Characterization of the Experimental Area

The 021 Dairy Farm of "El Guayabal" University Farm, belonging to the Agrarian University of Havana (UNAH), is located at 23°00'12.5" North latitude, and 82°09'57.9" West longitude in San José de Las Lajas Municipality, Mayabeque Province, Cuba. It limits to the northwest with 023 Dairy Farm, to the northeast with the National Highway, to the southeast with 025 Dairy Farm and to the southwest with 022 Dairy Farm. The total area is 36 ha, with typical Red Ferralitic soil (Hernández et al., 2019HERNÁNDEZ, B.Y.; LEÓN, O.N.A.; VALDÉS, P.G.R.; LEDESMA, P.M.L.; MIRABALES, R.P.D.: “Agricultura familiar y seguridad alimentaria en una finca del municipio de Sancti Spíritus”, Pastos y Forrajes, 42(2): 181-188, 2019, ISSN: 0864-0394.) in all its extension. It has a flat relief at 120 m above sea level and annual insolation of 1825 kWh/m2 (Díaz, 2018DÍAZ, A.J.L.: Incidencia del período interpartal en la vida reproductiva de vacas lecheras en la unidad “Manuel Fajardo”., Universidad de Holguín, Facultad de Ciencias Naturales y Agropecuarias, Tesis de diploma, Holguín, Cuba, publisher: Universidad de Holguín, Facultad de Ciencias Naturales y Agropecuarias Dpto …, 2018.). The meteorological variables recorded during the period 2015-2021 at Tapaste Meteorological Station (Figure 1), showed that the maximum temperatures reached in the region exceeded 26 ºC between the months of June and September and the coldest fell on average to 20 .76 ºC in January. Rainfall showed increases from May, and indicated the highest average values ​​in June and August with 255.50 and 245.16 mm, respectively. The relative humidity varied between 72.8% (minimum, in March) and 84.6% (maximum, in December), while the wind speed reached its maximum of 5.46 km/h during the month of February. The behavior of these climatic variables allows the satisfactory development of dairy farming.

As a result of studying the behavior of electricity consumption in 021 Dairy Farm, during the year 2021, a high consumption equivalent to a monthly average of 3102,083 kWh was verified.

The dairy has 34 milking cows, which reached an average daily milk production of 7.4 L/cow during 2021, so this dairy collects a total of 251.6 L/day on a daily basis.

Estimation of the Consumption in the Dairy Farm

For dimensioning the photovoltaic solar installation, the critical average daily consumption of the load to which energy has to be supplied was initially determined. This parameter is associated with the days with the highest energy consumption. Due to the fact that, in Cuba, the behavior of the incidence of solar radiation does not vary abruptly during the 12 months of the year, the monthly mean value of the incident radiation for an angle of inclination of 18°-25° degrees to the south is of 5.00 kWh/m² (Bérriz et al., 2016BÉRRIZ, L.; ÁLVAREZ, W.; PÉREZ, J.; IGLESIAS, M.: Manual de calentadores solares, Ed. Publisher: Ed. Editorial Cubasola, La Habana, Cuba, publisher: Ed. Editorial Cubasolar La Habana, Cuba, 2016, ISBN: 959-7113-49-X.).

To determine the energy to be delivered by the photovoltaic system, the losses involving the batteries, the inverter and the conductors were considered.

To calculate the average daily consumption of the dairy farm, the average consumption for constant loads and the number of inventories were taken into account, due to the fact that the equipment used in the area under study is subjected to static loads, as is the case of fodder mill, refrigeration system, mechanized milking system, water pump, electric fence and illumination. Static electrical charges are considered those that have a fixed consumption of electrical energy over time (Prado, 2008PRADO, C.: Diseño de un sistema eléctrico fotovoltaico para una comunidad aislada, Universidad de Costa Rica, Trabajo de Diploma (en opción al título de Bachiller en Ingeniería Eléctrica), Costa Rica, 2008.; Encuentra, 2020ENCUENTRA, M.M.: Diseño de una planta de generación solar fotovoltaica, Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona, Tesis de Diploma (en opción al título de Ingeniero en Tecnologías Industriales), Barcelona, España, publisher: Universitat Politècnica de Catalunya, 2020.).

