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Diseño de un sistema solar fotovoltaico tipo aislado para bombear agua para uso agrícola en el caserío el Almendral ubicado en el distrito de Choros, Cutervo Cajamarca

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Academic year: 2020

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(1)UNIVERSIDAD NACIONAL “PEDRO RUIZ GALLO” FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA. TESIS Para Optar el Título Profesional de :. INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA “Diseño de un sistema solar fotovoltaico tipo aislado para bombear agua para uso agrícola en el caserío el Almendral ubicado en el distrito de Choros, Cutervo- Cajamarca”. Autor :. Bach. Ramón Juvenal Monteza Mego. Asesor :. M. Sc. Segundo Abelardo Horna Torres. LAMBAYEQUE – PERÚ 2019.

(2) UNIVERSIDAD NACIONAL “PEDRO RUIZ GALLO” FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA. TESIS Para Optar el Título Profesional de:. INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA “Diseño de un sistema solar fotovoltaico tipo aislado para bombear ELECTRICISTA agua para uso agrícola en el caserío el Almendral ubicado en el distrito de Choros, CutervoCajamarca” Autor:. Bach. Ramón Juvenal Monteza Mego Aprobado por el Jurado Examinador. PRESIDENTE. : Dr. Daniel Carranza Montenegro. __________. SECRETARIO. : M. Sc. Jony Villalobos Cabrera. __________. MIEMBRO. : Ing. Robinson Tapia Asenjo. __________. ASESOR. : M. Sc. Segundo Abelardo Horna Torres __________. LAMBAYEQUE – PERÚ 2019.

(3) UNIVERSIDAD NACIONAL “PEDRO RUIZ GALLO” Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. TESIS TITULO:. “Diseño de un sistema solar fotovoltaico tipo aislado para bombear agua para uso agrícola en el caserío el Almendral ubicado en el distrito de Choros, Cutervo Cajamarca” CONTENIDOS CAPITULO I. : PROBLEMA DE LA INVESTIGACIÓN.. CAPITULO II. : MARCO TEÓRICO.. CAPITULO III. : MARCO METODOLÓGICO.. CAPITULO IV. : PROPUESTA DE LA INVESTIGACIÓN. CAPITULO V. : ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS.. CAPITULO VI. : CONCLUSIONES.. Bach. Ramón Juvenal Monteza Mego. ________________________. __________________________. PRESIDENTE. ________________________. SECRETARIO. __________________________. MIEMBRO. ASESOR. LAMBAYEQUE – PERÚ 2019.

(4) DEDICATORIA. Este Proyecto de tesis va dedicado en especial a mi padre Ramón Monteza Villanueva y a mi madre Cristina Mego Paredes, ella es mi ángel que guía mis pasos. y. siempre. está. conmigo. acompañándome desde el cielo; ellos son la fuente de mi inspiración, la fuerza de voluntad que me permite seguir adelante. Su. tenacidad. y. lucha. insaciable. de. superación han hecho de ellos un gran ejemplo a seguir, no solo para mí, sino para mis hermanas y familia en general. A ellos este proyecto, que sin ellos, no hubiese podido ser.. Bach: Ramón Juvenal Monteza Mego. IV.

(5) AGRADECIMIENTO. Agradecer en primer lugar a Dios, por prestarme la vida y guiar mis pasos,. en. segundo. lugar. agradecer a mi familia los que siempre han estado presentes de cerca en mi vida universitaria, mi padre y amigo Ramón Monteza, mis hermanas Rosa y Carla, mis primos Jesica, Alonso y Cecilia, amigos. y. distancia moral.. A. amigas me. que. brindaron. Angélica. a. la. apoyo. Diaz. por. apoyarme y acompañarme en todo este tiempo de la elaboración de este proyecto. A todos ellos, muchas gracias.. Bach: Ramón Juvenal Monteza Mego. V.

(6) RESUMEN El objetivo de la tesis fue: Diseñar un sistema solar fotovoltaico tipo aislado para bombear agua para uso agrícola en el caserío el almendral ubicado en el distrito de Choros en la provincia de Cutervo perteneciente al departamento de Cajamarca. El tipo de investigación fue aplicada. El volumen de agua diario requerido para las 3 hectáreas de terreno donde se siembra papaya de propiedad del señor Segundo Manuel Monteza Villanueva en el caserío El Almendral provincia de Cutervo - Departamento de Cajamarca; tiene como valor máximo de 210,60 m3/día para el mes de septiembre. Se dimensionó el sistema. de bombeo. fotovoltaico. considerando los datos de irradiación solar promedio mensual de todo un año por medio de datos estadísticos brindados por la estación meteorológica Bagua del SENAMHI obteniendo que esta varía entre 3,93 kWh/. /día a5,15 kWh/. /día luego de realizar el cálculo se seleccionó la. bomba LORENTZ superficial PS2- 4000 CS-F42-10-1; 16 paneles fotovoltaicos de la marca WAARE de 185 Wp y con una configuración de 2 ramas en paralelo de 8 paneles y un ángulo de inclinación de 7,7º.El presupuesto referencial del sistema de bombeo fotovoltaico es de S/. 66 880,67. Se realizó el análisis económico de la propuesta con una tasa del 12 % y para un horizonte de 20 años, obteniéndose que la TRI= 14 % y el VAN= S/. 7 375,36. El tiempo de retorno de la inversión es de 5 años y 11 meses. Por lo que la propuesta es viable. Palabras clave: motobomba, bombeo fotovoltaico, irradiación solar. VI.

(7) ABSTRACT. The objective of the thesis was: Design an isolated photovoltaic solar system to pump water for agricultural use in the Almendral farmhouse located in the district of Choros in the province of Cutervo belonging to the department of Cajamarca. The type of research was applied. The daily volume of water required for the 3 hectares of land where papaya is planted owned by Mr. Segundo Manuel Monteza Villanueva in the hamlet El Almendral province of Cutervo - Department of Cajamarca; It has a maximum value of 210,60 m3 / day for the month of September. The photovoltaic pumping system was sized considering the average monthly solar irradiation data for a whole year by means of statistical data provided by the Bagua weather station of SENAMHI, obtaining that it varies between 3,93 kWh / m2 / day a 5,15 kWh / m2 / day after performing the calculation, the LORENTZ surface pump PS2- 4000 CS-F42-101 was selected; 16 photovoltaic panels of the WAARE brand of 185 Wp and with a configuration of 2 parallel branches of 8 panels and an inclination angle of 7,7º. The referential budget of the photovoltaic pumping system is S /. 66 880,67. The economic analysis of the proposal was carried out with a rate of 12% and for a horizon of 20 years, obtaining that the TRI = 14% and the NPV = S /. 7 375,36. The return time of the investment is 5 years and 11 months. So the proposal is viable.. Keywords: motor pump, photovoltaic pumping, solar irradiation. VII.

(8) VIII.

(9) ÍNDICE. DEDICATORIA .................................................................................................. IV AGRADECIMIENTO ........................................................................................... V RESUMEN ........................................................................................................ VI ABSTRACT ...................................................................................................... VII ÍNDICE .............................................................................................................. IX ÍNDICE DE TABLAS ......................................................................................... XI ÍNDICE DE FIGURAS ...................................................................................... XII INTRODUCCIÓN ............................................................................................... 1 CAPITULO I: PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN ............................................... 2 1.1. Realidad Problemática ............................................................................. 2 1.2. Formulación del Problema ....................................................................... 4 1.3. Delimitación de la Investigación ............................................................... 4 1.3.1. Delimitación espacial ......................................................................... 4 1.3.2. Delimitación temporal ...................................................................... 12 1.4. Justificación e Importancia del estudio ................................................... 12 1.5. Limitaciones de la Investigación............................................................. 13 1.6. Objetivos de estudio ............................................................................... 14 1.6.1. Objetivo General .............................................................................. 14 1.6.2. Objetivo Específicos ........................................................................ 14 CAPITULO II: MARCO TEÓRICO .................................................................... 15 2.1. Antecedentes de Estudios ..................................................................... 15 2.2. Desarrollo de la temática correspondiente al tema desarrollado ........... 21 2.2.1. Energía solar ................................................................................... 21 2.2.2. Producción de energía eléctrica a partir de la radiación solar ......... 28 2.2.3. Insolación ......................................................................................... 29 2.2.3.. Sistema de bombeo solar fotovoltaico .......................................... 30. 2.2.4.. Funcionamiento del sistema de bombeo solar ........................ 31. 2.2.5.. Subsistema de generación ........................................................ 33. 2.2.6.. Subsistema Motor- Bomba ........................................................ 41. 2.2.7.. Selección de la bomba ............................................................... 41. 2.2.8.. Subsistema de acumulación...................................................... 42 IX.

