Jessica Serna
Colaboradora / Proyectos de investigación
El 64 por ciento de la energía eléctrica en Colombia depende del agua. Aunque su generación no produce gases tóxicos como los combustibles fósiles, la segunda fuente más usada del país, la alta dependencia de este recurso causa vulnerabilidad en épocas de sequía o escasez.
El territorio nacional tiene un promedio diario de radiación solar –energía que produce el Sol a través de ondas electromagnéticas– de 4,5 kilovatios-hora por metro cuadrado (kWh/m2), lo que representa un gran potencial energético si se compara con países líderes en la explotación de este recurso como Alemania, que tiene un promedio de 3,2 kWh/m2.
Con el objetivo de equilibrar dicha balanza energética y aprovechar las condiciones climáticas del país, el proyecto Helios de la Universidad EAFIT propone cuatro soluciones de aplicación de tecnologías de energía solar al contexto urbano y rural colombiano.
Dichas alternativas sostenibles son: un ladrillo que transforma la energía solar en eléctrica, un sistema de paneles capaces de autoposicionarse para seguir la trayectoria del Sol, una estación de carga para bicicletas y dispositivos electrónicos, y un sistema de tubos colectores que transportan el calor hasta cuartos de secado.
Un aporte valioso de estas iniciativas es que se destacan porque le apuestan a llegar a las zonas no interconectadas al sistema eléctrico del país, que en la actualidad se abastecen a partir de plantas de combustible diesel.
Ciencia aplicada
El origen de estas energías alternativas eafitenses se remonta a 2013 cuando, con el objetivo de abordar temas aeroespaciales, se conformó un equipo interdisciplinario de investigadores pertenecientes a los grupos de investigación en Ingeniería de Diseño (Grid), de Óptica Aplicada y a las spin off Tecnologías Marte S.A.S. y Dynacad Ltda.
Con ese objetivo, identificaron la necesidad de aprender sobre energía solar y encontraron que aunque este campo aún no era muy explorado, tenía un mercado latente. Así surgió la iniciativa de ciencia aplicada denominada Helios, que tuvo una duración de 15 meses y ganó la primera convocatoria InLab2Market de Ruta N y el Centro de Tecnología de Antioquia, que apoya investigaciones de proyección global orientadas a fortalecer los sectores de energía, salud y TIC.
Un ladrillo que genera electricidad
En zonas urbanas la utilización de energía solar fotovoltaica (transformación de energía solar en eléctrica) se ha limitado a los techos de las edificaciones, pues los espacios para instalar paneles sobre la superficie son reducidos y compiten con otros usos como la construcción o el cultivo.
En cuanto a la posibilidad de recubrir áreas verticales (fachadas) con paneles fotovoltaicos estándares, aunque es funcional en términos técnicos, no da mucha libertad desde el punto de vista estético y agrega peso a la estructura.
Sin embargo, en talleres realizados con arquitectos, diseñadores industriales e ingenieros, los investigadores de Helios concluyeron que se debía elaborar un concepto que partiera de la unidad básica de los paneles (celdas fotovoltaicas) y que se convirtiera en un insumo para la construcción. De esta manera propusieron aprovechar las demás caras de fachadas de casas y edificios con el ladrillo solar.
Con 40 ladrillos solares se podría abastecer la iluminación de una vivienda promedio, lo que constituye el 10 por ciento de su consumo energético.
Con el sistema de seguimiento solar se genera un 33 por ciento más de energía que con los paneles estáticos.
Sobre dicha alternativa, Alejandro Velásquez López, docente del pregrado en Ingeniería de Diseño de Producto, afirma que con 40 ladrillos solares se podría abastecer la iluminación de una vivienda promedio, lo que constituye el 10 por ciento de su consumo energético. Así mismo, su cara externa permite tener tanto material fotovoltaico como elementos de iluminación, lo que posibilita iluminar las fachadas de edificaciones con energía generada por las mismas.
Según el investigador, el hecho de que el precio de las celdas solares sea cada vez más bajo –en 40 años el vatio solar pasó de valer 76 dólares a 40 centavos de dólar–, hace financieramente viable un proyecto de este tipo. Esto a pesar de ponerlas en posición vertical y aunque solo reciban Sol durante medio día.
Dispositivos que siguen el Sol
Para instalar paneles solares en áreas semiurbanas y urbanas se propuso un sistema de seguimiento solar o tracker que, a diferencia de los convencionales, es capaz de autoposicionarse.
“Pensamos volverlo un kit que cualquier persona pueda comprar e instalar fácilmente. Es un sistema inteligente que mediante un Sistema de Posicionamiento Global (GPS) sabe dónde está y qué hora es, tiene una brújula digital que le indica cuál es su norte y, con esa información, puede identificar por dónde sale el Sol para seguir su trayectoria”, explica el ingeniero Mauricio Betancur, de Tecnologías Marte.
El prototipo de tracker desarrollado tiene dos grados de libertad, es decir, puede rotar y trasladarse. El dispositivo cuenta con capacidad instalada de 2,5 kilovatios por hora, el doble de lo que requiere una casa promedio al día, y genera un 33 por ciento más de energía que los paneles estáticos. Al sistema lo acompaña un software que genera un reporte web al usuario sobre cuánto está produciendo, cuánto tiene almacenado y los indicadores de precios en la bolsa de energía.
De este frente de trabajo surgió como complemento una estación de carga solar que consta de seis paneles transparentes de 250 vatios cada uno, con capacidad para cargar cuatro bicicletas eléctricas y salidas para conectar dispositivos electrónicos como celulares, tabletas o computadores. Para aprovechar eficientemente la energía del Sol durante el día, el sistema tiene un mecanismo programado para que en la mañana mire al este, a medio día adquiera posición horizontal y en la tarde se direccione al oeste.
Colectores de energía térmica
Como propuesta de energía solar térmica se fabricó un cuarto para el secado de ropa mediante flujo de calor. Inicialmente se hicieron pruebas con lentes de Fresnel y espejos parabólicos de gran formato (1,80 metros de diámetro) para concentrar el calor. Sin embargo, su eficiencia alcanzaba temperaturas tan altas, de hasta 1.500 grados centígrados, que se convertían en un factor de riesgo para las edificaciones.
“Entonces se optó por unos tubos que contienen un líquido en su interior, que captan el calor producido por la radiación solar y lo transporta por conducción a un bulbo metálico que finalmente entra en contacto con un sistema de convección para establecer un flujo de aire caliente que se utiliza para secado”, explica José Ignacio Marulanda Bernal, docente de la Escuela de Ciencias.
En condiciones normales, dentro de un cuarto de ropa de un apartamento, seis toallas empapadas de agua tardan en secarse aproximadamente 17 horas. Con este sistema, en buenas condiciones de sol, la misma cantidad de toallas tardaría tan solo cuatro horas, afirma Marulanda.
En el proyecto Helios no hay papeles duplicados: el Grupo de Óptica Aplicada se encarga de la radiación solar y analiza su eficiencia, Tecnologías Marte tiene como misión desarrollar la parte eléctrica y de software, el Grid –con experiencia desde la iniciativa del carro EPM-EAFIT Solar Car Team– aporta diseño, integración y lenguaje de productos; y Dynacad realiza el escalamiento productivo.
Actualmente, los investigadores se concentran en el encapsulado del ladrillo solar y el diseño estructural para su validación y posterior ingreso al mercado. “Al cliente le interesa tener un producto completo e intuitivo de utilizar. La cápsula debe poder ser sujetada a la fachada y requiere ciertas características ópticas que permitan la transmisión de energía solar a la celda. También debe tener un sistema de conexiones y tiene que ser resistente porque será un material constructivo”, explica el ingeniero Mario Betancur Rodríguez, de Dynacad, quien señala que este proceso es esencial para escalar el producto a la industria.
Los tubos colectores y el ladrillo solar se encuentran en proceso de patente.
En un próximo proyecto se realizarán pruebas de sismorresistencia y se fabricará una casa en asocio con la firma constructora AIA, con el fin de que el ladrillo solar sea validado por todos los agentes que participan de un proceso de construcción: desde el arquitecto, el ingeniero, el obrero y el electricista hasta el usuario final. Para la financiación de esta fase, el equipo de Helios aplicó a la convocatoria 700 que ofrece Colciencias para validación de producto.
Helios contó con el apoyo de la Corporación Tecnnova para formular la estrategia de mercado, la propuesta de valor y el modelo de negocio. Ahora, con el Centro para la Innovación, Consultoría y Empresarismo (Cice) de EAFIT, consolida la unidad de negocios en tecnología de energía solar para convertirse en una spin off de la Universidad.
Obtener energía a partir del Sol
La radiación solar es la energía que se recibe del Sol a través de ondas electromagnéticas y puede ser aprovechada como energía fotovoltaica o térmica. La primera consiste en transformar energía solar en eléctrica a través de paneles solares, que son asociaciones de celdas que captan la luz del Sol y la convierten en electricidad. La segunda aprovecha la energía del Sol para producir calor.
Legislación para energías no convencionales
En mayo de 2014 se sancionó la Ley 1715 que establece el marco legal para la integración de las Fuentes No Convencionales de Energías Renovables (FNCER) al sistema eléctrico nacional. La legislación define los instrumentos necesarios para promover y aprovechar estas fuentes energéticas, y estimular la inversión, investigación y desarrollo de las tecnologías limpias para la producción de energía.
Los investigadores
José Ignacio Marulanda Bernal
Físico y especialista en Telemática, Universidad de Antioquia; magíster en Física, Universidad Nacional de Colombia (sede Medellín); y PhD en Ingeniería Eléctrica, Universidad Católica de Río de Janeiro. Docente de tiempo completo de la Escuela de Ciencias de la Universidad EAFIT.
Más información sobre el investigador
Alejandro Velásquez López
Ingeniero mecánico, Universidad EAFIT; magíster en Mecatrónica, University of Applied Sciences (Ravensburg-Weingarten, Alemania). Investigador del Grupo de investigación en Ingeniería de Diseño (Grid) de EAFIT. Áreas de interés: diseño de máquinas, automatización de procesos, diseño mecatrónico y energías renovables.
Javier Mauricio Betancur Muñoz
Ingeniero mecánico y especialista en Diseño Mecánico, Universidad EAFIT. Gerente de Tecnologías Marte. Integrante de los grupos de investigación en Electromagnetismo Aplicado (Gema) y Materiales de Ingeniería (GME) de EAFIT. Áreas de interés: robótica, blindajes y energías alternativas.
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Mario Betancur Rodríguez
Ingeniero mecánico y especialista en Diseño Mecánico, Universidad EAFIT. Gerente de Dynacad Limitada. Áreas de interés: investigación de materiales, procesos industriales y desarrollo de productos de la industria automotriz y aeroespacial.
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