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Maldonado L. et al. Diseño y simulación de una planta fotovoltaica para el máximo aprovechamiento del recurso solar en Toluviejo, Colombia
https://doi.org/10.47460/uct.v28i125.854
Diseño y simulación de una planta fotovoltaica
para el máximo aprovechamiento del recurso
solar en Toluviejo, Colombia
Luz Elena Maldonado Alviarez*
https://orcid.org/0009-0009-0246-9957
maldonadoluzelena20@gmail.com
Universidad Simón Bolívar
Caracas, Venezuela
José Luciano Maldonado
https://orcid.org/0009-0004-9001-2917
jlmaldonaj@gmail.com
Universidad de Los Andes
Mérida, Venezuela
Recibido (20/05/2024), Aceptado (13/09/2024)
Design and simulation of a photovoltaic plant for maximum use of the solar resource in the
Toluviejo municipality of Colombia
Abstract.- Currently, there are various technologies for constructing photovoltaic plants including monofacial
and bifacial photovoltaic panels, centralized and string type inverters, and fixed mounting structures with light
followers, to build electrical energy generation systems. This work reviewed the advantages and disadvantages
between these technologies, and the implementation of a photovoltaic plant in Toluviejo, Colombia was
proposed. To justify and confirm the design, simulations were carried out with the PVsyst software, resulting in
the bifacial panels, centralized inverters, and structures with light followers, the most effective solution, and
with the highest production for the proposed photovoltaic power generation plant.
Keywords: photovoltaic plants, renewable energy, sustainable development, solar panels.
Resumen: Actualmente, existen diversas tecnologías para la construcción de plantas fotovoltaicas que
incluyen paneles fotovoltaicos monofaciales y bifaciales, inversores centralizados y tipo string, y estructuras de
montaje fijo con seguidores de luz, para construir sistemas de generación de energía eléctrica. En este trabajo
se revisaron las ventajas y desventajas entre estas tecnologías, y se propuso la implementación de una planta
fotovoltaica en Toluviejo, Colombia. Para justificar y confirmar el diseño, se realizaron simulaciones con el
software PVsyst, resultando los paneles bifaciales, los inversores centralizados y las estructuras con seguidores
de luz, la solución más efectiva y de mayor producción para la planta de generación de energía fotovoltaica
propuesta.
Palabras clave: plantas fotovoltaicas, energías renovables, desarrollo sostenible, paneles solares.
*Autor de correspondencia: maldonadoluzelena20@gmail.com
Tipo de artículo: artículo de investigación
ISSN-E: 2542-3401, ISSN-P: 1316-4821
Universidad, Ciencia y Tecnología,
Vol. 28, Núm. 125, (pp. 47-59)
I. INTRODUCCIÓN
Es bien conocido que la energía solar viene experimentando un gran uso y desarrollo a nivel mundial, desde
hace varias décadas, entre algunas razones para ello están las regulaciones que han acordado los países para
disminuir el cambio climático, como el Acuerdo de París, y por otro lado está el gran avance tecnológico,
particularmente, el desarrollo de la tecnología de paneles solares que cada vez son más eficientes y
adaptables a diversas condiciones ambientales. De hecho, la generación de energía solar ha experimentado
un crecimiento exponencial en los últimos años, y se estima que continúe creciendo, a la vez que los costos de
este tipo de energía vienen disminuyendo, lo que logrará que la energía solar sea más accesible y competitiva
en comparación con otras fuentes de energía. Es decir, se está dando la transición hacia fuentes de energía
más limpias y renovables, a través del interés y desarrollo de la energía solar, a nivel mundial, y se espera que
la energía solar siga desempeñando un papel crucial hacia un sistema energético más sostenible que asegure
el cuidado ambiental para las generaciones futuras.