(10) 2.2.9. 2.2.10. 2.3.. Evapotranspiración .................................................................... 43 Viabilidad técnica y económica de proyectos de inversión. 44. Definición conceptual de la terminología empleada. ........................... 45. CAPITULO III: MARCO METODOLÓGICO...................................................... 47 3.1.. Tipo y diseño de investigación ............................................................ 47. 3.2.. Población y muestra ............................................................................ 47. 3.3.. Técnicas de muestreo ......................................................................... 48. 3.4.. Hipótesis ............................................................................................. 48. 3.5.. Variables - Operacionalización ............................................................ 49. 3.6.. Métodos y Técnicas de investigación .................................................. 51. 3.7.. Descripción de los instrumentos utilizados.......................................... 52. 3.8.. Análisis Estadístico e interpretación de los datos ............................... 53. CAPITULO IV: PROPUESTA DE INVESTIGACIÓN ........................................ 54 4.1.. Descripción del sistema propuesto...................................................... 54. CAPITULO V: ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS ....... 56 5.1. Cálculo de la demanda promedio diaria de agua requerida para riego en el caserío el almendral. ................................................................................. 56 5.2. Dimensionamiento del sistema de bombeo fotovoltaico de agua .......... 61 5.2.1. Cálculo de la altura equivalente de bombeo .................................... 61 5.2.2. Cálculo de la energía hidráulica ....................................................... 62 5.2.3. Cálculo del sistema de bombeo de agua para riego ...................... 62 5.3. Costo del sistema propuesto .................................................................. 73 5.3.1. Costo del sistema de bombeo fotovoltaico ...................................... 73 5.4. Estudio de viabilidad técnico económica ................................................ 74 CAPITULO VI: CONCLUSIONES .................................................................... 78 6.1. Conclusiones.......................................................................................... 78 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 79 ANEXOS .......................................................................................................... 82. X.

(11) ÍNDICE DE TABLAS. Tabla N° 1: Ubicación geográfica de El Almendral ............................................ 6 Tabla N° 2: Irradiación solar según la NASA ................................................... 10 Tabla N° 3: Irradiación solar según el atlas solar del Perú .............................. 10 Tabla N° 4: Datos de irradiación solar de ambas fuentes ............................. 11 Tabla N° 5: Datos meteorológicos - estación meteorológica Bagua................ 12 Tabla N° 6 : Operacionalización de variables .................................................. 50 Tabla N° 7: eficiencia según el tipo de riego ................................................... 57 Tabla N° 8: Requerimiento de agua por mes .................................................. 58 Tabla N° 9: Caudal de agua requerido para cada mes del año ....................... 60 Tabla N° 10: Energía requerida por la bomba ................................................. 62 Tabla N° 11: Calculo de la potencia del generador fotovoltaico ...................... 64 Tabla N° 12: Características del panel fotovoltaico WAAREE de 185 Wp ..... 65 Tabla N° 13: Tanque de almacenamiento de agua (dimensiones en mm) ...... 69 Tabla N° 14: Porcentajes de caída de tensión ................................................ 71 Tabla N° 15: Conductores eléctricos NH-80 .................................................... 72 Tabla N° 16: sección mínima de los conductores de protección ..................... 73 Tabla N° 17: Costo del sistema de bombeo de agua ................................... 73 Tabla N° 18: Vida útil y reemplazo de equipos ................................................ 76 Tabla N° 19:Flujos de caja proyectados para un horizonte de 20 años .......... 77. XI.

(12) ÍNDICE DE FIGURAS Figura N° 1: En el Distrito de choros -Cutervo................................................... 5 Figura N° 2: En el terreno de cultivo de papaya en el distrito de Choros .......... 5 Figura N° 3: Ubicación del caserío El Almendral en la provincia de Cutervo .... 7 Figura N° 4: ventana de ingreso a la pagina web de la NASA ...................... 8 Figura N° 5: Ingreso a DATA ACCESS -NASA ............................................... 9 Figura N° 6: DATA POWER ACCESS VIEWER .............................................. 9 Figura N° 7: Comparación de datos de la NASA y Atlas solar del Perú ........ 11 Figura N° 8: Espectro de radiación solar ......................................................... 22 Figura N° 9: Radiación directa......................................................................... 23 Figura N° 10: Mapa de irradiación horizontal en Latinoamérica y el Caribe .... 26 Figura N° 11: Mapa solar del Perú .................................................................. 28 Figura N° 12: Irradiancia y horas solar pico .................................................... 29 Figura N° 13: Esquema típico de un sistema de bombeo ............................... 32 Figura N° 14: Celda fotovoltaica ...................................................................... 34 Figura N° 15: Panel Fotovoltaico ..................................................................... 36 Figura N° 16: Tipos de Paneles FV ................................................................. 38 Figura N° 17: Conexión de módulos fotovoltaicos ........................................... 39 Figura N° 18: Efectos de la irradiancia sobre el desempeño del generador FV. ......................................................................................................................... 40 Figura N° 19: Efecto de la Temperatura sobre el generador FV ..................... 40 Figura N° 20 : Terreno en el caserío el Almendral donde se siembra papaya 48 Figura N° 21: Entrevista señor Segundo Manuel Monteza Villanueva en el caserío El Almendral dueño de las 3 hectáreas de terreno donde se siembra papaya ............................................................................................................. 52 Figura N° 22: Entrevista a la señora Graciela Tapia esposa del señor Segundo Manuel Monteza Villanueva ............................................................................. 53 Figura N° 23: Flujograma de la propuesta ....................................................... 55 Figura N° 24: Demanda de agua promedio diaria ........................................... 58 Figura N° 25: Junto a la plantas de papaya en el caserío el Almendral ...... 59 Figura N° 26: bomba superficial PS2-4000 CS-F42-10-1................................ 63 Figura N° 27: Distancia mínima entre filas de paneles fotovoltaicos .............. 67 Figura N° 28: Motobomba de 20 HP ............................................................... 75 XII.

(13) INTRODUCCIÓN En las regiones rurales dispersas, los generadores solares fotovoltaicos resultan una solución fiable para el desarrollo rural, suministrando energía eléctrica destinada a bombeo y al tratamiento de agua en cualquier sitio y en cantidades razonables, facilitando el consumo humano y animal, riego, impulsando el desarrollo socioeconómico de áreas rurales alejadas. (Cruz Baldan, 2011). El señor Segundo Manuel Monteza Villanueva propietario de 3 hectáreas de terreno en el cual siembra papaya y que actualmente está usando una motobomba para el riego,. tiene. interés en un sistema de. bombeo fotovoltaico debido los gastos que le representa. Surge la pregunta de investigación sobre la viabilidad técnica y económica de un sistema de bombeo fotovoltaico. La tesis se ha estructurado en capítulos, en el primer capítulo se define la problemática, el objetivo general y específicos, En el capítulo II, se muestran los antecedentes a nivel internacional, nacional estas investigaciones son de trabajos similares realizado en diferentes lugares. En el Capítulo III, definido como el marco metodológico donde se definen las variables, la población, los métodos y técnicas de investigación y por último el análisis estadístico de los datos. En el Capítulo IV, se describe la propuesta, una alternativa que dará solución al problema planteado. En capítulo V: agua,. se dimensiona el sistema. se calcula la demanda promedio de. de bombeo. fotovoltaico. así como los. parámetros de viabilidad. Por último, se redactan las conclusiones y se adjunta en los anexos. 1.

