Generación distribuida en redes secundarias en Arequipa

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(1)UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA ESCUELA DE POSGRADO UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS. GENERACIÓN DISTRIBUIDA EN REDES SECUNDARIAS EN AREQUIPA. Tesis presentada por el Maestro: VÍCTOR HUGO CORNEJO SOLÓRZANO Para optar el Grado de Doctor en Ciencias Con mención en: Ingeniería Energética Asesor: DR. MIKHAIL CARCAUSTO TAPIA AREQUIPA - PERÚ 2017. i.

(2) Dedicado: A mi familia…. i.

(3) RESUMEN El presente trabajo Generación Distribuida en Redes Secundarias en Arequipa demuestra que la implementación de generadores fotovoltaicos en determinadas zonas de deficiencia de energía eléctrica mejora los parámetros eléctricos. Para del desarrollo se eligió de manera aleatoria una zona del distrito de Yanahuara, departamento de Arequipa, en un número de 113 viviendas, las que son analizadas a partir de su consumo eléctrico a SEAL, empresa distribuidora de electricidad. Se inicia con un repaso de los principales conceptos relacionados a los temas de Generación Distribuida y Generadores Fotovoltaicos dados en el Perú y específicamente en la ciudad de Arequipa. Del análisis al modelo de 113 viviendas agrupadas en nodos, se obtiene la distribución de sus consumos durante todos los días de acuerdo a una clasificación y mediante el análisis de simulación del modelo real y del modelo con la inserción de generación distribuida con plantas fotovoltaicas en diferentes escenarios, se obtienen los parámetros eléctricos para estos casos. De los resultados de los análisis, se determina que la inserción de plantas de generación distribuida a través de plantas fotovoltaicas en determinados nodos, hace que los parámetros eléctricos mejoren en sus características, lo cual hace que el servicio sea de mejor calidad.. ii.

(4) ABSTRAC The present work distributed generation in secondary networks in Arequipa shows that the implementation of photovoltaic generators in certain areas of electric power deficiency improves the electrical parameters. For development, an area of the district of Yanahuara, department of Arequipa, was randomly selected in a number of 113 houses, which are analyzed from their electricity consumption to seal, an electricity distribution company. It begins with a review of the main concepts related to the issues of distributed generation and photovoltaic generators given in Perú and specifically in the city of Arequipa. From the analysis to the model of 113 houses grouped in nodes, the distribution of its consumption is obtained during all the days according to a classification and by the simulation analysis of the real model and the model with the insertion of distributed generation with photovoltaic plants in different scenarios, the electrical parameters are obtained for these cases. From the results of the analysis, it is determined that the insertion of distributed generation plants through photovoltaic plants at certain nodes, makes the electrical parameters improve in their characteristics, which makes the service of better quality.. iii.

(5) ÍNDICE DE CONTENIDO Pág. Lista de figuras. 1. Lista de gráficos. 2. Lista de tablas. 5. CAPÍTULO 1. 1.1. Introducción. 7. 1.2. Formulación del problema. 11. 1.3. Justificación. 12. 1.4. Objetivo general. 13. 1.5. Objetivos específicos. 13. 1.6. Organización de la tesis. 13. CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 2.1. Antecedentes. 14. 2.2. Bases teóricas generales. 17. 2.2.1. Fuentes de energía no renovables. 17. 2.2.2. Ventajas y desventajas de las energías no renovables. 17. 2.2.3. Fuentes de energía renovables. 17. 2.2.4. Ventajas y desventajas de las energías renovables. 18. 2.3. Generación energía eléctrica. 18. 2.3.1. Tipos de generación de energía eléctrica. 21. 2.3.2. Desventajas de la generación convencional. 21. 2.4. Generación distribuida. 22. 2.4.1. Tecnologías de generación distribuida. 25. 2.5. Ventajas de la Generación Distribuida. 26. 2.6. Redes eléctricas de distribución. 27. 2.7. Sistemas eléctricos de potencia. 28. 2.7.1. Flujos de potencia. 28. iv.

(6) 2.7.2. Pérdidas de potencia. 29. 2.7.3. Estabilidad de Tensión. 29. 2.7.4. Análisis de fallos. 29. 2.8. Energía solar. 29. 2.9. Generación Fotovoltaica. 44. CAPÍTULO 3. ENERGÍA ELÉCTRICA 3.1. Sistema eléctrico en el Perú. 47. 3.2. Marco general regulatorio del sub sector de electricidad. 48. 3.3. Energía eléctrica en el Perú. 49. 3.4. Evolución de la generación de energía eléctrica en el Perú. 53. 3.5. Generación eléctrica con recursos renovables en el Perú. 55. 3.6. Consumo de energía eléctrica en redes secundaras en la ciudad de Arequipa. 56. 3.7. Energía solar incidente. 64. 3.8. Generación de energía fotovoltaica. 79. CAPÍTULO 4. GENERACIÓN DISTRIBUIDA EN REDES SECUNDARIAS 4. Generación distribuida en redes secundarias. 81. 4.1 Evaluación de los consumos y la generación fotovoltaica. 81. 4.2. Evaluación de una red de distribución secundaria. 96. 4.3 Identificación y simulación del modelo. 98. 4.3. Identificación y simulación del modelo con generación distribuida. 117. CONCLUSIONES. 125. BIBLIOGRAFÍA. 126. v.

(7) LISTA DE FIGURAS. pág. Figura N° 1.1. Estimación de la producción de energía a finales del 2013. 6. Figura N° 1.2. Tasas medias de crecimiento anual energías Renovables y otros. 7. Figura Nº 2.1. Energías convencionales y no convencionales: hidráulicas, térmicas, nucleares, eólicas, biomasa, solar fotovoltaica y térmica. 18. Figura N° 2.2. Sitema de generacion, transmision y distribucion. 19. Figura Nº 2.3. Irradiancia promedio o constante solar. 29. Figura Nº 2.4a. Energía solar incidente diaria, enero. 30. Figura Nº 2.4b. Energía solar incidente diaria, febrero. 31. Figura Nº 2.4c. Energía solar incidente diaria, marzo. 32. Figura Nº 2.4d. Energía solar incidente diaria, abril. 33. Figura Nº 2.4e. Energía solar incidente diaria, mayo. 34. Figura Nº 2.4f. Energía solar incidente diaria, junio. 35. Figura Nº 2.4g. Energía solar incidente diaria, julio. 36. Figura Nº 2.4h. Energía solar incidente diaria, agosto. 37. Figura Nº 2.4i. Energía solar incidente diaria, setiembre. 38. Figura Nº 2.4j. Energía solar incidente diaria, octubre. 39. Figura Nº 2.4k. Energía solar incidente diaria, noviembre. 40. Figura Nº 2.4l. Energía solar incidente diaria, diciembre. 41. Figura Nº 2.5. Energía solar incidente diaria, departamento de Arequipa. 42. Figura Nº 2.6. Curva característica de un panel fotovoltaico. 44. Figura Nº 2.7. Esquema de una planta fotovoltaica conectada a la red. 45. Figura N° 4.1. Plano de ubicación del modelo seleccionado, distrito de Yanahura, Arequipa, Perú Figura N° 4.2. Diagrama Unifilar de la red de distribución en estudio. 98 112. Figura N° 4.3. Diagrama Unifilar de la red de distribución con generación Distribuida. 116. 1.