En cuanto al diseño e instalación de una planta fotovoltaica hay que seguir una planificación que abarca
muchos factores, para garantizar su eficiencia y rentabilidad, como son: la ubicación de la planta fotovoltaica,
el cual es un factor crítico, ya que determina la cantidad de radiación solar recibida. La inclinación óptima de
los paneles solares y la presencia de sombreado que puede afectar la producción de energía. La orientación
de los paneles solares es un aspecto fundamental para maximizar la captación de energía solar. La selección
del tamaño y el tipo de los paneles solares depende de la cantidad de energía que se desea generar, la
eficiencia de los paneles y el espacio disponible para la instalación. El sistema de montaje de los paneles
solares debe ser adecuado para la ubicación y el tipo de terreno donde se instalará la planta fotovoltaica, ya
sea en suelo o en estructuras elevadas. Las condiciones climáticas locales, como la temperatura, la humedad y
la presencia de vientos fuertes, influyen en la producción de los paneles solares, por lo que son consideradas
en el diseño. Y por supuesto, las regulaciones y normativas locales relacionadas con la instalación de plantas
fotovoltaicas, incluyendo los permisos necesarios, los estándares de seguridad y las normas de conexión a la
red eléctrica deben ser estrictamente cumplidos.
Con respecto a Colombia, un país que está situado en una región tropical privilegiada, que cuenta con un
potencial solar significativo que puede contribuir considerablemente a potenciar su matriz energética, la
energía solar es una fuente abundante y sostenible, que si se aprovecha adecuadamente puede reducir la
dependencia de combustibles fósiles y mitigar los impactos ambientales asociados [1]. La radiación solar en
Colombia varía según la región, con niveles más altos en áreas como la Costa Caribe y los Llanos Orientales. A
pesar de esto, el país aún no ha desarrollado suficientemente este potencial en energía solar fotovoltaica (FV)
y térmica, fundamentalmente, por la falta de infraestructura adecuada y por limitaciones económicas para
realizar la inversión en las tecnologías solares requeridas para tal fin [2]. Sin embargo, en los últimos años se
han implementado políticas y programas para promover el uso de energías renovables, incluida la solar. Esto
ha llevado a un aumento en la instalación de sistemas solares, tanto a nivel residencial como comercial, y ha
abierto oportunidades para el crecimiento del sector solar en el país [2]. En ese sentido, a través de empresas
de capital privado se han dado pasos en esta dirección y es por ello que en esta investigación se plantea
aprovechar el recurso solar en la costa del país, con tecnología de punta, para garantizar la producción de
energía eléctrica a través de una planta fotovoltaica, con un tiempo de vida útil de 25 años. La investigación
consistió en realizar un exhaustivo análisis de las diversas tecnologías disponibles, y se seleccionaron las que
mejores se adaptan a las necesidades del lugar, cuya ubicación se encuentra en el municipio de Toluviejo en
Colombia. Esta selección de tecnologías estuvo basada en criterios de eficiencia, sostenibilidad y adecuación al
entorno, garantizando así un sistema de calidad que cumplirá con los requerimientos establecidos por las
leyes del país.
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El diseño propuesto en esta investigación abarcó un procedimiento detallado de revisión de diversas
tecnologías de paneles solares, tanto monofaciales como bifaciales, tecnologías de estructuras de montaje,
considerando tantas estructuras fijas como aquellas equipadas con seguidores solares (trackers en inglés) e
inversores centralizados y de tipo string. Además, se realizaron simulaciones detalladas de generación de
energía real en el punto de interconexión con la subestación de Toluviejo, asegurando así la integración
óptima con el sistema interconectado nacional (SIN) de Colombia. Este enfoque integral permite garantizar la
selección y aplicación de la tecnología más adecuada y eficiente, para maximizar la generación de energía
solar en el sitio de instalación.
Este trabajo está organizado en las secciones siguientes: Introducción, que incluye los aspectos generales de
la construcción de una planta fotovoltaica, la sección asociada al Desarrollo, que comprende la selección de
tecnologías para el diseño específico de la planta fotovoltaica, la ubicación de la Planta Fotovoltaica, los
paneles fotovoltaicos seleccionados, la estructuras de montajes, los Inversores, la interconexión al Sistema
Interconectado Nacional de Colombia, la sección de la Metodología seguida para el diseño de la planta, la
sección de Resultados de la planta fotovoltaica en el Municipio de Toluviejo; y las Conclusiones.
II. DESARROLLO
Al diseñar un sistema fotovoltaico, se deben considerar varios criterios para seleccionar las tecnologías
adecuadas. Algunos de los criterios clave incluyen:
Eficiencia: La eficiencia de los paneles solares es crucial, ya que determina cuánta energía pueden generar
en relación con la cantidad de luz solar que reciben [3], [4].
