UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

SEMINARIO DE TITULACIÓN I

ESPECIFICACIONES DE TEMA DE TÍTULO

Diseño y simulación de la red eléctrica de una Villa

Solar

Nombre : Facundo Iriarte Gálvez

Profesor Guía: Osvaldo Ojeda Reyes

Fecha : 6 de noviembre de 2014

1.1. Orígenes y necesidades

En el mundo de hoy se hace imperiosa la necesidad de descentralizar la

fuentes de generación de energía, y sobretodo aprovechar las fuentes limpias y

renovables. Bajo este paradigma han surgido durante esta última década,

diversas tecnologías y estrategias para optimizar el uso de la energía y reducir

el impacto ambiental asociado a su obtención de la naturaleza.

Dentro de las tecnologías renovables que ha surgido están las llamadas ERNC

(Energías Renovables No Convencionales). Cuyo propósito es generar energía

en diferentes formas a partir de fuentes que la naturaleza provee en forma

inagotable o renovables, no contaminantes. Sol, Viento, Mareas entre otras.

Dentro de estas, la que ha tenido un crecimiento exponencial es el uso de la

energía solar, producto de que la radiación solar llega a la mayoría de la

superficie del planeta. Esta forma de aprovechamiento energético, para

generar electricidad o agua caliente sanitaria, implica un acceso democrático

del recurso, aun cuando el acceso a la tecnología es difícil por cuanto los

equipos resultan costosos. Sin embargo los costes han ido descendiendo en

forma acelerada.

Dentro de este marco, es que la evolución de la tecnología solar a involucrado

muchas disciplinas técnicas e ingenieriles, ciencias de la tierra, incluso el área

de la producción de alimentos. La energía solar se plantea así como la fuente

maestra de vida en el planeta, pues a raíz de esta se desprenden muchas

formas de aprovechamiento.

Hoy en día muchas áreas de la ingeniería, la construcción, la arquitectura y el

diseño incorporan el recurso solar dentro de sus proyectos. Sobre todo el

aprovechamiento pasivo, aquel que no requiere de complejos mecanismos

para lograr resultados, como son los colectores térmicos, secadores, diseño

bioclimático de las viviendas, etc.

Hoy en el mundo ha nacido y crecido un paradigma de generación eléctrica

que por primera vez coloca al usuario consumidor, como un productor de

energía. Es decir que el consumidor puede generar energía eléctrica e

incorporarla a la red eléctrica, convirtiendo asi su techo en un punto de

generación en el lugar de consumo.

De esta manera nace el concepto de NETMETERING, el que consiste en una

red de generación en la que existe un pago por paquete energía vendida a la

empresa distribuidora de energía, el cual se puede vender cuando hay

excedentes.

Este sistema ha sido un éxito en países europeos, sobre todo España y

Alemania, donde la autogeneración eléctrica a base de energía solar alcanza el

10% de la matriz energética del país.

En Chile ha sido difícil implantar estas medidas, dado el coste tecnológico de

los equipos, la rigidez del mercado eléctrico, que no abre oportunidad de

diversificar la matriz energética.

Sin embargo después de años de trabajo de organizaciones, y gremios que

trabajan promoviendo el uso de la energía solar, el 6 de octubre de 2014 entró

en vigencia Ley 20.571, de Generadoras residenciales, base legal que autoriza

el uso de la energía solar para producción de electricidad por parte de

pequeños generadores fotovoltaicos domiciliarios, los que además de auto

abastecerse podrán inyectar y vender sus excedentes a las redes de

distribución eléctrica públicas.

Una iniciativa país que en corto plazo posicionará a Chile como líder mundial

en producción de energía eléctrica de origen solar. Es un desafío de ingeniería

también por cuanto se ha concebido por muchos años la lógica de la

generación a grandes distancias del lugar de consumo, como ocurre hasta hoy.

Es por ello que el gobierno de Chile quiere orientar la política energética hacia

el desarrollo de las fuentes renovables, ha impulsado numerosas iniciativas

que involucran a diversos actores de la sociedad.

Una de las medidas pioneras que busca influir en los actores de la industria de

la construcción, y la energía, es el desarrollo de una Competencia de Viviendas

Económicas Sustentables llamado CONSTRUYE SOLAR. Esta Competencia

busca generar aptitudes entre los estudiantes y redes con empresas que

busquen incorporar la sustentabilidad en sus procesos productivos.

CONSTRUYE SOLAR, busca que los estudiantes diseñen las futuras viviendas

sustentables en las que vivirán los chilenos.

1.2. Descripción del problema

La Competencia se compone de distintas etapas que finalizaran en abril de

2015, estas consisten en la inscripción de los equipos, entrega de

documentación técnica del proyecto, muestra de maquetas de las viviendas,

entregas mensuales de documentación, presentación de las viviendas

construidas en tamaño real en Parque O’Higgins, competencia de 9 días,

desmontaje de las casas y el evento.

