INTRODUCCIÓN
El
hombre desde que descubrió la energía eléctrica, ha ido evolucionando el mundo
a pasos agigantados, pero, esto le ha costado que los recursos naturales
disminuyeran incluso contaminado parte de su entorno. Gracias a los nuevos
descubrimientos y avances tecnológicos podemos tomar energía que nos brinda el
sol, el agua y el viento, estas clases de energías naturales son recursos
inagotables que no causan ningún impacto negativo o contaminación del
ecosistema.
En
Ecuador las instalaciones fotovoltaicas más representativas son las realizadas
en base a las Regulaciones 004/11 y 009/08 (despacho preferente y precios
especiales, respectivamente) del CONELEC. Estas instalaciones se refieren a
proyectos conectados a la red eléctrica (Peláez & Espinoza, 2015).
Adicionalmente, es importante destacar las instalaciones en la provincia
insular de Galápagos, a través del programa Cero Combustible Fósiles en
Galápagos impulsado por el Estado ecuatoriano. En dicha provincia se
desarrollan los proyectos fotovoltaicos: Isla Baltra (200 kilovatios pico -
kWp) y Puerto Ayora 1,5 Megavatios Pico (MWp). También se destaca el proyecto
híbrido Isabela que considera una planta térmica a biodiesel de 1,2 (MWp) y una
solar fotovoltaica de 1,5 (MWp) (MEER, 2016).
Según
los datos estadísticos del Consejo Nacional de Electricidad del Ecuador –
CONELEC, actualmente a nivel de micro-redes se tienen instalaciones
fotovoltaicas en Galápagos: Isabela (sistemas aislados 0,01 MW), Santa Cruz
(sistemas aislados 0,01 MW), Floreana (sistemas aislados 0,01 MW), San
Cristóbal (sistemas aislados 0,01 MW); en Morona Santiago: Huamboya (0,37 MW).
Este
proyecto pretende la construcción de un cerco eléctrico aprovechando la energía
solar, para brindar seguridad a la cabaña de la Universidad Técnica De Cotopaxi
con base a los estudios realizados en diferentes literaturas, donde se
manejarán cálculos para el respectivo diseño, hasta su implementación, logrando
así captar toda la energía solar para transformarlo en energía eléctrica para
satisfacer energéticamente la implementación del cerco eléctrico.
El
proyecto busca el mejor aprovechamiento de la energía solar, permitiendo que
sea utilizada para implementar cercas eléctricas para la protección y seguridad
de un bien, como alternativa podemos ahorrar costos y consumo excesivo de
energía eléctrica, con la ayuda de paneles fotovoltaicos es posible optimizar
estos riesgos con la facilidad de implementación en cualquier punto del país.
La
razón para implementar este proyecto, es porque en el Centro Experimental La
Playita perteneciente a la Universidad Técnica de Cotopaxi Extensión La Maná se
diseñó e implementó una cerca electrificada controlada por un microprocesador,
que cumplió las necesidades de protección dentro de los predios de la
institución en caso de intento de hurto. Además, esto ayudó a poner en práctica
los conocimientos teóricos y prácticos obtenidos dentro de la Universidad.
Por
lo tanto, en el presente proyecto se implementará un cerco eléctrico para
brindar seguridad en las cabañas de la Universidad Técnica de Cotopaxi
Extensión La Maná, se instalará un cercado eléctrico residencial para brindar
una cómoda seguridad sin comprometer la estética del área, para lo cual se
diseñará una estructura óptima para evitar el consumo de energía de la
institución. El sistema estará conectada a una batería que recibe energía a
través de un panel fotovoltaico de 100 watts, y el cerco estará estructurado
para brindar un voltaje máximo de 14 kilovoltios (kV) y una salida nominal de
9kV a 11kV, esto aborda la necesidad de protección contra intentos de robo en
el lugar de implementación.
MATERIAL Y
MÉTODOS
El efecto fotovoltaico fue descubierto por el francés Alexandre
Edmond Bequerel en 1838 cuando tenía sólo 19 años. Bequerel estaba
experimentando con una pila electrolítica con electrodos de platino cuando
comprobó que la corriente subía en uno de los electrodos cuando este se exponía
al sol. El siguiente paso se dio en 1873 cuando el ingeniero eléctrico inglés
Willoughby Smith descubre el efecto fotovoltaico en sólidos. En este caso sobre
el Selenio (Soto, 2014).
