81
PRUEBA DE HIPÓTESIS.
4.2.1 Prueba de Hipótesis General
82 II. Interpretación de la hipótesis General
La afirmación de que “La velocidad del viento y la densidad del aire influyen en la producción de energía en los sistemas de electrificación rural de poblaciones dispersas de la provincia de Junín” se ha probado mediante el indicador de Pearson que:
Existe una correlación positiva muy fuerte entre la velocidad del viento y la producción de energía del sistema de electrificación rural, obteniéndose un valor de r = 0,9257 Evidenciándose una influencia de la velocidad del viento en la producción de energía del sistema de electrificación rural. Para la prueba se analizó la respuesta del Aerogenerador Air 30 de la marca Southwest Windpower. Para la evaluación de la energía se ha considerado una densidad de aire de 0,89 un coeficiente de potencia Cp = 0,3057 una longitud de pala del aerogenerador de 0,58m y la velocidad de arranque de 3,58 m/s.
Los valores obtenidos en la prueba de correlación se muestran a continuación:
Tabla 17 Coeficiente de Pearson calculado para velocidad de viento Hipótesis A
r n t V.C.
(Tabla)
0,9257 14 8,480 0,553
Fuente: Elaboración propia
Tabla 18 Producción e potencia a diferentes velocidades de viento Velocidad
de viento (m/s)
Potencia Generada
(W)
Energía kWh Mensual
1 0,00 0,00
2 0,00 0,00
3 0,00 0,00
4 9,20 5,96
5 17,97 11,65
6 31,05 20,12
7 49,31 31,95
8 73,61 47,70
83
9 104,81 67,91
10 143,77 93,16
11 191,36 124,00
12 248,43 160,98
13 315,86 204,68
14 394,50 255,64
Valores de producción de potencia instantánea y energía mensual a diferentes velocidades de viento para el aerogenerador Air30 de la marca Southwest Windpower en su operación sobre los 4000 msnm.
Fuente: Elaboración propia
Existe una correlación positiva fuerte entre la densidad del aire con la producción de energía del sistema de electrificación rural, obteniéndose un valor de r = 0.8497. Para la prueba de correlación se tuvieron en cuenta las producciones de energía de los diferentes tipos de aerogenerador analizados, evaluadas bajo dos densidades de aire, en un caso con la densidad de aire a nivel del mar y e en un segundo caso con la densidad de aire en la zona de estudio sobre los 4000 msnm manteniendo constantes las velocidades nominales de operación de cada aerogenerador.
Tabla 19 Coeficiente de Pearson calculado para densidad de aire Hipótesis A
r n t V.C.
(Tabla)
0,7995 12 5,097 0,602
Fuente: Elaboración propia
Tabla 20 Densidades de aire, potencia y energía generada
n Marca Densidad
de aire (kg/m3)
Potencia Generada
(W)
Energía kWh Mensual
1 Bornay 600 0,89 190,94 123,73
2 Air 30 0,89 86,75 56,21
3 SilentWind 0,89 58,35 37,81
4 EN-600 0,89 92,60 60,01
5 ZONHAN 0,89 147,07 95,30
6 WINDPOWER 0,89 423,56 274,47
7 Bornay 600 1,29 600,00 388,80
8 Air 30 1,29 400,00 259,20
9 SilentWind 1,29 420,00 272,16
10 EN-600 1,29 600,00 388,80
11 ZONHAN 1,29 1000,00 648,00
12 WINDPOWER 1,29 600,00 388,80
Fuente: Elaboración propia
84 4.2.2.2 HIPOTESIS ESPECIFICA B
I. Planteamiento de la Hipótesis
Ho: Hipótesis Nula: El tipo de aerogenerador usado en el diseño los sistemas eólicos NO influye en la producción de energía en los proyectos de electrificación rural en poblaciones dispersas de la provincia de la provincia de Junín.
Hi: Hipótesis Alterna: El tipo de aerogenerador usado en el diseño los sistemas eólicos influye en la producción de energía en los proyectos de electrificación rural en poblaciones dispersas de la provincia de la provincia de Junín.