CONSTRUYE SOLAR se enmarca en los lineamientos de la política energética

del gobierno actual, que son la eficiencia energética y el desarrollo de energías

limpias.

Asimismo el concurso busca dar implementación al sistema de net metering,

por lo que supone la idea de una villa, que se auto abastezca de energía y

entregue los excedentes a la red eléctrica convencional.

Bajo este modo se plantea la necesidad de diseñar una red eléctrica inteligente

que integre pequeños medios de generación distribuida (PMGDD), para la

muestra de casas. Estas PMGDD estarán compuestas por energía solar

fotovoltaica proveniente de las viviendas, pequeños aerogeneradores

instalados en la villa, bicicletas generadoras, etc.

La red eléctrica estará conectada a un empalme provisorio ofrecido por

CHILECTRA, el que será conectado en PARQUE O’HIGGINS, comuna de

Santiago. Este contara con medidores bidireccionales que permitirá tener un

registro de datos para un posterior análisis.

Además de las casas se considera una zona ferial, donde se ubicaran

diversos stand de empresas auspiciadoras, zonas de alimentación, baños,

escenario central, etc.

En conclusión el concurso se convierte en un gran evento que tendrá una

duración de un mes, por lo tanto se pretende simular una verdadera red de

interacción entre consumos y generación.

1.3. Revisión del estado de arte

El diseño de la red se plantea primero como una instalación provisoria, por lo

que deben considerarse las normativas técnicas respectivas a este tipo de

instalaciones.

Por otro lado deben revisarse las normativas asociadas a la conexión de

PMGDD a la red eléctrica.

En este contexto existen numerosas experiencias y trabajos relacionados con

el tema, y aspectos legales que se abordaran, así como publicaciones de

investigación.

La experiencia internacional respecto a la inyección de energía residencial a la

red de distribución tiene larga data, desde el año 1998, en la UE y

Norteamérica, se han implementado políticas de medición neta de energía (net

metering). En este sentido han surgido potencias como Alemania, España y

EEUU. Donde en la producción de energía FV residencial han batido records

que hacen esperanzadora la masificación y cambio de paradigma.

En Chile la producción residencial se limita a sistemas off grid, es decir las

viviendas que están desconectadas de la red eléctrica y que poseen algún

sistema de acumulación que provee energía cuando no hay radiación solar, no

obstante es un sistema costoso para la mayoría, por cuanto con la reciente

aprobación de la ley 20.571 y su respectivo reglamento se abre una posibilidad

de unirse a la experiencia de otros países en el área.

En este trabajo se abordaran experiencias previas que ayudaran a dar un

sustento teórico al Trabajo de Titulacion. Dentro de la bibliografía existente, las

referencias que se utilizaran son:

NORMA ELECTRICA CHILENA 4/2003, este documento regula las

condiciones de instalación, seguridad de instalaciones eléctricas de consumo

baja tensión. Incluyendo el anexo de instalaciones provisorias.

ANALISIS DE LA CONEXIÓN DE UN PMGD A UNA RED DE DISTRIBUCION

en [1], el cual brinda una simulación y análisis dinámico del comportamiento

de la red de distribución al conectar un PMGDD eólico.

SMART GRIDS: POSIBILIDADES DE SU IMPLEMENTACION EN CHILE [2],

describe las redes inteligentes, las tecnologías involucradas y su impacto en la

integración al sistema eléctrico. Además hace una revisión de las leyes y

normativas vigentes asociadas a escenarios energéticos futuros.

PROYECTO DE INGENIERIA PARA UN SISTEMA DE TRANSMISION Y

DISTRIBUCION CON CARACTERISTICAS DE SMART GRID EN BAÑOS

MORALES Y LO VALDES.[3]Este trabajo trata del diseño de una red de

distribución y transmisión en la comuna de San José de Maipo. Contempla

etapas de estudio de demanda, asi como dimensionamiento de dispositivos

eléctricosFinalmente, se realiza una recomendación de los equipos necesarios

para la implementación de una red inteligente en las localidades antes

nombradas.

LEY 20.571, NET BILLING esta ley regula el pago de las tarifas Eléctricas de

las generadoras residenciales. Y su reglamento de reciente aprobación que

indica las condiciones de conexión de un PMGDD a la red.

SOLAR DECATHLON, es la versión estadounidense y europea de viviendas

sustentables. Es una competencia que se realiza cada 2 años, desde el año

2002 y 2010 respectivamente, en siendo su última versión el año 2014, en

Francia. Este concurso ha servido de referencia para CONSTRUYE SOLAR,

por cuanto el ministerio de vivienda y urbanismo (MINVU) quiere replicar esa

experiencia, pero ajustándola a la realidad chilena. En este sentido se utilizara

documentación de este concurso

como referencia.

