En regiones remotas de gran altitud, extender la red eléctrica resulta prohibitivamente costoso, y los hogares suelen depender de generadores diésel para obtener electricidad. Sin embargo, esta solución es costosa, incómoda y ambientalmente insostenible. Con el rápido desarrollo de las tecnologías fotovoltaicas y de almacenamiento de energía, la energía limpia se ha convertido en la alternativa más viable para las comunidades aisladas de la red eléctrica.
Este diseño se centra en una vivienda de pastores ubicada a una altitud de 4200 metros, donde la insolación anual alcanza aproximadamente 2600 horas y la radiación solar anual promedio es de 5800 MJ/m². Con base en las condiciones locales y la demanda diaria de energía, se propone un sistema independiente de energía solar fotovoltaica y almacenamiento de baterías. El sistema está diseñado para proporcionar un suministro eléctrico confiable las 24 horas para iluminación, electrodomésticos y equipos de producción a pequeña escala. Combina viabilidad técnica, eficiencia económica y sostenibilidad ambiental, ofreciendo una solución práctica para mejorar la calidad de vida de los residentes en regiones remotas de meseta.
Un asentamiento residencial se ubica a una altitud de 4200 metros, a 35 kilómetros de la red eléctrica más cercana, y el costo de extenderla es prohibitivo. La zona cuenta con una media anual de sol de aproximadamente 2600 horas y abundantes recursos solares (radiación media anual de 5800 MJ/m²). Una familia de pastores (una familia de cinco miembros) necesitaba un suministro eléctrico independiente de la red las 24 horas para cubrir sus necesidades básicas, la iluminación y los pequeños equipos de producción.
2. Análisis de carga
| Electrodomésticos | Fuerza | Cantidad | Horas de trabajo diarias | Energía(Wh) |
| Luz LED | 10 | 4 | 4 | 160 |
| Refrigerador | 80 | 1 | 10 | 800 |
| TV | 60 | 1 | 3 | 180 |
| Cargador de teléfono | 10 | 4 | 2 | 80 |
| Bomba | 300 | 1 | 0.5 | 150 |
| olla arrocera | 500 | 1 | 0.5 | 250 |
| Total de energía diaria | 1620Wh | |||
Parámetros clave:
Potencia total de carga: ≈1,1 kW. La bomba es una carga inductiva. Al arrancar, la potencia máxima es aproximadamente cuatro veces la potencia nominal. Potencia máxima: 1200 W
Consumo medio diario de energía: 1,62 kWh
Todos los electrodomésticos son de 220 V/50 Hz.
3. Diseño del sistema fotovoltaico
3.1 Configuración del sistema fotovoltaico
3.1.1 Selección del panel solar: Panel fotovoltaico de silicio monocristalino (325 W/unidad)
● Potencia máxima (Pmáx/W): 325
● Tensión de circuito abierto (Voc/V): 46,15
● Corriente de cortocircuito (Isc/A): 9,39
● Tensión de pico de potencia (Vmp/V): 37,45
● Corriente de pico de potencia (Imp/A): 8,68
● Eficiencia del módulo: 19,2 %
3.1.2 Cálculo de la cantidad de paneles solares:
● Promedio local de horas pico de sol diarias: 4,08 horas (según datos meteorológicos de la NASA)
● Demanda total de energía del sistema = consumo diario de energía / eficiencia del sistema = 1600 Wh / 0,8 ≈ 2000 Wh
● Potencia total del módulo = 2000 Wh ÷ 4,08 h ≈ 490 W
● Configuración actual: 2 × 325 W = 650 W (25 % de redundancia para compensar el polvo, la atenuación y los días de lluvia)
● Disposición del conjunto: 2 módulos en serie (2S), voltaje de funcionamiento: 65,2 V
3.2 Configuración de la batería
Selección de la batería solar: Batería de fosfato de hierro y litio (larga duración, alta densidad energética)
Cálculo de la capacidad:
Requiere funcionamiento durante tres días consecutivos de lluvia (sin luz solar)
Capacidad total de descarga: consumo energético diario × número de días sin luz solar × profundidad de descarga
1620 Wh × 3 ÷ 0,95 = 5115 Wh
Capacidad total de la batería (sistema de 24 V): 5115 Wh ÷ 25,6 V ≈ 200 Ah
Configuración actual: una Batería solar de 25,6 V y 200 Ah
Capacidad útil real: 25,6 × 200 × 0,95 (DOD) = 4864 Wh
Utilizamos la batería Brovolt de 25,6 V y 200 A. Ofrece alta densidad energética, larga vida útil, alta tasa de descarga y una vida útil de hasta diez años. Los módulos Bluetooth y de calefacción son opcionales.
