UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y DE ENERGÍA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA EN ENERGÍA “DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO CENTRALIZADO PARA EL MEJORAMIENTO DEL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN LA LOCALIDAD DE "MASISEA", PROVINCIA CORONEL PORTILLO, REGIÓN UCAYALI” TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO EN ENERGÍA CARLOS AUGUSTO ACOSTA HUERTA Callao, 2021 PERÚ “DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO CENTRALIZADO PARA EL MEJORAMIENTO DEL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN LA LOCALIDAD DE "MASISEA", PROVINCIA CORONEL PORTILLO, REGIÓN UCAYALI” UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA y DE ENERGÍA TITULACIÓN PROFESIONAL POR LA MODALIDAD DE TESIS CON CICLO DE TESIS II CICLO TALLER DE TESIS -2021 ACTA N° 077 DE SUSTENTACIÓN DE TESIS CON CICLO TALLER PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO EN ENERGÍA LIBRO N° 001, FOLIO N° 103, ACTA N° 077 DE SUSTENTACIÓN DE TESIS CON CICLO TALLER DE TESIS PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO EN ENERGÍA A los 08 días del mes diciembre, del año 2021, siendo las 13:40 horas, se reunieron, en la sala meet: https://meet.google.com/wdy-xddb-bej el JURADO DE SUSTENTACION DE TESIS para la obtención del TÍTULO profesional de Ingeniero en Energía de la Facultad de Ingeniería Mecánica y de Energía , conformado por los siguientes docentes ordinarios de la Universidad Nacional del Callao:  Dr. Juan Manuel Palomino Correa : Presidente  Dr. Nelson Alberto Díaz Leiva : Secretario  Mg. Juan Guillermo Mancco Pérez : Miembro  Mg. Lizandro Bernaldo Rosales Puño : Asesor Se dio inicio al acto de sustentación de la tesis del Bachiller ACOSTA HUERTA, CARLOS AUGUSTO, quien habiendo cumplido con los requisitos para optar el Título Profesional de Ingeniero en Energía sustenta la tesis titulada “DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO CENTRALIZADO PARA EL MEJORAMIENTO DEL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN LA LOCALIDAD DE "MASISEA", PROVINCIA CORONEL PORTILLO, REGIÓN UCAYALI”, cumpliendo con la sustentación en acto público, de manera no presencial a través de la Plataforma Virtual, en cumplimiento de la declaración de emergencia adoptada por el Poder Ejecutivo para afrontar la pandemia del Covid - 19, a través del D.S. N° 044-2020-PCM y lo dispuesto en el DU N° 026-2020 y en concordancia con la Resolución del Consejo Directivo N°039-2020-SUNEDU-CD y la Resolución Viceministerial N° 085-2020-MINEDU, que aprueba las "Orientaciones para la continuidad del servicio educativo superior universitario"; Con el quórum reglamentario de ley, se dio inicio a la sustentación de conformidad con lo establecido por el Reglamento de Grados y Títulos vigente. Luego de la exposición, y la absolución de las preguntas formuladas por el Jurado y efectuadas las deliberaciones pertinentes, acordó: Dar por APROBADO con la escala de calificación cualitativa BUENO y calificación cuantitativa 15 (quince), la presente Tesis, conforme a lo dispuesto en el Art. 27 del Reglamento de Grados y Títulos de la UNAC, aprobado por Resolución de Consejo Universitario N° 245-2018- CU del 30 de octubre del 2018. Se dio por cerrada la Sesión a las 14:16 horas del día 08 del mes y año en curso. ……………………………………………. …………………………………………….. Dr. Juan Manuel Palomino Correa Dr. Nelson Alberto Díaz Leiva Presidente de Jurado Secretario de Jurado ……………………………… ………………………………………………….. Mg. Juan Guillermo Mancco Pérez Mg. Lizandro Bernaldo Rosales Puño Vocal de Jurado Asesor https://meet.google.com/wdy-xddb-bej DEDICATORIA A mi hija el pilar de mi esfuerzo y superación. A mis padres y hermanos por el apoyo constante en el transcurso de mi vida, quienes día a día impartieron en mi con sus enseñanzas, A mi querida Facultad FIME, por haberme permitido formarme en sus aulas, compartiendo ilusiones y anhelos. AGRADECIMIENTO En primer lugar, agradezco a Dios, quien ha forjado mi camino y me ha dirigido por el sendero correcto, el que en todo momento está conmigo ayudándome a aprender de mis errores y a guiar el destino de mi vida. Asimismo, expreso mi inmenso agradecimiento a mis profesores de facultad, quienes impartieron en mi muchos conocimientos y sus sabios consejos en el transcurso de mi vida universitaria. A mis profesores del curso por su orientación y atención a mis consultas para el desarrollo exitoso de mi investigación. 1 INDICE GENERAL RESUMEN ............................................................................................................ 6 ABSTRACT ........................................................................................................... 7 INTRODUCCIÓN................................................................................................... 8 I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................................................... 9 1.1. Descripción de la realidad problemática ..................................................... 9 1.2. Formulación del problema ........................................................................ 10 1.2.1 Problema general ................................................................................ 10 1.2.2 Problemas específicos ........................................................................ 10 1.3. Objetivos ................................................................................................... 11 1.3.1 Objetivo general .................................................................................. 11 1.3.2 Objetivos específicos .......................................................................... 11 1.4. Limitantes de la Investigación ................................................................... 11 1.4.1 Teórica ................................................................................................ 11 1.4.2 Temporal ............................................................................................. 11 1.4.3 Espacial ............................................................................................... 11 II. MARCO TEÓRICO ...................................................................................... 12 2.1. Antecedentes ............................................................................................ 12 2.1.1 Antecedentes internacionales: ............................................................ 12 2.1.2 Antecedentes nacionales .................................................................... 15 2.2. Bases teóricas .......................................................................................... 18 2.2.1 Energía y potencia eléctrica ................................................................ 18 2.2.2 Potencia, máxima demanda y el factor de carga ................................ 19 2.2.3 Semiconductores ................................................................................ 20 2.2.4 Efecto Fotovoltaico .............................................................................. 22 2.2.5 Radiación solar ................................................................................... 23 2.2.6 Hora solar pico .................................................................................... 24 2.2.7 Instalación solar fotovoltaica aislada ................................................... 25 2.2.8 El panel Fotovoltaico ........................................................................... 25 2.2.9 Baterías ............................................................................................... 28 2.2.10 Inversor ............................................................................................. 29 2.2.11 Transformador ................................................................................... 30 2 2.2.12 Geometría Solar ................................................................................ 31 2.2.13 Componentes y factores de cálculo de la irradiación solar sobre una superficie inclinada ....................................................................................... 32 2.3. Marco conceptual ..................................................................................... 36 2.4. Definición de términos básicos ................................................................. 37 III. HIPOTESIS Y VARIABLES ..................................................................... 39 3.1. Hipótesis ................................................................................................... 39 3.1.1 Hipótesis general ................................................................................ 39 3.1.2 Hipótesis especificas ........................................................................... 39 3.2. Definición conceptual de las variables ...................................................... 39 3.2.1 Operacionalización de variables ......................................................... 40 IV. DISEÑO METODOLOGICO ..................................................................... 41 4.1. Tipo y diseño de la investigación .............................................................. 41 4.2. Población y muestra ................................................................................. 41 4.3. Lugar de estudio y periodo desarrollado ................................................... 42 4.4. Técnicas e instrumentos para la recolección de la información ............... 42 4.5. Análisis y procesamiento de datos ........................................................... 42 4.5.1 Etapas de la investigación .................................................................. 42 4.5.2 Desarrollo de la investigación ............................................................. 43 V. RESULTADOS ............................................................................................ 74 5.1. Resultados descriptivos ............................................................................ 74 VI. DISCUSION DE RESULTADOS .............................................................. 75 6.1. Contrastación y demostración de la hipótesis con los resultados ............ 75 6.2. Contrastación de los resultados con otros estudios similares .................. 77 6.3. Responsabilidad ética de acuerdo a los reglamentos vigentes ................ 79 CONCLUSIONES ............................................................................................... 80 RECOMENDACIONES ....................................................................................... 81 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ................................................................... 82 ANEXOS ............................................................................................................. 85 3 INDICE DE TABLAS Tabla N° 2.1. Tipos de baterías ........................................................................... 29 Tabla N° 3.1. Operacionalización de variables ................................................... 40 Tabla N° 4.1 Técnicas e instrumentos de recolección de datos.......................... 42 Tabla N° 4.2. Etapas de la investigación ............................................................. 43 Tabla N° 4.3. Abonados del proyecto .................................................................. 43 Tabla N° 4.4. Información histórica poblacional 2000-2015 ................................ 44 Tabla N° 4.5. Tasas de crecimiento poblacional por provincia ........................... 44 y distrito ............................................................................................................... 44 Tabla N° 4.6. Proyección de población y abonados ............................................ 45 Tabla N° 4.7. Información comercial del año 2020 del SIA isla santa rosa ......... 