(8) LISTA DE GRÁFICOS. pág. Grafica N° 3.1. Crecimiento del PBI del 2004 al 2014. 51. Grafica N° 3.2. Porcentaje de crecimiento del PBI del 2004 al 2014. 51. Grafica N° 3.3. Crecimiento de la población según los últimos censos. 52. Grafica N° 3.4. Producción de energía en los 5 últimos años. 53. Grafica N° 3.5. Producción de energía por tipo. 53. Grafica N° 3.6. Grafica N° 3.6. Producción de energía eólica y solar. 54. Grafica N° 3.7. Producción con recursos de energía renovables. 54. Grafica N° 3.8. Consumo vivienda tipo E durante un día. 56. Grafica N° 3.9. Consumo vivienda tipo D durante un día. 57. Grafica N° 3.10. Consumo vivienda tipo C durante un día. 58. Grafica N° 3.11. Consumo vivienda tipo B durante un día. 60. Grafica N° 3.12. Consumo vivienda tipo A durante un día. 62. Grafica N° 3.13. Consumo mensual de viviendas. 63. Grafica N° 3.14. Consumo diario de viviendas. 63. Grafica N° 3.15. Energía solar incidente promedio diaria. 64. Grafica N° 3.16. Radicación solar incidente diaria 14 de enero. 72. Grafica N° 3.17. Radicación solar incidente diaria 14 de febrero. 72. Grafica N° 3.18. Radicación solar incidente diaria 14 de marzo. 73. Grafica N° 3.19. Radicación solar incidente diaria 14 de abril. 73. Grafica N° 3.20. Radicación solar incidente diaria 14 de mayo. 74. Grafica N° 3.21. Radicación solar incidente diaria 14 de junio. 74. Grafica N° 3.22. Radicación solar incidente diaria 14 de julio. 75. Grafica N° 3.23. Radicación solar incidente diaria 14 de agosto. 75. Grafica N° 3.24. Radicación solar incidente diaria 14 de setiembre. 76. Grafica N° 3.25. Radicación solar incidente diaria 14 de octubre. 76. Grafica N° 3.27. Radicación solar incidente diaria 14 de noviembre. 77. Grafica N° 3.28. Radicación solar incidente diaria 14 de diciembre. 77. 2.

(9) Grafica N° 3.29. Radicación solar incidente promedio mensual. 78. Gráfico Nº 4.1. Generación, consumo y diferencia, vivienda tipo E día 14 de enero. 81. Gráfico Nº 4.2. Generación, consumo y diferencia, vivienda tipo D día 14 de enero. 82. Gráfico Nº 4.3. Generación, consumo y diferencia, vivienda tipo C día 14 de enero. 82. Gráfico Nº 4.4. Generación, consumo y diferencia, vivienda tipo B día 14 de enero. 83. Gráfico Nº 4.5. Generación, consumo y diferencia, vivienda tipo A día 14 de enero. 83. Gráfico Nº 4.6. Generación, consumo y diferencia, vivienda tipo E día 14 de abril. 84. Gráfico Nº 4.7. Generación, consumo y diferencia, vivienda tipo D día 14 de abril. 84. Gráfico Nº 4.8. Generación, consumo y diferencia, vivienda tipo C día 14 de abril. 85. Gráfico Nº 4.9. Generación, consumo y diferencia, vivienda tipo B día 14 de abril. 85. Gráfico Nº 4.10. Generación, consumo y diferencia, vivienda tipo A día 14 de abril. 86. Gráfico Nº 4.11. Generación, consumo y diferencia, vivienda tipo E día 14 de agosto. 86. Gráfico Nº 4.12. Generación, consumo y diferencia, vivienda tipo D día 14 de agosto. 87. Gráfico Nº 4.13. Generación, consumo y diferencia, vivienda tipo C día 14 de agosto. 87. Gráfico Nº 4.14. Generación, consumo y diferencia, vivienda tipo B día 14 de agosto. 88. Gráfico Nº 4.15. Generación, consumo y diferencia, vivienda tipo A día 14 de agosto. 88. Gráfico Nº 4.16. Generación, consumo y diferencia, vivienda tipo E día 14 de diciembre. 89. Gráfico Nº 4.17. Generación, consumo y diferencia, vivienda tipo D día 14 de Diciembre. 89. Gráfico Nº 4.18. Generación, consumo y diferencia, vivienda tipo C día 14 de diciembre. 90. Gráfico Nº 4.19. Generación, consumo y diferencia, vivienda tipo B día 14 de diciembre. 90. Gráfico Nº 4.20. Generación, consumo y diferencia, vivienda tipo A día 14 de diciembre. 91. Gráfico Nº 4.20. Consumo en el nodo 1. 99. Gráfico Nº 4.21. Consumo en el nodo 2. 100. Gráfico Nº 4.22. Consumo en el nodo 3. 101. Gráfico Nº 4.23. Consumo en el nodo 4. 102. Gráfico Nº 4.24. Consumo en el nodo 5. 103. 3.

(10) Gráfico Nº 4.25. Consumo en el nodo 6. 104. Gráfico Nº 4.26. Consumo en el nodo 7. 105. Gráfico Nº 4.27. Consumo en el nodo 8. 106. Gráfico Nº 4.28. Consumo en el nodo 9. 107. Gráfico Nº 4.29. Consumo en el nodo 10. 109. Grafico 4.30. Consumo en el nodo 11. 110. Gráfico Nº 4.31. Consumo en el nodo 12. 111. Gráfico Nº 4.32. Consumo en el nodo 13. 112. Gráfico Nº 4.33. Variación de voltaje entre nodos. 115. Gráfico Nº 4.34. Variación de voltaje entre nodos en pu. 115. Gráfico Nº 4.35. Variación de voltaje con generación distribuida. 119. Gráfico Nº 4.36. Variación de voltaje con generación distribuida en pu. 119. Gráfico Nº 4.37. Variación de voltaje con generación distribuida caso 2. 122. Gráfico Nº 4.38. Variación de voltaje con generación distribuida en pu caso 2. 123. Gráfico Nº 4.39. Variación de voltaje en pu con generación distribuida fotovoltaica de 15 KW. 124. 4.

(11) LISTA DE TABLAS. Pág. Tabla N° 3.1. Consumo de vivienda tipo E. 56. Tabla N° 3.2. Consumo de vivienda tipo D. 57. Tabla N° 3.3. Consumo de vivienda tipo C. 58. Tabla N° 3.4. Consumo de vivienda tipo B. 60. Tabla N° 3.5. Consumo de vivienda tipo A. 62. Tabla N° 3.6. Resumen de consumo de viviendas. 63. Tabla N° 3.7. Energía solar incidente diaria y mensual. 65. Tabla N° 3.8. Reporte NASA de superficie meteorológica y energía solar. 67. Tabla N° 3.9. Radiación solar según reporte NASA. 68. Tabla N° 3.10. Radiación solar diaria de acuerdo al reporte Clearsky calculator. 69. Tabla N° 3.11. Radiación solar diaria de acuerdo al reporte Clearsky calculator. 70. Tabla N° 3.12. Radiación solar diaria de acuerdo al reporte Clearsky calculator. 71. Tabla N° 3.13. Radiación solar diaria de acuerdo al reporte Clearsky calculator. 72. Tabla N° 3.14. Radiación solar mensual según reporte Clearsky calculator. 79. Tabla N° 3.15. Energía producida diaria y mensual. 80. Tabla N° 4.1. Diferencia de generación-consumo 14 de enero. 93. Tabla N° 4.2. Diferencia de generación-consumo 14 de abril. 94. Tabla N° 4.3. Diferencia de generación-consumo 14 de agosto. 95. Tabla N° 4.4. Diferencia de generación-consumo 14 de diciembre. 96. Tabla Nº 4.5. Contratos del nodo 1. 100. Tabla Nº 4.6. Contratos del nodo 2. 101. Tabla Nº 4.7. Contratos del nodo 3. 102. Tabla Nº 4.8. Contratos del nodo 4. 102. Tabla Nº 4.9. Contratos del nodo 5. 103. Tabla Nº 4.10. Contratos del nodo 6. 104. Tabla Nº 4.11. Contratos del nodo 7. 105. Tabla Nº 4.12. Contratos del nodo 8. 106. 5.

(12) Tabla Nº 4.13. Contratos del nodo 9. 107. Tabla Nº 4.14. Contratos del nodo 10. 109. Tabla Nº 4.15. Contratos del nodo 11. 110. Tabla Nº 4.16. Contratos del nodo 12. 111. Tabla Nº 4.17. Contratos del nodo 13. 112. Tabla Nº 4.18. Resumen de contratos por nodos. 113. Tabla Nº 4.19. Resultados de simulación de la red secundaria. 115. Tabla Nº 4.20. Resultados de simulación de la red secundaria con generación distribuida. 119. Tabla Nº 4.21. Resultados de simulación de la red secundaria con generación distribuida. 122. 6.

