PDF Universidad Nacional Del Centro Del Perú - Uncp

ESCUELA DE POSGRADO

UNIDAD DE POSGRADO DE lA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

TESIS:

OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO PARA LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN

VIVIENDAS AISLADAS ALTOANDINAS

PRESENTADA POR:

WUILBER CLEMENTE DE LA CRUZ

PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE:

MAGISTER EN TECNOLOGÍA ENERGÉTICA

HUANCAYO - PERÚ

2014

TESIS Presentada por:

WUILBER CLEMENTE DE LA CRUZ

Para optar el grado de Magíster en Tecnología Energética.

Sustentada ante el jurado examinador.

Presidente

DR. CIRO O ESPINOZA

TES Vocal

MG. MARIO ALFONSO ARELLANO VILCHEZ.

Secretario

MS. ARMANDO SILES DELZO SALOMÉ.

Vocal.

Asesor

ASESOR:

Mag. OSCAR PAUL HUARI VILA

DEDICATORIA

A Manuela De la Cruz, mi madre por su incesante e invalorable apoyo.

A Claudia y Patricia, mis hijas, por ser las promotoras de mi autorrealización.

A CARELEC/MEM, por brindarme la oportunidad de acceder a la maestría en Tecnología Energética.

A la coordinación del convenio CARELEC- UNCP, por su orientación y dirección acertada hacia mi formación profesional.

CONTENIDO

ASESOR: ... ii

DEDICATORIA ... iii

CONTENIDO ... iv

RESUMEN ... vi

ABSTRAC ... viii

INTRODUCCIÓN ... x

Capítulo 1: PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO ... 1

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 1

1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ... 7

1.3 OBJETIVOS DE INVESTIGACIÓN ... 7

1.4 JUSTIFICACION E IMPORTANCIA ... 8

Capítulo 2: MARCO TEORICO ... 1 O 2.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN ... 1 O 2.2 BASES TEÓRICAS ... 15

2.3 DEFINICIONES CONCEPTUALES Y OPERACIONALES ... 33

2.4 SISTEMA DE HIPÓTESIS ... 35

Capítulo 3: ASPECTOS METODOLÓGICOS ... 37

3.1 TIPO Y NIVEL DE INVESTIGACION ... 37

3.2 MÉTODO Y DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN ... 38

3.3 OPERACIONALIZACION DE VARIABLES ... .40

3.4 DISEÑO DEL TRATAMIENT0 ... .41

3.5 TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCION DE DATOS ... 43

3.6 TÉCNICAS DE PROCESAMIENTO DE DATOS ... .46

Capítulo 4: PRESENTACIÓN DE RESULTADOS ... .48

4.1 RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN ... 48

4.2 ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE LOS RESULTADOS ... 63

4.3 PRUEBA DE HIPÓTESIS ... 91

Capítulo 5: DISCUSIÓN E INTERPRETACIÓN DE RESUL TADOS ... 94

5.1 INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS ... 94

5.2 COMPARACIÓN DE RESULTADOS ... 1 01 5.3 EVALUACIÓN DE RESULTADOS ... 1 03 5.4 CONSECUENCIAS TEÓRICAS ... 1 05 5.5 APLICACIONES PRÁCTICAS ... 1 06 CONCLUSIONES ... 1 07 RECOMENDACIONES ... 1 09 BIBLIOGRAFIA ... 111

RESUMEN

<OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA SOLAR FOTOVOL TAlCO PARA LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN VIVIENDAS AISLADAS AL TOAN DI NAS>

Autor: Wuilber Clemente De la Cruz

La investigación que se desarrolló fue de tipo tecnológico debido a que se internalizan los conceptos científicos hacia un hecho real, está enmarcado a una línea de investigación establecida por el Ministerio de Energía y Minas y la Unidad de post Grado de la Facultad de ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional del Centro del Perú, inherente al desarrollo de energías renovables en el país y la región.

El objetivo fundamental de la investigación es optimizar la estructura del sistema solar fotovoltaico, en base a la evaluación de radiación solar, el dimensionamiento de componentes, fundamentalmente identificando la elevación, el acimut y la ubicación del controlador de carga respecto al módulo generador de manera adecuada, todo ello, con fines de generar energía

eléctrica en las viviendas aisladas de las comunidades de los distritos de San José de Quero y Yanacancha, que corresponden a las provincias de Concepción y Chupaca de la provincia de Junín.

El método que se ha utilizado fue el sistémico, considerando los componentes de manera interrelacionada y basado en el nivel experimental, donde el diseño es factorial 2³, toda vez que se tuvo tres variables controlables como; la elevación y acimut del panel, y la posición del controlador e carga, los mismos que tuvieron dos niveles, permitiéndonos como resultado ocho combinaciones o tratamientos. Para las mediciones y toma de datos de la variable dependiente, se ha construido dos módulos uno en Yanacancha y otro en San José de Quero, donde se ejecutaron las pruebas y verificaciones de acuerdo al requerimiento de la prueba de hipótesis. Finalmente se emplearon las técnicas estadísticas como los estadígrafos F, ANOVA y la Prueba T; los mismos que nos permitieron validar la hipótesis.

Palabras claves:

Panel solar, Fotovoltaico, Energía, Electricidad, optimización, radiación y diseño factorial.

ABSTRAC

< OPTIMIZATION OF SOLAR PHOTOVOL TAIC SYSTEM FOR ELECTRICITY GENERATION IN ISOLATED HIGH ANDEAN HOUSING >

Author: Wuilber Clemente De la Cruz The research developed was technology-because scientific concepts to a real fact is internalized, is framed with a line of inquiry set up by the Ministry of Energy and Mines and the unit post Grade Faculty of Mechanical Engineering National University of Central Peru inherent in the development of renewable energy in the country and región.

The main objective of the research is to optimize the structure of the solar photovoltaic system, based on the evaluation of solar radiation, the dimensioning of components, primarily identifying the elevation, azimuth and location relative to the charge controller module generator properly , all with the purpose of generating electricity in homes isolated communities in the districts of San José de Quero and Yanacancha, corresponding to the provinces of Concepción and Chupaca province of Junin.

The method used was systemic, considering the interrelated components and based on the experimental level, where the factorial design is 23, since three controllable variables as had; elevation and azimuth of the panel, and the position of the driver and load, the same that had two levels, as a result allowing eight combinations or treatments. For measurements and data collection of the dependent variable, has built two modules Yanacancha and another one in San José de Quera, where tests and inspections according to the requirements of the hypothesis test is carried out. Finally statistical techniques as statisticians F, ANOVA and T test were used; the same that allowed us to validate the hypothesis

Keywords:

Solar Panel, Photovoltaic, Electric, Electricity, optimization, radiation and factorial design

INTRODUCCIÓN

El Perú es un país privilegiado debido a que en toda su extensión existe radiación solar directa, la misma que a la fecha no está siendo aprovechada de manera significativa a pesar de que existen normativas para el uso de energías renovables en la electrificación ruraL Particularmente en la región Junín la radiación es alta sobre pasa los seis kWh/día, siendo este favorable para el uso ya sea en iluminación, calentamiento de agua, microclimatización de ambientes, bombeo de agua, etc.; y es amigable con el medio ambiente, por lo que su uso es indefectible e imperecedero.

