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UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA
Facultad de Ingeniería Industrial
Escuela Profesional de Ingeniería Mecatrónica
PROGRAMA DE ACOMPAÑAMIENTO PARA ELABORACIÓN DE INFORME FINAL DEL TRABAJO DE SUFICIENCIA PROFESIONAL EN LA ESPECIALIDAD DE INGENIERÍA
MECATRÓNICA - VERSIÓN I-2021
TRABAJO DE INVESTIGACIÓN
“DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA UNA LÍNEA DE
PRODUCCIÓN DE PRODUCTOS OFTÁLMICOS EN LA CIUDAD DE
PAITA”
Presentado por:
Br. Chiroque Ayala Jesús Joel
Br. Nuñez Navarro Cesar O’Brayan Nicolás
Br. Palomino Acaro Pedro Jeisson Polark
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE
INGENIERO MECATRONICO.
Línea de investigación:
Informática, electrónica y telecomunicaciones
Sub-Línea de Investigación:
Automatización y control
Piura, Perú
UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA
Facultad de Ingeniería Industrial
Escuela Profesional de Ingeniería Mecatrónica
PROGRAMA DE ACOMPAÑAMIENTO PARA ELABORACIÓN DE INFORME FINAL DEL TRABAJO DE SUFICIENCIA PROFESIONAL EN LA ESPECIALIDAD DE INGENIERÍA
MECATRÓNICA - VERSIÓN I-2021
TRABAJO DE INVESTIGACIÓN
“DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA UNA LÍNEA
DE PRODUCCIÓN DE PRODUCTOS OFTÁLMICOS EN LA CIUDAD
DE PAITA”
Línea de Investigación:
INFORMÁTICA, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
Sub-Línea de Investigación
AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL
LOS SUSCRITOS DECLARAMOS QUE EL PRESENTE TRABAJO DE
INVESTIGACIÓN ES ORIGINAL, EN SU CONTENIDO Y FORMA
_______________________ Bach. Chiroque Ayala,
Jesús Joel AUTOR
__________________________ Bach. Nuñez Navarro, Cesar O´Brayan Nicolás
AUTOR
__________________________ Bach. Palomino Acaro,
Pedro Jeisson Polark AUTOR
_______________ ______________
Mg. Jorge Florentino Ma San Zapata ORCID 0000-0002-2426-5463
ASESOR
_____________________________ Mg. Carmen Zulema Quito Rodríguez
ORCID: 0000-0002-4340- 5732 COASESOR
DECLARACIÓN JURADA
DE ORIGINALIDAD DE TRABAJO DE INVESTIGACION
Yo: CESAR O´BRAYAN NICOLAS NUÑEZ NAVARRO identificado con CU/DNI
-Nº 72361997, Bachiller de la Escuela Profesional Ingeniería Mecatrónica, de la Facultad
de Ingeniería Industrial y domiciliado en Av. G -67 del Distrito de Pariñas, Provincia de
Talara, Departamento Piura. Celular 981529304. Email: [email protected]
DECLARO BAJO JURAMENTO: que el trabajo de investigación que presento a la
Oficina Central de Investigación (OCIN), es original, no siendo copia parcial ni total de
un trabajo de investigación desarrollado, y/o realizado en el Perú o en el Extranjero, en
caso de resultar falsa la información que proporciono, me sujeto a los alcances de lo
establecido en el Art. Nº 411, del código Penal concordante con el A1i. 32º de la
Ley Nº 27444, y Ley del Procedimiento Administrativo General y las Normas Legales de
Protección a los Derechos de Autor.
En fe de lo cual firmo la presente.
Piura 15 de Julio del 2021.
NUÑEZ NAVARRO CESAR O’BRAYAN NICOLAS
DNI Nº 72361997
Articulo 411.- El que, en un procedimiento administrativo, hace una falsa declaración en relación 11 hechos o circunstancias que le corresponde probar, violando la presunción de veracidad establecida por ley, será reprimido con pena privativa de libertad no menor de uno ni mayor ele cuatro años.
Art. 4. Inciso 4.12 del Reglamento del Registro Nacional de Trabajos de Investigación para optar grados académicos y títulos profesionales-RENATI Resolución de Consejo Directivo N" 0.'l.'l-2016-STJNF.OTJ/Cd
DECLARACIÓN JURADA
DE ORIGINALIDAD DE TRABAJO DE INVESTIGACION
Yo: JESUS JOEL CHIROQUE AYALA identificado con CU/DNI -Nº 76665337,
Bachiller de la Escuela Profesional Ingeniería Mecatrónica, de la Facultad de Ingeniería
Industrial y domiciliado en Av. Miguel Grau del Distrito de Castilla, Provincia de Piura,
Departamento Piura. Celular: 930451847. Email: [email protected]
DECLARO BAJO JURAMENTO: que el trabajo de investigación que presento a la
Oficina Central de Investigación (OCIN), es original, no siendo copia parcial ni total de
un trabajo de investigación desarrollado, y/o realizado en el Perú o en el Extranjero, en
caso de resultar falsa la información que proporciono, me sujeto a los alcances de lo
establecido en el Art. Nº 411, del código Penal concordante con el A1i. 32º de la
Ley Nº 27444, y Ley del Procedimiento Administrativo General y las Normas Legales de
Protección a los Derechos de Autor.
En fe de lo cual firmo la presente.
Piura 15 de Julio del 2021.
JESUS JOEL CHIROQUE AYALA
DNI Nº 76665337
Articulo 411.- El que, en un procedimiento administrativo, hace una falsa declaración en relación 11 hechos o circunstancias que le corresponde probar, violando la presunción de veracidad establecida por ley, será reprimido con pena privativa de libertad no menor de uno ni mayor ele cuatro años.
Art. 4. Inciso 4.12 del Reglamento del Registro Nacional de Trabajos de Investigación para optar grados académicos y títulos profesionales-RENATI Resolución de Consejo Directivo N" 0.'l.'l-2016-STJNF.OTJ/Cd
DECLARACIÓN JURADA
DE ORIGINALIDAD DE TRABAJO DE INVESTIGACION
Yo: PEDRO JEYSSON POLARK PALOMINO ACARO identificado con CU/DNI
-Nº 42784546, Bachiller de la Escuela Profesional Ingeniería Mecatrónica, de la Facultad
de Ingeniería Industrial y domiciliado en A.H 18 DE MAYO I -29 DISTRITO DE PIURA ,
PROVINCIA DE PIURA, DEPARTAMENTO PIURA Celular 942980276 Email:
[email protected]
DECLARO BAJO JURAMENTO: que el trabajo de investigación que presento a la
Oficina Central de Investigación (OCIN), es original, no siendo copia parcial ni total de
un trabajo de investigación desarrollado, y/o realizado en el Perú o en el Extranjero, en
caso de resultar falsa la información que proporciono, me sujeto a los alcances de lo
establecido en el Art. Nº 411, del código Penal concordante con el A1i. 32º de la
Ley Nº 27444, y Ley del Procedimiento Administrativo General y las Normas Legales de
Protección a los Derechos de Autor.
En fe de lo cual firmo la presente.
PIURA, 15 DE JULIO DE 2021
PALOMINO ACARO PEDRO JEYSSON POLARK
DNI Nº 42784546
Articulo 411.- El que, en un procedimiento administrativo, hace una falsa declaración en relación 11 hechos o circunstancias que le corresponde probar, violando la presunción de veracidad establecida por ley, será reprimido con pena privativa de libertad no menor de uno ni mayor ele cuatro años.