II. Interpretación de la hipótesis General
La afirmación de que “El tipo de aerogenerador usado en el diseño los sistemas eólicos influye en la producción de energía en los proyectos de electrificación rural de poblaciones dispersas de la provincia de Junín” se ha probado mediante pruebas de correlación con el indicador de Pearson, buscando relaciones entre las sub-dimensiones que van a caracterizar al tipo de aerogenerador, las que para nuestro estudio fueron la longitud de pala, el coeficiente de potencia y la velocidad nominal de operación. Para las pruebas de correlación se obtuvo que:
• Existe una correlación positiva muy fuerte entre la longitud de pala y la producción de energía del sistema de electrificación rural, obteniéndose un valor de r = 0,967 para un nivel de significación de = 0,5 con n-1 grados de libertad. Siendo el valor calculado de t =
|7,706| mayor que el valor crítico de tabla V.C. = 0,878 se rechaza la hipótesis nula y se acepta la hipótesis alternativa.
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Tabla 21 Coeficiente de Pearson para Longitud de Pala VS Producción de energía
r n t V.C.
(Tabla)
0,967 6 7,706 0,878
Fuente: Elaboración propia
Tabla 22 Longitudes de pala y energía producida mensualmente n Marca Longitud
de pala (m)
Energía kWh Mensual
1 Bornay 600 1,000 85,36
2 Air 30 0,575 38,78
3 SilentWind 0,575 26,09
4 EN-600 0,600 41,40
5 ZONHAN 0,900 65,75
6 WINDPOWER 1,400 189,36
Fuente: Elaboración propia
• Existe una correlación negativa débil entre el coeficiente de potencia y la producción de energía del sistema de electrificación rural, obteniéndose un valor de r = -0,3327 para un nivel de significación de = 0,5 con n-1 grados de libertad. Siendo el valor calculado de t = |-0,994| mayor que el valor crítico de tabla V.C. = 0,950 se rechaza la hipótesis nula y se acepta la hipótesis alternativa.
Tabla 23 Coeficiente de Pearson para Coeficiente de Potencia VS Producción de energía
r n t V.C.
(Tabla)
-0,3327 5 -0,994 0,95
Fuente: Elaboración propia
Tabla 24 Coeficientes de potencia y energía producida por tipo de aerogenerador
n Marca Coeficiente
de Potencia (Cp)
Energía Mensual
(kWh)
1 Bornay 600 0,2225 85,36
2 Air 30 0,3057 38,78
3 SilentWind 0,2056 26,09
4 EN-600 0,2997 41,40
5 ZONHAN 0,2115 65,75
Fuente: Elaboración propia
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• Existe una correlación negativa moderada entre la velocidad nominal de operación y la producción de energía del sistema de electrificación rural, obteniéndose un valor de r
= -0,7307 para un nivel de significación de = 0,5 con n-1 grados de libertad. Siendo el valor calculado de t = |-2,141| mayor que el valor crítico de tabla V.C. = 0,878 se rechaza la hipótesis nula y se acepta la hipótesis alternativa.
Tabla 25 Coeficiente de Pearson para Velocidad Nominal VS Producción de energía
r n t V.C.
(Tabla)
-0,7307 6 -2,141 0,878
Fuente: Elaboración propia
Para la prueba se tuvieron en cuenta seis marcas de aerogeneradores considerando la energía mensual producida bajo condiciones de operación de velocidad nominal según ficha del fabricante con una densidad de aire de 0,89 kg/m3.
Tabla 26 Velocidad nominal y energía producida por tipo de aerogenerador
n Marca
Velocidad Nominal
(m/s)
Energía Mensual kWh
1 Bornay 600 11,000 216,00
2 Air 30 12,500 144,00
3 SilentWind 14,500 151,20
4 EN-600 14,000 216,00
5 ZONHAN 12,000 216,00
6 WINDPOWER 10,000 360,00
Fuente: Elaboración propia
4.2.2.3 HIPOTESIS ESPECÍFICA C I. Planteamiento de la Hipótesis
Ho: Hipótesis Nula: Lo costos de las diferentes tecnologías de aerogeneradores NO influyen en la viabilidad de los proyectos de electrificación rural en poblaciones dispersas de la provincia de la provincia de Junín.