(13) CAPÍTULO 1. 1.1. Introducción La generación de energía eléctrica a nivel mundial es porcentualmente considerable a través de combustibles fósiles, con sus consecuencias previsibles de contaminación; en la figura N° 1.1. (Renewables Global Status Report, 2013), se aprecia que un 77.9 % es energía generada por combustibles fósiles y energía nuclear, 22.1 % por recursos renovables y dentro de este porcentaje tenemos la hidráulica, eólica, bioenergética, entre otras.. Figura N° 1.1. Estimación de la producción de energía eléctrica a finales del 2013 La implementación de generación de energía eléctrica con recursos renovables mantiene un crecimiento significativo en los últimos años, la figura N° 1.2, del mismo reporte, muestra el crecimiento del 2008 al 2013 y de solo el año 2013, el crecimiento de la generación fotovoltaica tiene un porcentaje 39 % de incremento y se espera que mantenga este nivel en los próximos años, por la baja de precios de los componentes necesarios para este tipo de generación, considerando que China, Japón; Estados Unidos, Alemania y Reino Unido son los países que más invierten. En el Perú el crecimiento de la generación de energía eléctrica en promedio durante los últimos años fue aproximadamente 6.5% por año, siendo la producción el 2014 de 41795.89 GWh., un crecimiento de 5.36% más respecto al 2013, el cual está asociado principalmente al crecimiento poblacional y económico del país. Según el COES (Comité de Operación Económica del Sistema Eléctrico Interconectado. 7.

(14) Nacional) la generación hidroeléctrica del 48.64% bajo 1.08% respecto al año 2013, termoeléctrica 48.24% subió 11.27% respecto al año 2013 y los recursos de energía renovable dentro las cuales esta hidroeléctrica, solar, eólico, biogás, etc., fue de 2.52%, subió a 3.12% respecto al año pasado (Coes-Sinac, 2014).. Figura N° 1.2. Tasas medias de crecimiento anual energías Renovables y otros Algunas de las generadoras de energía eléctrica fueron implementadas por la empresa T-Solar quienes han construido 2 centrales fotovoltaicas con una capacidad instalada total de 44 MW, ubicadas en la región de Arequipa, en el sur de Perú. Se trata del primer proyecto de gran tamaño de energía solar fotovoltaica en Latinoamérica y el primero que ha ejecutado T-Solar en esta región; con una inversión de 165 millones de dólares, este proyecto fue adjudicado a la compañía en 2010 por el Gobierno de Perú en el marco de un contrato de 20 años para el suministro de energía solar fotovoltaica producida en la región de Arequipa. Las plantas de “Repartición” y “Majes”, que se conectaron a la red nacional de energía de Perú en julio 2012, produciendo electricidad suficiente para abastecer a una población de hasta 80 000 habitantes. Otras plantas de generación son la Central Fotovoltaica de Tacna, en la zona de Alto de la Alianza, tuvo una inversión de 250 millones de soles, cuenta con 121 hectáreas de superficie y su producción anual de energía se estima en 47,196 MW. La planta de Moquegua, en la provincia de Mariscal Nieto, requirió la misma. 8.

(15) inversión que la de Tacna, tiene 123 hectáreas y se calcula en 50,676 MW; el presidente Humala (EFE, América Economía, 2013) sostuvo "La matriz energética del Perú debe ser equilibrada, no podemos depender de energías contaminantes, estamos promoviendo energías renovables". En abril del 2014 se puso en funcionamiento el primer Parque Eólico de Marcona, Ica, central que genera energía eléctrica a través del viento y que contribuye con una potencia nominal de 32 MW, el mismo año se inauguraron las centrales eólicas Cupisnique (La Libertad) y Talara (Piura), consideradas las más grandes del Perú y de Sudamérica después de Brasil, fueron inauguradas por Contour Global, propietario de ambos proyectos, centrales que poseen una capacidad instalada de 114 MW. Otro proyecto es el parque eólico Tres Hermanas que se desarrolla en el distrito de Marcona, provincia de Nazca, departamento de Ica, con una potencia instalada de 97.15 MW, conformada por 33 aerogeneradores. El 2015 cerca de 65 mil paneles solares serán instalados en localidades y un año después la cifra se elevará a 125 mil paneles, y se considera que a fines del 2018 el programa debe llegar al medio millón de familias, los paneles solares también se instalarán en centros de salud e instituciones educativas. Esta iniciativa hará que el Perú avance porcentualmente en la cobertura eléctrica que es del 90% aproximadamente y de 70% a nivel rural; los paneles solares incrementarán en 6 puntos el promedio nacional de cobertura eléctrica y en 26 puntos porcentuales la cobertura eléctrica en zonas rurales (Plataforma sobre Financiamiento Climático para Latinoamérica y el Caribe. Finanzas y Carbono, 2015). Además para este año 2105 está prevista la inauguración de la central hidroeléctrica de Chaglla, de 460 MW de potencia, “la cual es 10 veces la demanda de toda la región Huánuco”, será la mayor central hidroeléctrica que entre en operación en los últimos años. La planta termoeléctrica ubicada en Las Salinas, localidad del distrito de Chilca, forma parte de la provincia de Cañete, Lima; se trata de una planta termoeléctrica de ciclo combinado que funciona con gas natural y vapor de agua, operara con 2 turbinas de gas natural y una de vapor, la planta tiene una capacidad instalada de. 9.

(16) 520 MW, que equivale al 10% del total de energía que consume el Perú, beneficiando a unos tres millones de peruanos. La construcción de la Central Hidroeléctrica de Cheves de SN Power, ubicada en las provincias de Huaura y Oyón en la región Lima, estará operativa el 2015, dicha central generará 168 megavatios (MW) y para su funcionamiento requerirá las aguas de los ríos Huaura y Checras". El cambio de la matriz energética permitirá garantizar el desarrollo nacional al utilizar gas natural, hidroenergía y energías renovables principalmente que el Perú tiene en abundancia, en lugar de consumir diésel importado y otros combustibles que el país no produce. La presente tesis abordara temas como energía eléctrica, generación eléctrica, generación distribuida, tipos de generación distribuida, parámetros de redes de distribución de baja tensión, entre otros; además se realizara el análisis y modelación de las redes de distribución secundaria con el apoyo del software especializado Digsilent para la simulación. El modelo a ser evaluado podría ser cualquier red de distribución secundaria, para nuestro caso elegimos una red ubicada en el distrito de Yanahuara, provincia y departamento de Arequipa, para un grupo de conexiones de 113 cargas; a este escenario se insertaran fuentes de micro generación distribuida fotovoltaicas de diferentes valores y en diferentes ubicaciones, del análisis respectivo de los diferentes escenarios se obtendrán los resultados y conclusiones. 1.2. Formulación del problema El uso indiscriminado de los recursos fósiles en la generación de electricidad está trayendo graves consecuencias para el planeta, tales como el aumento de las concentraciones de gases, debilitamiento de la capa ozono, desaparición de grandes áreas verdes, desaparición de nevados, entre otras, y estas están favoreciendo al aumento de la temperatura en la tierra, con lo que el futuro de la tierra podría ser incierto para nuestras próximas generaciones, si no se toma alguna medida correctiva Al problema de utilización de recursos tradicionales se suma la posible crisis energética que se podría dar en un futuro cercano y afectaría a toda la población;. 10.