Therefore, considering the methodology proposed by León et al. (2021)LEÓN, M.J.A.; MOREJÓN, M.Y.; MELCHOR, O.G.C.; ROSABAL, P.L.M.; QUINTANA, A.R.; HERNÁNDEZ, C.G.: “Dimensionamiento de un parque solar fotovoltaico para el Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA)”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 30(4): 101-113, 2021, ISSN: 2071-0054., it is possible to determine the average daily consumption of the installation, using the following expression $L_{mdn}=\frac{L_{md}}{{\eta }_{bat}\bullet {\eta }_{inv}\bullet {\eta }_{cond}},kWh$ :

where:

$L_{md}$ : Critical real average consumption of the load, kWh;

${\eta }_{bat}$ : Battery efficiency;

${\eta }_{inv}$ : Inverter efficiency;

${\eta }_{cond}$ : Conductor efficiency.

To determine the energy demand of the productive scenario, a survey of the electrical means and equipment located in the area under study is carried out, determining the power (N) of each of them and the daily operation time (To), with these two parameters, the energy consumed daily L md in the dairy farm can be determined using the following expression $L_{md}\mathrm{}=N\bullet T_0,kWh$ :

where:

$\mathrm{N}$ : Power of electrical equipment and means, kW;

${\mathrm{T}}_{\mathrm{o}}$ : Daily operation time, h.

Methodology for Dimensioning the Photovoltaic System

To determine the number of solar panels required, a criterion was used based on the estimation of the consumption of Ampere-hours (Ah) of the installation as recommended by Hernández (2007)HERNÁNDEZ, L.: “Sistemas fotovoltaicos:¿ Autónomos o conectados a la red?”, Revista Energía y Tú, (38), 2007., being the average daily current consumption required:

where:

$V_{bat}$ : Battery voltage (12 V), V.

Likewise, according to Alonso (2011)ALONSO, J.: “Manual para instalaciones fotovoltaicas autónomas”, Boletín Solar Fotovoltaica Autónoma, España., 2011, Disponible en: www.sfe-solar.com. & Cantos (2016)CANTOS, S.J.: Configuración de instalaciones solares fotovoltaicas, Ed. Ediciones Paraninfo, SA, Madrid, España, 360 p., 2016, ISBN: 84-283-3756-X., the current that a photovoltaic system must generate in the critical month of solar radiation is determined as:

where:

${HPS}_{crit}$ : Peak sun hours of the critical month, h.

Then, being $I_{gfv,mpp}$ the current generated by the photovoltaic system (the total number of solar panels installed) and dividing it by the unit current of each photovoltaic module, the total number of modules necessary to connect in parallel is obtained (Alonso, 2011ALONSO, J.: “Manual para instalaciones fotovoltaicas autónomas”, Boletín Solar Fotovoltaica Autónoma, España., 2011, Disponible en: www.sfe-solar.com.). So that:

where:

$I_{mod}$ : Specific unit current of each photovoltaic module, A.

Each photovoltaic module is made up of four panels, a 250 W grid injection micro-inverter and occupies an area of 3.12 m2.

Methodology for the Dimensioning of the Accumulation System

In this investigation, the determination of an accumulation system was not considered, since conceiving this would considerably increase the cost of introducing photovoltaic solar energy in the scenario under study.

