i
FACULTAD DE INGENIER
ÍA Y ARQUITECTURA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIER
ÍA MECÁNICA
EL
ÉCTRICA
“Diseño de un sistema h
íbrido de generación eléctrica ON GRID
con energías renovables – Caso Marampampa- Llama – Chota-
Cajamarca”
TESIS PARA OBTENER EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
Ingeniero Mecánico El
ectricista
AUTOR:
Barrera Velásquez, Jorge Ander (ORCID: 0000-0002-7240-7163)
ASESOR:
Dr. Salazar Mendoza, Aníbal (ORCID: 0000-0003-4412-8789)
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN:
Modelamiento y simulación de sistemas electromecánicos
CHICLAYO – PERÚ
ii
Dedicatoria
Esta Investigación está dedicado especialmente a mis padres y hermanos por el apoyo incondicional que me dan y su constante esfuerzo, dedicación, su ejemplo y su cariño para darnos una mejor vida llena de oportunidades y alegrías , gracias por haber creído en mí ya que fue eso lo que me impulso también a culminar con mi carrera profesional.
iii
Agradecimiento
Este es un agradecimiento sincero a Dios Todo poderoso , por darme la fuerza, la sabiduría en momentos críticos para culminar con esta tesis Profesional que es muy importante para seguir avanzando como persona y seguir adelante…etc.
iv Índice de contenidos Dedicatoria ... ii Agradecimiento ... iii Índice de contenidos ... iv Índice de figuras ... v Índice de tablas ... vi Resumen ... vii Abstract ... viii I. INTRODUCCIÓN ... 1
II. MARCO TEÓRICO ... 4
III. METODOLOGÍA ... 20
3.1 Tipo y diseño de investigación ... 20
3.2 Variables y Operacionalización. ... 21
3.3 Población y muestra ... 21
3.4 Técnicas e instrumentos de recolección de datos ... 21
3.5 Procedimientos ... 22
3.6 Método de análisis de datos ... 22
3.7 Aspectos éticos ... 22 IV. RESULTADOS ... 23 V. DISCUSIÓN... 40 VI. CONCLUSIONES... 41 VII. RECOMENDACIONES ... 42 REFERENCIAS ... 43 ANEXOS ... 48 Carátula... i
v
Índice de figuras
Figura 1 Niveles de comodidad de la humedad ... 3
Figura 2 Energía solar de onda corta incidente diaria promedio ... 10
Figura 3 efecto fotovoltaico ... 11
Figura 4 Variación de la velocidad en función de la altura ... 14
Figura 5 Módulos conectados en serie paralelo ... 17
Figura 6 Instalar Software HOMER PRO ... 27
Figura 7 Datos Promedio de Velocidad del Viento ... 28
Figura 8 Datos de Radiación Promedio ... 28
Figura 9 Diagrama Unifilar... 29
Figura 10 Máxima demanda y factor de carga ... 30
Figura 11 Resultados de mejores opciones ... 30
Figura 12 Dimensionamiento sistema eólico aislado ... 31
Figura 13 Características técnicas del aerogenerador ... 32
Figura 14 Aerogenerador Enair 30PRO ... 33
Figura 15 Torre cuatripata de celosía de 12 mts de altura ... 33
Figura 16 Controlador Cargador Eólico ENAIR - pro 120 A 24748 Voltios ... 34
Figura 17 Batería solar Trojan ... 35
vi
Índice de tablas
Tabla 1. Coeficiente de Hellman en función del tipo de terreno ... 14
Tabla 2. Metodología ... 20
Tabla 3 Población Región Cajamarca 1940 – 2017 ... 23
Tabla 4. Censos nacionales ... 24
Tabla 5. Cálculo de la energía promedio diario. ... 25
Tabla 6. Consumo de energía eléctrica diaria para la I.E. n° 101171 – Nivel Primaria ... 25
Tabla 7. Consumo de Energía eléctrica diaria... 26
Tabla 8. Conductividad de cables eléctricos ... 36
Tabla 9. Caída de tensión máxima admisible y tomar en cuenta, según el IDEA 36 Tabla 10. Presupuesto del sistema energético hibrido ... 37
Tabla 11. Ventas de energías netas ... 38
Tabla 12. VAN – TIR ... 38
vii
Resumen
La Electrificación Rural es una de las metas más anheladas del Estado Peruano , pues básicamente el sector rural , Peruano ha sido el más abandonado en cuanto cobertura eléctrica se refiere , pues en la Década de los 90 , durante el gobierno del Ing. Fujimori , la cobertura rural no llegaba ni al 40 % , pero durante el Gobierno del Ing. Fujimori , seguido del Gobierno del Dr. Toledo con una menor celeridad , para aumentar su velocidad en el Segundo Gobierno del Sr García , disminuyendo su ritmo en los gobiernos de los Sres. Humala , Kuczynski he Ing. Vizcarra , llegando a ser en la actualidad una cobertura del 75 % , pero se ha llegado a un nivel donde por el grado de dispersión de las viviendas en el campo , los costos unitarios de electrificar cada vivienda son muy altos , muy por encima de la taza de corte establecido por el Gobierno Peruano ( Eso debido a que por la muy baja demanda eléctrica de las viviendas rurales , es muy poco atractivo el electrificar el campo , por su bajo consumo y sus elevados costos de mantenimiento y costos comerciales ) , por lo que desde hace más o menos una década se inició un programas de electrificación rural basado en redes aisladas con la utilización de la tecnología Fotovoltaica Solar , la Tecnología Eólica , o la combinación de las dos en las llamadas centrales hibridas , pero desde hace unos dos o tres años , con el empuje tecnológico del perfeccionamiento de la Generación Distribuida , la formación de la normatividad que permitirá la producción – consumo distribuido , salvando todos los problemas comerciales y Técnicos
viii
Abstract
Rural Electrification is one of the most desired goals of the Peruvian State, since basically the rural sector, Peruano has been the most abandoned in terms of electricity coverage, because in the 1990s, during the government of Eng Fujimori, coverage rural did not even reach 40%, but during the Government of Eng Fujimori, followed by the Government of Dr. Toledo with less speed, to increase his speed in the Second Government of Mr. García, slowing down in the governments of Messrs. Humala, Kuczynski and Ing Vizcarra, currently reaching 75% coverage, but it has reached a level where, due to the degree of dispersion of homes in the countryside, the unit costs of electrifying each home are very high, well above the cut-off rate established by the Peruvian Government (This is due to the fact that due to the very low electricity demand of rural homes, it is very unattractive to electrify the field, due to its low consumption mo and its high maintenance costs and commercial costs), which is why for more or less a decade a rural electrification programs based on isolated networks began with the use of Solar Photovoltaic technology, Wind Technology, or the combination of the two in the so-called hybrid plants, but for about two or three years, with the technological push to improve Distributed Generation, the formation of regulations that will allow distributed production - consumption, saving all commercial and technical problems
1
I. INTRODUCCIÓN
Si bien se ha avanzado en los últimos años con el desarrollo de la situación actual, seguirá llegando a los 650 millones en 2030. Esto es La AIE nos dio a entender en un comunicado que la cantidad de individuos donde no hay electricidad disminuyo. El progreso es particularmente importante en países como India, Bangladesh, Kenia y Myanmar. (Solorzano, 2017). Mariela Canepa, directora de política peruana, según los informes, el potencial de las energías renovables está latente, no solo para beneficiar al 6% de la población peruana que aún carece de acceso a la electricidad, sino también para satisfacer las necesidades del 100% de la población. Las necesidades del país. Solo en los desiertos costeros, la energía eólica y solar puede cubrir gran parte de la demanda eléctrica del país, pero esta energía renovable no puede llegar ni al 3% de la matriz energética nacional.» (Ramirez, 2018)
En el caserío Marampampa ubicado en Chota. En vista de esta situación y con la finalidad de reducir los efectos negativos al medio ambiente debido a las energías convencionales se propone un sistema con energías renovables.
Historia, se han desarrollado miles de ciudades en el territorio de la provincia de Chota. Las huellas en las rocas que componen las pinturas rupestres o plumas en los acantilados de los muros orientales de los Andes en Pión, Chimbán, Choropampa y Chadín explican los primeros grupos humanos a través de ideogramas. existieron en la región entre 8000 y 2000 que existen. 6000 años antes de Cristo.