87 Hi: Hipótesis Alterna: Lo costos de las diferentes tecnologías de aerogeneradores influyen en la viabilidad de los proyectos de electrificación rural en poblaciones dispersas de la provincia de la provincia de Junín.
II. Interpretación de la hipótesis General
Esta hipótesis se ha validado mediante los indicadores de viabilidad económica (VAN, TIR), en donde si se cumplen las condiciones de que el VAN ≥ 0 y la TIR ≥ 4%, se rechaza la hipótesis nula y se toma la alterna. Para ello se ha tomado en cuenta el aerogenerador seleccionado de la marca ZONHAN 600W, el cual con sus características técnicas logra satisfacer la demanda de energía de la vivienda rural. Para ello se ha realizado una evaluación financiera a un plazo de 25 años, lográndose recuperar el capital invertido con un valor actualizado en el tiempo durante el periodo de vida de ele proyecto.
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Maldonado J. (2012) ha realizado una investigación similar denominada
“Proyecto de electrificación rural mediante un sistema de energía eólica empleando el software WAsP” en la provincia de Loja – Colombia en el que la población rural representa un 85% del total de la provincia y cuyas características climáticas son diferentes ya que en el análisis de cargas considera un sistema de refrigeración debido a las temperaturas de la zona, presentando una mayor demanda de energía que el sistema calculado para la provincia de Junín. La metodología de cálculo empleada tiene características similares a las usadas en esta investigación aunque la producción de energía del sistema difiere mucho debido a que en este estudio las poblaciones no están dispersas y el proyecto ha previsto de un aerogenerador Bornay 6000 para el suministro de energía a 20 viviendas y una pequeña escuela. Las velocidades de viento son similares
88 a las de la provincia de Junín, aunque no existe pérdida de potencia por disminución de densidad de aire por la altitud.
Se han analizado 6 aerogeneradores, los cuales presentan algunas diferencias en sus potencias nominales y sus características constructivas. Se han comparado tres aerogeneadores 3 pequeños aerogeneradores de 600W de potencia, siendo uno de ellos de eje vertical (EN-600) el cual presenta la menor producción de energía en comparación de los otros dos (Bornay 600 y ZONHAN 600). Sin embargo Bornay 600 presenta una mejor performance pero con un mayor precio de mercado que hace inviable su selección ya que su costo compromete la viabilidad económica del proyecto.
Tabla 27 Clasificación de aerogeneradores por su tipo de eje y potencia Marca Pmax (W) Energía
kWh Mensual
Tipo
Bornay 600 600 85,36 Eje horizontal
Air 30 400 38,78 Eje horizontal
SilentWind 420 26,09 Eje horizontal
EN-600 600 41,40 Eje vertical
ZONHAN 600 65,75 Eje horizontal
WINDPOWER 1000 189,36 Eje horizontal Fuente: Elaboración propia
Se ha evidenciado también que a mayor longitud de pala, mayor producción de potencia del aerogenerador, lo cual sería muy positivo cuando se tengan viviendas con mayor consumo de energía o para pequeños colegios o instituciones.
La densidad de aire se ve mermada con el incremento de altitud, lo que generara aproximadamente un 30% de pérdidas de potencia y energía debido a la caída de la densidad de potencia. Finalmente en electrificación rural es posible compensar ésta deficiencia al seleccionar un aerogenerador de mayor potencia nominal.
89 Las velocidades de viento influyen directamente en la producción de energía ya que la producción de potencia está relacionada con el cubo de la velocidad de viento. Se ha observado en éste análisis qué más importante que una baja velocidad de arranque del aerogenerador es una baja velocidad nominal de operación, ya que para nuestro caso en la Provincia de Junín favorece el tener aerogeneradores con bajas velocidades nominales para un mejor aprovechamiento del recurso eólico.
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CONCLUSIONES
1. Mediante el desarrollo de ésta investigación se ha determinado que el diseño de un sistema eólico aislado influye positivamente en la electrificación rural en poblaciones dispersas de la provincia de Junín el cual opera dentro de límites aceptables con las condiciones de velocidad de viento y densidad de aire de la zona mediante la selección de un adecuado tipo de aerogenerador con el que se puede satisfacer la demanda energética de viviendas rurales muy distanciadas entre sí a las cuales no es posible brindar el servicio básico de electricidad debido a su lejanía de los sistemas eléctricos convencionales.