(14) CAPITULO I: PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN. 1.1. Realidad Problemática A nivel internacional Dada la necesidad de fuentes energéticas limpias, no contaminantes de bajo impacto ambiental y a la vez renovable, es por lo que los sistemas solares fotovoltaicos cumplen un papel preponderante en la provisión de energía eléctrica. En la mayoría los países en vías de desarrollo la energía eléctrica convencional no está aún disponible en vastas regiones aisladas. La construcción y el mantenimiento de redes de distribución resulta onerosa, por lo menos hasta la actualidad. Lo mismo ocurre con los grupos electrógenos. En las regiones rurales dispersas, generalmente las necesidades energéticas son pequeñas y existe una baja densidad poblacional en donde los usuarios potenciales están ampliamente diseminados. En las condiciones mencionadas los generadores solares fotovoltaicos resultan una solución fiable para el desarrollo rural, suministrando energía eléctrica destinada a bombeo y al tratamiento de agua en cualquier sitio y en cantidades razonables, facilitando el consumo humano y animal, riego, impulsando el desarrollo socioeconómico de áreas rurales alejadas. (Cruz Baldan, 2011) A nivel nacional La mayoría de localidades de la sierra del Perú tiene un gran potencial de tierras agrícolas donde se siembra cultivos transitorios por secano tales como el maíz, trigo, papa y haba, los cuales tienen un ciclo vegetativo menor a un año; sin embargo, solo se obtiene una siembra en épocas de 2.

(15) lluvia (octubre - abril), puesto que en épocas secas (abril- setiembre) no se obtiene el caudal suficiente para su riego. No obstante, en estas épocas, existe una mayor radiación solar, la cual puede ser usada para alimentar los sistemas fotovoltaicos para bombeo de agua subterránea y así poder llevar a cabo una segunda campaña. Por otro lado, en las zonas alto andinas del sur del Perú, especialmente en los lugares aislados, existe poca accesibilidad a la electricidad y deficientes sistemas de captación de agua, por lo que la energía fotovoltaica representaría una alternativa rentable, debido a que es renovable, inagotable y limpia, además de que en la actualidad los costos de los módulos fotovoltaicos están disminuyendo significativamente, posibilitando su adquisición y uso. (Cyndi Pierini, 2018) A nivel local Muchas comunidades en todo el mundo tienen acceso limitado al agua. En algunas aldeas rurales, para llegar a las reservas de aguas subterráneas profundas, se utilizan bombas eléctricas alimentadas por diésel, a pesar de sus altos costos de mantenimiento y su alta demanda de combustible. En el caserío El Almendral ubicado en Cutervo, Cajamarca la mayoría de los habitantes se dedican a la agricultura algunos utilizan motobomba para el riego de sus hectáreas de terreno, pero se quejan debido al excesivo gasto en combustible, mantenimiento y una consecuencia del uso de estas máquinas es la contaminación ambiental contribuyendo así al efecto invernadero. Uno de los agricultores afectados y especial. interés. en la. aplicación de la. tecnología. que tiene de bombeo 3.

(16) fotovoltaico es el señor Segundo Manuel Monteza Villanueva el cual tiene 3 hectáreas de terreno en el cual siembra papaya. La irradiación solar en la zona donde se realizará la investigación es mayor que 4 kWh/m2/día, por lo que se puede aprovechar para generar energía eléctrica. (Chercca Ramírez, 2014) Con la finalidad de reducir estos gastos excesivos y proteger el medio ambiente se propone un sistema de bombeo con energía solar fotovoltaica. 1.2. Formulación del Problema ¿Cómo diseñaremos un sistema solar fotovoltaico tipo aislado para bombear agua para uso agrícola en el caserío el Almendral ubicado en el distrito de Choros, Cutervo? 1.3. Delimitación de la Investigación 1.3.1. Delimitación espacial1. El estudio se realizó en el caserío El Almendral que se encuentra ubicado en el distrito Choros, cuya ubicación se encuentra en las siguientes coordenadas: LONGITUD: -78.7132850000 LATITUD: -5.78752833333 Y además cuenta con una altitud de 456,1 m.s.n.m.. 1. http://sige.inei.gob.pe/test/atlas/. 4.

(17) La persona interesada en la implementación de un sistema de bombeo fotovoltaico es el señor Segundo Manuel Monteza Villanueva.. Figura N° 1: En el Distrito de choros -Cutervo Fuente: elaboración propia. Figura N° 2: En el terreno de cultivo de papaya en el distrito de Choros Fuente: elaboración propia. 5.

(18) Ubicación geográfica Tabla N° 1: Ubicación geográfica de El Almendral2 Región. Cajamarca. Provincia. Cutervo. Distrito. Choros. Caserío. El Almendral. La Provincia de Cutervo es una de los trece que conforman el Departamento de Cajamarca, bajo la administración del Gobierno Regional de Cajamarca, en el Perú.. Límites3: -. Al este con la Provincia de Chota y la provincia de Utcubamba. (departamento de Amazonas). -. Al norte con la Provincia de Jaén.. -. Al sur con la Provincia de Chota.. -. Al. oeste. con. la. Provincia. de. Ferreñafe. (departamento. de. Lambayeque) y con la provincia de Chota.. 2 3. Elaboración propia http://www.cutervo.com/aspecto-geograficos.php. 6.

(19) ZONA DEL PROYECTO DE TESIS. Figura N° 3: Ubicación del caserío El Almendral en la provincia de Cutervo4 Extensión: 3 028,46 km2. Historia5 El 15 de agosto de 1560 se llevó a cabo la fundación española de Cutervo, pasando a ser parte del virreinato del Perú y se establece como patrona a la Santísima Virgen de la Asunción.. El 28 de enero de 1825 Cutervo se estableció como distrito, dependiente de Chota. De 1863 a 1868 se realizó la construcción del templo principal.. En enero de 1871 Cutervo deja de ser un distrito para ascender a ciudad.. En 1874 se iniciaron gestiones para ascender a Cutervo políticamente como provincia, gestión hecha por los mismos pobladores. 4 5. http://www.encuestas.com.pe/ http://www.cutervo.com/historia.php. 7.

(20) En 1901 se formó una junta para fomentar los intereses de Cutervo.. En 1903 se elevó el expediente por los doctores Rubén Castro y José Contreras quienes lo presentaron al senado, pero el trámite fue truncado por la decisión del Presidente de la Sociedad Geográfica Ingeniero Málaga Santillán y por el Director del Gobierno Sr. Ignacio Gamio.. En 1908 surge el apoyo definitivo para lograr el objetivo final.. El 22 de octubre de 1910 se hizo realidad el sueño de los pobladores, de ascender al rango como provincia de Cutervo.. 1.3.1.1. Clima. Los datos de irradiación solar se obtuvieron de la página web de la NASA y del atlas solar del Perú Para obtener los datos de la. NASA ingresamos al siguiente link:. https://power.larc.nasa.gov/. Figura N° 4: ventana de ingreso a la pagina web de la NASA Fuente: (NASA, 2019) 8.

(21) Accesando a DATA ACCES tal como se muestra en la siguiente figura. Figura N° 5: Ingreso a DATA ACCESS -NASA Fuente: (NASA, 2019) Ingresando a DATA POWER ACCESS VIEWER. Figura N° 6: DATA POWER ACCESS VIEWER Fuente: (NASA, 2019). 9.

(22) Los valores obtenidos se han insertado en la siguiente tabla Tabla N° 2: Irradiación solar según la NASA Meses Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre. Irradiación solar (kWh/m2/día) 4,16 3,93 4,25 4,24 4,31 4,22 4,31 4,62 4,95 4,94 5,15 4,63. Fuente: (NASA, 2019). Para obtener los datos del atlas solar del Perú ingresamos al siguiente link: https://deltavolt.pe/phocadownload/Cajamarca.jpg Tabla N° 3: Irradiación solar según el atlas solar del Perú Meses Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre. Irradiación solar (kWh/m2/día) 4,25 4,25 4,25 4,50 4,50 4,50 4,75 4,75 4,75 5,00 5,00 5,00. Fuente: (Deltavolt, 2003) 10.

(23) Tabla N° 4: Datos de irradiación solar de ambas fuentes. Irradiación solar (kWh/m2/día) mes NASA Atlas solar Enero 4,16 4,25 Febrero 3,93 4,25 Marzo 4,25 4,25 Abril 4,24 4,50 Mayo 4,31 4,50 Junio 4,22 4,50 Julio 4,31 4,75 Agosto 4,62 4,75 Septiembre 4,95 4,75 Octubre 4,94 5,00 Noviembre 5,15 5,00 Diciembre 4,63 5,00 Fuente: elaboración propia. Irradiacion solar promedio en el Casero Almendra en Cutervo- Cajamarca Radiacion solar ( kWh/m2/día). 6 5 4 3 2 1 0. NASA. Septi Novi Ener Febr Marz May Agos Octu Dicie Abril Junio Julio embr embr o ero o o to bre mbre e e 4,16 3,93 4,25 4,24 4,31 4,22 4,31 4,62 4,95 4,94 5,15 4,63. ATLAS SOLAR 4,25 4,25 4,25 4,50 4,50 4,50 4,75 4,75 4,75 5,00 5,00 5,00. Meses del año NASA. ATLAS SOLAR. Figura N° 7: Comparación de datos de la NASA y Atlas solar del Perú Fuente: elaboración propia. 11.