Art. 4. Inciso 4.12 del Reglamento del Registro Nacional de Trabajos de Investigación para optar grados académicos y títulos profesionales-RENATI Resolución de Consejo Directivo N" 0.'l.'l-2016-STJNF.OTJ/Cd
INDICE
RESUMEN... 13
ABSTRACT... 14
INTRODUCCIÓN...15
CAPÍTULO I: ASPECTOS DE LA PROBLEMÁTICA... 16
1.1. DESCRIPCIÓN DE LA REALIDAD PROBLEMÁTICA...16
1.2. JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA...17
1.3. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN... 17
1.3.1. Objetivo General...17
1.3.2. Objetivos Específicos... 18
1.4. DELIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN... 18
CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO...19
2.1. ANTECEDENTES... 19
2.2. BASES TEÓRICAS... 20
2.2.1. Radiación solar... 20
2.2.2. Energía solar fotovoltaica...21
2.2.3. Módulo fotovoltaico o panel solar...22
2.2.4. Acumulador o batería recargable...25
2.2.5. Reguladores... 26
2.2.6. Inversor fotovoltaico...27
2.2.7. Sistema fotovoltaico... 28
2.2.8. Dimensionamiento de los componentes del sistema fotovoltaico... 29
2.3. GLOSARIO...31
2.4. MARCO LEGAL...33
CAPÍTULO III. MARCO METODOLÓGICO...38
3.1. ENFOQUE Y DISEÑO...38
3.2. SUJETOS DE INVESTIGACIÓN... 38
3.4. TÉCNICAS E INSTRUMENTOS... 39
3.5. ASPECTOS ÉTICOS... 39
CAPITULO IV: RESULTADOS Y DISCUSION...40
4.1. ANALISIS DE LA POTENCIA INSTALADA DE LA EMPRESA...40
4.1.1. Lista de máquinas y sistemas instalados en la empresa...40
4.1.2. Valores de potencia de planta general... 57
4.2. HORA SOLAR PICO EN PIURA... 59
4.3. CÁLCULO DE LA INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA...60
4.3.1. Cálculo de los paneles solares... 60
4.4. CALCULO DE BATERÍAS...61
4.5. CÁLCULO DEL INVERSOR...62
4.5.1. Inversor 1: 200KVA Riello Sirio PS... 62
4.5.2. Inversor 2: 160KVA Riello Sirio PS... 63
4.5.3. Inversor 3: 80KVA Riello Sirio PS... 64
4.6. DISEÑO DEL TABLERO ELÉCTRICO PARA LA INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA.66 4.7. ELECCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS... 69
4.7.1. Coordenadas geográficas de Paita... 69
4.7.2. Orientación de paneles solares...69
4.7.3. Inclinación del panel solar...71
4.7.4. Distancia mínima entre filas de módulos...71
4.7.5. Elección de estructuras... 71
4.8. PRESUPUESTO DE LA INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA... 73
4.9. DISCUSIÓN DE RESULTADOS...74
CONCLUSIONES...76
RECOMENDACIONES...77
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 78
INDICE DE TABLAS
Tabla 4.1 : Valor de potencia instalada del Tanque de fabricación...43
Tabla 4.2 : Valor de potencia consumida del Tanque de fabricación... 43
Tabla 4.3 : Valor de potencia instalada de la Bomba centrífuga sanitaria... 44
Tabla 4.4 : Valor de potencia consumida de la Bomba centrífuga sanitaria... 44
Tabla 4.5 : Valor de potencia instalada del Purificador de agua...45
Tabla 4.6 : Valor de potencia consumida del Purificador de agua...45
Tabla 4.7 : Valor de potencia instalada del Posicionador de botellas... 46
Tabla 4.8 : Valor de potencia consumida del Posicionador de botellas... 46
Tabla 4.9 : Valor de potencia instalada de la Máquina Envasadora...47
Tabla 4.10 : Valor de potencia consumida de la Máquina Envasadora... 47
Tabla 4.11 : Valor de potencia instalada de la Máquina Etiquetadora...47
Tabla 4.12 : Valor de potencia consumida de la Máquina Etiquetadora... 48
Tabla 4.13 : Valor de potencia instalada de la Máquina Encartonadora...48
Tabla 4.14 : Valor de potencia consumida de la Máquina Encartonadora...49
Tabla 4.15 Valor de potencia instalada de la Balanza dinámica...49
Tabla 4.16 : Valor de potencia consumida de la Balanza dinámica...49
Tabla 4.17 : Valor de potencia instalada de la Mesa acumuladora...50
Tabla 4.18 : Valor de potencia consumida de la Mesa acumuladora...50
Tabla 4.19 : Valor de potencia instalada del Compresor de aire... 51
Tabla 4.20 : Valor de potencia consumida del Compresor de aire... 51
Tabla 4.21 : Valor de potencia instalada del Secador de aire... 52
Tabla 4.22 : Valor de potencia consumida del Secador de aire... 52
Tabla 4.23 : Valor de potencia instalada de la Caldera industrial...53
Tabla 4.24 :Valor de potencia consumida de la Caldera industrial...53
Tabla 4.25 : Valor de potencia instalada de la Máquina Chiller...53
Tabla 4.26 : Valor de potencia consumida de la Máquina Chiller...54
Tabla 4.27 : Valor de potencia instalada de la Bomba de agua... 54
Tabla 4.28 : Valor de potencia consumida de la Bomba de agua... 55
Tabla 4.29 : Valor de potencia instalada del Sistema de iluminación... 55
Tabla 4.30 : Valor de potencia consumida del Sistema de iluminación... 55
Tabla 4.32 : Valor de potencia consumida del Sistema de tomacorrientes...56
Tabla 4.33 : Valor de potencia instalada del Sistema de aire acondicionado... 57
Tabla 4.34 : Valor de potencia consumida del Sistema de aire acondicionado... 57
Tabla 4.35 : Valores de potencia consumida de planta general... 58
INDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 : Radiación Solar...20
Figura 2.2 : Tipos de radiación solar...21
Figura 2.3 : Conexionado de células fotovoltaicas de un módulo fotovoltaico... 22
Figura 2.4 : Componentes de un módulo fotovoltaico... 24
Figura 2.5 : Conexionado de paneles solares... 25
Figura 2.6 : Baterías o acumuladores para sistemas fotovoltaicos...26
Figura 2.7 : Batería solar... 27
Figura 2.8 : Inversor solar... 28
Figura 4.9 : Plano de distribución de equipos y sistema de aire acondicionado... 40
Figura 4.10 : Distribución del Sistema de Iluminación...41
Figura 4.11 : Plano de Distribución de tomacorrientes...42
Figura 4.12 : Gráfico estadístico de las potencias consumidas en la planta... 59
Figura 4.13 : Hora solar pico en Piura... 60
Figura 4.14 : Leyenda Planos Eléctricos...66
Figura 4.15 : Plano Eléctrico para el Inversor1...67
Figura 4.16 : Plano Eléctrico para el Inversor 2...68
Figura 4.17 : Plano Eléctrico para el Inversor 3...69
Figura 4.18 : Ángulo acimut de un módulo fotovoltaico...70
Figura 4.19 : Ángulo de inclinación de un panel solar... 70
RESUMEN
El Proyecto desarrollado para una empresa de Productos Oftálmicos en la ciudad de Paita-Piura tiene como propósito principal diseñar un sistema fotovoltaico para asegurar el abastecimiento sin interrupciones de la energía eléctrica para los diferentes procesos de producción de la empresa, lo cual se logró mediante el análisis del consumo de los equipos y sistemas de la empresa en sus horas de trabajo durante el día, por lo cual se desarrolló una investigación con un diseño no experimental, debido a que se quiere buscar un resultado final sin la manipulación intencional de las variables, los resultados que se llegaran a obtener, ayudaron al dimensionamiento adecuado del sistema con un consumo diario máximo de 1615.35Kw-h, obtenido mediante el análisis especifico de la cantidad de potencia por día de los 14 equipos y de los 4 sistemas de la empresa que han sido plasmados de forma descriptiva en la presente investigación. En base a la potencia fotovoltaica se calculó utilizar un total de 808 paneles solares de 400w con 516 baterías de 12V / 250Ah y la etapa de potencia y conversión eléctrica estará representada por 03 inversores Riello de 200 KVA, 160 KVA y 80 KVA.
Para las especificaciones de los componentes que formarían parte del sistema fotovoltaico se diseñó previamente un sistema de protección eléctrico para asegurar un ciclo de vida prolongado de la instalación fotovoltaica. Y, con el fin de elegir la marca y modelo de los componentes del sistema fotovoltaico, se realizó un análisis de precios en el mercado nacional, dando como resultado un presupuesto de 1’889 450.05 soles para la instalación y puesta en marcha del sistema fotovoltaico para la línea de producción analizada.