El propósito fundamental del estudio es optimizar los diversos factores del sistema solar fotovoltaico a fin de obtener energía eléctrica de manera efectiva en las viviendas aisladas altoandinas de las localidades de Yanacancha y San José de Quero, los mismos que están ubicadas en las provincias de Chupaca y Concepción, respectivamente. Esta optimización consiste en manipular las variables relacionadas al ángulo de elevación, acimut y la posición del controlador de carga respecto al panel solar; para así obtener un resultado

benéfico y satisfactorio al usuario y para lograr esto, se construyó dos módulos uno en cada localidad con fines exclusivos de la experimentación y toma de datos y luego ser procesados bajo la técnica de la estadística, particularmente diseños experimentales DOE.

Tal es así, el estudio está dividido en cinco capítulos, el primero contempla los aspectos generales de la investigación, específicamente el sistema problemático, los beneficios, alcances e importancia del estudio; el segundo capítulo contempla el marco teórico, en ello los antecedentes, las bases teóricas, las definiciones conceptuales y operacionales de las variables independientes y dependientes y la hipótesis.

Los aspectos metodológicos es abstraído por el capítulo tres, donde explicita el tipo y nivel de investigación, el método y diseño utilizado en el estudio, el tratamiento y las técnicas de recolección y análisis de datos. En el capítulo cuatro se presentan los resultados de toda la investigación, mostrando el análisis estadístico y la prueba de hipótesis. Finalmente en el capítulo cinco se muestra la interpretación, comparación, evaluación y aplicaciones de los resultados.

Finalmente, muestro mi gratitud y agradecimiento a todos los que me brindaron su apoyo incondicional para la concreción de este estudio, que redundará en beneficio de la sociedad.

EL AUTOR

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Los recursos energéticos en sus diversos tipos, es uno de los factores preponderantes para el desarrollo tecnológico de un país, los mismos que son utilizados por la sociedad con fines de satisfacer sus necesidades en diversas formas. Los combustibles fósiles al principio se consideraban ilimitados y su impacto ambiental era despreciable, sin embargo, el crecimiento mundial, nacional y regional de la población ha propiciado el agotamiento de dicho energía y la alteración de la atmósfera produciéndose el efecto invernadero y las lluvias ácidas, lo que podría en el futuro causar catástrofe en contra de la humanidad.

Ante este hecho, la alternativa es el uso de las energías renovables, que no producen gases de efecto invernadero ni otras emisiones, los que están siendo delineados mediante políticas y normas en los diversos

países y en el nuestro. En particular, el sol es una fuente inagotable que provee una energía limpia, abundante y disponible; sin embargo su uso en el mundo y nuestro país, es insignificante respecto a los convencionales, pero a partir de los últimos años, se ha reconocido como inevitable la aplicación de las fuentes de energía renovable, en particular de la radiación solar y sus aplicaciones en iluminación de viviendas.

Además en nuestro país, particularmente en las comunidades denominadas altoandinas que se hallan por encima de los 3800 metros sobre el nivel del mar, existen viviendas sin energía eléctrica debido a la ubicación dispersa y distante a la concentración poblacional que a la fecha cuenta con energía provista por la red, satisfaciendo solo a un 70%

de la población; sin embargo existe energía inagotable generado por la radiación solar de manera significativa y que requiere la captación para transformarlo en energía eléctrica.

El estudio se realizó en las comunidades de los distritos de Yanacancha y San José de Quero, el primero se halla en la provincia de Chupaca a unos 3 806 m.s.n.m., y a unos 39.1 km, cuya coordenada geográfica Longitud este es 76°23'09", Latitud sur 12°11'22" y la coordenada UTM WGS84 Norte 8651.127 km y Este 457.929 km. (GRJ/GRPPAT/SGAT- 2004).

Fig. 1.1 Ubicación del distrito de Yanacancha.

Fuente: Elaboración propia

Por estar sobre los 3806 m.s.n.m., es considerada como zona altoandina;

tiene como superficie 761.40 km² que ocupa el 65.46% de la superficie de la provincia. La población total a la fecha es de 3 800 de los cuales el 20% (152 viviendas) aún no tiene electrificación, por lo que requiere atención. Asimismo se ha realizado el estudio en las comunidades del distrito de San José de Quero, que se halla en la provincia de Concepción-Junín, a unos 49 km de la provincia de Huancayo, cuenta con una población de 6452 habitantes (INEI. censo 2007), está ubicado a 3875 m.s.n.m., extendido en una superficie de 317 km², latitud Sur 12°04'57" y Longitud Oeste 75°32'03" (Plan de desarrollo concertado San José de Quero. 2011 ), de los cuales el 85% cuentan con energía eléctrica, sin embargo hay un buen trecho que requieren de dicha

energía se estima unos 194 viviendas, debido a que no cuentan con recursos económicos para ampliar la red y por la ubicación muy dispersa.

Fig. 1.1 Ubicación del distrito de San José de Quero.

Fuente; Plan de desarrollo concertado San José de Quero. 2011 Diversos autores plantean que la alternativa para afrontar la demanda energética son las energías renovables, tal es así; Femández Salgado (2009. p 18), plantea que, para aprovechar la energía del sol se debe captar y concentrar la radiación en un dispositivo con fines de transformar su utilización. Por su parte, Méndez Muñiz y Cuervo García (2006. p.126) establece que una de las aplicaciones exitosas del sistema fotovoltaico es

la iluminación de viviendas y el bombeo de agua para diversos usos.

Sandía National Laboratories (2001. p. 34) plantea que, los sistemas fotovoltaicos no genera energía eléctrica, si el sol no brilla, además remarca; que éstas se puede almacenar en baterías para suministrar en momentos de que la radiación cesa.

Por su parte Simec Chile SRL (2012), establece que la utilización de sistemas alternativos de generación eléctrica, como lo son los sistemas fotovoltaicos, han permitido disminuir la demanda de energía eléctrica de la red de distribución, o bien alimentar de energía a aquellos sectores en los que no existen servicios eléctricos

Gómez (2012), plantea que los sistemas fotovoltaicos autónomos más habituales son de poca potencia, habitualmente de entre 3 y 10 kWp pero también nos encontramos casos muy rentables como son el bombeo de agua, alimentación de equipos de medida, de teiecomunlcaciones, Hu- minación y señalización en lugares aislados etc.