Pocos años más tarde, en 1877, El inglés William Grylls Adams
profesor de Filosofía Natural en la King College de Londres, junto con su
alumno Richard Evans Day, crearon la primera célula fotovoltaica de selenio.
Si bien en todos estos descubrimientos la cantidad de electricidad que se
obtenía era muy reducida y quedaba descartada cualquier aplicación práctica, se
demostraba la posibilidad de transformar la luz solar en electricidad por medio
de elementos sólidos sin partes móviles (Soto, 2014).
En 1883, Charles Fritts hizo las primeras celdas solares (basado en
el trabajo de Willoughby Smith mediante la flexibilidad del selenio a la luz),
las láminas de selenio estaban cubiertas con una fina capa de oro; sensor de
luz para usar como cámara; menciona que tiene 1% de eficiencia; Fritts envió
sus celdas a Werner VonSiemens, quien las mostró a la Real Academia Prusiana,
donde mostró evidencia de que la energía lumínica se convierte directamente en
Electricidad (Trespalacios, 2015).
En 1887, Heinrich Hertz demostró que un arco formado entre dos
electrodos conectado a un alto voltaje tenía un valor mayor cuando se irradiaba
con luz ultravioleta que cuando se dejaba en la oscuridad (Trespalacios, 2015).
En 1891, Alexander Stoletov el físico ruso construyó la primera
celda fotovoltaica basada por Hertz en el efecto fotoeléctrico descubierto.
En 1905, Albert Einstein propuso una nueva teoría cuántica de la luz
y explicó el efecto fotoeléctrico, al descubrir que cuando la luz violeta
(fotones de alta frecuencia) se usa para arrancar electrones de los metales y
generar una corriente eléctrica, ganó con esta investigación elpremio nobel.
Premio de Física en 1921.
En 1946, Russel Ohl el ingeniero estadounidense patentó la primera
célula solar de silicio moderna.
En 1953, en Bell Labs, Gerald Pearson, Daryl Chaplin y Calvin Fuller
crearon las primeras celdas solares prácticas con una eficiencia del 6%; su
experiencia en Washington, EE. UU. Presentado en una reunión de la Academia
Nacional de Ciencias, donde realizó una producción de radio.; la noticia fue registrada
por los medios de comunicación, que aseguraban estar alimentados por celdas
solares de Bell (Puig & Jofra, 2007).
Con estas, las celdas fotovoltaicas avances comenzaron a
industrializarse; la primera fue Western Electric, quien la usó en líneas telefónicas
en zonas rurales de Georgia, EE. UU.; en 1955, National Fabricated Product
compró la patente para hacer baterías más eficientes; En 1956, Hoffman
Electrónica creó la primera empresa en fabricar y comercializar paneles
fotovoltaicos, introduciéndolos a diferentes aplicaciones, principalmente en
lugares sin red eléctrica. (Puig & Jofra, 2007).
8.1.2 Producción de energía solar fotovoltaica en el mundo
La oferta mundial de energía pasó de 6.642 millones de toneladas
equivalentes de petróleo (TEP) en 1980, a 10 939 millones de TEP en el 2005; a
12 170 millones de TEP en el 2010; y, a 13 105 millones de TEP en el 2015; con
una tasa media anual de crecimiento del 1,8 %, en el último decenio
(2005-2015). La matriz de energía mundial, en este periodo de 35 años, no
presentó modificaciones estructurales significativas en lo que se refiere a la
utilización de fuentes primarias de energía (Muñoz-Vizhñay, Rojas-Moncayo,
& Barreto-Calle, 2018). De esta manera, es imprescindible considerar
nuevas fuentes de energías primarias menos contaminantes como el caso del gas
natural y las energías renovables. En este ámbito la energía solar fotovoltaica
ha tenido en los últimos años el mayor crecimiento entre las energías
renovables (Muñoz-Vizhñay, Rojas-Moncayo, & Barreto-Calle, 2018).
La energía solar fotovoltaica (ESFV) es una fuente energía
renovable, que puede ser utilizada para generar electricidad mediante el uso de
paneles. Solar Fotovoltaica (PSFV) que convierte la radiación solar convierte
la energía solar en electricidad, haciéndola adecuada para una variedad de
actividades de la vida (Arencibia, 2016).
Los sistemas solares globales generaron 85 TWh en 2011, suficiente
para satisfacer las necesidades de 100 millones de personas, con Europa a la
cabeza con 51 GW de capacidad instalada, seguida de Japón (5 GW), EE. UU. (4,4
GW) y China (3,1 GW). . En Europa, España lidera el camino (Arencibia, 2016).
Dado que la potencia que genera una celda solar es pequeña, lo que
se hace es conectar varias entre sí para aumentar el voltaje o la corriente.
Generalmente se fabrican para producir voltajes de 12 o 24 volts de corriente
directa. A un conjunto de varias celdas conectadas entre sí se le llama panel o
módulo fotovoltaico (Arancibia, Best, & Brown, 2010).
Usando módulos solares respaldados con baterías es posible dar
energía a una gran variedad de aplicaciones aisladas, como telefonía rural,
antenas de telecomunicaciones, boyas marítimas, televisión educativa rural,
estaciones meteorológicas remotas, bombeo de agua rural, señalizaciones en
carreteras y otras. En los primeros años de la tecnología fotovoltaica estas
aplicaciones fueron las que más crecieron. Sin embargo, hoy las aplicaciones
que más están creciendo son las de suministro de electricidad a casas o
edificios de oficinas ubicados en ciudades (Arancibia, Best, & Brown,
2010).
En Ecuador las instalaciones fotovoltaicas más representativas son
las realizadas en base a las Regulaciones 004/11 y 009/08 (despacho preferente
y precios especiales, respectivamente) del CONELEC. Estas instalaciones se
refieren a proyectos conectados a la red eléctrica (Peláez & Espinoza,
2015). Adicionalmente, es importante destacar las instalaciones en la
provincia insular de Galápagos, a través del programa Cero Combustible Fósiles
en Galápagos impulsado por el Estado ecuatoriano. En dicha provincia se
desarrollan los proyectos fotovoltaicos: Isla Baltra (200 kilovatios pico -
kWp) y Puerto Ayora 1,5 Megavatios Pico (MWp). También se destaca el proyecto
híbrido Isabela que considera una planta térmica a biodiesel de 1,2 (MWp) y una
solar fotovoltaica de 1,5 (MWp) (MEER, 2016).
Según los datos estadísticos del Consejo Nacional de Electricidad
del Ecuador – CONELEC, actualmente a nivel de micro-redes se tienen
instalaciones fotovoltaicas en Galápagos: Isabela (sistemas aislados 0,01 MW),
Santa Cruz (sistemas aislados 0,01 MW), Floreana (sistemas aislados 0,01 MW),
San Cristóbal (sistemas aislados 0,01 MW); en Morona Santiago: Huamboya (0,37
MW).
En cuanto a instalaciones individuales para zonas aisladas, el
trabajo realizado por la Empresa Eléctrica Regional Centro Sur C. A., en su
área de concesión en la provincia de Morona Santiago alcanza una potencia
instalada de 0,45 MW, que corresponde a 3000 sistemas fotovoltaicos asilados
residenciales - SFVAR de 150 Wp cada uno (Peláez & Espinoza, 2015).
Procedimiento. Los cercos solares son
una alternativa importante para los productores por sus múltiples beneficios.
El primero de ellos es utilizar un recurso que está disponible gratuitamente
para todos: la luz solar. De esta forma, los productores pueden ahorrar en las
cuotas mensuales que deben pagar si cuentan con un cerco que se alimenta de la
red municipal (Contexto ganadero, 2015).
Algunos documentos realizados acerca de cercas eléctricas
alimentadas con energía fotovoltaica, afirman que los resultados han sido
favorables para el control de animales vacunos en lugares remotos donde no hay
acceso a la red eléctrica, los autores (Castellano & Vargas, 2021),
menciona en su proyecto que gracias a la implementación de paneles solares de
silícico han logrado tener una potencia por día de 40W considerando que la zona
de Pílalo, tiene muy poca hora de radiación solar.
Radiación Solar
La radiación solar es la energía electromagnética que surge en los
procesos de fusión del hidrógeno contenido en el Sol. La energía solar que en
un año llega a la Tierra a través de la atmósfera es aproximadamente 1/3 de la
energía total interceptada por la Tierra fuera de la atmósfera de la cual 70%
llega al mar y la energía restante 1.5x1017 Kilovatios horas (kW-h) a tierra
firme (Hernández, 2017).
La irradiación solar que llega al plano terrestre puede ser directa.
La radiación directa cae sobre cualquier superficie en un ángulo de incidencia
única y precisa, mientras que la radiación difusa cae sobre esa superficie en
varios ángulos. Mientras que la radiación inmediata no incide en la superficie
debido a los obstáculos, la zona sombreada no queda completamente oscura debido
al aporte de la radiación difusa (Hernández, 2017).
Materiales.
Multímetro:
Con este instrumento de medición de corrientes podemos comprobar el
voltaje que manda el inversor de corriente al energizador del cerco dando como
valor de 120v en corriente alterna, además de medir el voltaje de la batería
cuando está siendo recargada por el controlador del panel solar.
Amperímetro:
Con este equipo de medición se logra obtener el consumo en amperios
que tiene cada equipo como el energizador y el consumo de la batería alimentando
todo el equipo del cerco electro.
Diseño experimental.
Temperatura en el cantón la Maná
La temporada calurosa dura 2,3 meses, del 5 de agosto al 14 de
octubre, y la temperatura máxima promedio diaria es más de 32 °C. El mes más
cálido del año en La Maná es abril, con una temperatura máxima promedio de 31
°C y mínima de 24 °C (Weather-atlas, 2022).
La temporada fresca dura 3,2 meses, del 19 de enero al 27 de abril,
y la temperatura máxima promedio diaria es menos de 31 °C ver en la figura 1.
El mes más frío del año en La Maná es julio, con una temperatura mínima
promedio de 22 °C y máxima de 32 °C
Recolección de datos. En La Maná, el
promedio del porcentaje del cielo cubierto con nubes varía considerablemente en
el transcurso del año.
La parte más despejada del año en La Maná comienza aproximadamente
el 27 de mayo; dura 4,0 meses y se termina aproximadamente el 28 de septiembre
(Weather-atlas, 2022).
El mes más despejado del año en La Maná es julio, durante el cual en
promedio el cielo está despejado, mayormente despejado o parcialmente nublado
el 51 % del tiempo ver en el gráfico 2 (Weather-atlas, 2022).
La parte más nublada del año comienza aproximadamente el 28 de
septiembre; dura 8,0 meses y se termina aproximadamente el 27 de mayo
(Weather-atlas, 2022).
El mes más nublado del año en La Maná es febrero, durante el cual en
promedio el cielo está nublado o mayormente nublado el 91 % del tiempo
(Weather-atlas, 2022).
La duración del día en La Maná no varía considerablemente durante el
año, solamente varía 10 minutos de las 12 horas en todo el año. En 2022, el día
más corto es el 21 de junio, con 12 horas y 4 minutos de luz natural; el día
más largo es el 21 de diciembre, con 12 horas y 11 minutos de luz natural
(Weather-atlas, 2022).
La cantidad de horas durante las cuales el sol está visible (línea
negra). De abajo (más amarillo) hacia arriba (más gris), las bandas de color
indican: luz natural total, crepúsculo (civil, náutico y astronómico) y noche
total ver en gráfico 3 (Weather-atlas, 2022).
Dataset.
-
Captación y concentración de energía solar
-
Transformación para su utilización
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La
revelación del efecto fotoeléctrico la hizo Heinrich Hertz en 1887, cuando
trató de dar resultados positivos a la teoría de Maxwell del electromagnetismo
de radiación, en la naturaleza de las ondas. El experimento consistió en
generar una chispa con una bobina de inducción y detectó el efecto de la
radiación electromagnética emitida al observar la presencia de otra chispa entre
los extremos de un cable enrollado en círculo y cierta distancia del transmisor
a cierta distancia del emisor (Rodríguez & Cervantes, 2006).
El
resultado fotoeléctrico se logra creer absolutamente de la siguiente manera. Si
iluminamos una superficie metálica con un haz de luz de la frecuencia adecuada
(por ejemplo, sodio con una frecuencia de 6x1014/seg), la superficie emite
electrones. A esta emisión de electrones de una superficie por la acción de la
luz se le denomina efecto fotoeléctrico (Rodríguez & Cervantes, 2006).