ABSTRACT
The main purpose of the Project developed for an Ophthalmic Products company in the city of Paita-Piura is to design a photovoltaic system for continuous improvement in its different production processes of the company, which was achieved by analyzing the consumption of the equipment and systems of the company in their working hours during the day, for which an investigation was developed with a non-experimental design, because we want to seek a final result without the intentional manipulation of the variables, the results that will be reached obtain, they helped the adequate sizing of the system with a maximum daily consumption of 1615.35Kw-h, obtained through the specific analysis of the amount of power per day of the 14 equipment and the 4 systems of the company that have been described in a descriptive way in the present investigation. Based on the photovoltaic power, it was calculated to use a total of 808 400w solar panels with 516 12V / 250Ah batteries and the power stage and electrical conversion will be represented by 03 Riello inverters of 200 KVA, 160 KVA and 80 KVA.
For the specifications of the components that would be part of the photovoltaic system, an electrical protection system was previously designed to ensure a long life cycle of the photovoltaic installation. And, in order to choose the brand and model of the components of the photovoltaic system, a price analysis was carried out in the national market, resulting in a budget of 1'889 450.05 soles for the installation and start-up of the photovoltaic system. for the analyzed production line.
INTRODUCCIÓN
La energía solar, es la energía obtenida mediante la captación de la luz y el calor emitidos por el sol. La radiación solar que alcanza la Tierra pude aprovecharse por medio del calor que produce, como también a través de la absorción de la radiación, por ejemplo, en dispositivos ópticos o de otro tipo. Es una de las llamadas energías renovables particularmente del grupo no contaminante, conocido como energía limpia o energía verde y por ende se ha convertido en un servicio vital a nivel global.
Los sistemas fotovoltaicos es un tipo de energía limpia la cual se basa en la transformación de los rayos solares en energía eléctrica, en el Perú gracias a su ubicación demográfica implementarla es muy recomendada y en la Región Piura implementarla se vuelve aún más viable debido a la cercanía con la Línea Ecuatorial.
En la actualidad el uso de la energía eléctrica convencional es fundamental y a su vez muy contaminante con el medio ambiente, por ello distintos países y organizaciones a nivel mundial están promoviendo el uso nuevas formas de obtención de energía eléctrica que sean amigables y poco contaminantes como lo es la energía fotovoltaica.
A continuación, se detallará el análisis y desarrollo del presente informe de investigación realizado en el siguiente orden: cálculo de la potencia total consumida de la empresa (14 equipos y 4 sistemas), cálculo del número de paneles solares a utilizar, cálculo del inversor, baterías, así como un presupuesto de los componentes del sistema
Las conclusiones del presente trabajo de investigación que se lograron llegar son: se logró diseñar un sistema fotovoltaico para una línea de producción de productos oftálmicos ubicado en la ciudad de Paita provincia de Piura capaz de suministrar de energía eléctrica planta en general promoviendo la mejora continua en las etapas de los procesos de la empresa
CAPÍTULO I: ASPECTOS DE LA PROBLEMÁTICA
1.1. DESCRIPCIÓN DE LA REALIDAD PROBLEMÁTICA
El Perú es un país tropical con valores elevados de irradiación solar por su cercanía a la línea ecuatorial, lo cual permite el aprovechamiento de la energía solar como Recurso Energético Renovable no contaminante, en reemplazo de la energía convencional obtenida de combustibles fósiles, altamente contaminante y agresiva contra el medio ambiente. Bajo esta premisa, las condiciones climatológicas garantizan la instalación de Sistemas Fotovoltaicos con paneles solares en las viviendas que cuentan con suministro de energía eléctrica, con la finalidad de disminuir el consumo de la Red pública y por ende reducir el pago mensual a la empresa de electricidad local, cuyas tarifas tienen un incremento permanente y considerable.
Las nuevas fuentes de energía deberían ser renovables y no contaminantes para evitar los inconvenientes del actual modelo de consumo energético y poder alcanzar el cumplimiento del Protocolo de Kioto. Además, es interesante que su tecnología permita ubicarlas en cualquier lugar sin necesidad de desarrollar grandes infraestructuras.
La energía solar es el recurso energético con mayor disponibilidad en casi todo el territorio peruano. En la gran mayoría de localidades del Perú, la disponibilidad de la energía solar es bastante grande y bastante uniforme durante todo el año, comparado con otros países, lo que hace atractivo su uso. En Piura, se dispone en promedio anual, de 5 -5,5 kWh/m2 día
(Senamhi, 2020). Durante los últimos años en la ciudad de Paita se han presentado muchas deficiencias en la calidad energética, lo cual tiene un efecto negativo en las operaciones de producción de las empresas, como lo es: el no alcanzar las metas de producción fijadas, horas hombre pérdidas, mayor frecuencia en los mantenimientos programados y elevado costo de producción.
En la ciudad de Paita se encuentra una empresa dedicada a la elaboración de productos oftálmicos: gotas para ojo seco, conjuntivitis, secreción ocular, dolor e inflamación de ojos, entre otros productos; cuyos planes de mejora continua en sus diferentes etapas es migrar al uso de energías renovables para la autonomía de la red nacional de electrificación y su reducción en la facturación mensual, con la consecuente implementación de políticas medioambientales que ayuden a la reducción de contaminantes ambientales los cuales son producidos por las actividades propias de la empresa.
Ante tal situación se propuso el diseño de un sistema fotovoltaico centrado en una de las líneas de producción de la empresa como una alternativa de generación eléctrica constante, estable y confiable, en los que están incluidos el diseño y el presupuesto para su implementación.
1.2. JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA
La presente investigación se originó por la necesidad de reducir costos de energía eléctrica en las líneas de producción de productos oftálmicos de la empresa en estudio. Dicha energía, actualmente es suministrada por la red eléctrica convencional, la cual no es muy confiable por las oscilaciones e interrupciones imprevistas que se presentan mensualmente afectando a los equipos, la producción y además de tener un alto coste de facturación mensual. Pero a la vez surge como alternativa que busca incentivar el uso de fuentes de energías limpias y renovables en las empresas piuranas, propiciando la implementación de políticas medioambientales que ayuden a reducir sus niveles de contaminación.
Es así que esta investigación se basa en el estudio y uso de la energía fotovoltaica que es un tipo de energía renovable existentes en la actualidad, que se caracterizan por sus bajos niveles de contaminación al planeta Tierra, su gran eficiencia energética y ahorro sustancial en los costes de producción; además una distribución eficiente del banco de baterías fotovoltaicas con el uso de un tablero de distribución para cada máquina y elementos eléctricos involucrados en la línea de producción de la empresa.
Los equipos involucrados constan de un sistema electrónico avanzado el cual necesita un suministro eléctrico constante y confiable que garantice la protección y el correcto funcionamiento de los equipos, motivos que justifican la implementación de un sistema fotovoltaico para la línea de producción de la empresa en estudio.
1.3. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
1.3.1. Objetivo General
Diseñar un sistema fotovoltaico para una línea de producción de productos oftálmicos en la ciudad de Paita.
1.3.2. Objetivos Específicos
• Dimensionar el sistema fotovoltaico para la línea de producción de productos oftálmicos en base a la maquinaria de la empresa.
• Diseñar el tablero eléctrico para la línea de producción de productos oftálmicos. • Determinar el presupuesto para la implementación del sistema fotovoltaico
diseñado.
1.4. DELIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN
La presente investigación se delimita espacialmente en la provincia de Paita para una empresa dedicada al rubro de la elaboración de productos oftálmicos, y su desarrollo tuvo un tiempo aproximado de cuatro meses para su diseño final (desde el mes de abril al mes de julio de 2021)
CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO
2.1. ANTECEDENTES
Quiroz y Segura (2019), realizaron una investigación con el fin de implementar un sistema de iluminación LED con suministro fotovoltaico para el colegio 16003 del distrito de Miraflores en Jaén. Este sistema consta de 20 paneles solares de 325W que permiten cumplir una demanda diaria de 17.27KWh, cuyo diseño se basó en un estudio de análisis teórico, bibliográfico de la tecnología led y de la energía fotovoltaica, para luego aplicar el método experimental y determinar la carga utilizada en el colegio y determinar el número de equipos que deben formar parte del sistema fotovoltaico con el fin de satisfacer la carga de iluminación de led. Una vez implementado este sistema de iluminación de led con suministro fotovoltaico, que permitirá disminuir el consumo de energía diaria de 56,832KWh a 17,27KWh, los autores concluyen que es un proyecto viable.