45 Tabla N° 4.8. Consumo promedio de abonados domésticos .............................. 46 del año 2020 ........................................................................................................ 46 Tabla N° 4.9. Consumo promedio de abonados de uso general del año 2020 ... 46 Tabla N° 4.10. Promedio anual de consumos abonados domiciliarios ............... 46 Tabla N° 4.11. Promedio anual de consumos abonados de uso general ........... 47 Tabla N° 4.12. Parámetros de curva potencial .................................................... 48 Tabla N° 4.13. Proyección de demanda mensual de abonados ......................... 49 Tabla N° 4.14. Proyección de demanda de alumbrado público .......................... 49 Tabla N° 4.15. Proyección de demanda de la localidad ...................................... 49 Tabla N° 4.16. Proyección del factor de carga .................................................... 50 Tabla N° 4.17. Determinación de máxima potencia unitaria ............................... 50 Tabla N° 4.18. Determinación de máxima potencia de la localidad .................... 51 Tabla N° 4.19. Máxima potencia de diseño ......................................................... 51 Tabla N° 4.20. Irradiación diaria promedio - NASA ............................................. 52 Tabla N° 4.21. Irradiación diaria promedio - Meteonorm 8.0............................... 53 Tabla N° 4.22. Irradiación diaria promedio – Atlas solar ..................................... 53 Tabla N° 4.23.Irradiacion promedio mensual sobre el plano inclinado ............... 55 Tabla N° 4.24. Cálculo de sección de conductor, Panel-Inversor ....................... 61 Tabla N° 4.25. Cálculo de sección de conductor, Inversor-Transformador ......... 61 Tabla N° 4.26. Cálculo de sección de conductor, Baterías-CDT ......................... 62 Tabla N° 4.27. Resumen de selección de conductores ...................................... 62 4 Tabla N° 4.28. Resumen del equipamiento principal .......................................... 63 Tabla N° 4.29. Resumen del presupuesto de obra ............................................. 63 Tabla N° 4.30. Resumen Total de inversiones .................................................... 64 Tabla N° 4.31. Análisis general de la demanda .................................................. 65 Tabla N° 4.32. Costos incrementales a precios privados .................................... 66 Tabla N° 4.33. Costos incrementales a precios sociales .................................... 67 Tabla N° 4.34. Beneficios a precios privados ...................................................... 67 Tabla N° 4.35. Beneficios a precios sociales ...................................................... 68 Tabla N° 4.36. Beneficios incrementales a precios privados y sociales .............. 69 Tabla N° 4.37. Indicadores de rentabilidad obtenidos ......................................... 69 Tabla N° 4.38. Análisis de Sostenibilidad ............................................................ 70 Tabla N° 4.39. Análisis de Sensibilidad ............................................................... 70 Tabla N° 4.40. Cálculo de huella de Carbono ..................................................... 72 5 INDICE DE FIGURAS Figura N° 2.1. Dopaje del Silicio .......................................................................... 21 Figura N° 2.2. Dopaje del Silicio .......................................................................... 22 Figura N° 2.3. Hora solar Pico ............................................................................. 23 Figura N° 2.4. Componentes de la radiación solar .............................................. 24 Figura N° 2.5. Hora solar Pico ............................................................................. 25 Figura N° 2.6. Dopaje del Silicio .......................................................................... 25 Figura N° 2.7. Estructura del panel solar ............................................................ 26 Figura N° 2.8. Tipos de conexión del panel solar ................................................ 27 Figura N° 2.9. Curva V-I del Panel Solar ............................................................. 28 Figura N° 2.10. Curva descarga de baterías ....................................................... 29 Figura N° 2.11. Esquema de un inversor CC/CA ................................................ 30 Figura N° 2.12. Circuito equivalente de un transformador monofásico ............... 30 Figura N° 2.13. Declinación ................................................................................. 32 Figura N° 4.1. Carta Solar ................................................................................... 54 Figura N° 4.2. Configuración Panel-Inversor ....................................................... 58 Figura N° 4.3. Factores de emisión por uso de electricidad ................................ 71 Figura N° 4.4. Potenciales de calentamiento global ............................................ 72 Figura N° 4.5. Especificaciones Técnicas de Grupo Electrógeno ....................... 73 INDICE DE GRÁFICOS Gráfico N° 2.1. Energía y Potencia ..................................................................... 20 Gráfico N° 4.1. Curva potencial de demanda histórica de abonados domiciliarios ............................................................................................................................ 47 Gráfico N° 4.2. Curva potencial de demanda histórica de abonados de uso general ................................................................................................................ 48 6 RESUMEN En la presente investigación se realizó el diseño de un sistema fotovoltaico centralizado de 768 kWp el cual tuvo como objetivo el mejoramiento del suministro de energía eléctrica en la localidad de Masisea la cual cuenta con una población de 871 viviendas. El diseño del sistema se fundamentó en el principio fotovoltaico para la generación de energía eléctrica, en el cual en primera instancia se determinó la máxima demanda de energía y potencia del sistema mediante el uso de datos históricos OSINERGMIN del consumo energético de un sistema eléctrico modelo, posteriormente se estimó la radiación solar del emplazamiento mediante datos de la NASA para así dimensionar la cantidad de paneles requeridos, inversores, baterías, transformador y dispositivos complementarios necesarios con los cuales se obtuvo un presupuesto estimado; finalmente se realizó la evaluación económica desde los enfoques a precios privados y a precios sociales. Los resultados obtenidos de la presente investigación permitieron establecer mejoras en el suministro de energía eléctrica, los cuales se fundamentaron en varios aspectos como, en la mejora de la disponibilidad de energía eléctrica a la población, mejora en la continuidad del suministro, reducción del precio de la tarifa de venta de energía actual y finalmente se obtuvo la rentabilidad económica social del sistema. Palabras clave: Sistema Fotovoltaico Centralizado Suministro de energía eléctrica Disponibilidad de energía eléctrica Continuidad del suministro Rentabilidad económica social 7 ABSTRACT In this research, the design of a 768 kWp centralized photovoltaic system was carried out, which aimed to improve the supply of electricity in the town of Masisea, which has a population of 871 homes. The design of the system was based on the photovoltaic principle for the generation of electrical energy, in which in the first instance the maximum demand for energy and power of the system was determined by using historical data OSINERGMIN of the energy consumption of a model electrical system, Subsequently, the solar radiation of the site was estimated using data from NASA in order to size the amount of required panels, inverters, batteries, transformer and necessary complementary devices with which an estimated budget was obtained; Finally, the economic evaluation was carried out from the approaches at private prices and at social prices. The results obtained from the present investigation allowed to establish improvements in the supply of electrical energy, which were based on several aspects such as, in the improvement of the availability of electrical energy to the population, improvement in the continuity of supply, reduction of the price of the current energy sales rate and finally the social economic profitability of the system was obtained. Keywords: Centralized Photovoltaic System Electric power supply Electric power availability Continuity of supply Social economic profitability 8 INTRODUCCIÓN A nivel mundial, uno de los factores más importantes por el cual se logra un desarrollo homogéneo de las naciones es mediante el mayor acceso de la población a la energía eléctrica que se evidencia con los índices de electrificación, tal es así que los países con bajos índices de electrificación nacional y rural coincidentemente tienen bajos índices promedios de desarrollo y estándares promedios menores de calidad de vida de su población. Es por ello que nuestro país realiza inversiones anuales programadas con el objetivo de aumentar los coeficientes de electrificación y así disminuir la brecha de desigualdad en la calidad de vida de la población. Sin embargo, aún resulta difícil para el estado electrificar localidades que se encuentran aisladas de las redes locales existentes, esto principalmente por el exceso de inversión que se requiere para su conexión a las redes locales por encontrarse muy distantes y en muchos casos aisladas geográficamente. Para ello se ha realizado la presente investigación que consiste en el agrupamiento de la generación mediante paneles solares diseñando un sistema fotovoltaico centralizado autónomo que permita la electrificación de la localidad Masisea, la cual cuenta con, desarrollando una investigación tecnológica con un diseño no experimental no aplicada. El proceso de investigación partió desde la determinación de la demanda total de energía eléctrica de la localidad mediante la estimación de los consumos unitarios de los beneficiarios, se determinó la irradiación solar en el lugar de emplazamiento, con ello se calculó el número total de paneles solares del sistema. Posteriormente se dimensiono los dispositivos encargados de almacenar, regular y transformar la energía eléctrica generada, para finalmente evaluar socialmente las inversiones estimadas. 