(24) De la comparación anterior utilizaremos los datos de la NASA pues tiene el valor más bajo de irradiación solar. Tabla N° 5: Datos meteorológicos - estación meteorológica Bagua6 Meses Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre. Precipitación Temperatura (mm/mes) (°C/mes) 69,6 99 30 2,7 135,6 47,1 50,4 4,2 28,5 61,5 100,2 166,8. 25,19 27,65 25,52 23,38 23,23 22,51 22,78 23,61 25,43 25,27 25,16 23,18. Humedad (%). Irradiación solar (kWh/m2/día). 72,21 65,03 72,11 79,19 81,77 77,95 74,90 68,33 62,09 68,87 71,86 75,99. 4,16 3,93 4,25 4,24 4,31 4,22 4,31 4,62 4,95 4,94 5,15 4,63. 1.3.2. Delimitación temporal. Este trabajo de tesis tuvo una duración de 06 meses.. 1.4. Justificación e Importancia del estudio Justificación Científica. La necesidad de uso de nuevas fuentes de energía, ha traído como consecuencia efectuar investigaciones sobre los lugares con mayor potencial aprovechable. Fomentar el uso de estas energías no convencionales como nuevas fuentes de estudio científico.. 6. Fuente: elaboración propia del autor. 12.

(25) Justificación Ambiental El sistema de bombeo fotovoltaico se justifica debido a que no utiliza combustibles y por lo tanto emisiones de CO2, se trata de un sistema en que la generación de energía eléctrica a partir de la energía solar el cual es una energía limpia amigable con el medio ambiente. Justificación Social la presente tesis busca aplicar la tecnología fotovoltaica a las 3 hectáreas de cultivos cuya propiedad tiene al señor Segundo Manuel Monteza Villanueva, siendo que la tecnología desarrollada es fácilmente replicable en zonas de características similares, pudiendo mejorar la calidad de vida de las demás personas. Importancia del Estudio La importancia de esta tesis se fundamenta en el beneficio de la zona, modernizando técnicas de riego por medio de un sistema de bombeo solar fotovoltaico para el abastecimiento de agua, en condiciones de continuidad, de tener acceso al agua para sus diferentes actividades. 1.5. Limitaciones de la Investigación. Con respecto de los datos de irradiación solar el estudio se ha limitado a 2 fuentes, las cuales son: El atlas solar del Perú y NASA.. 13.

(26) 1.6. Objetivos de estudio. 1.6.1. Objetivo General. Diseñar un sistema solar fotovoltaico tipo aislado para bombear agua para uso agrícola en el caserío el Almendral ubicado en el distrito de Choros en la provincia de Cutervo perteneciente al departamento de Cajamarca. 1.6.2. Objetivo Específicos a) Calcular la demanda promedio diaria de agua requerida para riego en el caserío el almendral. b) Dimensionar el sistema de bombeo. c) Presupuestar el sistema de bombeo fotovoltaico. d) Determinar la viabilidad técnico económica del sistema de bombeo fotovoltaico.. 14.

(27) CAPITULO II: MARCO TEÓRICO. 2.1. Antecedentes de Estudios A nivel Internacional Así mismo Caiza (2017) en su tesis titulado “Formulación metodológica para el dimensionado e instalación de sistemas de bombeo solar fotovoltaico para el sector rural del Ecuador” En el trabajo se elaboró una metodología para la implementación de un sistema de riego por presión, utilizando la energía solar como fuente primaria de energía. La formulación de esta metodología, contempla los parámetros más importantes que intervienen en el dimensionado e instalación tanto del generador fotovoltaico, como de los principales componentes del sistema hidráulico. El dimensionamiento e instalación del sistema, dependen de las características y necesidades de riego, de las condiciones físicas y de la ubicación geográfica de la zona de estudio, es por eso que se ha tomado como ejemplo de aplicación, un sector rural ubicado al este de la ciudad de Puyo en la provincia de Pastaza, para lo cual se presenta un breve estudio de la situación actual y de las necesidades de riego en los sectores rurales del Ecuador, estudio que determinó la elección del método de riego por aspersión como el adecuado para dicho sector. Se concluye que: Analizando las ventajas y desventajas de los sistemas de bombeo solar fotovoltaico para las condiciones del sector rural de Ecuador, se obtuvo como resultado que es favorable ya que aprovecha recursos naturales inagotables como la radiación solar, y además es una tecnología limpia la cual evita la contaminación de los ríos, la flora y la fauna de la región. (Caiza Lllano, 2017) 15.

(28) Alvares (2017, pág. 54), En su tesis de grado titulado “Análisis de un sistema de riego automatizado alimentado por energía fotovoltaica utilizando PLC “ nos dice el proyecto cumple con las exigencias planteadas utilizando recursos naturales mediante el uso de paneles fotovoltaicos como fuente de energía para el bombeo y abastecimiento del agua que sirve para el consumo, y riego de los cultivos en zonas rurales donde carecen de suministro de energía eléctrica y agua potable. Los paneles fotovoltaicos es una clara muestra de energía alternativa siendo estos más viables y estables para alimentar el sistema de bombeo abaratando costos a largo plazo teniendo una amplia ventaja sobre los sistemas de riego tradicionales que usan combustibles. Las bombas solares son considerablemente eficientes porque no requieren de baterías su función es bombear siempre y cuando exista radiación solar disponible en el lugar del proyecto.. A nivel Nacional. Así mismo Alfaro (2016) en. su trabajo. de investigacion. titulado. “DISEÑO DE UN SISTEMA DE BOMBEO FOTOVOLTAICO PARA SUMINISTRAR DE AGUA AL CASERÍO PLAN MANZANAS, PROVINCIA Y DEPARTAMENTO CAJAMARCA-2016” en su resumen nos indica que el Caserío Plan Manzanas es una zona habitada por 15 familias limitado por el norte con los caseríos Manzanas Alto y Manzanas Capellanía, por el este con los caseríos de Coñor y San Antonio, por el oeste con los caseríos de Porcon Bajo y el Batán y por el sur con el caserío de 16.

(29) Huambocancha Alta encontrándonos con la problemática de escases de agua ya que dichos habitantes tienen que recorrer grandes distancias para suministrarse de la misma y poderla usar para uso doméstico y uso agrícola cuentan con un pozo artesanal y debido a la falta de energía eléctrica convencional es que no pueden poner en funcionamiento. Viendo la necesidad existente es que se planteó el cómo podemos suministrar de agua al caserío plan manzanas llegando al objetivo general diseñar un sistema de bombeo fotovoltaico para suministrar de agua al caserío Plan Manzanas, provincia y departamento de Cajamarca, 2016. Se recopilo la información necesaria de trabajos de investigación teniendo como base las energías renovables, siendo una de ellas la energía solar, realizando un diseño preciso de generación de energía eléctrica para el bombeo de agua, según la necesidad de los beneficiarios del caserío Plan Manzanas. Obteniendo el consumo energético real y la selección correspondiente de equipos del sistema fotovoltaico cumpliendo con el objetivo principal del estudio. (Alfaro Delgado, 2016).. Sánchez (2016, pág. 9) en su tesis titulado “Diseño de un suministro eléctrico con energía solar fotovoltaica para mejorar la productividad de equipos de bombeo agrícola del establo Gesa - Lambayeque, 2016” nos expresa que con la finalidad de Diseñar un suministro eléctrico con energía solar fotovoltaica que permita mejorar la productividad de equipos de bombeo agrícola del establo GESA - Lambayeque; el proceso metodológico presenta un tipo de investigación aplicado – tecnológico con diseño pre - experimental, se trabajó con una población y muestra representativa constituida la capacidad de agua necesaria para el establo 17.