Los jeroglíficos están relacionados con los rituales de caza de animales, especialmente ciervos, por lo tanto, los jeroglíficos están relacionados con las actividades de caza y recolección, lo que provocó el posterior desarrollo cultural de la Isla Elefante y formó lo que yo llamo el "Camino CH". Pasa de este a oeste por Chinban-Choropampa-Chadan-Kigiripu-Chalamaka-Cetilla-Churucancha-Chulit Chota, donde se encuentran importantes manifestaciones arqueológicas. Podemos extendernos hacia el este hasta Chachapoyas y hacia el oeste hasta Chongoyape y Chiclayo. (Saenz, 2015)
La arqueología, la etnología y el testimonio lingüístico indican que las actividades básicas de la agricultura comenzaron entre el 1400 y el 1000 a. C. Es decir, en el período correspondiente al período temprano o de formación, según sus
2 necesidades biológicas, los hombres son nómadas estacionales. Este período de tiempo corresponde a la Edad Mesolítica (Edad Neolítica), la edad de los metales y la vejez de la historia. En la edad primitiva, la cultura primitiva se vuelve sedentaria y la gente comienza a fabricar productos cerámicos rústicos. Aparecen expresiones culturales en el área geográfica de Chota (Ramos, 2016)
En la era de la agricultura avanzada, desde el 1000 a. C. hasta c. Comenzó la cultura Weber, según el Dr. Cardenillas, esta es una de las culturas más importantes del Perú, extendiéndose por las actuales provincias de Chota, Cutervo, Huaygayoc y Jaén, Bongara, Chachapoyas, Ayabaca y Huancabamba. Las regiones corresponden a los departamentos de Amazonas, Cajamarca y Piura. Según el Dr. Julio C. Tello, la historia del pueblo es muy importante porque, como dijo, estaba convencido de que Huambos era “el fundador del Imperio Inca y el pueblo que luego se extendió en Perú, y los nombró de manera diferente en su área de ocupación. Posteriormente, durante la expansión del pueblo al Marañón y más tarde la expansión de la alta cultura chauvinista, el territorio de la provincia fue influenciado por Mochica. Durante la era Inca, la zona fue conquistada por Túpac Inca Yupanqui, llevó a cabo un ataque a Pueblo Todos Los Santos de Chota el 1 de noviembre de 1552, 1559 o 1560. Predicación (Tello, 2015)
En Chota, el verano es agradable y nublado, y el invierno es corto, fresco, seco y parcialmente nublado. Durante el año, la temperatura suele oscilar entre los 7 grados Celsius y los 22 grados Celsius, y rara vez desciende por debajo de los 4 grados Celsius o sube a 24 grados Celsius. lo anterior. Según los puntajes turísticos, la mejor época para visitar Chota en el clima más caluroso del año es desde mediados de abril hasta mediados de octubre.(Carbajal, 2016)
Humedad, e terminamos la humedad en función de la comodidad del punto de rocío, porque esto establece si el sudor se evaporará de la piel, enfriando así el cuerpo. La diferencia está en la temperatura la cual se modifica bastante en el día y la noche, el punto de rocío tiende a cambiar lentamente, por lo que, aunque la temperatura baje por la noche, suele ser muy húmedo en un día húmedo. La escala de humedad percibido de Chota (medido por el porcentaje de tiempo en la cual la escala sobre la tranquilidad de la humedad es asfixiante, prepotente o intolerable) no cambia mucho al pasar el año y en realidad esta seguido en 0% (Ochoa, 2017)
3
Figura 1 Niveles de comodidad de la humedad
Fuente. (Ochoa, 2017)
La investigación, responderá a la siguiente formulación ¿De qué manera se puede dimensionar un sistema de generación eléctrica para suministrar energía al caserío Marampampa ubicado en la provincia de Chota, departamento de Cajamarca?
La investigación tiene como objetivo general Dimensionar un sistema híbrido de generación eléctrica on grid , con energías. Con objetivos específicos: Evaluar las energías renovables eólica y solar para el aprovechamiento en la producción de energía eléctrica. Establecer el equipamiento del sistema on grid de generación eléctrica híbrido. Calcular el presupuesto del sistema propuesto y su respectiva evaluación económica financiera
La investigación responderá a la siguiente hipótesis formulada, es que el dimensionamiento de un sistema hibrido de generación de energía eléctrica, permitirá suministrar energía al caserío Marampampa, lo que permitirá brindar nuevas oportunidades a los pobladores de dicho caserío.
4
II. MARCO TEÓRICO
En los antecedentes de estudio Hidalgo (2014) se traza como objetivo analizar e implementar equipos de sistemas híbridos de energía para aprovechar los medios eólicos y solares del lugar, por ejemplo, el estado de la finca "La Merced" de la Asociación de Ganaderos Sincholagua también puede brindar apoyo para futuras investigaciones. La aplicación de tecnologías limpias y renovables tiene como objetivo brindar una salida con respecto a la búsqueda a largo plazo de opciones lucrativas y de poca contaminación, lo que permitirá a la Asociación de Ganaderos de Sincholagua Hacienda La Merced dejar de depender únicamente de las centrales hidroeléctricas para proporcionar energía a sus hogares.
Herbas (2015) en su investigación involucra el análisis de la energía eólica, los instrumentos utilizados para adquirir datos, la selección de los componentes intermedios utilizados con respecto a originar luz eléctrica y la referencia al desempeño por el mismo de todos los componentes existentes. El sistema utiliza recursos de energía solar natural y demuestra el método de convertir energía mecánica en energía eléctrica. El sistema está compuesto por componentes mecánicos, eléctricos, electrónicos y de almacenamiento, formando un sistema de generación de energía. El beneficio de este proyecto es que a partir de la investigación y correcta selección de equipos, los usuarios quedarán satisfechos porque puede cubrir las necesidades energéticas y conectar la universidad con la ciudad de una forma muy agradable. Mediante el uso de anemómetros y piranómetros para obtener información del viento y la radiación solar en el sitio del proyecto para su análisis y demostraciones matemáticas, se muestra que los recursos del paisaje de Palamo de Chalupas son muy adecuados para implementar un sistema eólico Un sistema híbrido compuesto por generadores y energía solar Los paneles se utilizan para generar electricidad, proporcionando así una red eléctrica constante para los hogares de esta industria.
Orellana (2016) en Ecuador indica que la gente está trabajando duro. Loja es una de las primeras ciudades de Ecuador en implementar energía renovable a mayor altitud. La energía normalmente utilizada para el alumbrado público se proporciona por medio de la red, la cual transmite energía de los sistemas de generación de energía convencionales. Cabe mencionar es primordial establecer si hay alternativas idóneas el cual permita recopilar energía con la finalidad de
5 iluminar lugares como carreteras o parques. En la ciudad de Loja se está que se edifica un paso de circunvalación, la cual pasa la ciudad en el extrarradio, con el objetivo de eliminar la congestión de la congestión que hay en el corazón de la ciudad y minimizar la escala de polución. Como todos sabemos, el alumbrado público es muy importante, y debido a la extensión de las carreteras, el alumbrado público se convertirá en un consumo considerable. Es por esto que algunas personas proponen establecer la viabilidad de usar energía renovable en el alumbrado público según el sistema de distribución de EERSSA.
El estudio en la fase primera se centra en lo que concierne a la teoría de la energía solar fotovoltaica y eólica, mostrando el estado actual de estas en Ecuador, y analizando las luces actualmente en uso y que dirección debe tomar en el país. Por lo tanto, se realizó un proceso de información para determinar qué estación meteorológica proporcionará datos sobre radiación solar y velocidad del viento, según la explicación, este es el mes con más y menos recursos de producción de energía. Luego, desarrolle diseños de luz, energía solar y eólica que expongan cómo y cómo realizar las características principales de estos diseños. El proyecto también realizó una evaluación económica a través de un modelo dinámico para lograr un equilibrio.