9 I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1. Descripción de la realidad problemática Durante la globalización del uso de la energía, el uso indiscriminado de combustibles fósiles, así como los procesos industriales usados para producir energía eléctrica, ha colaborado al calentamiento global, por la emisión de CO2. En el año 1973 se produjo el embargo petrolero; este acontecimiento evidencio la vulnerabilidad de los combustibles fósiles concentrados en unos pocos países. Así que, en medio de los crecientes temores sobre la seguridad energética, los gobiernos y las empresas privadas vertieron miles de millones de dólares en investigación y desarrollo fotovoltaico. Esto llevo al uso generalizado de la energía fotovoltaica en la década de 1980 para alimentar estaciones telefónicas, postes de socorro, balizas luminosas, etc. La electrificación rural en el Perú se caracteriza por la lejanía y la poca accesibilidad de sus localidades, el consumo unitario de energía eléctrica reducido y el bajo poder adquisitivo de sus habitantes. Asimismo, no existe suficiente infraestructura vial, esto hace que muchas de sus localidades se encuentren aisladas, sin contar con infraestructura social básica en salud, educación, saneamiento, vivienda, etc. Esta situación determina una baja rentabilidad económica de los proyectos de electrificación rural mediante la interconexión a las redes eléctricas existentes, lo que motiva a establecer tecnologías alternativas para la electrificación de estas localidades. La imposibilidad o inconveniencia técnica y/o económica de interconectar a las localidades aisladas, determina priorizar el uso de fuentes de energía solar como alternativa tecnológica para la solución de estas necesidades vía la implementación de sistemas fotovoltaicos, en áreas geográficas con potenciales solares como en zonas de sierra y selva. El distrito de Masisea, ubicado en la provincia de Coronel Portillo, en la Región Ucayali, de acuerdo con el Plan de Desarrollo Concertado 2019- 2030, elaborado por la Municipalidad Provincial de Coronel Portillo, 10 cuenta con un coeficiente de electrificación del 76%, teniendo así una población estimada de 2832 habitantes que no cuentan con el suministro de energía eléctrica, esta falta de acceso a la electricidad combinada con la escases de otros servicios de infraestructura, limita el desarrollo económico de su población, obstaculizando las mejoras en los estándares de vida. Actualmente, la localidad de “Masisea” cuenta con 871 viviendas y 57 establecimientos de uso general como postas, colegios, salones comunales, guarderías, entre otros, las cuales vienen siendo electrificadas mediante la generación de energía por un grupo electrógeno de 365 KW, esto repercute negativamente en la disponibilidad y continuidad del suministro de energía eléctrica, en los excesivos precios de venta de energía por depender principalmente de la quema del petróleo y de ser un suministro eléctrico no viable desde el punto de vista de inversión privada por encontrarse aislada, sin acceso vía terrestre y ubicada a una distancia aproximada de cuarenta kilómetros desde la ciudad de Pucallpa. 1.2. Formulación del problema 1.2.1 Problema general ¿De qué manera el diseño de un sistema fotovoltaico centralizado mejora el suministro de energía eléctrica en la localidad de 'Masisea’? 1.2.2 Problemas específicos  ¿De qué manera la estimación de la demanda máxima de energía eléctrica de la localidad mejora la disponibilidad de energía eléctrica?  ¿De qué manera la determinación de la potencia máxima del sistema mejora la continuidad del suministro de energía eléctrica?  ¿De qué manera la aplicación de tecnología de generación fotovoltaica de energía eléctrica mejora el precio de venta de energía?  ¿De qué manera la rentabilidad social del sistema, mejora la viabilidad del suministro de energía eléctrica? 11 1.3. Objetivos 1.3.1 Objetivo general Diseñar un sistema fotovoltaico centralizado para mejorar el suministro de energía eléctrica en la localidad de "Masisea”. 1.3.2 Objetivos específicos  Determinar como la estimación de la demanda máxima de energía eléctrica de la localidad mejora la disponibilidad de energía eléctrica.  Determinar como la determinación de la potencia máxima del sistema mejora la continuidad del suministro de energía eléctrica.  Determinar como la aplicación de tecnología de generación fotovoltaica de energía eléctrica mejora el precio de venta de energía.  Determinar como la rentabilidad social del sistema, mejora la viabilidad del suministro de energía eléctrica. 1.4. Limitantes de la Investigación 1.4.1 Teórica Si bien es cierto la energía solar fotovoltaica actualmente es uno de los campos de la generación de energía mediante energías renovables que más se viene desarrollando en la actualidad, sin embargo, la información aún es muy limitada respecto a la generación de energía solar centralizada en zonas rurales, esto se refleja en la insuficiente inversión que se viene realizando en nuestro país para la electrificación de zonas rurales aisladas mediante este sistema no convencional. 1.4.2 Temporal Las limitaciones temporales de la presente investigación son de carácter natural, por las condiciones atmosféricas de precipitaciones entre los meses de diciembre y mayo. 1.4.3 Espacial El área del proyecto se encuentra en una zona aislada, ello dificulta el fácil acceso a la información y un posible intercambio de información constante entre los beneficiarios y el investigador 12 II. MARCO TEÓRICO 2.1. Antecedentes 2.1.1 Antecedentes internacionales: Rodríguez-Gámez, Vázquez-Pérez, Vélez-Quiroz, Saltos- Arauz (2018). En su investigación titulada ‘Mejora de la calidad de la energía con sistemas fotovoltaicos en las zonas rurales’. Se expone un análisis vinculado a una de las alternativas energéticas sostenibles que en la actualidad se está adoptando con éxito a nivel mundial con el fin de lograr el mejoramiento de la calidad del servicio eléctrico, ahorrar recursos naturales, reducir las pérdidas y contribuir en la disminución de las emisiones de CO2 a la atmósfera. Se muestran los resultados de un estudio relacionado con el uso de una innovación tecnológica para mejorar la calidad del servicio eléctrico en una comunidad aislada, mediante la introducción de tecnología fotovoltaica conectada a la red de baja tensión de un grupo de 20 viviendas que fueron estudiadas. Se muestran los resultados del estudio de carga y consumo horario de energía de las viviendas y se despliega una metodología propia para el diseño de la tecnología fotovoltaica conectada a la red de baja tensión de las viviendas estudiadas; este tiene el potencial de evitar el consumo de energía de la red convencional y la posibilidad de mejorar la calidad del servicio eléctrico, al tiempo que se reducen el monto de la factura eléctrica y las pérdidas. Se utilizó una investigación de tipo descriptiva, por cuanto se obtuvo información acerca de la calidad del servicio eléctrico en la zona estudiada. Se describió la realidad relacionada con sus necesidades y la demanda energética. Se concluye que La intensidad, calidad y disponibilidad del potencial solar durante todo el año en la comunidad estudiada permite la introducción de la tecnología fotovoltaica para generar energía eléctrica. 13 Esta tiene un rendimiento que es competitivo con cualquier otra de las tecnologías y fuentes de generación existentes, lo que permitirá mejorar la calidad del servicio eléctrico, reducir las pérdidas, disminuir el costo del kWh generado y servido, preservar recursos naturales y disminuir las emisiones de CO2 a la atmósfera. La instalación de las 20 centrales fotovoltaicas en el modo de la generación distribuida conectadas a la red de baja tensión de las viviendas estudiadas en la comunidad rural de Playa Prieta, permite una mayor relocalización del recurso energético al aprovechar una fuente autóctona, que puede influir en la formación de una nueva conciencia y postura social frente a un consumo más eficiente y el ahorro de energía. El antecedente resulta de gran importancia ya que nos permite definir a la tecnología fotovoltaica como medio de generación de energía eléctrica viable, ya que permite el abastecimiento de energía eléctrica en zonas aisladas impactando positivamente en los precios de tarifas de venta de energía a los usuarios y en la reducción de emisión de gases de efecto invernadero. Acevedo, (2016), en su tesis titulada “Diseño de una instalación solar fotovoltaica con capacidad para 3 kilovatios”. Cuyo objetivo general fue diseñar un sistema solar fotovoltaico de energía limpia y renovable con capacidad para 3 kW en ambientes rurales para suplir necesidades de energía eléctrica en hogares del municipio de Tauramena, asimismo empleo la metodología descriptiva y explicativa, por lo que llego a las siguientes conclusiones: - De acuerdo con los cálculos desarrollados, en la vereda Carupana, la mínima radiación solar recibida por los paneles inclinados 15°, respecto de la horizontal, y orientados hacia la línea ecuatorial, ocurre en el mes de junio y tiene un valor de 4,05 kWh/m2. Este valor es uno 14 de los parámetros a tener en cuenta para calcular y dimensionar los paneles y equipos correctamente; así se garantiza el suministro mínimo de energía eléctrica, a la instalación durante cualquier época del año. - Los costos de inversión superan los 25 años, pero se justifican si se tiene en cuenta la calidad de vida que se ofrece a los campesinos, y si se observa que los costos ambientales disminuyen cuando no se cocina con leña. - En lo posible, se recomienda realizar sistemas de generación fotovoltaica para grupos de usuarios en lugar de sistemas para uno solo. Se observa en las curvas de carga, que la demanda máxima para un usuario estrato 1 es de 3 kVA, mientras que para 45 usuarios es de 1 kVA por usuario (debido al factor de diversidad); esto quiere decir que en estos casos el sistema solar resulta más pequeño y menos costoso si se diseña para varios usuarios. El antecedente nos ayuda en la correcta selección de la radiación solar de diseño para dimensionar correctamente nuestro sistema fotovoltaico, asimismo aclara que en los sistemas fotovoltaicos es recomendable la realización de sistemas con generación centralizada, el cual ha sido adoptado a nuestro sistema de generación. Villegas y Alcivar, (2020), en su tesis titulada “Diseño de un sistema fotovoltaico para la escuela de educación básica Simón Bolívar en la comunidad Masa 2, golfo de Guayaquil”. Cuyo objetivo general fue diseñar e implementar un sistema fotovoltaico aislado a la red para la escuela de educación básica Simón Bolívar en la comunidad Masa 2, golfo de Guayaquil, asimismo mediante el uso de métodos teóricos, analíticos y software llego a las siguientes conclusiones: 15 - Las necesidades eléctricas que la institución requiere para mejorar la calidad en la educación y aprendizaje de los estudiantes fueron analizadas mediante el cálculo de la potencia nominal en base a la energía de consumo máximo diario y la potencia pico para determinar la cantidad de paneles fotovoltaicos en serie y paralelo. El antecedente nos ayuda identificar la importancia de una correcta estimación de la demanda de energía, ya que de esta depende la determinación de la potencia del sistema, asimismo la correcta determinación de la potencia pico del sistema nos permitirá realizar un adecuado cálculo del número de paneles solares. 2.1.2 Antecedentes nacionales Sánchez, (2019), en su tesis titulada “Propuesta de mejora del abastecimiento de energía con paneles solares para reducir insatisfacción de usuarios en Zarumilla-Tumbes”. Cuyo objetivo general fue evaluar la alternativa de energía solar mediante paneles fotovoltaicos para sustituir el actual sistema eléctrico y reducir el nivel de insatisfacción de los usuarios de Zarumilla- tumbes, asimismo empleo la metodología descriptiva no experimental, por lo que llego a las siguientes conclusiones: - El sistema actual de energía eléctrica no logra cubrir la demanda de la provincia de Zarumilla debido a la falta de infraestructura que cubra la demanda insatisfecha, lo cual genera diversos problemas en el suministro de energía, que finalmente afecta a los usuarios en sus actividades diarias, y lo cual genera insatisfacción. Se concluye entonces, que se necesita un sistema de energía solar que permita aprovechar las condiciones naturales de la región como los niveles de irradiación, promedio 6kWh/m2 y las 16 12 horas promedio de duración astronómica y que garantice un servicio de calidad a los usuarios. - Entre los factores que afectan a la operación de la central termoeléctrica que genera y distribuye a la provincia de Zarumilla y la región Tumbes en general, se encuentra el insumo que abastece el sistema, puesto que dicho insumo es el combustible diésel, el cual afecta la tarifa que la empresa ofrece, debido a las constantes fluctuaciones en el precio de los combustibles, además de ser un insumo que genera alta emisión de CO2. Otro factor, es la falta de infraestructura de la central que permita aumentar su capacidad y cubrir la demanda insatisfecha, aunque ello no resulta ser la alternativa de solución, dado que la tarifa seguiría siendo elevada. Este factor influye en los constantes cortes de energía que presenta la provincia. Dichos factores no permiten que el sistema sea sostenible tanto en el aspecto económico como en el ambiental. - El principal factor que genera insatisfacción a la población es la tarifa del servicio, el cual no sienten justificado por los constantes problemas que tienen con la energía eléctrica. Por ejemplo, los constantes cortes de energía, que el año 2017 alcanzó a 48 eventos. Asimismo, la estabilidad del suministro que genera malestar a la población que opta por el uso de grupos electrógenos para sus actividades comerciales o sociales que genera un gasto adicional por la necesidad de energía eléctrica. Dichos factores que generan insatisfacción a los usuarios se vería reducida con un sistema eléctrico con paneles solares dado que el suministro con este sistema sería constante, así como el precio, y se evitarían los cortes de energía. 