(17) principalmente por un aumento del consumo de la energía eléctrica que va de la mano con el crecimiento de las poblaciones. La falta de energía eléctrica podría darse como consecuencia de diversas razones, dentro de las cuales podemos mencionar, el uso creciente de ella, la falta de nuevas construcciones de generadoras eléctricas al mismo ritmo, a que las capacidad de las generadoras hidráulicas o generadoras a combustible están al límite debido a la estacionalidad del recurso hídrico, la suba o escases del petróleo, a la poca inversión en el sector, el uso no correcto de esta energía, etc. Como posibles soluciones técnicas que plantean las empresas dedicadas al sector, podríamos citar la sustitución del uso de recursos energéticos fósiles por los recursos energéticos naturales, recursos limpios de fácil instalación con una vida prolongada y que se adapta perfectamente al ámbito rural y urbano; mejorar la eficiencia de los dispositivos que manejan y controlan la energía, hecho que se está logrando utilizando la electrónica de potencia, gracias a esto se tiene energía a menor precio y mejor calidad, utilización de energías renovables naturales que están en formas variadas en nuestro planeta y existen en forma ilimitada; otra forma de enfrentar el problema de la energía es la instalación de generadoras distribuidas, concepto que va creciendo en los últimos años a nivel mundial, son generadoras cercanas al usuario con sus beneficios propios y en sus diversas tecnologías, a esto se puede sumar el control del uso de la energía mediante redes inteligentes. Todo esto hace que el estudio de la generación distribuida sea necesaria como una alternativa de solución, en este trabajo tomaremos como modelo a la ciudad de Arequipa, la cual tiene características especiales positivas en cuanto a radiación solar. 1.3. Justificación Ante los problemas de falta de energía, contaminación ambiental generalizada y sus consecuencias para la tierra, una posible solución es la generación distribuida, que por muchas razones es viable. En el presente trabajo se demostrara mediante simulación de un modelo que esta alternativa de solución es viable y aplicable para. 11.

(18) mejorar las características de una red secundaria y enfrentar el problema de energía y la contaminación. Los niveles de penetración previstos y los impactos de la generación distribuida en las redes eléctricas son positivas según los diversos estudios realizados a la fecha. La incorporación de la generación distribuida está en aumento en todo el mundo; Dinamarca y Holanda, donde alcanza el 40% en términos de potencia instalada. Un estudio de EPRI (Electrical Power Research Institute) indica que de la nueva generación que se instaló hasta el año 2010 en EE.UU., el 25% será generación distribuida, siendo aún mayor esa proporción (30%) según un informe de la Natural Gas Foundation (CIGRE, 2000). Todos los estudios realizados, durante los últimos años justifican la elaboración del trabajo, como alternativa real de solución al problema de la energía eléctrica. 1.4. Objetivo general Evaluar la influencia de la generación distribuida en los parámetros de una red secundaria de la ciudad de Arequipa, por la inserción de plantas de generación fotovoltaica. 1.5. Objetivos específicos • Conocer la situación de la generación distribuida • Analizar los parámetros de las redes de distribución secundaria en Arequipa • Conocer la variación de parámetros en las redes de distribución secundarias ante la inserción de micro generadores fotovoltaicos, mediante software de simulación especializado. 1.6. Organización de la tesis La presente tesis está organizada en cinco capítulos, en la cual se cubrirá todos los detalles para el análisis de la instalación de un sistema de micro generación distribuida en el Distrito de Yanahuara, provincia y departamento de Arequipa.. 12.

(19) El primer capítulo se formula el problema que se abordara en la investigación, así como la justificación, antecedentes y objetivos de la tesis. El segundo capítulo está dedicado al marco teórico, donde se incluirán los conceptos necesarios para el desarrollo del trabajo, que va desde la definición de energía, generadores eléctricos, generación distribuida, ventajas, entre otros. El capítulo tres, se hace un análisis de la generación eléctrica en el Perú y Arequipa, desarrollo de la generación distribuida; así mismo se plantea el modelo a analizar, un conjunto de 113 viviendas típicas, obteniendo los parámetros principales de funcionamiento en condiciones reales, la información de las redes de distribución secundaria fue obtenida de la empresa distribuidora de Arequipa. El capítulo cuarto se hace un análisis mediante simulación del modelo real y del modelo con la inserción del micro generación distribuida en diferentes escenarios obteniéndose los parámetros para estos casos; al final se hace un análisis de los resultados, los cuales nos permitirán emitir las conclusiones de la tesis.. 13.

(20) CAPÍTULO 2. MARCO TEORICO 2.1. Antecedentes El estudio de la Generación Distribuida en los últimos años se ha intensificado por ser una alternativa de solución a problemas energéticos; Susana Silva, J N Fidalgo, J A Peças López del Instituto de Ingeniería de Sistemas y computadoras de la Facultad de Ingenierías de la Universidad de Porto, en Portugal (Susana Silva, J. N. Fidalgo, J. A. Peças Lopes) hacen el estudio del cambio que surgirán en los próximos años debido a la inserción de la micro generación en las redes eléctricas a nivel de gestión y control; en el trabajo se analiza el impacto de la micro generación en Media Tensión (MT) y alta tensión (AT) de las redes de distribución de electricidad y en diferentes tipos de redes (AT, MT rural, semi-urbana de MT y Urbana MT) las cuales fueron simulados en diferentes escenarios, con diferentes niveles de penetración de micro generación. El impacto de micro generación se evalúa a través de las alteraciones provocadas en los perfiles de tensión, las pérdidas de potencia, etc. Los resultados muestran que un aumento de la penetración de micro generación favorece condiciones de funcionamiento. “Network power flow analysis for. high. penetration. distributed. micro. generation”, trabajo realizado (Murray Thomson y David G Infield, 2005) en Loughborough University, Loughborough, United Kingdom, presentado en la XVIII Conferencia Internacional de distribución de electricidad, donde se describe que la conexión de micro generadores a las redes de distribución puede cambiar el diseño tradicional, además se describe el desarrollo continuo de las técnicas de modelado exhaustivas y detalladas aplicables a completar alimentadores de distribución: desde las subestaciones primarias, a través de medios y redes de baja tensión a los puntos de conexión del cliente monofásicos individuales.. 14.

(21) Tesis doctoral “Impacto de la generación distribuida en el comportamiento de los sistemas de potencia” desarrollado por el ingeniero Gonzalez-Longatt, Francisco Manuel en junio del 2008; el cual tiene como objetivo principal investigar el impacto que la integración de fuentes de generación distribuida tiene sobre el comportamiento del sistema de potencia, utilizando un enfoque cualitativo, obteniéndose como resultado que depende del nivel de penetración de la generación distribuida, como del tipo de tecnología. En mayo del 2005 Isidoro Segura Heras, de la Universidad Politécnica de Salamanca, en su tesis doctoral “Evaluación del impacto de la generación distribuida en sistemas de distribución primaria de energía eléctrica”, en la tesis se desarrolla los modelos que permitan determinar en todo instante la energía eléctrica que producen distintas plantas de generación distribuida (parques eólicos y plantas de cogeneración) y de esta forma poder evaluar en diferentes escenarios el impacto que supone la introducción masiva aleatoria de GD en el sistema de distribución, por una parte, con respecto a la operación del sistema, en las perdidas, flujos de potencia, variaciones de tensión y contribución al nivel de fallo del sistema. En noviembre del 2010, en la universidad de Zaragoza en la tesis doctoral “Planificación optima de la generación distribuida en redes de distribución de energía eléctrica” (Ponce Corral, 2010), presenta una metodología para el diseño de modelos de planificación óptima de la Generación Distribuida en las redes de distribución. En el IV Congreso Brasileiro de Energía Solar y V Conferencia Latino-Americana da ISES – Sao Paulo, 18 a 21 de septiembre de 2012, se presentó el trabajo “Sistemas fotovoltaicos conectados a la red: Estabilidad en los parámetros de la red y sus efectos en la capacidad de generación” desarrollado por investigadores de la Universidad Nacional del Nordeste, Departamento de Física, Grupo en Energías Renovables de Argentina (Cáceres, Busso, Vera, Firman, Leiva & Luque (2012)); el trabajo tiene por objeto evaluar la influencia que tiene la variación de los parámetros característicos de la red de baja tensión en la eficiencia global de un sistema fotovoltaico conectado a red eléctrica Argentina, a través de un. 15.