Hualpa (2014) nos indica que la utilización de energías renovables en distintos lugares de nuestro país el cual necesita datos actualizados a cerca de las particularidades y el manejo sobre la maquinaria alternativa la cual se pueda instalar. Sin embargo, es primordial saber si hay recursos disponibles donde planea instalar. En la actualidad en nuestro país sólo existen datos fiables sobre la energía solar, quizás este hecho haya incidido en que la energía solar sea la más aceptada en nuestro entorno, pero también hay energías eólicas que pueden y deben utilizarse. en este trabajo se estudiaron las características de producción de energía del sistema eléctrico híbrido (energía solar-eólica) en la ciudad de Ilo. La razón para elegir esta ubicación es que tiene datos precisos del viento (velocidad y dirección) proporcionados por el gobierno provincial de Yiluo, así como datos de radiación solar, por lo que la producción de energía del sistema se puede estudiar con precisión. Por esta razón, en el Capítulo 1 se desarrolla un método que permite el procesamiento estadístico de los datos disponibles. Con base en ejemplos hipotéticos pero muy realistas de consumo de energía en áreas rurales, se
6 determinó la demanda de energía requerida para cubrir las necesidades básicas de electricidad y agua. Finalmente, determina la configuración del sistema eólico solar a partir de las alternativas que brinda el mercado, puedes conocer la energía que el sistema puede brindar, y compararla con la alternativa del grupo electrógeno como una de las alternativas. El suministro energético más utilizado de forma aislada en nuestro país.
Servan (2016) tiene como finalidad primordial de las labores es desenvolver un método la cual pueda ejecutar un estudio practico y financiero de sistemas de generación de energía de la más mínima potencia que utilizan energías de renovación y están conectados a la red. En primer lugar, nos indica que debemos establecer la solicitud sobre la energía. Lo que concierne al progreso de su tesis, se seleccionaron algunos casos de análisis de los usuarios que deseen utilizar energías renovables como método de suministro energético para sus viviendas en la comarca. Después de calcular la solicitud de energía, se ejecutó un estudio de estado estable. Utilizando datos meteorológicos de, los datos se obtuvieron en el sitio, después se calcularon el sol y el viento disponibles y el sistema se dimensionó correctamente para los requerimientos energéticos previamente calculados.
Después de determinar el tamaño del sistema, continuamos seleccionando los componentes principales que componen el sistema, realizamos calcular el tamaño la protección eléctrica del sistema, y seleccionamos el tipo de estructura de de instalación. Tener el mejor desempeño en el área del sitio. Una vez seleccionados todos los componentes a instalar y el presupuesto inicial necesario, se determinan los gastos y entradas anuales del proyecto para evaluar la instalación desde un punto de vista económico y estudiar los componentes clave que garantizan la rentabilidad del proyecto.
Para Abad (2016) indica que los seres humanos utilizan energías renovables incluidas la solar, eólica e hidroeléctrica, ya son muy antiguas. Antes de nuestro tiempo, se han utilizado durante muchos siglos y se han utilizado a lo largo de la historia hasta la llegada de la Revolución Industrial. En esa revolución, debido al bajo precio del petróleo, fueron abandonados en los últimos años por el precio del petróleo. petróleo. Los problemas ambientales causados por el aumento de los combustibles fósiles y su desarrollo, hemos sido testigos del renacimiento de las energías renovables. La energía renovable es inagotable y, además, presenta
7 ventajas complementarias, lo que favorece su integración. Por ejemplo, la energía solar fotovoltaica suministra electricidad en días despejados (debido a las ventajas de los anticiclones, generalmente con poco viento), mientras que los aerogeneradores pueden generar más electricidad en días fríos y ventosos que suelen estar nublados.
Así mismo según (Infante , 2019) manifiesta su propósito de este artículo es diseñar un sistema híbrido de energía eólica fotovoltaica para energizar la aldea de Choruro en Huambos, provincia de Cajamarca. Se utiliza el tipo de investigación porque este artículo tiene como objetivo resolver problemas de la vida real. Luego de recolectar los datos y realizar los cálculos, la demanda energética promedio diaria estimada de Choruro es de 31,206 kWh / día. La demanda máxima es de 9 546W.
Según los datos de SENAMHI (Atlas 2003), se puede obtener el valor de 4,75 kWh / m2 / día por día, y del software METEORNOM se puede obtener el valor del caserío Choruro es de 5,71 Kwh / m2 / día. El valor más bajo considerado en el tamaño del sistema fotovoltaico es de 4,61 kWh / m2 / día. En cuanto a la velocidad del viento, se han obtenido datos de estaciones meteorológicas convencionales para obtener el promedio de Huambos, y luego la información de la estación meteorológica automática Chota. El sistema fotovoltaico incluirá: 30 paneles fotovoltaicos de 300 Wp marca YINKO, 16 baterías de 503 Ah marca ROLLS, 03 regulador de carga marca VICTRON ENERGY 150/60, 02 inversor 48 / 6000-230 V debe ser marca SOLAR; aerogenerador ENAIR de 5 kW y su controlador. Y elementos de protección.
Por otro lado Santos (2019) señaló que se utilizan para generar electricidad para insuficiente en la Aldea Lushukapampa. Después de completar el cálculo, obtenemos: La energía diaria promedio estimada del cortijo. Aplicable a 28 viviendas y 01 lugares públicos. Enero y agosto de la estación meteorológica automática de Wambos. En cuanto, que es de 4,35 kWh / día según la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA), y 4,75 kWh / día. El valor de 4,35 kWh se utiliza todos los días para determinar el tamaño del sistema de energía eólica solar fotovoltaica híbrida.
Vásquez Díaz (2019) en la tesis titulada El diseño del sistema híbrido eólico-solar simulado por HOMER puede satisfacer la demanda energética de la aldea
8 Lanchémonos-Chota-Cajamarca. El objetivo general de la tesis es darse cuenta de los problemas que existen debido al uso insuficiente de energía, es decir, el diseño del tamaño del sistema eléctrico de aislamiento de energía solar y eólica del cortijo Lanchémonos modelado en el software HOMER de Chota-Cajamarca, lo que significa que la baja calidad de la vida es por eso que se adopta la investigación Tipo, porque implica la resolución de problemas de la vida real. Una vez obtenida y procesada la información sobre el cortijo Lanchémonos, son: La demanda energética media diaria estimada para las viviendas y espacios públicos del cortijo Lanchémonos es de 31.840 kWh y la potencia instalada es de 5,92 kW. La información, el promedio mensual obtenido de ella varía entre 5,68 m / Sy 7,80 m / s. Para la radiación solar: Según la información de la NASA, la media mínima mensual es de 4,61 kWh / m2 / día. Se simuló el sistema eléctrico eólico y solar aislado, y se obtuvo la necesidad de los siguientes equipos: 01 aerogenerador ZONHAN 1.5 kW y 330 Wp Jinko maca 28 paneles fotovoltaicos, 24 baterías 8 OPzS 800 marca HOPPECKE. La contribución del aerogenerador fue del 21,40% y el generador fotovoltaico aportó el 78,60% de la pérdida de carga del 3,66%. El costo del sistema propuesto es S / 204 781.70.
Una vez presentado los antecedentes de estudio se presenta las teorías relacionadas (Ministerio de Agricultura y Riego, 2015) La energía renovable es lo que concierne a la energía que se genera continuamente o llega a nuestro planeta, y es inagotable en tiempo real. Según diferentes usos, se pueden dividir en dos tipos: energía renovable convencional compuesta por energía hidráulica de alta potencia y energía renovable no convencional compuesta por energía solar, energía eólica, energía de biomasa, energía geotérmica, energía de pico hidráulico y energía mareomotriz. Y sistema hidráulico de baja potencia. Se dividen aproximadamente en combustibles fósiles y combustibles nucleares. Las fuentes esenciales de energía renovable a considerar en este documento: Energía eólica: Se produce al transformar la energía cinética del viento en energía eléctrica mediante turbinas eólicas. Energía Solar fotovoltaica: Utiliza la radiación solar convirtiéndola directamente en electricidad. En Perú, se usa en áreas remotas.
Osinergmin (2016) indica que la energía solar es parte de la vida y es donde se inicia la mayor parte de las otras energía que aporta la radiación solar a la tierra equivale a energía consumida por todos los seres humanos. Por lo tanto, la
9 radiación solar captada correctamente por los paneles solares se modificar en distintas maneras de energía. Mediante la utilización requieren diferentes tecnologías que son independientes entre sí. Asimismo, en las centrales termo solares, la energía térmica entender por los colectores solares se puede utilizar para causar electricidad.
Energía solar en el mundo La energía solar siempre se ha utilizado en la vida diaria y en el trabajo a domicilio, pero no fue hasta el siglo XIX cuando se empezó a investigar la aplicación de una tecnología que permitiera utilizar esta energía como calor y electricidad a escala comercial y a gran escala. En el proceso de comenzar a generar electricidad a través de la alimentadas por paneles solares, y su uso en el transporte terrestre y aéreo se está estudiando rápidamente. En la actualidad, Alemania tiene la producción más alta de todos los países del mundo, seguida de cerca por España e Italia.