Costo: El costo inicial de los paneles solares y otros componentes del sistema, así como los costos de
instalación y mantenimiento, deben tenerse en cuenta. Es importante equilibrar el costo con la calidad y la
eficiencia, para lograr el retorno adecuado de la inversión [3],[4].
Disponibilidad y tiempo de entrega: La disponibilidad de los componentes del sistema y el tiempo
necesario para su entrega, por parte de los proveedores, son importantes para garantizar que el proyecto
se complete según la planificación preestablecida [3].
Garantía: Es importante considerar la garantía ofrecida por el fabricante con respecto a los paneles
solares y otros componentes del sistema. Una garantía sólida es un buen indicador de la calidad y
confiabilidad de los productos [3].
Compatibilidad: Todos los componentes del sistema, como los paneles solares, inversores, cables y
estructuras de montaje, deben ser compatibles entre sí para garantizar un funcionamiento óptimo y
seguro del sistema [4].
Clima y ubicación: El clima y la ubicación del sitio de instalación son factores importantes a considerar, ya
que determinan la cantidad de luz solar disponible y pueden influir en la elección de tecnologías
específicas, como paneles bifaciales o sistemas de seguimiento solar [3],[4].
Normativas y regulaciones locales: Es crucial cumplir con las normativas y regulaciones locales
relacionadas con la instalación de sistemas fotovoltaicos, lo que puede influir en la selección de
tecnologías y en el uso de componentes específicos [3].
En el desarrollo de esta investigación, se consideraron todos esos criterios y otros factores relevantes, en
cada uno de los aspectos más importantes, con el fin de proponer un diseño fotovoltaico eficiente, rentable y
adecuado a las necesidades específicas del Municipio Toluviejo de Colombia. A continuación, se exponen los
factores que determinaron el diseño propuesto:
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A. Ubicación de la planta fotovoltaica
El diseño propuesto en esta una investigación corresponde a una planta fotovoltaica que podría
implementarse en el municipio Toluviejo, situado entre el PK 64 ruta 9004 y el PK 63 de la misma ruta, al
margen derecho de la vía que conduce desde el municipio de Toluviejo hacía el municipio de Tolú, en el
Departamento Sucre de Colombia. La planta se tendría que desarrollar en dos extensiones de terreno de
11,12 Ha y 14,14 Ha, respectivamente, para un total de 25,26 Ha, tal como se indica en las coordenadas
especificadas en la Fig. 1.
Vale la pena señalar que, bajo un estudio de evaluación previo, se determinó que el terreno presenta
condiciones favorables para la construcción de una planta fotovoltaica, ya que no es montañoso, no posee
lagunas ni ríos. Esto sugiere que la zona está relativamente despejada y ofrece un entorno propicio para la
instalación de paneles solares, lo que facilitará la captación de la luz solar y la generación de energía
fotovoltaica de manera eficiente. De todos modos, en caso de trascender este estudio a una fase siguiente, es
necesario realizar estudios adicionales, a nivel de detalles de ingeniería, relacionados a analizar la topografía, el
impacto ambiental, la hidrología, los suelos, la resistividad, entre otros estudios necesarios para asegurar una
adaptación adecuada del diseño propuesto a las condiciones del lugar de implantación.
Fig. 1. Ubicación de la Planta Fotovoltaica en el municipio Toluviejo, Colombia
Fuente: propia
B. Paneles fotovoltaicos utilizados
Entre los tipos de paneles fotovoltaicos se encuentran los paneles monofaciales y bifaciales. La diferencia
más relevante entre estos dos tipos de paneles es su capacidad para capturar la luz solar, en este sentido, un
panel fotovoltaico bifacial es más eficiente que un panel monofacial puesto que puede capturar la luz solar
incidente por sus dos lados, es decir, este tipo de panel aprovecha la luz solar que se refleja en su parte
posterior, así como la luz directa que recibe en su parte frontal [5], lo que aumenta su capacidad para generar
electricidad, mientras que un panel monofacial solo puede capturar la luz solar que incide en su parte frontal.
