APLICACIÓN DE LA DOMÓTICA Y USO DE LAS ENERGÍAS SOLAR-EÓLICA EN EL HOGAR, COMO ESTRATEGIA PARA CONTROLAR Y ABASTECER DE ENERGÍA ELÉCTRICA UNA HABITACIÓN APPLICATION OF HOME AUTOMATION AND USE OF SOLAR ENERGY - WIND AT HOME AS SUPPLY AND CONTROL STRATEGY FOR A ROOM

AUTOR SAMIR CASTAÑO RIVERA Magíster en Software Libre *Universidad de Córdoba Docente Grupo SOCRATES [email protected] COLOMBIA

AUTOR CRISTIAN VELASQUEZ LYONS Ingeniero de sistemas *Universidad de Córdoba Investigador auxiliar Grupo SOCRATES [email protected] COLOMBIA

AUTOR KARINA BARRERA ROMERO Ingeniero de sistemas *Universidad de Córdoba Investigador Auxiliar Grupo SOCRATES [email protected] COLOMBIA

INSTITUCION UNIVERSIDAD DE CORDOBA UNICOR Universidad Pública Carrera 6 No. 76-103 [email protected] COLOMBIA

TEMÁTICA: INGENIERIA DEL SOFTWARE Y MARCOS DE TRABAJO TIPO DE ARTÍCULO: ARTÍCULO DE INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA

Universidad de Córdoba / Facultad de ingeniería – Facultad de Ciencias Básicas – Montería, Colombia.

Resumen. Este trabajo de investigación tiene como propósito presentar un sistema de generación de energía eléctrica a partir del uso de energías renovables (solar, eólica), con el fin de calcular el costo-beneficio que este tipo de sistema puede proveer a corto, mediano y largo plazo dentro de un hogar, para ello se genera la cantidad de energía eléctrica suficiente para el correcto funcionamiento de una gama de dispositivos electrónicos como bombillas, abanicó y televisor ubicados dentro de una habitación, en conjunto con la administración y control del sistema mediante la aplicación de un sistema domotico. Es importante resaltar la importancia de los resultados en términos de disminución del consumo eléctrico, ahorro energético dentro del hogar, estado de dispositivos electrónicos dentro de la habitación y la cantidad de energía proporcionada por el sistema.

Palabras Clave Energía Solar; Energía Eólica; Energía renovable; Domótica; Turbina Eólica; Panel solar.

Abstract. This research aims to present a system of power generation from the use of renewable energy (solar , wind ) , in order to provide enough energy for the proper functioning of a range of electronic devices such as light bulbs , fanned and televisions located within a room. Similarly administration and system control is achieved through the implementation of a home automation system. It is important to highlight the importance of the results in terms of reduction in electricity consumption, energy savings within the home, home state electronic devices inside the room and the amount of energy provided by the system.

Keywords Solar energy; wind power; renewable energy; automation; wind Turbine; solar panel.

INTRODUCCIÓN La aparición de fenómenos ambientales como es el caso del Niño, ha ocasionado una escases de agua en distintas regiones de Colombia, consecuencia de esto los embalses que alimentan los sistemas generados de energía eléctrica han pasado de producir un 80% de energía a 50 % en la actualidad (El espectador,2015)[1] evidenciando de esta modo la debilidad del sistema en términos de producción de energía eléctrica, todo esto debido en gran parte al depender única y exclusivamente del agua; En la actualidad Colombia ha realizado las mediciones necesarias para valorar su potencial dentro del sector eólico, producto de estas mediciones se ha logrado el desarrollo del atlas de vientos y energía eólica en Colombia (upme, 2016) [2] el cual es una colección de mapas mensuales y anuales que muestra la distribución espacial del viento en superficie y el potencial eólico del país, de igual forma en términos del sector solar el atlas de radiación solar de Colombia muestra que en la región costera atlántica y pacifica existe un potencial solar promedio anual diario entre 5,0 y 6,5 kWh/m2 al día (Twenergy, 2014) [3]; ilustrando un panorama para impulsar y expandir la utilización de las energías limpias,

principalmente la solar y eólica, por todos los beneficios que conllevan y el gran potencial que presentan. Así como las energías renovables es un aspecto de nuestro vivir, la domótica cada día es más importante en nuestras vidas, aportando aspectos como facilidad de comunicación con nuestros dispositivos electrónicos, seguridad y ahorro de energía. Haciendo uso de la domótica y las energías renovables dentro de un hogar, surge un sistema muy positivo en términos de ahorro de energía convencional, generando múltiples beneficios y comodidades en los seres humanos (Monique, 2015) [4]. Este trabajo realiza contribuciones significativas al construir un sistema generador de energía eléctrica utilizando energías renovables (eólica y solar) en conjunto con el desarrollo de una aplicación móvil para abastecer, controlar y monitorear dispositivos electrónicos alojados dentro de una habitación, con el objetivo de evidenciar el costo-beneficio de la implantación de este tipo de alternativas en el hogar.