(30) de GESA en Lambayeque. Se utilizó la técnica de la observación y los instrumentos permitieron medir los valores adecuados para el diseño; el análisis y procesamiento estadístico se realizó a través de la estadística descriptiva.. El. propósito. del. presente. trabajo,. es. contribuir. el. mejoramiento del bombeo del establo GESA, las celdas fotovoltaicas permiten en condiciones óptimas desarrollar las actividades de una manera segura. El diseño realizado se justifica, en la medida que ayudará, a solucionar los problemas propios del establo GESA en cuanto a sus necesidades de agua, así mismo el aporte de la investigación se centra en la importancia de esta investigación que propone una alternativa de ahorro energético. La conclusión más relevante del informe se expresa en que el costo total para el diseño será de 10,050 nuevos soles que garantizará una adecuada funcionalidad para un prolongado tiempo del sistema fotovoltaico, a pesar del corto tiempo de implementación.. Según Peralta (2018) en su tesis titulado: “Evaluación técnico-económica de una instalación de bombeo solar fotovoltaico aplicada a la ampliación de la frontera agrícola en zonas aisladas de Arequipa” En este trabajo se muestra la evaluación técnico-económica de un sistema de bombeo solar fotovoltaico aplicada a la ampliación de la frontera agrícola de zonas rurales de Arequipa. En los viñedos de la Empresa Majes Tradición SAC (Arequipa, Perú) se instaló una bomba solar fotovoltaica sumergible para impulsar el agua desde una derivación del rio Majes hasta el reservorio superior para riego tecnificado de los viñedos. Para medir los parámetros climáticos, se instaló una estación meteorológica, que mide la radiación solar, la temperatura, la humedad relativa y la velocidad del viento. En el 18.

(31) sistema de bombeo solar se instalaron sensores eléctricos e hidráulicos (corriente, voltaje, flujo másico y presión hidráulica) para evaluar las eficiencias en cada proceso de transformación de energía. También se evaluaron los parámetros económicos del proyecto para analizar la recuperación de la inversión comparado con tecnologías convencionales de bombeo. Los resultados indican que el sistema de bombeo fotovoltaico funciona desde las 07:30 horas hasta las 15:30 horas, con un promedio de 8 horas por día. La eficiencia global del sistema es del 7%, lo que corresponde a una eficiencia del módulo fotovoltaico del 12%. La eficiencia hidráulica varía entre 55% y 75%, mientras que el flujo másico varía entre 2 kg/s y 6,3 kg/s, lo que corresponde a una irradiancia solar de 200 W/m2 y 1190 W/m2 respectivamente. Los resultados del análisis económico indican que la inversión del sistema fotovoltaico, comparado a la electricidad de la red pública, se recupera en 5,3 años, comparado con los costos de generación eléctrica a partir de un generador a combustión interna (diésel y/o GLP) la recuperación es en 2,8 años. (Peralta Vera, 2018). A nivel Local Según Sánchez (2019) en su tesis titulado “ Propuesta de un sistema fotovoltaico para bombeo de agua subterránea en la provincia de Celendín-Cajamarca. Nos informa que el objetivo general de la tesis fue Proponer un sistema fotovoltaico para el bombeo de agua subterránea en la provincia de Celendín – Cajamarca. La investigación en esta tesis fue aplicada pues en base a los conocimientos de ingeniería se trata de dar soluciones a problemas de la vida real, como es en este caso solucionar el problema de déficit de agua en el periodo de sequía. Luego de 19.

(32) investigar y elaborar la tesis podemos indicar lo siguiente: Con los datos de radiación solar de NASTEC se ha obtenido una radiación solar mínima de 4,50 kWh/m 2 /día para el periodo de sequía , también se ha obtenido datos de radiación solar del atlas solar del Perú con un valor de 2 4,50 kWh/m /día . Se determino el consumo diario de agua para animales el cual es de 3 457 litros o 3,457 m 3 y también se calculó la cantidad de agua necesaria para el riego de 2 hectáreas de terreno con un consumo diario de 3 114,88 m , considerando un 10% adicional y un 10 % para e llenado de tanque de almacenamiento el total de agua diaria requerida es de 143,19 m 3 .El sistema de bombeo fotovoltaico estará conformado por 01 bomba sumergibles LORENTZ PS2-4000C-SJ30-2, 16 paneles fotovoltaicos de la marca SIMAX de 240 Wp. El presupuesto referencial del sistema de bombeo fotovoltaico es de S/. 113 611,61. Se realizo la evaluación económica obteniéndose que para una tasa de interés del 19% obteniéndose el de VAN = S/. 217 284,37 > 0 y la TIR de 47 %. Y para una tasa de descuento de 25,75 % el VAN es de S/. 104 973,91 >0 y la TIR= 43 % por lo que la propuesta es aceptable. Alfaro (2016) en. su tesis titulado “DISEÑO DE UN SISTEMA DE. BOMBEO FOTOVOLTAICO PARA SUMINISTRAR DE AGUA AL CASERÍO. PLAN. MANZANAS,. CAJAMARCA 2016” en su. PROVINCIA. resumen. Y. explica que. DEPARTAMENTO el Caserío Plan. Manzanas es una zona habitada por 15 familias limitado por el norte con los caseríos Manzanas Alto y Manzanas Capellanía, por el este con los caseríos de Coñor y San Antonio, por el oeste con los caseríos de Porcon Bajo y el Batán y por el sur con el caserío de Huambocancha Alta 20.

(33) encontrándonos con la problemática de escases de agua ya que dichos habitantes tienen que recorrer grandes distancias para suministrarse de la misma y poderla usar para uso doméstico y uso agrícola cuentan con un pozo artesanal y debido a la falta de energía eléctrica convencional es que no pueden poner en funcionamiento. Viendo la necesidad existente es que se planteó el cómo podemos suministrar de agua al caserío plan manzanas llegando al objetivo general diseñar un sistema de bombeo fotovoltaico para suministrar de agua al caserío Plan Manzanas, provincia y departamento de Cajamarca, 2016. Se recopilo la información necesaria de trabajos de investigación teniendo como base las energías renovables, siendo una de ellas la energía solar, realizando un diseño preciso de generación de energía eléctrica para el bombeo de agua, según la necesidad de los beneficiarios del caserío Plan Manzanas. Obteniendo el consumo energético real y la selección correspondiente de equipos del sistema fotovoltaico cumpliendo con el objetivo principal del estudio. (Alfaro Delgado, 2016).. 2.2. Desarrollo de la temática correspondiente al tema desarrollado 2.2.1. Energía solar7 La energía solar, es la energía radiante producida en el Sol, como resultado de reacciones nucleares de fusión, ésta llega a la Tierra a través del espacio en cuantos de energía llamados fotones, que interactúan con la atmósfera y la superficie terrestre. Sin embargo, del total de energía no. 7. (Lara Yevenes, 2007). 21.

(34) toda llega a la tierra, ya que solo ¾ partes de ella entran a través de la atmósfera. (Lara Yevenes, 2007). 2.2.1.1. Radiación solar La radiación solar es el conjunto de radiaciones electromagnéticas emitidas por el Sol. Esta energía liberada del Sol es emitida al exterior mediante la radiación solar. El sol es como un cuerpo negro, el cual emite energía siguiendo la ley de Planck a la temperatura media de 6000 K. La radiación solar es distribuida desde el infrarrojo hasta el ultravioleta. No todas las ondas ultravioletas llegan ya que son muy 31 cortas y son absorbidas por los gases de la atmósfera. La magnitud de medida de la radiación solar es la irradiancia, que mide la potencia por unidad de superficie alcanza en la Tierra. Su unidad es el W/m². (Heredia Fernandéz & Sánchez Manayalle, 2018).. Figura N° 8: Espectro de radiación solar Fuente: (Heredia Fernandéz & Sánchez Manayalle, 2018). 22.

(35) Tipos de radiación solar8 Dependiendo de cómo la radiación de la luz solar actúa sobre los elementos situados en la superficie del mundo, estos tipos de radiación solar se puede diferenciar: a) Radiación Directa El primero de los tipos de radiación solar y sus características es la radiación. directa. que. llega. específicamente. del. Sol. sin. haber. experimentado ningún ajuste en su trayecto. Este tipo de radiación se conoce porque establece una sombra caracterizada de los elementos oscuros que la bloquean.. Figura N° 9: Radiación directa b). Radiación difusa. Una parte de la radiación que pasa por la capa atmosférica se refleja en las nubes o es consumida por ellas. Esta radiación, que se llama difusa, va en todas direcciones, como resultado de reflexiones y asimilaciones,. 8. http://misistemasolar.com/radiacion-solar/. 23.