17 - La emisión de CO2 por la generación de energía eléctrica se reduce en un 90% con los sistemas de paneles solares, con lo cual se reduce de manera significativa los niveles de contaminación en la provincia. El antecedente nos permite evidenciar que la tecnología fotovoltaica es una solución ante problemas en el suministro de energía eléctrica, que vienen siendo alimentados mediante la generación eléctrica por quema de combustible, asimismo manifiesta que el desuso del combustible se evidencia en la reducción de tarifas de energía eléctrica, por otro lado, nos permite evidenciar que la utilización del sistema fotovoltaico ha permitido la reducción de la emisión de CO2 en un 90%. Espinoza y Zanoni, (2021), en su tesis titulada “Diseño de sistema Fotovoltaico off-grid, red secundaria y conexiones domiciliarias para suministro eléctrico al caserio Tallapampa, distrito Salas, provincia Lambayeque. Cuyo objetivo fue efectuar el diseño de un Sistema para generación eléctrica fotovoltaica autónomo no conectado a red externa, redes de distribución secundaria y conexiones a viviendas (incluido a cargas especiales), para suministrar energía eléctrica al caserío Tallapampa, del distrito Salas, provincia y departamento Lambayeque. Asimismo, empleo la metodología de investigación descriptiva no experimental, por lo que se llegó a las siguientes conclusiones: - Los resultados de la evaluación económica determinan lo siguiente: El costo total de inversión del Sistema de generación fotovoltaica autónomo (incluido redes secundarias y conexiones individuales) asciende a S/. 1 180 177,07 más reinversión en el año 10 por reposición de baterías ascendente a S/. 277 40,40; cuyo gasto por operación y mantenimiento es S/.33 102,08 al año. El 18 análisis de rentabilidad financiera genera un VAN negativo de -S/. 1 318 608,11; TIR sin existencia; B/C 0,11. Esto indica que el proyecto en términos financieros no es rentable y consecuentemente no viable. Sin embargo, si se logra la participación de un inversionista social que aporte el 100% de los montos de inversión inicial y de reinversión por reposición de equipos en el año 10, tal como se indica en el estudio, debiendo además reajustar los gastos en recursos humanos (Técnico electricista solventado por terceros), se obtendría la viabilidad del proyecto con indicadores TIR de 17,1%; VAN de S/. 8 933,32 y B/C 1,03. Todos los montos indicados incluyen 187 IGV 18% y los indicadores económicos han sido calculados con tasa de descuento del 13%. El antecedente nos ayudó al entendimiento que los sistemas fotovoltaicos no resultan rentables si se analizan desde un enfoque de análisis de rentabilidad a precios privados, sin embargo, si resultasen viables si se analizan desde un enfoque social, en el cual se tenga la intervención del estado en las inversiones. 2.2. Bases teóricas 2.2.1 Energía y potencia eléctrica Dammert-Lira, Molinelli-Aristondo, Carbajal-Navarro (2011), la energía eléctrica es producida por el movimiento de electrones, el cual es causado por una tensión eléctrica. La cantidad de energía que se produzca dependerá entonces de cuantos electrones se trasladen por unidad de tiempo, el tiempo que perdure dicho movimiento y la magnitud de tensión que las ocasione. La cantidad de corriente eléctrica que se traslada por unidad de tiempo se denomina intensidad de corriente. 19 Se puede definir la energía eléctrica como el producto del voltaje (V), la intensidad de la corriente eléctrica (I) y el tiempo transcurrido (t): Así como la energía eléctrica, otro concepto importante es el de potencia eléctrica, que en el caso de un circuito eléctrico o cuando se produzca energía a la máxima capacidad en un periodo determinado, la potencia eléctrica equivale a la energía eléctrica que se produce en cada unidad de tiempo (Dammert-Lira et al.,2011). 2.2.2 Potencia, máxima demanda y el factor de carga El concepto máxima demanda hace referencia al registro de demanda de mayor consumo en un periodo determinado. Dicho de otra forma, si dividiéramos un periodo en intervalos de tiempos idénticos, de una hora cada uno, la mayor potencia registrada en un determinado periodo seria la máxima demanda (Dammert-Lira et al.,2011). Ec. (2.1) Ec. (2.2) Ec. (2.3) 20 Gráfico N° 2.1. Energía y Potencia Nota: Tomada de «Fundamentos Técnicos y Económicos del Sector Eléctrico Peruano», por Dammert, Molinelli y Carbajal, 2011, p.23. Un concepto relacionado que permite medir la eficiencia en la utilización de la capacidad de producción o potencia es el factor de carga, el cual se define como el ratio entre la carga o demanda promedio y la carga o demanda máxima durante el periodo analizado (Dammert-Lira et al.,2011). 2.2.3 Semiconductores La caracterización de los materiales como conductores, aislantes o semiconductores, está definida en base al comportamiento de los electrones de valencia o electrones de la última capa de los átomos que componen a los materiales. En materiales conductores como el cobre, bajo la acción de un campo eléctrico, los electrones de valencia tienen mucha movilidad, mientras en materiales aislantes como el vidrio, aun con elevados valores de campo eléctrico la fuerza que se ejerce sobre los electrones de la órbita externa no es suficiente para desplazarlos y establecer una corriente, ya que su movilidad es prácticamente nula. (Sánchez, Ec. (2.4) 21 2011, p.32). Los semiconductores son elementos que tiene la cualidad de ser conductores o aislantes de acuerdo a diversos factores que los afectan, en esa línea se encuentran el silicio y el germanio. El silicio tiene 14 electrones de los que 4 electrones de la última capa son de valencia, lo que quiere decir que están disponibles para unirse con electrones de valencia de otros átomos. En un cristal de silicio químicamente puro cada átomo de silicio está unido de forma covalente con otros 4 átomos, así que dentro del cristal no hay, como consecuencia del enlace químico electrones libres. Si en un cristal de este tipo logramos incorporar átomos de otras substancias, la conductividad de estos materiales varia drásticamente, convirtiéndolos en semiconductores. La formación de los semiconductores usados en la tecnología fotovoltaica consta de cristales de silicio puro dopados con boro y fosforo para la formación de huecos y electrones libres los cuales se encuentran listos para movilizarse ante un estímulo como la radiación solar. (Sánchez, 2011, p.33). Figura N° 2.1. Dopaje del Silicio Nota: Tomada de «Energía Solar Fotovoltaica», por Sánchez Maza, 2011, p.35. 22 2.2.4 Efecto Fotovoltaico La transformación de la radiación solar de energía eléctrica se realiza mediante un dispositivo denominado célula fotovoltaica. El proceso que realiza esta transformación se denomina efecto fotovoltaico, y se produce cuando la radiación solar incide sobre un material semiconductor. La generación de corriente directa se produce cuando los fotones de luz inciden sobre la región de agotamiento o unión p-n que no tiene electrones libres ni agujeros, esta incidencia pasa por la capa n hasta llegar a la región de agotamiento produciendo un campo eléctrico el cual produce la fuerza motriz necesaria para generar partes de agujeros y electrones en la región de agotamiento, el campo eléctrico impulsa los electrones y agujeros fuera de la región de agotamiento, así la concentración de electrones en la región n y de huecos en la región p se vuelven tan altos que se desarrolla una diferencia de potencial entre ellos, tan pronto se conecte cualquier carga entre ambas regiones los electrones comenzaran a fluir a través de la carga. Figura N° 2.2. Dopaje del Silicio Nota: Elaboración propia 23 2.2.5 Radiación solar La radiación solar es el conjunto de radiaciones electromagnéticas emitidas por el Sol que son producidas mediante reacciones de fusión nuclear, estas reacciones producen una pérdida de masa en el interior del Sol que es transformada en energía, esta energía se transmite al exterior mediante la radiación solar. La radiación solar se distribuye desde el infrarrojo hasta el ultravioleta. La magnitud que mide la radiación solar en Watt por metro cuadrado que llega a la Tierra es la irradiancia, mientras la magnitud que mide la cantidad de energía radiante por metro cuadrado es la irradiación. La radiación que llega a la Tierra es denominada constante solar y es equivalente a 1367 W/m2, sin embargo, esta irradiancia no es la que finalmente llegara a la superficie terrestre debido a la influencia de fenómenos atmosféricos, la forma propia de la tierra, los ciclos del día y la noche y la órbita elíptica de la Tierra. (Sánchez, 2011, p.15). Figura N° 2.3. Hora solar Pico Nota: Tomada de «Energía Solar Fotovoltaica», por Sánchez Maza, 2011, p.15. Componentes de la radiación solar Para Sánchez (2011), la radiación solar que llega a la superficie terrestre se puede dividir en 3 componentes: Radiación directa: Es la radiación que recibe la superficie 24 terrestre directamente, varía en función de la nubosidad del momento, asimismo de la estación del año en que se encuentre. Radiación difusa: Es el componente de la radiación solar que es dispersada por las nubosidades de la atmosfera. Radiación albedo: Se llama albedo a la fracción de la radiación reflejada por la superficie de la tierra o cualquier otra superficie. El albedo es variable de un lugar a otro y de un instante a otro Figura N° 2.4. Componentes de la radiación solar Nota: Tomada de «Energía Solar Fotovoltaica», por Sánchez Maza, 2011, p.20. 2.2.6 Hora solar pico Es un parámetro fundamental para el dimensionado de los sistemas fotovoltaicos. Corresponde al número de horas en las que cada metro cuadrado de superficie captadora, obtiene de modo constante 1000W de energía. Los módulos fotovoltaicos se caracterizan bajo unas condiciones determinadas que son tomadas como referencia. (Sánchez, 2011, p.24). 25 Figura N° 2.5. Hora solar Pico Nota: Tomada de «Energía Solar Fotovoltaica», por Sánchez Maza, 2011, p.24. 2.2.7 Instalación solar fotovoltaica aislada Un sistema fotovoltaico aislado o autónomo, se trata de un sistema auto-abastecedor, ya que aprovecha la irradiación solar para generar la energía eléctrica necesaria en el suministro de una instalación ya sea para alimentar una localidad, empresa y/o otros sistemas de cargas eléctricas. Los sistemas fotovoltaicos aislados principalmente están compuestos por una agrupación de paneles solares, Reguladores de carga, Inversores y dispositivos de acumulación. (Pareja, 2010, p.8). Figura N° 2.6. Dopaje del Silicio Nota: Tomada de «Energía Solar Fotovoltaica», por Pareja Aparicio, 2011, p.8. 