Kiosco solar: una plataforma para el reconocimiento de las FNCER*
* El proyecto fue asesorado por Diego Araque, Ingeniero Electrónico de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Correo electrónico: diego.araque@gmail.com
Por JUAN SEBASTIÁN PACHÓN GARZÓN**
JUAN SEBASTIÁN RIVEROS ROA**
ANDRÉS MAURICIO RODRÍGUEZ GRISALES**
JONATHAN ESTIVEN ARÉVALO BERNAL**
** Estudiantes del grado undécimo del Gimnasio Bilingüe Campestre Marie Curie. Correo electrónico: panelessolaresgcmc@gmail.com
Este artículo presenta el diseño y la construcción de un kiosco con energía solar para recarga de dispositivos móviles, iluminación LED y digital signage. Se describen los criterios de diseño estructural y de cargas eléctricas soportadas por un sistema fotovoltaico. El kiosco permite la experimentación directa de estudiantes en lo relacionado con el diseño de sistemas de energía solar. Está enfocado en la creación de una oportunidad pedagógica alrededor del reconocimiento de fuentes no convencionales de energía renovables (FNCER), por parte de la comunidad estudiantil del Gimnasio Bilingüe Campestre Marie Curie (GBCMC). Tales fuentes de energía van a determinar el cambio de paradigma respecto a la generación energética a futuro y la disminución de emisiones de gas carbónico asociadas.
Palabras Clave:
Electricidad, emisiones de CO2, energía fotovoltaica, FNCER, huella de carbono, kiosco.
Arévalo Bernal, J. E. (2019). Kiosco solar: una plataforma para el reconocimiento de las FNCER. Nautilus Scientiae, (1), 70-77.
This paper describes the design and the construction of a Solar energy kiosk for mobile device charging, LED illumination and digital signage. It is described the structural design criteria and electric loads energized for the photovoltaic system. The kiosk allows direct experimentation for Marie Curie bilingual School (GBCMC) students in relation of solar energy and focus it in the renewable non conventional energy resources recognition. Energy resources that are going to change the paradigm about the electric generation and the diminution of greenhouse gas emissions in the future.
Keywords:
renewable energy, solar energy, greenhouse, emissions CO2.
Introducción
El Gimnasio Bilingüe Campestre Marie Curie (GBCMC) es una institución comprometida con la misión de promulgar el pensamiento científico en sus estudiantes. Se enfoca en la creación de experiencias pedagógicas que permitan descubrir habilidades en sus estudiantes, proyectadas a la resolución de las necesidades de la sociedad y la protección del ambiente. El kiosco solar es el resultado de la tesis de grado de un grupo de estudiantes de grado once, interesados en crear un laboratorio funcional para la enseñanza en el diseño de sistemas fotovoltaicos, y que además resuelva la necesidad de recarga de dispositivos móviles, iluminación LED y carteleras digitales informativas que tiene el GBCMC. Se crea de esta manera un dispositivo que a través de su uso promueve y despierta interés en tecnologías alternativas de generación eléctrica en la comunidad estudiantil. La hipótesis parte de la idea de que, al observar la aplicación de energía solar a diario dentro del campus, se puedan construir mecanismos que impacten en las decisiones a futuro, de tal forma que los estudiantes contribuyan a la formación de nuevo conocimiento.
El desarrollo del dispositivo reunió un equipo interdisciplinar dentro del GBCMC para resolver los retos de ingeniería, medio ambiente y metodología de investigación. De manera que el kiosco solar también refleja el trabajo en varias asignaturas académicas, con lo cual se reúnen esfuerzos para ofrecer soluciones pertinentes que aporten en el fortalecimiento del pensamiento crítico científico que aplique las fuentes no convencionales de energía renovables (FNCER).
La primera fase del proyecto abordó la aclaración de conceptos base, como voltaje, corriente y potencia eléctrica. El uso de los laboratorios de física GBCMC permitió experimentar con el movimiento de electrones, fuentes de energía, almacenamiento, tipos de carga eléctrica y transformación energética, así como el análisis del proceso de emisión de gases de efecto invernadero como el CO2, durante la producción eléctrica convencional como la de hidroeléctricas y termoeléctricas. Posteriormente se observó el efecto fotoeléctrico y la base teórica del funcionamiento del panel solar. Por último, en la segunda fase se diseñó la estructura del kiosco solar, considerando funcionalidad y criterios establecidos a través de reuniones junto con la administración del GBCMC.
Cargas eléctricas
Se decide ofrecer recarga a 12 dispositivos móviles tipo tablet o teléfono celular. Cada dispositivo tiene un consumo promedio de 5 W (vatios); por lo tanto, la carga total que debe suplirse es de 60 W. Considerando un uso diario de 8 horas, que es la jornada escolar, se obtienen 480 W/h/d. De igual manera se calculó para el resto de cargas estipuladas junto con la administración del GBCMC, de acuerdo con sus necesidades (tabla 1).