Methodology for Estimating the Economic Impact of the Installation

When a photovoltaic solar system is used, clean, renewable and safe energy is used efficiently. It contributes significantly to the reduction of greenhouse gases that cause climate change and considerably improves air quality, since the use of fossil fuels is significantly reduced. As a result of the above, it is necessary to know how much fossil energy is no longer consumed (number of kWh of electricity avoided monthly and annually) with the implementation of this photovoltaic solar system (Canvi climàtic, 2011CANVI CLIMÀTIC: Guía práctica para el cálculo de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), Inst. Barcelona: Oficina Catalana del Canvi climàtic, Barcelona, España, 2011.; Acevedo 2016ACEVEDO, G.F. de J.: Diseño de una instalación solar fotovoltaica con capacidad para 3 kilovatios, Universidad Nacional Abierta y a Distancia (UNAD), Trabajo de Diploma (en opción al título de Tecnólogo en Electrónica), Bogotá, Colombia:, publisher: Universidad Nacional Abierta ya Distancia UNAD, 2016.). Acevedo (2016)ACEVEDO, G.F. de J.: Diseño de una instalación solar fotovoltaica con capacidad para 3 kilovatios, Universidad Nacional Abierta y a Distancia (UNAD), Trabajo de Diploma (en opción al título de Tecnólogo en Electrónica), Bogotá, Colombia:, publisher: Universidad Nacional Abierta ya Distancia UNAD, 2016. points out that from the use of these photovoltaic solar systems, a certain amount of electrical energy is saved in a month, for which:

where:

$D_m$ : Days in a month.

Being the energy saved in a year:

To determine the cost of energy saved in a year, the provisions of RESOLUTION 66/2021 Bolaños (2021)BOLAÑOS, M.: “Resolución 66/2021,”, Gaceta Oficial de la República de Cuba, 2021, ISSN: 0864-0793, e-ISSN-1682-7511. of the Ministry of Finance and Prices of the Republic of Cuba were considered, which establish electricity rates in Cuban pesos (CUP) for the collection of electric service. For the specific case of the present investigation, since it is a dairy farm, whose corporate purpose is the production of bovine milk, the system of high voltage rates with continuous activity is considered, specifically the one that responds to the energy consumed during business hours’ day:

where:

a, b: Coefficients to be applied according to the type of rate (1.5282 and 0.7273 CUP/kWh, respectively); K: Fuel price variation adjustment factor; Qcday: Energy consumption in one day, kWh/day.

By analogy, the cost of energy saved in a year can be calculated, which is possible through the equation $Cyear=\left(a.K+b\right).QcA,\frac{CUP}{year}$ :

Methodology for Estimating the Environmental Impact of the Installation

In order to implement these heat machines, it was necessary to know the amount of emissions avoided into the atmosphere. The mass of CO₂ emitted into the atmosphere from the burning of fossil fuels was determined according to Ruisánchez (2018)RUISÁNCHEZ, Y.: Propuesta de instalación de un sistema de calentadores solares de agua en un área de la residencia de la UNAH, Universidad Agraria de La Habana, Trabajo de diploma (en opción al título de Ingeniero Agrícola), San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, publisher: Universidad Agraria de La Habana San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, 2018.:

where:

$\iota$ : Emission rate, $kg/kWh$

According to the National Electrical Union UNE-Cuba (2021)UNE-CUBA: Tarifas de pago de electricidad, Inst. Ministerio de Energía y Minas, La Habana, Cuba, 2021., each kWh produced at the generation plant level emits 1.13 kg of CO₂ into the atmosphere. The mass of fossil fuel needed to produce a given amount of energy in one month was determined by:

where:

$\gamma$ : Fuel consumption index, $kg/kWh$

The assumed value for the consumption rate is 0.262 kg/kWh (ICG-Brasil, 2012ICG-BRASIL: Gases do Efeito Estufa, [en línea], Inst. Instituto do Carbono de Brasil (ICG), 2012, Disponible en: http://www.institutocarbonobrasil.org.br/mudancas.../gases_do_efeito_estuf.; UNE-Cuba 2021UNE-CUBA: Tarifas de pago de electricidad, Inst. Ministerio de Energía y Minas, La Habana, Cuba, 2021.)

Assessment of the Electrical Energy Consumption of 021 Dairy Farm

In 021 Dairy Farm, static electrical loads are basically evident. Systems that have a static load are those in which their electrical consumption does not depend significantly on their state of load (Prado, 2008PRADO, C.: Diseño de un sistema eléctrico fotovoltaico para una comunidad aislada, Universidad de Costa Rica, Trabajo de Diploma (en opción al título de Bachiller en Ingeniería Eléctrica), Costa Rica, 2008.; Encuentra, 2020ENCUENTRA, M.M.: Diseño de una planta de generación solar fotovoltaica, Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona, Tesis de Diploma (en opción al título de Ingeniero en Tecnologías Industriales), Barcelona, España, publisher: Universitat Politècnica de Catalunya, 2020.). Examples of this type of systems are those that involve low and medium power electric motors. Such is the case of electric forage mills and water pumps, among others. In the particular case of the dairy farm under study, a significant part of electricity consumption is associated with water supply and the processing of animal feed (forage milling) and human feed (obtaining and refrigerating milk). That is why its electrical consumption has a great variability, as it is shown in Figure 1.