1.4. Objetivos generales y específicos

1.4.1. General

Diseñar de la instalación eléctrica provisoria del evento CONSTRUYE SOLAR

2015. Y simular su funcionamiento.

1.4.2. Específicos

Estudiar la normativa y experiencias de instalaciones eléctricas

provisorias.

Realizar un esquema de conexión en base a generación distribuida.

Simular un flujo de potencia de la red eléctrica diseñada.

Analizar factores de demanda, perfiles de tensión, y potencia.

1.5. Desarrollo y alcances de Trabajo de Titulación

El proyecto CONSTRUYE SOLAR 2014 ofrece temas de investigación en

diversas áreas, como Arquitectura, Construcción, Producción de eventos,

Ingeniería, etc.

En el área de la electricidad existen dos temas concretos. El primero consta

del diseño de la red eléctrica de la villa solar, y el segundo el análisis del

comportamiento energético del evento.

Sin embargo dado a envergadura del proyecto mi proyecto de título abordara

el diseño de la red, que se plantea como la simulación de una red eléctrica de

net metering.

El trabajo de titulación abordara desde el empalme ofrecido por CHILECTRA

S.A hasta la caja de conexión (medidores y protecciones) de cada una de las

casas y la zona ferial.

1.6. Aporte Personal

En Chile no hay registro de una experiencia parecida. Es por ello que mi

aporte personal consta en la simulación de un sistema de net metering que se

concretará en abril de 2015 en Parque O’Higgins, comuna de Santiago, que

incorpore viviendas solares, aerogeneradores y otros. Pretende ser una

experiencia pionera en la implementación de la ley 20.571, de esta manera

demostrar la validez de su existencia y los beneficios que trae consigo.

1.7. Metodología de trabajo

El trabajo se llevara a cabo en varias etapas:

Planificaciónde trabajo

Elaboración del marco teórico

Levantamiento eléctrico de la villa

Diseño preliminar de red de distribución

Evaluación de incorporación de PMGD

Especificación técnica del diseño y los componentes de la red eléctrica

Simulación de flujo de potencia

Interpretación de resultados

Se harán visitas regulares al parque, para realizar mediciones, luego se trabajará

con CHILECTRA para establecer los requerimientos máximos de potencia y

estabilidad, de la instalación provisoria. Asimismo se coordinará con la productora

del evento, los requerimientos propios y de la organización para un correcto

levantamiento eléctrico e implementación de la red.

1.8. Temario Tentativo

Capítulo 1- Introducción

1.1. Objetivos

1.2. Metodologías

1.3. Desarrollo y alcances

Capítulo 2 -Marco teórico

2.1. ONG La ruta solar

2.2. Solar Decathlon

2.3. Construye solar

2.4. Viviendas en competencia

Capítulo 3- Sistemas de distribución eléctrica

3.1. Redes eléctricas

3.2. Redes eléctricas Provisorias

3.3. Redes eléctricas inteligentes

Capítulo 4. Generación distribuida

4.1. PMGD

4.2. Efectos en la red de distribución

4.3. Ley 20.571

4.4. Casos de estudio

4.5. Alemania

4.6. España

4.7. Realidad en Chile

4.8. proyecciones

Capítulo 6. Diseño de red eléctrica de la villa solar

5.1. Levantamiento eléctrico del evento

5.2. Niveles de tensión y corriente

5.3.Planimetría y diagramación de la instalación eléctrica

5.4. Protecciones

5.3. Conductores

5.5. Medidores

5.6. Plano final de la red

Capítulo 6. Simulación de flujo de potencia

6.1. Definición de condiciones y escenarios

6.2. Elaboración de Perfiles de tensión, corriente y potencia.

6.3. Análisis de consumo y generación del evento

6.4 Balance energético de la villa

Capítulo 7. Resultados y Concusiones

Carta Gantt

CARTA GANTT PROYECTO DE TITULO

NOV DIC ENE FEB MAR

ACTIVIDADES 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

Proyecto de titulación

Desarrollo de propuesta

Recopilación de información

Desarrollo de Marco teórico

Levantamiento de la red eléctrica

Simulación de la red eléctrica

Análisis de resultados

Referencias

[1]. Análisis de la conexión de un pequeño medio de generación a una red de distribución/ Toledo Martínez, Patricio Osvaldo. TUS-ELEC;2009;T649a

[2]. Smart Grids: posibilidad de implementación en Chile / Tomás Pablo Julio Quiroz Becerra. TUS-IEELE;2012;Q86s.

[3]. Proyecto de ingeniería para un sistema de transmisión y distribución con características de Smart Grid./Silva Rodríguez, José Miguel. TUS-ICELE;2012;S586p