(22) modelo matemático que permite predecir la interacción red y el sistema fotovoltaico. Johann Hernández Mora en la Universidad Nacional de Colombia el año 2012 presenta la tesis doctoral “Metodología para el análisis técnico de la masificación de sistemas fotovoltaicos como opción de generación distribuida en redes de baja tensión”, en la que mediante software se identifica los principales impactos sobre los perfiles de tensión, perdidas y cargabilidad de los conductores, en el uso masificado de sistemas fotovoltaicos conectados a la red de distribución. Del Instituto de Energía Eléctrica (IEE) – Universidad Nacional de San Juan, Argentina; (Morán, Facchini, Pontoriero, & Galvan, 2013) han realizado el trabajo “Balance energético del comportamiento de un sistema fotovoltaico instalado en una vivienda residencial conectado a la red eléctrica de distribución” en este se dan los avances realizados y resultados preliminares obtenidos en el desempeño del comportamiento del sistema fotovoltaico instalado en una vivienda del sector residencial del departamento de Caucete, Provincia de San Juan, se incluye además los resultados preliminares en cuanto al comportamiento eléctrico del sistema fotovoltaico y el balance energético del conjunto sistema fotovoltaico, consumo de la vivienda y red eléctrica. En el XX Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica, Eléctrica y Ramas Afines (CONIMERA) realizado el 2013 en la Universidad de Ingenierías (UNI), en la ciudad de Lima, Perú; se presentó el trabajo Aplicación de la Generación Distribuida en el Perú, en el cual se han hecho simulaciones de flujo de potencia en el sistema eléctrico peruano actual y luego incluyendo nuevas centrales de generación en puntos viables escogidos, los resultados fueron favorables por el mejoramiento de la calidad de energía y los beneficios que trae ello. 2.2. Bases teóricas generales 2.2.1. Fuentes de energía no renovables. 16.

(23) Son consideradas fuentes de energía no renovables, las que estan almacenadas inicialmente en cantidades fijas, por lo general en el subsuelo; estas se van agotando de acuerdo a su explotacion y utilizacion, tenemos: • Energía fósil o El petroleo o Gas natural o Energía por carbón mineral • Energía geotérmica • Energía nuclear 2.2.2. Ventajas y desventajas de las energías no renovables • Las energías producidos por combustión de fósiles producen emisión de gases • Generan residuos que durante decenas de años, amenazan al medio ambiente • Son finitos • No todos los paises lo tienen • Son importados en gran porcentaje de paises • Generan pocos puestos de trabajo en funcion al costo del negocio • Utilizan tecnologia importada • Tiempo de construcción largo • Problemas de calidad de suministro y eficiencia • Problemas sociales al momento de la construcción • Alejadas de las zonas pobladas, lo que conlleva a la necesidad de lineas de transmision extensas 2.2.3. Fuentes de energía renovables Fuente de energía renovables, son aquellas que se pueden explotar en forma ilimitada, es decir su explotacion o uso no hace disminuir la cantidad que existe. Se considera el sol como la principal fuente de energía renovable. • Energía solar termica. 17.

(24) • Energía solar fotovoltaica • Energía eolica • Energía Biomasa • Energía maremotérmica • Energía hidraulica • Energía undimotriz 2.2.4. Ventajas y desventajas de las energías renovables • No producen emisiones de CO2 y otros gases contaminates • No generan residuos de dificil tratamiento • Son inagotables • Disminuyen la dependencia de compra de energía del exterior • Crean mayores puestos de trabajo • Desarrollo de tecnologias nuevas 2.3. Generación energía eléctrica La energía eléctrica es el principal tipo de energía que se utiliza y su uso se hace imprescindible, ya que gracias a ésta el país puede desarrollarse social, económica y tecnológicamente, además permite tener una mejor calidad de vida a las personas; por su importancia se encuentra regulada para brindar un servicio eficiente y cumpliendo ciertas exigencias, la generación se da principalmente a partir de los recursos hidráulicos y fósiles, la figura N° 2.1, (McGaw-Hill Education, 2015), muestra diversos tipos de generación, entre los cuales tenemos hidráulica, térmica y nuclear. El problema de generación tradicional o convencional y el efecto de la utilización de los combustibles en los últimos tiempos han hecho que se piense en la utilización de energías renovables en la generación eléctrica, dentro de las cuales tenemos la energía solar, eólica, biomasa, etc. El sector electrico en la mayoria de paises tiene areas: • Generacion, encargada de la generacion de electricidad por culaquier metodo. 18.

(25) Figura Nº 2.1. Energías convencionales y no convencionales: hidráulicas, térmicas, nucleares, eólicas, biomasa, solar fotovoltaica y térmica • Transmision, es la que esta comprendida entre la generacion hasta una subestacion de transforamcion • Distribucion, es la parte que comprende el reparto de energía hacia los consumidores Un esquema de generacion, transmision y distribucion podemos graficarla en la figura N° 2.2. (McGaw-Hill Education, 2015). Figura N° 2.2. Sistemas de generacion, transmision y distribucion. 19.

(26) La generación de energía eléctrica en general, consiste en transformar alguna clase de energía, como química, mecánica, térmica, luminosa, etc., en energía eléctrica; bajo el mismo concepto la energía eléctrica puede transformarse en diferentes formas de energía, tales como la energía luminosa o luz, energía mecánica, energía térmica u otra. La energía eléctrica se considera como una energía en transición, ya que se utiliza en diferentes procesos, tanto en uso domiciliario como industrial. La generación eléctrica se realiza, básicamente, mediante un generador; si bien estos no difieren entre sí en cuanto a su principio de funcionamiento, varían en función a la forma en que se accionan (Sensagent Diccionario, 2015). Generar energía eléctrica, es la producción de energía eléctrica, y se consideran dos tipos de generación (Endesa, 2015): • Generación ordinaria o convencional • Generación renovable o no convencional En general las generadoras de energía eléctrica, llamadas centrales eléctricas aprovechan las posibilidades de convertir la energía mecánica en energía eléctrica mediante el movimiento de turbinas o turbo máquinas; con excepción de algunas como la fotovoltaica que directamente a partir de la energía luminosa se obtiene voltaje DC 2.3.1. Tipos de generación de energía eléctrica • Centrales hidroeléctricas, aprovechan la fuerza del agua • Centrales térmicas, se quema combustible fósil (carbón, fueloil o gas). Las hay convencionales y de ciclo combinado, incluso de biomasa o residuos sólidos urbanos cuyo combustible son las basuras • Centrales eólicas, explota la energía cinética del viento • Centrales nucleares, térmicas en las que el calor procede de la fisión del uranio • Centrales geotérmicas. alimentadas por la temperatura interior de la tierra • Centrales fotovoltaicas, recogen y convierten la energía de la radiación solar. 20.

(27) • Cogeneración, sistema que permite la producción simultánea de electricidad y energía térmica (calorífica/frigorífica) a partir de la energía primaria contenida en un combustible 2.3.2. Desventajas de la generación convencional En la generación tradicional o convencional las desventajas se pueden agrupar en cinco tipos de problemas. (Valencia Quintero, 2008). • Construcción y desmantelamiento, las centrales convencionales o tradicionales son proyectos a largo plazo, diseños exclusivos de acuerdo a la geografía, de gran extensión, alejadas de las ciudades, líneas de transmisión extensas, problemas de impacto ambiental, discrepancias en la población • Funcionamiento, al funcionar las generadoras en sitios alejados ocasiona la instalación de extensas líneas de transmisión, centros de transformación, líneas de distribución, sistemas de monitoreo, protección y control; este uso se constituye en pérdidas al sistema. • Servicio, uno de los problemas en el suministro de la energía eléctrica es la calidad y fiabilidad, servicio que cada vez es mayor de parte de los usuarios, las distancias lejanas del generador, las líneas de transmisión extensas, aumento de la demanda, hace difícil el control de las perdidas, fallas, entre otras que degradan la calidad de energía • Ambiental, la generación eléctrica, en la parte de construcción y funcionamiento, es uno de los más importantes emisores de CO2 a la atmosfera • Social, en lugares donde existe poca población, generalmente no se cuentan con servicios eléctricos, para suministrar energía eléctrica se debe realizar la instalación de redes de transmisión extensas, de difícil control, mantenimiento y operación; estas circunstancias hacen que la generación tradicional no pueda satisfacer las necesidades de estas personas.. 21.