Posteriormente, algunos países de América del Sur comenzaron a utilizar esta energía, incluidos plantas de energía son Estados Unidos, India y China. La primera de ellas utilizó la zona desértica de California para construir tres grandes fábricas, que se consideran la fábrica con mayor capacidad instalada. (EDUCAR, 2016)
La energía solar es una alternativa a la energía de combustión de Minas, la radiación solar anual en las montañas del Perú es muy alta. En Perú ha desarrollado tres regiones que utilizan energía solar. La primera (y más tradicional) región es la región.
En estas regiones hay alrededor de 30 empresas que se especializan, lo que supondrá reducir, agua donde se necesita. Otro ámbito en el que se ha avanzado esta cifra asciende al 22%. Según la Administración General de Electrificación Rural, todavía hay unas 500.000 viviendas en zonas rurales que no pueden ser atendidas a través del programa de electrificación pública.
Es un proyecto financiado por el Banco Mundial, el Fondo para el Medio Ambiente Mundial-GEF y el MEM, que ha subsidiado el suministro eléctrico de 2.216 hogares a través de sistemas piloto fotovoltaicos. Además, dentro del plan, habrá otros subproyectos en la cartera para cubrir más de escala (energía eólica) diseñadas para proporcionar energía para trabajos rurales, escuelas y sitios comunitarios.
10 Sampen (2017) indica que La tercera área de desarrollo, y la más prometedora, es el área (RER) que surgirá de la franquicia de 4 plantas solares conectadas
Como hemos visto, “el sector solar abarca. Curiosamente, en este último caso, el avance ha impulsado el pequeños y medianos. Por ejemplo, en áreas urbanas, se puede desarrollar para integrar instalaciones fotovoltaicas.
Son enormes. Desafortunadamente, todavía hay una falta de conocimiento que pueda hacer un uso completo de estas áreas. Energía solar en Chota, esta sección considerará la variación estacional de la duración del día, la elevación del sol sobre el horizonte y la absorción de la radiación solar, lo que implica grande. Elementos atmosféricos. (SachunJ, 2018)
Del 26 de julio al 19 de septiembre, por metro cuadrado. En el día más brillante del año, la energía media por metro cuadrado es de 6,3 kWh. Del 24 de enero al 19 de mayo, el período más oscuro del año duró 3,8 meses y la. En los días más oscuros, la energía media por metro cuadrado es de 4,9 kWh..
Figura 2 Energía solar de onda corta incidente diaria promedio
Fuente. (JulianA, 2016)
Horas del sol pico (HSP) es el número de horas para una supuesta este es un método de contar agrupando la energía del sol, y la energía recibida por cada "paquete" de 1 hora es de 1000 vatios por metro cuadrado(JulianA, 2016). Para luego calcular el valor HPS, el valor de la irradiancia incidente debe dividirse por el valor de la potencia irradiada en condiciones de medición estándar (STC), porque las características eléctricas del módulo fotovoltaico se pueden cumplir en estas
11 condiciones. El valor de irradiancia en la condición de medición estándar 30 es de 1000 vatios por metro cuadrado. Es decir, si los datos de irradiancia solar para una fecha determinada se pueden obtener y dividir por 1000, se puede obtener el HSP. Por ejemplo, si irradiamos 3800 Kwh / m2 y lo convertimos a HSP, lo dividimos por 1000 W / m2 para obtener 3.8 HPS.
Cuando la radiación solar cae sobre la unión PN del material semiconductor, el enlace se rompe y el campo eléctrico E dirige las cargas de electrones y huecos para establecer una diferencia de potencia que alimenta la carga, se produce el efecto fotovoltaico. Las células fotovoltaicas están hechas de materiales semiconductores, y cuando la luz solar cae sobre la capa superior al excitar los electrones, se produce una reacción que genera una pequeña corriente, lo que genera una reacción.(Herrera, 2016)
Figura 3 efecto fotovoltaico
Fuente. (Herrera, 2016)
El movimiento de las palas del aerogenerador, la energía cinética la convierte en fuerza mecánica y luego en electricidad. Ocurre en áreas terrestres y marinas, como parques o granjas, y consiste en un conjunto de turbinas eólicas interconectadas eléctricamente. Energía Eólica en el Mundo, es la capacidad instalada global actual de energía eólica es de 591 GW, un aumento del 9,6% desde finales de 2017. La capacidad instalada total de energía eólica terrestre aumentó un 9% en 208, mientras que la terminal de energía eólica, según GWEC, aumentó un 20% a 23 GW. En cuanto al mercado de la tierra, el consejo enfatizó que aunque el mercado mundial de la tierra está disminuyendo un 3,9% anual, el crecimiento en regiones en desarrollo como América Latina, el sudeste asiático y África es alentador. En estas áreas, el 10% de las nuevas turbinas en tierra se instalaron en
12 2018 (4,8 GW). En cuanto a la energía eólica marina, en 2018 se instalaron 4,49 GW, lo que eleva la capacidad instalada global a 23 GW. Por primera vez, la capacidad instalada de China en el exterior superó a cualquier otro mercado (1,8 GW), seguida del Reino Unido (1,3 GW) y Alemania (0,9 GW) (Renewable Energy, 2019).
GWEC predice que la energía eólica marina se convertirá en un mercado global en crecimiento. Si el gobierno mantiene sus compromisos y continúa llevando a cabo proyectos e inversiones, el volumen anual de instalación en Asia puede llegar a 5 GW o más. GWEC predice que en los Estados Unidos, el mercado de energía eólica marina en desarrollo alcanzará 1GW en 2022-2 023. (Bojorquez, 2018).
La energía eólica tiene un gran potencial en América Latina. Debido a la densidad de población relativamente baja, las largas distancias y las necesidades de energía de las áreas remotas, América Latina ofrece un entorno ideal para el uso de la energía eólica. Las necesidades energéticas de zonas ventosas pero remotas o remotas, como islas caribeñas, montañas y mesetas de los Andes, montañas centroamericanas y la vasta sabana (llanuras, Cerrado, Chaco y Pampas) de la región y otras comparadas con cualquier alternativa método, el mantenimiento se puede realizar de manera más eficiente con la ayuda de turbinas eólicas. En comparación con la energía solar, aumenta a medida que crecen. eficacia.
Por lo tanto, en áreas remotas con una demanda significativa de energía, la energía eólica puede ser una tecnología más adecuada. Si se planifica cuidadosamente, la instalación de turbinas eólicas tendrá pocos efectos adversos en el ecosistema, y en grandes áreas deshabitadas del área, pueden tener poco o ningún impacto estético y sonoro. La energía eólica complementa bien la red en la región, en la que domina la generación de energía hidroeléctrica, porque en comparación con la generación de energía térmica, la generación de energía hidroeléctrica puede responder fácilmente al viento intermitente, y la generación de energía térmica suele ser menos flexible; y, al menos en la región en algunas áreas, la estación seca tiene los vientos más fuertes, precisamente cuando la energía hidroeléctrica está más restringida.
13 Finalmente, a diferencia de otros tipos de tecnología energética, la disponibilidad relativamente fácil de tecnología de energía eólica significa que puede fabricarse localmente. Por ejemplo, Brasil requiere Utilizando materias primas locales y equipos de energía eólica de fabricación local, uno de los principales fabricantes de la región es una empresa argentina (Rufin, 2015)
La ubicación de la zona de alta presión en el Pacífico Sur permanece casi sin cambios durante todo el año, el viento en la costa es muy constante y bastante fuerte (la corriente de marea de Humboldt es causada en parte por la misma constelación meteorológica). Lo ideal es la costa norte (Piura) y la costa cercana a Nazca. Esta impresionante visualización casi en tiempo real de Merry de Earth Nullschool Net utiliza supercomputadoras para crear animaciones aclamadas que reflejan estas situaciones. Al hacer zoom en la imagen y hacer clic en cualquier estación, puede ver la velocidad del viento y las coordenadas de la estación seleccionada. Presione el menú "Tierra", puede cambiar la configuración y las opciones. Esta es otra animación de viento basada en los mismos datos.
Más importante aún, debido a la estabilidad y continuidad del viento, sus condiciones son más favorables que las de los países / regiones nórdicas, donde la intensidad del viento cambia a menudo. Para aprovechar esta excelente energía, Perú licitó la instalación de los tres primeros grandes parques eólicos en 2010. El primer parque abrió en mayo de 2014. El cuarto parque se puso en marcha en febrero de 2016 y los otros tres parques también ganaron premios. Creemos firmemente que este es solo el comienzo de utilizar el enorme potencial para generar energía a partir de la energía eólica existente en nuestro país.