Tabla 1. Relación de cargas eléctricas para energizar con el kiosco.
| Ítem | Información | Unidades | Consumo | Horas al día | w/h/d |
| Cargadores USB × 12 puertos | Carga DC | W | 60 | 8 | 480 |
| Monitor 22” | Carga AC | W | 21 | 11 | 231 |
| Luces LED | Carga DC | W | 10 | 2 | 20 |
| Microcomputador | Carga AC | W | 10 | 11 | 110 |
| Total | 841 |
Se calcula entonces el factor de pérdidas asociado a disipación de calor por cables, conductores y en otros elementos de administración energética del sistema. Se usó un factor de 0,9, por lo que el valor total de potencia requerida es de 934 W/h/d.
El monitor de 22” junto con el microcomputador tienen como objetivo poner en funcionamiento una cartelera digital o digital
signage, para informar de manera audiovisual buenas prácticas medioambientales, pedagogía en FNCER y diferentes actividades que se desarrollan en el GBCMC.
Almacenamiento
Debido a que el sistema fotovoltaico es de tipo aislado, que se refiere a que está completamente desconectado de la red pública, es necesario calcular e implementar un banco de baterías. Se decide trabajar con un voltaje general para el sistema de 12 W, por razones de facilidad de disponibilidad de equipos con ese rango. El valor total de potencia se divide en 12 V y se obtiene el valor total A/h/d 81,9. Se propone que la autonomía del sistema sea de 12 h; es decir que el banco de baterías podrá alimentar el sistema por medio día sin necesidad de recarga a través de paneles solares u otras maneras. Se eligieron baterías de 12 V 12 A/h (amperios hora). Por lo tanto, se requieren cuatro baterías conectadas en paralelo, como se muestra en la tabla 2.
Tabla 2. Cálculo de almacenamiento.
| A/h consumidos | A/h/día | 81,9 |
| Autonomía | DÍas | 0,5 |
| Almacenamiento A/h | A/h | 40,9 |
| Profundidad de descarga (100% es descarga total) | % | 0,8 |
| Almacenamiento total corregido por descarga | A/h | 51,2 |
| Características. Baterías | A/h | 12 |
| Voltaje batería | Voltios | 12 |
| Total de baterías requerido | Núm. | 4 |
Generador
Consiste en calcular la cantidad de paneles solares necesaria para cargar el sistema de almacenamiento y por ende energizar las cargas propuestas. Inicialmente se tiene en cuenta el número de horas efectivas de sol HSS en la región de trabajo. En este caso, para Bogotá el HSS es de 4 h. La fuente de información oficial es el IDEAM. Se emplean los datos de A/h/d y se dividen en el HSS. Nos da entonces la corriente requerida por el generador 20. Se eligieron paneles de 180 W con 5 A de salida máxima. Entonces el número de paneles es de 2 y su conexión es en paralelo, para lograr el requerimiento de corriente, como lo vemos en la tabla 3.
Tabla 3. Cálculo del generador.
| Potencia de cada panel W | W | 180 |
| Horas de sol día/peor caso | Horas/día | 4 |
| Amperios requeridos del gene | A | 20 |
| Amperios pico del panel | A | 8 |
| Cantidad de paneles solares en paralelo | Núm. | 2,5 |
Elementos de control y conversión
Para garantizar el funcionamiento del banco de baterías y alargar la vida útil de estas, se requiere usar un controlador de carga, que para nuestro caso es de 12 V y 20 A, según el generador calculado. De manera adicional, es necesario implementar un inversor que convierta la corriente directa (DC) que provee el generador y las baterías en corriente alterna (AC) necesaria para algunas de las cargas (según la tabla 1). Otros elementos de control, como breakers, fusibles y multitomas, se añadieron para que el diseño (figura 1) permitiera realizar experimentación posterior por parte de estudiantes y profesores.
Figura 1. Diagrama del diseño eléctrico.
Los criterios de diseño estructural para el kiosco solar fueron los siguientes:
Inclusión a personas en condición de discapacidad con limitación de movilidad (diseño universal).
- Eficiencia en la generación eléctrica.
- Seguridad a los usuarios del kiosco.
- Materiales resistentes a la intemperie.
- Posibilidad de desmontaje para llevar a eventos.
- Diseño simple y acceso a exploración del sistema en laboratorios de FNCER.
- Visibilidad de cartelera digital o digital signage.
Los primeros bocetos y diseños del kiosco solar se pueden observar en la figura 2. Para ello se empleó el área de los paneles solares como protección al sol y la lluvia. La ubicación busca el punto de equilibrio, pero a la vez la versatilidad en la inclinación de 10° correspondiente a nuestra situación geográfica. El material elegido fue el hierro cold roll con pintura electroestática para protección a la intemperie. La base se calculó con base en el área y el peso del generador solar, para garantizar que no ocurra volcado por efecto de viento o lluvia, lo que puede poner en riesgo la seguridad del usuario.
Figura 2. Bocetos de diseño del kiosco solar.