Based on the analysis, it was found that, during 2021, the highest daily energy consumption was obtained in the months of January, February and April with values ​​of 106,141.5 and 115.9 kWh, respectively, which shows that 021 Dairy Farm is a high consumer of electricity.

Proposal for a Photovoltaic Solar System for the 021 Dairy Farm

For the realization of the proposal of a photovoltaic solar system in areas of 021 Dairy Farm, solar panels marketed by the Cuban company COPEXTEL were used. The corresponding technical data are shown in Table 1.

In addition, Trojan batteries were selected, whose technical data are shown in Table 2.

For this proposal, the inverter that COPEXTEL sells was also taken into account, with a power 20% greater than that demanded by the equipment.

In this case, the use of a maximum power point monitoring regulator is not considered, since the photovoltaic systems that include it constitute systems that improve the efficiency of the installation between 10 and 25%. The fundamental problem with these regulators lies in their high cost for small and medium-sized installations. In the case of the proposal, due to the volume of energy to be generated, it would require a large-capacity regulator with maximum power point tracking capacity, which would raise the total cost of the installation by at least 30 to 40% more just for this concept. (Gasquet, 2004GASQUET, H.L.: Conversión de la luz solar en Energía Eléctrica: Manual Teórico y Práctico sobre los sistemas Fotovoltaicos, Ed. Gasquet, México, 2004.; Acevedo, 2016ACEVEDO, G.F. de J.: Diseño de una instalación solar fotovoltaica con capacidad para 3 kilovatios, Universidad Nacional Abierta y a Distancia (UNAD), Trabajo de Diploma (en opción al título de Tecnólogo en Electrónica), Bogotá, Colombia:, publisher: Universidad Nacional Abierta ya Distancia UNAD, 2016.).

Analysis of the Environmental Impact of the Proposed Installation

Photovoltaic systems, when using a clean energy source to produce electricity, do not consume any type of fossil fuel, thus, with equation (6) $Q_{CM}=L_{md}\bullet D_m,kWh$ , the electrical energy that would not be consumed in one day was determined. In addition, with these results it is possible through expression (10) $M_{{CO}_2}=\iota \bullet Q_{CM},\frac{kg}{month}$ to know the mass of CO₂ not emitted into the atmosphere, being reflected in Table 5.

As evidenced in Table 5, due to the reduction of the fossil fuel required for the production of electrical energy and the mass of CO₂ not emitted into the environment, the economic and environmental feasibility of the introduction of the photovoltaic system in 021 Dairy Farm is demonstrated.