Del Valle y Martínez (2011, p.22), manifiestan que entre las diversas alternativas tecnológicas existentes para la electrificación rural, la fotovoltaica se considera como una tecnología apropiada para sistemas de generación descentralizada. Puede ser aplicada fundamentalmente en servicios comunitarios (bombeo de agua, electrificación de centros de salud, escuelas o centros comunitarios, etc.) y servicios domésticos.

Moro (201 O, p. 53), plantea que las instalaciones fotovoltaicas aisladas son una forma de generar de electricidad para un consumo al margen de la

red eléctrica, la energía generada durante las horas del sol se almacena en baterías o acumuladores, desde donde se inyecta en la red de consumo; sus aplicaciones son diversas como: alumbrado público, electrificación de zonas rurales, alimentación eléctrica en viviendas situadas en lugares de difícil acceso.

A la fecha, existen investigaciones y trabajos de tesis referente al sistema de electrificación rural utilizando energía solar fotovoltaica. Tal es así;

Muñoz Anticona (2005), realiza su investigación relacionado a la Aplicación de la energía solar para electrificación rural en zonas marginales del país, donde concluye que los sistema fotovoltaicos son confiables y duraderos,· no ocasionan ningún desequilibrio al ambiente y son competitivos cuando la cantidad de energía demanda es pequeña y los sitios son lejanos o es difícil llegar a ellos no teniendo acceso a la red eléctrica.

Del mismo modo Valdiviezo Salas (2014), en su tesis Diseño de un sistema fotovoltaico para el suministro de energía eléctrica a 15 computadoras portátiles en la PUCP, plantea que la factibilidad del proyecto no debe ser una decisión netamente económica. Se deben toman en cuenta varios factores como: Reducción de emisiones de gases de efecto invernadero (GEl), Fomentar el interés del uso e investigación de los recursos energéticos renovables (RER), Estrategia de marketing institucional y Adaptación para ser utilizado como un laboratorio experimental.

Además existe un informe de investigación realizado por Osear Tacza Casallo referente a Energía solar fotovoltaico en el distrito de Orcotuna Región Junín, donde su propósito es generar Energía eléctrica utilizando la energía solar y así proporcionar energía eléctrica a los pobladores por ser un pueblo de baja densidad, particularmente a las viviendas que se encuentran alejados de la población de Orcotuna. Y ofrecerle un desarrollo rural sostenible que generen ingresos y el bienestar social.

Si bien existe estudios en la zona y el país, en ninguno se ha visualizado la optimización en base a diseños experimentales, tal así, con el proyecto de investigación planteada, se pretende generar energía eléctrica con fines de iluminar viviendas unifamiliares en las zonas alto andinas que se hallan por encima de los 3800 m.s.n.m.; a partir de la optimización de componentes del sistema fotovoltaico.

1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

En base a los fundamentos mencionados, se estableció la siguiente interrogante:

¿Cómo optimizar el sistema solar fotovoltaico para generar energía eléctrica en viviendas aisladas alto andinas de los distritos de San José de Quero y Yanacancha?

1.3 OBJETIVOS DE INVESTIGACIÓN

1.3.1 Objetivo general

El objetivo fundamental de la presente investigación fue:

Optimizar el sistema solar fotovoltaico para generar energía eléctrica en viviendas aisladas altoandinas de los distritos de San José de Quero y Yanacancha.

1.3.2 Objetivos específicos

• Describir los componentes del sistema fotovoltaico, con fines de generar energía eléctrica.

• Dimensionar los componentes del sistema fotovoltaico.

• Construir el prototipo y realizar las mediciones, tanto en San José de Quero y Yanacancha

1.4 JUSTIFICACION E IMPORTANCIA

1.4.1 Logros alcanzados

Se ha aprovechado la energía del sol, particularmente los fotones, mediante un generador fotovoltaico con fines de ser transformados en energía eléctrica y éstos a su vez, sean utilizados de diversas formas. La radiación solar en nuestro medio es abundante, su aprovechamiento es vital e imperecedero, puede generar otros tipos de energía de tal modo que la sociedad pueda utilizar en su quehacer diario. Se ha logrado dimensionar los componentes del sistema fotovoltaico en función a las necesidades básicas de las familias en las localidades de San José de Quero y Yanacancha, cuyo anhelo fue tener luz en sus viviendas;

asimismo se ha manipulado las variables independientes con el propósito de optimizar el sistema y así generar energía eléctrica de manera efectiva. En consecuencia, la definición de los ángulos de elevación y acimut y la posición del controlar determinan la mejor forma de generar energía eléctrica.

Su importancia se centra en el uso de la energía renovable, particularmente de la radiación solar en la iluminación, es más, la aceptación de la población es significativo y la emisión del gas de efecto invernadero (GEl), es mínima casi despreciable en comparación a los convencionales.

Fundamentalmente se ha logrado optimizar el sistema solar fotovoltaico, variando el ángulo de elevación, el acimut y la ubicación del controlador

de carga respecto a la ubicación del panel solar; estas variaciones permitieron obtener energía eléctrica también divergente, sin embargo el resultado más óptimo fue a 45° de elevación, 355° de acimut y 1m de posición del controlador.

1.4.2 Beneficios

Inicialmente, el beneficio fue para el tesista, debido a que se concretó las expectativas planificadas, o sea, con la variación de los ángulos de elevación, acimut y la posición del controlador de carga respecto al panel solar, se determina la mejor configuración de los componentes para generar energía eléctrica de manera efectiva. Sin embargo el beneficio va más allá de lo previsto, en base a esta experimentación se logra instalar 31 paneles solares fotovoltaicos en 31 viviendas aisladas que están ubicadas sobre los 3800 m.s.n.m.; con los parámetros ya establecidas en la experimentación.

En base a estas instalaciones la expectativa crece aún más, a tal extremo de que las municipalidades mostraron gran interés en hacer la réplica del uso de esta tecnología en viviendas que no tienen electricidad y así mejorar la condición de vida de sus pobladores.

Capítulo 2:

MARCO TEORICO

2.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN

Habiendo revisado diversas investigaciones relacionados a las variables del presente estudio, se presenta como antecedente los siguientes:

Muñoz Anticona (2005), en su tesis titulada Aplicación de la energía solar para la electrificación rural en zonas marginales del país, en la Universidad Nacional de Ingeniería, establece que el Sol posee una elevada calidad energética no contaminante y renovable que permite usos variados y efectivos, es inagotable a escala humana y no necesita de mucho espacio para ser utilizada. La energía solar puede ser utilizada de una manera muy fácil para la generación de energía eléctrica; además, no requieren sofisticar las medidas de seguridad, y no produce residuos tóxicos de difícil o imposible tratamiento o eliminación.

