidad por agua turbiap. 88
- 6.9 Determinación de equiposp. 89
- 6.9.1 Cálculo de captación de aguap. 89
- 6.9.2 Cálculo de la rugosidad relativap. 91
- 6.9.3 Cálculo de tuberíasp. 91
- 6.9.4 Cálculo de tipo de flujop. 92
- 6.9.4.1 Número de Reynoldsp. 93
- 6.9.4.2 Coeficiente de fricción (λ)p. 93
- 6.9.5 Determinación de pérdidasp. 94
- 6.9.5.1 Pérdidas de carga por fricciónp. 94
- 6.9.5.2 Pérdidas de carga por tuberíap. 94
- 6.9.5.3 Cálculo de la velocidad en la tuberíap. 96
- 6.9.5.4 Cálculo de altura y potencia netap. 97
- 6.9.6 Diseño y selección de la turbinap. 99
- 6.9.6.1 Velocidad específicap. 99
- 6.9.7 Dimensionamiento de la turbina Francisp. 101
- 6.9.7.1 Tamaño del rodetep. 101
- 6.9.7.2 Tamaño de la carcasa o caracolp. 105
- 6.9.7.3 Tamaño del tubo de aspiraciónp. 106
- 6.9.8 Selección del generadorp. 107
- 7. Diseño solar fotovoltaicop. 109
- 7.1 Descripción de los componentes y su funcionamientop. 80
- 7.1.1 Generador fotovoltaico (paneles)p. 110
- 7.1.2 Regulador de cargap. 110
- 7.1.3 Inversoresp. 110
- 7.1.4 Proteccionesp. 110
- 7.1.4.1 Dispositivos de sobretensiónp. 111
- 7.1.4.2 Sistemas de puesta a tierrap. 111
- 7.2 Dimensionamiento del sistema fotovoltaicop. 111
- 7.2.1 Caracterización y dimensionamiento de componentesp. 111
- 7.2.2 Orientación e inclinación óptimap. 112
- 7.2.3 Dimensionamiento del panel solarp. 112
- 7.2.4 Dimensionamiento del banco de bateríasp. 113
- 7.2.5 Dimensionamiento del reguladorp. 115
- 7.2.6 Dimensionamiento del inversorp. 116
- 7.2.7 Análisis gráficop. 116
- 7.3 Selección de fichas técnicas de los equiposp. 118
- 7.3.1 Panel solarp. 118
- 7.3.2 Bateríasp. 119
- 8. Resumen general Sistemas de Generaciónp. 120
- 9. Memoria RETIEp. 121
- 10. Análisis en Power Worldp. 121
- 11. Conclusionesp. 122
- Referencias bibliográficasp. 124
- Apéndicesp. 126
- Tabla 1 Indicador de población en Planadas, Tolimap. 25
- Tabla 2 Producción agrícola del municipio de Planadas, Tolimap. 26
- Tabla 3 Estructura de la población animal en el municipio de Planadas, Tolimap. 27
- Tabla 4 Incidencia solar en el departamento del Tolimap. 34
- Tabla 5 Potencia y factor de potencia de las cargas existentes en la zona residencialp. 46
- Tabla 6 Potencia y factor de potencia de las cargas existentes en la zona comercialp. 46
- Tabla 7 Potencia y factor de potencia de las cargas existentes en la zona industrialp. 46
- Tabla 8 Perfil de uso en la zona residencialp. 48
- Tabla 9 Perfil de uso en la zona comercialp. 48
- Tabla 10 Perfil de uso en la zona industrialp. 49
- Tabla 11 Consumo diario de las cargas para la zona residencialp. 50
- Tabla 12 Consumo diario de las cargas para la zona comercialp. 50
- Tabla 13 Consumo diario de las cargas para la zona industrialp. 51
- Tabla 14 Análisis de los parámetros de impacto ambientalp. 72
- Tabla 15 Resultados de la evaluación de los parámetros de impacto ambientalp. 72
- Tabla 16 Aproximación de costos significativosp. 78
- Tabla 17 Costos de las configuraciones propuestasp. 78
- Tabla 18 Análisis de confiabilidad y operación de las configuraciones propuestasp. 79
- Tabla 19 Porcentajes de duración de los caudalesp. 84
- Tabla 20 Cálculo de energía y potencia a partir del caudalp. 86
- Tabla 21 Selección de turbina según velocidad específicap. 100
- Tabla 22 Valores de las dimensiones de la carcasa de la turbina Francisp. 105
- Tabla 23 Valores de las dimensiones del tubo de aspiración de la turbina Francisp. 106
- Tabla 24 Datos generales del generador seleccionadop. 108
- Tabla 25 Periodos de diseñop. 112