El Atlas Eólico Peruano contiene información detallada sobre la enorme capacidad de energía eólica disponible. También puede descargar gráficos de dirección del viento por departamento, altura (50, 80 y 100 m) y densidad de energía mensualmente. (Santos , Villalobos, 2019) Límite de Betz, el científico alemán Albert Betz (Albert Betz) está considerado pionero en la tecnología de aerogeneradores, porque determinó la energía máxima disponible del viento, por lo que en 1919, el físico alemán Betz (Betz) en su "Energía eólica" La definición en el libro se publicó en 1926; solo 16/27 (59% de eficiencia) se pueden usar para convertir la energía cinética del viento en energía mecánica utilizada por las
14 turbinas eólicas, y se le inyectan conocimientos sobre las turbinas eólicas (energía eólica). Leyes aplicables a generadores con rotores de disco. (Bocanegra, 2017)
𝑃𝑑 = 0.48 𝑥 𝐷2𝑥 𝑉3… … (𝐸𝑐. 1)
De donde : Pd es la potencia de abatimiento expresada en vatios [Watts], P es la potencia aprovechable expresada en vatios [Watts], D es el diámetro del rotor en metros [m], 𝒗 es la velocidad del viento en metros por segundo [m/s]
Ley de Hellman, la velocidad del viento cambia con el cambio de altitud, siguiendo aproximadamente una ecuación estadística, la ley del exponente de Hellmann, en la forma:
𝑣 (ℎ) = 𝑉0 𝑥( ℎ ℎ0)1
2
Figura 4 Variación de la velocidad en función de la altura
Fuente. (Santos , Villalobos, 2019)
Tabla 1. Coeficiente de Hellman en función del tipo de terreno
Tipo de terreno A
Lugares llanos con hielo o hierba 0,08 – 0,12 Lugares llanos (mar, costa) 0,14
Terrenos poco accidentados 0,13 – 0,16
Zonas rústicas 0,2
Terrenos accidentados o bosques 0,2 – 0,26 Terrenos muy accidentados y ciudades 0,25 – 0,4
Fuente. (Santos , Villalobos, 2019)
Además del viento, "la energía eólica disponible también depende de la densidad del viento. La densidad del viento depende de varios factores. Para
15 calcularlo, hay varias formas de considerar la humedad del aire, la temperatura, la altitud, la presión atmosférica, etc. La densidad del aire es muy Los cálculos precisos para aproximar el viento no tienen sentido, porque el error en el cálculo aproximado es mucho mayor que una décima parte del cambio en la densidad. Por lo tanto, el valor de la densidad del aire utilizado en los siguientes cálculos: 𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒=1,2 𝑘𝑔/𝑚3.
Distribución de probabilidad de WEIBULL, su característica es que utiliza dos parámetros, parámetro de forma y parámetro de escala, que es el método más utilizado para estimar la velocidad del viento. (Santa Cruz, 2018)
𝑓(𝑣) =𝑘 𝑐𝑥 ( 𝑣 𝑐) 𝑘−1𝑥 𝑒[𝑣𝑐𝑘] 1 − ∫ 𝑓(𝑣) 𝑣 0 = 1 − 𝑘 𝑐𝑥 ( 𝑣 𝑐) 𝑘−1𝑥 𝑒[𝑣𝑐𝑘] 𝐹(𝑣) = 1 − 𝑒[𝑣𝑐𝑘]𝑒𝑛𝑡𝑜𝑛𝑐𝑒𝑠 𝑒[ 𝑣 𝑐𝑘] = 1 − 𝐹(𝑣)
Aplicando logaritmo Neperiano tenemos : ln ( 1 1 − 𝑓(𝑣)) = ln (𝑒 −(𝑣𝑐)𝑘 ) ln ( 1 1 − 𝑓(𝑣)) = ( 𝑣 𝑐) 𝑘
La ecuación anterior responde a la ecuación de la línea de la siguiente manera:
𝑦 = 𝑘𝑥 + 𝑏 𝑦 = ln (ln ( 1
1 − 𝑓(𝑉)))
𝑥 = ln (𝑣)
El sistema híbrido posibilita mezclar 2 tipos de diferentes de energía lo cual recoger en todo su apogeo los recursos solares y eólicos y complementarse entre sí, lo que tiene múltiples beneficios acerca de distintos sistemas únicos y es un método alternativo para producir electricidad libre de contaminación. Sistema híbrido: energía fotovoltaica y eólica, compuesto por módulos fotovoltaicos y aerogeneradores para captación de energía. Dado que las horas pico de funcionamiento de Los sistemas de energía eólica y solar fotovoltaica se producen en diferentes épocas del año, y es más probable que los sistemas híbridos generen electricidad cuando los necesite.
16 El sistema híbrido es un sistema autónomo y puede funcionar sin estar conectado al sistema de distribución. En una era en la que no hay generación de sistemas eólicos ni solares, la mayor parte de los sistemas híbridos funcionan con baterías y / o generadores de motores que funcionan con combustibles convencionales como el diésel. Si la batería está agotada, el generador del motor puede proporcionar energía y cargar la batería. (Engima, 2019)
Ventajas de un sistema híbrido, si no hay energía (nublado o tranquilo), el sistema aún podrá proporcionar energía desde una fuente de energía de respaldo. La energía limpia y libre de emisiones se puede utilizar como una fuente de energía de respaldo o suplementaria confiable. Cuando hay luz solar y viento fuerte, la batería se cargará más rápido. El sistema fotovoltaico requiere muy poco mantenimiento (limpieza si es necesario). Los aerogeneradores solo requieren un mantenimiento regular (inspección rotatoria y lubricación de las partes móviles). Desventajas de un sistema híbrido. Las condiciones climáticas son impredecibles y los sistemas híbridos no se pueden utilizar como la principal fuente de energía para aplicaciones críticas. Si el sistema no puede generar suficiente energía, la batería no se cargará completamente en un momento conveniente. Si se genera demasiada energía, el exceso de energía simplemente se desperdiciará» (Herbas M. , 2016).
Componentes de un sistema híbrido eólico fotovoltaico, panel solar o modulo fotovoltaico, es un dispositivo la cual permite acaparar la energía de la radiación solar y la convierte en energía eléctrica. Sin embargo incluye colectores solares lo cuales se utilizan la energía solar para producir agua caliente sanitaria. Los paneles fotovoltaicos constan de muchas baterías que convierten la luz en electricidad. La batería también se llama célula fotovoltaica. Estos dependen del efecto fotoeléctrico, que utiliza energía luminosa para generar cargas positivas y negativas en dos tipos diferentes de semiconductores cercanos por energía luminosa, Esto crea un campo eléctrico capaz de generar corriente. Hasta ahora, los materiales más utilizados son el silicio cristalino y el arseniuro de galio.
Además de su función de adherirse a la cubierta exterior, también puede reducir posibles vibraciones y golpes. Protección posterior. - Suele estar fabricado en acrílico y silicona, sin embargo, en la actualidad los más usados: TEDLAR o
17 EVA. Se utiliza con respecto a salvaguardar el panel de los medios atmosféricos, principalmente para evitar la humedad.
Son cables de cobre los cuales se utilizan para recolectar la energía la cual transmite el módulo y se ubican en una caja en la parte posterior del módulo, que evita que entre humedad. De igual forma pueden estar conformados por componentes protectores (como diodos de derivación) para protegerte de sombras parciales.
Figura 5 Módulos conectados en serie paralelo Fuente. (Toapanta, 2018, p.36)
En la actualidad, la tecnología del automóvil se está desarrollando rápidamente, brindando mayores beneficios y seguridad a los usuarios, gracias a la tecnología electrónica, cada vez tiene una mayor influencia en el sistema mecánico del automóvil, logrando así una mayor eficiencia y versatilidad en el mundo (Toapanta, 2018, p.36). Reguladores de carga, este es un dispositivo electrónico que se utiliza para evitar la sobrecarga de la batería. El regulador de carga se puede encontrar por separado o integrado en el aparato.
