En la actualidad, los sistemas aislados desempeñan un papel crucial debido a su independencia de las fuentes de energía del sistema eléctrico nacional interconectado. Estos sistemas resultan de gran relevancia, ya que garantizan el suministro de electricidad en áreas donde las contingencias en el sistema eléctrico convencional no deben afectar. Representan una solución efectiva para llevar energía eléctrica a zonas rurales y comunidades a las que resulta inaccesible o poco viable extender la red eléctrica. Esto puede deberse a diversas razones, como las grandes distancias o las limitaciones económicas que hacen que un proyecto de electrificación convencional no sea factible. Los sistemas aislados ofrecen beneficios similares a los usuarios en términos de acceso a la electricidad, pero a menudo requieren una inversión menor en comparación con la extensión de la red eléctrica, lo que los convierte en una alternativa viable. [3], [4].

Vía E487

La Vía E487, ubicada en Ecuador, se erige como un ejemplo destacado de una carretera principal que conecta la región costera con la región montañosa, específicamente entre Guayaquil y Riobamba. Esta vía se encuentra transitada por camiones que transportan productos entre ambas regiones, y en días festivos, se congestiona con vehículos que se dirigen a la costa. Uno de los problemas más acuciantes en esta vía es la frecuencia de asaltos a los conductores de camiones, agravados por los accidentes de tráfico que ocurren con regularidad debido a la neblina que se presenta en las noches, dificultando la visibilidad de los conductores [5].

Figura 1:

Si bien algunos tramos de la vía cuentan con acceso a la electricidad, en otros lugares, la electricidad no se distribuye a lo largo de la carretera para conectar las pequeñas comunidades y pueblos circundantes sin incurrir en costos excesivos. Sin embargo, en esta misma ruta, se encuentran comunidades aisladas en el páramo de Navag, que carecen de acceso a la energía eléctrica. La implementación del sistema fotovoltaico sería especialmente beneficiosa para estas comunidades.

Vía E28

Figura 2:

La Vía E28 es otra carretera relevante que conecta la región costera con la región montañosa en Ecuador, específicamente entre Calacalí y Nanegalito. Esta vía es utilizada por vehículos de carga ligera y pesada, ya que la región es conocida por la producción de productos como palmito, banano, yuca, entre otros. Sin embargo, esta vía es oscura, insegura y carece de cobertura de telefonía móvil, lo que dificulta la comunicación en caso de emergencia [6].

Figura 3:

Vía E45

La Vía E45 se destaca por conectar diferentes regiones de Ecuador, y en este caso, se considera el tramo ubicado en el Oriente que enlaza la región montañosa con la región amazónica. Esta vía es un corredor comercial vital entre las dos regiones, pero enfrenta desafíos relacionados con la falta de alumbrado público, la electricidad y la cobertura de señal para teléfonos celulares [7][8].

Figura 4:

En cada uno de estos casos de estudio, la falta de iluminación, la inseguridad y la escasez de acceso a servicios básicos se presentan como problemas críticos que podrían abordarse de manera efectiva mediante la implementación de sistemas fotovoltaicos multipropósito. Estos sistemas no solo mejorarían la calidad de vida y la seguridad de los residentes, sino que también respaldarían el desarrollo sostenible y la movilidad eléctrica en el país [9].

Los sistemas solares fotovoltaicos aprovechan la energía del sol para generar electricidad de manera sostenible. La radiación solar incidente en la Tierra se compone de tres componentes: radiación directa, radiación reflejada y radiación difusa. El cálculo de la radiación global permite la correcta evaluación del recurso solar. Se utilizan métodos empíricos, como el método de Glover & McCulloch, que consideran factores como la latitud del lugar. En Ecuador, situado cerca del ecuador, el método resulta viable. El cálculo de la radiación global implica el uso de ecuaciones que incluyen la radiación extraterrestre diaria, el promedio mensual de horas diarias de brillo solar y el número máximo diario promedio mensual de horas de sol.

Donde:

H: La radiación global diaria promedio mensual en kWh. m −2 . dia −1 .