Una de las aplicaciones más importantes de estos sistemas es la electrificación de zonas rurales, en las cuales no es posible hacer llegar la red de energía

eléctrica convencional, por tanto en estos lugares es mejor instalar sistemas fotovoltaicos donde uno o varios paneles solares carguen baterías para que posteriormente la energía almacenada en estas pueda ser utilizada por dispositivos convencionales (televisiones, radios, fluorescentes, etc). Además plantea que los sistemas fotovoltaicos son confiables y duraderos, no ocasionan ningún desequilibrio al ambiente y son competitivos cuando la cantidad de energía demanda es pequeña y los sitios son lejanos o es difícil llegar a ellos no teniendo acceso a la red eléctrica

Valdiviezo Salas, Daniel (2014), en su tesis Diseño de un sistema fotovoltaico para el suministro de energía eléctrica a 15 computadoras portátiles en la PUCP, en la Pontificia Universidad Católica del Perú, Facultad de Ciencias e Ingeniería, arriba a los siguientes: Los resultados económicos muestran que si no se toman en cuenta incentivos económicos gubernamentales o institucionales por generación de energía limpia, el proyecto no será rentable económicamente. Sin embargo, la factibilidad del proyecto no debe ser una decisión netamente económica. Se deben toman en cuenta varios factores como: Reducción de emisiones de gases de efecto invernadero (GEl), fomentar el interés del uso e investigación de los recursos energéticos renovables (RER), Estrategia de marketing institucional y Adaptación para ser utilizado como un laboratorio experimental. Se requerirá una inversión inicial de cerca de S/. 70'000.00 tener operativa una instalación fotovoltaica aislada que sea capaz de suministrar suficiente energía electrlca para

15

datos de generación de energía fotovoltaica, y obtengan experiencia práctica del funcionamiento y capacidad de la misma.

Bermudez B. y Gabriel L. (2008), en su tesis de grado titulada Especificación de un sistema de generación de energía eléctrica usando paneles fotovoltaicos y convertidores DC/AC; en la Universidad Central de Venezuela, presenta la determinación de la metodología de diseño para dimensionar un arreglo solar fotovoltaico, basadas en las recomendaciones hechas por la IEEE y UL en sus estándares relacionados con este tema, así como el Código Eléctrico Nacional y los escritos de los diversos autores especializados en esta materia, dicha metodología se puso en práctica para obtener un diseño adecuado a los requerimientos inicialmente planteados por la investigación.

Ladino Peralta (2011 ), en su tesis de maestría titulada La energía solar fotovoltaica como factor de desarrollo en zonas rurales de Colombia, de la Facultad de Estudios Ambientales y Rurales, de la Pontificia Universidad Javeriana; plantea que a través de la presente investigación se encontró que las ZNI, están dispersas de los centros urbanos, alejadas de la energía eléctrica convencional y solo con programas sociales pueden acceder a las energías renovables como única fuente energética sostenible en la búsqueda de mejoramiento en su calidad de vida. No obstante las comunidades rurales beneficiadas como es el caso de la vereda de Carupana, luego de instaladas no existen programas sociales y técnicos de seguimiento, control y mantenimiento de estos sistemas, que permita conocer información útil para replicar estos resultados a otras comunidades rurales. El proceso de

generación de energía fotovoltaica de Carupana, es un sistema directo de conversión energética, donde existen una serie de elementos que transforman la energía solar en energía eléctrica, la dirigen y orientan hacia un sistema de acumulación, para ser aprovechada en momentos distintos, para viviendas rurales, centros de salud, escuelas . En este proceso se involucran partes importantes para la generación eléctrica como los paneles solares, el controlador de carga, el arreglo de baterías y el inversor. Teniendo en cuenta el primer objetivo, para la implementación de la EFV, en el que se establecieron los indicadores sociales, ambientales, económicos y de política en la vereda de Carupana el sector Rural municipal y el total de T auramena.

Cornejo Lalupú (2013), en su tesis Sistema solar fotovoltaico de conexión a red en el Centro Materno infantil de la Universidad de Piura, de la Facultad de Ingeniería; presenta que para el proceso de dimensionamiento se ha considerado el mes de Junio por ser el mes más desfavorable, en cuanto a energía solar disponible, asegurándonos en el resto del año el funcionamiento total del sistema fotovoltaico con conexión a red. Los equipos que forman parte del sistema fotovoltaico con conexión a red, no sólo han sido escogidos con los cálculos realizados para el proyecto, se ha tenido también en cuenta que cumplan con las normativas establecidas para el correcto dimensionamiento:

Tal es así, Los módulos fotovoltaicos cumplen las normativas lEC 61215 que cubre los parámetros que son responsables del envejecimiento de los mismos como son los rayos UV (ultravioleta), incluida la luz del sol, diferencial ambiental de humedad y temperatura, carga mecánica y los parámetros de la nieve. Cumplen también la normativa lEC 61730 que cubre los parámetros de

seguridad del módulo en su construcción, especificando el tipo de uso, pruebas de cualificación y seguridad eléctrica. El inversor cumple con la normativa lEC 60529 que determina el grado de protección que resguarda los componentes que constituyen el equipo: IP 65; nuestro inversor está totalmente protegido contra el polvo y contra el lanzamiento de agua desde todas direcciones. El medidor dispensador de electricidad cumple con las normativas EN 50470-1 y EN 504 70-3 con las que se garantizan el cumplimiento de ensayos para el correcto funcionamiento y la precisión de la medida de energía.

Eulalia Jadraque Gago (2011 ), en su tesis doctoral titulado Uso de la energía solar fotovoltaica como fuente para el suministro de energía eléctrica en el sector residencial, en la Universidad de Granada, departamento de Ingeniería Civil; plantea la importancia que tiene el consumo de energía eléctrica por la edificación residencial, en el que justifica el desarrollo de modelos que permitan obtener las estructura por usos (climatización, electrodomésticos, iluminación, agua caliente sanitaria) de dicho consumo. El desarrollo de modelos energéticos puede desempeñar una función principal a la hora de evaluar el efecto de políticas destinadas a la conservación de la energía y el impacto que ocasionarían cambios en la eficiencia energética de los aparatos de consumo eléctrico.

En la tesis de maestría titulada Energía solar térmica y fotovoltaica aislada para pequeñas comunidades en Perú, presentado por lmanol Yalli Piriz Sagahon, en ia UPC BARCELONA fECH-Escola de Camins, en ei anño 2013, en ei que se ejecutó el estudio dentro de la Universidad Nacional Agraria la Molina; se construye el prototipo en el que contempla la instalación de paneles solares

para la iluminación (energía solar fotovoltaica) y de un equipo para la calefacción de agua (energía solar térmica) en un módulo sanitario ecológico, en ello se han realizado mediciones para valorar la eficiencia y rendimiento de los equipos así como el análisis económico y financiero para evaluar la viabilidad económica. El prototipo ya está en pleno funcionamiento y se espera con optimismo que la sociedad civil pueda visitarlos y conocer de cerca las potencialidades de la energía solar. Por otro lado se espera que el presente trabajo contribuya a que los gobiernos locales puedan aplicar planes de mejora energética y potencien el uso de energías renovables en comunidades aisladas, mejorando la calidad ambiental y disminuyendo las emisiones de gases de efecto invernadero.