2.2.8 El panel Fotovoltaico Es el elemento fundamental de cualquier sistema fotovoltaico y tiene como misión captar la energía solar incidente para generar una corriente eléctrica. Son extremadamente frágiles, eléctricamente no aisladas y carecen de soporte mecánico, por eso, una vez fabricados, deben ser ensamblados de la manera 26 adecuada para constituir una estructura única, rígida y hermética. Su estructura está compuesta por una cubierta frontal de vidrio templado que sirve para proteger las células contra las inclemencias del tiempo o impactos; el material encapsulante fabricado con EVA(etileno-vinil-acetato) también como mecanismo de protección a la entrada de agua, polvo, la cubierta posterior encargada de otorgar protección y cerramiento al módulo, fundamentalmente contra los agentes atmosféricos; el marco metálico para otorgarle rigidez y permitir su montaje sobre estructuras, y las cajas de conexión eléctricas para asegurar su conexión con otros módulos o dispositivos. (Sánchez, 2011, p.61). Figura N° 2.7. Estructura del panel solar Nota: Tomada de «Energía Solar Fotovoltaica», por Sánchez Maza, 2011, p.60. Conexión en serie Este tipo de conexión se basa en conectar el terminal positivo de un módulo con el negativo del siguiente, y así sucesivamente hasta completar la serie. Cuando los paneles se conectan en serie la tensión resultante es la suma de la de todos los paneles, mientras que la intensidad será la proporcionada por uno solo de ellos. Si falla uno de los paneles conectados en serie, puede hacer que el conjunto deje de funcionar. Para evitar que esto suceda, los diodos de bloqueo puentean este módulo, haciendo que la 27 corriente siga su camino. (Sánchez, 2011, p.65). Conexión en paralelo Este tipo de conexión consiste en conectar por un lado los terminales positivos de todos los paneles, y por otro, todos los terminales negativos. Cuando los módulos se conectan en paralelo, la tensión coincidirá con la que proporcione un solo modulo, pero la intensidad será la suma de las intensidades de todos los módulos, de manera que el aumento de potencia se basa en mantener la potencia que puede dar un módulo y la suma de intensidades que proporcionen los módulos conectados. (Sánchez, 2011, p.66). Figura N° 2.8. Tipos de conexión del panel solar Nota: Tomada de «Energía Solar Fotovoltaica», por Sánchez Maza, 2011, p.66. Curva V-I del panel solar Esta curva proporciona asocia los valores de V e I para diferentes cargas. Si se conecta una cierta carga eléctrica al panel, el punto de trabajo vendrá determinado por la corriente I y la tensión V existentes en el circuito. Estos habrán de ser menores que la corriente de cortocircuito Icc y la tensión de vacío VCA. Las características del panel, están definidas para las condiciones estándar de media (CEM: 1kW/m2, 25°C, A.M.1,5). (Sánchez, 2011, p.70). 28 Figura N° 2.9. Curva V-I del Panel Solar Nota: Tomada de «Energía Solar Fotovoltaica», por Sánchez Maza, 2011, p.70. 2.2.9 Baterías La energía captada por los paneles solares presenta variaciones, como la duración de la noche o las estaciones del año, pero existen otras causas que pueden producir alteraciones de manera aleatoria en la energía recibida, como puede ocurrir con un aumento de la nubosidad. Este hecho hace necesario utilizar un sistema de almacenamiento de energía para aquellos momentos en que la radiación recibida sobre el generador fotovoltaico no sea capaz de hacer que la instalación funcione en los valores diseñados. Las baterías son dispositivos que transforman la energía química en eléctrica. (McGraw-Hill, 2015, p.21). Para el dimensionamiento de las baterías es necesario considerar una serie de parámetros entre los más importantes: eficiencia de carga (relación entre la energía empleada para recargar la batería y la energía realmente almacenada), auto descarga (proceso mediante el cual el acumulador, sin estar en uso, tiende a descargarse, profundidad de descarga (cantidad de energía, en tanto por ciento, que se obtiene de la batería durante una 29 determinada descarga). (McGraw-Hill, 2015, p.21). Figura N° 2.10. Curva descarga de baterías Nota: Tomada de «Componentes de una instalación solar fotovoltaica», por McGraw-Hill, 2015, p.22. Tipos de baterías Las baterías se clasifican en función de la tecnología de fabricación y de los electrolitos utilizados. En la siguiente tabla podemos comparar los principales tipos de baterías que hay en el mercado, a través de sus características básicas. (McGraw-Hill, 2015, p.22). Tabla N° 2.1. Tipos de baterías Nota: Tomada de «Componentes de una instalación solar fotovoltaica», por McGraw- Hill, 2015, p.22. 2.2.10 Inversor Son convertidores CC/CA que permiten transformar la corriente continua que producen los paneles o almacena la batería, en corriente alterna, esto permite utilizar los aparatos eléctricos convencionales diseñados para funcionar con este tipo de corriente. El inversor consta de un circuito electrónico realizado con transistores o tiristores (dispositivos electrónicos que actúan a modo de interruptores), que corta la corriente continua, 30 alternándola y creando una onda de forma cuadrada. Este tipo de onda puede ser utilizada, después de haberla hecho pasar por un transformador que la eleve de tensión, teniendo entonces los convertidores de onda cuadrada o bien puede ser filtrada, y obtener una forma de onda sinusoidal igual a la de la red eléctrica. (Sánchez, 2011, p.70). Figura N° 2.11. Esquema de un inversor CC/CA Nota: Tomada de «Energía solar fotovoltaica», por Sánchez Maza, 2011, p.94. 2.2.11 Transformador Es una maquina estática, que se basa en el principio de la inducción electromagnética entre bobinas estacionarias, enlazadas por un campo magnético variable, con el fin de cambiar niveles de tensión estacionarias, enlazadas por un campo magnético variable, con el fin de cambiar niveles de tensión y corriente a igual frecuencia. Excepto en los autotransformadores, no existe conexión física directa entre bobinas. (Pérez y López, 2018). Figura N° 2.12. Circuito equivalente de un transformador monofásico Nota: Tomada de «Transformadores eléctricos», por Pérez y López, 2018, p.95. 31 2.2.12 Geometría Solar (Perpiñán, 2018, p.5), el movimiento terrestre se compone de una traslación alrededor del Sol y un giro sobre su eje. En el movimiento de traslación la tierra se desplaza alrededor del Sol siguiendo una elipse de baja excentricidad en la que el sol ocupa uno de los focos. La duración de este movimiento define un año. Este movimiento está contenido en el llamado plano de la elíptica. Debido a la baja excentricidad de la elipse, la distancia entre sol y tierra durante el movimiento de traslación es variable. Una ecuación simple para describir esta distancia está recogida en la siguiente ecuación: Siendo dn el número de día del año (siendo dn = 1 el 1 de enero) y r0 es la distancia promedio en este trayecto, denominada unidad astronómica, r0 =1,496 x 108 km = 1 UA. La corrección debida a la excentricidad de la elipse se calcula con la siguiente ecuación: En el movimiento de giro la Tierra rota sobre si misma alrededor de su eje polar, perpendicular al plano ecuatorial terrestre. Entre el eje polar y el plano de la eclíptica hay un ángulo constante de 23,45°. Sin embargo, el ángulo entre el plano ecuatorial y la línea que une Tierra y Sol es variable a lo largo del año. Este ángulo variable es la causa de las estaciones, de que el Sol aparezca más alto en los mediodías veraniegos y los días invernales sean más cortos que los de verano. Así el efecto debido a la inclinación de los rayos solares es mucho más apreciable en la meteorología que la distancia entre el sol y la Tierra. Este ángulo se denomina declinación y puede ser calculado de Ec. (2.5) Ec. (2.6) 32 forma aproximada con la siguiente ecuación (Perpiñán, 2018, p.6): Figura N° 2.13. Declinación Nota: Tomada de «Sistema Fotovoltaico de baja potencia para invernaderos inteligentes», por García, 2013, p.13. 2.2.13 Componentes y factores de cálculo de la irradiación solar sobre una superficie inclinada Irradiación global sobre el plano horizontal (Gdm(0)) Es la irradiación total en KWh/m2 compuesta por la irradiación directa, difusa y albedo sobre un punto sobre la superficie terrestre, esta es determinada mediante la utilización de dispositivos de medición como heliómetros y puntos de medición atmosféricos establecidos. Generalmente es obtenida mediante la utilización de aplicaciones atmosféricas como la elaborada por la Administración Espacial Aeronáutica de Estados Unidos(NASA). Irradiación Solar extraterrestre sobre el plano horizontal (H(0)) (Luque y Hedegus, 2003). La irradiación solar extraterrestre es la energía que recibe un área del plano tangencial al planeta Tierra situado al exterior de la atmósfera durante un periodo de tiempo, Esta es determinada mediante la siguiente ecuación: Ec. (2.7) Ec. (2.8) 33 Donde: T: Tiempo de análisis en horas. Io: Constante solar (1367 W/m2). εo: Factor de excentricidad. ωs: Ángulo de salida del sol sobre el plano horizontal. ωss: Ángulo de salida del sol sobre el plano inclinado. Ф: Latitud del emplazamiento. ẟ°: Declinación solar Índice de claridad (Luque y Hedegus, 2003). Se denomina índice de claridad al porcentaje de la radiación solar extraterrestre que incide sobre la superficie terrestre, este factor es muy importante para la determinación de la perdida de radiación entre la superficie terrestre y la atmosfera, esta es determinada según la relación: 𝐾𝑇𝑀 = 𝐻0 𝐺0 Radiación solar difusa sobre el plano horizontal (D0) (Luque y Hedegus, 2003). Es la radiación difusa que incide sobre el plano horizontal en un área de la superficie terrestre, se determina mediante la siguiente ecuación: 𝐷0 = 𝐹𝐷𝑀𝑥𝐺0 Donde: FDM: Fracción difusa (1-1.13xKTM) G0: Radiación global sobre el plano horizontal. Radiación solar directa sobre el plano horizontal (Hdm(0)) (Luque y Hedegus, 2003). Es la radiación directa que incide sobre el plano horizontal en un área de la superficie terrestre, se determina mediante la siguiente ecuación: 𝐻𝑑𝑚(0) = 𝐺𝑑𝑚(0)𝑥𝐷0 Ec. (2.9) Ec. (2.10) Ec. (2.11) 34 Factor de corrección “K” para superficies inclinadas (Luque y Hedegus, 2003). Representa el cociente entre energía incidente en un día sobre una superficie orientada hacia el Ecuador e inclinada un determinado ángulo, y otra horizontal, es determinada mediante la siguiente ecuación: 𝐾 = ω𝑠𝑠 ( 𝜋 180 ) [𝑠𝑔𝑛(Ф)]𝑠𝑒𝑛(ẟ°)𝑠𝑒𝑛(|Ф| − 𝛽) + cos(ẟ°) cos(|Ф| − 𝛽) 𝑠𝑒𝑛(ω𝑠𝑠) ω𝑠 ( 𝜋 180 ) 𝑠𝑒𝑛(ẟ°)𝑠𝑒𝑛(Ф) + cos(ẟ°) cos(Ф) 𝑠𝑒𝑛(ω𝑠) Donde: β: Ángulo de inclinación de superficie ωs: Ángulo de salida del sol sobre el plano horizontal. ωss: Ángulo de salida del sol sobre el plano inclinado. Ф: Latitud del emplazamiento. ẟ°: Declinación solar Radiación solar directa sobre el plano inclinado (H(β,α)) (Luque y Hedegus, 2003). Es la radiación solar diaria directa en KWh/m2 que incide sobre una superficie inclinada, es determinada según la siguiente ecuación: 𝐻(β,α) = 𝐾𝑥𝐻𝑑𝑚(0) Radiación difusa sobre el plano inclinado (D(β,α)) (Luque y Hedegus, 2003). Es la radiación solar diaria difusa en KWh/m2 que incide sobre una superficie inclinada, es determinada según la siguiente ecuación: D(𝛽,𝛼) = D0 𝑥 ( 1 + cos(𝛽) 2 ) Radiación solar albedo sobre el plano inclinado (AL(β,α)) (Luque y Hedegus, 2003). Es la radiación solar diaria albedo en KWh/m2 que incide sobre una superficie inclinada, es determinada según la siguiente ecuación: AL(𝛽,𝛼) = 𝜌𝑥𝐺𝑑𝑚(0)𝑥( 1 − cos(𝛽) 2 ) Donde: Ec. (2.12) Ec. (2.13) Ec. (2.14) Ec. (2.15) 35 ρ: Índice de reflexión del suelo (0.1 para superficies claras y 0.3 para superficies oscuras). β: Ángulo de inclinación de superficie Gdm(0): Radiación solar global sobre el plano horizontal ( KWh/m2) Radiación solar global sobre una superficie inclinada (G(β,α)) (Luque y Hedegus, 2003). Es la radiación solar diaria total en KWh/m2 que incide sobre una superficie inclinada, es determinada según la siguiente ecuación: 𝐺(β,α) = 𝐻(β,α)+D(𝛽,𝛼) + AL(𝛽,𝛼) Ec. (2.16) 36 2.3. Marco conceptual Sistema Fotovoltaico Centralizado: Es el agrupamiento de paneles solares, dispositivos de almacenamiento y/o transformación en un área con la finalidad de generar energía en conjunto. Suministro de energía eléctrica: Es el servicio público suministrado por una empresa de distribución eléctrica a un usuario y determinado de acuerdo a criterios técnicos y comerciales. Rentabilidad social: Refiere a la conveniencia de realizar una inversión desde un enfoque social. Viabilidad del suministro de energía eléctrica: Es la cualidad de un suministro eléctrica caracterizado por ser sostenible y rentable en un horizonte de estudio. Operación y Mantenimiento: Son las actividades que realizan los posesionarios de infraestructura eléctrica con la finalidad de otorgar la continuidad y confiabilidad del servicio eléctrico. Tarifa de energía eléctrica: Es el costo fijado por el OSINERGMIN que es atribuido al usuario o consumidor de energía. Sostenibilidad: Es la cualidad del suministro de energía eléctrica de ser atendido en un horizonte de estudio sin ser comprometido. Sensibilidad: Es la variación de resultados ante la alteración positiva o negativa de los factores que lo componen. Factor de Planta: Es la relación de la energía real producida en un intervalo de tiempo entre la energía producida en el mismo intervalo de tiempo producida a su máxima potencia. 