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1.

ESTADO DEL ARTE

Actualmente existen leyes que promueven el uso y aprovechamiento de la energía renovable, en Colombia la Ley 1715 de 2014 que incentiva el uso de energías renovables, fomenta la inversión, la investigación y el desarrollo de tecnologías limpias (IPSE, 2014) [5], es así como Colombia ha decido apostarle fuertemente al uso de las energías renovables; a diferencia de muchos países del mundo, Colombia tiene la ventaja de contar con un enorme potencial para el aprovechamiento de distintas fuentes energías como lo son la eólica y solar; dentro del aprovechamiento de la energía eólica encontramos el Parque Eólico Jepírachi en el departamento de la Guajira que aprovecha los vientos alisios que soplan casi todo el año en esta parte de la península, a un promedio de 9,8 metros por segundo (EPM, 2014) [6], para disponer de una capacidad instalada de 19,5 Megavatios (MW) de potencia nominal, utiliza 15 aerogeneradores de 1,3 MW cada uno. En relación a iniciativas dentro de aprovechamiento de la energía solar la Institución Educativa Martinica en Montería (Córdoba), es ahora el primer colegio de bachillerato del país que funciona con un sistema autónomo de energía solar que le permite abastecerse ciento por ciento y sin costo, generando 3.200 Vatios de potencia (El Tiempo, 2015) [7], entre otros proyectos podemos encontrar el primer planchón en el mundo con energía renovable, La Alcaldía de Montería instaló paneles solares en uno de ellos para generar energía limpia y tener de esta forma el primer planchón cien por ciento sostenible y ecológico, el planchón La Estrella del Sinú, ubicado en la calle 32 y donde fueron instalados los paneles, tiene televisión e Internet (El Universal, 2014) [8]. 2.

RESULTADOS

2.1. ARQUITECTURA DEL SISTEMA En el diagrama de arquitectura del sistema (ver Figura 1) se muestra una serie de bloques que la relación entre cada uno de los componentes del sistema.

Figura 1. Arquitectura del sistema Fuente: Elaboración propia Dentro de la capa física se distribuye las distintas conexiones a asociadas a los dispositivos (panel solar, aerogenerador eólico, baterías, regulador, inversor, arduino) utilizados con el fin de obtener energía eléctrica a partir del sol y el aire. La capa lógica establece el conjunto de librerías utilizadas y clases desarrolladas, orientadas a facilitar al usuario el control de dispositivos dentro de la habitación y la comunicación vía bluetooth con el sistema generador de energía, mediante el uso de la placa arduino.

2.2. SISTEMA SOLAR Y EÓLICO El desarrollo del sistema solar y eólico contemplo dos fases esenciales, una primera fase define los elementos básicos para la construcción y elaboración de cada fuente de energía (solar y eólica), en una segunda fase se especifica la comunicación entre componentes del sistema y su esquema de montaje. Fase I: Elementos básicos para construcción y elaboración de cada fuente A continuación se describen los componentes que fueron necesarios para la elaboración de las fuentes de energía, solar (ver Tabla 1) y eólica (ver Tabla 2).

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I.I Componentes energía solar

conexión al Arduino Bluetooth HC-05.

Mega

ADK

y

Los componentes necesarios para diseñar el sistema de energía renovable (solar) fueron los siguientes: Material Cantidad Panel solar 1 Batería 1 Regulador 1 Inversor 1 Estructura soporte 1 Cables 2 rollos Canaletas 20 metros Tabla 1. Componentes energía solar Fuente: Elaboración propia I.II Componentes energía eólica Los componentes necesarios para diseñar el sistema de energía renovable (eólica) fueron los siguientes:

Figura 2.Relación de componentes. Fuente: Elaboración propia II.II Esquema del montaje En la figura 3, se concibe el esquema de montaje del sistema en su totalidad.