(28) 2.4. Generación distribuida El desarrollo de la tecnología y las investigaciones constantes hacen que el mundo este cambiando permanentemente, de igual forma se da el cambio en la generación eléctrica, es por esto que a partir de hace unos años se está investigando y desarrollando nuevas unidades de generación de menor tamaño, menor inversión, cercanas a los consumidores finales, mejor calidad de energía, costos iguales o menores a la generación convencional, utilización de energías renovables, reducción de pérdidas en transmisión, mayor control, etc. Esto ha hecho que en números países se reconozca de manera formal el término Generación Distribuida como un medio de generación eléctrica conectada a la red eléctrica. Estas características de la generación distribuida hacen que se presenten nuevos aspectos técnicos, económicos y sociales que se deben tener en cuenta al momento de su implementación. El concepto de generación distribuida es variado, todas tienen coincidencias, la generación distribuida es también conocida como generación dispersa, generación embebida, generación incrustada, generación descentralizada, entre otras. La Generación Distribuida representa un cambio en el paradigma de la generación de energía eléctrica centralizada (Valencia Quintero, 2008); a continuación, se exponen algunas de las definiciones que se encuentran en bibliografía especializada: • Ley para asegurar el desarrollo eficiente de la energía eléctrica (Organismo Supervisor de la Inversión en Energía, 2006), Ley 28832, en el Artículo 1, Definiciones, dice: Generación Distribuida, Instalación de Generación con capacidad no mayor a la señalada en el reglamento (hasta el límite de 20 MW), conectada directamente a las redes de un concesionario de distribución eléctrica. • La norma IEEE1542, establece los criterios y requisitos para la interconexión de recursos distribuidos (DR) con los sistemas eléctricos de potencia (EPS), define generación distribuida como las instalaciones de generación eléctrica. 22.

(29) conectadas a un área EPS a través de un punto de conexión (PCC); un subconjunto de DR • El Consejo Internacional sobre Grandes Sistemas Eléctricos (CIGRE) (Gómez, 2015) define la Generación Distribuida (GD) como todos los generadores con una capacidad de entre 50 MW a 100 MW máxima, conectados al sistema eléctrico de distribución, y que no están diseñados ni despachados de forma centralizada. • La Agencia Internacional de la Energía (IEA, International Energy Agency), en 2002, define como la producción de energía en las instalaciones de los consumidores o en las instalaciones de la empresa distribuidora, suministrando energía directamente a la red de distribución, en baja tensión. • Esco Vale Consultancy (Endesa, 2015), especialistas del sector del Reino Unido, amplía el rango de potencias hasta 100 MW, limitando a 10 MW la potencia máxima para instalaciones basadas en fuentes de energía renovable (fotovoltaica). • El DPCA (Distribution Power Coalition of América) define como, cualquier tecnología de generación a pequeña escala que proporciona electricidad en puntos más cercanos al consumidor que la generación centralizada y que se puede conectar directamente al consumidor o a la red de transporte o distribución. • MR Consulting Services (Montero), propone que la generación distribuida debe ser considerada como una fuente de energía eléctrica conectada a la red de distribución o al lado del cliente y que es suficientemente pequeña en comparación con las plantas generadoras que operan centralizadamente. • La definición de generación distribuida más consensuada es de Ackermann y colaboradores que la definen atendiendo a una serie de aspectos (Gómez, 2015): -. El propósito, se concibe como una sola fuente de potencia eléctrica activa. -. La ubicación, sistemas situados en la red de distribución y/o en la red de baja tensión. 23.

(30) -. La clasificación de generación distribuida, en función de la potencia nominal o Micro GD: 1 W < potencia < 5 kW o Pequeña GD: 5 kW < potencia < 5 MW o Mediana GD: 5 MW < potencia < 50 MW o Gran GD: 50 MW < potencia < 300 MW. -. Área de suministro, no se considera relevante para la definición de la GD. -. La tecnología, la GD se suele vincularse a las energías renovables, aunque esto no debe ser relevante para su definición. -. El impacto ambiental, su medición y valoración resulta muy compleja, por ello, Ackermann no lo considera relevante. -. El modo de operación, el modo de funcionamiento de la GD no se considera relevante para la definiciones. -. El propietario, no se considera relevante para la definición de GD. -. El grado de penetración de la generación distribuida, es la relación entre la potencia activa instalada de Generación Distribuida y la potencia activa total de la red; El nivel de penetración no es relevante para la definición de GD, se estima que puede alcanzar entre el 25 y 30 % de la generación total en los próximos años %=. 100. • En España (Cetenma, 2012) se entiende por generación distribuida: -. Pequeña potencia y ubicación en puntos cercanos al consumo. -. Estar conectada a la red de distribución. -. Es frecuente que una parte de dicha generación sea consumida (técnicamente) por la misma instalación y el resto se entregue a una red de distribución. -. No existe una planificación centralizada de dicha generación y no suele despacharse centralizadamente. -. La potencia de los grupos suele ser menor de 50 MW. 24.

(31) -. La GD no controlada se considera aquella de potencia menor o igual a 10 MW. 2.4.1. Tecnologías de generación distribuida Las principales tecnologías disponibles para generación distribuida son variadas, algunas presentes desde hace varios años como los motores, y otras, como los sistemas fotovoltaicos que hoy en día son una alternativa de solución, junto con la generación eólica; además existen otros: • Turbinas de gas • Motores Alternativos • Turbinas Hidráulicas • Turbinas Eólicas • Energía Solar • Energía con Biomasa • Celdas de Combustible 2.5. Ventajas de la Generación Distribuida La utilización de la generación distribuida en el sistema eléctrico presenta varias ventajas, las cuales se pueden clasificar en tres grupos: ventajas técnicas, económicas y medioambientales (Cetenma, 2012) Ventajas Técnicas • Mayor confiabilidad y eficiencia en el suministro de energía eléctrica a los consumidores finales • La generación distribuida independientemente del tipo que se implemente, puede ayudar en situaciones de demanda en horas punta, o cambios en demanda • La generación distribuida puede aumentar la calidad de la energía eléctrica, mediante la inyección de energía de determinadas características y localizaciones. La ubicación adecuada de una planta de generación distribuida puede reducir las pérdidas de energía eléctrica tanto en las redes de transmisión y distribución, obteniéndose beneficios económicos en las perdidas.. 25.

(32) • La generación distribuida por ser de baja potencia es manejable, y puede ser utilizada rápidamente para inyección o consumo de potencia reactiva y estabilizar el sistema. • La generación distribuida fomenta la utilización de energías renovables, por las ventajas inherentes de este tipo de energía. • Los generadores distribuidos, en la mayoría de casos son modulares; dicha modularidad trae ventajas en la instalación, funcionamiento, mantenimiento, etc. • Aplicaciones de cogeneración y trigeneracion en determinados tipos de generación distribuida. Ventajas Económicas • Reducción en el costo de las inversiones en infraestructura eléctrica en las fases de generación, transmisión y distribución, esto que permite reducir el precio de la electricidad • Disminución de los costos de operación, mantenimiento y vida útil de los componentes, por ser de menor tamaño y mejora de eficiencia • La generación distribuida permite trabajar conectada a la red pública o no, en función de la demanda de energía, haciéndola bidireccional y suministrando la demanda necesaria de los clientes • Incremento de seguridad y fiabilidad para las cargas críticas, por el aumento de la calidad de energía • Reducción de los costes globales del servicio eléctrico, por los tiempos menores de instalación, menores inversiones, menores riegos financieros, etc. • Diversificación en la participación de un gran número de pequeñas y medianas empresas locales en negocios de generación de energía. Ventajas Medioambientales • El uso de sistemas de generación distribuida puede bajar la emisión de contaminantes debido a la baja de pérdidas que ocasiona. La generación distribuida con energías renovables reduce la emisión de contaminantes al medio ambiente. 26.