37 2.4. Definición de términos básicos  Sistema fotovoltaico centralizado: Conjunto de paneles solares y dispositivos de almacenamiento, regulación y transformación de energía situados en un mismo punto para alimentar cargas eléctricas no conectadas a la red.  Electrificación: consiste en proveer de energía eléctrica a un lugar.  Consumo de Energía: Es la cantidad de energía utilizada en un periodo de tiempo cuya unidad es el Kilowatt Hora (KWh).  Abonados: Son las cargas eléctricas que pueden ser viviendas o cargas generales como iglesias, postas, locales comunales, entre otros.  Irradiación solar: Es la energía que emite el sol por unidad de superficie a lo largo de un periodo de tiempo. Se representa en Wh/m2 o kWh/m2.  Panel Solar: Dispositivo eléctrico compuesto por semiconductores que tiene la capacidad de generar energía en forma de corriente directa a través de su exposición a la radiación solar.  Dispositivos eléctricos primarios: Conjunto de paneles solares dispuestos en serie y paralelo de un sistema fotovoltaico.  Dispositivos eléctricos complementarios: Conjunto de dispositivos que se encargan del almacenamiento, regulación y transformación de la energía tales son las baterías, reguladores de carga e inversores respectivamente.  Corriente alterna: Es un tipo de corriente eléctrica, en la que la dirección del flujo de electrones va y viene a intervalos regulares o en ciclos, es el tipo de corriente con el cual se electrifican la mayoría de los artefactos eléctricos.  Coeficiente de electrificación rural: Es la relación entre la población de zonas rurales que cuenta con acceso a la energía 38 eléctrica y la población total de las zonas rurales.  Coeficiente de electrificación nacional: Es la relación entre la población que cuenta con acceso a la energía eléctrica y la población total de una nación. 39 III. HIPOTESIS Y VARIABLES 3.1. Hipótesis 3.1.1 Hipótesis general Si se diseña un sistema fotovoltaico centralizado se podrá mejorar el suministro de energía eléctrica en la localidad de "Masisea". 3.1.2 Hipótesis especificas  Si se estima la demanda máxima de energía eléctrica de la localidad se podrá mejorar la disponibilidad de energía eléctrica.  Si se determina la potencia máxima del sistema se podrá mejorar la continuidad del suministro de energía eléctrica.  La aplicación de tecnología de generación fotovoltaica de energía eléctrica mejora el precio de venta de energía eléctrica.  La rentabilidad social del sistema mejora la viabilidad del suministro de energía eléctrica. 3.2. Definición conceptual de las variables  Variable independiente: Diseño de un sistema fotovoltaico centralizado. Definición: Es el sistema que se realiza cuando no se dispone de una conexión con una red de distribución publica de electricidad, o resulta excesivamente caro instalarla, asimismo es aquel sistema en el que el agrupamiento de paneles solares en el centro de carga, capta energía mediante radiación solar para acumularla en un banco de baterías y posteriormente distribuirla a todas las cargas eléctricas conformada por un grupo de viviendas, reduciendo así el número de paneles y de baterías, también es conocido con el nombre de minirredes.  Variable dependiente: Suministro de energía eléctrica en la localidad de “Masisea”. Definición: Servicio público de electricidad suministrado por una empresa de distribución eléctrica a un usuario y 40 determinado de acuerdo a criterios técnicos y comerciales, las cuales cuentan parámetros técnicos establecidos como frecuencia, tensión, continuidad, demanda máxima, punto de suministro, tarifas, las cuales se encuentran dentro de rangos establecidos y regulados por el OSINERGMIN. 3.2.1 Operacionalización de variables Tabla N° 3.1. Operacionalización de variables Nota: Elaboración Propia VARIABLES DIMENSIONES INDICADORES INDICES METODO TECNICA- INSTRUMENTO Demanda máxima de energía eléctrica de la localidad - Proyección de demanda de usuarios domesticos. - Proyección de demanda de usuarios generales. KWh Cuantitativo - Recolección de datos historicos de las cargas. Potencia máxima del Sistema - Potencia pico Wp Wp Cuantitativo - Desarrollo del algoritmo Tecnología de generación fotovoltaica de energía eléctrica - Irradiación solar. - Configuración de paneles solares. KWh/m2/día Cuantitativo - Información historica de la radiación solar obtenida de la plataforma web de la NASA. - Determinación mediante el análisis de tensiones y corrientes máximas permisibles. - Selección de orientación para la mayor captación de energía. Rentabilidad social del sistema - VAN Social, TIR Social, análisis de sensibilidad. Soles, % Cuantitativo - Determinación mediante análisis de flujos de caja y formulas teóricas. Disponibilidad de energía eléctrica - Factor de planta 0-1 Cuantitativo - Desarrollo del algoritmo Continuidad del suministro de energía eléctrica. - Cobertura de demanda máxima KW Cuantitativo - Análisis de oferta-demanda de Potencia Precio de venta de energía eléctrica - Tarifa de venta energía ctm S/.kWh Cuantitativo - Información web del OSINERGMIN Viabilidad del suministro de energía eléctrica - Sostenible, rentable socialmente. Soles, % Cuantitativo - Determinación mediante análisis de flujos de caja y formulas teóricas. Variable Independiente: Diseño de un sistema fotovoltaico centralizado. Variable dependiente: Suministro de energía eléctrica en la localidad de “Masisea” 41 IV. DISEÑO METODOLOGICO 4.1. Tipo y diseño de la investigación Según Bello (2006), “La investigación tecnológica tendría como finalidad solucionar problemas o situaciones que el conocimiento científico consolidado como tecnología demanda: por lo tanto, no sería su finalidad descubrir nuevas leyes y casualidades, sino la de reconstruir procesos en función de descubrimientos ya realizados”. Teniendo en cuenta lo manifestado, la presente investigación hace uso de leyes científicas ya establecidas para la solución de una problemática por ello es del tipo tecnológica, (p.145). Según Ibidem (2008), “Los diseños de investigación transversal recolectan datos en un solo momento, en un tiempo único. su propósito es describir variables y analizar su incidencia e interrelación en un momento dado” (p.270). Teniendo en cuanto la recolección de información en un momento único, la presente investigación presenta un diseño de investigación Transversal. Según Gerena (2012), “El método de investigación aplicada consiste en mantener conocimientos y realizarlos en la práctica además de mantener estudios científicos con el fin de encontrar respuesta a posibles aspectos de mejora en situación de la vida cotidiana.” (p.165). Teniendo en consideración que la presente investigación mantiene estudios científicos para establecer mejoras en la vida cotidiana mediante la electrificación, por ello el método es el aplicado. 4.2. Población y muestra Según Tamayo y Tamayo (1997), “La población se define como la totalidad del fenómeno a estudiar donde las unidades de población poseen una característica común la cual se estudia y da origen a los datos de la investigación”, (p.114). Teniendo en cuenta lo manifestado, la presente investigación no presenta población por tratarse de un diseño el cual puede ser aplicado a distintos lugares. Según Tamayo y Tamayo (1997), “La muestra es el grupo de individuos 42 que se toma de la población, para estudiar un fenómeno estadístico” (p.38), dicho esto la presente investigación no presenta muestra por no considerar el análisis estadístico de los datos. 4.3. Lugar de estudio y periodo desarrollado La presente investigación se basó en el Distrito de Masisea, Provincia de Coronel portillo en la región Ucayali, la data obtenida es actual e históricas desde el año 2010 a la actualidad. 4.4. Técnicas e instrumentos para la recolección de la información Tabla N° 4.1 Técnicas e instrumentos de recolección de datos TECNICAS INSTRUMENTO ANALISIS DOCUMENTAL ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE EQUIPOS NORMATIVA NACIONAL E INTERNACIONAL GUÍAS GUBERNAMENTALES TESIS DE INVESTIGACIÓN EMPÍRICA SICOM-OSINERGMIN GOOGLE EARTH SOFTWARE NASA CLIMATOLOGIC Nota: Elaboración Propia 4.5. Análisis y procesamiento de datos 4.5.1 Etapas de la investigación 1° Determinación del mercado Eléctrico 2° Cálculo del equipamiento del sistema Fotovoltaico Centralizado 3° Elaboración del Presupuesto. 4° Evaluación económica 43 Tabla N° 4.2. Etapas de la investigación Nota: Elaboración propia 4.5.2 Desarrollo de la investigación 4.5.2.1 Etapa 1: Mercado eléctrico.  Determinación de la cantidad de abonados De los trabajos de levantamiento de información de campo se determinó que la localidad “Masisea” está compuesta por 871 abonados domiciliarios y 57 abonados de uso general: Tabla N° 4.3. Abonados del proyecto Fuente: Elaboración propia  Cálculo de la Tasa de crecimiento poblacional Para realizar una adecuada proyección de la población, se ha recabado información histórica poblacional del Instituto nacional de estadística e informática –INEI- desde el año 2000 hasta el año 2015 para la provincia de Coronel Portillo y el Distrito de Masisea, teniendo así: N° Departamento 1 Ucayali Tipo de Acceso Río871 N° de abonados de Uso General 57 Categoria de Localidad Centro poblado N° de abonados Domiciliarios Provincia Coronel Portillo Distrito Masisea Localid. Masisea ETAPA I ETAPA II ETAPA III ETAPA IV MERCADO ELÉCTRICO CÁLCULO DE EQUIPAMIENTO PRESUPUESTO EVALUACIÓN ECONÓMICA -Determinación de la cantidad de abonados. -Cálculo de la Tasa de Crecimiento poblacional y proyección de abonados. - Determinación de Consumos historicos de energía. - Proyección de demanda de Energía. -Determinacion de máxima Potencia. - Determinación de la Irradiación de diseño del emplazamiento. -Determinación del ángulo de orientación. - Determinación del ángulo de inclinación de paneles solares y verificación por energía aprovechada. - Cálculo de Wp del sistema y número de paneles solares. -Determinación del número de PVBOX e Inversores de Red. -Dimensionamiento del sistema de bancos de baterías. -Determinación del número de Inversores bidireccionales. - Selección del Transformador. - Cálculo y selección de conductores. - Materiales y Equipos seleccionados. - Elaboración del Metrado y Valor Referencial del Suministro, Montaje electromecánico, obras civiles y transporte de materiales del sistema fotovoltaico centralizado. - Identificación de inversiones. - Análisis General de la Demanda. - Determinación de Costos a precios privados. - Determinación de Costos a precios sociales. - Determinación de beneficios a precios privados. - Determinación de beneficios a precios sociales. - Determinación de indicadores VAN y TIR. - Análisis de sostenibilidad. - Análisis