2. Se ha determinado que la velocidad del viento y la densidad del aire influyen significativamente en la producción de energía en los sistemas de electrificación rural de poblaciones dispersas de la provincia de Junín. Las velocidad de viento en la provincia de Junín puede ser suficientes para que un aerogenerador de baja potencia pueda generar energía suficiente para alimentar un sistema rural a pesar de que la densidad del aire presenta una disminución del 31% debido a la altura, lo que se ve reflejado en una pérdida de potencia del sistema. Por ello una mayor velocidad de viento promedio en la zona de estudio y una menor altitud del proyecto tendrán una influencia positiva en los sistemas eólicos.
3. Se ha determinado que el tipo de aerogenerador usado en el diseño de los sistemas eólicos influye en la producción de energía en los proyectos de electrificación rural en poblaciones dispersas de la provincia de Junín. Para ello se evaluó independientemente la relación que existe entre el coeficiente de potencia, la longitud de la pala y la velocidad nominal de operación de 6 marcas de aerogeneradores con respecto a la producción de energía. Los resultados mostraron que una mayor longitud de pala, un mayor coeficiente de potencia y una menor velocidad nominal de operación del aerogenerador son características que tienen
91 influencia positiva en la producción de energía de los sistemas eólicos. Por ello el tipo de aerogenerador seleccionado es capaz de producir 65 kWh mensuales, los cuales satisfacen de sobra los 52,05 kWh demandados por la vivienda rural.
4. Se ha determinado que los costos de las diferentes tecnologías de aerogeneradores influyen en la viabilidad de los proyectos de electrificación rural en poblaciones dispersas de la provincia de Junín. A mayor potencia del aerogenerador seleccionado, los costos de inversión aumentan y disminuye la viabilidad del proyecto. Para nuestro caso, el tipo de aerogenerador de la marca SONHAN seleccionado nos ha generado indicadores de VAN y TIR los que validan la inversión.
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RECOMENDACIONES
1. Para estudios de generación con aerogeneradores se recomienda el empleo de datos de viento de por lo menos tres años para garantizar una mayor confiabilidad de los estudios.
2. Para la selección del inversor a utilizar es recomendable determinar la potencia de máxima demanda de la carga a ser abastecida con energía eléctrica.
3. Existen diferentes marcas de aerogeneradores pequeños se recomienda utilizar el que puede generar mayor potencia útil con una velocidad nominal cercana a la velocidad de viento promedio de la zona de estudio.
4. Para la selección de la batería se recomienda realizar el análisis de carga en wh/dia, también considerar la temperatura del lugar donde estará ubicado el banco de baterías a fin de considerar un adecuado margen de seguridad.
5. Es necesario implementar un sistema de pararrayos en aerogeneradores, específicamente en zonas alto andinas con gran probabilidad de descargas atmosféricas.
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BIBLIOGRAFIA
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Bañon L. 2016. Proyecto de electrificación rural del pequeño sistema eléctrico Ayacucho.
Tensión 22.9-13.2 kv. Tesis de pregrado. Universidad Nacional de Ingeniería.
Castro, M. S. (2014). Diseño y Construcción de una Mini-Turbina Eólica. Madird.
D’Angles B. (2020) Análisis de los factores que influyen en el diseño de una planta fotovoltaica de 40MW ubicada en el Valle del Mantaro. Tesis de Maestría.
Universidad Nacional del Centro del Perú.
EE.UU, D. d. (2012). Sistemas Eólicos Pequeños para Generación de Electricidad.
Flores Mondragón Josué, L. L. (2012). Sistema híbrido Eólico-Fotovoltaico para casa habitación con tarifa DAC. Distrito Federal, México: Universidad Nacional Autónoma de México - Facultad de Ingeniería.
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Ingeniería.
González. (2011). Diseño y construcción de un generador eólico de energía eléctrica continu.
Liu, H. (2018). Método de seguimiento del punto de máxima potencia para el generador de viento a pequeña escala. Francia.
Maldonado J. (2012) Proyecto de electrificación rural mediante un sistema de energía eólica empleando el software WAsP. Universidad Nacional de Loja – Colombia. Portal Web ResearchGate