Los productos electrónicos de la vida diaria, como los cargadores de teléfonos móviles o portátiles, son ejemplos de productos que utilizan un regulador de carga para evitar la sobrecarga de la batería. El estabilizador de voltaje es el componente principal del sistema fotovoltaico. Responsable de generar electricidad a partir de energía solar. El regulador de carga tiene una función para evitar la sobrecarga de la batería. La sobrecarga no solo acortará la vida útil de la batería. Incluso existe peligro de incendio o explosión. Además de evitar una posible sobrecarga, el regulador también puede evitar que las baterías de ciclo profundo se
18 descarguen en exceso. Esto se puede lograr cortando automáticamente la corriente de la batería o enviando una señal visual o audible» (Cuenca, 2018)
Para los sistemas fotovoltaicos, los paneles, módulos y paneles solares se pueden desconectar total o parcialmente de la batería sin dañar la batería. A medida que la batería de ciclo profundo alcanza la carga máxima, el controlador de carga desconecta gradualmente la energía de la batería solar. El controlador de carga puede evitar que la batería se descargue por completo, ya que esto puede hacer que disminuya la eficiencia de funcionamiento de la batería. El controlador de carga también puede estar equipado con un voltímetro y un amperímetro para monitorear el nivel de voltaje de la batería (un parámetro para determinar su nivel de carga). Además, el regulador de voltaje puede tener un fusible incorporado o diferencial para centralizar las conexiones eléctricas del sistema fotovoltaico.» (CIPTA, 2016)
El regulador MPPT puede ajustar adaptarlo a las características de la batería conectada. Hoy en día, los reguladores que se utilizan en casi todas las instalaciones son en comparación con PWM pueden incrementar la producción de energía en un 30%. (TECNOLOGÍA, s.f.)
Por lo que pueden denominarse reguladores mono etapa. El regulador permite que toda la corriente disponible fluya a través del generador fotovoltaico (PV) hasta que el voltaje de la batería alcance un valor predeterminado (más o menos 14,5 V se considera una carga completa). En este valor, la corriente se interrumpe. Para valores por debajo de 12V en la batería, restablecerá todas las rutas de corriente desde el generador fotovoltaico a la batería. El controlador de carga PWM es más económico que MPPT (menos que MPPT) y es una solución ideal para pequeños sistemas fotovoltaicos. En estos sistemas fotovoltaicos, el precio puede ser el punto clave, o no se requieren la máxima eficiencia y potencia adicional. (Tecnologia, 2018)
Batería, un acumulador o "batería" es un dispositivo responsable de almacenar energía, que se utiliza para su eliminación cuando el panel fotovoltaico no puede satisfacer la solicitud de energía. Las baterías utilizadas en la industria fotovoltaica son principalmente de plomo-ácido, aunque las baterías de níquel-cadmio se utilizan en zonas de difícil acceso, ya no se utilizan debido a la grave contaminación.
19 El inversor, es un dispositivo encargado de convertir la corriente continua en corriente alterna para hacer funcionar la carga que puede suministrar energía de forma continua. Tenga en cuenta la sobrecarga al arrancar el inversor. Capacidad de sobrecarga: Esta es la capacidad máxima que el inversor debe proporcionar mayor que la potencia nominal en un período de tiempo. Rendimiento:
Aerogenerador, una turbina eólica es un dispositivo que convierte la energía cinética del viento en energía eléctrica. Las turbinas eólicas pueden tener múltiples aplicaciones. Funcionamiento: es muy sencillo: el viento golpea las palas del aerogenerador y las hace girar, y este movimiento de rotación se transmite al generador a través del sistema de doble velocidad. El generador generará corriente que fluye hacia la línea de transmisión. Para asegurar siempre el suministro de energía, las baterías deben estar equipadas.
El rotor, los elementos transforman la energía eólica en energía mecánica. El rotor está compuesto por tres partes básicas: la pala, el eje (que transmite el movimiento de rotación de la pala al aerogenerador) y el buje (fijación de la pala al eje). Las palas son el elemento más importante porque su diseño aerodinámico les permite soportar la acción del viento y moverse. Están hechos de resina de poliéster y fibra de vidrio, tienen una estructura fuerte y su tamaño depende de la tecnología utilizada y la velocidad del viento.
La torre es un elemento fijo, un elemento fijo que coloca el rotor y el mecanismo conectado a él a una altura ideal. Está construido sobre una base de hormigón armado (cimentación) y atornillado a él. La torre es tubular y debe ser lo suficientemente fuerte para soportar todo el peso y el estrés del viento, la nieve, etc. Generalmente en su parte inferior se encuentra un armario eléctrico, que actúa sobre los elementos de generación de energía a través del armario eléctrico y contiene todo el sistema de cableado desde la góndola y el transformador de tensión reforzado. Hay una escalera a la parte superior exterior.»
20
III. METODOLOGÍA
3.1 Tipo y diseño de investigación
Este estudio es no experimental, ya que la variable independiente no es manipulada deliberadamente para ver su impacto en otras variables. Se basa en la observación de las variables en su entorno natural para su posterior análisis. Por lo tanto, los investigadores no pueden controlar las variables independientes porque el evento ha ya ocurren.
Esta investigación se inicia describiendo las características ambientales del área de estudio , tales como temperatura , humedad , horas de sol , Irradiancia e Irradiación solar, para pasar a describir las mejoras posibles de implementar en cuanto a Panales Solares y Turbinas Eólicas y los resultados óptimos en calidad y costos que se pueden obtener , para luego pasar a determinar los niveles o rangos de inversión necesarios , así como demostrar su viabilidad económica financiera tanto a criterios privados , como a criterios sociales , contribuyendo de esta manera a mejorar los niveles de vida ( Índice de Desarrollo Humano ) , de la sociedad Peruana.
La investigación es descriptiva, porque el problema se observa y describe de forma natural sin la intervención o intervención de los investigadores, pero sigue siendo aplicada o técnica, porque tiene como objetivo resolver científicamente la producción, distribución y cualquier actividad humana. La circulación y el consumo de Los bienes y servicios (sistemas eléctricos interconectados) son principalmente industria, infraestructura, comercio, comunicaciones, servicios (electricidad), etc. La razón por la que se le llama "aplicación" es que proponemos métodos para resolver problemas e hipótesis de trabajo basados en los hechos del análisis o en la base de la ciencia formal, investigación pura o básica, para resolver el problema de la vida social productiva (servicio eléctrico) . Se llama tecnología porque sus productos no son conocimientos científicos puros, sino conocimientos técnicos.
Tabla 2. Metodología Estudio T1 M1 O1 M2 O2 M3 O3 M4 O4 M5 O5
21 Dónde: M1 , M2 , M3 , M4 y M5 son muestras
O1 , O2 , O3 , O4 y O5 son observaciones 3.2
Variables y Operacionalización.
- Variable Independiente
Tipo y Dimensiones de Paneles y Aerogeneradores - Variable Dependiente.
Rangos de Potencia y Energía Eléctrica Producidos on Grid Operacionalización (Ver Anexo 01)
3.3 Población y muestra
Como población y muestra se está considerando el Caso Marampampa – Llama en Chota en Cajamarca
3.4 Técnicas e instrumentos de recolección de datos 3.4.1 Técnicas de recolección de datos
- Observación: Utilice las computadoras portátiles como herramientas para
recopilar información sobre las condiciones actuales de los pueblos, casas y cargas especiales, y también use cámaras para probar la existencia de investigadores en el área bajo investigación.
- Análisis documental: Las herramientas utilizadas son: libros, revistas,
artículos, normas técnicas peruanas e internacionales relacionadas con los sistemas de energía eólica fotovoltaica, que se utilizan como base del marco teórico.
- Entrevista: Los cuadernos y lápices se utilizan como herramientas para
recopilar información sobre la carga eléctrica que se utilizará cuando se genere electricidad para calcular la energía eléctrica requerida por el pueblo.
3.4.2 Instrumentos de recolección de datos
- Análisis documental esta técnica se utilizó debido a que para la elaboración
del marco teórico se consultó fuentes bibliográficas relacionadas con sistemas híbrido eólico fotovoltaico tales como: tesis, revistas científicas, articulo, libros.
- La Entrevista, con la entrevista se recopiló información de los equipos
22 su potencia y horas de utilización datos necesarios para calcular la energía promedio diaria por unidad de vivienda.
- Observación directa, con esta técnica se logró conocer la problemática
existente en el caserío Marampampa.
3.5 Procedimientos
La investigación será verificada por expertos en la materia (especialización en ingeniería mecánica eléctrica), encuesta y opiniones de aplicación de datos del método Delphi y el responsable de la investigación de datos secundarios designado por la universidad. Verificarán si la herramienta auxiliar de recolección de datos es el aspecto metodológico de este estudio (de acuerdo al contenido determinado en la guía de evaluación de productos observables) para determinar los parámetros modificados en el diseño y construcción del tanque de almacenamiento de combustible.