El diseño de un sistema fotovoltaico para el ahorro de energía en el hotel Sunset Bay en Colán (Provincia de Paita) fue realizado por Mendoza, Oviedo y Lázaro (2020), quienes buscaban disminuir el consumo de energía eléctrica con un diseño de sistema fotovoltaico con una potencia de 11229kw-h mensual y 374.3Kw-h diario para el cual se instalaron 305 paneles solares de 400w cada uno. Este sistema permitirá disminuir el consumo de energía mensual en un 90% y además proteger los equipos eléctricos de los cortes de suministro de energía lo que permitiría aumentar su vida útil. El diseño del sistema fotovoltaico demanda una inversión aproximada de s/. 403742.68 soles, la cual se estima será recuperada en el lapso de 4 años y 7 meses demostrando que el proyecto es confiable y rentable a mediano plazo.
Una investigación similar fue la desarrollada por Sánchez (2019), quien diseñó un sistema de paneles solares para el consumo doméstico en la provincia de Zarumilla. Dicho proyecto presenta una planta solar fotovoltaica de capacidad de potencia 2.9GW para cubrir una demanda de 1.7GM de consumo promedio al mes, por lo que, para el buen funcionamiento de la planta se instalarán 13440 paneles solares, cada uno con una potencia de 300W. El estudio se trata de una investigación cuantitativa del sistema eléctrico actual, así como los factores que generan una insatisfacción de los usuarios, además se aplicó una investigación de nivel descriptivo para caracterizar el consumo de energía y la percepción de su uso, en función de la apreciación de la población de estudio. El estudio permitió determinar que el sistema actual eléctrico no logra cubrir la demanda de la provincia de Zarumilla por lo que, se necesita un sistema de paneles solares para aprovechar la energía solar y las condiciones
ambientales de irradiación promedia de 6Kwh, lo que permitirá un ahorro de energía y con una disponibilidad constante durante el día y almacenamiento durante la noche. El autor concluye que con el sistema instalado con paneles solares se garantiza un ahorro de consumo de energía y se reduce en 90% la emisión de gases tóxicos que contaminan el ambiente por la generación de la energía eléctrica.
2.2. BASES TEÓRICAS
2.2.1. Radiación solar
La radiación solar es generada por una serie de reacciones de fusión nuclear que se producen en el Sol y que, como consecuencia, emiten radiaciones electromagnéticas que llegan a la tierra. Esta radiación que recibe la superficie terrestre se mide en W/m2 (vatios
por unidad de superficie) y se le denomina también "irradiancia" (EUROPE, 2015)
Figura 2.1: Radiación Solar
Fuente: https://www.researchgate.net/figure/Figura-1-Espectro-de-radiacion-solar-2-3-4_fig1_306440832
2.2.1.1. Tipos de radiación solar sobre una superficie
Como menciona (CHIRIBOGA & MONDRAGON, 2011) , la radiación solar sobre la superficie terrestre tiene variaciones temporales, siendo unas aleatorias, como la nubosidad, y otras previsibles, como son los cambios estacionales o el día y la noche, provocadas por los movimientos de la Tierra.
Para facilitar su estudio, la radiación solar sobre un receptor, según el autor, se clasifica en tres componentes: directa, difusa y reflejada o de albedo.
Radiación directa: la forman los rayos recibidos directamente del Sol.
Radiación difusa: procedente de toda la bóveda del cielo, excluyendo el disco solar, la forman los rayos dispersados por la atmósfera en dirección al receptor (por ejemplo, en un día completamente nublado toda la radiación recibida es difusa).
Radiación reflejada o de albedo: reflejada por la superficie terrestre hacia el receptor. Depende directamente de la naturaleza de las montañas, lagos, edificios, etc. que rodean al receptor.
Figura 2.2: Tipos de radiación solar
Fuente: (AGUSTIN C., S/F)
2.2.1.2. Irradiancia e irradiación
(CHIRIBOGA & MONDRAGON, 2011) cuantifica la radiación solar en dos magnitudes que corresponden ala potencia y a la energía de la radiación que llegan a una unidad de superficie, se denominan irradiancia e irradiación y sus definiciones y unidades son las siguientes:
Irradiancia: potencia o radiación incidente por unidad de superficie. Indica la intensidad de la radiación solar. Se mide en vatios por metro cuadrado (W/m).
Irradiación: integración o suma de las irradiancias en un periodo de tiempo
determinado. Es la cantidad de energía solar recibida durante un periodo de tiempo. Se mide en julios por metro cuadrado por un periodo de tiempo (J/m hora, día, semana, mes, año, etc., según el caso).
2.2.2.
Energíasolar fotovoltaica
La energía solar fotovoltaica es la energía procedente del Sol que se convierte en energía eléctrica de forma directa, sin ninguna conversión intermedia. Se produce mediante generadores fotovoltaicos compuestos por módulos fotovoltaicos conectados entre sí que
su vez están compuestos por unidades básicas denominadas células solares o fotovoltaicas. El conjunto de módulos fotovoltaicos que componen un generador forma una superficie plana que tiene que ser expuesta a la luz del Sol para producir energía eléctrica. La inclinación y la orientación adecuadas de dicha superficie son fundamentales para conseguir una conversión eficiente de energía solar en energía eléctrica. (AUTOMATISMO, 2018)
2.2.3. Módulo fotovoltaico o panel solar
El módulo fotovoltaico constituye la fuente de energía principal de toda la instalación. Es el resultado de asociar un conjunto de células solares en serie y paralelo encargadas de captar la radiación solar y transformarla en electricidad, generando una corriente continua (CC). El número de paneles es determinado por la potencia que se requiere suministrar, y la forma de conexión se establece en función de la tensión nominal del suministro y la intensidad de corriente que se desee generar. (PEREZ, 2019)
Los módulos fotovoltaicos están formados por un conjunto de celdas fotovoltaicas interconectadas entre ellas. El panel fotovoltaico es el encargado de transformar de una manera directa la energía de la radiación solar en electricidad, en forma de corriente continua. (SOLAR E. , 2020)
Figura 2.3: Conexionado de células fotovoltaicas de un módulo fotovoltaico Fuente: (AGUSTIN C., S/F)
2.2.3.1 Componentes de una módulo fotovoltaico o panel solar:
Según (AGUSTIN C., S/F) un módulo fotovoltaico o panel solar está compuesto por:
Cubierta frontal. Suele ser de vidrio templado de entre 3 y 4 mm de espesor, con muy buena transmisión de la radiación solar, proporciona protección contra los agentes atmosféricos y los impactos (granizo, actos vandálicos, etc.). La superficie exterior del vidrio es antirreflexiva y está tratada para impedir la retención del polvo y la suciedad. La superficie interior generalmente es rugosa, lo que permite una buena adherencia con el encapsulante de las células, además de facilitar la penetración de la radiación solar.
Encapsulante. En la mayoría de los módulos se emplea etil-vinil-acetato (EVA). En contacto directo con las células, protege las conexiones entre las mismas y aporta resistencia contra vibraciones e impactos. Además, proporciona el acoplamiento con la cubierta frontal y la protección posterior. Al igual que la cubierta frontal, permite la transmisión de la radiación solar y no se degrada con la radiación ultravioleta.
Cubierta posterior. Se utiliza una capa de polivinilo fluoruro (PVF, comercialmente denominado TEDLAR) o de poliéster. Junto con la cubierta frontal, protege al módulo de la humedad y otros agentes atmosféricos y lo aísla eléctricamente. De naturaleza opaca, es habitual que sea de color blanco para reflejar la luz solar que no recogen las células sobre la cara posterior rugosa de la cubierta frontal, que la refleja de nuevo hacia las células. Algunos fabricantes ponen esta cubierta de vidrio para aprovechar la radiación solar reflejada que puede recogerse por la parte posterior del módulo. Para ello las células solares incluyen capas de silicio amorfo que recoge esta radiación.
Marco. La mayoría de los fabricantes utilizan aluminio anodizado. Proporciona rigidez y resistencia mecánica al módulo, además de un sistema de fijación. Puede incorporar una conexión para la toma de tierra. Nunca se debe mecanizar, porque las vibraciones pueden romper el cristal de la cubierta frontal.