de Sensibilidad. - Cálculo de la Huella de carbono. - Determinación del Factor de Planta - Estimación de la Tarifa actual de venta de energía 44 Tabla N° 4.4. Información histórica poblacional 2000-2015 Nota: Tomada de https://proyectos.inei.gob.pe/web/poblacion/ Del cuadro anterior mediante la fórmula del crecimiento poblacional compuesto: P𝑡 = P0 (1 + 𝑟)𝑡 Donde: Pt = Población en el año t P0 = Población en el año 0 t = tiempo transcurrido entre las muestras r = tasa de crecimiento poblacional compuesto Tenemos la siguiente tabla: Tabla N° 4.5. Tasas de crecimiento poblacional por provincia y distrito Fuente: Elaboración propia De lo anterior, de acuerdo a la guía para la formulación de proyectos de inversión en electrificación rural, elaborado por el MEF, se usó la tasa de crecimiento distrital. Asimismo, de acuerdo a la misma guía de referencia, se tiene que la población promedio de la zona selva es de 4.6 habitantes por vivienda, obteniendo así la siguiente proyección de población y viviendas: 2000 2003 2006 2009 2012 2015 304753 322382 338121 352855 366040 377875 11016 11496 11893 12243 12529 12758 Año CORONEL PORTILLO Distrito Masisea T.C Provincial T.C Distrital prom T.C Prom. asumido 0.98% 1.44% 0.98% 0.98% Tasa de Crecimiento 2000-2015 (%) 1.44% Provincia/distritos Prov. Coronel Portillo Distrito Masisea Ec. (3.1) 45 Tabla N° 4.6. Proyección de población y abonados Nota: Elaboración propia  Determinación de consumos históricos de energía Del Sistema de información comercial (SICOM- OSINERGMIN) se analizó la información de los consumos históricos de energía desde el año 2013 al 2020 del Sistema eléctrico rural Isla Santa Rosa por tener grandes similitudes a la localidad de la presente investigación. Tabla N° 4.7. Información comercial del año 2020 del SIA isla santa rosa Nota: Tomada de SICOM-OSINERGMIN. Del análisis mensual para todos los años, y de los porcentajes de abonados por rango de los consumos de energía, se determinó los rangos de consumo y promedios para cada año desde el 2013 al 2020. 2021 2024 2027 2030 2033 2036 2039 2041 T.C Año0 Año3 Año6 Año9 Año12 Año15 Año18 Año20 % 871 897 924 951 980 1009 1039 1059 0.98% 4007 4126 4249 4376 4506 4641 4779 4873 0.98% Abonados domésticos Población domésticos PROYECCION Mes Rconsumo Tarifa Interc. N° clientes MW.h Mes kW.h/mes % clientes 01 De 1 a 30 KW.h BT5B SIA 4748 48.112 10.13 54% 01 De 31 a 100 KW.h BT5B SIA 2832 172.918 61.06 32% 01 De 101 a 150 KW.h BT5B SIA 557 68.354 122.72 6% 01 De 151 a 300 KW.h BT5B SIA 464 95.12 205.00 5% 01 De 301 a 500 KW.h BT5B SIA 134 50.743 378.68 2% 01 De 501 a 750 KW.h BT5B SIA 48 29.017 604.52 1% Enero 46 Tabla N° 4.8. Consumo promedio de abonados domésticos del año 2020 Nota: Elaboración Propia. Tabla N° 4.9. Consumo promedio de abonados de uso general del año 2020 Nota: Elaboración Propia. De la misma forma, se determinó los consumos promedios para los años 2013 al 2020, teniendo así: Tabla N° 4.10. Promedio anual de consumos abonados domiciliarios Fuente: Elaboración Propia. Consu. Unit kWh/mes Prom kWh/mes % Abon 1-30 10.45 61% 30.50 31-100 61.91 39% 100% Consumo Promedio Mensual Abon. Domesticos KWh/mes ABONADOS DOMESTICOS Consu. Unit kWh/mes Prom kWh/mes % Abon 101-150 123.87 47% 204.74 151-300 205.97 37% 301-500 374.36 11% 501-750 602.75 5% 100% Consumo Promedio Mensual Abon. Uso General KWh/mes ABONADOS DE USO GENERAL Año Real Año de Eval. 2013 1 2014 2 2015 3 2016 4 2017 5 2018 6 2019 7 2020 8 29.88 30.50 20.49 25.51 24.63 21.60 26.02 Prom. anual del consumo de energía por Abonados domesticos Kwh/mes 28.78 47 Tabla N° 4.11. Promedio anual de consumos abonados de uso general Nota: Elaboración Propia. De los consumos anuales, se elaboró la curva potencial ajustada a la proyección de demanda año a año, teniendo así dos curvas tendenciales. Gráfico N° 4.1. Curva potencial de demanda histórica de abonados domiciliarios Nota: Elaboración Propia. Año Real Año de Eval. 2013 1 2014 2 2015 3 2016 4 2017 5 2018 6 2019 7 2020 8 204.74 180.94 184.86 193.24 197.15 202.09 Prom. anual del consumo de energía por Abonados de uso Gral. Kwh/mes 181.68 188.57 48 Gráfico N° 4.2. Curva potencial de demanda histórica de abonados de uso general Nota: Elaboración Propia. De las tablas se observa que las demandas históricas anuales, siguen un comportamiento simulado mediante una curva potencial, de ello se ha establecido los parámetros mediante el cual se determinó las demandas proyectadas al inicio y fin del horizonte de evaluación del proyecto. Tabla N° 4.12. Parámetros de curva potencial Nota: Elaboración Propia.  Proyección de demanda de energía Con los parámetros de la ecuación potencial, se determinó la proyección de demanda de energía de los abonados domiciliarios y de uso general, teniendo la siguiente tabla: a b x1 y1 x20 y20 20.55 0.17 10 30.40 29 36.43 a b x1 y1 x20 y20 178.03 0.05 10 199.75 29 210.68 Año1 2022 Parámetros Tasa de crecim. (%) Año 20 2041 Abonados Domesticos 0.91 Tipo de Carga 0.27 Abonados de Uso General 49 Tabla N° 4.13. Proyección de demanda mensual de abonados Nota: Elaboración Propia. De acuerdo a la Norma DGE “alumbrado de vías públicas en áreas rurales”, se tiene que el consumo de energía por alumbrado público es igual a 6.3 kWh/mes (Factor Kalp 6.3) por abonado, asimismo se tiene que el alumbrado público está activo durante 360 horas al mes con una potencia de 60W, de ello se tiene la siguiente tabla: Tabla N° 4.14. Proyección de demanda de alumbrado público Fuente: Elaboración Propia. De los consumos de energía proyectados tanto para abonados domiciliarios, abonados de uso general y alumbrado público y considerando los factores de expansión de perdidas fijados por el OSINERGMIN, se tiene la siguiente tabla: Tabla N° 4.15. Proyección de demanda de la localidad Nota: Elaboración Propia. De la tabla anterior, se determinó que la localidad de Masisea tiene una máxima demanda proyectada al año 20 Año 0 Año 3 Año 6 Año 9 Año 12 Año 15 Año 18 Año 20 2021 2024 2027 2030 2033 2036 2039 2041 29.86 31.35 32.56 33.59 34.48 35.27 35.99 36.43 0.91 198.70 201.58 203.84 205.71 207.30 208.69 209.92 210.68 0.27 Energía consumida por Abonados Domiciliarios y de Uso general (kWh/mes) Abonados Domiciliarios Abonados de Uso General tc(%) Tipo de Carga Año 0 Año 3 Año 6 Año 9 Año 12 Año 15 Año 18 Año 20 2021 2024 2027 2030 2033 2036 2039 2041 254 254 254 254 254 254 254 254 5487.3 5487.3 5487.3 5487.3 5487.3 5487.3 5487.3 5487.3 Tipo de Carga Alum.Público Energía consumida por el alumbrado público (kWh/mes) N° de unidades Año 0 Año 3 Año 6 Año 9 Año 12 Año 15 Año 18 Año 20 2021 2024 2027 2030 2033 2036 2039 2041 1244.5 1320.4 1390.1 1455.7 1520.2 1582.8 1645.3 1686.3 1.53% 182.9 182.9 182.9 182.9 182.9 182.9 182.9 182.9 0.00% 86.07 90.7 94.9 98.8 102.7 106.5 110.2 112.7 0.06% 1513.5 1593.9 1667.9 1737.4 1805.8 1872.1 1938.5 1981.9 1.36% Perdidas OSINERGMIN Tipo de Carga Consumos totales de energía del Proyecto kWh/día tc(%) Abonados Alumbrado Público Consumo Total 50 de 1981.9 kWh/día, esta demanda de energía fue la base para nuestro diseño del sistema, ya que el sistema tiene que garantizar la demanda de energía en su horizonte de vida.  Determinación de la máxima potencia Para la determinación de la máxima demanda en KW, se ha utilizado el Factor de carga, de acuerdo a la guía elaborada por el MEF, los sistemas eléctricos rurales cuentan con un Factor de carga de 20% en promedio, con un incremento de 5 horas anuales de uso de la energía por abonado, teniendo así la siguiente tabla de los factores de carga para el horizonte de estudio. Tabla N° 4.16. Proyección del factor de carga Nota: Elaboración Propia. Con los factores de carga en el horizonte de estudio, se determinó las potencias máximas para los tres tipos de cargas eléctricas, teniendo así la siguiente tabla. Tabla N° 4.17. Determinación de máxima potencia unitaria Nota: Elaboración Propia. Con la información de la proyección de abonados domiciliarios, de uso general y unidades de alumbrado público, se tiene las potencias máximas de toda la localidad en el horizonte de estudio. 2021 2024 2027 2030 2033 2036 2039 2041 Año0 Año3 Año6 Año9 Año12 Año15 Año18 Año20 5 0.20 0.20 0.20 0.21 0.21 0.21 0.21 0.21 0.28 5 0.20 0.20 0.20 0.21 0.21 0.21 0.21 0.21 0.28Abon. Uso Gral Incremento HUCD Año / fc tc(%) Abon.Domestico Localidad 2021 2024 2027 2030 2033 2036 2039 2041 Año0 Año3 Año6 Año9 Año12 Año15 Año18 Año20 300.00 207.36 215.86 222.30 227.42 231.52 234.88 237.72 239.33 1500 1,379.86 1,387.98 1,391.72 1,392.77 1,391.92 1,389.74 1,386.55 1,384.06 60 60.00 60.00 60.00 60.00 60.00 60.00 60.00 60.00 Abon. Uso General (W) Alumbrado Público (W) Calif. Eléctrica Potencia máxima unitaria (W) Calificación eléctrica W Abon.Domésticos (W) 51 Tabla N° 4.18. Determinación de máxima potencia de la localidad Nota: Elaboración Propia. Sin embargo, cabe resaltar que las potencias máximas mostradas en el cuadro anterior deberán ser ajustadas considerando los factores de simultaneidad de acuerdo a la norma DGE, de 0.5 para abonados domiciliarios y de 1 para abonados generales y alumbrado público, teniendo así la siguiente tabla: Tabla N° 4.19. Máxima potencia de diseño Nota: Elaboración Propia. De la tabla anterior se ha determinado que la potencia máxima de diseño es de 279.06 kW, el mismo que fue utilizado como potencia de diseño, siendo la potencia garantizada a partir del cual se diseñó el sistema. 4.5.2.2 Etapa 2  Determinación de la irradiación del emplazamiento (Horas sol pico). La determinación de la irradiación global sobre la superficie horizontal o también denominado horas de sol pico, se realizó a partir de la comparación 03 fuentes de información, 2021 2024 2027 2030 2033 2036 2039 2041 Año0 Año3 Año6 Año9 Año12 Año15 Año18 Año20 317.70 261.30 269.10 277.20 285.30 294.00 302.70 311.70 317.70 85.5 85.50 85.50 85.50 85.50 85.50 85.50 85.50 85.50 15.24 15.24 15.24 15.24 15.24 15.24 15.24 15.24 15.24 418.44 362.04 369.84 377.94 386.04 394.74 403.44 412.44 418.44 Selec. Potencia máxima de la localidad( KW ) Abon.Domésticos (KW) Abon. Uso General (KW) Alumbrado Público (KW) Calificación eléctrica W TOTAL (kW) 2021 2024 2027 2030 2033 2036 2039 2041 Año0 Año3 Año6 Año9 Año12 Año15 Año18 Año20 0.50 130.65 134.55 138.60 142.65 147.00 151.35 155.85 158.85 1 85.50 85.50 85.50 85.50 85.50 85.50 85.50 85.50 1 15.24 15.24 15.24 15.24 15.24 15.24 15.24 15.24 1 17.35 17.65 17.95 18.25 18.58 18.91 19.24 19.47 248.74 252.94 257.29 261.64 266.32 271.00 275.83 279.06 Factor de Simultanei dad Potencia máxima Simultanea( KW ) Abon.Domésticos (KW) Abon. Uso General (KW) Alumbrado Público (KW) Perdidas Potencia (KW) TOTAL (kW) TIPO DE CARGA 52 siendo las fuentes: NASA, Meteonorm 8.0 y Atlas solar del Perú, las cuales se muestran a continuación: Tabla N° 4.20. Irradiación diaria promedio - NASA Nota: Tomada de https://power.larc.nasa.gov/ Irradiación horizontal global Irradiación difusa horizontal Temperatura kwh/m2/día kwh/m2/día °C Enero 4.54 2.36 25.90 Febrero 4.32 2.39 25.50 Marzo 4.20 2.30 25.80 Abril 4.31 2.07 25.30 Mayo 4.31 1.79 25.80 Junio 4.23 1.64 25.80 Julio 4.71 1.60 26.00 Agosto 5.13 1.79 27.40 Setiembre 5.22 2.11 28.70 Octubre 5.09 2.35 29.10 Noviembre 4.77 2.36 28.10 Diciembre 4.68 2.34 27.10 Con los datos de Latitud y Longitud de la ubicación del proyecto, exportamos de la NASA las radiaciones incidentes para nuestras coordenadas ( Latitud: -4°, longitud: -77°) . DATOS METEOROLOGICOS NASA - SSE Satelite data 1983-2005 https://power.larc.nasa.gov/ 53 Tabla N° 4.21. Irradiación diaria promedio - Meteonorm 8.0 Nota: Tomada de Meteonorm 8.0 Tabla N° 4.22. Irradiación diaria promedio – Atlas solar Nota: Tomada de Atlas Solar del Perú – SENAMHI. Irradiación horizontal global Irradiación difusa horizontal Temperatura Velocidad del viento Humedad relativa kwh/m2/día kwh/m2/día °C m/s % Enero 6.24 2.15 26.70 1.50 82.50 Febrero 5.87 2.46 26.40 1.30 83.50 Marzo 5.64 2.58 26.30 1.20 84.10 Abril 6.00 2.05 26.10 1.20 84.80 Mayo 5.64 1.68 26.20 1.20 82.50 Junio 5.52 1.39 25.50 1.10 83.60 Julio 5.57 1.67 25.50 1.19 81.20 Agosto 5.55 2.09 26.70 1.39 76.80 Setiembre 5.66 2.37 26.80 1.50 78.30 Octubre 5.50 2.74 27.00 1.50 80.10 Noviembre 5.95 2.67 26.70 1.49 82.60 Diciembre 5.69 2.49 26.80 1.60 81.50 Con los datos de Latitud y Longitud de la ubicación del proyecto, exportamos de Meteonorm las radiaciones incidentes para nuestras coordenadas ( Latitud: -4°, longitud: -77°) . DATOS METEOROLOGICOS METEONORM 8.0 (2010-2014) Irradiación horizontal global kwh/m2/día Enero Febrero 4.5 - 5.0 Marzo Abril Mayo 4.5 - 5.0 Junio Julio Agosto 4.5 - 5.0 Setiembre Octubre Noviembre 5.0 - 5.5 Diciembre A partir de los mapas de radiacion solar, obtenemos la radiacion solar incidente diaria sobre el plano horizontal: DATOS METEOROLOGICOS ATLAS SOLAR SENAMHI-PERÚ (1975-1990) 54 De las tablas anteriores, se usó la irradiación mínima diaria para otorgar confiabilidad al sistema siendo la irradiación (horas solar pico) de 4.20 kWh/m2/día la irradiación usada para el dimensionamiento del sistema fotovoltaico.  Determinación de orientación de paneles solares Con las coordenadas de ubicación del lugar de emplazamiento, se ha obtenido la carta solar, mostrada en la siguiente figura: Figura N° 4.1. Carta Solar Nota: Tomada de https://www.sunearthtools.com/dp/tools/pos_sun.php?lang=es De la figura anterior, se observa que el sol tiene un movimiento en mayor porcentaje por el hemisferio norte, por ello nuestros paneles deberán estar orientados hacia el norte, para obtener un mayor aprovechamiento durante todo 55 el año.  Determinación del ángulo de inclinación y verificación por energía anual aprovechada Para la determinación del ángulo de inclinación de paneles solares primero se determinó el ángulo optimo mediante una regla práctica muy utilizada donde solo se usa la latitud; sin embargo, el presente estudio se basó en cálculos de ingeniería con el cual se obtuvo la energía aprovechada diaria para distintos ángulos de inclinación durante todo el año. Con la información obtenida de la radiación global sobre el plano horizontal de la NASA y el índice de reflexión del suelo estimado como 0.2 por ser una superficie de tierra, se ha determinado la irradiación sobre el plano inclinado para distintos ángulos de inclinación, el cual se muestra a continuación. Tabla N° 4.23.Irradiacion promedio mensual sobre el plano inclinado Nota: Elaboración Propia 𝛃 opt = 3,7 + 0.69|𝝋| 𝛃 opt = 3,7 + 0.69|−𝟖. 𝟔| = 9.634°≈ 10° 0° 5.00 ° 10.00 ° 15.00 ° 20.00 ° 25.00 ° 30.00 ° 35.00 ° 40.00 ° 45.00 ° 50.00 ° ENE 4,540 4,441 4,320 4,178 4,016 3,836 3,638 3,425 3,198 2,959 2,709 FEB 4,320 4,269 4,198 4,107 3,996 3,867 3,720 3,557 3,379 3,186 2,982 MAR 4,200 4,204 4,188 4,152 4,096 4,020 3,925 3,813 3,682 3,536 3,374 ABR 4,310 4,380 4,427 4,449 4,446 4,419 4,366 4,288 4,183 4,051 3,889 MAY 4,310 4,447 4,553 4,626 4,664 4,665 4,627 4,545 4,413 4,220 3,946 JUN 4,230 4,401 4,535 4,630 4,683 4,691 4,647 4,545 4,373 4,106 3,696 JUL 4,710 4,904 5,057 5,167 5,230 5,244 5,202 5,098 4,920 4,645 4,230 AGO 5,130 5,277 5,388 5,463 5,500 5,498 5,454 5,366 5,230 5,039 4,780 SET 5,220 5,273 5,297 5,293 5,260 5,199 5,110 4,994 4,850 4,681 4,487 OCT 5,090 5,057 4,997 4,912 4,803 4,669 4,513 4,334 4,136 3,918 3,683 NOV 4,770 4,683 4,572 4,440 4,286 4,111 3,918 3,708 3,482 3,241 2,989 DIC 4,680 4,566 4,429 4,271 4,093 3,896 3,682 3,452 3,208 2,952 2,686 TOTAL 55,510 55,900 55,960 55,687 55,073 54,115 52,803 51,124 49,052 46,535 43,452 MES Radiación Global sobre una supercicie inclinada G(β,α)(Wh/m 2 día) Ec. (3.2) 56 De la tabla anterior se verifica que el mayor aprovechamiento anual de energía se obtendría si usamos un ángulo de inclinación de paneles de 10°; sin embargo, usar 10° ocasionaría acumulación de lluvia, hojas, ramas entre otras cosas en la superficie de los paneles lo que ocasionaría perdidas por sombra, asimismo se verifica que si usamos un ángulo de 15° solo dejaríamos de aprovechar el 0.489% de energía, el cual no es determinante; por ello se usó un ángulo de inclinación de paneles de 15°.  Cálculo de la Potencia pico del sistema Con la información de energía máxima diaria proyectada del sistema y la irradiación de diseño previamente determinada (horas solares pico), asimismo considerando una eficiencia total del sistema de 70%, de acuerdo a la siguiente ecuación: De acuerdo a las Especificaciones técnicas de los paneles usados en la presente investigación, se usó celdas solares de 400Wp de silicio monocristalino, de ello de acuerdo a la siguiente ecuación se obtuvo: Los paneles determinados fueron corregidos posteriormente mediante la cantidad de paneles que se requiere de acuerdo a la configuración de los PVBOX.  Determinación del número de PVBOX e inversores de Red. De acuerdo a las Especificaciones técnicas del PVBOX usado para el diseño, este tiene una tensión máxima de entrada de hasta 880 Vdc y de la tensión máxima del panel solar correspondiente a la tensión en vacío de 52.07 V, se Wp = 𝐸𝑐 𝑛𝑠𝑥 𝐻𝑆𝑃 = 2180.08 𝑘𝑊ℎ 70%𝑥 4.20 ℎ =741.52 kW N°paneles = 𝑊𝑝−𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑊𝑝−𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙 = 741.52 𝑘𝑊 0.4 𝑘𝑊 = 1854 Ec. (3.3) Ec. (3.4) 57 obtuvo de acuerdo a la siguiente ecuación la cantidad máxima de paneles en serie que puede soportar el PVBOX. Asimismo, cada PVBOX cuenta con una corriente máxima admisible por entrada de hasta 11A, teniendo en cuenta que el panel solar usado cuenta con una Icc=10.61A, asimismo aguas abajo se usara un inversor de Red el cual cuenta con dos entradas con capacidad cada una de hasta 33A, entonces se tiene que cada PVBOX puede tener hasta 3 string de 16 paneles, teniendo asi como entrada de corriente máxima al inversor de 31.83 A, tenemos: Asimismo de la cantidad de PVBOX a utilizar, se determinó la nueva cantidad de paneles solares a usar de acuerdo a la siguiente relación: Los inversores trifásicos a utilizar, agruparan 02 PVBOX, de ello tenemos la cantidad de inversores de acuerdo a la siguiente relación: La potencia de cada inversor fue determinada teniendo en cuenta la Potencia pico del sistema, siendo así: N°p serie máximo = 880 𝑉 𝐷𝐶 𝑉𝑜𝑐−𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙 = 880 𝑉 𝐷𝐶 52.07 𝑉 = 16.90 ≈ 16 N°paneles - String= 16 N°string-PV BOX = 3 N° PV BOX = 1854 3𝑋16 = 38.62 ≈ 40 N° Panel=(N°PVBOX)( 𝑁°𝑠𝑡𝑟𝑖𝑛𝑔 𝑃𝑉𝐵𝑂𝑋 )( 𝑁°𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 𝑠𝑡𝑟𝑖𝑛𝑔 ) = 40x3x16= 1920 paneles N° Inversores= 𝑁° 𝑃𝑉−𝐵𝑂𝑋 2 = 20 Pot Inversor= 𝑊𝑝 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑁° 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟𝑒𝑠 = 741.52 𝐾𝑊 20 = 37.07 KW≈ 40 KW Ec. (3.5) Ec. (3.6) Ec. (3.7) Ec. (3.8) 58 De los resultados anteriores, se ha determinado la configuración que se presenta en la siguiente figura: Figura N° 4.2. Configuración Panel-Inversor Fuente: Elaboración propia  Dimensionamiento del sistema de banco de baterías. De acuerdo a la información obtenida del estudio de mercado, se obtuvo Ec=2180.08 kwh/día, de ello considerando que será un sistema aislado se propuso 2 días de autonomía que es lo recomendable para sistemas de energías renovables, asimismo se ha utilizado baterías de LiFePo el cual para una profundidad de descarga de 85% tiene un tiempo de reposición de 13 años, asimismo se ha considerado bancos de 48V, de acuerdo a las recomendaciones para estos tipos de sistemas. De ello tenemos la siguiente ecuación: Datos: - Ec : 2180.08 kWh/día - Daut : 2 días - Vn : 48V - Pd : 0.80 - nb : 0.75 De acuerdo a las especificaciones técnicas de las baterías C = 𝐸𝑐∗ (𝐷𝑎𝑢𝑡+1) 𝑉𝑛 ∗ 𝑃𝑑 ∗ 𝑛𝑏 C = 2180.08𝑘𝑊ℎ/𝑑í𝑎∗ (2+1) 48 𝑉∗ 0.80 ∗ 0.75 = 227,091.56 Ah Ec. (3.9) 59 utilizadas, tenemos baterías de LiFePo con una capacidad de 3.55kWh, a 48V; asimismo se usaron bancos de baterías de 64 baterías compuestos por 4 baterías por rack distribuidos en 16 rack’s cada banco, de acuerdo a la siguiente ecuación se determinó la capacidad por banco de batería y la cantidad de bancos necesarios para almacenar toda la energía:  Determinación del número de Inversores bidireccionales. El dimensionamiento de la potencia total de los inversores bidireccionales, esta condicionado por la potencia máxima a entregar a la localidad, esta potencia fue determinada en el estudio de mercado, teniendo una Potencia máxima simultanea igual 279.06 KW , un factor de seguridad de 25%, asimismo cada banco de baterías alimentara un inversor bidireccional, teniendo así 48 inversores bidireccionales, la potencia de salida de cada inversor se determinó de la siguiente manera: N° bancos = 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑−𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 −𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜 = 227,091.56 𝐴ℎ∗48𝑉 227.2 𝑘𝑊ℎ =47.98 ≈48 bancos Capacidad-banco = ( 𝑁° 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎𝑠 𝑅𝑎𝑐𝑘 ) . ( 𝑁° 𝑅𝑎𝑐𝑘 𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜 ) . 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 − 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎 Capacidad-banco = 4𝑥16𝑥3.55𝑘𝑊ℎ = 227.2 𝑘𝑊ℎ N° baterías = 𝑁° 𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜𝑠 𝑥 𝑁° 𝑏𝑎𝑡 − 𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜 = 48𝑥64 = 𝟑𝟎𝟕𝟐 baterías 𝑃𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟−𝑏𝑖𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 ≥ 1.25𝑥𝑃𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑠𝑖𝑚𝑢𝑙𝑡𝑎𝑛𝑒𝑎 (𝑘𝑊) 𝑁𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎𝑠 𝑃𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟−𝑏𝑖𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 ≥ 1.25𝑥279.06 𝑘𝑊 48 = 7.27 ≈ 𝟖𝐊𝐖 Ec. (3.10) Ec. (3.11) Ec. (3.12) Ec. (3.13) 60 De los cálculos previo se determinó que se usaran 48 inversores bidireccionales de 8 KW.  Selección del Transformador El transformador de la subestación elevará la tensión desde 380Vac a 22,9kV para su conexión a la Red Primaría. La potencia del transformador está en función a la máxima demanda de potencia requerida, de acuerdo con el estudio de mercado eléctrico, por lo que el transformador seleccionado será de 280kVA para una potencia máxima de 279.06 KW calculada.  Cálculo de sección de conductores Para la determinación de los conductores se estableció dos verificaciones de cálculo tanto por caída de tensión y por intensidad admisible de conductores, de ello de acuerdo a las ecuaciones correspondientes, las distancias de configuración del sistema, los % de caídas de tensión máximos considerados de acuerdo al Código Nacional de Electricidad y las intensidades máximas admisibles por sección de conductor obtenida de catálogos, se obtuvieron los siguientes resultados: 61 Tabla N° 4.24. Cálculo de sección de conductor, Panel-Inversor Nota: Elaboración Propia Tabla N° 4.25. Cálculo de sección de conductor, Inversor- Transformador Nota: Elaboración Propia Tramo Conexión de los Módulos Solares al Pvbox SELECCIÓN DE CALIBRE POR CAÍDA DE TENSIÓN Material del Conductor Cobre Resistividad 0.019 Ω.mm2/m Disposición Aire Distancia 16.30 m String a PVbox 3 Caída de tensión Permitida 0.25 % Tensión 833.12 V Caída de tensión 2.08 V Corriente MS 10.61 A Corriente Circula 10.61 A Sección Calculada 3.16 mm2 Sección Seleccionada 4 mm2 SELECCIÓN DE CALIBRE POR CORRIENTE Seleccioanr conductor THW-90 Seleccioanr disposición AIRE RESULTADO THW-90 NYY TRIPLE Corriente soportada 37 FALSO Sección Seleccionada 2.5 FALSO Tramo de conexión del PVbox al Inversor SELECCIÓN DE CALIBRE POR CAÍDA DE TENSIÓN Material del Conductor Cobre Resistividad 0.019 Ω.mm2/m Disposición Aire Distancia 6.8 m Pvbox a Inversor 2 Caída de tensión Permitida 0.25 % Tensión 833.12 V Caída de tensión 2.08 V Corriente MS 10.61 A Corriente Circula 31.8