- Tabla 26 Resumen del análisis y dimensionamiento de los Sistemas de Generaciónp. 121
- Tabla 27 Factores de potencia según la cargap. 147
- Tabla 28 Medidas tomadas para el cálculo de la resistividad del materialp. 157
- Tabla 29 Parámetros para el cálculo de la malla de puesta a tierrap. 158
- Tabla 30 Selección del parámetro Kfp. 160
- Tabla 31 Selección del calibre del conductorp. 161
- resistividades de materialesp. 161
- Tabla 33 Cálculo de tensiones de paso y toque (Ep-50, Et-50)p. 162
- Tabla 34 Evaluación de la resistencia de la puesta a tierra (Rg)p. 163
- Tabla 35 Selección de la impedancia Zeqp. 164
- Tabla 36 Cálculo del factor de elevación del potencial de tierra GPRp. 164
- Tabla 37 Fórmulas para el cálculo del número de conductores paralelos de una mallap. 165
- Tabla 39 Comparación entre las tensiones de paso y de toquep. 167
- Tabla 40 Cálculo de las tensiones base del sistemap. 168
- Tabla 41 Cálculo de Urpp. 169
- Tabla 42 Condiciones para la selección del factor de deslastre (Kd)p. 170
- Tabla 43 Análisis de sobretensión de rechazo de cargap. 170
- Tabla 44 Selección del Urpp. 170
- Tabla 45 Selección y cálculo de Ue2p. 172
- Tabla 46 Selección del Up2p. 172
- Tabla 47 Análisis de tensión de truncamientop. 173
- Tabla 48 Cálculo del COV, TOV y tensiones residualesp. 173
- Tabla 49 Selección del Ups y Uplp. 174
- Tabla 50 Comparación de resultadosp. 174
- Tabla 51 Selección del factor Kcd y cálculo del Ucw para la entradap. 175
- Tabla 53 Selección de parámetros y cálculo de Ucwp. 176
- Tabla 54 Análisis de la tensión Ucw por aislamiento externop. 177
- Tabla 55 Cálculo de las sobretensiones Urw por soporte de frecuencia de potenciap. 177
- Tabla 56 Cálculo de las sobretensiones Urw por resistencia al impulso de conmutaciónp. 178
- Tabla 57 Cálculo de las sobretensiones Urw por resistencia al impulso del rayop. 179
- Tabla 58 Conversión de tensiones a tensiones normalizadasp. 179
- Tabla 59 Cálculo de canalizacionesp. 181
- generalp. 188
- electricidadp. 185
- Tabla 62 Matriz de riesgos por electrocución por rayos para el proyecto en generalp. 186
- Tabla 63 Parámetros seleccionados en la matriz de riesgo por electrocución por rayosp. 186
- tableros en generalp. 187
- técnicos en generalp. 188
- cuartos técnicos en generalp. 188
- técnicos en generalp. 188
- cuartos técnicos en generalp. 189
- técnicos en generalp. 188
- cuartos técnicos en generalp. 191
- Figura 1 Imagen satelital de la zona de estudiop. 28
- Figura 2 Gráfico del espectro electromagnéticop. 31
- Figura 3 Mapa de radiación solarp. 32
- Figura 4 Gráfica de radiación solar en el departamento del Tolimap. 33
- Figura 5 Gráfica de brillo solar en el departamento del Tolimap. 33
- Figura 6 Irradiación solar en el municipio de Planadas, Tolimap. 35
- Figura 7 Irradiancia solar en el departamento del Tolimap. 35
- Figura 8 Distribución de Weibullp. 37
- Figura 9 Desviación estándar de Weibullp. 38
- Figura 10 Velocidad del viento en Colombia (m/s)p. 38
- Figura 11 Esquema didáctico de una central hidroeléctricap. 39
- Figura 12 Mapa del potencial hídrico en Colombiap. 40
- Figura 13 Mapa del promedio de lluvias anuales en Colombiap. 41
- Figura 14 Días promedio con lluvia en Ibagué, Tolimap. 42
- Figura 15 Precipitaciones promedio en Planadas, Tolimap. 42
- Figura 16 Mapa de precipitación promedio en el departamento del Tolimap. 43
- Figura 17 Fotografía de la zona estudiop. 45
- Figura 18 Perfil de carga de la zona residencialp. 52
- Figura 19 Perfil de carga de la zona comercialp. 52
- Figura 20 Perfil de carga de la zona industrialp. 53