2.2 BASES TEÓRICAS

2.2.1 ENERGÍA SOLAR.

Según Fernández (2009. P.3), la energía solar está constituido por la porción de la luz que emite el sol y que es interceptada por la tierra; Perú es un país con alta incidencia de energía solar en la gran mayoría del territorio.

Méndez y Cuervo (2012, p.27), plantean que la energía solar directa es aquel, que sin transformar calienta e ilumina; además se necesita sistemas de captación y de almacenamiento para aprovechar la radiación de diversas formas, ya sea directa o indirectamente.

Moro (201 O, p.12), establece que en el sol tienen lugar constantemente una serie de reacciones termonucleares que liberan gran cantidad de energía irradiada al espacio, una ínfima parte de esa energía llega a la superficie terrestre. Pero esa parte minúscula supone un flujo extraordinario de energía solar de unos 1 O ¹⁸ kWh anuales, que supera

con creces, no solo nuestro consumo de energía anual, sino la propia energía contenida en todas las reservas conocidas de energías fósiles.

2.2.2 RADIACION SOLAR.

Según Willey (2010) del Grupo IDEA, I+D en energía solar, el sol es una inmensa fuente de energía inagotable con un diámetro de 1.39x1 0⁹m situado a la distancia media de 1.5x1 O ¹¹m respecto de la Tierra, esta distancia se llama unidad astronómica (UA). Los datos más interesantes acerca del Sol son los siguientes:

• El Sol = Estrella = Horno Nuclear.

• Su diámetro es 1.400.000 km.

• Su Masa es 300.000 veces la masa de la tierra.

• Su temperatura superficial es de 5.600°K

• Su vida estimada es de 5.000 millones de años.

• La distancia Tierra - Sol es de 150 millones de km.

• La luz solar tarda 8 minutos en llegar a la tierra.

• El Sol genera su energía mediante reacciones nucleares de fusión que se llevan a cabo en su núcleo.

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Fig. 01. El sol y la constante solar Fuentes: John Willey and Sons

La generación de energía proviene de la pérdida de masa del Sol, que se convierte en energía de acuerdo con la famosa ecuación de Einstein, E =

m·c², donde nEnes la cantidad de energía liberada cuando desaparece la masa "m"; "e" es la velocidad de la luz.

Su flujo radiante es de 3,8x1 026W equivalente a una densidad de 62,5 MW por cada metro cuadrado de superficie solar. De toda ella, solo una pequeña parte, 1 ,37KW por metro cuadrado aproximadamente, llega a la superficie de la tierra como consecuencia de la distancia que los separa.

Valdiviezo Salas (2014), en su tesis incluye el reporte del Instituto Geofísico del Perú en el que sostiene; la radiación solar absorbida por la atmósfera terrestre no es aprovechada al 1 00%, en términos generales, el 24% de la radiación llega directamente, el 21% de la radiación no llega directamente, mientras que el 29% se pierde en el espacio. (Méndez y Cuervo. 2009, p.30). Tal como se muestra en la figura 02.

Irradiación solar en superficie

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1 6

149,6K10 Km 1 Constante Solar

1.3S3W/m²

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\ ' 22%

1

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630 W/m²

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2.4~

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lntenSklad media de la recliación solar sobre la superfitie terrestre

Fig. 02: Radiación solar sobre la superficie terrestre.

Fuente: Méndez Muñiz y Cuervo García (2009)

Mes

"n"

CONSTANTE SOLAR: Es la radiación sobre una superficie orientada normalmente a la dirección de los rayos solares y situada fuera de la atmósfera terrestre a la distancia astronómica unidad igual a 1.495x1 O ¹¹ m que es la distancia media Sol-Tierra. No es una verdadera constante pues varía ligeramente, 0.1% a 0.2%, respecto de su valor central, Se aceptara a partir de ahora como ISC=1370 W/m2. Sin embargo, Fernández Salgado (2009) plantea utilizar la constante solar (Gsc) de 1 353W/m², el mismo que ha sido aceptada por la NASA y por la ASTM; en cohsétl.iéncia en esté estudio se empleará éste dato (Férnándéz 2009, p.21)

La Radiación normal extraterrestre, es aquel que está sujeta a la variación geométrica y a las condiciones físicas del sol, y es gobernado por la ecuación siguiente:

Gon=Gsc(1+0.033 cos(360n/365)).

Donde:

Gon = es el flujo de la radiación extraterrestre;

n = número de día del año, este último se determina con la ayuda de la tabla 01.

Tabla 01; Ecuaciones para convertir el día del mes, en el número de día del año.

En. Feb. Mar. Abril Mayo Junio Juli Agost. Se t. Oct Nov. Dic.

i 31+i 59+i 90+i 120+i 151+i 181+i 212+i 243+i 273+i 304+i 334+i

Fuente: Fernández Salgado {2009 p. 21)

DECLINACIÓN SOLAR.- Según I+D en Energía solar y automática (2012), se determina utilizando la ecuación siguiente:

0°=0.006918-0.399912.cosr+0.070257.senr- 0.006758.cos2r+0.000907.sen2r-

0.002697.cos3r+0.00148.sen3r.(180°/rr)

Y el ángulo diario se determemina mediante: 1(dn -1) r=2:n· .. ··

365

Ell! POLAR

SOL

~--- --··--· ---

Fig.03; Declinación solar.

Fuente: 1+0 en Energfa solar y automática.

De manera simplificada podemos determinar la declinación y la distancia sol-tierra, por medio de:

o~) =23.45-_{- {} ^{360 )} 365-(thz+ 284)1

Donde: dn

=

=

POSICIÓN DEL SOL -COORDENADAS POLARES.- Para orientar hacia el sol los generadores fotovoltaicos, es necesario conocer los siguientes parámetros:

• Latitud del lugar (A.): Es la complementaria del ángulo formado por la recta que une el zenit y el nadir con el eje polar. Es positivo hacia el Norte y negativo hacia el Sur.

• Meridiano del lugar: Circulo máximo de la esfera terrestre que pasa por el lugar, por el zenit y por el nadir.

• Distancia zenital( Bzs): Es el ángulo formado por el radio vector punto- Tierra y la vertical del lugar. Es positivo a partir del zenit.

• Altura solar (y5 ): Ángulo que forman los rayos solares sobre la superficie horizontal. Ángulo complementario de la distancia zenital.

• Angulo acimutal ( ~): Ángulo formado por la proyección del Sol sobre el plano del horizonte con la dirección Sur. Positivo 0° a 180° hacia el Oeste y negativo hacia el Este 0° a -180°.

• Horizonte: Lugar geométrico de los puntos con altura O.

trayectoria aparente

del sol

ZENIT LOCAL

NADIR

Fig. 04; Posición del sol y coordenadas.