(33) • Reducción del impacto visual, esto a la menor infraestructura en la generación, así como la disminución de las redes de transmisión y distribución; esto trae mejor aceptación social. 2.6. Redes eléctricas de distribución Los sistemas de distribución son típicamente radiales, es decir el flujo de potencia nace en un nodo, el cual generalmente es la subestación, entre sus características principales están: topologías, múltiples conexiones, cargas de naturaleza distinta. Las redes de distribución se dividen en redes primarias y secundarias, el análisis propuesto contempla redes de distribución secundarias de niveles de tensión aprobados para los sub-sistemas de distribución secundaria e instalaciones de alumbrado público que abastecen servicios públicos que son de 220 V y 380 V Las tensiones que se emplean son tales que permitan adoptar los siguientes sistemas de corriente alterna de 60 Hz: • 220 V, trifásico, 3 conductores (activos) • 380/ 220 V, trifásico, 4 conductores (3 conductores activos y un conductor neutro con puesta a tierra múltiple) • 220V, monofásico, 2 conductores (activos) • 440/220V, monofásico, 3 conductores (dos conductores activos y un conductor neutro con puesta a tierra múltiple) 2.7. Sistemas eléctricos de potencia El sistema eléctrico de potencia es un conjunto de elementos conformados para la generación, transmisión, distribución y consumo de energía eléctrica, de tal forma que se logre la mayor calidad al menor costo posible Un sistema eléctrico de potencia consta de plantas generadoras que producen la energía eléctrica, una red de transmisión y de distribución para transportar esa energía de las plantas a los puntos de consumo, así como el equipo adicional necesario para lograr que el suministro de energía se realice con las características de continuidad de servicio, regulación de tensión y control de frecuencia requeridas.. 27.

(34) 2.7.1. Flujos de potencia El cálculo de Flujos de Potencia es una cuantificación de la transferencia de potencia producida en la red eléctrica. Son considerados sumamente importantes para evaluar el funcionamiento de los sistemas de potencia, su control y planificación para expansiones futuras. En el estudio del flujo de potencia se define principalmente las potencias activa y reactiva y el vector de tensión en cada línea del sistema. Este cálculo bajo cualquier condición de funcionamiento se puede simular con el software especializado Digsilent a partir de la potencia generada y las cargas al sistema, obteniendo como resultado información de las líneas analizadas 2.7.2. Pérdidas de potencia Las líneas de distribución circula corriente las cuales poseen resistencia distribuida, esto ocasiona pérdidas de potencia en las líneas, el Digsilent tiene las opciones de calcular y reportar estas perdidas 2.7.3. Estabilidad de Tensión Capacidad de un sistema de potencia de mantener la tensión en todos sus nodos dentro de los límites aceptables, cuando el sistema está funcionando en condiciones normales como después de haber sufrido alguna alteración 2.7.4. Análisis de fallos Un defecto en las condiciones de funcionamiento en una línea de distribución puede ocasionar una falla de los elementos que la componen Esta ocurrencia de la falla ocasiona variación principalmente de la corriente 2.8. Energía solar En el núcleo del Sol se producen constantemente reacciones de fusión a temperaturas de millones de grados que liberan enormes cantidades de energía en forma de radiación electromagnética, parte de esta energía llega a la capa exterior. 28.

(35) de la atmósfera terrestre con una irradiancia promedio o constante solar alrededor de 1367 W/m2 ± 3%, un valor que varía en función de la distancia entre la Tierra y el Sol y de la actividad solar, figura Nº 2.3.. Figura Nº 2.3. Irradiancia promedio o constante solar La irradiancia solar es la intensidad de la radiación electromagnética solar que incide en una superficie de 1 metro cuadrado [kW/m2]. Al atravesar la atmósfera, la intensidad de la radiación solar decae porque es parcialmente reflejada y absorbida; la radiación que logra atravesarla queda parcialmente difusa por el aire y las partículas sólidas en él suspendidas Las figuras Nº 2.4a – 2.4k siguientes, muestran planos del Perú para todos los meses del año, en ellos se muestra los niveles de energía solar incidente diaria; además en la figura Nº 2.5 está el plano de Arequipa con la misma información para 04 meses del año; publicadas por el Ministerio de Energía y Minas a través de la Dirección Ejecutiva de Proyectos (Senamhi, 2003).. 29.

(36) Figura Nº 2.4a. Energía solar incidente diaria, enero. 30.

(37) Figura Nº 2.4b. Energía solar incidente diaria, febrero. 31.

(38) Figura Nº 2.4c. Energía solar incidente diaria, marzo. 32.

(39) Figura Nº 2.4d. Energía solar incidente diaria, abril. 33.

(40) Figura Nº 2.4e. Energía solar incidente diaria, mayo. 34.

(41) Figura Nº 2.4f. Energía solar incidente diaria, junio. 35.

(42) Figura Nº 2.4g. Energía solar incidente diaria, julio. 36.

(43) Figura Nº 2.4h. Energía solar incidente diaria, agosto. 37.

(44) Figura Nº 2.4i. Energía solar incidente diaria, setiembre. 38.

(45) Figura Nº 2.4j. Energía solar incidente diaria, octubre. 39.

(46) Figura Nº 2.4k. Energía solar incidente diaria, noviembre. 40.

(47) Figura Nº 2.4l. Energía solar incidente diaria, diciembre. 41.

(48) La figura siguiente muestra la energía solar incidente diaria de los meses enero, mayo agosto y noviembre del departamento de Arequipa, figura Nº 2.5. Figura Nº 2.5. Energía solar incidente diaria, departamento de Arequipa. 42.

(49) 2.9. Generación Fotovoltaica La generación fotovoltaica es la producción de energía eléctrica a través de una planta fotovoltaica (FV) que transforma directa e instantáneamente la energía solar en energía eléctrica sin utilizar combustibles, por medio del efecto fotovoltaico, que es la transformación parcial de la energía lumínica en energía eléctrica; que se da a través de algunos materiales semiconductores "dopados" que generan electricidad al ser expuestos a la radiación solar. Como ventajas de una planta fotovoltaica podemos mencionar la generación distribuida, no contaminante en la generación, no utiliza combustibles fósiles, modularidad, costos de mantenimiento y funcionamiento reducidos; y como desventajas tenemos el costo alto de la instalación de la planta, generación variable a causa de la variación de la energía del solar incidente. La variación en la generación eléctrica en una planta fotovoltaica, es debida principalmente por la radiación solar incidente, lugar de instalación de los paneles, orientación de los paneles, rendimiento de los diferentes componentes que forman la planta fotovoltaica. Las aplicaciones de las plantas fotovoltaicas se pueden dar en instalaciones aisladas de la red de una red de distribución y las instalaciones conectadas a las redes de distribución. Una planta fotovoltaica está compuesta principalmente por los siguientes elementos: Célula solar, se caracteriza por convertir directamente en electricidad los fotones provenientes de la luz del sol, su funcionamiento se basa en el efecto fotovoltaico; su comportamiento es similar a un diodo con la capa N expuesta al sol. Los parámetros principales son: • Corriente de cortocircuito • Tensión de circuito abierto La curva característica de un panel fotovoltaico, donde se aprecia la curva V-I y la curva de potencia, se detallan en la figura Nº 2.6.. 43.