Conexiones. Situadas en la parte posterior del módulo, habitualmente consiste en una caja con una protección recomendada contra el polvo y el agua IP-65, fabricada con materiales plásticos resistentes a las temperaturas elevadas, que en su interior incorpora los bornes de conexión positivo y negativo del módulo y los diodos de paso (diodos by-pass). El uso de prensaestopas para el paso de cables mantiene la protección contra el polvo y el agua. Otra forma de conexionado se puede ver en la el fabricante suministra
el módulo fotovoltaico con dos cables, finalizados con conectores, diferentes para el positivo y negativo, con la longitud suficiente para permitir una rápida conexión serie entre paneles consecutivos.
Células. El conexionado de las células de un módulo fotovoltaico se realiza con cintas metálicas soldadas o incrustadas sobre la rejilla de conexión eléctrica de la cara frontal de cada célula. La interconexión entre células se realiza uniendo las cintas de la cara frontal (negativo) de una célula con la cara posterior (positivo) de la célula siguiente.
Figura 2.4: Componentes de un módulo fotovoltaico Fuente:componentes-604x270.jpg (604×270) (yanopagoluz.mx)
2.2.3.2. Conexionado de módulos fotovoltaicos
Como menciona (AGUSTIN C., S/F), la intensidad y la tensión de un módulo fotovoltaico no siempre satisfacen los requisitos de tensión e intensidad de un sistema. Es necesario agrupar varios módulos para conseguir valores adecuados, teniendo en cuenta que conectando módulos en serie se aumenta la tensión del sistema y conectando módulos en paralelo se aumenta la intensidad del sistema. Se denomina generador fotovoltaico al conjunto de todos los módulos de un sistema.
Siempre que se agrupan módulos fotovoltaicos se debe cumplir la condición de que sean iguales. Esta igualdad implica que tengan las mismas características y que además sean del mismo fabricante. Se pueden realizar tres tipos de conexión en función de las necesidades:
Conexión en serie: para elevar la tensión del generador. Conexión en paralelo: para elevar la intensidad del generador.
Conexión en serie/paralelo: para elevar la tensión y la intensidad del generador
Figura 2.5: Conexionado de paneles solares
Fuente:https://tecnosolab.com/noticias/como-conectar-mis-paneles-solares/
2.2.4. Acumulador o batería recargable
Según (AGUSTIN C., S/F), debido a que las células fotovoltaicas generan electricidad en las horas de sol, el mayor problema con el que nos encontramos es almacenar la energía eléctrica para usarla en horas nocturnas o en momentos del día de baja insolación, de ahí la importancia del acumulador que se carga con la electricidad procedente de los módulos de energía solar, almacena la energía eléctrica, se descarga y debido a su reversibilidad se puede volver a cargar. Esta función básica de carga, almacenamiento y descarga del acumulador se complementa con:
a) Atender suministros de consumo elevado y de corta duración o de falta de tensión. b) Suministro de energía de apoyo en los meses de invierno. Almacenar energía en
horas de bajo consumo y cederla en horas punta de demanda.
Figura 2.6: Baterías o acumuladores para sistemas fotovoltaicos
Fuente: https://www.damiasolar.com/actualidad/blog/articulos-sobre-la-energia-solar-y-sus-componentes/cuales-son-los-anyos-de-vida-de-cada-bateria-solar_1
2.2.5. Reguladores
Para que un sistema fotovoltaico autónomo pueda proporcionar energía eléctrica en cualquier momento a su circuito de utilización, como lo menciona (AGUSTIN C., S/F) , necesita un sistema de acumulación que almacene la energía eléctrica sobrante, producida durante el día, para devolverla en las horas de baja o nula radiación solar.
La batería de acumuladores cumple esta misión y se va a cargar y descargar periódicamente, recibiendo energía eléctrica del generador fotovoltaico durante el día y devolviéndola al circuito de utilización durante la noche o en las horas de baja radiación solar. El control de este proceso de carga y descarga lo realiza un dispositivo denominado regulador de carga o simplemente regulador. Este dispositivo, a pesar de su sencillez y su bajo coste comparado con el coste total del sistema, es fundamental para proteger la vida útil de la batería y mejorar el funcionamiento del sistema fotovoltaico.
Funciones del regulador
Las principales funciones de un regulador de carga en un sistema fotovoltaico son:
Proteger a la batería de acumuladores contra la sobre descarga o descarga profunda. Proteger a la batería de acumuladores contra la sobrecarga, limitando la tensión
de fin de carga.
Evitar la descarga nocturna de la batería de acumuladores sobre el generador fotovoltaico.
Figura 2.7: Batería solar
Fuente:https://autosolar.pe/baterias-de-gel-12v/bateria-gel-12v-300ah-tensite
2.2.6. Inversor fotovoltaico
Se encarga de adaptar la corriente continua producida por el generador fotovoltaico a las características eléctricas requeridas por las cargas a alimentar. (ARENAS & ZAPATA, 2011)
El convertidor es el que se utiliza en instalaciones fotovoltaicas alejadas de la red eléctrica de suministro. Este convertidor se conecta al sistema de acumulación, es decir, se conecta a las baterías de la instalación. Las aplicaciones del convertidor CC/CA son muy variadas, siendo muy útil en sectores como electrificación rural autónoma, telecomunicaciones, náutica, vehículos de transporte, sistemas de emergencia, caravanas, y, en general, allí donde se disponga de un sistema de acumulación y sea necesaria la corriente alterna convencional. A la hora de diseñar, calcular, o elegir el convertidor es necesario tener presente que hay que introducir en los cálculos la eficiencia de esta transformación energética. Este convertidor debe incorporar un circuito de arranque automático que detecte cuándo se conecta un consumo. Mientras se encuentre en estado de espera y no esté alimentando ninguna carga, el convertidor consume muy poca energía. Se activa cuando detecta algún consumo por encima de un valor prefijado y una vez finalizada la demanda de energía el convertidor se detiene quedando de nuevo en espera. Incorpora protecciones como la toma de tierra, la protección contra sobrecarga, contra cortocircuito, contra el aumento de temperatura del convertidor, y contra el bajo voltaje en el acumulador (así, al igual que el regulador, evita la descarga excesiva de las baterías). (EVE, 2020)
Figura 2.8: Inversor solar
Fuente: https://www.damiasolar.com/actualidad/blog/articulos-sobre-la-energia-solar-y-sus-componentes/que-son-los-inversores-solares_1
2.2.7.
Sistemafotovoltaico
Un sistema fotovoltaico es un grupo de dispositivos que trabajan conjuntamente para transformar la energía solar en energía eléctrica utilizable. O dicho de otra forma, es un medio de generar energía eléctrica transformando la radiación solar con el uso de celdas fotovoltaicas. (SOLAR T. E., 2020)
Según (MONSOLAR, 2020), los sistemas fotovoltaicos se clasifican en dos grupos:
1) Sistema fotovoltaico sin conexión a la red eléctrica
Estas instalaciones no están conectadas de ninguna forma a la red eléctrica de distribución. La energía eléctrica se genera y se consume en el mismo punto. Puede incluir baterías para almacenar la energía hasta que se produce el consumo o no.
Una vivienda aislada es la instalación más típica de este tipo de sistema con baterías. Los kits solares para viviendas aisladas son los sistemas tecnológicos encargados de proporcionar la energía eléctrica necesaria en cualquier chalet o edificio no conectado a la red eléctrica. Mientras que una instalación de bombeo solar es el sistema típico para un sistema aislado sin baterías. En ellos, el consumo se produce cuando hay suficiente radiación solar para hacer funcionar la bomba solar. Los kits de bombeo solar para piscinas son una excelente aplicación para este tipo de sistemas ya que su empleo se ajusta a los momentos de mayor radiación solar disponible.
2) Sistema fotovoltaico con conexión a la red eléctrica
En este tipo de instalaciones el sistema fotovoltaico y la red eléctrica conviven para suministrar el consumo requerido. La energía producida por los kits solares de autoconsumo se prioriza para suministrar el consumo de la instalación. En caso de ser insuficiente, la red eléctrica proporciona la energía necesaria. Mientras que, en caso de producirse excedentes en la instalación, la energía sobrante se inyecta a la red eléctrica para distribuirse al consumo más cercano.