Esto significa que un panel bifacial puede generar energía, incluso, cuando no recibe luz directa del sol, como
en días nublados o cuando hay reflexión de luz desde superficies cercanas, como desde elementos que se
encuentran en el suelo o en edificios o cualquier construcción cercana. Además, al capturar más luz solar, un
panel bifacial puede generar más energía, en general, lo que lo hace más eficiente en términos de energía
producida por área de paneles [6]. Otro factor que contribuye a la mayor eficiencia de los paneles bifaciales es
su diseño y materiales. Los paneles bifaciales, suelen estar construidos con materiales y tecnologías que
permiten una mayor captación de luz y una conversión más eficiente de la energía solar en electricidad, en
comparación con los paneles monofaciales [6]. Sin embargo, según el lugar donde se vaya a instalar la planta,
no siempre es conveniente instalar paneles bifaciales.
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D. Inversores
Los inversores fotovoltaicos son dispositivos electrónicos que convierten la corriente continua (CC),
producida por los paneles solares fotovoltaicos, en corriente alterna (CA). Estos dispositivos son
fundamentales en los sistemas de energía solar fotovoltaica, ya que permiten que la electricidad generada por
los paneles solares sea utilizada de manera efectiva para alimentar otros y diferentes dispositivos eléctricos, y
para enviarla a la red eléctrica o almacenarla en baterías. Entre los principales tipos de inversores utilizados en
sistemas fotovoltaicos se encuentran los inversores centralizados y los inversores tipo string, cuyas ventajas y
desventajas entre sí, se indican a continuación:
Los inversores centralizados: Son unidades únicas que están conectadas a múltiples cadenas (strings) de
paneles solares. Estos inversores reciben la energía de todas las cadenas y la convierten en corriente alterna.
Actualmente, existen tecnologías que vienen en un skid, que contiene, adicionalmente, los transformadores
elevadores con la capacidad de conectarse directamente a la red eléctrica. Entre sus ventajas están que se
tienen menores costos iniciales debido a que se requiere la compra de un solo inversor para todo el sistema,
hay menor complejidad en la instalación y en el mantenimiento, y como principal desventaja se tendrá un
mayor impacto en la producción total si el inversor falla, ya que todo el sistema puede verse afectado [13].
Los inversores tipo string: Están conectados a una cadena (string) única de paneles solares, es decir, cada
cadena tiene su propio inversor, que convierte la energía de esa cadena en electricidad utilizable. Entre las
ventajas del uso de este tipo de inversores están que se tiene una mayor eficiencia en comparación con los
inversores centralizados, ya que cada cadena opera de forma independiente, lo que proporciona una mayor
flexibilidad en el diseño, por lo que se puede optimizar las cadenas individuales para maximizar la producción
de energía, además de que habrá menor impacto en la producción total de electricidad si un inversor falla,
puesto que solo se verá afectada la cadena conectada a ese inversor. Como desventajas se puede destacar
que se tiene un mayor costo inicial debido a la necesidad de comprar múltiples inversores, y una mayor
complejidad en la instalación y en el mantenimiento [13]. En esta investigación específica se optó por un
inversor centralizado, debido a que sus costos de instalación, operación y mantenimiento resultan más bajos
en comparación con el uso de los inversores tipo string. La elección se basó en que los inversores tipo string
requerían más mano de obra y tiempo de instalación, lo que los hacía menos eficientes en términos de costos
y recursos.
En cuanto a la selección del equipo elegido, fue un skid de capacidad de 7500 kVA que incluye 2 inversores
de 3750 kVA cada uno, un transformador elevador de 0,48 kV /34.5 kV de 7.5 MVA, un transformador auxiliar
de 30 kVA, 1 Skid de integración de los inversores, transformadores, switchgear, sistemas auxiliares y toda la
interconexión para una solución Plug & Play (soluciones prefabricadas listas para conectar) de estaciones de
potencia de usos exteriores [14]. En total, este diseño considera un total de 3 skids de inversores
centralizados de 7500 kVA cada uno, resultando en una potencia efectiva de salida de la planta fotovoltaica de
19,9 MWac que serán inyectados al SIN.
E. Línea de transmisión hacia la interconexión al SIN de Colombia y sistemas auxiliares
La infraestructura de evacuación incluye una línea de transmisión aérea que puede conectar la subestación
de la planta fotovoltaica con la subestación existente de Toluviejo de 110 Kv a través de una línea con
configuración en circuito simple, la cual se describe a continuación:
Cordova K. et al. Propuesta andragógica para mejorar las competencias docentes en la universidad
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En esta investigación, y en consideración de las condiciones del Municipio Toluviejo de Colombia, se
seleccionó el panel bifacial del fabricante LONGi Solar modelo 18X-LR5-72HBD-530M de 530 W. La razón
principal, por la cual se tomó esta decisión, fue que LONGI Solar se encuentra entre los primeros cuatro
lugares del top de fabricantes de paneles solares a nivel mundial, según lo indicado por Solarbe Global para el
año 2023 [7]. Adicionalmente, este panel presenta una garantía de 30 años de producción con una
degradación anual menor del 0.45% [8], además, cuenta con un diseño óptimo para la reducción de pérdidas
por temperaturas en operación y de puntos calientes. Asimismo, este panel cuenta con las certificaciones IEC
61215, IEC 61730, UL 61730, ISO 9001:2008, ISO Quality Management System, ISO 14001:2004, ISO
Environment Management System, TS62941: Guideline for module design qualification and type approval,
OHSAS 18001:2007 Occupational Health and Safety y RETIE.
Es importante destacar que, en Colombia, todos los equipos correspondientes al sector eléctrico deben
cumplir con el reglamento técnico de instalaciones eléctricas (RETIE), bajo el cual el equipo y los desarrollos
eléctricos son sometidos a un análisis de viabilidad donde se acepta o rechaza la solicitud de su instalación.
LONGI Solar ha certificado más de 25 de sus paneles solares, siendo este modelo uno de los que cuentan con
esta certificación [9]. En cuanto a la disponibilidad y tiempos de entrega, el fabricante cuenta con la capacidad
de despacho requerida para cumplir con los planes de ejecución del proyecto, puesto que contempla las
entregas para 12 meses después de la firma de la orden de compra del producto. Y en relación a los precios,
LONGI Solar presenta precios competitivos del mercado por lo que representa una excelente relación calidad-
precio. Bajo esta selección del tipo y fabricante de los paneles solares, y también en base al área de
instalación, la capacidad instalada máxima aprovechable es de 25,76 MWdc, con una instalación de 48.608
paneles fotovoltaicos que ocupan 24,75 Ha.
C. Estructuras de montaje
Existen varios tipos de estructuras de montaje para paneles fotovoltaicos, tanto fijas como con seguidores de
luz. Entre las ventajas y desventajas de estas tecnologías, entre sí, se tienen las siguientes:
Las estructuras de montaje fijas (estáticas): Estas estructuras tienen como ventaja que son más sencillas y
económicas para instalarlas, requieren menor mantenimiento debido a su simplicidad y tienen menos
componentes móviles, lo que puede aumentar su durabilidad. Su gran desventaja es que tienen menor
eficiencia en la generación de energía, ya que los paneles no siguen la trayectoria óptima del sol durante el día.
Pueden resultar menos eficientes en áreas con variaciones estacionales significativas en la posición del sol
[10].
Las estructuras de montaje con seguidores de luz: Las ventajas de esta tecnología es que mejoran la
eficiencia al seguir la trayectoria del sol a lo largo del día, lo que puede aumentar la producción de energía
hasta en un 25-35% en comparación con los sistemas fijos. Es un montaje adecuado para regiones con
variaciones estacionales significativas en la posición del sol. La desventaja que tienen es que son más costosas
y requieren mayor mantenimiento, debido a la presencia de componentes móviles [10].
Con el objetivo de maximizar la producción de electricidad, y para aprovechar más el área de ocupación de
los paneles solares, fueron seleccionadas las estructuras con seguidores solares Monofila-2V, los cuales son
seguidores de un solo eje diseñado con un motor por estructura, autoalimentado mediante baterías para
reubicar los paneles a su posición original [10]. La configuración final de la estructura de montaje diseñada
comprende 2 módulos en posición vertical, con una capacidad máxima de 116 y 50 módulos por cada
seguidor individual. Estos seguidores solares cuentan con una estructura extremadamente fácil de ensamblar
en campo, con bajos requerimientos de mantenimiento y alta duración, con un promedio de tiempo de vida
útil de 25 años. Por otro lado, vale la pena destacar que estas estructuras pueden llegar a soportar vientos de
hasta 150 km/h [11], y en el municipio Toluviejo las velocidades de los vientos están en promedio en 6,5 km/h
[12], por lo que es acertado utilizar este tipo de estructuras en el área de implantación seleccionada.
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III. METODOLOGÍA
En la Fig. 2, Se muestran, de manera general, cada una de las actividades que se cumplieron para lograr el
diseño propuesto de la planta fotovoltaica para el Municipio Tuloviejo de Colombia. Es preciso tener en
cuenta, que la actividad identificada como la número 1, que tiene que ver con la selección del lugar dónde se
ubicaría la planta, fue cumplida en un estudio previo, por lo tanto, no se describe en este trabajo, y sus
coordenadas geográficas se indican en la Fig. 1. Mientras que, el resto de las actividades fueron cumplidas en
la forma descrita en este trabajo.
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Línea de transmisión en 34,5 kV: Esta línea tiene por objeto transmitir, en 34,5 kV, la energía generada en
el parque fotovoltaico de 19,9 MWac, hasta la subestación Toluviejo la cual se encuentra a una distancia de
850 metros. En esta subestación se puede ubicar un transformador elevador de 34.5 kV a 110 kV de 25
MVA, conectado al anillo existente en la subestación Toluviejo, a través de una ampliación aislada en SF6
(Interruptor GIS) de 110 kV. Esta línea de transmisión tendrá que ser aérea, cumpliendo con las normativas
del SIN de Colombia, por lo que incluirá los sistemas de protecciones, monitoreo, protocolos de
comunicación, RETIE y sincronización de la planta a la red nacional, al momento de realizar la
interconexión. Este último procedimiento deberá ser llevado a cabo bajo la supervisión y aprobación del
personal del SIN de Colombia.
Sistemas auxiliares: Entre los sistemas auxiliares se tienen 2 Estaciones Meteorológicas, un sistema de
detección y alarmas contra incendio, un sistema de vigilancia, un cuarto de control y monitoreo; y un
generador de emergencia de 200 kW.
Es importante destacar que todos los equipos del diseño deberán cumplir con las normativas nacionales y
deberán contar con la certificación RETIE correspondiente. Asimismo, se garantiza la compatibilidad de las
tecnologías propuestas en esta investigación, para asegurar su correcto funcionamiento y maximizar su
eficiencia energética.
Fig. 2. Esquema general del diseño de la planta fotovoltaica propuesta
Fuente: propia.
IV. RESULTADOS
Para obtener el diseño propuesto, se realizaron simulaciones y análisis de estas simulaciones. Para ello se
utilizó el software PVsyst, que es un paquete, específicamente, para el diseño, la simulación y el análisis de
sistemas de energía solar fotovoltaica. Este software les permite a los usuarios modelar sistemas fotovoltaicos
completos, desde la ubicación geográfica y la configuración del módulo solar hasta el análisis de la producción
de energía, e incluso medir el rendimiento económico. En definitiva, con el software PVsyst, se puede simular
cómo se comportará una planta fotovoltaica en condiciones específicas de ubicación geográfica, del clima y de
los requerimientos de energía eléctrica. El software tiene en cuenta factores como la inclinación de los paneles
solares, la orientación, la sombra, la eficiencia de los módulos, entre varios elementos clave para proporcionar
estimaciones precisas de la producción de energía y el rendimiento financiero del sistema [15].
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Por lo tanto, con PVsyst, utilizando la base meteorológica 7.3 considerada por la ubicación, los paneles
fotovoltaicos bifaciales 18X-LR5-72HBD-530M, los inversores centralizados y las estructuras con seguidores de
luz, se procedió a realizar las simulaciones para la ubicación seleccionada, obteniéndose los resultados
presentados en la Tabla 1. La producción del sistema en megavatios-hora por año (MWh/año), en una planta
fotovoltaica, indica la cantidad total de energía eléctrica que se espera que genere la planta en un año. El
MWh/año es una medida para evaluar el rendimiento y la rentabilidad de una planta fotovoltaica, ya que
determina cuánta energía puede generar la planta y, por lo tanto, cuánta energía puede venderse o utilizarse
para satisfacer las necesidades de energía de los usuarios [15]. Para este caso específico, la producción del
sistema para el primer año es de 46.421 MWh/año, el cual es un valor considerado óptimo y eficiente para el
diseño propuesto.
La producción específica kWh/kWp/año puede variar según varios factores, como la ubicación geográfica de
la planta, la radiación solar disponible y la eficiencia de los módulos solares. Sin embargo, se indica que, en
regiones con buenas condiciones de radiación solar, se considera que una producción anual de alrededor de
1.300 a 1.500 kWh/kWp/año de capacidad instalada es un valor sólido [16]. En este caso, el valor de
producción específica para el primer año es de 1802 kWh/kWp/año, el cual resulta ser una excelente
producción con el diseño propuesto. Por otro lado, la proporción de rendimiento o PR (Performance Ratio), en
simulaciones de plantas fotovoltaicas, es una medida de la eficiencia con la que una planta fotovoltaica
convierte la energía solar en electricidad. Se calcula como la relación entre la energía eléctrica realmente
producida por la planta y la energía solar incidente en la superficie de los paneles solares. El PR es una métrica
importante en el diseño y la evaluación de plantas fotovoltaicas, ya que proporciona información sobre su
rendimiento real en comparación con su rendimiento teórico máximo. Un PR alto indica que la planta está
operando de manera eficiente, y está aprovechando bien la energía solar disponible, mientras que un PR bajo
puede indicar problemas como sombreado, suciedad en los paneles o problemas de diseño.
Tabla 1. Producción del Proyecto Fotovoltaico Toluviejo.
Fuente: propia.
En general, se considera que un PR típico para una planta fotovoltaica bien diseñada y mantenida está en el
rango de 0.75 a 0.85 [16], por lo que en este caso con un diseño de 84.65%, para el primer año, resulta un
valor óptimo. Con relación a los niveles de producción normalizados kWh/kWp/día, y de proporción de
rendimiento (PR), para el primer año del diseño, éstos se pueden observar en las gráficas de la Fig. 3.
Fig. 3. (a) Gráficas de Energías normalizadas, (b) PR en el primer año.
Fuente: propia
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Se observa que las producciones normalizadas para los meses de mayo y de octubre presentan la menor
producción, mientras que la proporción de rendimiento no baja del 80% durante todos los meses del año, lo
que es un indicador de que se está ante un diseño óptimo. Con respecto a los valores de irradiación
horizontal global, irradiación difusa horizontal, temperatura ambiente, receptor de plano de incidente global,
energía global efectiva, energía efectiva a la salida del conjunto, energía inyectada a la red y la proporción de
rendimiento, por cada mes para el primer año, éstos se indican en la Tabla 2.
Tabla 2. Balances y resultados principales de la simulación del proyecto fotovoltaico Toluviejo para el
primer año.
GlobHor: Irradiación horizontal global. EArray: Energía efectiva a la salida del conjunto.
DiffHor: Irradiación difusa horizontal. E_Grid: Energía inyectada en la red.
T_Amb: Temperatura ambiente. PR: Proporción de Rendimiento.
GlobInc: Global incidente plano receptor. GlobEff: Global efectivo.
Fuente: propia.
Leyendas
Como se puede observar, en la Tabla 2, el total de la energía inyectada a la red para el primer año es de
46.421 MWh/año, destacando que los meses de menor de producción son mayo y octubre, y los mejores
meses, en cuanto a producción, son enero, febrero y marzo. Por otro lado, en la gráfica de la Fig. 4, se puede
observar la relación entre la energía inyectada en la red y el global incidente de plano receptor. La energía
inyectada en la red en relación al global incidente de plano receptor, se refiere a la cantidad de energía
eléctrica que un sistema fotovoltaico genera y que se entrega a la red eléctrica en relación con la cantidad
total de radiación solar incidente en los paneles solares [17]. Esta métrica es importante porque indica la
eficiencia con la que el sistema convierte la radiación solar en energía eléctrica y cuánta de esa energía se
aprovecha realmente. Una gráfica con una línea de tendencia suave y constante (como se presenta en la Fig. 4)
o con puntos mayoritariamente altos y ascendentes indica que el sistema está funcionando de manera
eficiente, y se está aprovechando bien la radiación solar disponible. Mientras que una gráfica con fluctuaciones
o una línea de tendencia descendente puede indicar problemas como sombreado, suciedad en los paneles o
problemas de diseño [17].
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Como se puede observar, en las Figs. 5 y 6, para los 25 años de operación de la planta, existe una caída en la
producción y en la proporción de rendimiento, debido a la degradación de los paneles fotovoltaicos y de los
equipos instalados. Sin embargo, esta caída es aproximadamente del 14,13%, en los primeros 25 años, con
respecto a la energía inyectada a la red, y del 14,86% con respecto a la proporción de rendimiento, también,
en los primeros 25 años.
Esto significa que la degradación anual promedio de la planta es del 0,57% para la energía inyectada a la red
y 0,59% de caída anual de la proporción de rendimiento. Adicionalmente, es importante considerar que el
factor de degradación de los paneles solares varía entre los 0,4% y 1% anual [18], y, específicamente, en esta
investigación, los paneles seleccionados tienen una degradación anual menor del 0,45%, por lo que los valores
de porcentaje de caída de producción de la planta, a lo largo de los 25 años de producción, están dentro de
los valores esperados.
Fig. 4. Energía inyectada en la red en relación al global incidente de plano receptor.
Fuente: propia.
Para finalizar, en las Fig. 5 y la Fig. 6, se presenta la estimación de producción de energía inyectada a la red y
la proporción de rendimiento por un tiempo de 30 años respectivamente.
Fig. 5. Energía inyectada a la red en 30 años.
Fuente: propia.
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Fig. 6. Proporción de Rendimiento en 30 años.
Fuente: propia.
CONCLUSIONES
En este trabajo, luego de realizar un estudio integral de todos los componentes necesarios para el diseño de
la planta fotovoltaica, considerando tanto la geografía del lugar de implantación, como la fuente de energía
solar y las facilidades de conexión de la línea de transmisión al SIN, se determinó que los equipos más
eficientes y de máximo aprovechamiento del recurso solar son los paneles bifaciales, por su capacidad para
captar luz solar por ambos caras del módulo, los inversores centralizados debido a que generan menores
costos tanto de instalación como de mantenimiento comparados con las otras tecnologías analizadas, y las
estructuras con seguidores de luz, puesto que todo el conjunto constituye una solución con una mayor
producción de energía, específicamente, para el área de instalación. Estas decisiones están basadas en los
resultados de las simulaciones desarrolladas con el software PVSyst, las cuales permitieron obtener valores
realistas y óptimos, para esta planta fotovoltaica propuesta, en cuanto a la producción de energía,
estimándose para el primer año 46.421 MWh/año, con una producción específica de 1802 kWh/kWp/año y
una proporción de rendimiento del 84,6%. De la misma manera, se pudo observar que la energía inyectada en
la red en relación al global incidente de plano receptor es lineal y ascendente, lo que es un indicador de que el
sistema fotovoltaico es muy eficiente, en cuanto a la cantidad de energía eléctrica que genera y que entrega a
la red eléctrica.
Finalmente, se estimó la producción de energía a lo largo de 30 años, resultando una caída de la producción
para el año 25 de 14,13% con respecto a la energía inyectada a la red, y del 14,86% con respecto a la
proporción de rendimiento, observándose una degradación promedio anual de 0,57% para la energía
inyectada a la red y 0,59% de caída anual de la proporción de rendimiento, valores significativamente
aceptables para los diseños de las plantas fotovoltaicas. En consecuencia, este diseño es adecuado para los
requerimientos de la planta fotovoltaica a ser instalada en el municipio Toluviejo en Colombia. Es preciso
mencionar que el diseño propuesto es particular para el municipio Toluviejo en Colombia, porque, tal como se
ha señalado, los diseños de las plantas fotovoltaicas están condicionados por las características del lugar
donde se vayan a implantar. Sin embargo, esta propuesta puede ser implementada, seguramente, con
cambios menores, a geografías de diferentes pantes del mundo, que presenten condiciones de temperatura,
humedad, velocidad del viento, inclinación del terreno y presencia solar similares a las que se encuentran en el
municipio Toluviejo en Colombia.
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