Fuente; I+D en Energra solar y automática

Cartas Solares.-Según Moro (2010, p 16), es una representación en dos dimensiones, en cuyo eje horizontal se representan los valores de aZimut y en el vertical se representa los valores de la elevación. Los ángulos de la posición solar se miden a diferentes horas del día y con ello se dibuja una curva, tal como se puede apreciar en la ftgura 04.

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Fig. 05; carta solar que muestra la trayectoria del sol y las horas del día.

La masa de aire.- Moro (2010, p 20), plantea que cuando radiación del sol atraviesa la atmósfera, sufre diversas alteraciones debidas al aire, el vapor de agua, las partículas en suspensión, la suciedad, etc. Las nubes reflejan la radiación; el ozono, oxígeno, vapor de agua, dióxido de carbono absorben algunas longitudes de onda. Por estos fenómenos es necesario considerar la proporción de masa de aire o factor de masa aire (AM).

AM = 1/sen y

Horas pico del sol (HPS).- Según Valdiviezo (2014), son las horas que se definen como el número de horas al dfa con una irradiancia hipotética de 1000 W/m²• Se puede notar que cuando la irradiancia se expresa en kW-h/m² es numéricamente similar a las H.S.P. Este concepto es importante, ya que junto con un factor de pérdidas ayuda a estimar la potencia producida por los paneles fotovoltaicos. La distribución de la radiación a lo largo del día y el concepto de horas pico de sol se muestran en la figura siguiente:

Pico del sol

Amanecer Mediodía Atardecer

Fig. 06; Representación de Horas sol pico.

Fuente: Valdiviezo (2014). Tesis PUCP.

2.2.3 SISTEMA SOLAR FOTOVOL T AICO.

Según Pareja (2010), un sistema fotovoltaico aislado o autónomo es denominado auto abastecedor, ya que aprovecha la irradiación solar para generar la energía eléctrica necesaria en el suministro de una instalación. La función básica de convertir la radiación solar en electricidad la realiza el módulo fotovoltaico. La corriente producida por el módulo fotovoltaico es continua a un voltaje que generalmente es de 12 V, dependiendo de la configuración del sistema puede ser de 24 V ó 48V.

Asimismo, Pareja, M. (201 0), establece que la energía eléctrica producida se almacena en baterías, para que pueda ser utilizada en cualquier momento, fundamentalmente cuando la radiación solar cesa.

Esta acumulación de energía debe estar dimensionada de forma que el sistema siga funcionado incluso en periodos largos de mal tiempo y cuando la radiación solar sea baja (por ejemplo, cuando sea un día nublado). De esta forma se asegura un suministro prácticamente continuo de energía.

El regulador o controlador de carga es el componente responsable de controlar el buen funcionamiento del sistema evitando la sobrecarga y descarga de la batería, proporcionando alarmas visuales en caso de

fallas del sistema. Así se segura el uso eficiente y se prolonga su vida útil. (Pareja, M. 201 0).

El sistema solar Fotovoltaico está constituido por; panel, controlador de carga, acumulador de energía, el inversor, conductores eléctricos, la estructura y otros elementos auxiliares. Además el sistema fotovoltaico independientemente de su utilización y del tamaño de potencia se puede dividir en dos categorías: Aislados y conectados a la red (Fernández 2009, p.1 08).

En el estudio se internalizó el sistema aislado debido a que se ha proveído electricidad a los usuarios con consumos de energía muy bajos para los cuales no compensa pagar el costo de la conexión a la red, por estar en posiciones poco accesibles, muy distantes a la red eléctrica.

Componentes de un Sistema Fotovoltaico Aislado.

Según Pareja, M. (201 O) un sistema fotovoltaico aislado está compuesto por los elementos básicos que se detallan en la figuras 07 y 08

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SElMCIOS

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Fig. 07; Componentes de un sistema fotovoltaico aislado.

Fuente: Yalli Piriz (2014)

MODULO FOTOVOL TAlCO

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Equipo

electrico _BATERIAS

Fig. 07; Esquema de un sistema fotovoltaico aislado.

Fuente: Muñoz Anticona. Tesis. UNI (2005).

Módulo fotovoltaico.- es un conjunto de células conectadas en serie o paralelo de tal forma que la tensión y corriente del panel sea ajustado al requerimiento deseado, los componentes adicionales que permiten su operatividad y protección son: la cubierta exterior de cara al sol(vidrio ).

Encapsulante (silicona o EVA etelin-venil-acetato), protección posterior, marco metálico, cableado y borne de conexión y el diodo de protección (grupo IDESA, 2009). Ver figuras 07 y 08.

EL PAIVEL SOLAR FOTOVOLT.AICO

SORNAS DE CONEXIÓN - l l l l l A -

-muDltDEJ.I'AMEJ.

INTERCONEXIÓN _ ___..

DE LAS ~LULAS

CÉWLA SOLAR---!-

Fig. 07; Estructura del panel fotovoltaico.

Fuente: Grupo IDESA

NEJaÓN

~DIODO DE PROTECCIÓN

Fig. 08; Elementos del panel fotovoltaico.

Fuente: Grupo IDESA

La eficiencia de conversión, según Femández Salgado(2009), es la relación entre la energía eléctrica generada y la energía luminosa utilizada osea;

11 (%)=(Energía generada/Energía incidente)x100 11=Pmáx./(GxAc) = FFx(VocXIsc)/(GxAc)

En la actualidad las células fotovoltaicas producidas en escala industrial tienen una eficiencia de conversión entre 11-16%.

Parámetros del panel fotovoltaico.-Los básicos a considerar son:

Potencia máxima o potencia pico del módulo (PmaxG).- Si se conecta una cierta carga al panel, el punto de trabajo vendrá determinado por la corriente 1 y la tensión V existentes en el circuito. Estos habrán de ser menores que los lscG y VocG que definiremos más adelante. La potencia P que el panel entrega a la carga está determinada por la ecuación genérica:

P=l-V

A su valor más alto se le llama potencia máxima o potencia pico del módulo. Los valores de la corriente y de la tensión correspondiente a este punto se conocen respectivamente como:

- IPmax Intensidad cuando la potencia es máxima o corriente en el punto de máxima potencia.

- VPmax la tensión cuando la potencia también es máxima o tensión en el punto de máxima potencia.

Otros parámetros son:

Corriente de cortocircuito (lscG), que se obtiene al cortocircuitar los terminales del panel (V=O) que al recibir la radiación solar, la intensidad que circularía por el panel es de corriente máxima.

Tensión de circuito abierto (VocG), que se obtiene de dejar los terminales del panel en circuito abierto (1=0), entre ellos aparece al recibir la radiación una tensión que será máxima.

lrradiancia (G): 1000W/m² (1 KW/m²⁾ Temperatura de la célula: 25°C

Otro parámetro que debería ser suministrado es la TONC {Temperatura de Operación Nominal de la Célula). Dicho parámetro se define como la temperatura que alcanzan las células solares cuando se somete al módulo a las siguientes condiciones de operación:

• lrradiancia: 1000W/m²

• Temperatura ambiente: 25°C.