Material Cantidad Aerogenerador 1 eólico Batería 1 Regulador 1 Inversor 1 Tubo Galvanizado 1 6mts Cables 2 rollos Canaletas 20 metros Tabla 2. Componentes energía eólica Fuente: Elaboración propia Fase II Comunicación entre componentes y esquema de montaje II.I Comunicación entre componentes Para un óptimo funcionamiento del panel solar y aerogenerador eólico, se realizó una arquitectura de comunicación y control (ver Figura 2), constituida por:   

Panel solar y

aerogenerador eólico: comprende el conjunto de elementos receptores de fuentes de energía Caja externa de control: comprende el conjunto de baterías, inversor y regulador Caja Interna de control: váquela con todo el circuito electrónico y su respectiva

Figura 3. Esquema circuito electrónico Fuente: Elaboración propia Para un correcto funcionamiento del sistema se determinó la ubicación del panel solar y

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aerogenerador eólico; para el panel solar (ver Figura 4) fue necesario saber que inclinación debía tener, antes de su ángulo de inclinación se debe tener en cuenta los siguientes aspectos: la parte del día, las estaciones del año, la región y la orientación del dispositivo solar. Hay que tener en cuenta que existe una variante importante que es la estación de la tierra, por esta razón se recomienda que los módulos solares del hemisferio sur como lo es Sudamérica se encuentren dirigidos al norte.

2.3. APLICACIÓN MÓVIL La arquitectura del aplicativo móvil consta de dos capas (ver Figura 6), una capa de vista en la cual se administra la información gráfica y textual del usuario y una capa lógica la cual actúa como el proveedor de los datos correspondiente a la administración de dispositivos electrónicos .

Figura 4. Panel solar Fuente: Elaboración propia Para la instalación del aerogenerador eólico (ver Figura 5) se tuvo en cuenta la ubicación y los obstáculos con la finalidad de que tuviera orientativamente unos 6 metros y específicamente donde no hubiese interferencia con árboles y edificios que puedan bloquear el flujo del viento y reducir considerablemente la velocidad disponible.

Figura 6. Esquema aplicativo móvil Fuente: Elaboración propia El desarrollo de la aplicación móvil (ver Figura 7) definió como estrategia facilitar la comunicación del usuario hacia cada uno de las variables y elementos automatizados dentro del sistema domotico, con el fin de poder tomar de decisiones sobre que dispositivos permitir utilizar o no. Entre las funcionalidades de mayor relevancia podemos encontrar:

Figura 5. Turbina eólica Fuente: Elaboración propia



Monitoreo del nivel de carga de las baterías



Control de luces



Control de televisión ,PC y Equipo de sonido



Visualización de valores temperatura y viento

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el sol proyecta una mayor radiación en la ciudad de montería, obteniendo un 80% de carga por medio del panel solar y un 20% generado por la turbina eólica, en horas nocturnas entre las 10:00 P.M. a 12:00 P.M. la turbina eólica proporciona mayor nivel de energía al sistema con un 80% de carga. Prueba de Abastecimiento

Figura 7. Aplicación móvil, interfaz Fuente: Elaboración propia

3.

PRUEBAS

Para el desarrollo de las pruebas se utilizó una habitación como espacio a alimentar utilizando la energía a partir del sistema solar y eólico, abasteciendo una serie de dispositivos electrónicos como Bombillos de luces, Televisor, Ventilador Computador Personal, Equipo de Sonido. Prueba de Carga El sistema en general dispone de dos (2) baterías conectadas en paralelo, cuya capacidad de almacenamiento es de 1000 amperios, con un voltaje de 12V. Por medio de la figura 8 podemos observar el comportamiento del proceso de carga de las baterías.

A continuación se mencionan las potencias en kWh de los elementos que serán conectados al sistema a calcular, los kWh equivalen a un valor aproximado, de acuerdo a las especificaciones de los fabricantes, por lo tanto son valores promedio, como observamos en la tabla 3. Dispositivo

Bombillo Techo Bombillo Escritorio Bombillo Baño TV Ventilador PC Equipo Sonido

Cant

Potencia Watt

Horas Días

Horas Noct

Energía kWh

2

70

2

8

0,7

1

10

5

5

0,1

1

10

5

5

0,1

1 1 1 1

110 70 300 25

4 5 0 3

6 5 6 3

1,1 0,7 1,8 0,15

595 Watt

4.65kWh

Tabla 3. Consumo de dispositivos. Fuente: Elaboración propia. La habitación está consumiendo 4.65 kWh/Día que multiplicados por treinta (30) días, da como resultado 139Kw/Mes. El total de consumo al día se alcanza siempre y cuando todos los dispositivos se encuentren encendidos en el mismo horario, de lo contrario solamente se estarían consumiendo el total de KWh correspondientes a la sumatoria de los dispositivos que se estén utilizando en la habitación.