El artículo 50 de la Ley 361 de 1997 establece la reglamentación de aplicación de diseño universal incluyente a todas las personas, sin importar su discapacidad. De acuerdo con esto, se dimensionaron y ubicaron los puertos de recarga y cartelera informativa digital (digital signage), como se ve en la figura 3.
Figura 3. Dimensionamiento y ubicación según el diseño universal.
Funcionalidad
El generador de 360 W ha funcionado de manera continua por 11 meses, sin presentar fallas en el sistema de energización de cargas. La instalación de un temporizador de control de encendido para la cartelera digital ha ahorrado consumo eléctrico y de esta manera se aplicó eficiencia energética. Se estima que el uso del sistema de recarga de dispositivos móviles ha estado al 15 % de uso, debido a que las políticas de uso de teléfonos durante la jornada escolar son restringidas.
Sin embargo, se calcula que se logra producir un promedio de 2,4 kWh/día, considerando las horas de radiación pico y horas acumuladas en el amanecer y el atardecer. De manera que se generan 72 kWh/mes. En términos económicos, esto representa un ahorro de 36.000 COP/mes, con un valor por kWh promedio de 500 COP.
Respecto al ahorro de emisiones de CO2, el Gobierno nacional, a través de la Unidad de Planeación Minero-Energética, diseñó una calculadora de emisiones, con índices de conversión para consumo eléctrico, actualizados hasta 2015 (tabla 4). Con esos datos se determinó que el kiosco solar ahorra la emisión de 14,32 kg CO2/mes, lo que aporta a la disminución del efecto invernadero global.
Tabla 4. Índice de conversión de electricidad, UPME 2015.
| Emisiones por electricidad | kg CO2/kWh |
| Emisiones | 0,1990 kg CO2/kWh |
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Figura 4. Resultados de encuestas de percepción de funcionalidad del kiosco solar.
El acercamiento de las fuentes no convencionales de energía renovable a los estudiantes de todos los grados ha despertado la curiosidad y el pensamiento científico y crítico, de manera que asocian el potencial tecnológico de los paneles solares a sus propios proyectos de expertos. La cartelera digital (digital
signage) ha sido una herramienta útil como canal informativo dentro del GBCMC, para anunciar actividades y exhibir videos pedagógicos o institucionales.
La experiencia investigativa por parte de los autores los llevó a representar al Gimnasio en diferentes eventos académicos (figura 5), en los que pudieron compartir los detalles durante el diseño y los retos de ingeniería que sortearon a través de su construcción.
Figura 5. Participación de los autores en REDCOLSI, Uniagustiniana y Semana de la Ciencia 2018.
La vinculación de una empresa privada fue determinante para la construcción de la estructura del kiosco solar. La empresa Indumetalmec E. U. de Bogotá colaboró con su experiencia en metalmecánica, y de esta manera el prototipo final se acercó al desarrollo de un producto comercial. De esta manera se fomenta el emprendimiento desde la innovación y la creatividad. Por otro lado, el kiosco solar sirvió de plataforma informativa y representación del trabajo científico desarrollado por el GBCMC en Expociencia 2018, como se ve en la figura 6.
Figura 6. Kiosco solar en Expociencia 2018.
El kiosco solar representa el esfuerzo de un grupo interdisciplinar de estudiantes, maestros y asesores en tecnología e industria, motivados por el desarrollo de dispositivos que fomenten las energías renovables, el desarrollo de habilidades en resolución de problemas y el pensamiento científico aplicado.
Es posible aplicar y emplear FNCER en las actividades diarias institucionales, lo que ayuda a evitar la generación de emisiones de gases de efecto invernadero como el CO2, y a su vez crea una experiencia pedagógica que incentiva su implementación más allá de las aulas.
Aunque la tecnología de generación fotovoltaica tiene un desarrollo elevado desde hace más de 30 años, en Colombia aún hace falta capacitación y conocimiento en el diseño de sistemas de energía solar.
Agradecemos muy especialmente a las directivas del GBCMC por el patrocinio económico y moral del presente proyecto. Sin su ayuda y visión no hubiera sido posible el desarrollo de tan magnífica experiencia investigativa.
Referencias
- Arreola Gómez, R., Quevedo Nolasco, A., Castro Popoca, M., Bravo Vinaja, Á., & Reyes Muñoz, D. (2015). Diseño, construcción y evaluación de un sistema de seguimiento solar para un panel fotovoltaico. Revista Mexicana de Ciencias Agrícolas, 6(8), 1715-1727.
- Corpoema, C. E. (2010). Formulación de un plan de desarrollo para las fuentes no convencionales de energía en Colombia (PDFNCE). Bogotá: autor.
- Jiménez Aljure, J. A. (2016). Diseño de un seguidor solar automático para un arreglo básico de paneles fotovoltaicos (tesis de grado). Fundación Universidad de América, Bogotá, Colombia.
- Rodríguez Murcia, H. (2008). Desarrollo de la energía solar en Colombia y sus perspectivas. Revista de Ingeniería, (28), 83-89.