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i
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA SAN FRANCISCO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA
TRABAJO DE INVESTIGACIÓN
‘‘DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO COMO SOLUCIÓN DE
ABASTECIMIENTO ELÉCTRICO A LA ESCUELA 40123 SAN JUAN
BAUTISTA DEL DISTRITO DE CHARACATO PROVINCIA Y
DEPARTAMENTO DE AREQUIPA”
Presentado por el egresado:
LUIS VIDAL YUCRA CONDORI
Para optar el grado académico de Bachiller de:
INGENIERO MECÁNICO Asesor: Dra. Naldi Mirian Ortiz Vilca
AREQUIPA – PERÚ
2021
ii
DEDICATORIA
A mi esposa e hijos por ser mi fuente de
energía para seguir adelante y luchar
día a día ante cualquier adversidad, y a
mis padres por ser la guía y el pilar
fundamental en mi educación y
formación como persona y estudiante
me siento muy alegre de tenerlos en mi
vida.
Luis Vidal Yucra Condori.
iii
AGRADECIMIENTO
A dios padre quien me guio por el buen
camino y me pone adecuadas en mi vida
enseñándome a mantener la fe y
esperanza en él, dándome fuerzas para
seguir adelante y no rendirme en los
problemas que se presentan a lo largo
de mi vida.
A los todos mis docentes que fueron
partícipes de mi formación académica,
brindándome siempre sus consejos y
guiándome con su experiencia obtenida
Y por último agradecer toda la lucha y el
apoyo incondicional de mi familia.
Luis Vidal Yucra Condori.
iv
EPIGRAFE
“El primer paso es
establecer que algo es
posible, entonces es
probable que ocurra”
Elon Musk.
v
ÍNDICE
DEDICATORIA ................................................................................................ ii
AGRADECIMIENTO ...................................................................................... iii
EPIGRAFE ..................................................................................................... iv
RESUMEN ..................................................................................................... vi
ABSTRACT ................................................................................................... vii
INTRODUCCIÓN ......................................................................................... viii
CAPITULO I. PLANTEAMIENTO TEORICO .................................................. 9
1. PROBLEMA ......................................................................................... 9
1.1. Identificación del problema ............................................................ 9
2. JUSTIFICACION ................................................................................ 11
3. ALCANCE .......................................................................................... 12
4. OPERACIONALIZACION DE VARIABLES ........................................ 12
5. INTERROGANTES ............................................................................ 13
Interrogante general .............................................................................. 13
Interrogantes específicos....................................................................... 13
6. MARCO REFERENCIAL .................................................................... 13
7. OBJETIVOS ....................................................................................... 37
CAPITULO II RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN ............................... 38
1. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN ........................................ 38
2. TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS .... 38
3. CAMPO DE VERIFICACIÓN .............................................................. 39
4. ESTRATEGIAS DE RECOLECCIÓN DE DATOS .............................. 40
CAPITULO III DISEÑO ................................................................................ 42
4.1. Generalidades ............................................................................. 42
CONCLUSIONES ........................................................................................ 52
RECOMENDACIONES ................................................................................ 53
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ............................................................. 54
vi
RESUMEN
En el presente trabajo de investigación Diseño de un sistema fotovoltaico
como solución de abastecimiento eléctrico a la I.E 40123 San Juan Bautista
del distrito de CHARACATO provincia y departamento de Arequipa. Con la
finalidad de promover el uso de las energías no convencionales (energía
solar), disminuir el impacto ambiental negativo producido por las energías
convencionales, asimismo disminuir la emisión de gases de efecto
invernadero como el CO2. El tipo de investigación fue aplicada, luego de
realizar los cálculos se obtuvo lo siguiente: La energía eléctrica promedio
diaria necesaria para la institución educativa es de: 145057,50 Wh, y la
máxima demanda tiene un valor de: 27630 W. Se determinó la radiación solar
considerando 02 fuentes de radiación solar: Del software Meteonorm 7.2
(extraído del Programa PVsyst 6.8.1-versión demo), se obtuvo un valor de
4,80 kwh/m2/día. Del software Nastec Solar Calculator se obtuvo un valor de
4,65 kwh/m2/día.
Se consideró el menor de los dos datos es decir 4,65 kwh/m2/día. El sistema
fotovoltaico estará conformado por 36 paneles fotovoltaicos de la marca Jinko
Solar de 320 Wp de potencia pico cada uno poli cristal, 01 inversor de la marca
FRONIUS SYMO 10.03. Finalmente se elaboró el presupuesto del sistema
fotovoltaico requiriendo una inversión total de S/ 61.500.00.
De otro lado, se establecido un tipo de investigación tecnológico, aplicado al
campo de acción.
Palabra claves: Energía eléctrica, energía convencional, energía eléctrica,
voltios
vii
ABSTRACT
In the present research work Design of a photovoltaic system as an electrical
supply solution to the I.E 40123 San Juan Bautista of the district of
CHARACATO province and department of Arequipa. In order to promote the
use of unconventional energy (solar energy), reduce the negative
environmental impact produced by conventional energy, and also reduce the
emission of greenhouse gases such as CO2. The type of research was
applied, after performing the calculations the following was obtained: The
average daily electrical energy necessary for the educational institution is: 145
057.50 Wh, and the maximum demand has a value of: 27 630 W. The solar
radiation considering 02 sources of solar radiation: From the Meteonorm 7.2
software (extracted from the PVsyst 6.8.1-demo version), a value of 4.80 kwh
/ m2 / day was obtained. From the Nastec Solar Calculator software a value of
4.65 kwh / m2 / day was obtained.
The smaller of the two data was considered, that is, 4.65 kwh / m2 / day. The
photovoltaic system will consist of 36 photovoltaic panels of the Jinko Solar
brand of 320 Wp peak power each one poly crystal, 01 inverter of the
FRONIUS SYMO 10.03 brand. Finally, the budget for the photovoltaic system
was prepared, requiring a total investment of S / 61,500.00.
On the other hand, a type of technological research was established, applied
to the field of action.
Keyword: Electrical energy, conventional energy, electrical energy, volts
viii
INTRODUCCIÓN
La energía solar fotovoltaica transforma de manera directa la luz solar en
electricidad empleando una tecnología basada en el efecto fotovoltaico.
Al incidir la radiación del sol sobre una de las caras de una célula fotoeléctrica
(que conforman los paneles) se produce una diferencia de potencial eléctrico
entre ambas caras que hace que los electrones salten de un lugar a otro,
generando así corriente eléctrica.
Existen tres tipos de paneles solares:
Fotovoltaicos, generadores de energía para las necesidades de nuestros
hogares.
Térmicos, que se instalan en casas con recepción directa de sol.
Termodinámicos, que funcionan a pesar de la variación meteorológica, es
decir, aunque sea de noche, llueva o esté nublado.
En las etapas iniciales de la tecnología fotovoltaica, este tipo de energía se
empleó para proveer de electricidad a los satélites. Fue en la década de los
50, apunta la APPA, cuando los paneles fotovoltaicos aceleraron su desarrollo
hasta convertirse, en la actualidad, en una alternativa al empleo de
combustibles fósiles.
En el caso de Arequipa, siendo uno de las zonas con mayor recepción de la
energía solar, donde especialistas del mundo han recomendado que, con
paneles solares, podrá tener la suficiente energía para el desarrollo de las
actividades de todo tipo.
En este caso se pretende llevar a cabo un diseño adecuado que abastezca la
energía para las diferentes actividades socioeconómicas y culturales, puesto
que la mayoría de ellas depende de esta energía.
9
CAPITULO I. PLANTEAMIENTO TEORICO
1. PROBLEMA
1.1. Identificación del problema
En Arequipa, el sol es una de las fuentes actualmente en
aprovechamiento para la generación de energía eléctrica, pero debajo
de su superficie territorial se halla una fuerza dinámica e inacabable
que aún no ha sido debidamente transformada: la geotermia. Este es
el insumo exclusivo para una apuesta que promete ser la mayor de su
clase a nivel mundial: Achumani.
Su impulsor, Energy Development Corporation (EDC), tiene
experiencia en este tipo de infraestructuras de generación. Un certero
ejemplo es Leyte, emplazada en Filipinas y considerada la central
geotérmica más grande del mundo, a razón de sus 700 MW de potencia
instalada. Pero todo esto no es nada frente a lo que puede aportar
Achumani en el futuro.
“(Leyte) tiene una potencia de más 700 MW y el reservorio geotérmico
que lo alimenta es de 29 km2. El reservorio geotérmico de Achumani
es el doble, con ello podemos afirmar con gran seguridad que
Achumani tiene el potencial de convertirse en una central geotérmica
de clase mundial, no vista al día de hoy en el mundo”, concedió Franklin
Acevedo al medio local El Pueblo.
Sin embargo, y como sucede con muchos proyectos, Achumani, hasta
ahora no tiene una fecha definida para su desarrollo simplemente por
cuestiones de Estado. El representante de EDC atribuyó esta situación
a la falta de una nueva subasta de energías renovables en la que se
convoque la participación de la geotermia para asegurarle un contrato
de suministro eléctrico.
10
“Así como está, la matriz eléctrica peruana no da para más. No
podemos seguir dependiendo solamente de las hidroeléctricas y el gas
natural. ¡Un año de sequía o la rotura del tubo de Camisea dejaría a
medio país sin luz! (…) Necesitamos diversificar la matriz eléctrica para
hacerla más robusta, y creemos firmemente que la geotermia es la
mejor opción”.
En el caso de la institución educativa 40123 san juan bautista del
pueblo tradicional de CHARACATO tanto la plana docente como la
estudiantil son afectados por las deficiencias respecto al fluido eléctrico.
Esta problemática se evidencia por que el fluido eléctrico no es
suficiente para los diversos talleres del plantel, tienen limitaciones de
tal modo que los alumnos no realizan sus actividades académicas
como se espera, llegando así a una enseñanza intermedia.
Se observa que en el pueblo tradicional de CHARACATO se encuentra
situado la IE San Juan Bautista la cual no cuenta con una buena tensión
de corriente debido a muchos factores una de ellas es la lejanía en que
se encuentra el plantel.
El sistema solar fotovoltaico deberá abastecer el fluido eléctrico a
algunos ambientes como por ejemplo talleres de trabajo, sala de
cómputo, oficinas administrativas.
11
Enunciado del problema ‘‘DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO COMO SOLUCIÓN DE ABASTECIMIENTO ELÉCTRICO A LA ESCUELA 40123 SAN JUAN
BAUTISTA DEL DISTRITO DE CHARACATO PROVINCIA Y DEPARTAMENTO DE AREQUIPA”
2. JUSTIFICACION
Los sistemas fotovoltaicos son instalaciones que han madurado técnica y
tecnológicamente, como las computadoras o los teléfonos celulares.
Permite almacenar energía y usarla de noche o cuando el sol se haya
ocultado. No genera gases tóxicos o emisiones, evitando la contaminación
del aire. Los paneles solares son resistentes y no necesitan mucho
mantenimiento. La inversión de los paneles solares se recupera en un
corto tiempo, a diferencia de las fuentes convencionales.
2.1. Aspecto social
El siguiente proyecto de abastecimiento eléctrico a las instituciones
educativas rurales dispersas de la provincia de Arequipa utilizando
sistemas fotovoltaicos se enfoca en general en energías limpias, es
decir es una forma de conservar el medio ambiente, ya que se
transforma la energía emanada por el sol en energía eléctrica,
aportando poco a poco a aprovechar energías alternativas para así
dejar a un lado la transformación de energías convencionales que
afectan gravemente a la naturaleza, de esta manera aportamos
directamente a la sociedad con la conservación de la naturaleza y
aportamos un gran apoyo a las escuelas rurales que no cuentan con
electricidad.
2.2. Aspecto tecnológico
Al incorporar el sistema fotovoltaico solar y abastecer energía
eléctrica, la institución educativa 40123 del pueblo tradicional de
12
CHARACATO San Juan Bautista estará energizada en su totalidad
contando con una muy buena tensión y de esa manera los talleres y
laboratorios estarán aptos para las enseñanzas académicas del
alumnado.
2.3. Aspecto económico
El ahorro de energía eléctrica es un elemento fundamental para el
aprovechamiento de los recursos energéticos; ahorrar equivale a
disminuir el consumo de combustibles en la generación de electricidad
evitando también la emisión de gases contaminantes hacia la
atmósfera. Disminuir el gasto de energía comporta muchos beneficios,
ahorra dinero y protege el medio ambiente.
3. ALCANCE
La investigación comprende en el diseño de un sistema solar fotovoltaico
en la IE 40123 San Juan Bautista del pueblo tradicional de CHARACATO
situado en la región y provincia de Arequipa utilizando el aprovechamiento
de nuestra energía renovable como es el sol. Este estudio inicia con la
información exacta de la cantidad de alumnos, el número de aulas, oficinas
administrativas y el consumo total de energía eléctrica que la institución
utiliza para las enseñanzas académicas, luego de eso se hará el diseño
adecuado para el plantel respetando la información obtenida o adquirida
en un inicio.
4. OPERACIONALIZACION DE VARIABLES
variables indicadores sub indicadores (V.I)
energía fotovoltaica solar
Diseño Eficiencia Requisitos/criterio
Equipos costos selección
(V.D) solución de abastecimiento eléctrico
salón de computo Aulas, talleres. etc.
instalación compatibilidad con los circuitos eléctricos
oficinas administrativas ubicación utilidad
13
5. INTERROGANTES
Interrogante general
¿Un sistema solar fotovoltaico será capaz de ser el abastecimiento de
corriente o energía eléctrica a la institución educativa 40123 del pueblo
tradicional de CHARACATO san juan bautista?
Interrogantes específicos
¿Cuantos paneles solares fotovoltaicos se requiere para abastecer de
energía eléctrica?
¿Cuál es la carga q se tiene por aula en la institución educativa san Juan
Bautista?
¿Cuántos días de autonomía tendrá este sistema solar fotovoltaico?
6. MARCO REFERENCIAL
Marco institucional La institución educativa N°40123 “San Juan Bautista “, está ubicado en el
centro poblado de CHARACATO, la calle santa rosa sin número.
Tiene doce aulas distribuidas en dos locales: en la parte de arriba el local
“A”, se tiene cuatro aulas, la dirección y el aula de innovación.
En el local “B”, se tiene ocho aulas, el almacén y cuarto del cuidante, es
una institución educativa estatal, que está regido por la UGEL sur, de la
provincia y región Arequipa.
La normativa aplicada a la electrificación nacional es la siguiente:
D. L. 25844, ley de concesiones eléctricas.
D. S. Nº 009-93-em, reglamento de la ley de concesiones eléctricas.
Ley 28546, ley de promoción y utilización de recursos energéticos
renovables no convencionales en zonas rurales aisladas y de frontera del
país (2005).
14
Ley N° 28749, ley general de electrificación rural (2006).
D. S. Nº 025-2007-em, reglamento de la ley general de electrificación rural.
Ley Nº 27510, que crea el fondo de la compensación social eléctrica (fose).
Ley Nº 28307, que modifica y amplía los factores de reducción tarifaria de
la Ley Nº 27510, fose.
D. S. N° 025-2003, reglamento de organización y funciones del ministerio
energía y minas.
Guía de presentación de proyectos de electrificación rural – foner (2 006
Norma DGE: “conexiones eléctricas en baja tensión en zonas de
concesión de distribución”.
Dirección de fondos concursales: criterios de presentación y evaluación de
proyectos de electrificación rural con fuentes de energía renovable (2 008).
Guías y procedimientos para obtener autorizaciones, concesiones
definitivas y concesiones temporales.
D. L. 1001, D. L. que regula la inversión en sistemas eléctricos rurales
(ser) ubicados en zonas de concesión de empresas de distribución
eléctrica (2008).
Marco teórico La energía solar fotovoltaica en el Perú Escobedo, r. (2018, p.22-25). Implementación de un sistema fotovoltaico
para un laboratorio de cómputo en el colegio nacional “coloso y
emblemático Jaén de braca moros-Jaén-Cajamarca”.
Según Escobedo nos dice que la energía solar es una de las opciones que
se están desarrollando como alternativas a las energías provenientes de
la quema de combustibles fósiles. A diferencia de los países nórdicos.
15
La energía solar fotovoltaica consiste en la transformación directa de la
radiación solar en energía eléctrica. Esta transformación en energía
eléctrica se consigue aprovechando las propiedades de los materiales
semiconductores mediante las células fotovoltaicas. El material base para
su fabricación suele ser de silicio, cuando la luz del sol (fotones) incide en
una de las caras de la célula genera una corriente eléctrica que se suele
utilizar como fuente de energía, y aprovechando que el territorio peruano,
por estar mucho más próximo al ecuador, cuenta con sol durante la mayor
parte del año. Según el atlas solar del Perú elaborado por el ministerio de
energía y minas, el Perú tiene una elevada radiación solar anual siendo en
la sierra de aproximadamente 5.5 a 6.5kwh/m²; 5.0 a 6.0 kw/m² en la costa
y en la selva de aproximadamente 4.5 a 5.0 kwh/m². En los departamentos
de Arequipa y puno existe cerca de 30 empresas dedicadas a la fabricación
y mantenimiento de estos aparatos. no obstante, aún es amplio el camino
a recorrer para masificar el uso de paneles solares tanto para áreas
urbanas como rurales destinados al uso térmico el cual implicaría menor
consumo de la red eléctrica en los hogares, Instituciones, etc.
Sistema fotovoltaico Se define como sistema fotovoltaico al conjunto de dispositivos mecánicos,
eléctrico, y electrónico que aprovechan la energía del sol para
transformarla en utilizable como energía eléctrica. La generación de
energía eléctrica dependerá de las horas que el sol brille sobre el panel
solar, del tipo y cantidad de módulos instalados, orientación e inclinación,
así como también de la potencia nominal.
Según el tipo de instalación se pueden distinguir entre sistemas
fotovoltaicos autónomos (aisladas a le red), y sistemas fotovoltaicos
conectados a la red.
16
Sistema fotovoltaico autónomo Un sistema fotovoltaico autónomo o aislado (SFA) produce energía
eléctrica para satisfacer el consumo de cargas eléctricas no conectadas a
la red, empleando un sistema de acumulación energético para hacer frente
a los periodos en los que la generación es inferior al consumo.
Figura N° 1: Esquema de un Sistema Fotovoltaico Autónomo
Fuente: URL:http://www.cenitsolar.com
Aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos autónomos Existen una variedad de aplicaciones entre ellas tenemos:
Telecomunicaciones, iluminación, electrificación rural, relevación de
desastres bombeo de agua.
Radiación solar La radiación solar es un fenómeno físico debido emanación o emisión de
energía que proviene del sol en forma de radiaciones electromagnéticas,
estas radiaciones pueden ser cuantificadas y se expresan en unidades de
irradiancia, una unidad que refleja su potencia por unidad de superficie.
Una característica particular de la radiación es que se trata de una forma
o faceta de energía que puede ser transmitida en el vacío, lo cual hace que
sea muy eficiente al atravesar el espacio.
17
La cantidad de radiación solar que llega a nuestro planeta depende de los
factores como son la distancia entre la tierra y el sol, la dirección o el ángulo
en que estas radiaciones entran a la atmosfera y los movimientos que
normalmente tiene la tierra de rotación y traslación. Estas radiaciones
electromagnéticas son ondas que se originan por la aceleración de las
cargas eléctricas, una vez que llegan a la tierra se estima que solo la mitad
logra alcanzar la superficie terrestre, bien sea de forma directa o al ser
dispersada por la atmosfera, el resto de las radiaciones son absorbidas o
dispersadas por elementos terrestres o bien se pierden en el espacio. Uno
de los componentes atmosféricos relacionados con la absorción de las
radiaciones, especialmente en el aspecto ultravioleta, es el ozono.
La magnitud que mide la radiación solar que llega a la tierra es la
irradiancia, que mide la potencia que por unidad de superficie alcanza a la
tierra. Su unidad es el w/m².
Tipos de radiaciones a) Radiación directa
Es aquella que llega directamente del sol sin haber sufrido cambio
alguno en su dirección. Este tipo de radiación se caracteriza por
proyectar una sombra definida de los objetos opacos que la interceptan.
Es el tipo de radiación predominante en un día soleado.
b) Radiación difusa Parte de la radiación que atraviesa la atmosfera es reflejad por las
nubes o absorbida por estas. Esta radiación que se denomina difusa,
va en todas direcciones, como consecuencia de las reflexiones y
absorciones, no solo de las nubes, sino de las partículas de polvo,
montañas, arboles, edificios, el propio suelo, etc. este tipo de radiación
se caracteriza por no producir sombra alguna respecto a los objetos
opacos interpuestos.
18
Las superficies horizontales son las que más radiación difusa reciben,
ya que ven toda la bóveda celeste, mientras que las verticales reciben
menos porque solo ven la mitad. Es el tipo de radiación predominante
en un día nublado.
c) Radiación reflejada La radiación reflejada es, como su nombre indica, es aquella reflejada
por la superficie terrestre. La cantidad de radiación depende del
coeficiente de reflexión de la superficie, también llamado albedo. Las
superficies horizontales no reciben ninguna radiación reflejada, porque
no ven ninguna superficie terrestre y las superficies verticales son las
que más radiación reflejada reciben.
6.1. Horas pico solar
Es el número de horas en que dispondremos de una hipotética
irradiancia solar constante de 1000w/m, es decir, es un modo de
contabilizar la energía recibida del sol agrupándolo en paquetes, siendo
cada paquete de 1 hora recibiendo 1000w/m². Para calcularla se debe
dividir el valor de irradiación incidente entre el valor de la potencia de
irradiación en condiciones estándares de medida (1000 w/m²). Es decir,
si se dispone de los datos de irradiación solar de un determinado día y
se divide entre 1000, se obtiene las HPS (horas pico solar).
6.2. Energía solar fotovoltaica
La energía solar fotovoltaica consiste en la transformación directa de la
radiación solar en energía eléctrica. Esta transformación en energía
eléctrica se consigue aprovechando las propiedades de los materiales
semiconductores mediante las células fotovoltaicas. El material base
para su fabricación suele ser de silicio, cuando la luz del sol (fotones)
incide en una de las caras de la célula genera una corriente eléctrica
que se suele utilizar como fuente de energía.
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Figura N° 2: Energía solar fotovoltaica
Célula fotovoltaica El tipo de célula fotovoltaica -también denominada célula fotoeléctrica
o célula solar- más común es la célula de silicio cristalino. El silicio es
un material semiconductor. Sus propiedades de conductividad eléctrica
están situadas a medio camino entre los materiales conductores y los
aislantes.
Los átomos están formados, como sabemos, por un núcleo -constituido
por protones y neutrones- y una serie de electrones situados en órbitas
u orbitales a su alrededor. Los átomos de los diferentes elementos que
existen en el universo se diferencian únicamente en el número de sus
partículas constitutivas. el número de electrones y la forma como estos
se estructuran determina ciertas propiedades básicas del átomo; en
particular, la configuración del último orbital -llamado orbital de
valencia- explica cómo se comportan los átomos y cómo estos se
combinan con otros para formar estructuras más o menos complejas.
La configuración más estable del átomo es aquella en la que la capa u
orbital de valencia posee ocho electrones. Es esta la configuración que
caracteriza a los gases nobles (el neón, argón, xenón, entre otros), así
llamados porque no se combinan con otros átomos. El resto de los
átomos se combinan entre sí, compartiendo o cediéndose electrones,
para aproximarse a dicha configuración. Hay dos tipos de células
fotovoltaicas.
20
Celdas fotovoltaicas de silicio cristalino Estas celdas tienen un coste económico elevado con respecto a otro
tipo de celdas fotovoltaicas y por ello su uso suele ser menos habitual.
Su rendimiento es mayor y por lo tanto aumenta su relación wp/m2.
Celdas fotovoltaicas de silicio multicristalino El rendimiento de estas celdas es bueno, aunque ligeramente más bajo
que el de las celdas de silicio cristalino, sobre todo en condiciones de
iluminación baja.
No obstante, este tipo de celdas son más económicas que las
anteriores y su eficiencia de conversión siguen siendo buena, gracias
a los múltiples avances que ha sufrido este tipo de célula en los últimos
5 años.
Efecto fotovoltaico
Transformación parcial de la energía luminosa en energía eléctrica. La
primera célula solar fue fabricada por charles FRITTS en 1884. Estaba
formada por selenio recubierto de una fina capa de oro
Este efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un
material cuando se lo ilumina con radiación electromagnética (luz
visible o ultravioleta, en general).
A veces se incluye en el término efecto fotoeléctrico otros dos tipos de
interacción entre la luz y la materia.
Fotoconductividad. Es el aumento de la conductividad eléctrica de la materia o en diodos
provocada por la luz. Descubierta por WILLOUGHBY SMITH en el
selenio hacia la mitad del siglo 19.
Aplicaciones de la energía solar fotovoltaica Los principales usos de la energía solar fotovoltaica son los siguientes:
Generar electricidad para venderla a la red eléctrica.
21
- Sistemas autónomos de iluminación.
- Señalización mediante energía fotovoltaica, por ejemplo, en faros.
- Electrificación rural, pueblos alejados de las principales redes
eléctricas.
- Sistemas fotovoltaicos relacionados con las telecomunicaciones,
repetidores, etc.
- Explotaciones agrícolas y ganaderas
Como vemos, las aplicaciones de la energía solar fotovoltaica son
muchas y muy variadas. En este campo, se incluyen desde grandes
plantas de generación de electricidad mediante paneles fotovoltaicos,
hasta las pequeñas calculadoras solares.
Una primera forma de clasificar las aplicaciones de la energía solar
fotovoltaica es distinguir las aplicaciones conectadas a la red eléctrica
y las instalaciones aisladas.
El uso de paneles fotovoltaicos en edificios aislados es muy útil ya que
la inversión necesaria para colocar unas placas solares en la cubierta
de una granja, un chalet en la montaña o en un hotel en un paraje
apartado, es mucho menor que la que costaría llevar allí la red eléctrica.
En este caso, cuenta con la ventaja de ser una energía renovable y, por
lo tanto, no requiere de suministro de combustible.
Beneficios de la energía fotovoltaica La energía eléctrica generada mediante paneles solares fotovoltaicos
es inagotable y no contamina, por lo que contribuye al desarrollo
sostenible, además de favorecer el desarrollo del empleo local.
Asimismo, puede aprovecharse de dos formas diferentes: puede
venderse a la red eléctrica o puede ser consumida en lugares aislados
donde no existe una red eléctrica convencional. Por ello, es un sistema
22
particularmente adecuado para zonas rurales o aisladas donde el
tendido eléctrico no llega o es dificultosa o costosa, su instalación es
para zonas geográficas cuya climatología permite muchas horas de sol
al año.
El coste de instalación y mantenimiento de los paneles solares, cuya
vida útil media es mayor a los 30 años, ha disminuido ostensiblemente
en los últimos años, a medida que se desarrolla la tecnología
fotovoltaica. Requiere de una inversión inicial y de pequeños gastos de
operación, pero, una vez instalado el sistema fotovoltaico, el
combustible es gratuito y de por vida.
La energía solar fotovoltaica es una tecnología que presenta
numerosos beneficios ya que genera electricidad de forma limpia y
adaptada a las necesidades actuales. Aquí recordaremos algunos
beneficios de la energía solar fotovoltaica.
No emite co2: permite generar energía sin contaminar el aire y
contribuye a frenar el cambio climático. Por ejemplo, si la electricidad
que consumen 10 hogares se generara con solar fotovoltaica se
ahorraría la emisión a la atmósfera del co2 equivalente a 58.000 km de
coche al año.
Es barata: la evolución de la tecnología y el crecimiento de la demanda
ha permitido que en los últimos cuatro años se haya reducido el precio
de los módulos por siete. Esto permite un mayor desarrollo de la
fotovoltaica y la posibilidad de que la ciudadanía tenga mayor acceso a
esta tecnología.
Es modular: la solar fotovoltaica es una tecnología ideal para su
instalación sobre tejado, lo que favorece una mayor difusión de la
misma y permite que se pueda colocar sobre las cubiertas de edificios
23
en las ciudades sin apenas impacto arquitectónico y aporte valor a una
superficie hasta ahora inútil.
Soberanía energética: Al ser modular y barata permite que la
ciudadanía disponga de una tecnología que le permita generar su
propia energía. Esto favorece que la electricidad se consuma en el
mismo lugar donde se produce, de tal manera que se evita la pérdida
por transporte y se asegura la independencia energética del exterior.
Un recurso infinito: La fuente de energía de un módulo fotovoltaico es
el sol, un recurso infinito que irradia de manera suficiente en todos los
lugares del planeta (salvo los meses de oscuridad de los polos). Por lo
tanto, es un recurso infinito que permite el acceso a fuentes de energía
en prácticamente todo el planeta.
Por todo ello, se hace necesaria una apuesta contundente por el
fomento de la energía solar fotovoltaica. Una buena iniciativa sería la
aprobación del real decreto de autoconsumo con balance neto que
permitiría que la ciudadanía se convirtiera en productora de su propia
energía.
Clasificación de las instalaciones solares fotovoltaicas Clasificaciones de las instalaciones fotovoltaicas Las instalaciones fotovoltaicas se dividen en dos grandes grupos en
función del objetivo de la mismas: instalaciones aisladas de la red, cuya
finalidad es satisfacer total o parcialmente la demanda de energía
eléctrica convencional residencial o de una comunidad, y las
instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red, que tienen como
objetivo fundamental entregar la energía a la red eléctrica pública; esta
última, de gran superficie, se está utilizando como superficie de
terminación e imagen en el edificio.
24
Instalaciones aisladas de la red Se emplean en localidades lejanas, que no tienen acceso a la red
pública: instalaciones rurales, iluminación de áreas aisladas,
telecomunicaciones, balizas o boyas de señalización y bombeo de
agua. Estas instalaciones posibilitan dos tipos de suministros según
sea el tipo de distribución:
El sistema centralizado Consiste en un único gran sistema que cubre las necesidades de un
conjunto de usuarios.
La ventaja es disminuir los costos del sistema manteniendo la calidad
del suministro.
El sistema descentralizado
Consiste en la instalación de un sistema individual completo en cada
vivienda para cubrir sus necesidades; al contrario del anterior, este
tiene un mayor costo.
Instalaciones conectadas a la red En este caso, la red pública actúa como un disipador de energía infinita
y acepta toda la energía disponible del sistema fotovoltaico, tanto de
centrales fotovoltaicas como de los instalados en viviendas y edificios.
Este sistema requiere de condiciones de funcionamiento diferentes a la
solución aislada, no necesita de subsistema de almacenamiento, y el
sistema de regulación cumple la función de indicar al inversor de
energía la disponibilidad en cada momento en los paneles (el punto de
máxima potencia); este sistema conlleva, además, un beneficio
económico: "huertos solares".
25
Figura N° 3: Esquemas de un sistema fotovoltaico conectado red
Instalaciones híbridas Son aquellas que combinan los módulos fotovoltaicos con una o más
fuentes energéticas auxiliares, como pueden ser los aerogeneradores,
o los motores diésel. este sistema es más fiable que los anteriores, ya
que, al disminuir la captación y generación de electricidad del sistema
fotovoltaico, el suministro no se ve comprometido al ser
complementado por otro tipo de generación ya sea renovable o no
renovable.
Figura N° 4: Instalaciones hibridas
26
Funcionamiento de la energía solar fotovoltaica
La energía solar fotovoltaica transforma de manera directa la luz solar
en electricidad empleando una tecnología basada en el efecto
fotovoltaico. al incidir la radiación del sol sobre una de las caras de una
célula fotoeléctrica (que conforman los paneles) se produce una
diferencia de potencial eléctrico entre ambas caras que hace que los
electrones salten de un lugar a otro, generando así corriente eléctrica.
Existen tres tipos de paneles solares:
Fotovoltaicos: Generadores de energía para las necesidades de
nuestros hogares.
Térmicos: Que se instalan en casas con recepción directa de sol.
Termodinámicos: Que funcionan a pesar de la variación
meteorológica, es decir, aunque sea de noche, llueva o esté nublado.
En las etapas iniciales de la tecnología fotovoltaica, este tipo de energía
se empleó para proveer de electricidad a los satélites.
Elementos de una instalación solar fotovoltaica Proceso de obtención de energía del sol La luz del sol (que está compuesta por fotones) incide en las células
fotovoltaicas de la placa, creándose un campo de electricidad entre las
capas. Así se genera un circuito eléctrico, principal responsable
de cómo funciona la energía solar fotovoltaica. Cuanto más intensa sea
la luz, mayor será el flujo de electricidad.
Las células fotoeléctricas transforman la energía solar en electricidad
en forma de corriente continua, y esta suele transformarse a corriente
alterna para poder utilizar los equipos electrónicos que tenemos en
nuestras casas.
27
El dispositivo que se encarga de esta transformación se
denomina inversor, este transforma la corriente continua en corriente
alterna con las mismas características que la de la red eléctrica a la que
va a verterse, controlando la uniformidad y calidad de la señal.
De manera general, una instalación solar fotovoltaica (isf) se ajusta a
un esquema como el mostrado en la figura, a lo largo de esta unidad
detallaremos el funcionamiento de cada uno de estos elementos.
Módulo fotovoltaico: Es el elemento primordial de la instalación.
Convierte la energía del sol en energía eléctrica (corriente continua).
Está formado por la unión de diversos paneles, para dotar a la
instalación de la potencia necesaria. En las entradas siguientes
trataremos los tipos de módulos que existen.
Regulador de carga: Es el nexo de unión entre los paneles solares y
los elementos de consumo de la instalación. Se encarga también de
proteger a los acumuladores ante sobrecargas. Proporciona a su salida
la tensión continua para la instalación. fija el valor de la tensión nominal
a la que trabaja la instalación.
Batería: La batería está solo presente en instalaciones autónomas.
Proporciona energía a la instalación durante los periodos sin luz solar
o sin suficiente luminosidad. Acumula energía para la instalación.
Inversor: Convierte la corriente continua del sistema en corriente
alterna, a 220v de valor eficaz y frecuencia de 50 Hz, igual a la de la
red eléctrica. Alimenta los aparatos que trabajan con corriente alterna.
28
Figura N° 5: Elementos de una instalación fotovoltaica
El panel solar Un panel solar es un dispositivo que aprovecha la energía del sol para generar calor o electricidad. Según estos dos fines podemos
distinguir entre colectores solares, que producen agua caliente (generalmente de uso doméstico) utilizando la energía solar
térmica, y paneles fotovoltaicos, que generan electricidad a partir de
la radiación solar que incide sobre las células fotovoltaicas del panel.
En el colector o captador solar hay un líquido que absorbe la
radiación solar en forma de calor, este líquido pasa posteriormente a
un compartimento de almacenado de calor. los paneles constan de una
placa receptora y unos conductos por los que circula dicho líquido. el
líquido caliente se hace pasar a un intercambiador de calor, donde cede
su calor calentando el agua de posterior uso doméstico.
Cuando sale del intercambiador de calor el líquido está frío y se
recircula de nuevo al colector solar.
Los paneles solares fotovoltaicos constan de multitud de celdas,
llamadas células fotovoltaicas, que convierten la radiación solar en
electricidad. Se genera electricidad debido al 'efecto fotovoltaico' que
29
provoca la energía solar (fotones), generando cargas positivas y
negativas en dos semiconductores próximos de distinto tipo, lo que
genera un campo eléctrico que producirá corriente eléctrica.
Los materiales más utilizados para fabricar estas células son el
arseniuro de galio, que se utiliza en otros dispositivos electrónicos
complejos, y el silicio (si), de menor coste económico y que se utiliza
también en la industria microelectrónica.
Las células de silicio: son las más comunes y más utilizadas. El
rendimiento de las células fotovoltaicas depende de la estructura
tridimensional interna que tengan estas láminas de silicio. Según esta
estructura podemos clasificarlas del siguiente modo:
Células de silicio mono cristalino: constituido por un solo cristal de
grandes dimensiones que es cortado en finas láminas, generalmente
de azul uniforme. Son las más avanzadas, el coste de fabricación es
superior y proporcionan un superior rendimiento bajo determinadas
condiciones.
Células de silicio poli cristalino: están constituidas por varios
cristales, tienen un color azul no uniforme, aunque las últimas técnicas
de fabricación ya otorgan de mayor uniformidad al aspecto de la célula.
Células de silicio amorfo: no está formada por cristales. Es la más
barata pero también las que menores rendimientos ofrecen, se utilizan,
por ejemplo, en dispositivos como calculadoras o relojes y tienen la
particularidad de que pueden producir electricidad (en poca cantidad)
aunque no estén expuestas directamente a la radiación solar de
manera perpendicular.
30
Un panel solar o módulo fotovoltaico está formado por un conjunto de
células, conectadas eléctricamente, encapsuladas, y montadas sobre
una estructura de soporte o marco. Proporciona en su salida de
conexión una tensión continua, y se diseña para valores concretos de
tensión (6 v, 12 v, 24 v), que definirán la tensión a la que va a trabajar
el sistema fotovoltaico.
Potencia de una celda solar La potencia que proporciona una célula de tamaño estándar (digamos
de 10 3 10 cm) es muy pequeña (en torno a 1 o 2 w), por lo que
generalmente será necesario tener que asociar varias de ellas con el
fin de proporcionar la potencia necesaria al sistema fotovoltaico de la
instalación.
Figura N° 6: Materiales de fabricación de paneles solares
Es de este hecho de donde surge el concepto de panel solar o módulo
fotovoltaico, cuyos elementos y características acabamos de ver
La potencia que proporciona una célula de tamaño estándar (digamos
de 10 3 10 cm) es muy pequeña (en torno a 1 o 2 w), por lo que
generalmente será necesario tener que asociar varias de ellas con el
fin de proporcionar la potencia necesaria al sistema fotovoltaico de la
instalación. Es de este hecho de donde surge el concepto de panel
31
solar o módulo fotovoltaico, cuyos elementos y características
acabamos de ver.
Según la conexión eléctrica que hagamos de las células, nos podemos
encontrar con diferentes posibilidades:
La conexión en serie de las células permitirá aumentar la tensión final
en los extremos de la célula equivalente.
La conexión en paralelo permitirá aumentar la intensidad total del
conjunto.
Figura N° 7: Agrupamiento y conexión de paneles
Dependiendo de la instalación que estemos desarrollando, y de la
aplicación para la que se ha diseñado, existe la posibilidad de utilizar
un solo panel o un conjunto de paneles que se montarán agrupados
sobre un determinado soporte y conectados entre sí eléctricamente. En
aplicaciones de poca potencia, es posible hasta la utilización de
paneles solares flexibles, que permitirán aplicaciones como alimentar
un equipo de comunicaciones, recargar la batería de un teléfono, etc.
cuando necesitamos una potencia elevada que no se puede obtener
con un único módulo fotovoltaico, se recurre a la conexión en grupo de
varios paneles solares.
32
La conexión de los módulos fotovoltaicos Se realiza por la parte posterior de los mismos, en una caja de
conexiones preparada para tal fin. Esta caja de conexión contiene los
diodos de protección (diodos de bypass), que solo dejarán pasar la
corriente en un sentido, y se opondrán a la circulación de la misma en
el sentido contrario. Tienen varias misiones:
Impedir que las baterías de la instalación se descarguen a través de los
paneles.
Evitar que se invierta el flujo de corriente entre bloques interconectados
en paralelo cuando en alguno de ellos se produce una sombra.
Proteger individualmente cada panel de posibles daños ocasionados
por sombras parciales que se produzcan por circunstancias especiales.
Figura N° 8: Caja de conexión de un módulo fotovoltaico
Cálculo del número de paneles Si nuestra futura instalación fotovoltaica va a estar desconectada de la
red convencional eléctrica, vamos a necesitar dimensionarla de forma
adecuada para que nos proporcione la cantidad de energía que
33
necesitaremos. Es decir, vamos a calcular cuántos paneles solares se
debería instalar en función de nuestro consumo y el lugar en el que nos
encontramos. la producción, además, deberá ser superior a ese
consumo habitual para poder almacenar energía sobrante en baterías
que nos la proporcionen cuando los paneles solares dejen de funcionar
durante el periodo nocturno o generen menos electricidad debido a la
meteorología imperante.
Lo primero que debemos saber es cuánto es el consumo en la
institución educativa 40123 san juan bautista del pueblo tradicional de
CHARACATO.
Otro factor a tener en cuenta es el lugar geográfico en el que
instalaremos los paneles solares. En función de nuestras coordenadas,
existen ya disponibles una serie de tablas que nos permiten calcular la
cantidad de radiación solar que podrá ser admitida por las placas
solares, según la época del año (la altura máxima del sol varía con el
transcurso de las estaciones, y con ello el tiempo que permanece en el
cielo).
Marco conceptual La Energía renovable La energía renovable es un tipo de energía que se ha generado a partir
de fuentes naturales prácticamente inagotables. Los recursos
renovables tienen la capacidad de regenerarse más deprisa que la
velocidad con la que se consumen.
Las principales ventajas de este tipo de energía son:
Son respetuosas con el medioambiente.
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Mayor seguridad. Son más seguras y suponen menos riesgos para la
salud que en otras fuentes de energía no renovable.
Son una alternativa a la energía nuclear y a los residuos nucleares
que generan.
Su fuente de energía no se agota.
Energía activa La energía activa a esa energía que hace funcionar todos los aparatos
conectados a nuestra red eléctrica, es decir que la energía al ingresar
por un conexionado o por una instalación de electricidad provoca o
produce luz, calor, movimiento, etc. no obstante, tenemos que saber
que esta energía se mide en KWH.
Carga eléctrica
La carga eléctrica es una propiedad de la materia que permite saber y
conocer el grado de electrificación de un cuerpo, mediante algunos
métodos de carga como podría ser los frotamientos, contactos,
inducción, etc.
Energía solar Como su nombre mismo lo menciona este tipo de energía se obtiene
de la radiación solar que llega a la tierra en forma de luz, calor o rayos
ultravioletas, este tipo de energía que es limpia y que sobre todo
pertenece a la energía emanada por el sol.
La energía solar fotovoltaica La energía solar fotovoltaica es una metodología de obtención
de energía eléctrica gracias a las placas solares, y se trata de
una energía renovable, es decir que toda la cantidad de energía
generada proviene del sol y es por ello que lo consideramos inagotable,
esta fuente de energía obtenida directamente a partir de la radiación
solar mediante un dispositivo semiconductor denominado célula
fotovoltaica, o bien mediante una deposición de metales sobre un
35
sustrato denominada célula solar de película fina. este tipo de energía
se usa principalmente para producir electricidad a gran escala a través
de redes de distribución, aunque también permite alimentar
innumerables aplicaciones y aparatos autónomos, así como
abastecer refugios de montaña o viviendas aisladas de la red eléctrica
debido a numerosos factores y causas.
Los paneles solares Un panel solar o también llamado modulo solar viene a ser un
dispositivo que va a captar o atraer la energía de la radiación del sol y
lo va a trasformar en calor o en energía eléctrica.
Los paneles solares fotovoltaicos constan de multitud de celdas,
llamadas células fotovoltaicas, que convierten la radiación solar en
electricidad. Se genera electricidad debido a un efecto fotovoltaico que
provoca la energía solar generando cargas positivas y negativas en dos
semiconductores próximos de distinto tipo, lo que genera un campo
eléctrico que producirá corriente eléctrica.
Inversor fotovoltaico Es un convertidor que trasforma la energía de corriente continua
procedente del generador fotovoltaico en corriente alterna. Estos se
subdividen en inversores aislados o inversores conectados a la red se
pueden clasificar de diferentes formas de acuerdo con el número de
fases o polos se pueden distinguir entre inversores – conversares
monofásicos y trifásicos.
Los inversores tienen los siguientes parámetros de entrada en (cc)
• Tensión máxima de entrada (VCCMAX): máxima tensión de
entrada permitida en el inversor
• Tensión mínima de entrada (VCCMIN): tensión mínima a la cual
el inversor es capaz de verter o trasladar energía a la red.
36
• Tensión de entrada de arranque: es la tensión de entrada a la cual
el inversor empieza a verter energía a la red.
• Tensión nominal de entrada: es la tensión de entrada que es
especificada por el fabricante, a la cual se refiere la información de
la ficha técnica.
Controlador de carga Un controlador de carga o también llamado regulador o simplemente
cargador es un dispositivo que se va a encargar de optimizar y a su vez
controlar constantemente el estado de carga de las baterías, así como
de regular la intensidad de la carga con el propósito de alargar la vida
útil de estas. Cabe mencionar que este regulador va a contralar la
entrada de la energía que será provenientes de los módulos solares a
las baterías dependiendo del estado en que las baterías se
encuentren, a medida que el voltaje proveniente de los paneles solares
se eleva, el controlador de carga regula la carga de las baterías para
evitar alguna sobrecarga.
Las baterías Las baterías son elementos o dispositivos que almacenan energía
eléctrica en forma química y la liberan posteriormente como energía
continua de forma controlada, también se puede mencionar que estas
baterías contienen un electrodo positivo y un electrodo negativo que a
su vez se encuentran sumergidos en un electrolito, y el conjunto
completo se encuentra dentro de un recipiente, las baterías que serán
utilizadas para el proyecto de investigación serán los encargados del
almacenamiento energético, para de esa manera poder suministrar una
energía independiente de la producción eléctrica del generador
fotovoltaico en el preciso momento por ejemplo por las noches y
también en los días nublados.
37
Figura N° 9: Baterías para instalaciones fotovoltaicas
7. OBJETIVOS
Objetivo general. a) Diseñar un sistema solar fotovoltaico que sea capaz de abastecer de
energía eléctrica a la Institución educativa n°40123 “san juan bautista”,
del centro Poblado de CHARACATO, en la provincia y región Arequipa.
Objetivos específicos a) Determinar la cantidad de paneles fotovoltaicos que se requiere para
abastecer de energía eléctrica.
b) Determinar la carga eléctrica q se tiene por aula en la institución
educativa san juan bautista.
c) Identificar cuantas aulas tiene el colegio
d) Determinar cuántos días de autonomía tendrá este sistema solar
fotovoltaico.
HIPÓTESIS Dado que la ciudad de Arequipa cuenta con una buena radiación solar casi
constante. Es probable que un sistema fotovoltaico bien diseñado sea la
opción más adecuada para la electrificación de la institución educativa
40123 san juan bautista.
38
CAPITULO II RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN
1. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
a) Diseño de investigación En el presente trabajo de investigación el diseño es de tipo no
experimental, que consiste en que no se manipularan en forma
intencional las variables que se están estudiando si no que se
observaran los elementos ya existentes para después analizarlos.
b) Tipo de investigación En el presente estudio el tipo de investigación es descriptivo.
Según el autor (Fidias G Arias (2012)), define “La investigación
descriptiva consiste en las caracterizaciones de un hecho, fenómeno,
individuo o grupo con el fin de establecer su estructura o
comportamiento.
c) Nivel de investigación El nivel de la investigación es descriptivo. El nivel de investigación es
descriptivo de acuerdo PALELLA Y MARTINS (2004) describen de
manera inequívoca el nivel de una investigación descriptiva. El
propósito de esta, es de interpretar realidades de hechos. Incluyen
descripción, registro, análisis e interpretación de la naturaleza actual,
composición o procesos de los fenómenos.
2. TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS
Las técnicas de recolección de datos e información se han basan en una
investigación cuantitativa con un análisis de observación de datos,
apoyándose con un análisis de documentación y de registros estadísticos
históricos encontrados en bases de datos, artículos, catálogos, libros,
manuales y sitios web gubernamentales tanto locales como de otros
países.
39
3. CAMPO DE VERIFICACIÓN
3.1. Ubicación espacial
El proyecto de investigación sobre el abastecimiento de la energía
solar fotovoltaica se va a realizar en la institución educativa 40123 del
distrito de CHARACATO situado en la provincia y departamento de
Arequipa.
3.2. Ubicación temporal
La investigación se realizará desde marzo del 2020 y debe terminar en
junio del 2020, fecha en la cual se entregará un informe final, con el
cual se deberán arribar a conclusiones de factibilidad para el desarrollo
de la institución educativa san juan bautista.
3.3. Unidades de estudio (unidades, población, muestra)
La unidad de estudio será en la institución educativa 40123 san juan
bautista (Como centro piloto para la investigación), lugar en el cual se
realizarán los estudios e investigaciones y al que se beneficiará.
Nivel de confianza de la muestra nivel de confianza unidades de estudio (alumnos) al 95% 160 unidades de estudio en forma
probabilística y aleatoria
Cabe resaltar que para la ejecución del proyecto de investigación se
requiere de 2 ingenieros eléctricos y 15 técnicos de electricidad o de
electrotecnia, que tengan experiencia en el tipo de proyecto ya
mencionado porque es muy importante que sepan las conexiones que
esto implica.
40
3.3.1 Población: Para el presente proyecto la población es la
Institución Educativa San Juan Bautista, ubicado en el Distrito de
CHARACATO Provincia y departamento de Arequipa.
3.3.2. Muestra: para nuestro proyecto tanto la población como la
muestra son iguales por lo que no se aplicara ninguna técnica de
muestra.
4. ESTRATEGIAS DE RECOLECCIÓN DE DATOS
4.1. Recolección de datos.
Entre las estrategias que se han utilizado para el manejo de la
información del número de alumnado, aulas, área toral de la
institución, etc. se tuvo que recurrir a la dependencia que tiene acceso
a dicha información, es decir la dirección.
De otro lado, se seguirá la siguiente metodología
Revisión Bibliográfica de sistemas fotovoltaicos
Bibliográfica recurso energético y condiciones geográficas
Análisis y caracterización del recurso energético en la zona
Obtención de, facturas, catálogos y cotizaciones
Dimensionamiento de la capacidad instalada
Diseño sistema fotovoltaico
Simulación del sistema fotovoltaico
Estudio de viabilidad económica
4.2. Tratamiento de datos.
Los datos y la información que se obtuvo y recopilo de la breve
encuesta, fueron procesados estadísticamente, para lo cual se llegó a
la utilización de Microsoft Excel, que permitió presentar los resultados
de manera clara y objetiva a través de tablas y gráficos.
4.3. Análisis de la información.
41
Se realizó una interpretación objetiva, de los resultados, para luego
realizar el análisis de la información, lo que permitió llegar a las
conclusiones y recomendaciones.
42
CAPITULO III DISEÑO
4.1. Generalidades
ESTUDIO DE LOCALIZACIÓN DEL PROYECTO El Distrito de CHARACATO es una división de la Provincia de Arequipa,
ubicada en el (Departamento de Arequipa, Perú). Dista a 10 km. De la
ciudad de Arequipa.
Tradicionalmente, a los arequipeños se les ha llamado CHARACATOS
por ser este uno de los distritos más tradicionales de la provincia.
A CHARACATO se ingresa, desde Arequipa, por el distrito de Sabandía.
Siguiendo el camino se llega a Mollebaya. El Molle abunda en esta zona.
Characato cuenta con manantiales de agua, como el conocido como "El
Ojo", el agua brota del subsuelo y proviene posiblemente de los nevados
y ríos subterráneos de los Andes. Estos manantiales de agua
proporcionan agua limpia para el consumo humano, las labores agrícolas
y ganaderas de Characato y algunos anexos cercanos.
Este : San Juan de Tarucani
Oeste : Distrito Socabaya
Norte : Distrito de Sabandía, Paucarpata y Chiguata.
Sur : Distrito de Mollebaya y Pocsi.
Región : Arequipa
Provincia : Arequipa
Capital : Characato
Área 86 km²
Población 5,286
Página oficial http://www.municharacato.gob.pe
43
La Agricultura: Es una fuente de riqueza permanente. Consiste en el
cultivo de la tierra con el fin de obtener plantas y frutas para la satisfacción
de necesidades de la población.
Principales productos agrícolas: Maíz, trigo, papa, habas, zanahoria.
La ganadería: Es la crianza y reproducción de animales que tiene como
objeto obtener un aprovechamiento de los mismos. Se habla de
ganadería, normalmente, cuando los animales se desarrollan en un
estado de domesticación, siendo su aprovechamiento, principalmente, el
de la carne, la leche, el cuero, los huevos, entre otros productos. Crianza
de vacas, ovejas, chivos, caballos, burros, mulas, cerdos, gallos, patos,
gansos, pavos.
El turismo: Es la actividad multisectorial que requiere la concurrencia de
diversas áreas productivas — agricultura, construcción, fabricación — y
de los sectores públicos y privados para proporcionar los bienes y los
servicios utilizados por los turistas. No tiene límites determinados con
claridad ni un producto tangible, sino que es la producción de servicios
que varía dependiendo de los países.
Definición Del Tamaño Del Proyecto GENERALIDADES El enfoque de la propuesta no afectaría el 100% de la población de la
comunidad educativa de la institución educativa antes mencionada ya que
se propone un sistema fotovoltaico inicial que sería como una propuesta
para observar el comportamiento del sistema en la zona y para que la
población tenga mayor conocimiento del tema y se familiarice con estos
sistemas, el sistema que conformaría inicialmente algunas casas
cercanas a una parte del pueblo, para en un futuro si es posible expandirlo
a todo el municipio y otras zonas aledañas. Se ha estimado realizar la
44
propuesta con las casas más cercanas a la zona de instalación solar en
este caso 8 casas, al ser un municipio pequeño es necesario no acaparar
muchos sitios cercanos a la zona central del pueblo donde se ubica la
alcaldía y la plaza principal por que aumentaría el consumo energético y
este proyecto pretende ser un proyecto de baja escala, por eso se
aprovecha un poco que la zona sea un poco a las afueras del pueblo
donde sería la instalación.
Factores determinantes del tamaño Para poder determinar el tamaño adecuado del proyecto debemos tener
en cuenta varios aspectos importantes que pueden afectar la eficiencia.
Uno de los principales factores es la ubicación del proyecto ya que se
debe tener un terreno con varias características como:
La extensión debe ser lo suficientemente grande para ubicar todos los
paneles en la dirección y posición adecuada para sacar el mayor provecho
de ellos y tener una eficiencia adecuada para el abastecimiento de la red
que queremos alimentar. se debe tener en cuenta también que el terreno
se encuentre lo más despejada de árboles u objetos que puedan interferir
o generar sombra, ya que esto puede afectar en la eficiencia de los
paneles y por consiguiente la potencia entregada no sería la óptima para
el proceso de alimentación de la red eléctrica.
Otro factor importante a tener en cuenta es el transporte de los paneles
hasta la ubicación del proyecto, no tanto dentro del pueblo si no las vías
de acceso desde la vía principal hasta el pueblo en sí. Por otro lado,
debemos considerar el lugar donde se van a adquirir los paneles ya que
va a diferir tanto costo de compra, envió y transporte si se adquiere en el
mercado nacional o se traen de manera importada ya que esto es un coste
diferente en cada uno de los escenarios.
45
Especificaciones del producto El producto o el equipo necesario para la propuesta del proyecto de
utilización de energías renovables para la IIEE San Juan Bautista de
Characato , hace referencia a un equipo solar fotovoltaico para la
generación eléctrica, los fotones provenientes del sol tienen una energía
y esta es captada por los paneles solares fotovoltaicos, mediante efecto
fotoeléctrico que consiste en la emisión de electrones por materiales
semiconductores para generar una corriente de electrones para así
obtener energía eléctrica, esta energía puede usarse de manera directa
en equipos de corriente directa o bien almacenarla en sistemas de
almacenamiento comúnmente baterías para luego usarla. Cuando la
generación eléctrica es alta y estos sistemas están conectados a la red
local o nacional de electricidad, esta puede además de suplir una
necesidad energética a una población puede generar beneficios al
inyectar electricidad a la misma red eléctrica, así creando benéficos
económicos, convirtiéndose en productores energéticos. Una huerta solar
es una central de generación eléctrica fotovoltaica, es una agrupación de
paneles solares ubicados en hileras, inclinados normalmente a la latitud
donde están instalados mirando hacia la línea del Ecuador (Latitud 0°),
aunque hay sistemas que pueden modificar la inclinación del panel de
acuerdo a la posición del sol para obtener mayor energía, son más
costosos y requieren mayor mantenimiento.
Una huerta solar permite suplir una demanda energética de una población
grande o pequeña, y aunque se pueden instalar en cualquier lugar del
planeta, entre mayor distancia a la línea del Ecuador es menor la cantidad
de energía percibida, normalmente estos son usados en lugares
apartados o en zonas donde la irradiación solar es mayor para así obtener
mejores resultados y mayor producción energética. Estas huertas solares
dependen de la posición geográfica en donde serán instaladas, en la
disposición del terreno donde se instalarían y de la facilidad para importar
o producir paneles solares para obtener la potencia necesaria, son
46
elementos que ayudan a reducir la contaminación debido a que no
producen muchos agentes contaminantes como lo pueden ser la
producción con combustibles fósiles en centrales térmicas.
Consumo energético requerido del proyecto se resumen los consumos de
las 8 casas en estudio, se analizó el consumo histórico y se obtiene un
valor global mostrado datos tomados y se evalúa un sistema fotovoltaico
que sustente un 50% aproximado del consumo promedio anual histórico
con un valor aproximado de 10.19 MWh y un consumo promedio diario de
27.919 kWh, con ello se quiere mejorar la calidad de suministro energético
y además reduciendo la dependencia energética de la empresa de
electricidad. Se puede observar en la tabla 2 los 8 casos de estudio en la
zona de instalación del sistema fotovoltaico, estos casos son 5 viviendas
familiares, 1 ancianato y 2 casas del gobierno municipal, obteniendo un
consumo energético promedio bimensual de la zona de estudio de los
casos entre los años 2019 y 2020. El costo de cada casa varía de acuerdo
al consumo propio ya que en algunos casos hay subsidios para el
consumo mínimo y esto hace que los precios locales no sean los mismos
y varíen entre ellos.
Especificaciones de la materia prima e insumos Los sistemas basados en energía solar fotovoltaica aprovechan la
radiación solar para convertirla en energía eléctrica, los componentes de
los sistemas normalmente son:
Paneles/celdas solares. Son dispositivos que permiten el aprovechamiento de los rayos solares
convirtiéndolos en energía, estos módulos pueden tomar estos rayos y
usarlos como energía térmica o fotovoltaica, de forma más específica lo
paneles que se emplean para la generación de corriente eléctrica poseen
celdas o también llamadas células que aprovechan el efecto fotovoltaico
el cual hace que fluya la corriente eléctrica entre dos capas cargadas en
47
direcciones opuestas, estas celdas están construidas con silicio o
arseniuro de galio, para sacar el mayor aprovechamiento de la celdas que
componen los paneles estos deben de estar en contacto directo con el
sol, la energía producida puede llegar a ser aprovechada para mover
automóviles, cocinar alimentos o hasta poder llegar a iluminar ambientes.
Estos se encuentran de tres tipos: monocristalino, policristalino y amorfo.
Reguladores de carga.
Estos dispositivos se encargan de controlar la cantidad de energía que
fluye entre las baterías y los módulos fotovoltaicos, existen dos diferentes
tipos de reguladores el PWN y el MPPT, si hablamos del modo PWN estos
trabajan de acuerdo a las tensiones que manejen las baterías a las cuales
se encuentre conectada, esto puede acarrear pérdidas de energía
importantes, esto pasa por que al momento en que la batería llega a su
tensión máxima permitida este regulador empieza a no dejar que el
módulo o panel solar entre en contacto con la batería, esto para evitar una
sobrecarga, y esta obstrucción del contacto es el que genera una
declinación del rendimiento energético, a pesar de estas negativas, sus
mayores ventajas son su bajo precio y su transporte ya que cuenta con
un peso apropiado para su manipulación. Por otro lado, los reguladores
MPPT trabajan con las tensiones variables que se puedan presentar a lo
largo del día, esto con el fin de extraer la máxima potencia o poder
almacenarla dentro de las baterías para y de esta manera poder evitar
descargas o sobrecargas, estos reguladores tiene como particularidad la
inclusión de un controlador del punto máximo de potencia y un
transformador el cual convierte la corriente continua de alta tensión a una
corriente continua de más baja tensión para la carga de las baterías.
Sistema de almacenamiento.
Son un conjunto de celdas electroquímicas las cuales se encargan de
transformar la energía química almacenada en energía eléctrica, estas
celdas cuentan dos electrodos uno de ellos positivo y el otro negativo,
48
cuentan con un componente llamado electrolito el cual es el que permite
que los iones se muevan libremente a través de él entre los electrodos,
esto con el fin de que la corriente fluya fuera de la batería para que esta
lleve su función a cabo. Estos sistemas de almacenamiento entran en
funcionamiento cuando la energía que es recibida por los paneles solares
fotovoltaicos excede la energía requerida para el consumo, lo cual hace
que estos sistemas sean importantes para que esta energía no sea
desechada y en cambio pueda ser aprovechada en las noches que es
cuando la presencia de sol es nula y la iluminación por consecuencia es
baja, esto hace que la energía acumulada durante el día la batería la
suministre en forma de energía eléctrica para sus diferentes usos
Inversores.
Estos equipos son los encargados de transformar la energía fotovoltaica
producida por los paneles solares los cuales proporcionan la energía en
forma de corriente continua, esta pasa por los inversores dando así la
corriente alterna, esta corriente es la que podemos utilizar en los
diferentes ambientes y usos diarios a niveles normales de operación.
Aunque hay varios tipos de inversores todos cumplen la misma función
con ciertas diferencias. Principalmente son:
Los Inversores String son principalmente utilizados en sistemas pequeños de producción
energética, esto ya que los paneles que se encuentran acoplados deben
estar en serie con este inversor lo cual no produce efectos negativos para
nuestro sistema como lo es “el cuello de botella”, este consiste en que si
algún panel está obstruido o dañado todo el sistema y la energía que
entrega nuestro sistema se reducirá al panel que entregue la menor
cantidad de energía así los demás se encuentren en óptimas condiciones,
por el contrario algunos de sus beneficios es la manipulación, los lugares
donde se ubican no tienen que tener condiciones especiales de
temperatura o humedad como otros inversores y por supuesto el costo es
de los más bajos del mercado. Los Micro inversores son más eficientes
49
que los inversores String ya que son considerados inversores distribuidos,
esto quiere decir que si uno o varios paneles del sistema se encuentra en
malas condiciones, el sistema seguirá funcionando con la mayor cantidad
de energía evitando así el efecto “cuello de botella”, que se presentaba en
los inversores String, estos inversores también nos permiten que los
paneles que presenten dificultades o fallas sean identificados con mayor
facilidad; a pesar de todas estas mejoras en comparación al anterior
inversor también tiene algunos aspectos que no lo favorecen, tal como lo
pueden ser su precio, ya que pueden llegar a ser mucho más costosos
que los Sterling, su mantenimiento también puede llegar a ser un
inconveniente ya que estos inversores tienen que ser instalados en
cubierta y esto aumenta sus posibilidades de falla, aunque estos
inversores son mejores que los Sterling, cabe resaltar que su aplicación
más favorable aún se limita a instalaciones de hogares o recintos
pequeños que puedan tener algún obstáculo.
Selección y descripción del proceso productivo El proceso productivo para este proyecto en la fase de diseño comienza
en saber la necesidad del cliente en este caso de la población del
municipio si solo desean el diseño técnico se requerirá conocer la
necesidad prioritaria, las posibilidades económicas y la idea general del
proyecto, se sigue con la definición de la disposición de los elementos, su
diseño y su dimensionamiento de acuerdo a la necesidad; luego se
diseñaría el sistema fotovoltaico con las necesidades técnicas para
posteriormente diseñarlo en un software CAD y hacer un bosquejo de
cómo quedaría el proyecto. Por último, se hace un estudio de materia
prima e insumos para obtener cotizaciones y conocer los costos generales
del proyecto.
Determinación del programa de producción El programa de producción no se aplicará, ya que este proyecto se
propone para cumplir las necesidades de una zona en estudio muy
50
específica y aunque el proyecto se puede generalizar en otras zonas del
país; este proyecto es muy puntual debido a las condiciones mostradas,
ya que las mismas difieren de otras zonas inclusive en la misma zona
geografía (irradiancia, brillo solar, consumos locales, etc.).
Definición del personal requerido por el proyecto
Para poder cumplir los objetivos del proyecto del sistema fotovoltaico se
requiere el siguiente personal:
Ingeniero mecánico con énfasis en energías alternativas para el diseño
general del sistema fotovoltaico. Ingeniero con énfasis en gerencia de
proyectos.
• Diseñador técnico / tecnológico con énfasis en diseño industrial.
• Auxiliar mecánico industrial para procesos de construcción, fabricación
y montaje.
Distribución eléctrica La disposición de la distribución eléctrica es un factor importante ya que
la vida útil de una instalación solar se estima entre 20 y 25 años
dependiente del cuidado y de la fabricación de los elementos del sistema.
Los tipos de cables usados en una instalación fotovoltaica deben estar en
la capacidad de soportar fuertes climas, variación de temperatura,
humedad y radiación ultravioleta por eso se recomienda el uso de cables
de alta calidad que permita y asegure el óptimo transporte de electricidad.
Ecuaciones para el diseño del sistema solar fotovoltaico Las pérdidas de una instalación de un sistema solar fotovoltaico se
calculan en base a la eficiencia promedio de cada elemento que está en
todo el conjunto, las pérdidas se dan en su mayoría a pérdidas
ocasionadas por generación de calor de los equipos, los valores promedio
de cada elemento
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Con la ecuación se calcula el consumo diario máximo que se da el día
promedio donde la carga es la mayor en el año, el día donde la carga es
mayor dependerá de la época del año, aumentando en épocas frías y
calientes donde se usan elementos para contrarrestar el frio y calor
respectivamente, aumentando la carga del sistema además las eficiencias
afectan directamente al cálculo promedio incrementando la energía
usada.
Elemento de sistema Inversor 90%
Carga y descarga de la batería 85% Cableado 95%
Elaboración propia Sistema Fotovoltaico
𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸−𝑚𝑚𝐸𝐸x 36.86 𝑘𝑘𝑘𝑘ℎ/𝐸𝐸ia 1 ecuación
P min 12.41 𝑘𝑘𝑘𝑘p 1 ecuación P real 14.89 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘 1 ecuación 𝑁𝑁𝑘𝑘𝐸𝐸𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁es 37.61 P𝐸𝐸𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑎𝑎 ≈ 38
𝑘𝑘𝐸𝐸𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁s 1 ecuación
P max paneles 12.54 𝑘𝑘𝑘𝑘 1 ecuación Elaboración propia
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CONCLUSIONES
PRIMERA: El diseño de Fotovoltaico es uno de los que puede abastecer la energía con
optimización en la institución educativa San Juan Bautista.
SEGUNDA: La interconexión entre los paneles, el equipo hasta llegar al consumidor final
depende de los inversores/ cargadores estos se encargan de convertir la
corriente para almacenarla en las baterías y también es el elemento que
distribuye la energía a las cargas/ casas que es el destinatario.
TERCERA: La inversión inicial del proyecto no se analizaron los elementos que con una
vida de útil menor a el tiempo de retorno de la inversión, esto se hace porque
no sabemos el comportamiento del mercado y de los fabricantes en los
primeros años, en el caso de las baterías que son los que menor tiempo de
vida útil tienen (6-8 años promedio), estos no se pueden almacenar debido a
sus compuestos químicos y su desgaste aun cuando no son usados por
consiguiente no es viable comprarlos antes de que las baterías iníciales
cumplan su vida útil, debido al avance tecnológico, al abaratamiento de los
componentes, además del aumento de la capacidad y de nuevos materiales
usados para su mejora, no se puede prever el costo futuro de un mercado en
constante crecimiento.
CUARTA El sistema posee 38 paneles con una distribución 3 filas x 8 y 2 filas x 7 debido
a que la cantidad de inversores es de 5 y se requiere un voltaje y potencia que
no sobrepase los límites de los equipos causando daños, un sistema de
protección de sobre voltaje y un sistema de almacenamiento tiene 16 baterías
tipo GEL de 12v, su distribución es de 2 filas x 5 y 1 fila por 6 debido a los 3
inversores/cargadores necesarios en el sistema.
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RECOMENDACIONES
Se recomienda que estos proyectos de índole energético que utilicen energías
renovables que ayuden a compensar el deterioro ambiental a nivel mundial ha
venido en aumento los últimos años, China y Estados Unidos son los
generadores eléctrico y térmico usando energía solar, en américa latina los
países Argentina, Brasil, Chile y México son los máximos generadores, pero
en Colombia el uso de energía solar aún está estancado aunque hay apoyo
gubernamental, la mayoría de proyectos es de entidades privadas aun siendo
proyectos de baja escala. Por eso se necesita aumentar proyectos de media
y alta escala que ayuden a mitigar y solucionar problemas energéticos en el
país.
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