(36) de neblinas, así como de partículas de residuos ambientales, montañas, árboles, estructuras, la propia suciedad, etc. c). Radiación reflejada. La radiación reflejada y es como su nombre lo dice, la reflejada por la superficie del mundo. La medida de la radiación se basa en el coeficiente de reflexión de la superficie, también llamado albedo. Las superficies horizontales no reciben ningún tipo de radiación reflejada, ya que no perciben ninguna superficie terrestre y las superficies verticales son las que obtienen la mayor cantidad de radiación reflejada.. 2.2.1.2. Energía fotovoltaica El fundamento de la energía solar fotovoltaica es el efecto fotoeléctrico, que consiste en la transformación de la luz solar en electricidad. Esto se consigue con algunos materiales que tienen la particularidad de absorber fotones y emitir electrones. Para las células fotovoltaicas recibe un tratamiento químico especial para crear un campo eléctrico, positivo en un lado y negativo en el otro. Cuando la luz solar incide en la célula, los electrones son movidos del material semiconductor y es ahí cuando estos electrones libres son capturados generando una corriente eléctrica. Esta electricidad puede ser utilizada para suministrar energía a una carga. El conjunto de varias células conectadas eléctricamente entre sí y montadas en una estructura, se denomina módulo fotovoltaico. Varios módulos pueden ser instalados unos con otros para formar un campo solar. Los paneles solares producen electricidad en DC, pudiendo conectarse en serie o en paralelo para conseguir el voltaje requerido.. 24.

(37) 2.2.1.3. Energía solar en el mundo9 Para 2019, sin embargo, los analistas esperan un aumento significativo de la demanda, con unas ventas de módulos estimadas en torno a los 112 GW.. En Europa, Alemania, España, Francia, los Países Bajos y Ucrania serán los países que más tirarán del carro. Cada uno de ellos logrará un aumento de más de 1 GW en la capacidad instalada el próximo año, y lo mismo ocurrirá con otra decena de países del mundo, con India y Estados Unidos a la cabeza. En total, según la consultora, habrá 16 países en el mundo en el que la capacidad solar instalada superará los 1.000 MW.. En cuanto al mercado 2019, PV Info Link señala que el mercado camina hacia una mayor concentración de fabricantes: los de mayor tamaño seguirán expandiéndose a expensas de otros más pequeños.. Además, pronostica que la tecnología PERC (Passivated Emitter Rear Cell), que aprovecha más la radiación al incluir una capa reflectante, va a ir en ascenso, con una cuota de mercado que casi se doblará, pasando del 28% al 46%.. 2.2.1.4. Radiación solar en Latinoamérica América latina y el Caribe son los lugares en donde radica mayor radiación solar y que por su geografía y sus pocos cambios climáticos y estaciones son los países en donde la energía solar se puede ver. 9. https://www.unenvironment.org/es/news-and-stories/comunicado-de-prensa/la-energia-solaragrego-mas-capacidad-de-generacion-electrica. 25.

(38) favorecida muy por encima en comparación con otros países. La nueva moda ahora es instalar plantas donde se generé energía renovable, ya sea solar o eólica, en estos países pueden verse en un aumento de 32% a partir del año 2030 y muy pronto, los que serán los líderes de la región en energía solar serán Brasil, México, Argentina, Chile y Colombia. Estos países anteriormente mencionados son los que se han encargado de aprovechar todos los recursos naturales de su tierra, creando plantas solares capaces de generar suficiente energía eléctrica para empresas públicas y privadas, haciendo que una de ellas pueda ser el primer país en generar energía solar las 24 horas al día.. Figura N° 10: Mapa de irradiación horizontal en Latinoamérica y el Caribe10. 10. Valdiviezo Salas, Paulo Daniel. «Diseño de un sistema fotovoltaico para el suministro de energia electrica a 15 computadoras portatiles en la PUCP.» Lima, 2014. 26.

(39) 2.2.1.5. Energía Solar en el Perú11. Perú está promoviendo el uso de energía solar. El desafío del sector es llevar energía a 2,2 millones de peruanos de las zonas rurales a través de la extensión de redes y paneles solares. Energía limpia paratodos.com 2014. Perú tiene previsto lanzar una nueva subasta para las renovables en la segunda mitad de 2018. PV Magazine 16/03/2018. Según IRENA, nuestro país pasó de 153 MW instalados en 2017 a 345 MW en 2018. “El reto del Perú se encuentra en la promoción de una planificación energética sostenible que pueda asegurar una demanda energética nacional creciente”.. 11. https://www.tsolar.com/es/noticias/latinoamerica-fotovoltaica-y-renovables-4-parte.html. 27.

(40) Figura N° 11: Mapa solar del Perú12 2.2.2. Producción de energía eléctrica a partir de la radiación solar La producción de energía eléctrica está basada en el fenómeno físico llamado "efecto fotovoltaico", que convierte la luz solar en energía eléctrica por medio de unos dispositivos semiconductores llamados células fotovoltaicas. Estas células están elaboradas mayormente a base de silicio puro con adición de impurezas de ciertos elementos químicos como el boro y fósforo. Parte de la radiación incidente se pierde por reflexión o rebote y otra parte por transmisión es decir que atraviesa la 12. (SENAMHI, 2003). 28.

(41) célula fotovoltaica. Por lo que una capa antirreflejo aumenta la eficacia de la célula. 2.2.3. Insolación. Éste es otro concepto importante, el cual corresponde al valor acumulado de la irradiancia en un tiempo dado. Si el tiempo se mide en horas (h), la insolación tendrá unidades de Wattshora por metro cuadrado (Wh/m2). Generalmente, se reporta este valor como una acumulación de energía que puede ser horaria, diaria, estacional o anual. La insolación también se expresa en términos de horas solares pico (HSP). Una hora solar pico es equivalente a la energía recibida durante una hora, a una irradiancia promedio de 1 000 W/m 2 (véase Figura N° 12). La energía que produce un arreglo FV es directamente proporcional a la insolación que recibe.. Figura N° 12: Irradiancia y horas solar pico Fuente: (Lara Yevenes, 2007).. 29.

(42) 2.2.3. Sistema de bombeo solar fotovoltaico El bombeo de agua con energía fotovoltaica se presenta como una de las aplicaciones más importantes de la energía solar. Es especialmente interesante en zonas rurales en donde los pozos se encuentran en lugares de difícil acceso a la red eléctrica. El bombeo solar de agua para riego que, aunque en actualmente, resulte excesivamente costoso, es una aplicación que puede presentar en el futuro de un gran potencial de desarrollo. Teniendo en cuenta que las necesidades de agua para riego suelen ir asociadas a las épocas de mayor insolación, coincidiendo oferta y demanda. Los sistemas de bombeo fotovoltaicos para riego podrán presentar ventajas económicas frente a otras tecnologías de sistemas de riegos eficientes que permitan el ahorro del agua y energía, se buscará maximizar la utilización de la energía disponible mediante una rotación sistemática de cultivos o cultivos permanentes13. Existen dos alternativas de sistemas de bombeos fotovoltaicos que son: a) Bombeo solar directo: El agua se extrae del pozo durante el tiempo de radiación solar únicamente, almacenándose en un depósito. Se evita los costes asociados a las baterías.. 13. Paredes Rubio, Arturo Romero. «Guia para el desarrollo de proyectos de bombeo de agua con energia fotovoltaica.» Mexico, 2001.. 30.

(43) b) Bombeo con baterías: Si las necesidades de extracción de agua son muy precisas o se necesita asegurar el suministro, pueden instalarse baterías para los periodos sin sol. Los equipos que conforman esta aplicación son: i). Módulos fotovoltaicos: Captan la energía del sol y la convierten en electricidad en corriente continua.. ii) Acoplamiento módulos-bomba: Transforma la energía generada por los módulos fotovoltaicos en adecuada para el funcionamiento de la bomba. 2.2.4. Una. Funcionamiento del sistema de bombeo solar14 instalación. de. bombeo. fotovoltaico. está. compuesta. principalmente por un generador FV, un motor/bomba, un pozo, un sistema de tuberías y un depósito de acumulación. Se puede disponer de un sistema de acondicionamiento de potencia (controladores DC/DC, inversores DC/AC u otros dispositivos electrónicos) de acoplo entre el generador FV al motor, para poder operar motores AC o para incrementar el rendimiento medio diario en sistemas con motores DC que accionen bombas de desplazamiento positivo. El sistema ha de estar debidamente instalado y protegido, utilizando sensores de nivel en el pozo y en el depósito de acumulación para evitar el desperdicio del agua y la operación en vacío (Figura 13). A pesar de que se instalan bombas de superficie o flotantes, la configuración más habitual es un sistema motobomba. 14. (Alonso Abella & Chemlo Romero). 31.