Figura 8. Gráfica comportamiento carga de baterías Fuente: Elaboración propia El proceso de carga de las baterías inicia a partir de las 6:00 am con un nivel de carga de 0, como se puede apreciar entre las 10:00 A.M. a 4:00 P.M.

Para conocer el rendimiento energético, se procedió a calcularlo mediante la siguiente fórmula: 𝑛 = (1 − 𝐾𝑏 − 𝐾𝑐 − 𝐾𝑣 )(1 − Donde:

𝐾𝑎 𝑁 ) 𝑃𝑑

KB: Hace referente a la perdida por rendimiento

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de las baterías.  0.1 - Valor aplicado para montajes que generas descargas profundas.  0.05 – Valor para montajes que no demanden descargas profundas. KC: Hace referencia a las perdidas presentadas por el inversor, normalmente varía entre el 75% y el 95%, en caso que no se especifique.  

0.1 – Valor para trabajo en circunstancias no óptimas. 0.05 – Valor para inversores senoidales puros.

para calcular la potencia que será absorbida por los elementos conectados como cargas, cuando existe la presencia de convertidores de corriente continua a corriente alterna (Inversores). Para efectos de calcular las horas de abastecimiento a la habitación, se determino utilizar el sistema en horas de la noche ( ver Figura 9) , con todos los dispositivos encendidos.

Kv: Hace referencia a las perdidas presentadas por factores varios.   

0.1 – Para aplicaciones en general, cuando no se conocen las potencias. 0.05 – Para aplicaciones que tienen en cuenta los rendimientos de cada carga instalada. 0.15 – Aplica cuando se conocen las potencias teóricas.

Ka: Hace referencia a la auto descarga diaria de las baterías y aumento de la temperatura. 

0.002 – Este valor aplica las baterías NiCd que presentan baja descarga o las que no requieren mantenimiento.



0.005 – Aplicado para baterías Pb – ácidos, estacionarias, las cuales son de uso normal en las instalaciones con aplicaciones con aplicaciones solares.

N: Es la cantidad de días en la cual la instalación es autónoma, por la escasez de sol. Esta variable se toma entre 4 y 10 días, teniendo en cuenta que el sistema consumirá mayor cantidad de energía por la ausencia de este. Pd: Hace referencia a la profundidad de descarga por día. Se debe tener en cuenta que tal descarga no debe exceder el 80% Desarrollando la fórmula para hallar el rendimiento, queda que: 𝑛 = (1 − 0.1 − 0.05 − 0.1)(1 − 𝑛 = (0.75)(0.978) = 0.7339

0.005 ∗ 3 ) 70%

La fórmula anterior de rendimiento, es aplicada

Figura 9. Gráfica comportamiento Noche. Fuente: Elaboración propia Entre las 6:00 P.M. A 6:00 A.M. no tenemos radiación solar, pero dependemos de toda la energía que se encuentra almacenada en el banco de baterías y la energía proporcionada por el aerogenerador, como observamos obtuvimos una autonomía total de 12 horas. COSTOS El cálculo del costo-beneficio de la utilización y aplicación de este tipo de sistemas se obtiene determinando el costo de elaboración del proyecto (ver Tabla 4) Dispositivo

Cant

Valor Unitario

Valor Total

Vida útil

Batería Panel Solar Inversor

2 1 1

$400.000 $1.250.500 $200.500

$800.000 $1.250.500 $200.500

7 Años 20 Años 15 Años

Regulador

1

$20.200

$20.200

20 Años

Aerogenerador

1

$150.850

$150.850

20 Años

Contactores

2

$10.000

$20.000

20 Años

TOTAL:

$2.442.050

Tabla 4. Costos del proyecto. Fuente: Elaboración propia

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BENEFICIOS El costo del kilovatio de la empresa Electricaribe es de $419.02 (valor obtenido de la factura de luz), el panel solar y el aerogenerador producen 2450 vatios, en la tabla 4 tenemos a largo plazo el costo en pesos colombianos de un lapso de uno a veinte años, siendo este el tiempo de vida del panel solar y el aerogenerador. TIEMPO 2450 2450 2450 2450 2450 2450

vatios vatios vatios vatios vatios vatios

X X X X X X

1 días 1 MES 1 AÑO 7 AÑO 10 AÑOS 20 AÑOS

AHORRO $ 1.026 $ 30.780 $ 369.360 $ 2.585.520 $ 3.693.600 $7.387.200

Tabla 5. Beneficios largo plazo. Fuente: Elaboración propia En un periodo aproximado de 7 años estamos recuperando nuestro capital invertido en el desarrollo del proyecto, obteniendo trece años de ganancias o beneficios del sistema

4.

tal motivo la realización de proyecto que incentiva el uso de las energías alternativas dentro del hogar ofrecen un costo-beneficio que a mediano y a largo plazo se evidencia en términos del valor de la facturación sin olvidar el impacto ambiental , así mismo el uso de la domotica facilita el control y administración de dispositivos electrónicos propiciando la capacidad de regular el uso de los mismo en términos de la autonomía restante del sistema.

5.

REFERENCIAS.

[1]. El Espectador (2015). A cuidar el Agua y la Energía. Recuperado de: http://www.elespectador.com/noticias/econo mia/cuidar-el-agua-y-energia-articulo-608031 [2]. Upme (2016). Mapa viento, generalidades. Recuperado de: http://www.upme.gov.co/Docs/MapaViento/G eneralidades.pdf

CONCLUSIONES.

La utilización de un sistema como estrategia para disminuir el uso de la energía eléctrica usando energía solar y eólica involucra aspectos muy relevantes en su elaboración, en primera medida es necesario disponer de un sistema que cuenta con una caja de control externa encargada de controlar y regular la energía que es obtenida por medio del panel solar y la turbina eólica, mientras que una caja de control interna se encarga de controlar la domotica de la habitación, de esta manera prevenimos el paso de energías eléctricas que afecten el funcionamiento del sistemas; de igual forma al ser un sistema completamente dependiente de energías producidas por el sol y el viento la presencia de días lluviosos ocasiona un nivel de carga de las baterías sumamente lento. En términos de la aplicación móvil, el aplicativo fue desarrollado con un diseño totalmente amigable otorgando al usuario los mecanismos necesarios para la activación/desactivación de cualquier dispositivo dentro de la habitación en tiempo de respuestas casi inmediatos. La autonomía de las baterías demuestran que su comportamiento permite alimentar en un día completo la habitación, propiciando un ahorro de 2450 vatios representado en $1.026 por día, por

[3]. Twenergy (2014). El almacenamiento de energia y su importancia para la energía solar y eólica en Colombia. Recuperado de: http://twenergy.com/co/a/elalmacenamiento-de-energia-y-suimportancia-para-la-energia-solar-y-eolica-encolombia-1235 [4]. MONIQUE (2015). La inversión en proyectos de energía renovables. Obtenido de: https://www.thegef.org/gef/sites/thegef.org/ files/publication/gefrenewenergy_ES.pdf [5]. IPSE (2014). Nueva ley 1715 de 2014 promueve el aprovechamiento de las fuentes no convencionales de energía. Obtenido de: http://www.ipse.gov.co/ipse/comunicaciones -ipse/noticias-ipse/893-nueva-ley-1715-de2014-promueve-el-aprovechamiento-de-lasfuentes-no-convencionales-de-energia [6]. EFE. (2014). Más de siete millones de personas muere anualmente por contaminación ambiental: El espectador. Obtenido de: http://www.elespectador.com/noticias/elmun do/mas-de-siete-millones-de-personasmueren-anualmente-con-articulo-482750

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[7]. EL TIEMPO (2015). Montería tiene el primer colegio que funciona con energía solar. Obtenido de: http://www.eltiempo.com/estilo-devida/ciencia/colegio-con-energia-solar-enmonteria/15417690

[8]. EL UNIVERSAL (2014). Montería, con el primer planchon en el mundo con energía renovable. Obtenido de: http://www.eluniversal.com.co/regional/cord oba/monteria-con-primer-planchon-en-elmundo-con-energia-renovable-177372

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