(50) Figura Nº 2.6. Curva característica de un panel fotovoltaico Las células solares según el requerimiento de voltaje de salida del panel fotovoltaico pueden conectarse en serie, para obtener un mayor voltaje o en paralelo para incrementar la corriente. Según la tecnología de fabricación de las células podemos encontrar los siguientes tipos de células (McGaw-Hill Education, 2015): • Mono cristalino. : 15 – 18 % de rendimiento aprox.. • Poli cristalino. : 12 – 14 % de rendimiento aprox.. • Amorfo. :. < 10 % de rendimiento aprox.. Paneles fotovoltaicos, están formado por un conjunto de células solares conectadas eléctricamente, encapsuladas y montadas sobre una estructura; como salida tiene una tensión continua que está en función de la forma de conexión de las células individuales Para sistemas fotovoltaicos conectados a la red, es necesario un inversor, equipo electrónico, el cual se encarga de convertir la tensión continua en tensión alterna de 220 V eficaz y 60 Hz., además de sincronizar la onda con la red de distribución, figura Nº 2.7. En este tipo de instalaciones conectadas a la red, son necesarios los equipos de medida para ver los niveles de generación y consumo, los parámetros generales son: • Potencia • Rendimiento. 44.

(51) Figura Nº 2.7. Esquema de una planta fotovoltaica conectada a la red • Eficiencia • Bajo consumo • Alta fiabilidad • Protección. 45.

(52) CAPÍTULO 3. ENERGÍA ELÉCTRICA 3.1. Sistema eléctrico en el Perú El sector eléctrico del Perú está conformado por los siguientes participantes (Galarza, 2010): • Ministerio de Energía y Minas.- Es la entidad rectora del Sector Energético y Minero, que cumple labores normativas • Sistema de Supervisión de la Inversión de la Energía.- Este sistema se encuentra conformado por las siguientes instituciones: -. OSINERGMIN, Organismo de Supervisor de la Inversión de la Energía y Minería, el cual fiscaliza, supervisa y regula las actividades realizadas por el sector energía y fija los distintos precios regulados del servicio eléctrico.. -. INDECOPI, Instituto Nacional de Defensa de la Competencia y de la Protección de la Propiedad Intelectual, el, cual está encargado de regular la libre competencia. -. PROINVERSION, es un organismo público ejecutor, adscrito al Ministerio de Economía y Finanzas promueve la incorporación de inversión privada en servicios públicos.. -. Comisión de Tarifas Eléctricas (CTE), la cual se encarga de fijar las tarifas.. • Comité de Operación Económica del Sistema Interconectado Nacional (COES-SINAC).- Organismo técnico cuya finalidad es coordinar la operación del sector al mínimo costo, garantizando la seguridad y calidad del abastecimiento de energía eléctrica y el mejor aprovechamiento de los recursos energéticos. • Empresas Eléctricas.- Las empresas eléctricas son aquellas que se encargan de la generación, transmisión o distribución de energía eléctrica a los agentes económicos que demandan dicho recurso. • Clientes.- Son aquellos que compran el servicio; estos se diferencian dependiendo si son regulados o no. En el primer caso, reciben el nombre de. 46.

(53) regulados (consumo menor a 1 MW), mientras que en el segundo caso se denominan libres. Así como en otros países las empresas eléctricas se encuentran dividida en tres subsectores (Rodríguez, 2011): 1. Generación, que consiste en la creación de energía a través de diversas fuentes, entre las que destacan el agua (energía hidroeléctrica), gas natural, carbón y petróleo (energía termoeléctrica) 2. Transmisión, por la cual se lleva la electricidad mediante líneas de transmisión hasta una subestación. Dichas subestaciones tienen transformadores que convierten la electricidad de alto voltaje a menor voltaje. 3. Distribución, mediante la cual se lleva la electricidad desde las subestaciones hasta los hogares, oficinas y fábricas para su consumo. Cuando la energía eléctrica se lleva del generador al distribuidor, ésta se reparte entre dos tipos de clientes: • Clientes Regulados.- constituido por todos los consumidores finales (suministros), con una demanda máxima menor de 1 MW por suministro • Clientes Libres.- conformados por un grupo de consumidores grandes de electricidad (importantes complejos mineros, comerciales e industriales), con una demanda de potencia igual o superior a 1 MW. Los precios de carga, energía y otras condiciones de suministro de electricidad para los clientes libres se negocian libremente. 3.2. Marco general regulatorio del sub sector de electricidad El marco regulatorio en el Perú, cambio a inicios de los años noventa, cuando el estado empezó una serie de reformas estructurales en el monopolio estatal de la energía eléctrica, las cuales remplazaron a través de promociones de la inversión privada mediante normas y reglamentación en el sector, y así asegurar la eficiencia en el sector; las principales leyes y normas que rigen el desarrollo de las actividades eléctricas en el Perú; las principales publicadas en la página web del Ministerio de. 47.

(54) Energía y Minas del Sub Sector Electricidad, normas vinculadas al presente trabajo son las siguientes (Ministerio de Energía y Minas, 2015): 1. D. Ley. N° 25844. Ley de Concesiones Eléctricas (92-11-19) 2. D.S N° 009-93-EM. Reglamento de la Ley de Concesiones Eléctricas (93-0225) 3. Ley N° 27345. Ley de Promoción del uso eficiente de la energía. (2000-09-08) 4. Ley N° 28832.- Ley para asegurar el desarrollo eficiente de la generación eléctrica. (2006-23-07). Reglamentan la Duodécima Disposición Complementaria Final mediante DECRETO SUPREMO Nº 001-2008-EM del 05 de enero del 2008 5. Decreto Supremo N° 053-2007-EM.- Que aprueba el Reglamento de la Ley de Promoción del Uso Eficiente de la Energía.(2007-10-23) 6. D.S N° 034-2008-EM .- Sobre medidas para el ahorro de energía en el Sector Público, (2008-06-16) 7. D.L N° 1058.- Que promueve la inversión en la actividad de generación eléctrica con recursos hídricos y con otros recursos renovables. (2008-06-26) 8. Decreto Supremo No 050-2008-EM.- Aprueban Reglamento de la Generación de Electricidad con Energías Renovables, (2008-10-02) 9. Decreto Supremo Nº 064-2010-EM, Política Energética Nacional del Perú 2010 - 2040. Además se tiene el proyecto de reglamento de generación distribuida en el Perú (Ministerio de Energía y Minas, 2015), publicado en julio del 2011; se define el ámbito de aplicación y que sean menores a 20 MW, además se establece los Regímenes de conexión, operación, comercial y tarifario. 3.3. Energía eléctrica en el Perú Las generadoras son encargadas de producir la suficiente energía para la utilización por los consumidores de energía. Unas de las características especiales de la actividad eléctrica es la dificultad en el almacenamiento, carga cambiante de la. 48.

(55) demanda hora a hora, elevados riesgos operacionales, entre otros, por lo cual se requiere combinar tecnologías. El 24 de noviembre 2010, fue publicada en el Diario Oficial El Peruano el decreto supremo Nº 064-2010-EM, propuesta de Política Energética de Estado Perú 2010 – 2040 (Decreto Supremo Nº 064-2010-EM, 2010), y tiene como visión “Un sistema energético que satisface la demanda nacional de energía de manera confiable, regular, continua y eficiente; que promueve el desarrollo sostenible y se soporta en la planificación, investigación e innovación tecnológica continua” y cuyos objetivos están dados: 1. Contar con una matriz energética diversificada, con énfasis en las fuentes renovables y la eficiencia energética 2. Contar con un abastecimiento energético competitivo 3. Acceso universal al suministro energético 4. Contar con la mayor eficiencia en la cadena productiva y de uso de la energía 5. Lograr la autosuficiencia en la producción de energéticos 6. Desarrollar un sector energético con mínimo impacto ambiental y bajas emisiones de carbono en un marco de Desarrollo Sostenible 7. Desarrollar la industria del gas natural, y su uso en actividades domiciliarias, transporte, comercio e industria así como la generación eléctrica eficiente 8. Fortalecer la institucionalidad del sector energético 9. Integrarse con los mercados energéticos de la región, que permita el logro de la visión de largo plazo De los objetivos dados se podría interpretar que se debe promover proyectos e inversiones privadas para lograr una matriz energética diversificada, eficiente, cuantificable y compatibles con los estándares internacionales, correspondiendo al Estado ejercer su rol subsidiario, además de establecer los mecanismos para su cumplimiento; las energías renovables convencionales y no convencionales que deben utilizarse en las regiones, hasta alcanzar una cobertura total del suministro de electricidad. 49.