2.2.8. Dimensionamiento de los componentes del sistema fotovoltaico POTENCIA
Para calcular la potencia que consume una máquina se multiplica el valor de la tensión eléctrica expresada en volt (V), por el valor de la intensidad de la corriente que lo recorre expresada en ampere (A).
�������� (��) = �������(�) ∗ ���������� �� ���������(�)
POTENCIA CONSUMIDA
Es la cantidad de energía consumida por una máquina durante un periodo de tiempo.
�������� ��������� (��ℎ) = �������� ∗ ����� ℎ �í� ∗ �������� (��)
POTENCIA FOTOVOLTAICA
La energía solar fotovoltaica transforma de manera directa la luz solar en electricidad empleando una tecnología basada en el efecto fotovoltaico.
�������� ������������ (��) =�������� ��������� ����� ( �� − ℎ�í� ) ���� ����� ���� ( ℎ�í� )
CALCULO DE PANELES SOLARES
La potencia del módulo dependerá de las características del que utilizará para la instalación fotovoltaica.
�ú���� �� ������� ������� (���) =�������� ������������ (��)�������� ��� �ó���� (��)
CÁLCULO DE BATERIAS
Para este cálculo se tendrán en cuenta lo siguientes datos y características de las baterías que serán utilizadas para la instalación fotovoltaica.
�� = ������ �� �������� �������� = ������� ��� ������� ����������� ��������= ����������� �� �������� ����������� �����= ����������� �� ����� ����������� ��������= ���������� ��� �������� ����������= ���� �� ��������� ��������= ���������� �� ��������� �� ������� �� =� �������� ������������ ∗ (����������+ 1) �������∗ ����������� ��������∗ ����������� �����∗ ����������� ��������∗ ��������
El Voltaje del sistema depende del número de baterías conectadas en serie.
�������� �� ����� =������� �� ��������������� �� �������
Para terminar, multiplicaremos el número de cadenas de baterías por el número de baterías en serie.
�������� �� �������� = �� ∗ �������� �� �����
2.3.
GLOSARIO
Recurso Energético Renovable
Se consideran a todos aquellos de los que se puede obtener energía siendo su carácter ilimitado una de sus principales características. El origen de todos estos recursos renovables se encuentra en el sol la principal fuente de energía de todo el sistema solar que a su vez activa en la tierra la dinámica atmosférica, por tanto siendo este el responsable de recursos renovables como el viento, la energía hidráulica o hídrica la cual es la que transita por los ríos y los mares.
Sistema Fotovoltaico
Es la agrupación y trabajo en conjunto de ciertos componentes eléctricos para lograr la transformación de la energía solar en energía eléctrica utilizable para cualquier aparato o dispositivo eléctrico convencional de una casa, un negocio o inclusive una industria.
Panel Solar
Un panel solar, placa o módulo solares es un dispositivo que capta la energía de la radiación solar para su aprovechamiento. El término comprende a los colectores solares, utilizados usualmente para producir agua caliente doméstica mediante energía solar térmica, y a los paneles fotovoltaicos, utilizados para generar electricidad mediante energía solar fotovoltaica.
Políticas Medioambientales
Se refiere a las acciones que el gobierno toma para cuidar o proteger el medio ambiente, como resultado de la interacción de los intereses políticos económicos y sociales, para conservar las bases naturales de la vida humana y conseguir un desarrollo sostenible. Célula Solar
Una célula solar es un dispositivo capaz de convertir la energía proveniente de la radiación solar en energía eléctrica. La gran mayoría de las células solares que actualmente están disponibles comercialmente son de Silicio mono o policristalino. El primer tipo se encuentra más generalizado y aunque su proceso de elaboración es más complicado, suele presentar mejores resultados en cuanto a su eficiencia.
Energía Renovable
La energía que se obtiene a partir de fuentes naturales virtualmente inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que contienen, o porque son capaces de regenerarse por medios naturales. Entre las energías renovables se encuentran la energía eólica, la geotérmica, la hidroeléctrica, la mareomotriz, la solar, la biomasa y los biocarburantes.
Radiaciones Electromagnéticas
Es un tipo de campo electromagnético variable, es decir, una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro.
IP-65
Las clasificaciones IP se definen en la norma internacional EN 60529. Se utilizan para definir niveles de efectividad de sellado de equipos electrónicos contra la intrusión de cuerpos extraños (herramientas, suciedad, etc.) y la humedad. Los números que siguen a IP tienen un significado específico; el primero indica el grado de protección de las partes móviles, así como la protección de los equipos cerrados contra cuerpos extraños, y el segundo define el nivel de protección que el recinto disfruta de diversas formas de humedad (goteos, aerosoles, inmersión, etc.).
La explicación de la IP65 es que el equipo es hermético al polvo y protegido contra el agua proyectada.
Generador fotovoltaico
Un generador fotovoltaico es una asociación eléctrica de módulos fotovoltaicos para adaptarse a las condiciones de funcionamiento de una aplicación determinada.
ISFTV
Instalación Solar Fotovoltaica; produce energía eléctrica en forma de corriente que se puede utilizar para aportar energía a la red eléctrica o para alimentar un sistema autónomo, como por ejemplo una vivienda aislada de la red eléctrica.
Sistema Fotovoltaico Autónomo
Produce energía eléctrica para satisfacer el consumo de cargas eléctricas no conectadas a la red, empleando un sistema de acumulación energético para hacer frente a los períodos en los que la generación es inferior al consumo.
SEIN
Sistema Eléctrico Interconectado Nacional; es el conjunto de líneas de transmisión y subestaciones eléctricas conectadas entre sí, así como sus respectivos centros de despacho de carga, el cual permite la transferencia de energía eléctrica entre los diversos sistemas de generación eléctrica de Perú.
GEI
Gases de Efecto Invernadero; son sustancias gaseosas capaces de atrapar el calor en la atmósfera. La «intensificación» del efecto invernadero, que es responsable del cambio climático, está provocada por las actividades humanas que resultan en la emisión a la atmósfera de GEI tales como: dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxido nitroso (N2O), hidrofluorocarburos (HFC), perfluorocarburos (PFC) y hexafluoruro de azufre (SF6). Tenga en cuenta que el vapor de aire, pese a que se trata del mayor contribuyente al efecto invernadero natural, no está afectado directamente por la actividad humana y no se incluye.
RER
Recursos Energéticos Renovables; son aquellos que nos permiten extraer energía y, además, pueden ser repuestos de manera natural a lo largo del tiempo.
Además de eso, ese tiempo en el que podemos reponer los recursos renovables debe ser suficientemente corto como para que nos permita extraer más energía de forma regular y cubrir nuestras necesidades.
2.4. MARCO LEGAL
Para el trabajo de investigación se tomó en cuenta la normativa vigente nacional, según (OSINERGMIN, NORMAS DEL SECTOR DE ELECTRICIDAD, 2021) (OSINERGMIN, NORMAS DEL SECTOR DE ELECTRICIDAD, 2006), e internacional, puesto que el rubro en el cual se ubica la línea de producción para productos oftálmicos es indispensable que, al implementar el sistema fotovoltaico, se cumpla con el marco legal vigente, el cual se detalla a continuación:
Ley de Concesiones Eléctricas y su Reglamento (1993, 1994)
Crea el mercado eléctrico y establece su arreglo institucional (OSINERGMIN, FORO REGIONAL: Eficiencia energética, 2013)
Las disposiciones de la presente Ley norman lo referente a las actividades relacionadas con la generación, transmisión, distribución y comercialización de la energía eléctrica. El Ministerio de Energía y Minas y el OSINERG, en representación del Estado, son los encargados de velar por el cumplimiento de la presente Ley, quienes podrán delegar en parte las funciones conferidas. Las actividades de generación, transmisión y distribución podrán ser desarrolladas por personas naturales o jurídicas, nacionales o extranjeras. (OSINERGMIN, LEY DE CONCESIONES ELECTRICAS, 2011)
Según (OSINERGMIN, DECRETO SUPREMO 011-2012EM, 2013) , constituye el Servicio Público de Electricidad:
a) El suministro regular de energía eléctrica para uso colectivo o destinado al uso colectivo, hasta los límites de potencia fijados por el Reglamento
b) La transmisión y distribución de electricidad El Servicio Público de Electricidad es de utilidad pública.