Ho: La radiación solar diaria promedio mensual en kWh. m −2 . dia −1 .

n: El promedio mensual de horas diarias de brillo solar.

N: El número máximo diario promedio mensual de horas sol.

a y b: Son las constantes de regresión.

Elementos de los Sistemas Solares

Un sistema solar fotovoltaico se basa en la captación y conversión de la energía solar en electricidad. Esto se logra mediante varios elementos clave:

Paneles Fotovoltaicos: Estos paneles consisten en múltiples celdas fotovoltaicas, cada una de las cuales genera un voltaje de alrededor de 0.3 V a 0.5 V. Para obtener voltajes adecuados para aplicaciones eléctricas, se conectan en serie para incrementar el voltaje y en paralelo para aumentar la corriente. Estos grupos de celdas se conocen como paneles fotovoltaicos.

Baterías: En sistemas aislados, son esenciales para almacenar la energía generada por los paneles solares y utilizarla cuando no se está generando electricidad. Las baterías pueden variar en tecnología, como las de plomo-ácido, níquel-hierro, iones de litio, entre otras. La vida útil de las baterías está directamente relacionada con su profundidad de descarga, lo que implica no descargarlas más del 40% de su capacidad.

Tabla 1:

Materiales	Eficiencia nominal (%)	Eficiencia real (%)
Panel de silicio Monocristalino	24	14-17
Panel de silicio Policristalino	18	13-15
Panel de silicio Amorfo	13	5-7

Reguladores de Carga: Estos dispositivos permiten una carga eficiente de las baterías al supervisar el voltaje y protegerlas contra sobrecargas o descargas profundas que reducirían su vida útil [11].

Inversores: Los inversores transforman la corriente continua (CC) generada por los paneles en corriente alterna (CA), que es la forma de electricidad utilizada en la mayoría de las aplicaciones eléctricas. Los inversores comerciales pueden ser monofásicos o trifásicos y operan a frecuencias de 50 Hz o 60 Hz. La cantidad de pulsos generados por el inversor influye en la calidad de la señal de CA resultante [12].

En el contexto de este proyecto, el alumbrado público se considera, utilizando lámparas LED debido a sus características técnicas óptimas. Estas lámparas LED ofrecen un rendimiento lumínico entre 100 lm/W y 154 lm/W, lo que significa que convierten una cantidad significativa de energía en luz visible, lo cual es crucial para lograr una iluminación eficiente y efectiva. Además, su larga vida útil, que varía entre 50,000 y 100,000 horas, reduce la necesidad de reemplazos frecuentes, lo que es especialmente ventajoso en áreas de difícil acceso, como las carreteras mencionadas en el proyecto [13].

La temperatura de color de las lámparas LED puede variar de 2700 K a 5000 K. En este proyecto, se ha seleccionado una lámpara Sylvania de 90 W y 4000 K. Esta elección está respaldada por su temperatura de color adecuada, que es lo suficientemente cálida para proporcionar una iluminación cómoda y no deslumbrante [14][15]

Donde:

P: Es la clase de iluminación va de M1 a M6

Tabla 2:

La disposición de los postes de alumbrado público debe basarse en criterios específicos. Para determinar la clase de iluminación más adecuada, se utiliza la fórmula (2) indicada en la Tabla 2, considerando factores como la velocidad del tráfico, el volumen de vehículos y otros parámetros. Esto garantiza que la iluminación sea óptima y se adapte a las necesidades específicas de las vías [17][15]

Parámetros Fotométricos

Para definir la disposición de las luminarias y la distancia entre los postes en el alumbrado público de acuerdo con el proyecto, se emplea la fórmula (3). Esta fórmula toma en cuenta varios factores esenciales, como el ancho de la vía, el flujo luminoso de las lámparas, el factor de utilización y la iluminancia media deseada. La iluminancia media (Em) es crítica para garantizar una iluminación uniforme y segura [18][19].

Donde:

Em: Iluminancia media

k: Factor de utilización

fm: Factor de utilización

W: Ancho de la vía

d: Distancia entre postes

Figura 5:

El factor de utilización (K) se determina mediante la fórmula (4) y se basa en factores que incluyen la distribución de la luz de las luminarias y las características del entorno. Asegura que la luz emitida por las lámparas LED se utilice eficazmente en el área específica que se ilumina [16].

Donde:

N: Cantidad de luminarias

L: Largo de la vía

H: Altura de la luminaria con respecto a la calzada

R: Relación separación entre luminarias y altura (H/d).

D: RxH separación entre puntos de L [20].

La cantidad de postes o luminarias a lo largo una vía se determina mediante la aplicación de la fórmula (5). Esta ecuación considera la longitud de la vía y la relación entre la separación de las luminarias y su altura sobre el nivel de la calzada. Esto garantiza que la vía esté adecuadamente iluminada sin exceso ni falta de luminarias [20] [21].

Donde:

N: Cantidad de luminarias

L: Largo de la vía

H: Altura de la luminaria con respecto a la calzada

R: Relación separación entre luminarias y altura (H/d).

D: RxH separación entre puntos de L [20].

La diseño del alumbrado público en este proyecto se realiza utilizando varios métodos, como la disposición unilateral, bilateral alternada, bilateral opuesta y central doble, dependiendo del ancho y las características de la vía. También se considera el nivel de suciedad en las carreteras para calcular el factor de mantenimiento (fm) [22]. Además, se determina la iluminancia media necesaria de acuerdo con la velocidad de circulación de los vehículos en diferentes tipos de vías. Esta información se utiliza para establecer una base técnica sólida para la distribución de luminarias en el proyecto de alumbrado público [22].

La infraestructura de movilidad sostenible con energía renovable incluye estaciones de carga eléctrica que son el equivalente a las gasolineras para vehículos eléctricos y son fundamentales para promover la adopción de esta tecnología y se clasifican en tres tipos estaciones de carga:

- Carga Lenta: ideales para hogares o entornos de trabajo. Tienen un bajo consumo eléctrico (alrededor de 3.7 kW) y son convenientes para vehículos que permanecen estacionados durante largos períodos. La carga completa tarda alrededor de 8 horas [24].

- Carga Semi-rápida: estas estaciones de carga operan a una potencia de aproximadamente 7.3 kW, lo que permite cargar vehículos más rápido que la carga lenta. Aún son adecuadas para uso residencial o en el trabajo y pueden cargar un vehículo por completo en unas 4 horas [25].

- Carga Rápida: estaciones de carga son esenciales en ubicaciones estratégicas como estaciones de servicio o áreas de alto tráfico. Tienen un alto consumo de energía (entre 50 kW y 62.5 kW) y permiten cargar el 80% de la batería en solo 30 minutos o el 50% en 15 minutos. Son ideales para viajes largos o cuando se necesita cargar de manera rápida [26].

La clave para la carga rápida es el uso de un conversor que transforma la corriente alterna en corriente continua, garantizando una transferencia eficiente de energía a las baterías de los vehículos eléctricos. En general, la expansión de la red de estaciones de carga desempeña un papel fundamental en la promoción de la movilidad eléctrica y la reducción de la dependencia de los combustibles fósiles en el transporte [27].

La evaluación del recurso energético utilizando el método de Glover & McCulloch es esencial para el diseño de sistemas solares fotovoltaicos eficientes. La radiación global, que se obtiene a partir de la base de datos de la NASA, es un factor crítico para calcular la generación de energía de los paneles solares. La tabla 3 proporciona datos de radiación global en kWh/m2 durante un año a lo largo de cada vía, lo que resulta fundamental en la planificación de estos sistemas.

Meses	E45 (kWh/m 2)	E487 (kWh/m 2 )	E28 (kWh/m 2 )
Enero	4.17	4.33	3.91
Febrero	3.97	4.21	3.87
Marzo	4.17	4.58	4.29
Abril	4.06	4.40	4.12
Mayo	4.01	4.21	3.87
Junio	3.98	4.18	3.75
Julio	3.90	4.29	3.97
Agosto	4.20	4.60	4.01
Septiembre	4.41	4.59	3.83
Octubre	4.56	4.55	3.81
Noviembre	4.77	4.65	3.7
Diciembre	4.41	4.38	3.63

La evaluación del recurso energético es un proceso mensual que se basa en los valores proporcionados en las tablas 4 y 5, específicamente diseñados para el método de Glover & McCulloch. Estas tablas contienen datos esenciales que se utilizan en el proceso de evaluación.

Tabla 4:

Delta	Ws	HRADIAN	Ho	N
-22.930	90.811	1.5849	35.386	12.10
-17.245	90.595	1.5811	36.479	12.07
-7.9149	90.266	1.5754	37.494	12.03
4.4139	89.851	1.5682	37.315	11.98
15.210	89.478	1.5616	35.746	11.93
22.174	89.217	1.5571	34.059	11.89
23.049	89.183	1.5565	33.811	11.89
17.650	89.389	1.5601	35.214	11.91
7.3423	89.752	1.5664	37.018	11.96
-4.611	90.154	1.5734	37.616	12.02
-15.363	90.527	1.5800	36.762	12.07
-22.23	90.7	1.5844	35.538	12.14

Tabla 5:

n	Irradiación Global (kWh/m2)	H/Ho	n/N
4.57674	4.33	0.1223	0.3779876
5.31333	4.21	0.1154	0.4398658
4.08133	4.58	0.12219	0.3391057
3.77366	4.4	0.11796	0.3149907
4.583	4.21	0.11777	0.3841440
4.641	4.18	0.12272	0.3901410
4.726	4.29	0.12687	0.3974398
6.075	4.6	0.13062	0.5097086
5.8356	4.59	0.12399	0.4876455
4.35233	4.55	0.12095	0.3620715
4.6713	4.65	0.12648	0.3870100
5.50333	4.38	0.12324	0.4550596

En la Fig. 6 se muestra los valores de la regresión lineal para obtener los valores a y b.

Figura 6:

La gráfica presenta el resultado de una regresión lineal aplicada a los datos en el eje X, que corresponden a las horas de sol divididas por el fotoperiodo, mientras que en el eje Y se muestran las cifras de radiación global dividida por la radiación solar extraterrestre. A través de este proceso de regresión lineal, se obtienen los valores de 'a' y 'b', los cuales son claves para el cálculo de la irradiación mediante el método Glover & McCulloch, como se detalla en la tabla 10.

Tabla 6:

Meses	a	b	Glover & McCulloch (KWh/m2)
Enero	0.0336	0.109	4.30441489
Febrero	0.0336	0.109	4.51319667
Marzo	0.0336	0.109	4.51176309
Abril	0.0336	0.109	4.46004918
Mayo	0.0336	0.109	4.3555989
Junio	0.0336	0.109	4.15691534
Julio	0.0336	0.109	4.13492711
Agosto	0.0336	0.109	4.43931525
Septiembre	0.0336	0.109	4.63933282
Octubre	0.0336	0.109	4.55552896
Noviembre	0.0336	0.109	4.48296791
Diciembre	0.0336	0.109	4.41490018

En la Tabla, se presentan los coeficientes de regresión 'a' y 'b' correspondientes a cada mes a lo largo de la vía E435, los cuales se calculan a partir de los valores de irradiación obtenidos mediante el método de Glover & McCulloch. Estos valores se utilizan para elaborar una gráfica de comparación entre los datos provenientes de la base de datos de la NASA y los datos generados por el método propuesto por Glover & McCulloch, tal como se ilustra en la Fig. 14.

Figura 7:

En la Fig. 7 se muestra la irradiación por cada mes la misma que está dada en kWh/m2.dia.

Figura 8:

La Fig. 8 ilustra una comparación entre la irradiación proporcionada por las bases de datos de la NASA, PVSYST y el método de Glover & McCulloch. Se puede observar que la base de datos de PVSYST muestra una irradiación especialmente favorable para el sector considerado como caso de estudio. Esto se debe a que PVSYST es un programa ampliamente utilizado con fines comerciales y ofrece datos que respaldan la idoneidad de la instalación de un sistema fotovoltaico en esa área, por esta razón los resultados de irradiación no son los mas adecuados.