| Modelo | BVL24200 |
| Voltaje | 25.6V |
| Capacidad | 200Ah |
| Celda de batería | LiFePO4 |
| Corriente máxima de descarga | 200A |
| Corriente de carga máxima | 200A |
| Ciclo de vida | >3000veces |
| Diseño de vida | 10 años |
años
3.3 Selección del inversor
Requisitos de potencia: Bomba de agua (300 W). Se trata de una carga inductiva, y la potencia máxima al arrancar es aproximadamente cuatro veces mayor que la de una carga de 1200 W.
Modelo: Inversor solar de onda sinusoidal pura (resistente a impactos)
Potencia nominal: 2 kW
Potencia máxima: 4 kW
Voltaje de la batería: 24 V CC
Voltaje de salida: 220 V CA ±3 %
Tipo de cargador solar: MPPT
Voltaje máximo en circuito abierto del sistema fotovoltaico: 102 V CC
Potencia máxima del sistema fotovoltaico: 1400 W
Rango MPPT al voltaje de funcionamiento: 30-80 V CC
Corriente máxima de carga solar: 50 A
4. Diagrama de la estructura del sistema
5. Medidas Clave de Diseño
Protección contra Corriente Inversa:
1. La batería incorpora un sensor de temperatura que activa la calefacción cuando la temperatura desciende por debajo de -10 °C.
2. Los paneles fotovoltaicos están inclinados 60° (un ángulo elevado en invierno favorece la caída de nieve).
Protección contra rayos:
1. La resistencia de puesta a tierra del conjunto fotovoltaico es ≤ 4 Ω.
2. Se instala un pararrayos secundario (40 kA) en el lado de CC.
3. Protección contra sobrecargas: El inversor incorpora protección contra sobrecorriente, cortocircuito y sobretemperatura.
6. Generación de Energía y Análisis Económico
6.1. Estimación de la Generación de Energía
| Estación | Duración media de la luz solar | Generación diaria promedio de energía | Demanda de carga | Cantidad de energía redundante |
| Verano | 5.2h | 3.38kWh | 1.7kWh | 1.68kWh |
| Invierno | 3.1h | 2.01kWh | 1.9kWh | 0.11kWh |
6.2 Inversión inicial
| Dispositivo | Especificación | Qty | Precio(USD) | Cantidad(USD) |
| Panel solar | 325W | 2 | $118 | $236 |
| Batería solar | 25.6V200Ah LiFePO4 | 1 | $440 | $440 |
| Inversor | 2000W | 1 | $280 | $280 |
| Soportes y cables | N/A | 1 | $150 | $150 |
| Total | $1106 | |||
6.3. Beneficios económicos:
Costo de la solución alternativa: Generador diésel (consumo anual de combustible ≈ 600 L × 1,1 USD/L = 660 USD/año)
Cuota anual de mantenimiento del sistema fotovoltaico: aproximadamente 45 USD (prueba de la batería/limpieza del módulo)
Periodo de amortización estático:
Inversión inicial ÷ ahorro anual de combustible = 1106 ÷ (660 - 45) = 1,8 años
Vida útil de la batería: 10 años (basado en un uso del 95 % de la potencia de salida), vida útil del sistema > 15 años
7. Gestión de la operación y el mantenimiento. Capacitación recomendada para usuarios:
1. Limpie el polvo de la superficie del panel fotovoltaico mensualmente.
2. Monitoreo remoto: Instale un módulo de adquisición de datos 4G (para monitorear la generación de energía y el estado de carga de la batería).
3. Mantenimiento regular: Verifique el estado de la batería trimestralmente.
4. Verifique la resistencia de tierra y el aislamiento del cable.
8. Resumen del Diseño
Este sistema, basado en un sistema fotovoltaico de 650 W y un almacenamiento de energía de 5 kWh, satisface las necesidades energéticas de un solo hogar en la región de la meseta, las 24 horas del día. Con una inversión inicial de 1106 USD, el costo de reemplazo del motor diésel se puede recuperar en 1,8 años.
Características del Diseño:
1. El inversor mejora la eficiencia de generación de energía en más de un 10 % en entornos de baja temperatura y garantiza un arranque fiable de las cargas del motor.
2. La batería de iones de litio soporta el funcionamiento a -30 °C, lo que la hace adecuada para zonas frías y de gran altitud.
3. Redundancia de almacenamiento de energía de 3 días para afrontar la lluvia continua.