• Incidencia normal.

• Espectro radiante o masa de aire: AM 1.5. (Pareja, M. 2010).

Factor de forma (FF).-Según Moro (2010, p 42), es el cociente entre la potencia máxima y el producto de la tensión de circuito abierto por la intensidad de cortocircuito.

FF = {VmppX lmpp) / (VocX lsc)

Este factor es siempre menor que la unidad y es un parámetro de la calidad de la célula, en consecuencia, para las células cristalinas, el factor de forma se halla entre O, 7 y 0,85.

Es necesario contemplar las bondades de los paneles fotovoltaicos, tal es así, Fernández Salgado (2009) presenta los tipos, sus características, ventajas, desventajas y los rendimientos de cada uno de ello, tal como se muestra en la tabla 02.

Tabla 02; Comparación de las tecnologías de silicio aplicadas

a

Tipo de Eficiencia (%)

Ventajas Desventajas celda

Laboratorio Producción

Silicio 19.1 12- 16 Tecnología bien Emplea mucho

Monocris desarrollada y material de alto

-talino probada, estable, costo, genera mayor

mayor eficiencia, se desperdicio y el fabrica en celdas costo de cuadradas manufactura es aun

elevado

Silicio 18 11 - 14 Tecnología bien Material costoso, Policrista desarrollada, estable, mayor desperdicio,

-lino buena eficiencia, manufactura costosa

celdas cuadradas. y menor eficiencia

que el

monocristalino Silicio 11.5 4-8 Utiliza poco material, Degradación

Amorfo o alto potencial y pronunciada, menor

película producción muy eficiencia y menor

delgada rápida, bajo costo, durabilidad.

50% de silicio cristalino

Fuente: Fernández Salgado (2009)

Inversor Fotovoltaico.- Según Ejido (2010), su finalidad es adaptar las características de la corriente generada a la demanda total o parcial para las aplicaciones. Esto quiere decir, que es un dispositivo encargado de transformar la corriente continua en alterna, puesta que los paneles trabajan en corriente continua, es necesaria la presencia de un inversor que transforme la corriente continua en alterna.

Según, Ejido (2010). Instituto Energía Solar- Madrid, la eficiencia del inversor varía en función de la potencia consumida por la carga. Esta variación es necesario conocerla, sobre todo si la carga en alterna es variable a fin de que el punto de trabajo del equipo se ajuste lo mejor posible a un valor promedio especificado.

Los aspectos importantes que debe considerarse en los inversores para instalaciones son:

Eficiencia alta, pues en caso contrario se habrá de aumentar innecesariamente el número de paneles para alimentar la carga. No todos los inversores existentes en el mercado que cumplen estas características. Sin embargo, es cada vez más sencillo equipos específicamente diseñados para cubrir plenamente estas aplicaciones.

En cualquier caso la definición del inversor a utilizar debe realizarse en función de las características de la carga, de esta última se podrá acudir a equipos más o menos complejos.

Se recomienda acudir a inversores diseñados específicamente para aplicaciones fotovoltaicas.

Características eléctricas que han de cumplir los inversores para instalaciones conectadas a red:

• Tensión de entrada Vdc

• Potencia del Inversor kW

• Tensión de Salida 0,85 -1,1Vac

• Factor de Potencia mayor de 0,95

• Frecuencia 49-51Hz

• Tasa de distorsión armónica (Tensión - Corriente)

• Trifásico mayor de SkW (recomendado).

PROCEDIMIENTO: Genemr una onda de i1'lt¡Msos rm:diante Interruptores a partir da la OC, y e:m:nar ^los arrnOliXos ~.

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' SINTETIZADOR • Fll TRO

PROPIEDADES Alta efidencía:

• Potenc.a dMt13ndad3 en un rango

ampliO

• Bajo consumo en vatiO

Alta habilidad:

• Reststcnc1a a las puntaS de arranque

• Prote.coon frentf> a cortocacwtos

• Segundad

Fig. 09; Convertidor OC a AC.

Fuente; Cortesía M.A Ejido(2010). Instituto Energía Solar. Madrid

Regulador de carga.- Es un dispositivo electrónico que cumple dos funciones esenciales en una instalación aislada; proteger la batería y tratar de obtener en cada momento la máxima potencia de los módulos fotovoltaicos. El regulador controla la carga de la batería e interrumpe la conexión con los paneles en caso de que éste esté completamente cargado e inverso cuando su carga desciende por debajo de un cierto umbral, corta la conexión con la red de consumo para evitar que una descarga demasiado profunda dañe el acumulador (Moro 2010, p.61).

Acumulador de energía eléctrica.- Denominado también batería que almacena una determinada cantidad relativamente pequeña de energía eléctrica, su fabricación es cara en comparación a la capacidad de almacenamiento, su ciclo de vida es ligeramente corto y su deposición después de su uso genera residuos contaminantes. En la configuración de una instalación se plantea qué características deberá tener el acumulador que se emplee; para determinar ello, es necesario conocer:

el consumo medio diario (Lo), la autonomía que deberá tener la instalación, es decir, cuántos días podrá funcionar en ausencia total de generación eléctrica (Fse), finalmente es necesario conocer la profundidad máxima de descarga (PDmax) a la que se someterá la batería (Moro 2010, p.61).

La ecuación que nos ayudará dimensionar la batería es:

Cs =(Lo X Fss)/PDmax

Elementos eléctricos auxiliares.- Entre ellos podemos mencionar los conectores para unir los paneles en serie o en paralelo y el cableado necesario para conducir la corriente eléctrica hasta el regulador y los acumuladores y por principio termodinámico se genera pérdidas de tensión que depende de la resistencia del cable y de la intensidad que circula por él, y se puede calcular por la Ley de Ohm: ~V = Re x 1 y Re

=p. LIS

Los conductores tendrán la sección adecuada para reduCir las caídas de tensión y los calentamientos. Para calcular la sección se debe tener en cuenta: que las caídas de tensión en el cableado no deben ser superiores al 1 ,5% y la temperatura no debe exceder a los 70 °C.

2.2.4 DIMENSIONAMIENTO DE LOS SISTEMAS SOLARES FOTOVOL TAlCOS.

Orbegozo (201 O) plantea que el dimensionamiento del sistema FV consiste en determinar su capacidad para satisfacer la demanda de energía de los usuarios. En zonas rurales y aisladas, donde no existen sistemas auxiliares, el sistema FV debe poseer una alta confiabilidad.

Debido a que un sistema es un conjunto de componentes, cada uno de ellos debe ser tan confiable, que no ponga en peligro al sistema. El método de dimensionamiento se fundamenta en el balance de energía:

Energía generada

=

FV

Una vez que el sistema sea diseñado y determinado su tamaño, el usuario debe ser instruido en cómo operar y dar mantenimiento a su sistema, para esto debe dársele un entrenamiento rápido, pero sencillo, y completo junto con un manual y diagramas fáciles de comprender (Orbegozo 201 ó).

Para el dimensionamiento es necesario tener en consideración el siguiente diagrama:

Especificación de la tensión de operación del sistema 1

Definición de Determinación de Dimensionamient

la demanda o "-., la energía solar ~ o del módulo cara a ...- disponible en la / foto voltaico

zona

~

~

de la batería. nto del

;;

" controlador. ^V auxiliares Fig. 1 O Procedimiento para el dimensionamiento del sistema fotovoltaico.

Fuente; Elaboración propia

2.2.3 Energía eléctrica

Según Quintela y Redondo (2014), la energía eléctrica es trabajo que realiza un campo eléctrico conservativo sobre una carga eléctrica.

Energía que se intercambia entre cuerpos por medio de corrientes eléctricas.

Por ejemplo, la energía mecánica de un grupo turbina-alternador puede comunicarse a un motor por medio de las corrientes eléctricas de una línea eléctrica. Las corrientes eléctricas para el intercambio circulan por líneas eléctricas, aunque también puede intercambiarse energía por medio de corrientes de iones de gases, de disoluciones y de los

portadores de los semiconductores. Nótese que, en cualquier caso, la energía eléctrica es una energía que pasa de un cuerpo a otro. Un alternador recibe energía mecánica y entrega a la línea energía eléctrica, que puede ser recibida por un motor, que la vuelve a transformar en mecánica. Esa energía se llama eléctrica solo en el intercambio. No tiene, por tanto, mucho sentido decir que la energía eléctrica no se puede almacenar. La energía sí se puede almacenar; lo que ocurre es que, entonces, deja de llamarse eléctrica: es química si se almacena en una batería, es potencial si se almacena elevando agua con bombas, o es energía interna si se calienta agua. Si es p la potencia eléctrica que absorbe un multi polo, -p es la potencia que cede. La energía eléctrica que absorbe en el intervalo de tiempo entre t1 a t2 es

J:

W=

l¡

Su opuesto es la energía que cede. Debe evitarse llamar electricidad a la energía eléctrica. No debe decirse que un generador produce electricidad ni que se entrega, se transporta o se vende electricidad, sino energía eléctrica.

2.3 DEFINICIONES CONCEPTUALES Y OPERACIONALES

2.3.1 Definiciones conceptuales

El presente trabajo de investigación se compone de una variable dependiente que es Energía eléctrica y la variable independiente Sistema solar fotovoltaico.

VI: Sistema solar fotovoltaico.

Es un conjunto de componentes que interactúan entre sí con fines de captar los fotones de la radiación solar y transformar en energía eléctrica de corriente continua, el mismo que es utilizado por los usuarios de diversas formas. Las dimensiones son: Posición acimutal del módulo o panel fotovoltaico, posición de elevación del panel y ubicación del regulador o controlador de carga; de manera complementaria se consideró como dimensión a: acumulador de energía, conductores eléctricos y la estructura soporte.

VD: Energía eléctrica

Es el producto del movimiento de la carga eléctrica (electrones) a través de un conductor por la diferencia de potencial que el generador fotovoltaico ofrece en sus extremos. Su dimensión es: Intensidad de corriente eléctrica, diferencia de potencial y potencia.

2.3.2 Definiciones operacionales

Cada variable posee dimensiones, los mismos que se definen a continuación:

VI: Sistema solar fotovoltaico

Variable que expresa el posicionamiento del generador fotovoltaico en cuanto al acimut y la elevación, además la altura que se ubicó el controlador de carga respecto al panel.

Adicionalmente se define los componentes del sistema que son partícipes en el proceso de generación de energía eléctrica, teniendo en cuenta la forma de control y medición que se hace en cada uno de ellos.

El generador fotovoltaico es el que capta los fotones de la radiación solar y los convierte en energía eléctrica de corriente continua. La optimización se realizó por medio de los ángulos de elevación y azimut.

Regulador de carga.- Es el encargado de controlar la carga de la batería y de extraer la máxima potencia del generador fotovoltaico, el control se hace midiendo la intensidad de corriente eléctrica y el voltaje mediante la pinza amperimétrica.

Acumulador de energía.- Denominado también batería, es un dispositivo cuya función es almacenar energía en momentos de radiación solar para luego abastecer energía en momentos de carencia del brillo solar; se mide en Amperios-hora (Ah), y se controla usando el multímetro o la pinza amperimétrica.

Conductores eléctricos.- Es el componente que transporta los electrones a los diferentes acometidas o puntos de uso, se controla a través del diámetro y longitud.

Estructura soporte.- Es el dispositivo que soporta al panel solar en la posición requerida, es ahí donde se controla el ángulo de elevación y el acimut.

El inversor transforma la corriente continua en alterna. La verificación se realizará con el multímetro.

VD: Energía eléctrica

Intensidad de corriente eléctrica.- Es la cantidad de electrones que fluye por un conductor eléctrico en un determinado momento, se mide en amperios utilizando la pinza amperimétrica.

Diferencia de potencial.- Es la presión que ejerce el generador fotovoltaico hacia los electrones o cargas eléctricas para que éstas fluyan hacia lo requerido, se mide con el voltímetro o la pinza.

Potencia.- Es el producto de la diferencia de potencial y la intensidad de corriente eléctrica, se puede medir con el Watímetro o se puede estimar con la relación. P=V.I. en Watts.

2.4 SISTEMA DE HIPÓTESIS

2.4.1 Hipótesis General

La optimización del sistema solar fotovoltaico se ejecuta manipulando las variables correspondientes a los ángulos de elevación y acimut del panel solar en interacción con la estructura, y la posición del controlador de carga respecto al panel solar, teniendo en consideración la evaluación de la radiación solar y el dimensionamiento de los

componentes del sistema, todo ello bajo el enfoque del diseño factorial;

con fines de generar energía eléctrica en viviendas aisladas alto andinas de los distritos de San José de Quero y Yanacancha.

Capítulo 3:

ASPECTOS METODOLÓGICOS

3.1 TIPO Y NIVEL DE INVESTIGACION

3.1.1 TIPO DE INVESTIGACION

El tipo de investigación implementado en este estudio fue el tecnológico;

debido a que se tuvo como fin obtener un conocimiento para lograr modificar la realidad en estudio, vinculando la investigación y la transformación, que trata de ir de la idea a las acciones para generar bienes o servicios en bien de la sociedad.

Tal es así, Espinoza Montes (2010, p.74), refrenda el planteamiento anterior, estableciendo que la investigación tecnológica tiene como propósito aplicar el conocimiento científico para solucionar los diferentes problemas que beneficien a la sociedad, sus niveles son experimental y aplicada.