(44) sumergible instalada en un pozo de sondeo. (Alonso Abella & Chemlo Romero). Figura N° 13: Esquema típico de un sistema de bombeo Fuente: (Alonso Abella & Chemlo Romero). Debe tenerse presente que la solución más simple y económica es acumular agua en lugar de energía eléctrica, usando una cisterna. Su incorporación. permitirá. minimizar. el. efecto. causado. por. las. variaciones estaciónales de los recursos hidráulicos o desperfectos temporarios que interrumpan su funcionamiento, almacenar agua en tanques es mucho más económico que almacenar energía en baterías.. Después de. reemplazarse, almacenamiento. mientras bien. 5. a. 7. años,. que. la. vida. útil. de. es. de. varias. construido. las. baterías un. necesitan tanque. de. décadas,. el. almacenamiento por baterías normalmente se justifica solo cuando el 32.

(45) rendimiento máximo del pozo durante las horas de sol es insuficiente para satisfacer las necesidades diarias de agua y cuando se requiere bombear. agua durante la noche, en general no se recomienda. utilizar baterías en los sistemas de bombeos fotovoltaicos, además se recomienda que al almacenar agua se hará para tres días de abasto. (Paredes Rubio, 2001). 2.2.5. Subsistema de generación. El subsistema de generación debe ser dimensionado para aportar la energía demandada por la instalación, una vez calculada en función del rendimiento global y del rendimiento de posibles inversores.15 Está formado por un conjunto de paneles solares denominado generador fotovoltaico los cuales pueden estar conectados en serie y/o en paralelo, que transforman la energía solar incidente en energía eléctrica. 2.2.5.1.. Celda fotovoltaica. Son unidades fotovoltaicas que convierten directamente la luz solar en electricidad. Por efecto fotoeléctrico que son propiedades de algunos materiales, la cual está compuesto de un ánodo y un cátodo recubierto de un material fotosensible. La luz que incide sobre el cátodo libera electrones que son atraídos hacia el ánodo, de carga positiva, originando un flujo de corriente proporcional a la intensidad de la radiación, 15. https://ikastaroak.ulhi.net/edu/es/IEA/ISF/ISF06/es_IEA_ISF06_Contenidos/website_13_subsistema_de _generacin.html. 33.

(46) produciéndose la absorción de fotones de luz y emisión electrones que son capturados, y el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad. Las celdas fotovoltaicas son fabrican principalmente de silicio por ser un elemento abundante y de bajo costo.. Figura N° 14: Celda fotovoltaica Fuente: (Heredia Fernandéz & Sánchez Manayalle, 2018) Parámetros eléctricos que definen una celda solar a. Tensión nominal (V): Es la tensión de trabajo de la celda solar. b. Intensidad de corto circuito (Icc): Es la corriente de la celda solar a tensión nula. El cual varía dependiendo de la radiación solar existente. c. Tensión a circuito abierto (Voc): Es la tensión de una celda solar a intensidad nula, el cual es un valor que depende de la radiación solar. d. Intensidad de máxima potencia (IMP): Se puede definir como la intensidad con la que trabaja una celda cuando se encuentra a máxima potencia. 34.

(47) e. Tensión de máxima potencia (VMP): Se puede definir como la tensión que proporciona la celda cuando trabaja a máxima potencia. f. Potencia máxima o de pico (PP): Es el valor máximo de potencia que puede obtener una celda solar. 2.2.5.2. Panel Fotovoltaico Es un dispositivo que capta la energía de la radiación solar para transformarla en energía eléctrica. También comprende a los colectores solares para producir agua caliente doméstica mediante energía solar térmica.. Los. paneles. fotovoltaicos. se. encuentran. formados. por. numerosas celdas que convierten la luz en electricidad. Las celdas también son conocidas como células fotovoltaicas. Estas dependen del efecto fotovoltaico que produce cargas positiva y negativa a través de energía lumínica en dos semiconductores próximos de diferente tipo, produciendo así un campo eléctrico capaz de generar una corriente. Los materiales más usados hasta el momento son el silicio cristalino y el arseniuro de galio. Los cristales de arseniuro de galio se fabrican especialmente para uso fotovoltaico, mientras que los cristales de silicio para el consumo de la industria microelectrónica. El silicio policristalino tiene una menor eficacia de conversión, pero también menor coste. Cuando se expone a luz solar directa, una celda de silicio de 6 centímetros de diámetro alcanza a producir una corriente de alrededor de 0,5 A y 0,5 V que es equivalente a un promedio de 90 W/m², en un campo de normalmente 50-150 W/m², dependiendo del brillo solar y la eficiencia de las celdas. El arseniuro de galio es un poco más eficiente que el silicio,. 35.

(48) pero también más costoso. (Heredia Fernandéz & Sánchez Manayalle, 2018). Figura N° 15: Panel Fotovoltaico16 Tipos de paneles fotovoltaicos17 Las células fotovoltaicas o paneles son una de las formas de generar electricidad a partir de energía solar. No son los más eficientes, pero son lo mejor para utilizar a una escala pequeña y mediana. Unas células fotovoltaicas son construidas con dos tipos de silicio, que cuando son alcanzados por la energía solar, producen una diferencia de potencial entre ellos y, si encuentran conectados a un circuito eléctrico, producirá una circulación de corriente. Un número de células fotovoltaicas encapsuladas en vidrio se conectarán en serie o en paralelo para producir un voltaje específico. Lo que puede ser observado como un panel de 12 voltios puede producir alrededor de 16 voltios a pleno sol para cargar una batería de12 voltios.. 16 17. https://solar-energia.net (Heredia Fernandéz & Sánchez Manayalle, 2018). 36.

(49) En el mayor de los casos, una cantidad de paneles estarán conectados entre sí para formar una “matriz”. Los módulos fotovoltaicos del mismo tipo pueden ser conectados en serie para dar un voltaje más alto. Existen tres tipos de placas fotovoltaicas: Monocristalinas Son cortados de un solo cristal de silicio que es efectivamente una rebanada de un cristal. En apariencia, se podrá ver una textura suave y el grosor de la rebanada. Estos son la mayor eficiencia en el mercado actual y los más caros de producir. Son rígidos y deben ser instalados en una estructura rígida para su protección. Policristalino Las células cristalinas con una reducción de corte de un bloque de silicio, compuesto de una gran cantidad de cristales. Son de menor eficiencia que las Monocristalinas y por ende de menor costo.. Amorfas Éstas son diseñadas mediante la colocación de una fina capa no cristalina de silicio sobre una variedad de superficies. Estos son de menos eficiencia y por tanto de menor costo. Debido a la naturaleza amorfa de la capa fina, es flexible, el panel solar entero puede ser flexible.. 37.

(50) Una característica de las celdas solares no cristalinas o amorfas es que tiene una reducción de potencia con el tiempo, especialmente durante los primeros meses, después de los cuales son básicamente estables.. Figura N° 16: Tipos de Paneles FV18. 2.2.5.3. Conexión de Paneles Fotovoltaicos En un arreglo FV se pueden conectar eléctricamente en serie o paralelo. Las características eléctricas del arreglo son análogas a la de módulos individuales, con la potencia, corriente y voltaje modificados de acuerdo al número de módulos conectados en serie y en paralelo. Incrementando el voltaje: Los módulos solares se conectan en serie para obtener voltajes de salida más grandes. El voltaje de salida, Vs, de módulos conectados en serie esta dado por la suma de los voltajes generados por cada módulo.. 18. https://www.tritec-intervento.cl/productostritec/tipos-de-paneles-fotovoltaicos/. 38.

(51) Incrementando la corriente: Los módulos solares o paneles se conectan en paralelo para obtener corrientes generadas más grandes. El voltaje del conjunto es el mismo que el de un módulo (o un panel); pero la corriente de salida, Is, es la suma de cada unidad conectada en paralelo.. En la Figura 17 se muestra un ejemplo de módulos conectados en serie y en paralelo. En ella se muestra la posición de los diodos de paso y el diodo de bloqueo. Este último debe ser calculado tomando en consideración la máxima corriente que generará el arreglo fotovoltaico en condiciones de corto circuito. La norma internacional dice que el valor de la corriente que soporta el diodo debe ser por lo menos 1,56 veces el valor de la corriente del circuito del arreglo de corto.. Figura N° 17: Conexión de módulos fotovoltaicos Fuente: (Cabrera Peña & Fermín Montiel, 2003) 2.2.5.4. Curvas características En un generador fotovoltaico, la corriente generada es proporcional a la irradiancia de forma lineal, donde al disminuir la irradiancia la corriente de 39.

(52) cortocircuito disminuye de igual manera; el voltaje permanece casi constante cuando se opera en los puntos de máxima potencia.. Figura N° 18: Efectos de la irradiancia sobre el desempeño del generador FV. Fuente: (Heredia Fernandéz & Sánchez Manayalle, 2018) Al calentarse el generador Fotovoltaico por estar expuesto al sol produce una ganancia marginal de corriente de cortocircuito y a su vez una caída de tensión. Por lo cual significa una menor eficiencia.. Figura N° 19: Efecto de la Temperatura sobre el generador FV Fuente: (Heredia Fernandéz & Sánchez Manayalle, 2018) 40.

(53) 2.2.6. Subsistema Motor- Bomba El subsistema motor-bomba está formado por un motor que acciona una bomba de agua. En general, los motores pueden ser de corriente continua (DC) o de corriente alterna (AC). Las bombas pueden ser centrífugas o de desplazamiento positivo. Por su situación en el pozo los sistemas motor-bomba pueden ser sumergibles, flotantes o de superficie (Alonso Abella & Chemlo Romero). 2.2.7. Selección de la bomba. Las bombas centrifugas y volumétricas ofrecen diferentes alternativas para diferentes rangos de aplicación. El proceso de selección de la bomba para un proyecto es de suma importancia. Todas las bombas tienen que usar la energía eficientemente ya que, en un sistema fotovoltaico, la energía cuesta dinero. Este proceso de selección de la bomba se complica debido a la multitud de marcas y características de una bomba. Un solo fabricante puede ofrecer más de 20 modelos de bombas y cada una tiene un rango óptimo de operación. Las bombas más eficientes son el desplazamiento positivo de pistón, pero no son recomendables para los gastos medianos y grandes a baja carga dinámica total. En el diagrama siguiente indica el tipo de bomba adecuada que se recomienda en general según la carga dinámica total del sistema de bombeo. (Paredes Rubio, 2001).. 41.

(54) 2.2.8. Subsistema de acumulación19.. Un sistema de bombeo alimentado mediante energía solar fotovoltaica únicamente suministra agua durante las horas de sol (en las cuales se supere la irradiancia umbral) a no ser que se incluyan en el sistema acumuladores. electroquímicos. o. baterías. o. depósitos. de. almacenamiento de agua. Las baterías pueden almacenar la energía excedente en las horas de sol para suministrarla cuando ésta no sea suficiente para bombear el agua demandada y pueden mejorar el acoplo generador- motor. La inclusión de baterías en el sistema, en general, no es recomendable ya que disminuyen la fiabilidad del sistema, aumentan el coste del sistema de bombeo y las necesidades de mantenimiento, aunque en ciertos casos es beneficioso porque aprovecha mejor la energía fotogenerada y el motor opera en sus condiciones nominales. Una forma alternativa de almacenar energía es mediante el uso de depósitos de almacenamiento de agua, los cuales, dependiendo de su capacidad, pueden proporcionar el déficit de agua en aquellos momentos en que el caudal bombeado no alcance el consumo demandado.. 19. (Alonso Abella & Chemlo Romero). 42.

(55) 2.2.9.. Evapotranspiración20. Se conoce como evapotranspiración (ET) la combinación de dos procesos: a. Evaporación desde el suelo y desde la superficie cubierta por las plantas. b. Transpiración desde las hojas de las plantas. Por lo tanto, el cálculo de la ET se usa para saber el agua que necesitan las plantas para su correcto desarrollo, ya sea en un jardín o en un campo de cultivo. Como consecuencia de esto, para poder diseñar todo lo relacionado con el riego, programación de riegos, cantidades de agua a aportar a un determinado cultivo, diseño y elección del mejor sistema de riego, conducciones de agua, etc., es necesario calcularlo de la manera más precisa posible. Condicionantes Para que se produzca ET tienen que darse las siguientes condiciones: a. El agua tiene que estar presente. b. Tiene que haber alguna fuente de energía que convierta el agua líquida en vapor de agua. c. Se tiene que producir un fenómeno físico que separe el vapor de agua de la superficie de evaporación.. 20. https://www.mapa.gob.es/es/desarrollo-rural/temas/gestion-sostenibleregadios/Evapotranspiraci%C3%B3n_tcm30-82951.pdf. 43.

(56) 2.2.10.. Viabilidad técnica y económica de proyectos de inversión21.. La evaluación económica mide el resultado económico de una inversión sin tener en cuenta un probable préstamo. La evaluación financiera permite determinar los beneficios del proyecto incluido el financiamiento. El valor actual neto (VAN) El valor actual neto es la suma algebraica de los flujos netos actualizados del proyecto, si es positivo, conviene ejecutar el proyecto.. Donde: Io=Inversión inicial BN= Flujo de beneficios t= 1, 2, 3, …, n (período de años) n= Horizonte del proyecto td= Tasa de descuento Tasa Interna de Retorno (TIR) Es aquella tasa de descuento que hace que el VAN = 0. Permite medir directamente la rentabilidad del proyecto. La TIR debe ser mayor que la tasa de descuento para aceptar el proyecto: (TIR > td).. 21. (Heredia Fernandéz & Sánchez Manayalle, 2018). 44.

(57) 2.3.. Definición conceptual de la terminología empleada.. NOCT (Nominal Operation Cell Temperature): Es la temperatura que alcanza la celda cuando ésta se expone a 800 W/m 2 de radiación en un ambiente con aire a 20°C de temperatura y circulando a una velocidad de 1 m/s, cuando la celda está en circuito abierto. Tensión eléctrica: Diferencia de potencial eléctrico que tiene que existir entre los bornes de conexión o entre dos partes activas de una instalación, para que la corriente eléctrica circule por dicha instalación. La unidad de medida es el Voltio (V). Voltaje de circuito abierto: Voltaje que se mide en los terminales sin carga de un sistema fotovoltaico. Voltaje de máxima potencia: Voltaje correspondiente al punto de máxima potencia. Celda solar o celda fotovoltaica: Elemento que transforma la luz solar (fotones) en electricidad. Es el insumo fundamental de los módulos solares fotovoltaicos. Celdas de película delgada: Celdas fabricadas de películas del orden de los micrones de material sensible a la radiación solar. Condiciones de prueba estándar: Condiciones en las cuales se prueban los módulos fotovoltaicos en laboratorio (1 kWh/m2 de radiación solar, 25°C de temperatura de la celda solar y espectro solar correspondiente a una masa de aire de 1,5).. 45.

(58) Rama fotovoltaica. Subconjunto de módulos fotovoltaicos interconectados en serie o en asociaciones serie-paralelo, con voltaje igual a la tensión del generador. Generador fotovoltaico. Asociación en paralelos de ramas fotovoltaicas. Corriente de corto circuito: Corriente que se mide en condiciones de corto circuito en los terminales de un módulo. Corriente de máxima potencia: Corriente correspondiente al punto de máxima potencia. Intensidad eléctrica: Magnitud eléctrica definida como la cantidad de electricidad que pasa a través de la sección de un cable conductor en un segundo. Se mide en Amperios (A) Watt pico: Unidad de medida de un módulo solar fotovoltaico, que significa la cantidad de potencia máxima que puede generar el módulo a condiciones estándar de funcionamiento (1000 W/m2 , 25 °C y 1,5 de masa de aire). Radiación solar. Energía procedente del sol en forma de ondas electromagnéticas. Irradiancia. Densidad de potencia incidente en una superficie o la energía incidente en una superficie por unidad de tiempo y unidad de superficie. Se mide en kW/m2.. 46.

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Figura N°  1: En el Distrito de choros -Cutervo                                Fuente: elaboración propia
Tabla N°  1: Ubicación geográfica de El Almendral 2
Figura N°  4: ventana de ingreso  a la  pagina  web  de la NASA  Fuente: (NASA, 2019)
Figura N°  5: Ingreso a  DATA  ACCESS -NASA  Fuente: (NASA, 2019)
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