Ventajas del Cerco Eléctrico
Muchos hogares y negocios utilizan cercos eléctricos para proteger
su perímetro o áreas críticas (Navarro, 2019). El elemento de protección
presenta la siguiente serie de ventajas:
·
Doble Uso: Además de actuar como agente
protector contra intrusos, actúa como una valla que delimita el perímetro de
nuestra propiedad. Por tanto, pueden ser utilizados como elementos que aclaren
los límites de nuestro territorio (Navarro, 2019).
·
Facilidad de Mantenimiento: Los cercos
eléctricos requieren mantenimiento ocasional y no son complicados.
Adicionalmente, se dispone de materiales para reponer piezas faltantes
(Navarro, 2019).
·
•Método no letal: un método para repeler a
intrusos no deseados a la propiedad sin causar daños graves (Navarro, 2019).
·
Protección permanente: El cerco electrónico
logra estar persistentemente activado y trabajar las 24 horas. Esto garantiza
que tengamos una protección continua sin tener que hacer nada más (Navarro,
2019).
·
•Disuasión: La mera presencia de una cerca
eléctrica evita que los intrusos intenten acceder al perímetro (Navarro, 2019).
·
Consumo de energía bajos: La electrificadora que
suministra de energía al perímetro eléctrico, consume la energía parecida a un
foco económico de 8 vatios (Navarro, 2019).
Figura
1.
Diagrama de conexión de los componentes.
Figura
2. Luz
diurna promedio de sofocación La Maná.
CONCLUSIONES
El
cantón La Maná posee una radiación solar al año sin una variación significante,
pues su promedio de hora sol es de 5.33 HSP, generando así 5334.25 Wh/m2 lo que
resulta favorable para aplicar cualquier proyecto de alimentación por energía
fotovoltaica.
Para
la dimensión del equipo del cerco eléctrico es prioritario conocer la radiación
solar existente en el área de estudio, pues gracias a ello se puede obtener
resultados más acertados al momento de realizar los cálculos y verificar si los
componentes tanto como electrónicos y materiales de construcción son adecuados.
El cerco eléctrico consta de un electrificador de 5 watt y genera descargas de
pulsos de tensión máxima de 14Kv y salida nominal entre 9Kv y 11Kv, esto lo
hace eficiente a la hora de ponerlo en marcha, además de implementar una alarma
de 20watt que generara un sonido de alta frecuencia para alertar de que el
sistema ha sido violado y su reloj temporizador, todos estos componentes están fabricados
para trabajar con un voltaje de 110V Ac y la implementación de panel solar
trabaja con 12V Dc por lo que es necesario corregir ese problema con un
inversor de corriente de onda pura que transforma 12V Dc a 110V Ac, todo esto
es alimentado con una batería de ácido de 12V a 100Ah.
La implementación del cerco tiene como objetivo 8 horas de trabajo
que va desde las 10Pm hasta las 6Am teniendo un consumo de trabajo de 17.92Ah
por turno esto es comprobado con el uso de una pinza amperímetro, la batería al
ser de 100Ah se descargaría hasta los 82.08Ah lo que resulta una descarga menos
del 50% de la batería eso ayuda a prolongar la vida útil de la batería. El
panel solar de 100W genera 7.44Ah al día tiene 5.33 hora de sol lo que nos da
un 39.656 Ah lo que resulta que genera más energía de lo que consume al momento
de trabajar.
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eléctrica.
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Politécnica Nacional.
https://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/2239/1/CD-2536.pdf
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Diseño e implementación de un cerco eléctrico, para. Pilalo, Cotopaxi, Ecuador:
Repositorio UTC. http://repositorio.utc.edu.ec/handle/27000/8087
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https://www.contextoganadero.com/ganaderia-sostenible/los-beneficios-de-usar-cercas-electricas-con-paneles-solares
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de piura. Piura, Perú: Universidad De Piura.
https://pirhua.udep.edu.pe/bitstream/handle/11042/1762/IME_172.pdf?seq
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Diseño, instalación y mantenimiento de sistemas de cercado eléctrico. E.E.U.U:
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http://www.rnds.com.ar/articulos/120/RNDS_102-108W.pdf
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para la instalación de un sistema de energía limpia mediante celdas
fotovoltaicas para la alimentación eléctrica del edificio 4 en el ITSLV.
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https://ciateq.repositorioinstitucional.mx/jspui/bitstream/1020/97/1/HernandezGallegosRodolfo%20MMANAV%202017.pdf