Ley de Generación Eficiente (2006)
La Ley 28832; promueve licitaciones y contratos de largo plazo como medio para respaldar inversión en generación a gran escala (grandes hidroeléctricas y otras tecnologías convencionales) (OSINERGMIN, FORO REGIONAL: Eficiencia energética, 2013)
Según (OSINERGMIN, La industria de la energía renovable en el Perú: 10 años de contribuciones a la mitigación del cambio climático, 2017) , la presente Ley tiene por objeto perfeccionar las reglas establecidas en la Ley de Concesiones Eléctricas con la finalidad de:
a) Asegurar la suficiencia de generación eficiente que reduzca la exposición del sistema eléctrico peruano a la volatilidad de precios y a los riesgos de racionamiento prolongado por falta de energía; asegurando al consumidor final una tarifa eléctrica más competitiva b) Reducir la intervención administrativa para la determinación de los precios de generación mediante soluciones de mercado
c) Adoptar las medidas necesarias para propiciar la efectiva competencia en el mercado de generación
d) Introducir un mecanismo de compensación entre el SEIN y los Sistemas Aislados para que los Precios en Barra de estos últimos incorporen los beneficios del gas natural y reduzcan su exposición a la volatilidad del mercado de combustibles.
Decreto Legislativo N.º 1002 (“DL 1002”), 02/05/2008
El Decreto declara de interés nacional y necesidad pública el desarrollo de la generación de electricidad mediante recursos renovables. La Ley establece como prioridad nacional la promoción de las energías renovables. (OSINERGMIN, FORO REGIONAL: Eficiencia energética, 2013)
La Ley define como Recursos Energéticos Renovables (RER) a las fuentes de Energía Renovable No Convencional:
Solar Eólico Geotérmico Biomasa
Hidroeléctrico hasta 20 MW (Hidroeléctrica RER)
La Ley promociona las ventas de electricidad RER a través de SUBASTAS
D.S. N.º 012‐2011‐EM, 23/03/2011, aprobó reglamento de la generación de electricidad con energías renovables.
D.S. N.º 020‐2013‐EM, 27/06/2013, aprobó reglamento para la promoción de la inversión eléctrica en áreas no conectadas a red.
CODIGO NACIONAL DE ELECTRICIDAD (“CNE” – EDICION 2006)
El CNE tiene como objetivo establecer las reglas preventivas para salvaguardar las condiciones de seguridad de las personas, de la vida animal y vegetal frente a los peligros derivados del uso de la electricidad. (Ministerio de Energia y Minas, 2006)
El CNE también toma medidas de prevención contra choques eléctricos e incendios, y aporta las medidas necesarias para la instalación, operación y mantenimiento de instalaciones eléctricas. (Ministerio de Energia y Minas, 2006)
A nivel internacional, en (OSINERGMIN, La industria de la energía renovable en el Perú: 10 años de contribuciones a la mitigación del cambio climático, 2017) , se encontró una variedad de Tratados Internacionales que amparan la presente investigación, de los cuales se detallan los más relevantes:
Protocolo de Kioto
El Protocolo de Kioto, adoptado en 1997, es el acuerdo internacional más importante en materia de cambio climático. Su principal objetivo fue reducir las emisiones de seis gases de efecto invernadero (GEI) que causan el calentamiento global, entre los cuales destacan: el dióxido de carbono (CO2), el metano (CH4) y el óxido nitroso (N2O).
Acuerdo de Copenhague
El Acuerdo de Copenhague, firmado en la 15° Conferencia de las Partes sobre Cambio Climático (COP 15) realizada en Dinamarca en diciembre de 2009, tuvo como propósito establecer las medidas adecuadas para mantener la temperatura mundial del planeta por debajo de 2° C.
Con el propósito de cumplir este objetivo, se establecieron metas en la reducción de GEI por parte de los países conformantes del acuerdo. En el caso de los países en vías de desarrollo y los pequeños estados insulares, también en desarrollo, estos adoptarán voluntariamente sus objetivos de mitigación de gases. Asimismo, se estableció una política de incentivos a fin de que los países en desarrollo con bajas emisiones continúen con su trayectoria de desarrollo.
La Plataforma de Durban
La Plataforma de Durban es el conjunto de acuerdos logrados en la 17° Conferencia de las Partes sobre Cambio Climático realizada en diciembre de 2012 en Sudáfrica. Entre los principales acuerdos se destaca la implementación de un marco legal denominado Grupo de Trabajo Ad Hoc que facilite la acción climática. También se acordó mejorar en las metas para la reducción de emisiones de gases mediante un programa de trabajo durante el que se podrán explorar nuevas opciones que permitan cumplir el objetivo de mantener el incremento de la temperatura del planeta por debajo de 2° C y 1.5° C.
Acuerdo de París
En diciembre de 2015 se llevó a cabo la 21° Conferencia de las Partes sobre Cambio Climático en París (Francia), en donde 195 países establecieron acuerdos orientados a la mitigación de GEI y la necesidad de mantener el incremento de la temperatura global muy por debajo de los 2° C.
Entre los principales puntos abordados en esta cumbre destaca que los 195 países se comprometieron a gestionar la transición hacia una economía baja en carbono. Asimismo, de los 189 países que presentaron sus propuestas de contribuciones previstas y determinadas a nivel nacional (INDC, por sus siglas en inglés) 4147 mencionaron las energías renovables como instrumento para reducir sus emisiones. También se concretizó el apoyo financiero por parte de los países desarrollados por US$ 100 000 millones anuales como mínimo a partir de 2020; dicha suma serviría como apoyo financiero en la lucha contra el cambio climático de los países en desarrollo. Finalmente, se estableció que todos los países deberían comunicar cada cinco años sus contribuciones a la reducción de emisiones de GEI.
Proclamación de Marrakech
En la 22° Conferencia de las Partes sobre Cambio Climático realizada en noviembre de 2016 en Marrakech (Marruecos), 111 países, los cuales representan el 80% de la emisión de gases a nivel mundial, ratificaron el Acuerdo de París. En este sentido, se estableció una ruta de trabajo que definiría las reglas a seguir en lo referente al reporte y seguimiento en el cumplimiento de la reducción de emisiones por parte de los países según lo acordado en París. Esta ruta debería ser terminada en 2018. Asimismo, los 50 países con mayor vulnerabilidad al cambio climático se comprometieron a generar el 100% de su energía con RER en el menor tiempo posible.
CAPÍTULO III. MARCO METODOLÓGICO
3.1.
ENFOQUE Y DISEÑO
Esta investigación tiene un enfoque cuantitativo, debido a que se recolectaron datos numéricos del consumo de energía de cada uno de los equipos y maquinarias de la línea de producción de la planta de productos oftálmicos evaluada, con lo que se pudo determinar el dimensionamiento del sistema fotovoltaico a implementar.
Así mismo, en la presente investigación, se ha considerado un diseño no experimental porque la variable de estudio, sistema fotovoltaico para la línea de producción, no fue manipulada; dado que se tomó en su contexto natural con el fin de determinar sus componentes y especificaciones técnicas para su funcionamiento, en donde los cálculos y el diseño del tablero eléctrico se basó en la maquinaria involucrada en la línea de producción de la empresa.
3.2.
SUJETOS DE INVESTIGACIÓN
Para el trabajo de investigación se determinó como sujeto de investigación al sistema fotovoltaico diseñado para una línea de producción de productos oftálmicos para la empresa ubicada en la Provincia de Paita, lo que conllevó al diseño de la propuesta del sistema y del tablero de control para las máquinas involucradas en dicha línea de producción.
3.3.
MÉTODOS Y PROCEDIMIENTOS
Para el desarrollo de esta investigación se utilizó la metodología cuantitativa para lograr el objetivo propuesto el cual es dimensionar el sistema fotovoltaico para la línea de producción de productos oftálmicos:
Recopilar información de los 14 equipos que conforman la línea de producción, así como de los sistemas de iluminación y tomacorrientes, los cuales se incluyen en los planos diseñados para tal fin. Así mismo, determinar el consumo diario de la potencia consumida de la línea de producción.
Realizar los cálculos de la potencia consumida de cada equipo y sistemas de iluminación y tomacorrientes de la empresa.