La correcta disposición de las luminarias en el contexto de los postes de alumbrado público, son elementos fundamentales en el sistema. Estos postes de 500Kgf albergarán componentes esenciales como paneles solares, reguladores de carga, inversores, baterías y las propias luminarias, tal como se ilustra en la Fig. 9.

Figura 9:

Cada poste tiene una altura de 12 metros y la capacidad de alojar dos paneles de 400 W. Además, cuenta con una unidad de almacenamiento que incluye un inversor, un regulador de carga y baterías. La luminaria se posiciona a una distancia de 1.5 metros desde el poste.

Figura 10:

Para determinar la separación óptima entre las luminarias, tomamos como caso de estudio la vía E487. En este escenario, aplicamos un factor de mantenimiento de 0.65, que corresponde a condiciones de luminaria abierta en un entorno con niveles de suciedad considerables debido al alto tráfico vehicular en la vía. A continuación, procedemos al cálculo de los parámetros relacionados con el factor de utilización.

Se obtiene un valor de 39 m la cual es la separación entre postes, a continuación, con el valor obtenido se calcula la iluminación media en el momento en el que se pone en marcha la instalación.

Para el cálculo del número de postes a lo largo de la vía se realiza lo siguiente.

Se realiza el cálculo para el número de postes que serán instalados en la vía por cada km [18].

Dentro del software DiaLux, se introducen los parámetros de distancia y el tipo de pavimento con el propósito de verificar si los resultados que se generan son adecuados para el tipo específico de vía en consideración.

Figura 11:

La Tabla 7 presenta una comparativa entre los parámetros fotométricos de iluminación obtenidos mediante el software DiaLux y los valores nominales correspondientes al tipo de vía, que es M2 en el caso de la vía E487. En esta comparación, garantiza que todos los valores generados por el software superen los valores nominales, a excepción del Incremento Umbral, que debe ser menor para cumplir con las regulaciones específicas del tipo de vía en cuestión.

Figura 13:

Tabla 7:

Párametros	DiaLux	Nominal
Lm	1.68 cd/m2	>1.50 cd/m2
Uo	0.5	>0.4
Ui	0.76	>0.7
Tl	9%	<10%
R	0.62	>0.35

El panel solar posee especificaciones técnicas detalladas que se presentan en la Tabla 8. Estas especificaciones permiten determinar la cantidad de paneles necesarios en el sistema. Las especificaciones técnicas del panel solar diseñado para las estaciones de carga.

Tabla 8:

Panel monocristalino de 400 W
Potencia	405	Wp
Vmax	176.87	V
Vnom	150	V
Imax	2.287	A
Voc	216.8	V
Isc	2.520	A
Eficiencia	17.86	%

El sistema multipropósito que se extiende a lo largo de la carretera para alimentar dos estaciones de carga se desplegará en un área de paneles solar de 13,160 m², equivalente a aproximadamente una hectárea y media de terreno, esto debido a la autonomía de los vehículos eléctricos. A continuación, se proporciona la Tabla 10, que detalla las especificaciones técnicas del sistema de energía solar aislado.

Tabla 10:

Descripción	Valor	Unidades
Potencia Nominal	666225	W
Potencia instalada	158295.875	W
Área de paneles	13160	m2
Energía producida diaria	1608822.96	Wh
Energía producida anual	587220380	Wh
Módulos instalados	1645	u

Figura 15:

Debido a las pérdidas de potencia en los conductores, es necesario aumentar el número de paneles para satisfacer la demanda. Las pérdidas de potencia no permiten alcanzar la potencia necesaria con la cantidad inicial de paneles, por lo que se requiere una mayor cantidad para cumplir con la demanda de manera efectiva.

Es importante destacar que el sistema se replica en la otra mitad de la vía para abastecer dos estaciones de carga a lo largo de la carretera. Cada conjunto de postes incorpora un convertidor dc/dc debido al alto voltaje de los paneles, lo que hace esencial el uso de convertidores para adecuar el voltaje a las necesidades del sistema.