Analysis of a solar energy system due to increased electric power consumption in Cuenca
- Resumen
- Introducción
- Análisis de Consumo de Energía Eléctrica
- Consumo de potencia de proyectos adicionales
- Análisis
- Conclusiones
- Bibliografía
Resumen
En este artículo se presenta un estudio de un sistema de energía solar como una fuente alternativa de energía renovable, para garantizar la demanda de energía eléctrica que requiere Cuenca frente al constante crecimiento de consumo de energía eléctrica, con los avances tecnológicos que el país progresivamente va adoptando como son el sistema de cocinas por inducción, el tranvía, entre otros se necesita garantizar el funcionamiento de estos nuevos proyectos de la manera más eficiente posible, tomando en cuenta todos los requerimientos que debería tener la Red Eléctrica, la implementación de nuevas fuentes de energía ayuda a responder de mejor forma frente a la demanda de consumo estimado, una de las opciones es la anergia solar que se la puede aprovechar eficientemente en el país, se realizó un estudio de la demanda de energía eléctrica durante un intervalo de 15 años a la distribución de la CENTROSUR y también una aproximación del consumo estimado dentro 4 años, es decir se obtuvo una aproximación de consumo futuro, de esta forma determinar si el consumo puede ser abastecido por las generadoras actuales y que tan rentable puede ser la implementación de fuentes de energía renovable (energía fotovoltaica).
Palabras clave— las palabras claves son las siguientes; (Solar Energy, Increased Electric Power, Energía Eléctrica. )
Introducción
La energía eléctrica dentro de país es indispensable, tanto que se podría decir que nada funcionaria correctamente sin la misma, para su generación se ha usado como fuente principal y la más antigua la energía hidráulica por ser una fuente inagotable, se realiza atreves del embalsamiento de agua en los ríos que al canalizarlo por medio de tuberías mueve unas turbinas que generan energía eléctrica, pero no es la única fuentes a lo largo de los años se ha utilizado como alternativas, los combustibles fósiles como gas natural, petróleo y carbono que contribuyeron hasta el 2009 con el 81 % de la demanda energética mundial. 
El uso de estos combustibles trae consigo problemas. Son considerados como recursos no renovables lo cual representa un aspecto negativo, se considera que la extracción del mismo produce altos costos y un posible agotamiento, por otro lado está el impacto ambiental que produce el quemar estos combustibles, arrojando a la atmosfera miles de toneladas de CO2, por lo que se ha descartado su sostenibilidad.
Por estas razones se ha buscado alternativas en energía renovable, las cuales han crecido de manera significativa en los últimos años, se considera como una la solución más amigable con el medio ambiente a futuro y capaz de sostener la demanda de consumo. Las energías renovables ofrecen una generación de electricidad con fuentes de uso ilimitado, bajo costo y sin afectar su entorno, son una alternativa muy importante pudiéndose aprovechar al máximo. Ecuador es un país potencial para el desarrollo de estas energías, actualmente se cuenta con generadores eólicos, biomasa, térmicas, solares, etc., siento este último uno de los más actuales y con mayores proyección a futuro en el país, dentro de la ciudad de Cuenca es una opción muy rentable, la cual se analizó para observar sus beneficios.
Se ha calculado la energía solar promedio que ingresa a la tierra de 178 TW-año 
Figura 1. Energía Promedio que ingresa a la Tierra cada año expresada en Tera vatios-año (TW-año) según Davis Ged 1990. 
En ecuador la cantidad de la radiación solar que recibe es excelente por estar ubicado en un lugar privilegiado en latitud y clima, podemos destacar la provincia del Guayas que recibe una gran radiación durante todo el año gracias a que el cielo por lo general está despejado de nubes. 
Este tipo de energía así como presenta grandes beneficios presenta problemas, uno de ellos es que la generación no es controlada, es decir que los paneles trabajan desde las 8 de la mañana hasta las 6 de la tarde aproximadamente, también influye la cantidad de radiación que se tiene durante este lapso de tiempo, es decir que si existe nubosidad o también llamados días oscuros la generación bajara su rendimiento, después de la las 6 de la tarde el panel deja de funcionar, y por lo tanto se desactiva todo aparato que depende de el para su funcionamiento, la energía producida se puede almacenar en una batería para luego utilizarla, siendo este un circuito cerrado independiente, estas baterías por lo general tienen un costo muy elevado y se busca no hacer uso de estas baterías, para evitar esto se usa una red auxiliar eléctrica que por lo general complementa el sistema para cuando deje de funcionar el panel.
Figura 2. Diagrama de vivienda Autosustentable. 
El avance energético dentro de nuestro país es cada vez más acelerado debido a la gran cantidad de usuarios del sistema eléctrico, esto conlleva a que los encargados de prestar este servicio se vean obligados a buscar alternativas para poder cubrir esta demanda de la mejor forma, seria de mucha utilidad si se pudiese adelantarnos al consumo que se necesita en un futuro tomando como referencia datos anteriores registrados de consumo, es vista de que aplicando métodos numéricos podemos obtener estos datos futuros nos planteamos la solución empleando la interpolación lineal que aplicándola nos arroja resultados muy aproximados estimando así el consumo de energía eléctrica que necesitara la CENTROSUR en un futuro.
Los datos que se pudo recopilar es el consumo energético en MWh que registró la CENTROSUR desde el año 2005 hasta el año 2014, los mimos que emplearemos para aplicar el método numérico
Creamos un programa que nos facilita el cálculo de estas aproximaciones utilizando los valores registrados en las tablas, la primera parte del programa es aproximar el valor de consumo intermedio entre intervalos de 2 años comenzando por el año 2005 utilizando la fórmula de la interpolación lineal.
Figura 3. Consumo energético medido en MWh.
Con los datos aproximados de consumo de energía eléctrica obtenemos la tasa de crecimiento del consumo representada en porcentajes.
Figura 4. Tasa de crecimiento de consumo de energía Eléctrica.
De esta tasa de porcentajes se desea saber la razón de cambio o una tasa de crecimiento promedio es decir que tan rápido está creciendo el consumo de energía eléctrica.
Figura 5. Estimación de crecimiento de consumo de Energía Eléctrica.
Con los datos obtenidos por años podemos graficarlos y ver la curva de crecimiento para una mayor apreciación de los datos.
Figura 6. Curva de crecimiento de consumo de Energía Eléctrica.
A esta curva podemos encontrar la ecuación que describe el comportamiento de los datos, el objetivo es modelar la curva para poder luego integrarla.
Figura 7. Grafica de ajuste de la Curva.
Integramos la ecuación de la curva y = 5E-53*exp(0.0666*x) en intervalos de años obteniendo el consumo promedio de energía eléctrica incluyendo el consumo que se estima a futuro.
Figura 8. Promedio de consumo Energía Eléctrica.
Consumo de potencia de proyectos adicionales
El consumo de potencia estimado que se determinó esta en base a los clientes actuales de la red, pero existen dos proyectos que están por conectarse a la red eléctrica contralada por la Centro Sur, elevando el consumo de potencia, cada uno de los nuevos clientes requiere un garantía de funcionamiento con calidad y eficiencia, evitando tener cortes de energía que puedan dañar los equipos como también evitar daños en las subestaciones de alimentación.
Los proyectos que se introducirán a la red son los siguientes:
III-1. Cocinas de inducción.
Las cocinas de inducción es una nueva tecnología de cocción de alimentos usando inducción electromagnética, esta tecnología es más segura que la cocción por gas licuado de petróleo GLP, ahorrando energía y cuidando el medio ambiente.
Figura 9. Diagrama de Funcionamiento de la Cocina de Inducción.
El gobierno ecuatoriano pretende llegar a introducir 3,5 millones de cocinas a lo largo de todo el proyecto cada cocina demanda de una potencia de 4.000 W por lo que la potencia total que se necesitara administrar es de 14.000 MW a nivel de todo el país, para la red que maneja la CENTROSUR se aproxima un total de 3.200 MWh, es una demanda aproximada por medio del cálculo basado en las familias que abastece este sistema eléctrico, se espera que todos los usuarios cambien su cocina funcional de GLP por la nueva tecnología de inducción, para lograr esto se lleva a cabo un sin número de proyectos e incentivos que se están llevando a cabo con presupuestos gubernamentales, este proyecto tiene la finalidad de eliminar el uso del GLP. 
III-2. Tranvía Cuenca.
En busca de una modalidad de transporte que ayude a mejorar la vialidad dentro de la ciudad de Cuenca se incorpora un proyecto único dentro del país, aportando con grande beneficios para la cuidad así como también cuidando del medio ambiente, es un sistema que funciona con energía eléctrica para mover los motores del tranvía, este proyecto necesita un voltaje en las redes de 750 V de corriente continua.
La potencia que se requiere para que funcione con normalidad es de 3,29 MVA, por consiguiente teniendo un consumo mensual de energía de 60,000 dólares aproximadamente.
Se muestra en la imagen un diseño del proyecto tranvía ubicado en la avenida España frente al Aeropuerto Mariscal La Mar.
Un proyecto hidroeléctrico que se entregó en marzo de este año está destinado a aportar con 75 MW de potencia que ayudara a sostener la demanda de potencia. 
Figura 10. Diseño del proyecto Tranvía
(Cuenca)
Un proyecto hidroeléctrico que se entregó en marzo de este año está destinado a aportar con 75 MW de potencia que ayudara a sostener la demanda de potencia.
Radiacion Solar
A continuación las gráficas describen la radiación
solar que incide sobre Ecuador, esta información fue publicada por la
Corporación de Investigación Energética-CIE y corresponde
al año 2008, son las mediciones más actuales que podemos encontrar
tomando en cuenta que son datos que no varían mucho hasta la fecha. Los
datos representan la energía solar promedio mensual y anual de valores
diarios de radiación solar como también la insolación global
sobre la superficie expresados en Wh/
/día.
Figura 11. Mapa Solar del Ecuador 2008 
También su pudo obtener un mapa que nos muestra con mayor resolución
como incide la luz solar sobre el territorio ecuatoriano en celdas que de 1
.
Figura 12. Incidencia de la luz solar sobre el Territorio Ecuatoriano.
III-1. Sistema Fotovoltaico.
El sistema fotovoltaico es un elemento, que parte de la insolación para producir energía eléctrica, está constituido por materiales conductores en su mayoría de silicio, que al recibir la energía luminosa desprenden electrones produciendo de esta forma una corriente que fluye a través de las celdas hasta un acumulador, a continuación se describe los elementos de los que consta este sistema. 
a. Generador Solar:
Es la primera etapa de la generación está compuesta por grupos de paneles solares, destinados a recoger los rayos solares para transformarlos a corriente continua de 12 o 24 V.
b. Acumulador:
Esta energía transformada se almacena en un acumulador y permite utilizar luego esta corriente eléctrica.
c. Regulador de Carga
Es un controlador de sobrecargas o problemas de descargas excesivas que pueda dañar el equipo.
d. Inversor
En caso de ser necesario se usa el inversor que convierte la energía almacenada en el acumulado de corriente continua 12 o 24 V a corriente alterna.
Figura 13. Efecto Fotovoltaico
III-1. Radiación Solar en Cuenca.
La Agencia Espacial Ecuatoriana, informo que cuenca es la ciudad que recibe mayor radiación solar del país, con una medición de 23 UVI pudiendo ser aprovechada como una fuente de generación eléctrica, es una alternativa muy fiable en corto plazo, por ser una fuente inagotable de energía, con el uso correcto dentro de la ciudad se puede obtener una potencia considerable que se podría consumir a nivel doméstico como también a nivel industrial.
Los paneles fotovoltaicos aprovechan esta energía solar, el más adaptable tiene una producción de 130 W de potencia, se lo utiliza en instalaciones aisladas o de autoconsumo, esta última quiere decir que se necesita de la red eléctrica de distribución, cuando el panel deja de funcionar.
Estos paneles presentan un ahorro significativo, sus costos con accesibles, y en poco años de uso pudiéndose ahorrar dinero e incluso obtener una remuneración por generación de electricidad del panel y enviándole a la red, es decir convirtiéndose en un generador de energía eléctrica, 
Análisis
Como se describe a lo largo de la investigación la creciente demanda de energía eléctrica es acelerada, obligando a los distribuidores cubrir esta demanda con las mejores soluciones posibles, no solo se toma en cuenta el buen servicio si no también el impacto ambiental que conlleva realizar estas operaciones, las mejores opciones y amigables con el entorno son las energías inagotables o recuperables que dentro de Cuenca son varias, este consumo se ve incrementado aún más con la implementación de nuevos proyectos para mejorar la calidad de vida de sus habitantes.
Se tiene una estimación de consumo aproximado futuro para los años 2015 y 2020 de 5,677.280 MWh y alrededor de 8,677.280 con la integración de los nuevos proyectos con una razón de crecimiento del 8,3 %, en el país se han creado nuevas fuentes de energía para poder abastecer este consumo estimado, pero sin embargo se presenta una fuente que es la energía eléctrica basada en la radiación solar, la implementación de este sistema es una alternativa para usarse a nivel doméstico, para bajar este consumo de potencia.
La energía que producen los paneles solares al pasarla por un convertidor se tiene una tensión de 120 o 240 voltios AC, capaz de alimentar el alumbrado público, y abonados que tengan una instalación monofásica, logrando de esta forma reducir de manera considerablemente la demanda de potencia.
Conclusiones
El estudio de un sistema que aporte con energía eléctrica a los ya existentes es una necesidad que se requiere a futuro, debido al rápido incremento en usuarios de energía eléctrica y por ende una mayor demanda de consumo, las fuentes de energía renovable más que una opción son una necesidad que se debe tomar en cuenta.
El uso de estas energías a más de ofrecer un buen servicio de calidad e ininterrumpido, ayuda a reducir considerablemente las emisiones de gases y C02 a la atmosfera, de esta forma siendo de gran ayuda para el ecosistema que rodea.
El sistema de paneles solares es una fuente de energía eléctrica inagotable, mientras se tenga radiación solar sobre la Tierra, su uso está revolucionando cada vez más con diversos estudios y aplicaciones, con la finalidad de mejorar su desempeño como también su sistema de generación.
En la ciudad de Cuenca se puede tener una radiación solar muy alta por lo que el uso de estos paneles es muy efectivo, teniendo una generación de energía eléctrica entre las 7 de la mañana hasta las 6 de la tarde aproximadamente, variando este horario por factores de clima, es decir días nublosos, especificando que el rendimiento de este sistema se reduce pero no es considerable, uno de los mayores problemas de su implementación es el costo, debido a las aleaciones que se necesitan para crear estos paneles su costo se eleva.
Pudimos determinar el consumo de energía suministrada por la CentroSur mediante una aplicación de métodos numéricos con una aproximación de consumos futuros para obtener un índice que nos permita evaluar cómo se comporta este crecimiento.
Conclusions
The study of a system that provides electric energy to existing ones is a need that is required in the future, due to the rapid increase in users of electricity and therefore increased demand for consumption, renewable energy sources rather than an option are a must to be taken into account.
The use of these energies more to offer good quality and uninterrupted service helps significantly reduce gas emissions and C02 into the atmosphere, thus being helpful to the surrounding ecosystem.
The solar panel system is an inexhaustible source of electricity, while solar radiation is having on the Earth, its use is revolutionizing increasingly with various studies and applications, in order to improve their performance as well as its generation system.
In the city of Cuenca you can have a very high solar radiation so that the use of these panels is very effective, having a power generation between 7 am to 6 pm approximately, varying this time by factors climate, on cloudy days, specifying that the performance of this system is reduced but not significantly, one of the biggest problems of implementation is cost, because the alloys that are needed to create these panels cost rises.
We were able to determine the energy supplied by the CENTROSUR by an application of numerical methods with an approximation of future consumption for an index that allows us to evaluate how this growth behaves.
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Autor:
Cardenas Iñamagua Fredy Leonardo
Orellana Cabrera Gabriel Santiago
Universidad Politécnica Salesiana
Cuenca – Ecuador