Realizar el dimensionamiento del tablero eléctrico, de los dispositivos de protección eléctrica, conductores y tuberías que serán utilizadas para la instalación
del sistema fotovoltaico. Se tendrá en cuenta el factor de seguridad para el caso de futuros instalaciones. Todos los cálculos eléctricos son realizados de acuerdo al Código Nacional de Electricidad (CNE).
Realizar el análisis del costo total para la implementación del sistema fotovoltaico para la línea de producción evaluada, cuyos costos contemplan los paneles solares, baterías, inversores, tableros electrónicos y sus componentes.
3.4.
TÉCNICAS E INSTRUMENTOS
En la investigación, para la obtención de los datos correspondientes al número de luminarias, tomacorrientes y equipos de la línea de producción, se recopilaron a través de las fichas técnicas de los equipos y planos del sistema eléctrico de la empresa, los que permitieron determinar el dimensionamiento del sistema fotovoltaico propuesto.
3.5.
ASPECTOS ÉTICOS
Para el desarrollo de la presente investigación se tomaron en cuenta las normativas legales nacionales e internacionales para asegurar un correcto diseño del sistema fotovoltaico amigable con el medio ambiente y asegurar la integridad física y moral de la empresa.
CAPITULO IV: RESULTADOS Y DISCUSION
4.1.
ANALISIS DE LA POTENCIA INSTALADA DE LA EMPRESA
4.1.1. Lista de máquinas y sistemas instalados en la empresa
A continuación, se analizó el consumo energético de los sistemas y máquinas de la empresa.
En la figura 4.1, 4.2 y 4.3 se presenta la distribución de ambientes de la empresa, así como la distribución de los equipos y de los sistemas de iluminación y tomacorrientes.
Se determinó que, en los 21 ambientes de la empresa, entre los que se encuentran el área administrativa, de producción y almacén, se tenían 44 luminarias y 34 tomacorrientes.
Figura 4.9: Plano de distribución de equipos y sistema de aire acondicionado Fuente: Elaboración Propia
Figura 4.10: Distribución del Sistema de Iluminación Fuente: Elaboración propia
Figura 4.11: Plano de Distribución de tomacorrientes Fuente: Elaboración propia
4.1.1.1. Tanque de fabricación
Es un equipo diseñado para fabricar productos farmacéuticos, en forma líquida, cuenta con un agitador en forma de hélice con frecuencia variable, para efecto de mezclado y homogenización, una chaqueta aislada térmicamente que por medio de vapor puede incrementar la temperatura del contenido del tanque, o puede bajar la temperatura del mismo, si se hace circular agua procedente de la maquina Chiller (enfriamiento).
A continuación, en la tabla 4.1, se presentan los valores de la potencia instalada del Tanque de fabricación y en la tabla 4.2 la potencia consumida del mismo.
�������� (��) = �������(�) ∗ ���������� �� ���������(���) �������� ��������� (��) = 7��
Tabla 4.1: Valor de potencia instalada del Tanque de fabricación Máquina Cantidad Potenciaunitaria
(kW) Potencia instalada (kW) Tanque de Fabricación 01 7 7 �������� ��������� ( ��ℎ �í� ) = �������� ∗ ����� ℎ �í� ∗ �������� �������� (��) �������� ��������� = 1 ∗ 8 ℎ �í� ∗ 7(��) �������� ��������� = 56 ��ℎ �í�
Tabla 4.2: Valor de potencia consumida del Tanque de fabricación Máquina Cantidad Horas(h) Potenciaunitaria
(kW) Potencia instalada (kW) Potencia consumida (kWh/día) Tanque de Fabricación 01 08 7 7 56 ������ �� ��������� = 1,25 �������� ��������� ������ = 56 ∗ 1,25 �������� ��������� ����� = 70 ��ℎ �í�
4.1.1.2. Bomba centrífuga sanitaria
Es una bomba centrifuga de succión monofásica, se utiliza para el trasvase del producto desde el Tanque de fabricación al Tanque de almacenamiento de producto ubicado en el área de envasado y acondicionado.
A continuación, en la tabla 4.3, se presentan los valores de la potencia instalada de la Bomba centrífuga y en la tabla 4.4 la potencia consumida del mismo.
�������� (��) = �������(�) ∗ ���������� �� ���������(���) �������� ��������� (��) = 1,5��
Tabla 4.3: Valor de potencia instalada de la Bomba centrífuga sanitaria Máquina Cantidad Potenciaunitaria
(kW)
Potencia instalada (kW)
Bomba centrífuga sanitaria 01 1,5 1,5
�������� ��������� ( ��ℎ �í� ) = �������� ∗ ����� ℎ �í� ∗ �������� �������� (��) �������� ��������� = 1 ∗ 4 ℎ �í� ∗ 1,5(��)
�������� ��������� = 6 ��ℎ �í�
Tabla 4.4: Valor de potencia consumida de la Bomba centrífuga sanitaria
Máquina Cantidad Horas
(h) Potencia unitaria (kW) Potencia instalada (kW) Potencia consumida (kWh/día)
Bomba centrífuga sanitaria 01 04 1,5 1,5 6
������ �� ��������� = 1,25 �������� ��������� ������ = 6 ∗ 1,25 �������� ��������� ����� = 7,5 ��ℎ �í�
4.1.1.3. Purificador de agua
Es un equipo que permite obtener agua de grado farmacéutico (agua purificada) a partir de agua potable mediante un proceso de filtración de varias etapas. Esta agua purificada se utiliza en el proceso de fabricación del producto.
A continuación, en la tabla 4.5, se presentan los valores de la potencia instalada del Purificador de agua y en la tabla 4.6 la potencia consumida del mismo.
�������� (��) = �������(�) ∗ ���������� �� ���������(���) �������� ��������� (��) = 0,12��
Tabla 4.5: Valor de potencia instalada del Purificador de agua Máquina Cantidad Potenciaunitaria
(kW) Potencia instalada (kW) Purificador de agua 01 0,12 0,12 �������� ��������� ( ��ℎ �í� ) = �������� ∗ ����� ℎ �í� ∗ �������� �������� (��) �������� ��������� = 1 ∗ 12 ℎ �í� ∗ 0,12(��) �������� ��������� = 1,44 ��ℎ �í�
Tabla 4.6: Valor de potencia consumida del Purificador de agua
Máquina Cantidad Horas
(h) Potencia unitaria (kW) Potencia instalada (kW) Potencia consumida (kWh/día) Purificador de agua 01 12 0,12 0,12 1,44 ������ �� ��������� = 1,25 �������� ��������� ������ = 1,44 ∗ 1,25 �������� ��������� ����� = 1,8 ��ℎ �í� 4.1.1.4. Posicionador de botellas
Es una maquina encargada de posicionar de manera correcta las botellas que se dirigen hacia la maquina envasadora para su llenado correspondiente.
En la tabla 4.7, se presentan los valores de la potencia instalada del Posicionador de botellas y en la tabla 4.8 la potencia consumida del mismo.
�������� (��) = �������(�) ∗ ���������� �� ���������(���) �������� ��������� (��) = 0,8��
Tabla 4.7: Valor de potencia instalada del Posicionador de botellas Máquina Cantidad Potenciaunitaria
(kW) Potencia instalada (kW) Posicionador de botellas 01 0,8 0,8 �������� ��������� ( ��ℎ �í� ) = �������� ∗ ����� ℎ �í� ∗ �������� �������� (��) �������� ��������� = 1 ∗ 20 ℎ �í� ∗ 0,8(��) �������� ��������� = 16 ��ℎ �í�
Tabla 4.8: Valor de potencia consumida del Posicionador de botellas
Máquina Cantidad Horas
(h) Potencia unitaria (kW) Potencia instalada (kW) Potencia consumida (kWh/día) Posicionador de botellas 01 20 0,8 0,8 16 ������ �� ��������� = 1,25 �������� ��������� ������ = 16 ∗ 1,25 �������� ��������� ����� = 20 ��ℎ �í� 4.1.1.5. Máquina Envasadora
Esta máquina se encarga del llenado automático del producto y el tapado de frascos. Y en la tabla 4.9, se presentan los valores de la potencia instalada de la Maquina Envasadora y en la tabla 4.10 la potencia consumida del mismo.
�������� (��) = �������(�) ∗ ���������� �� ���������(���) �������� ��������� (��) = 3,8��
