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UNIVERSIDAD NACIONAL TORIBIO RODRÍGUEZ DE MENDOZA DE AMAZONAS

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL

PROYECTO DE TESIS PARA OBTENER EL TITULO PROFESIONAL DE INGENIERO AMBIENTAL RENDIMIENTO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS DE 100 Wp EN VIVIENDA DEL BARRIO SANTA ROSA Y DEL PUEBLO JOVEN 16 DE OCTUBRE, CHACHAPOYAS, AMAZONAS 2017. Autor: Henry Carrasco Guevara Asesor: Dr. Miguel Ángel Barrena Gurbillón

Registro: …………….

CHACHAPOYAS – PERÚ 2017

CAPITULO l 1 GENERALIDADES 1.1. Título Rendimiento de sistemas fotovoltaicos de 100 Wp en vivienda del Barrio Santa Rosa y del Pueblo Joven 16 de Octubre, Chachapoyas, Amazonas 2017.

1.2. Personal investigador 1.2.1. Autor  Nombre y apellidos

: Henry Carrasco Guevara

 Estatus académico

: Estudiante del IX Ciclo

 Escuela profesional

: Ingeniería Ambiental

 Teléfono

: 928894408

 Correo electrónico

: [email protected]

 Dirección de domicilio : Jr. Salamanca N° 140, Chachapoyas

1.2.2. Asesor  Nombres y apellidos

: Miguel Ángel Barrena Gurbillón

 Categoría docente

: Profesor Principal a Dedicación Exclusiva

 Escuela Profesional

: Ingeniería Ambiental

 Grado académico

: Doctor en Ciencias e Ingeniería

 Título profesional

: Ingeniero Químico

 Teléfono

: 996819584

 Correo electrónico

: [email protected]

 Dirección laboral

: Facultad de Ingeniería Civil y Ambiental, Ciudad

Universitaria de la Universidad Nacional Toribio Rodríguez de Mendoza de Amazonas (UNTRM), Chachapoyas, Amazonas.

1.3. Tipo de investigación 1.3.1. De acuerdo a la orientación: Aplicada 1.3.2. De acuerdo a la técnica de contrastación: Explicativa.

1.4. Régimen de investigación Orientada a la línea de investigación en energías renovables.

1.5. Unidad e institución a la que pertenece el proyecto Unidad: Instituto de Investigación para el Desarrollo Sustentable de Ceja de Selva (INDES-CES) de la UNTRM. Institución: Universidad Nacional Toribio Rodríguez de Mendoza de Amazonas. 1.6. Localidad donde se ejecutará el Proyecto El ámbito de la investigación para el presente proyecto, será en vivienda del Barrio Santa Rosa y en vivienda del Pueblo Joven 16 de Octubre en el Distrito de Chachapoyas, Provincia de Chachapoyas, Región Amazonas.

1.7. Cronograma de ejecución del proyecto Tabla 1. Cronograma de ejecución del Proyecto de Tesis Etapas

Meses

Recolección de datos

4

Periodo Inicio Término 20/03/17 19/07/17

Análisis de resultados

1

20/07/17

19/08/17

Elaboración del informe

1

20/08/17

19/09/17

Total

6

20/03/17

19/09/17

1.8. Horas semanales dedicadas al proyecto Autor: 40 horas/semana Asesor: 05 horas/semana Total de horas por semana: 45 h/semana

1.9 Recursos disponibles 1.9.1. Personal Tesista Asesor 1.9.2. Material y equipos Escalera de madera Caja para herramientas Taladro Multitester Pinza Amperométrica Desarmador plano Desarmador estrella Alicate Martillo Apoyo logístico Panel solar fotovoltaico Batería de gel de 12 V y 100 Amph Regulador de carga de 12V-24V Inversor de carga de 300 W Cable eléctrico de 6 mm2 Cable eléctrico N° 12 AWG Cable eléctrico mellizo N° 14 INDECO 1.10. Recursos no disponibles Interruptor simple Sockette Tomacorriente Internet Fotocopiado Impresión

Empastado Movilidad local 1.11. Presupuesto Tabla 2. Presupuesto de recursos disponibles.

Descripción Escalera de madera Caja para herramientas Taladro Multitester Pinza Amperométrica Desarmador plano Desarmador estrella Alicate Martillo Apoyo logístico Panel solar fotovoltaico Batería de gel de 12 V y 100 Amph Regulador de carga de 12V-24V Inversor de carga de 300 W Cable eléctrico de 6 mm2 Cable eléctrico N° 12 AWG Cable eléctrico mellizo N° 14 INDECO

Unidad de medida

Cantidad

Unid. Unid. Unid. Unid. Unid. Unid. Unid. Unid. Unid. Global Unid.

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2

Unid.

2

Unid.

2

Unid.

2

M

20

M

50

Rollo x 100 m Total

1

Precio

Sub

unitario

total

(S/) 100.00 30.00 450.00 560.00 780.00 15.00 15.00 50.00 30.00 500.00 550.00 630.00

(S/) 100.00 30.00 450.00 560.00 780.00 15.00 15.00 50.00 30.00 500.00 1100.00 1260.00

120.00

240.00

408.00

816.00

4.00 2.00

80.00 100.00

250.00

250.00 6376.00

Tabla 3. Presupuesto de recursos no disponibles.

Descripción Interruptor simple Sockette

Unidad de medida Und. Unid.

Precio

Sub

Cantidad unitario

total

10 10

(S/) 5.00 6.00

(S/) 50.00 60.00

Tomacorriente Focos LED de 8 W Estructura de soporte de cada panel solar fotovoltaico Internet Fotocopiado Impresión Empastado Movilidad local

Und. Und.

2 6

8.00 10.00

16.00 60.00

Und.

2

100.00

200.00

4 1000 1000 9 4

50.00 0.10 0.10 10.00 200.00

200.00 100.00 100.00 90.00 800.00 1676.00

Mensual Unid. Unid. Und. Mes Total

1.12. Fuente de financiamiento Los recursos disponibles serán proporcionados por el INDES-CES de la UNTRM, a través del Proyecto “Creación del Centro de Investigación en Climatología y Energías Alternativas” (PROCICEA). Los recursos no disponibles cuyo presupuesto es de S/ 1 676.00 (un mil seiscientos setenta y seis con 00/100 soles) serán financiados por el tesista.

1.13. Resumen del proyecto En cada una de dos viviendas previamente seleccionadas, que no cuentan con el servicio de energía eléctrica, se instalará un sistema fotovoltaico constituido por panel solar fotovoltaico de 100 Wp, regulador de carga, batería de 100 Amph, inversor de carga de 300 W y circuito eléctrico; para abastecer con energía eléctrica en 220 V a la vivienda, a través del circuito eléctrico para el funcionamiento de tres focos LED de 8 W y un tomacorriente para cargar la batería de un teléfono celular, o para el funcionamiento de una radio o un televisor pequeño. En el desarrollo de la investigación, en base a los datos registrados de radiación solar y carga de la batería, se evaluará el rendimiento del sistema fotovoltaico expresado como horas de funcionamiento de uno o más focos solos, o en combinación con el funcionamiento de la radio o el televisor. Con los resultados obtenidos se elaborará una propuesta de uso de la energía eléctrica generada, priorizando la iluminación para que los integrantes de la familia realicen sus tareas escolares y estudien. Asimismo, se evaluará las mejoras en la calidad de vida e inclusión social de la familia beneficiaria gracias a esta tecnología.

II. PLAN DE INVESTIGACIÓN 2.1. Realidad problemática Chachapoyas es uno de los veintiún distritos de la Provincia de Chachapoyas, Departamento de Amazonas, en el nor oriente del Perú; tiene una población estimada de 23939 habitantes, la superficie del distrito de Chachapoyas es de 153,73 km², lo cual representa el 4,62% del total de provincia que es de 3 312,37 km². La tendencia de expansión urbana ha generado problemas de límites entre la Municipalidad Provincial de Chachapoyas y la Comunidad Campesina de Huancas, originando informalidad desde la Quebrada Santa Lucía hacia el Norte; lo que impide los trámites administrativos en la municipalidad provincial como licencias de edificación, certificados de posesión, trámites para instalación de energía eléctrica y agua potable. Además, se ha originado el asentamiento de viviendas en lugares de riesgo sin ningún control ni planificación urbana adecuada por no tener un plan de ordenamiento urbano. Actualmente, la energía eléctrica es suministrada por la empresa Electro Oriente S.A. y es generada en la Central Hidroeléctrica Caclic. Según Electro Oriente, la creciente demanda eléctrica de Chachapoyas, es debido a que deben atender la electrificación rural, por lo que se ha superado la potencia contratada, incluso la máxima potencia efectiva de la hidroeléctrica. El déficit es cubierto con la Central Térmica de Emergencia Chachapoyas, la cual se encuentra interconectada a través de una línea de transmisión de 22,9 KV con la Central Hidroeléctrica Caclic. Según las cifras de Electro Norte S.A. empresa que hizo transferencia del sistema eléctrico de la ciudad de Chachapoyas a Electro Oriente, en agosto del 2011 se contaba con 5 705 clientes y los ingresos por ventas ascendían a 356472,80 soles. Considerando la proyección de la población de 26 219 habitantes y un promedio de 4 habitantes por vivienda (según la empresa EMUSAP), la cobertura de energía eléctrica solo alcanza el 87,04% de la población del distrito (MPCH, 2011). Debido al déficit de energía eléctrica por el crecimiento rural y a los problemas de límites entre las municipalidades de Chachapoyas y de Huancas, la población que no

cuenta con servicio de energía eléctrica emplea lámparas a pilas, velas de parafina, linternas recargables, grupo electrógeno a combustible y otros han optado por piratear energía eléctrica con tendidos debajo del suelo. Por la necesidad de tener iluminación en sus viviendas para realizar sus actividades, las personas se ven obligadas a usar lámparas con combustibles diversos que emanan humos tóxicos que afectan su salud y contaminan el medio ambiente. Mientras la vivienda no esté conectada a la red de abastecimiento de energía eléctrica, una alternativa económica, amigable con el medio ambiente, segura para los usuario tanto en su uso como para su salud, es la energía solar, que mediante un panel fotovoltaico es convertida en energía eléctrica, con lo que se puede satisfacer la demanda mínima de una vivienda, para contribuir a mejorar la calidad de vida e inclusión social de los usuarios.

2.2. Formulación del problema ¿Cuál será el rendimiento de sistemas fotovoltaicos de 100 Wp en vivienda del Barrio Santa Rosa y del Pueblo Joven 16 de Octubre, Chachapoyas, Amazonas?

2.3. Justificación En la presente investigación se empleará la energía solar para transformarla en energía eléctrica a través de un panel solar fotovoltaico, para emplearla en iluminación de los ambientes de una vivienda o cargar la batería de otros equipos, no consumiendo combustibles y contribuyendo a no contaminar el medio ambiente; siendo un modelo de aprovechamiento de energía renovable sostenible para familias de zonas rurales o familias que no cuentan con energía eléctrica en sus viviendas. El sistema fotovoltaico a instalarse en las dos viviendas seleccionadas en base a que no dispongan del servicio de energía eléctrica y que tengan hijos en edad escolar o estudien una carrera técnica o universitaria; mejorará la calidad de vida de las personas que habitan en ellas, teniendo iluminación adecuada para que los hijos puedan realizar sus trabajos académicos o estudiar, se pueda cargar celulares, escuchar noticias y programas educativos en una radio o televisor pequeño, no teniendo más la necesidad

de utilizar velas o lámparas a pilas o combustibles fósiles para alumbrarse. Esta tecnología contribuirá a mejorar su calidad de vida y favorecerá su inclusión social. El presente proyecto de investigación es viable puesto que los dos sistemas fotovoltaicos de 100 Wp y los cables necesarios serán proporcionados por el Proyecto “Creación del Centro de Investigación en Climatología y Energías Alternativas” (PROCICEA) del INDES-CES de la UNTRM, los demás costos serán asumidos por el tesista. Ambas familias beneficiarias brindarán su apoyo para el registro diario de datos necesarios del proyecto y cuidarán los equipos; a cambio de ello, no pagarán nada por el servicio puesto a su disposición. Además, el tesista dispone de tiempo y el asesor es un experto en temas de energías renovables y aportará su tiempo y conocimientos para la ejecución exitosa del presente proyecto de investigación. La investigación propuesta se realizará en una vivienda del Barrio Santa Rosa y en una vivienda del Pueblo Joven 16 de Octubre, ambas no cuentan con el servicio de energía eléctrica y pertenecen al distrito de Chachapoyas, departamento de Amazonas, en el nor oriente del Perú. Se adaptará la tecnología disponible de sistemas fotovoltaicos que ha dado buen resultado en otras regiones del Perú. El sistema fotovoltaico permitirá suministrar con energía eléctrica a una vivienda para satisfacer su demanda mínima, lo que se constituirá en una alternativa viable, tanto técnica como económica, para ser considerada por el Gobierno Nacional o las empresas proveedoras de energía eléctrica para atender a la población que aún no cuentan con este servicio.

2.4. Marco teórico 2.4.1. Antecedentes de la investigación Los sistemas fotovoltaicos independientes o aislados de la red de distribución eléctrica consisten de: (Jäger et al., 2014) - Paneles fotovoltaicos que convierten la energía contenida en la radiación solar en energía eléctrica. Son el corazón del sistema fotovoltaico. - Una estructura de montaje para fijar el o los paneles fotovoltaicos, para orientarlos hacia el sol.

- Almacenamiento de energía, que es la parte vital de un sistema aislado de la red debido a que asegura que el sistema pueda suministrar energía eléctrica durante la noche o en periodos de clima no favorables. Las baterías son usadas como unidades de almacenamiento de energía, las que deben tener suficiente capacidad para almacenar la energía producida durante el día. - Regulador de carga, son usados para convertir la salida del panel fotovoltaico, que puede tener un voltaje variable dependiendo del tiempo del día y las condiciones climáticas, a un voltaje fijo de salida que pueda ser usado para cargar baterías. El regulador de carga desconecta los paneles fotovoltaicos cuando las baterías están totalmente cargadas, y puede desconectar el consumo para prevenir que las baterías se descarguen más abajo de cierto límite. - Inversor, convierte la corriente continua (CC) generada por el panel fotovoltaico, en corriente alterna (CA) para alimentar el circuito de uso. - Cables, son usados para conectar los diferentes componentes del sistema fotovoltaico y el circuito de uso. Es importante escoger cables de grosor suficiente para minimizar pérdidas por resistencia. Los sistemas fotovoltaicos se caracterizan por: (Instituto Tecnológico de Canarias [ITC], 2008) - Su simplicidad y fácil instalación. - Ser modulares. - Tener una larga duración (la vida útil de los módulos fotovoltaicos es superior a 30 años). - Requerir poco mantenimiento. - Tener una elevada fiabilidad. - No producir ningún tipo de contaminación ambiental. - Tener un funcionamiento totalmente silencioso. Muños (2005), realizó el cálculo de paneles y baterías para una casa rural, instalando cuatro focos de 15 W, una radiograbadora de 10 W y un televisor de 60 W de potencia. El uso total al día de cada equipo fue de: focos 4 horas/día, radiograbadora 2 horas/día y para el televisor 4 horas/día, la energía total consumida fue de 400 Wh/día. Concluyendo la utilización de 1,04 paneles de

110 W que producen con 3,5 horas sol/día 385 Wh/día y 1,33 baterías estacionarias de 12 V 100 Amph con una reserva o respaldo de 3 días. Asimismo, mencionó que la vida útil de las baterías se da en número de ciclos de carga descarga antes que en años; y el número de ciclos tiene una relación inversa a la profundidad de descarga a la cual es sometida. En ningún caso la profundidad de descarga puede alcanzar un valor mayor al 80%, porque esto significaría la inutilización de la batería. Se recomienda en sistemas fotovoltaicos rurales que la batería tenga como mínimo 75% de carga, es decir una profundidad de descarga máxima de 25%. Díaz y Diez (2007), concluyeron que el uso de la energía fotovoltaica y el papel tan importante que juega en el acontecer cotidiano; la energía fotovoltaica no podrá ser limpia pero es una de la mejores alternativas para reemplazar las que dominan al mundo y lo impactan tan brutalmente al utilizar energía convencional. En instalaciones aisladas de la red de distribución de energía eléctrica se debe garantizar este suministro durante todo el año. Los meses más críticos son los de invierno (menos radiación solar), por lo que se persigue la máxima captación en invierno. Para asegurar la máxima captación solar en esos meses, los paneles fotovoltaicos se inclinan unos 10º más que la latitud del lugar donde se instalarán (ITC, 2008). Es recomendable trabajar con paneles solares de 50 a 60 Wp (Watt pico). La batería del sistema ofrece un número limitado de horas de consumo, por lo que se debe saber cuánta energía usar y por cuánto tiempo estará disponible. Si se emplea una lámpara: 12 horas de energía. Usando tres lámparas: 4 horas de energía. Usando dos lámparas y una radio: 4 horas de energía. Usando dos lámparas y un televisor: 2,5 horas de energía. Usando una lámpara y un radio: 4 horas de energía, o una lámpara, un radio y un televisor: 2 horas de energía (Sánchez et al., 2009). El Intermediate Technology Development Group (ITDG, 2010), instaló un sistema híbrido eólico-fotovoltaico en el caserío Campo Alegre, Centro Poblado

de Huanico, distrito de Namora, provincia y Región Cajamarca; en la región natural Jalca, sobre los 3700 msnm. El 100% de familias utilizan velas y pilas, el 60% utiliza kerosene y el 10% utiliza baterías. Utilizan velas para alumbrarse por ser la fuente de energía más económica. El costo del litro de kerosene era de S/ 4,00, el paquete de velas costaba S/ 2,00 a S/ 2,5; las pilas para sus linternas de mano y radios duraban una semana y el costo era de S/ 2,00 a S/ 2,50 el par; sólo dos familias empleaban baterías y tenían problemas para recargarlas, tenían que enviarlas a Cajamarca con el riesgo que se pierdan o la rompan, el costo de recarga era de S/ 3,00 y el de transporte S/ 2,00. El gasto promedio mensual por familia en velas, pilas y baterías era de S/ 19,78. Los principales artefactos que poseían las familias antes de la instalación del sistema híbrido eólico-fotovoltaico en Campo Alegre eran: radios a pilas, equipos de sonido y celulares. Todas las familias tenían al menos una radio receptor para entretenimiento e información, con un promedio de 7 horas de uso diarias. Sólo tres familias tenían televisores antiguos, que no los utilizaban por falta de energía; 4 familias tenían equipos de sonido pero su uso no era muy frecuente ya que funcionaban con batería, el promedio de uso era de 1 a 2 horas a la semana; había 7 familias que tenían celulares que los cargaban en Namora o Cajamarca (ITDG, 2010). La instalación del sistema híbrido eólico-fotovoltaico en Campo Alegre, Cajamarca; ha beneficiado a 20 familias, las que ahora en promedio poseen TV, DVD, radio, celular y tres focos para iluminar su vivienda; además, ha generado los siguientes impactos técnicos (ITDG, 2010): - Tres técnicos locales han sido capacitados y conocen el funcionamiento de los sistemas híbridos. - Un representante del Ministerio de Economía y Finanzas conoce el proyecto como alternativa técnica para la electrificación rural. - Se conoce los parámetros ambientales (velocidad de viento, radiación solar, dirección del viento y temperatura ambiente) de la comunidad de Campo Alegre. - Se conoce el funcionamiento y la generación de energía del sistema híbrido.

- Se conoce el consumo de energía de veinte familias rurales. - Se han formado recursos humanos en evaluación de recurso, medición de parámetros ambientales y eléctricos. Chávez (2012), manifiesta que el sol al ser una fuente de energía inagotable, debe emplearse paneles fotovoltaicos para generar energía eléctrica, lo cual es muy rentable y ecológico. Asimismo, establece que la inversión para implementar el sistema fotovoltaico se recupera en base al ahorro producido en la facturación del consumo de energía eléctrica en la vivienda. El presidente francés, Francois Hollande, y el primer ministro indio, Narendra Modi, ofrecieron lanzar una alianza internacional para difundir el uso de la energía solar en otros países en el marco de la conferencia del clima COP 21 en París, donde delegaciones de más de 190 países buscarán adoptar energías limpias como alternativas a los combustibles fósiles. Un comunicado del gobierno indio destaca que hay cerca de 100 países tropicales con gran potencial para la adopción de la energía solar, los que podrían unirse a la nueva alianza internacional. "La energía solar es una forma práctica y eficiente para reducir gases de efecto invernadero", indicó el comunicado. La energía solar es el centro del plan de reducción de emisiones contaminante presentado por la India ante la ONU. Dicho país ha incrementado significativamente su uso, especialmente en las zonas más vulnerables (El Comercio, 2015). La imposibilidad o inconveniencia técnica y/o económica de conectarse a los grandes sistemas eléctricos, determina priorizar el uso de fuentes de energía solar como la segunda alternativa tecnológica para la solución de las necesidades de electrificación rural vía la implementación de los sistemas fotovoltaicos de uso doméstico o comunal, en áreas geográficas con potenciales solares como en la sierra y selva. En el Perú, en años recientes, se han desarrollado proyectos basándose en la energía solar fotovoltaica, para atender las necesidades básicas de energía en zonas aisladas, rurales y de frontera, habiéndose instalado a nivel nacional, paneles solares para dotar de suministro eléctrico a viviendas, locales comunales e instituciones públicas (MINEM, 2015).

2.4.2. Bases teóricas Cambio climático Es la variación del estado del clima, identificable (por ejemplo, mediante pruebas estadísticas) en las variaciones del valor medio o en la variabilidad de sus propiedades, que persiste durante largos períodos de tiempo, generalmente decenios o períodos más largos. El cambio climático puede deberse a procesos internos naturales o a forzamientos externos como modulaciones de los ciclos solares, erupciones volcánicas o cambios antropógenos persistentes de la composición de la atmósfera o del uso del suelo. La Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (CMNUCC), en su artículo 1, define el cambio climático como “cambio de clima atribuido directa o indirectamente a la actividad humana que altera la composición de la atmósfera global y que se suma a la variabilidad natural del clima observada durante períodos de tiempo comparables” (Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático [IPCC], 2014). Con respecto a la incorporación del cambio climático en la educación, desde junio de 2015 se cuenta con “Lineamientos para la incorporación de la adaptación al cambio climático en la universidad peruana”, que se agrupan en cuatro funciones de la Universidad: la gestión, la formación, la investigación y la extensión. De ello se extrae lo relacionado con la presente investigación; en gestión: Gestionar recursos financieros que permitan la incorporación de la adaptación al cambio climático en cada una de las funciones sustantivas de la Universidad; en formación: Desarrollar capacidades y habilidades de los docentes en materia de adaptación al cambio climático; en investigación: Institucionalizar e implementar mecanismos de promoción y desarrollo de investigaciones para la adaptación al cambio climático desde una perspectiva interdisciplinar; en extensión: Establecer coordinaciones interinstitucionales en materia de extensión universitaria orientadas al desarrollo de acciones de adaptación al cambio climático (MINAM, 2016).

Energías renovables Los combustibles fósiles o nucleares son no renovables porque sus fuentes no son “rellenadas” por la naturaleza, al menos no en una cantidad de tiempo aprovechable dentro del tiempo de vida del hombre. A diferencia de ello, las fuentes de energía renovable son “rellenadas” por procesos naturales a una velocidad comparable o tan rápido como su velocidad de consumo por el hombre (Jäger et al., 2014). La energía renovable es producida de manera natural, repetitiva y persistente en el medio ambiente en cualquier lugar de la tierra; por ejemplo, la energía solar persiste y se repite día a día, varia de un lugar a otro, de una estación a otra y en función al clima local y la presencia de nubes. La energía renovable incluye la radiación solar, el viento, la biomasa (plantas cosechadas), ríos (potencia hídrica), las mareas y calor geotérmico. También se le denomina energía verde o sustentable (Twidell y Weir, 2015). El Perú tiene un gran potencial de energías renovables, cuyo aprovechamiento reducirá el empleo de combustibles fósiles y la emisión de gases de efecto invernadero causantes del cambio climático. Las tecnologías para su aplicación están disponibles y contribuirán a mejorar la calidad de vida de sus usuarios y la salud del planeta. Energía solar La energía contenida en la luz solar, llamada energía solar, es radiación electromagnética que emite el sol y puede convertirse directamente en electricidad usando equipos denominados paneles fotovoltaicos. Esta radiación está compuesta de tres tipos: radiación infrarroja (42%), son ondas de calor invisibles para el ser humano, pero sensibles al tacto; la radiación visible (46%), el único rango sensible para la vista humana; y la radiación ultravioleta (12%),

no la podemos visualizar, causa la insolación de la piel y dependiendo de la sensibilidad, puede causar cáncer de piel, por ser radiación de alta energía. A la superficie terrestre llegan mayormente la radiación visible y la infrarroja, para diversas aplicaciones (fototérmicas, fotovoltaicas, etc.) (Valera, 2007). La radiación solar terrestre tiene dos componentes: la directa y la difusa. La radiación solar directa llega desde el Sol hasta algún objeto o superficie terrestre, sin reflexiones o refracciones en su recorrido; puede reflejarse y concentrarse para su utilización, los objetos que se interponen en su trayecto produce sombras. La radiación solar difusa, se genera por las alteraciones de la radiación solar en su recorrido desde que ingresa a la atmósfera, siendo reflejada por partículas de polvo atmosférico, montañas, árboles, edificios, etc., o absorbida por las nubes; los objetos que se interponen en su recorrido no proyectan sombra y producto de las constantes reflexiones va perdiendo energía (Valera, 2007). Una parte de la radiación solar que es reflejada por la superficie terrestre, llamada albedo, puede estar también presente en la radiación solar total, que está constituida por esos tres componentes (Jäger et al., 2014).

Paneles fotovoltaicos Un panel fotovoltaico produce electricidad en corriente continua y sus parámetros característicos (intensidad y tensión) varían con la radiación solar que incide sobre las células que lo componen y con la temperatura ambiente. Utilizando inversores se puede transformar la corriente continua en corriente alterna, cuyas características serán las mismas que la electricidad de la red eléctrica. Para su caracterización, los paneles fotovoltaicos se evalúan en condiciones estándar: 1000 W/m2 (1 kW/m2) de radiación solar y 25 ºC de temperatura de las células fotovoltaicas. La máxima potencia generada en estas condiciones por cada panel fotovoltaico se mide en Wp (Watt pico); a la que se denomina potencia nominal del módulo (ITC, 2008). Los paneles fotovoltaicos son fiables y silenciosos, no tienen partes movibles y pueden durar de 20 a 30 años o más, tienen eficiencias entre 15 a 20%. El mantenimiento consiste en limpiarlos una vez por semana para evitar que la

suciedad bloquee el paso de los rayos del sol. Los paneles fotovoltaicos no producen CO2 que atrape calor en la atmósfera. La contaminación del aire y del agua durante su funcionamiento es extremadamente baja, la contaminación del aire durante su fabricación es baja, la alteración del terreno es muy escasa en los sistemas montados en techos y la producción de los materiales no requiere minería de superficie (Miller, 2002). El rendimiento neto de energía es bastante alto y está aumentando en los nuevos diseños. Emplean la radiación solar directa y la difusa (Jäger et al., 2014).

2.4.3. Definición de términos básicos Día soleado Día con presencia visible del sol, por lo que predomina la radiación solar directa. En Chachapoyas, Amazonas, se pueden alcanzar picos promedio de radiación solar entre 800 a 1000 W/m2 (Vigo y Trigoso, 2012; Montenegro, 2013).

Día nublado Día con nula presencia visible del sol, por lo que únicamente se dispone de la radiación solar difusa. En Chachapoyas, Amazonas, en este tipo de día se pueden alcanzar picos promedio de radiación solar entre 300 y menos de 600 W/m 2 (Vigo y Trigoso, 2012; Montenegro, 2013).

Día combinado Día con presencia visible del sol promedio entre soleado y nublado. En Chachapoyas, Amazonas, en este tipo de día se pueden alcanzar picos promedio de radiación solar entre 600 y menos de 800 W/m2 (Vigo y Trigoso, 2012; Montenegro, 2013).

Efecto fotovoltaico La energía solar se convierte directamente en electricidad usando equipos hechos con materiales semiconductores llamados células fotovoltaicas. Este proceso aplica el efecto fotovoltaico, que se produce al incidir la luz sobre materiales semiconductores para generar un flujo de electrones en el interior del material

que puede ser aprovechado para obtener energía eléctrica. Un panel fotovoltaico está constituido por varias células fotovoltaicas conectadas entre sí en serie, en paralelo o en serie-paralelo, en función de los valores de tensión e intensidad deseados y alojadas en un mismo marco (ITC, 2008). 2.5. Hipótesis Cada sistema fotovoltaico de 100 Wp instalado en vivienda del Barrio Santa Rosa y vivienda del Pueblo Joven 16 de Octubre, permite el funcionamiento de 3 focos LED de 8 W durante 3 horas por día, se carga un celular durante una hora diaria; asimismo, las familias pueden hacer uso de una radio durante 2 horas por día o un televisor pequeño durante 1 hora por día. El sistema fotovoltaico mejora la calidad de vida de las personas beneficiadas, teniendo iluminación adecuada para que los hijos que estudian puedan realizar con mucha más facilidad sus trabajos académicos, escuchar noticias y programas educativos, además mejorar su salud por la no existencia de humos de velas o lámparas dentro del hogar; lo que contribuye a su inclusión social. 2.6. Objetivos 2.6.1. Objetivo general Determinar el rendimiento de sistemas fotovoltaicos de 100 Wp en vivienda del Barrio Santa Rosa y del Pueblo Joven 16 de Octubre, Chachapoyas, Amazonas 2017. 2.6.2. Objetivos específicos - Instalar un sistema fotovoltaico constituido por panel fotovoltaico de 100 Wp, regulador de carga, batería de 100 Amph, inversor de carga de 300 W y circuito eléctrico; para abastecer con energía eléctrica en 220 V a la vivienda. - Medir el tiempo de funcionamiento de tres focos LED de 8W para iluminar ambientes de la vivienda. - Evaluar el tiempo adecuado para cargar la batería de un teléfono celular, o para el funcionamiento de una radio o un televisor pequeño conectados al tomacorriente del circuito eléctrico.

-

Registrar el tiempo de funcionamiento de combinaciones de focos y radio o televisor en conjunto; en días soleados, nublados y combinados.

- Elaborar una propuesta de uso de la energía eléctrica generada, priorizando la iluminación para que los integrantes de la familia realicen sus tareas escolares y estudien. 2.7. Variables de estudio 2.7.1. Variables independientes  Radiación solar.  Temperatura ambiente.  Tipo de día. 2.7.2. Variables dependientes  Carga de la batería.  Rendimiento del sistema fotovoltaico. 2.7.3. Operacionalización de variables Tabla 4. Operacionalización de variables del presente proyecto de investigación. Variable

Definición conceptual Radiación

Definición operacional Radiación solar en cada

Indicadores

electromagnética que

lugar donde se instale

emite el sol compuesta

un sistema fotovoltaico,

Radiación

por: radiación infrarroja

registradas cada media

Radiación solar:

solar

(42%) que son ondas de

hora desde las 8:00 am

kW/m2

calor, radiación visible

hasta las 4:00 pm.

(46%) y radiación ultravioleta (12%). Temperatura Temperatura que puede ambiente

Temperatura del medio

Temperatura

ser medida en un sitio

ambiente donde se

ambiente: °C

abierto a la intemperie o

instale un sistema

fotovoltaico, registradas cerrado, en un momento

cada media hora desde

determinado.

las 8:00 am hasta las 4:00 pm. Radiación solar: entre 800 y 1000 Día soleado: sol visible

Radiación solar:

Se definen en función a Tipo de día

la presencia visible o ausencia del sol durante

kW/m2

Día nublado: no se ve el sol por la nubosidad

el día.

entre 300 y menos de 600 kW/m2 Radiación solar:

Carga de la batería

Día combinado: parcial

entre 600 y

presencia del sol.

menos de 800

Es la cantidad de energía Voltaje o porcentaje de

kW/m2 Carga de la

eléctrica almacenada en

energía almacenada en

batería: en V o

la batería. Horas de

en %. No. de focos

Rendimiento

la batería. Cantidad y tipo de

del sistema

equipos que funcionan

funcionamiento de 1 a 3 funcionando por

fotovoltaico

por hora con la energía

focos LED de 8 W.

hora.

Horas de carga de

Horas para

batería de un teléfono

cargar batería de

celular.

teléfono celular.

Horas de

Horas de

funcionamiento de una

funcionamiento

radio o un televisor.

de radio o TV.

Horas de

Horas de

funcionamiento de

funcionamiento

combinaciones de focos

de

eléctrica suministrada por el sistema fotovoltaico.

y radio o televisor.

combinaciones de focos y radio o televisor.

2.8. Marco metodológico 2.8.1. Diseño de la investigación El diseño de investigación para este proyecto esta dado por la relación entre las variables independientes y variables dependientes: la radiación solar define el tipo de día, y en función de esto se cargará la batería y se determinará el rendimiento del sistema fotovoltaico. Día soleado Radiación solar

Día combinado

Rendimiento del sistema Fotovoltaico

Día nublado 2.8.2. Métodos, técnicas e instrumentos de recolección de datos y procedimientos A. Métodos Se empleará el método analítico puesto que los datos experimentales se clasificarán en función de los rangos de radiación solar para definir el tipo de día en que se hizo la evaluación. Además, se analizarán los resultados del rendimiento del sistema fotovoltaico en base al tipo de día y combinación de equipos en funcionamiento, para elaborar una propuesta de uso racional de la energía generada por este sistema.

B. Técnicas Se empleará el análisis de datos experimentales para determinar el rendimiento del sistema fotovoltaico; y la entrevista para determinar los beneficios generados para los usuarios de esta tecnología. C. Instrumentos En cada sistema fotovoltaico instalado y empleando el formato de la Tabla 5, cada media hora, desde las 8:00 am hasta las 4:00 pm, se registrará el voltaje y amperaje producidos, para luego calcular la carga de la batería en Watt. También se registrará el porcentaje de carga de la batería, leído directamente de la pantalla del regulador de carga.

Tabla 5. Formato para registro cada media hora de la radiación solar; voltaje y amperaje suministrado por el sistema fotovoltaico; potencia y porcentaje de carga de la batería. Porcentaje Tiempo

Radiación solar

Voltaje

Amperaje

Potencia

de carga de

(h)

(kW/m2)

(V)

(Amp)

(W)

la batería (%)

08:00 am 08:30 am 09:00 am 09:30 am 10:00 am 10:30 am 11:00 am 11:30 am 12:00 m 12:30 pm 01:00 pm 01:30 pm 02:00 pm 02:30 pm

03:00 pm 03:30 pm 04:00 pm

Se evaluará el rendimiento de la batería en horas para el funcionamiento de televisor o radio, carga de la batería de un teléfono celular y tres focos LED de 8 W; en conjunto y en combinaciones para hacer las sugerencias de uso correspondientes. Diariamente y durante un tiempo suficiente se medirán y registrarán los datos indicados en las Tablas 5 a la 11, de manera que se tengan como mínimo 20 tablas de registro de datos de cada tipo de días. Se empleará un formato de cada Tabla para cada día de evaluación. Con la batería cargada completamente (100%), se procederá a determinar el tiempo de suministro de energía eléctrica (los datos se registrarán en el formato de la Tabla 6 a la 11) para las siguientes combinaciones:  Tres focos LED de 8 W y carga de batería de teléfono celular.  Dos focos LED de 8 W y carga de batería de teléfono celular.  Dos focos LED de 8 W y una radio.  Dos focos LED de 8 W y un televisor.  Un foco LED de 8 W y un televisor.  Un foco LED de 8 W, una radio y un televisor.

Tabla 6. Formato de registro de datos para iluminación con tres focos LED de 8 W y carga de batería de teléfono de celular.

Día de la semana 1 2

Voltaje inicial de

Voltaje final de

la batería

la batería

Tiempo de funcionamiento (h)

3 4 5 Tabla 7. Formato de registro de datos para iluminación con dos focos LED de 8 W y carga de batería de teléfono de celular.

Día de la semana

Voltaje inicial de

Voltaje final de

la batería

la batería

Tiempo de funcionamiento (h)

1 2 3 4 5

Tabla 8. Formato de registro de datos para iluminación con dos focos LED de 8 W y una radio.

Día de la semana 1 2 3 4 5

Voltaje inicial de

Voltaje final de

la batería

la batería

Tiempo de funcionamiento (h)

Tabla 9. Formato de registro de datos para iluminación con dos focos LED de 8 W y un televisor.

Día de la semana

Voltaje inicial de

Voltaje final de

la batería

la batería

Tiempo de funcionamiento (h)

1 2 3 4 5

Tabla 10. Formato de registro de datos para iluminación con un foco LED de 8 W y un televisor.

Día de la semana

Voltaje inicial de

Voltaje final de

la batería

la batería

Tiempo de funcionamiento (h)

1 2 3 4 5

Tabla 11. Formato de registro de datos para iluminación con un foco LED de 8 W, una radio y un televisor. Día de la semana

Voltaje inicial de

Voltaje final de

Tiempo de

la batería

la batería

funcionamiento (h)

1 2 3 4 5

D. Procedimientos D.1. Sistema fotovoltaico Se emplearán dos sistemas fotovoltaicos independientes de la misma potencia, constituidos cada uno, como se muestra en el esquema de la Figura 1, por un panel solar de 100 Wp, un regulador de carga de 10 Amp, una batería de 100 Amph, un inversor de 300 W. Además, se instalará el circuito eléctrico en cada una de las viviendas, para que tengan iluminación con tres focos LED de 8W y un tomacorriente para cargar la batería de un teléfono celular o hacer funcionar una radio o un televisor pequeño.

Figura 1. Componentes de un sistema fotovoltaico. Para ensamblar el sistema fotovoltaico se seguirán los siguientes pasos: a) Conectar la batería al regulador de carga, teniendo la precaución de conectar los cables al pie del símbolo de batería de este regulador (Figura 2), de acuerdo a su polaridad: rojo es positivo y negro negativo. Hecho esto, la

pantalla del regulador de carga se encenderá y mostrará el símbolo de la batería. b) Enseguida conectar el panel solar al mismo regulador de carga, teniendo la precaución de conectar los cables al pie del símbolo de panel del regulador (Figura 2), de acuerdo a su polaridad: rojo es positivo y negro negativo. En la pantalla del regulador de carga aparecerá el símbolo del panel solar. c) Luego se conecta el regulador de carga con el inversor (Figura 3), teniendo la precaución de conectar los cables al pie del símbolo de carga (foco) del regulador (Figura 2), de acuerdo a su polaridad: rojo es positivo y negro negativo. En la pantalla aparecerá el símbolo de un foco. d) El sistema fotovoltaico está listo para cargar la batería y suministrar energía eléctrica alterna de 220 V a la vivienda.

Figura 2. Regulador de carga.

Regulador de carga

Inversor

Salida al circuito de uso

Batería

Figura 3. Conexión de componentes del sistema fotovoltaico.

D.2. Operación del sistema fotovoltaico a) El panel fotovoltaico se ubicará sobre el techo de la vivienda, en la dirección norte-sur, con el lado sur levantado 30° (inclinación) para compensar la curvatura terrestre. El panel debe estar libre de cualquier sombra para no afectar su rendimiento. b) Durante el día debe evitarse el consumo de energía de la batería para tener energía disponible en la noche principalmente para iluminación. c) Si el día es soleado, se puede cargar la batería del teléfono celular o usar la radio o un televisor pequeño, únicamente en la mañana, porque habrá suficiente disponibilidad de radiación solar para cargar la batería del sistema fotovoltaico al 100% en el resto del día, para su uso en la noche. d) Una vez por semana se limpiará con trapo suave y húmedo la superficie del panel fotovoltaico para su correcto funcionamiento.

e) Sólo los integrantes del equipo de investigación harán el mantenimiento correspondiente a los componentes del sistema fotovoltaico. Ninguna otra persona deberá manipular el sistema porque puede poner en riesgo su vida por shock eléctrico. f) Los equipos de iluminación o de otro tipo autorizados se emplearán de acuerdo a lo planificado en la presente investigación para el registro de datos. En coordinación con el equipo de investigación y el usuario se podrán hacer modificaciones favorables para la investigación. g) En días nublados, se priorizará el uso de la energía de la batería únicamente para iluminación en horas de la noche.

2.8.3. Análisis de datos Se agrupará las tablas de registro de datos por tipo de día, junto con las tablas de registro de horas de uso de las combinaciones de equipos establecidos para la presente investigación. Se realizará un análisis estadístico de los datos que se mostrará en tablas y gráficas correspondientes para su mejor interpretación. Se trabajará con los promedios de cada tipo de día para calcular la potencia generada por cada sistema fotovoltaico, en cada lugar beneficiario y determinar su rendimiento según cada combinación de empleo de equipos, para obtener el rendimiento promedio de manera que se pueda sugerir los equipos y las horas máximas de su uso, priorizando la energía necesaria para iluminación de los ambientes de la vivienda en horas de la noche. Para cada tipo de día se elaborará una propuesta de uso de la energía generada por el sistema fotovoltaico, de manera que se satisfaga la demanda mínima y se tenga disponible para actividades prioritarias como es la iluminación adecuada para el estudio y la elaboración de tareas académicas de los integrantes de la familia.

2.10. Referencias bibliográficas Chávez Guerrero, Mónica A. (2012). Proyecto de factibilidad para uso de paneles solares en generación fotovoltaica de electricidad en el complejo habitacional “San Antonio”. Tesis para obtener el título profesional de Ingeniera Mecánica. Escuela Superior Politécnica de Chimborazo. Colombia. Díaz Narvaez, Hedier. y Fabián Diez Cardona. (2007). Análisis, modelado, simulación y validación de un sistema generación de energía solar autónomo. Tesis para obtener el título profesional de Ingeniero Eléctrico. Universidad Autónoma de Occidente. Colombia. El Comercio. (2015). India y Francia fomentarán uso de energía solar en otros países. Miércoles 30 de noviembre de 2015. Lima. Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático [IPCC]. (2014). Cambio climático 2014. Impactos, adaptación y vulnerabilidad. Resumen para responsables de políticas. Contribución del Grupo de trabajo II al Quinto Informe de Evaluación del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático. Disponible en www.ipcc-wg2.gov/AR5. Intermediate Technology Development Group. (2010). Consultoría Implementación de un (01) Sistema Híbrido Eólicofotovoltaico, Informe Final. Instituto Tecnológico de Canarias [ITC], S.A. (2008). Energías renovables y eficiencia energética. ISBN 978-84-69093-86-3. Disponible en formato digital en www.renovae.org. Jäger, Klaus, Olindo Isabella, Arno H.M. Smets, René A.C.M.M. van Swaaij & Miro Zeman. (2014). Solar energy. Fundamentals, technology and systems. Delft University of Technology. Netherland. Miller, G. Tyler. (2002). Ciencia ambiental ; preservemos la tierra. (5ta. Edición). México: International Thomson Editores.

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