Caracterización del área experimental

La Vaquería 021 de la Granja Universitaria "El Guayabal", perteneciente a la Universidad Agraria de La Habana (UNAH), se encuentra ubicada a los 23°00'12.5" latitud Norte, y 82°09'57.9" longitud Oeste en el municipio San José de Las Lajas, provincia Mayabeque, Cuba. Limita al noroeste con la Vaquería 23, al noreste con la Autopista Nacional, al sureste con la Vaquería 25 y al suroeste con la Vaquería 22. El área total es de 36 ha, con suelo Ferralítico Rojo típico Hernández et al. (2019)HERNÁNDEZ, B.Y.; LEÓN, O.N.A.; VALDÉS, P.G.R.; LEDESMA, P.M.L.; MIRABALES, R.P.D.: “Agricultura familiar y seguridad alimentaria en una finca del municipio de Sancti Spíritus”, Pastos y Forrajes, 42(2): 181-188, 2019, ISSN: 0864-0394. en toda su extensión. Tiene un relieve llano, altura sobre el nivel del mar de 120 m e insolación anual de 1825 kWh/m² (Díaz, 2018DÍAZ, A.J.L.: Incidencia del período interpartal en la vida reproductiva de vacas lecheras en la unidad “Manuel Fajardo”., Universidad de Holguín, Facultad de Ciencias Naturales y Agropecuarias, Tesis de diploma, Holguín, Cuba, publisher: Universidad de Holguín, Facultad de Ciencias Naturales y Agropecuarias Dpto …, 2018.). Las variables meteorológicas registradas durante el periodo 2015-2021 en la Estación Meteorológica Tapaste (Figura.1), mostraron que las temperaturas máximas alcanzadas en la región superaron los 26 ºC entre los meses de junio a septiembre y las más frías descendieron como promedio hasta 20,76 ºC en enero. Las precipitaciones manifestaron incrementos a partir de mayo, e indicaron los valores medios más elevados en junio y agosto con 255,50 y 245,16 mm, respectivamente. La humedad relativa varió entre 72,8 % (mínimo, en marzo) y 84,6 % (máximo, en diciembre), mientras que la velocidad del viento expresó su tope máximo de 5,46 km/h durante el mes de febrero. El comportamiento de estas variables climáticas permite desarrollar satisfactoriamente la ganadería lechera.

Como resultado del estudio del comportamiento del consumo de energía eléctrica en la Vaquería 021, durante el año 2021, se pudo constatar un alto consumo equivalente a un promedio mensual de 3102,083 kWh.

La vaquería dispone de 34 vacas en ordeño, las que alcanzaron una producción promedio de leche diaria durante el 2021, de 7,4 L/vaca, por lo que diariamente esta vaquería acopia un total de 251,6 L/día.

Estimación del consumo de la instalación

Para el dimensionamiento de la instalación solar fotovoltaica, inicialmente se determinó el consumo medio diario crítico de la carga a la que potencialmente se le ha de suministrar energía. Este parámetro está asociado a los días de mayor consumo de energía. Debido a que, en Cuba, el comportamiento de la incidencia de radiación solar no varía bruscamente durante los 12 meses del año, el valor medio mensual de la radiación incidente para un ángulo de inclinación de (18^°-25^°) grados al sur es de 5,00 kWh/m² (Bérriz et al., 2016BÉRRIZ, L.; ÁLVAREZ, W.; PÉREZ, J.; IGLESIAS, M.: Manual de calentadores solares, Ed. Publisher: Ed. Editorial Cubasola, La Habana, Cuba, publisher: Ed. Editorial Cubasolar La Habana, Cuba, 2016, ISBN: 959-7113-49-X.).

Para determinar la energía que ha de entregar el sistema fotovoltaico, se consideraron las pérdidas que involucran las baterías, el inversor y los conductores.

Para calcular el consumo medio diario de la instalación se tuvo en cuenta el consumo medio para cargas constantes y el número de inventarios, debido a que los equipos con los que se trabaja en el área objeto de estudio se someten a cargas estáticas como es el caso de: molino forrajero, sistema de refrigeración, sistema de ordeño mecanizado, bomba de agua, cerca eléctrica e iluminación. Se consideran cargas eléctricas estáticas aquellas que tienen un consumo fijo de energía eléctrica en el tiempo (Prado, 2008PRADO, C.: Diseño de un sistema eléctrico fotovoltaico para una comunidad aislada, Universidad de Costa Rica, Trabajo de Diploma (en opción al título de Bachiller en Ingeniería Eléctrica), Costa Rica, 2008.; Encuentra, 2020ENCUENTRA, M.M.: Diseño de una planta de generación solar fotovoltaica, Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona, Tesis de Diploma (en opción al título de Ingeniero en Tecnologías Industriales), Barcelona, España, publisher: Universitat Politècnica de Catalunya, 2020.).

Por tanto, considerándose la metodología planteada por León et al. (2021)LEÓN, M.J.A.; MOREJÓN, M.Y.; MELCHOR, O.G.C.; ROSABAL, P.L.M.; QUINTANA, A.R.; HERNÁNDEZ, C.G.: “Dimensionamiento de un parque solar fotovoltaico para el Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA)”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 30(4): 101-113, 2021, ISSN: 2071-0054. es posible determinar el consumo medio diario de la instalación, mediante la siguiente expresión $L_{mdn}=\frac{L_{md}}{{\eta }_{bat}\bullet {\eta }_{inv}\bullet {\eta }_{cond}},kWh$ :

donde:

$L_{md}$ : Consumo medio real crítico de la carga, $kWh$ ;

${\eta }_{bat}$ : Eficiencia de las baterías;

${\eta }_{inv}$ : Eficiencia del inversor;

${\eta }_{cond}$ : Eficiencia de los conductores.

Para la determinación de la demanda energética del escenario productivo se realiza un levantamiento de los medios y equipos eléctricos situados en el área objeto de estudio, determinándose la potencia (N) de cada uno de ellos y el tiempo de operación diario (To), con estos dos parámetros se puede determinar la energía consumida diariamente ( $L_{md}$ ) en la instalación, lo cual se puede determinar mediante la expresión $L_{md}\mathrm{}=N\bullet T_0,kWh$ siguiente:

donde:

N: Potencia de los equipos y medios eléctricos, kW;

${\mathrm{T}}_{\mathrm{o}}$ : Tiempo de operación diario, h.

Metodología para el dimensionamiento del sistema fotovoltaico

Para la determinación del número de paneles solares requeridos se empleó un criterio basado en la estimación del consumo de Amperes-hora (Ah) de la instalación según lo recomendado por Hernández (2007)HERNÁNDEZ, L.: “Sistemas fotovoltaicos:¿ Autónomos o conectados a la red?”, Revista Energía y Tú, (38), 2007., siendo el consumo medio de corriente diario requerido:

donde:

$V_{bat}$ : Voltaje de las baterías (12 V), $V$ .

Así mismo, según Alonso (2011)ALONSO, J.: “Manual para instalaciones fotovoltaicas autónomas”, Boletín Solar Fotovoltaica Autónoma, España., 2011, Disponible en: www.sfe-solar.com. y Cantos (2016)CANTOS, S.J.: Configuración de instalaciones solares fotovoltaicas, Ed. Ediciones Paraninfo, SA, Madrid, España, 360 p., 2016, ISBN: 84-283-3756-X., la corriente que debe generar un sistema fotovoltaico en el mes crítico de radiación solar se determina como:

donde:

${HPS}_{crit}$ : horas de sol pico del mes crítico, $h$ .

Luego, siendo $I_{gfv,mpp}$ la corriente generada por el sistema fotovoltaico (el total de placas solares instaladas) y dividirla entre la corriente unitaria de cada módulo fotovoltaico, se obtiene el número total de módulos necesarios a conectar en paralelo (Alonso, 2011ALONSO, J.: “Manual para instalaciones fotovoltaicas autónomas”, Boletín Solar Fotovoltaica Autónoma, España., 2011, Disponible en: www.sfe-solar.com.). De modo que:

donde:

$I_{mod}$ : Corriente unitaria específica de cada módulo fotovoltaico A.

Cada módulo fotovoltaico está compuesto por cuatro paneles, un micro-inversor de inyección a red de 250 W y ocupa un área de 3,12 m².

Metodología para el dimensionamiento del sistema de acumulación

En esta investigación no se consideró la determinación de un sistema de acumulación, dado que concebir este, encarecería considerablemente la introducción de la energía solar fotovoltaica en el escenario objeto de estudio.

Metodología para la estimación del impacto económico de la instalación

Cuando se utiliza un sistema solar fotovoltaico se aprovecha de manera eficiente una energía limpia, renovable y segura. Se contribuye de manera importante en la reducción de gases de efecto invernadero causantes del cambio climático y se mejora de forma considerable la calidad del aire, ya que disminuye significativamente el uso de combustibles fósiles. Producto a lo antes expuesto resulta necesario conocer cuánto se deja de consumir en energía fósil (número de kWh de electricidad evitados mensual y anualmente) con la implementación de este sistema solar fotovoltaico según (Canvi climàtic (2011)ENCUENTRA, M.M.: Diseño de una planta de generación solar fotovoltaica, Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona, Tesis de Diploma (en opción al título de Ingeniero en Tecnologías Industriales), Barcelona, España, publisher: Universitat Politècnica de Catalunya, 2020.; Acevedo 2016ACEVEDO, G.F. de J.: Diseño de una instalación solar fotovoltaica con capacidad para 3 kilovatios, Universidad Nacional Abierta y a Distancia (UNAD), Trabajo de Diploma (en opción al título de Tecnólogo en Electrónica), Bogotá, Colombia:, publisher: Universidad Nacional Abierta ya Distancia UNAD, 2016.). Acevedo (2016)ACEVEDO, G.F. de J.: Diseño de una instalación solar fotovoltaica con capacidad para 3 kilovatios, Universidad Nacional Abierta y a Distancia (UNAD), Trabajo de Diploma (en opción al título de Tecnólogo en Electrónica), Bogotá, Colombia:, publisher: Universidad Nacional Abierta ya Distancia UNAD, 2016. señala que a partir de la utilización de estos sistemas solares fotovoltaicos se ahorra cierta cantidad de energía eléctrica en un mes por lo cual:

donde:

$D_m$ : Días que tiene un mes.

Siendo la energía ahorrada en un año:

Para determinar el costo de la energía ahorrada en un año, se consideró lo establecido en la Resolución 66/2021 Bolaños (2021)BOLAÑOS, M.: “Resolución 66/2021,”, Gaceta Oficial de la República de Cuba, 2021, ISSN: 0864-0793, e-ISSN-1682-7511. del Ministerio de Finanzas y Precios de la República de Cuba, la cual establece las tarifas eléctricas en pesos cubanos (CUP)* para el cobro del servicio eléctrico. Para el caso específico de la presente investigación, al tratarse de una vaquería, cuyo objeto social es la producción de leche bovina, se considera el sistema de tarifas de alta tensión con actividad continua, específicamente la que responde a la energía consumida durante el horario del día:

donde:

a, b: Coeficientes a aplicar según el tipo de tarifa (1,5282 y 0,7273 respectivamente), CUP/kWh; K: Factor de ajuste de variación del precio del combustible; Qcdía: Consumo de energía en un día, kWh/día.

Por analogía se puede el costo de la energía ahorrada en un año, lo cual es posible a través de la ecuación:

Metodología para la estimación del impacto medioambiental de la instalación

Con el objetivo de la implementación de estas máquinas de calor fue necesario conocer la cantidad de emisiones evitadas a la atmósfera. La masa de CO₂ emitida a la atmósfera por concepto de la quema de combustibles fósiles se determinó según Ruisánchez (2018)RUISÁNCHEZ, Y.: Propuesta de instalación de un sistema de calentadores solares de agua en un área de la residencia de la UNAH, Universidad Agraria de La Habana, Trabajo de diploma (en opción al título de Ingeniero Agrícola), San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, publisher: Universidad Agraria de La Habana San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, 2018.:

donde:

$\iota$ : Índice de emisión, kg/kWh.

Según la Unión Nacional Eléctrica UNE-Cuba (2021), cada kWh producido a nivel de planta de generación, emite a la atmósfera 1,13 kg de CO₂. La masa de combustible fósil necesaria para producir una cantidad determinada de energía en un mes se determinó según:

donde:

$\gamma$ : Índice de consumo de combustible, $kg/kWh$ .

El valor asumido para el índice de consumo es de 0,262 kg/kWh (ICG-Brasil, 2012ICG-BRASIL: Gases do Efeito Estufa, [en línea], Inst. Instituto do Carbono de Brasil (ICG), 2012, Disponible en: http://www.institutocarbonobrasil.org.br/mudancas.../gases_do_efeito_estuf.; UNE-Cuba, 2021UNE-CUBA: Tarifas de pago de electricidad, Inst. Ministerio de Energía y Minas, La Habana, Cuba, 2021.).

Valoración del consumo de energía eléctrica de la vaquería 021

En la vaquería 021 básicamente se evidencian las cargas eléctricas estáticas. Los sistemas que poseen carga estática son aquellos en los que su consumo eléctrico no depende de manera significativa del estado de carga de los mismos (Prado, 2008PRADO, C.: Diseño de un sistema eléctrico fotovoltaico para una comunidad aislada, Universidad de Costa Rica, Trabajo de Diploma (en opción al título de Bachiller en Ingeniería Eléctrica), Costa Rica, 2008.; Encuentra, 2020ENCUENTRA, M.M.: Diseño de una planta de generación solar fotovoltaica, Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona, Tesis de Diploma (en opción al título de Ingeniero en Tecnologías Industriales), Barcelona, España, publisher: Universitat Politècnica de Catalunya, 2020.). Ejemplos de este tipo de sistemas son aquellos que involucran motores eléctricos de baja y mediana potencia. Tal es el caso de los molinos forrajeros eléctricos y las bombas de agua, entre otros. En el caso particular de la vaquería objeto de estudio una parte significativa del consumo eléctrico está asociado al abastecimiento de agua y al procesamiento del alimento animal (molinado del forraje) y humano (obtención y refrigeración de la leche). Por ello es que se puede apreciar la gran variabilidad que tiene el consumo eléctrico de la misma como se muestra en la Figura. 1

A partir del análisis se constató que, durante el 2021, el mayor consumo energético diario se obtuvo en los meses de enero, febrero y abril con valores de $106,\mathrm{141,5}y\mathrm{115,9}kWh$ , respectivamente, lo que evidencia que la vaquería 021 es un alto consumidor de energía eléctrica.

Propuesta de un sistema solar fotovoltaico para la vaquería 021

Para la realización de la propuesta de un sistema solar fotovoltaico en áreas de la vaquería 021, se utilizaron los paneles solares comercializados por la empresa cubana COPEXTEL. Los datos técnicos correspondientes se muestran en la Tabla 1.

Además, se seleccionaron las baterías Trojan, cuyos datos técnicos se muestran en la Tabla 2.

Para dicha propuesta también se tuvo en cuenta el inversor que comercializa COPEXTEL, con una potencia 20 % mayor a la demandada por el equipo.

En este caso no se considera el empleo de un regulador de seguimiento del punto de máxima potencia ya que los sistemas fotovoltaicos que lo incluyen, constituyen sistemas que mejoran la eficiencia de la instalación entre 10 y 25 %. El problema fundamental de estos reguladores radica en su elevado costo para instalaciones de pequeño y mediano porte. En el caso de la propuesta, por el volumen de energía a generar requeriría un regulador de gran capacidad con capacidad de seguimiento del punto de máxima potencia, que elevaría el costo total de la instalación al menos en 30 y 40 % más solo por este concepto (Gasquet, 2004GASQUET, H.L.: Conversión de la luz solar en Energía Eléctrica: Manual Teórico y Práctico sobre los sistemas Fotovoltaicos, Ed. Gasquet, México, 2004.; Acevedo, 2016ACEVEDO, G.F. de J.: Diseño de una instalación solar fotovoltaica con capacidad para 3 kilovatios, Universidad Nacional Abierta y a Distancia (UNAD), Trabajo de Diploma (en opción al título de Tecnólogo en Electrónica), Bogotá, Colombia:, publisher: Universidad Nacional Abierta ya Distancia UNAD, 2016.).

Análisis del impacto medioambiental de la instalación propuesta

Los sistemas fotovoltaicos al utilizar una fuente de energía limpia para producir energía eléctrica, no consumen ningún tipo de combustible fósil, así, con la ecuación (6) $Q_{CM}=L_{md}\bullet D_m,kWh$ se determinó la energía eléctrica que se dejaría de consumir en un día. Además, con estos resultados es posible a través de la expresión (10) $M_{{CO}_2}=\iota \bullet Q_{CM},kg/mes$ saber la masa de CO₂ dejada de emitir a la atmósfera, quedando reflejado en la Tabla 5.

Como se evidencia en la Tabla 5, por concepto de reducción del combustible fósil requerido para la producción de la energía eléctrica y la masa de CO₂ no emitida al medioambiente se demuestra la factibilidad económica y ambiental de la introducción del sistema fotovoltaico en la vaquería 021.