3.6 Método de análisis de datos
La información obtenida de la entrevista se utilizó para calcular la energía diaria promedio estimada y la demanda máxima, y se calculó y seleccionó el equipamiento del sistema autónomo de energía en base a los datos de radiación solar y velocidad del viento. Use MS Excel 2016 para organizar los resultados en tablas y gráficos, y use estadísticas descriptivas y distribución de probabilidad WEIBULL para administrar los datos de velocidad del viento.
3.7 Aspectos éticos
Como investigador, prometo respetar los derechos de propiedad intelectual, la fiabilidad de los datos proporcionados por la empresa y la precisión de los resultados. En mi investigación actual, la variante propuesta de diseño de la máquina no tendrá un impacto negativo en la sociedad. , sino al contrario, los beneficios de hacerlo, pues servirá para paliar el efecto invernadero y sus consecuencias , así como apoyar la sustitución de combustibles y el cambio a una nueva matriz energética
23
IV. RESULTADOS
4.1 Determinar el consumo de energía eléctrica promedio diaria y máxima demanda requerida en el caserío Marampampa.
El caserío de Marampampa se encuentra ubicado en la parte norte del distrito de Llama, provincia de Chota en Cajamarca y cuenta con un área geográfica bastante accidentada e inaccesible y está muy alejado de la capital del distrito. Se ha observado que la población de dicho caserío no cuenta con el servicio de energía eléctrica siendo complicada su implementación a través de la alimentación de las redes eléctricas existentes, ya que la red de media tensión de 13,2 kV más cercana se encuentra a 13 km; por lo tanto, se propone diseñar un Sistema Eléctrico Aislado con energía renovable. Por ello, consideramos los siguiente.
Demanda Energética para el Caserío de Marampampa Población del caserío de Marampampa. El Caserío de Marampampa pertenece al distrito de Llama , provincia de Chota, departamento de Cajamarca. Dicho caserío se encuentra ubicado en la parte Norte a unos 37,7 KM del distrito de Llama.
Tabla Coordenadas del caserío de Marampampa Coordenadas Latitud: Longitud: -6.34961666667 -78.9510883333 Fuente: (INEI, 2017). Elaboración propia. El Caserío de Marampampa está conformado por 77 habitantes distribuidos en 21 viviendas, además, cuenta con un local comunal y una escuela (I.E Nivel Primaria). Proyección de la población del caserío de Marampampa a 20 años. Con el fin de encontrar la energía total para poder diseñar el sistema eléctrico aislado, proyectamos a 20 años la población y el número de viviendas.
Tomamos 20 años de proyección porque la vida útil promedio de los aerogeneradores y paneles fotovoltaicos es 20 años. Para poder calcular la población y las viviendas proyectadas a 20 años. Primero calculamos la tasa de crecimiento promedio anual de la población censada del departamento de Cajamarca.
Tabla 3 Población Región Cajamarca 1940 – 2017
Años/Dpto 1940 1961 1972 1981 1993 2007 2017 Cajamarca 494412 746938 919161 1026444 1259808 1387809 1341012 Nota. Fuente: INEI – Censos nacionales de población y vivienda
24 Con los datos del INEI - Censos Nacionales de Población y Vivienda 1940, 1961, 1972, 1981, 1993, 2007 y 2017. Calculamos la tasa de crecimiento poblacional utilizando la siguiente formula:
𝑖 = √𝑝𝑓 𝑝𝑜− 1 𝑛 Dónde: I : Tasa de crecimiento (TC) Po : Población inicial
Pf : Población después de “n” años o población final n : Diferencia
Tabla 4. Censos nacionales
Año de los censos I= tasa de crecimiento (%)
1940 – 1961 2 1961 – 1972 1.9 1972 – 1981 1.2 1981 – 1993 1,7 1993 – 2007 0,7 2007 – 2017 -0.3
Fuente. INEI – Censos Nacionales
Una vez obtenido la tasa de crecimiento promedio (i = 1,2% = 0,012), proyectamos la población para 20 años. Aplicamos la siguiente formula:
𝑃20 = 𝑃0 (1 + 𝑖)𝑛
Dónde:
i : Tasa de crecimiento poblacional = 1,2% = 0,012 Po : Población actual = 77
P20 : Población proyectado a 20 años n : 20 años
𝑃20 = 77 (1 + 0.012)20 = 98 ℎ𝑎𝑏𝑖𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠
La población proyectada a 20 años es de 98 habitantes. Con este dato encontrado de la proyección de la población, calculamos el número de viviendas proyectado a 20 años. Aplicamos la siguiente formula:
25 𝑉20 = 𝑉0 (𝑃20
𝑃0) Dónde:
V20: Viviendas proyectado a 20 años V0 : Viviendas actuales = 21
𝑉20 = 21 (98
77) = 27 𝑣𝑖𝑣𝑖𝑒𝑛𝑑𝑎𝑠 Las viviendas proyectadas a 20 años de 27 viviendas. Tabla 5. Cálculo de la energía promedio diario.
Artefactos eléctricos Potencia eléctrica Cantidad de artefactos Horas de consum o diario (h/día) Energía consumid a diaria (kWh) Potencia instalada (W) w Kw
Foco ahorrador (sala) 18 0,018 1 3 0.054 18
Foco ahorrador (cocina) 18 0,018 1 3 0.054 18
Foco ahorrado (dormitorio) 18 0,018 1 2 0.036 18 Foco ahorrador (corredor) 18 0,018 1 3 0.054 18 Televisor 100 0,0100 1 4 0.4 100 DVD 20 0,020 1 4 0.08 20 Radio 20 0,020 1 5 0.1 20 Celular 10 0,010 1 2 0.04 20 Total 0.818 232
Fuente. Elaboración propia
De la figura 22 se obtuvo que la energía consumida diaria de una vivienda particular sea de 0,818 kWh y la potencia instalada sea de 232 W
Tabla 6. Consumo de energía eléctrica diaria para la I.E. n° 101171 – Nivel Primaria
Artefactos eléctricos Potencia eléctrica Cantidad de artefactos Horas de consumo diario (h/día) Energía consumida diaria (kWh) Potencia instalada (W) w Kw Foco ahorrador 18 0.018 5 3 0.27 90 Laptop 75 0.075 2 2 0.3 150 Radio 20 0.02 1 1 0.02 20 Celular 10 0.01 2 2 0.4 20 Total 0.99 280
26 Tabla 7.Consumo de Energía eléctrica diaria
Artefactos eléctricos Potencia eléctrica Cantidad de artefactos Horas de consumo diario (h/día) Energía consumi da diaria (kWh) Potencia instalada (W) w Kw Foco ahorrador 18 0.018 5 3 0.27 90 Radio 20 0.02 1 2 0.04 20 Celular 10 0.01 1 2 0.02 10 Total 0.33 120
Fuente. Elaboración propia
Se obtuvo que la energía consumida diaria del local comunal sea de 0,33 kWh y la potencia instalada sea de 120 W.
Una vez obtenido la energía consumida diaria y la potencia instalada para viviendas particulares, I.E. N° 101171 – Nivel Primaria y el local comunal; calculamos la energía total promedio diaria y la potencia instalada, proyectadas a 20 años.
La energía total promedio diaria para el caserío Marampampa es: 𝐸𝑇 = (0,818 kWh)(27) + (0,63 kWh) + (0,33 kWh) = 23,05 kWh La potencia instalada para el caserío Marampampa es
𝑃𝐼 = (232 𝑊)(27) + (280 𝑊) + (120 𝑊) = 𝑊 = 6,66 𝑘𝑊
Cálculo de la máxima demanda. Consideramos la situación crítica de la máxima demanda. Esto quiere decir que cuando la máxima demanda es igual a la potencia instalada, por lo tanto la máxima demanda es:
𝑀𝐷 = (6 264 𝑊) + (280 𝑊) + (120 𝑊) = 𝑊 = 6,66 𝐾𝑤
4.2 Evaluar las energías renovables eólica y solar para el aprovechamiento en la producción de energía eléctrica.
Para determinar el tipo de sistema con energía renovable, utilizamos como herramienta principal al Software HOMER PRO. El Software HOMER PRO es una herramienta fundamental que nos permite seleccionar, simular y optimizar el diseño de microrredes o sistemas de energías renovables, utilizando recursos naturales. El software HOMER PRO® de HOMER Energy fue obtenido por un periodo de prueba gratuita de 21 días y fue descargado de la página oficial de HOMER de la siguiente dirección URL: https://www.homerenergy.com/products/pro/index.html El objetivo de utilizar el software HOMER PRO es determinar el tipo de sistema con
27 energía renovable con el cual se va electrificar el caserío de Marampampa ; ya sea con energía fotovoltaica, energía eólica o un sistema híbrido
Primero se procedió a instalar el software HOMER PRO que fue obtenido por un periodo de prueba gratuita de 21 días.
Figura 6 Instalar Software HOMER PRO
Luego se procedió a ingresar la base de datos del recurso eólico (velocidad del viento) y del recurso solar (radiación solar). Velocidad del viento (m/s).
La velocidad del viento tiene que superar a la velocidad de puesta en marcha o arranque (valor mínimo necesario para vencer los rozamientos y comenzar a producir trabajo útil), para que sea posible el arranque del aerogenerador.
Los datos de la velocidad del viento promedio se obtuvieron del SENAMHI de la sede Chiclayo, previa presentación de la documentación requerida
Los datos de la velocidad del viento por hora se obtuvieron de la página web oficial del SENAMHI, que se encuentra en la siguiente dirección URL: https://www. senamhi.gob.pe/ main.php?dp= cajamarca&p =estaciones. Se obtuvieron 8760 datos de velocidad del viento en metros por segundo (m/s). Mediante un documento de notas, los 8760 datos fueron ingresados al software HOMER PRO para su evaluación y optimización. Se muestra como el software HOMER PRO promedia los datos por meses (12 meses).
28 Figura 7 Datos Promedio de Velocidad del Viento
Radiación solar (kWh/m2/día). Los datos de radiación solar fueron obtenidos directamente de la NASA, mediante el software HOMER PRO. El software HOMER PRO importa los datos de radiación solar directamente de la página oficial de la NASA y lo muestra sólo los datos promedio por meses (12 meses).
29 Luego ingresamos al software HOMER PRO la energía total promedio diaria que es igual a 23,05 kWh. Proponemos el equipamiento para el sistema propuesto y procedemos a ingresar los datos técnicos de cada equipo al software HOMER PRO, para que éste se encargue de calcular la potencia requerida para el sistema eléctrico propuesto. El equipamiento que requiere el software HOMER PRO para su evaluación y optimización son los siguientes:
Aerogenerador:
Proponemos un aerogenerador marca Enair 30PRO de 3 kW de potencia
- Panel solar: Proponemos un panel solar marca Jinko 325W 24V Policristalino - Inversor o convertidor: Proponemos un inversor Cargador 8000W 48V MPPT
120A Must Solar
- Baterías: Proponemos dos modelos de baterías: Batería Estacionaria 2V 290Ah Hoppecke 4 OPzS 200
- Batería Solar Trojan AGM SAGM 12V 205A
La cual, el software HOMER PRO se encargará de seleccionar el tipo de batería más adecuada al sistema eléctrico aislado a diseñar y la más rentable.
30 Figura 10 Máxima demanda y factor de carga
El software HOMER PRO calcula la máxima demanda y el factor de carga: Máxima demanda o pico de demanda = 4,28 kW Factor de carga (Fc) = 0,22 = 22%
Figura 11 Resultados de mejores opciones Analizamos las dos primeras opciones, según análisis de costos:
Primera opción: Observamos que la primera opción es un sistema eólico, Presenta un costo de la energía eléctrica que es S/ 0.540, un costo presente neto de S/ 44, 550.00, y un capital inicial de S/ 46,150.00.
31 Segunda opción: Observamos que la segunda opción es un sistema híbrido. Presenta un costo de la energía eléctrica que es S/ 0.540, un costo presente neto de S/ 44, 592.00, y un capital inicial de S/ 46,198.00. Comparando la primera opción con la segunda opción, vemos que presentan el mismo costo de la energía eléctrica, el costo presente neto y el capital inicial de la primera opción es menor que el de la segunda opción.
por lo tanto seleccionamos la primera opción, que es un sistema eólico; ya que presenta un menor costo de inversión en la implementación de dicho sistema, es más rentable y más económico.
4.3 Determinar el equipamiento del sistema on grid de generación eléctrica híbrido.
Figura 12 Dimensionamiento sistema eólico aislado Cálculos previos.
Habitantes proyectados a 20 años : 98 habitantes Viviendas proyectadas a 20 años : 27 viviendas Energía total consumida promedio diaria es:
𝐸𝑇 = (0,818 𝑘𝑊ℎ)(27) + (0,63 𝑘𝑊ℎ) + (0,33 𝑘𝑊ℎ) = 23,05 𝑘𝑊ℎ = 23 050 𝑊ℎ
32 𝑃𝐼 = (232 𝑊)(27) + (280 𝑊) + (120 𝑊) = 𝑊 = 6,66 𝑘𝑊 = 6 660 𝑊
Máxima demanda de carga:
𝑀𝐷 = (6 264 𝑊) + (280 𝑊) + (120 𝑊) = 𝑊 = 6,66 𝑘𝑊 = 6 660 𝑊 Factor de carga:
𝐹. 𝑐. = 23050
6660 𝑥 16= 0,22 = 22% 16 es el número de horas utilizadas en el día.
Intensidad de corriente del sistema de 48 V:
𝐼𝑐𝑠 = 𝑃𝑖𝑛𝑠𝑡.
𝑉 𝑠𝑖𝑠𝑡.𝑥 1,25 = 6660
48 𝑥 1,25 = 173,44 𝐴
1,25 es el factor de seguridad que se considera para evitar daños. Factor de potencia:
𝐹𝑝 = 𝑃 𝑉 𝑥 𝐼=
6660
48𝑋173,44= 0,8
a. Dimensionamiento del aerogenerador.
Proponemos un aerogenerador marca Enair de 3 kW de potencia y con una torre de 12 metros, ya que, según sus especificaciones técnicas , su gráfica de producción anual de energía, su gráfica de la curva de potencia y mediante la selección, simulación y optimización del software HOMER PRO, se determinó que si cumple con abastecer la máxima demanda del sistema eléctrico aislado.
Figura 13 Características técnicas del aerogenerador Potencia instalada es:
33 Figura 14 Aerogenerador Enair 30PRO
Torre cuatripata de celosía de 12 m de altura.
Una torre de 12 metros de altura y cuatro pies con rejilla soldada diseñada específicamente para el aerogenerador E30PRO de la marca Enair. El nuevo diseño de la serie PRO utiliza tecnologías innovadoras como la dinámica de fluidos computacional y se ajusta estrictamente al estándar IEC61400-2. Estas tecnologías, que son típicas de la industria aeroespacial, aumentan la eficiencia de la generación de energía, reduciendo así el ruido. Esto, combinado con la gran durabilidad de la turbina eólica, la convierte en una máquina profesional de alto rendimiento.
34
b. Dimensionamiento del controlador de carga.
𝑃 = 𝑉 𝑥 𝐼 > 𝐼 𝑒. 𝑠. =𝑃𝑎 𝑉𝑠 𝐼𝑟. 𝑐. = 𝐼𝑒. 𝑠. 𝑥 1.25
Intensidad de corriente de entrada al sistema I e,s : Potencia del aerogenerador
Vs: Voltaje del sistema
Ir,c : Intensidad nominal de corriente del regulador de carga
𝐼 𝑒. 𝑠. =3000
48 = 62,5 𝐴 𝐼 𝑟. 𝑐. = 62.5 𝑥 1.25 = 78.13 𝐴
Como el sistema es de 48 V y la intensidad nominal de corriente del regulador de carga es de 78,13 A, por lo tanto, la compañía de aerogeneradores Enair recomienda seleccionar el controlador cargador EÓLICO ENAIR - PRO - 120A – 24/48V , debido a que la corriente eléctrica es de 120 amperios y es mayor a la corriente requerida que es 78,13 amperios y así proporcionar el máximo rendimiento.
Figura 16 Controlador Cargador Eólico ENAIR - pro 120 A 24748 Voltios
c. Dimensionamiento del banco de baterías.
Sus ventajas son una alta resistencia en climas fríos, su auto descarga sobre el tiempo es mínimo y tiene la eficiencia más alta de todas las baterías de plomo (hasta 95%). Tienen una baja resistencia interna que permite corrientes altas. Mediante la siguiente formula, determinamos la capacidad nominal del banco de baterías:
