UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y DE ENERGÍA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA “DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO FLOTANTE PARA MEJORAR EL ACCESO A LA ENERGÍA ELÉCTRICA EN LAS LOCALIDADES UBICADAS SOBRE LA SUPERFICIE DEL LAGO TITICACA EN EL PERÚ” TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO MECÁNICO BENITES CORDOVA, KEVIN ALEXANDER Callao, 2021 PERÚ 2 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° 076 DE SUSTENTACIÓN DE TESIS CON CICLO TALLER PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO MECÁNICO LIBRO N° 001, FOLIO N° 102, ACTA N° 076 DE SUSTENTACIÓN DE TESIS CON CICLO TALLER DE TESIS PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO MECÁNICO A los 08 días del mes diciembre, del año 2021, siendo las 12:13 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 Mecánico 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 BENITES CORDOVA, KEVIN ALEXANDER, quien habiendo cumplido con los requisitos para optar el Título Profesional de Ingeniero Mecánico sustenta la tesis titulada “DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO FLOTANTE PARA MEJORAR EL ACCESO A LA ENERGÍA ELÉCTRICA EN LAS LOCALIDADES UBICADAS SOBRE LA SUPERFICIE DEL LAGO TITICACA EN EL PERÚ”, 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 13:01 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 I N F O R M E Vista, la Tesis Final, titulada: “DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO FLOTANTE PARA MEJORAR EL ACCESO A LA ENERGÍA ELÉCTRICA EN LAS LOCALIDADES UBICADAS SOBRE LA SUPERFICIE DEL LAGO TITICACA EN EL PERÚ”, presentada por el señor bachiller en Ingeniería Mecánica, BENITES CORDOVA, KEVIN ALEXANDER. A QUIEN CORRESPONDA: El Presidente del Jurado del señor bachiller en Ingeniería Mecánica, BENITES CORDOVA, KEVIN ALEXANDER manifiesta que la Sustentación de Tesis, se realizó en forma virtual, mediante la sala: https://meet.google.com/wdy-xddb-bej, el día miércoles 08 de diciembre de 2021 a las 12:13 horas, habiéndose encontrado observaciones, las mismas que han sido levantadas correctamente por el interesado, de acuerdo a lo informado por cada uno de los miembros del jurado. En tal sentido, en mi calidad de Presidente de Jurado, emito el presente informe favorable para los fines pertinentes. Bellavista, 03 de febrero de 2022 …………………………… Dr. Juan Manuel Palomino Correa Presidente de Jurado de Sustentación de Tesis https://meet.google.com/wdy-xddb-bej 3 HOJA DE REFERENCIA DEL JURADO Y APROBACIÓN INFORMACION BÁSICA • FACULTAD: FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y DE ENERGÍA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA EN ENERGÍA • UNIDAD DE INVESTIGACIÓN: UNIDAD DE INVESTIGACIÓN DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y DE ENERGÍA • TÍTULO: “DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO FLOTANTE PARA MEJORAR EL ACCESO A LA ENERGÍA ELÉCTRICA EN LAS LOCALIDADES UBICADAS SOBRE LA SUPERFICIE DEL LAGO TITICACA EN EL PERÚ” • AUTOR: BENITES CORDOVA KEVIN ALEXANDER • ASESOR: LIZANDRO ROSALES • LUGAR DE EJECUCIÓN: CALLAO – PERÚ • TIPO DE INVESTIGACIÓN: INVESTIGACIÓN TECNOLÓGICA 4 Dedicatoria De manera muy afectiva, dedico esta investigación a Dios, a mis padres, hermanos, familia y docentes que me impulsaron durante toda mi carrera, dándome el apoyo incondicional en todos los aspectos profesionales y académicos. A Silvia, mi amada compañera, quien me alienta diariamente a seguir esforzándome profesionalmente. A toda la población que pueda beneficiarse con esta tesis. 5 Agradecimiento A mi asesor Lizandro Rosales por haberme guiado en el desarrollo de mi tesis, siempre con profesionalismo y mucha paciencia. Asimismo, a los docentes del curso final de tesis que me brindaron los conocimientos en metodología de la investigación y con su experiencia, observaciones y consejos, pude culminar satisfactoriamente la presente investigación. A la Universidad Nacional del Callao, mi alma máter, por brindarme el espacio y ambiente necesarios para formarme profesionalmente. 6 ÍNDICE RESUMEN ....................................................................................................... 12 ABSTRACT ..................................................................................................... 13 INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 14 I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ...................................................... 17 1.1. DESCRIPCIÓN DE LA REALIDAD PROBLEMATICA ............................ 17 1.2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ........................................................ 20 1.3. OBJETIVOS ........................................................................................... 20 1.4. LIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN ................................................... 21 1.4.1. TEÓRICA ............................................................................................ 21 1.4.2. TEMPORAL ........................................................................................ 21 1.4.3. ESPACIAL........................................................................................... 21 II. MARCO TEORICO .................................................................................... 22 2.1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN .......................................... 22 2.1.1. ANTECEDENTES INTERNACIONALES ............................................ 22 2.1.2. ANTECEDENTES NACIONALES ....................................................... 26 2.2. BASES TEÓRICAS ................................................................................ 28 2.2.1. PRINCIPIOS DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA .................. 28 2.2.2. RADIACIÓN SOLAR ........................................................................... 29 2.2.3. TÉRMINOS DE ENERGÍA SOLAR ...................................................... 30 2.2.4. SISTEMA FOTOVOLTAICO................................................................ 32 2.2.4.1. SISTEMA AISLADO ......................................................................... 33 2.2.4.2. SISTEMA CONECTADO A LA RED ................................................. 37 2.2.4.3. SISTEMA HÍBRIDO .......................................................................... 38 2.2.5. SISTEMA FOTOVOLTAICO FLOTANTE ............................................ 38 2.2.6. PRINCIPIOS DEL FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO FLOTANTE ...................................................................... 42 2.2.6.1. DISEÑO DE LOS EQUIPOS DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO FLOTANTE. .................................................................................................. 44 7 2.2.7. COMPONENTES PRINCIPALES DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO FLOTANTE AISLADO ................................................................................... 46 2.2.7.1. PANELES SOLARES ....................................................................... 47 2.2.7.2. ANGULO DE INCLINACIÓN ............................................................ 50 2.2.7.3. BANCO DE BATERÍAS .................................................................... 52 2.2.7.4. INVERSORES .................................................................................. 56 2.2.7.5. CONTROLADOR DE CARGA .......................................................... 58 2.2.7.6. CABLEADO ...................................................................................... 60 2.2.7.7. SUPERFICIE DE LA INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA FLOTANTE 61 2.2.8. PERFIL DE CARGA ............................................................................ 64 2.2.9. PERFIL HORARIO .............................................................................. 65 2.2.10. POTENCIA INSTALADA ................................................................... 66 2.2.11. CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA ............................................ 68 2.2.12. PÉRDIDAS DE ENERGÍA ................................................................. 68 2.2.13. ENERGÍA DISPONIBLE PARA EL USUARIO ................................... 68 2.3. MARCO CONCEPTUAL ........................................................................ 69 2.4 DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS ................................................. 70 III. HIPOTESIS Y VARIABLES ................................................................... 71 3.1. HIPÓTESIS ............................................................................................ 71 3.2. DEFINICIÓN CONCEPTUAL DE VARIABLES ....................................... 71 3.2.1. OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES ......................................... 72 IV. DISEÑO METODOLÓGICO ................................................................... 73 4.1. TIPO Y DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN ............................................. 73 4.2. MÉTODO DE LA INVESTIGACIÓN ........................................................ 74 4.2.1. PARÁMETROS DE DISEÑO ............................................................... 75 4.2.2. ETAPAS DEL DISEÑO ........................................................................ 75 4.3. POBLACIÓN Y MUESTRA ..................................................................... 76 4.4. LUGAR DEL ESTUDIO Y PERIODO DESARROLLADO ........................ 76 4.5. TÉCNICAS E INSTRUMENTACIÓN PARA LA RECOLECCIÓN DE LA INFORMACIÓN ............................................................................................ 76 4.6. ANALISIS Y PROCESAMIENTO DE DATOS ......................................... 76 8 4.6.1. ÁREA DEL CASO DE ESTUDIO ......................................................... 77 4.6.2. EVALUACIÓN DE RECURSOS .......................................................... 78 4.6.3. EVALUACIÓN DE LA DEMANDA DE ENERGÍA ELÉCTRICA ............ 82 4.6.4. DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO FLOTANTE (FPV) ............................................................................................................ 83 4.6.4.1. MODELAMIENTO MATEMÁTICO ................................................... 83 4.6.4.2. DIMENSIONAMIENTO DE LOS COMPONENTES DEL FPV ........... 87 V. RESULTADOS ........................................................................................ 100 5.1. RESULTADOS DESCRIPTIVOS ......................................................... 100 VI. DISCUSIÓN DE RESULTADOS .......................................................... 101 6.1. CONTRASTACIÓN Y DEMOSTRACIÓN DE LA HIPÓTESIS CON LOS RESULTADOS. .......................................................................................... 101 6.2. CONTRASTACIÓN DE LOS RESULTADOS CON OTROS ESTUDIOS SIMILARES. ................................................................................................ 103 6.3. RESPONSABILIDAD ÉTICA DE ACUERDO CON LOS REGLAMENTOS VIGENTES. ................................................................................................. 105 CONCLUSIONES .......................................................................................... 106 RECOMENDACIONES .................................................................................. 107 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................. 108 ANEXOS ........................................................................................................ 111 9 TABLAS DE CONTENIDO TABLA 1 PERFIL DE CARGA PARA 01 VIVIENDA DE MUY BAJO CONSUMO - TIPO 1 ....................................................................................................... 34 TABLA 2 PERFIL DE CARGA PARA 01 CENTRO MÉDICO DE MUY BAJO CONSUMO - TIPO 2 .................................................................................. 35 TABLA 3 PERFIL DE CARGA PARA 01 INSTITUCIÓN EDUCATIVA DE MUY BAJO CONSUMO - TIPO 3 ........................................................................ 36 TABLA 4 SELECCIÓN DEL VOLTAJE DEL SISTEMA ....................................... 46 TABLA 5 ÁNGULO DE INCLINACIÓN DE ACUERDO CON LA LATITUD DEL LUGAR. ..................................................................................................... 52 TABLA 6 PERFIL HORARIO .............................................................................. 66 TABLA 7 OPERACIONALIZACIÓN DE LAS VARIABLES .................................. 72 TABLA 8 UBICACIÓN DE LAS ISLAS DE LOS UROS. ...................................... 77 TABLA 9 DEMANDA DE CARGA DIARIA DE UNA CASA TÍPICA CON BAJO CONSUMO EN LAS ISLAS DE LOS UROS. .............................................. 82 TABLA 10 COSTOS DE LOS EQUIPOS DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO FLOTANTE ................................................................................................ 95 10 TABLA DE FIGURAS FIGURA 1. INDICADORES DE ACCESO A SERVICIOS BÁSICOS DE LA POBLACIÓN PUNEÑA. .................................................................................................................. 18 FIGURA 2. INDICADORES DE HOGARES CON ACCESO A LA ELECTRICIDAD EN PUNO. .. 18 FIGURA 3. EFECTO DEL INCREMENTO DE LA TEMPERATURA EN UNA CELDA SOLAR EN UN GRÁFICO I-V. ............................................................................................... 19 FIGURA 4 ESPECTRO DE RADIACIÓN SOLAR Y ACTIVIDAD FOTOSINTÉTICA ................. 30 FIGURA 5 DIFERENCIA ENTRE IRRADIANCIA E IRRADIACIÓN. .................................... 31 FIGURA 6 CÁLCULO DE HORAS PICO DEL SOL ........................................................ 31 FIGURA 7 FORMACIÓN DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA ..................................... 32 FIGURA 8 DIAGRAMA DE INSTALACIÓN TIPO 1 ....................................................... 34 FIGURA 9 DIAGRAMA DE INSTALACIÓN TIPO 2 Y TIPO 3. ......................................... 37 FIGURA 10 TIPOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ................................................... 38 FIGURA 11 ESQUEMA DE UNA INSTALACIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA FLOTANTE CON SUS COMPONENTES CLAVE .................................................................................. 39 FIGURA 12 ESQUEMA DE LA SUJECIÓN DE PANELES CON AMARRE Y BOYAS. ............. 41 FIGURA 13 FOTOGRAFÍA DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO FLOTANTE (FPV) .............. 41 FIGURA 14 ESQUEMA DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO ............................................ 46 FIGURA 15 ELEMENTOS DEL PANEL FOTOVOLTAICO ............................................... 48 FIGURA 16 FUNCIONAMIENTO DEL PANEL .............................................................. 48 FIGURA 17 FUNCIONAMIENTO DE UNA CELDA SOLAR .............................................. 49 FIGURA 18 TIPO DE CONEXIÓN ENTRE PANELES .................................................... 50 FIGURA 19 ÁNGULO DE INCLINACIÓN BETA. ........................................................... 51 FIGURA 20 INVERSOR DE CORRIENTE ................................................................... 56 FIGURA 21 CONTROLADOR DE CARGA .................................................................. 59 FIGURA 22 ESQUEMA DEL SISTEMA DE FLOTACIÓN CFFV ...................................... 62 FIGURA 23 DISEÑO DE UNA PLATAFORMA FLOTANTE .............................................. 62 FIGURA 24 VARIACIÓN DE LA POTENCIA CON EL ÁNGULO DE INCLINACIÓN ................ 63 FIGURA 25 IMPACTO DE LAS FUERZAS DEL VIENTO SOBRE UN MÓDULO FV SEGÚN LA INCLINACIÓN ................................................................................................ 64 FIGURA 26 EVOLUCIÓN DE POTENCIA INSTALADA NACIONAL. .................................. 67 FIGURA 27 EVOLUCIÓN DE POTENCIA SOLAR INSTALADA ........................................ 67 11 FIGURA 28 UBICACIÓN DE LOS UROS – VISTA SATELITAL. ...................................... 77 FIGURA 29 VISTA PANORÁMICA DE LAS ISLAS DE LOS UROS. .................................. 78 FIGURA 30 IRRADIACIÓN SOLAR MENSUAL EN LAS ISLAS DE LOS UROS .................... 79 FIGURA 31 TEMPERATURA MEDIA MENSUAL EN LAS ISLAS DE LOS UROS. ................. 80 FIGURA 32 TEMPERATURA MÁXIMA DIARIA PROMEDIO EN LAS ISLAS DE LOS UROS. ... 80 FIGURA 33 VELOCIDAD DEL VIENTO EN LAS ISLAS DE LOS UROS – 30 AÑOS PROMEDIO. .................................................................................................................. 81 FIGURA 34 UBICACIÓN EXACTA DEL DISEÑO FOTOVOLTAICO FLOTANTE .................... 96 FIGURA 35 ESQUEMA DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO FLOTANTE ................................ 97 FIGURA 36 DISPOSICIÓN DE LOS INVERSORES Y PANELES SOLARES DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO FLOTANTE DISEÑADO. ............................................................ 97 FIGURA 37 ESQUEMA DEL EFECTO DEL SOMBREADO EN EL DISEÑO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO FLOTANTE ............................................................................. 98 FIGURA 38 DISEÑO Y DISTRIBUCIÓN DE LA PLATAFORMA FOTOVOLTAICA FLOTANTE .. 99 FIGURA 39 FOTOGRAFÍA DE UNA INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA FLOTANTE A CARGO DE KAIVAL S.A.C. ............................................................................................. 99 12 RESUMEN En la presente investigación se desarrolló el diseño de un sistema fotovoltaico flotante (FPV, por sus siglas en inglés) haciendo uso de energía solar a través de equipos como paneles solares ubicados sobre la superficie del Lago Titicaca, con el fin de mejorar el acceso a la energía eléctrica en las Islas de los Uros – Puno, Perú. En esta zona, debido a su ubicación y geografía, instalar un sistema fotovoltaico en tierra causa escasez de terrenos muy necesarios para la población, cuya principal fuente de economía se basa en el turismo y la pesca. Asimismo, una instalación fotovoltaica en tierra tiene menor eficiencia debido a una elevada temperatura de trabajo del sistema. En ese sentido, el objetivo de esta tesis fue diseñar un sistema fotovoltaico flotante para mejorar el acceso a la energía eléctrica en las localidades ubicadas sobre la superficie del Lago Titicaca en el Perú. Es decir, se buscó incrementar la potencia de salida de los paneles (Wp) y el rendimiento fotovoltaico. La investigación fue aplicada y tecnológica, de enfoque cuantitativo, puesto que los datos a utilizar son de carácter numérico. Por otro lado, el nivel de la investigación es de carácter explicativa, pues se dirige a responder las causas, y su interés se centra en responder el porqué dos o más variables se relacionan. Se concluye que el sistema fotovoltaico flotante tiene una potencia instalada de 237.84 kW, suficiente para cubrir la demanda energética de 380.04 kWh-día en la zona, y a su vez, se obtuvo una mayor potencia de salida de 72.685 kW frente a un sistema fotovoltaico en tierra cuya potencia en las mismas condiciones alcanzó 71.605 kW. Es decir, el sistema fotovoltaico flotante es más eficiente brindando una potencia de salida (Wp) adicional de 1.079 kW. Palabras Clave: FPV, Diseño, Eficiencia, Temperatura. 13 ABSTRACT In this research, the design of a floating photovoltaic system (FPV) was developed using solar energy through equipment such as solar panels located on the surface of Lake Titicaca. To improve access to electric power in the Islands of Los Uros – Puno, Peru. In this area, due to its location and geography, installing a photovoltaic system on land causes a shortage of much-needed land for the population, whose main source of economy is based on tourism and fishing. Also, a photovoltaic installation on the ground has less efficiency due to a high system working temperature. In this sense, the objective of this thesis was to design a floating photovoltaic system to improve access to electrical energy in the localities located on the surface of Lake Titicaca in Peru. In other words, the aim was to increase the installed power and the photovoltaic performance. The research was applied and technological, with a quantitative approach since the data to be used are of a numerical character. On the other hand, the level of research is of an explanatory nature, since it is aimed at responding to the causes, and its interest focuses on responding to why two or more variables are related. It is concluded that the floating photovoltaic system has an installed power of 237.84 kW, sufficient to cover the energy demand of 380.04 kWh-day in the area, and in turn, A higher output power of 72.685 kW was obtained compared to a ground photovoltaic system whose power under the same conditions reached 71.605 kW. In other words, the floating photovoltaic system is more efficient providing an additional output power (WP) of 1.079 kW. Keywords: FPV, Design, Efficiency, Temperature. 14 INTRODUCCIÓN En la actualidad, el sector energético peruano afronta como desafío el abastecimiento de electricidad en las zonas rurales del país, a causa de que la población ha incrementado notablemente su necesidad de poder acceder a la energía eléctrica. Asimismo, el deficiente sistema eléctrico en diversas zonas alejadas de la ciudad no dispone de tecnología e infraestructura apropiada para la generación, transmisión y distribución de este servicio básico y fundamental. En Puno, según el Ministerio de Desarrollo e Inclusión Social (2021), en 2020, el 46.3% de los puneños no puede acceder a servicios básicos como el agua, saneamiento, electricidad y telefonía. Es importante mencionar que estos indicadores se encuentran por debajo de los valores estándares. En las Islas de los Uros, lugar de estudio de esta investigación, se han implementado pequeños paneles fotovoltaicos, no obstante, no es suficiente para mejorar notablemente el acceso a la energía eléctrica de esta zona turística. Asimismo, la posibilidad de implementar conexionado terrestre del Sistema Eléctrico Interconectado Nacional (SEIN) en las islas es poco probable debido a la geografía del lugar. Por lo tanto, se puede deducir que actualmente se vive un periodo de escasez energética en las Islas de los Uros a causa de un deficiente sistema eléctrico en la zona. Por lo que, resulta necesario realizar el diseño de un sistema fotovoltaico flotante que permita mejorar el suministro de energía eléctrica. Por otro lado, es importante precisar que en otras regiones del mundo, se han desarrollado investigaciones de la misma índole como lo es el caso de Biniyam Zemene Tay, Abraham Hizkiel Nebey y Tewodros Gera Workineh, quienes en su investigación titulada “Diseño de un sistema solar fotovoltaico flotante para un hogar típico en la isla de Debre Mariam”, diseñan un sistema fotovoltaico flotante como una fuente renovable de energía alternativa para la 15 electrificación rural y comprueban con cálculos que su diseño es mejor que un sistema en tierra debido a efectos de enfriamiento del agua. Lo que permite que obtengan mayor potencia, y por ende un mejor suministro de energía eléctrica. Por otra parte, la importancia de la presente investigación radica en que en caso se implemente lo expuesto a lo largo de este documento, el beneficio social de las Islas de los Uros será enorme y el impacto ambiental será mínimo. Dada la naturaleza del trabajo, se ha visto conveniente realizar la siguiente estructura: En el primer capitulo de la presente investigación, se abarca el planteamiento del problema, que incorpora la descripción de la realidad problemática, formulación del problema, en la que se indican el problema principal y los problemas específicos. Por otro lado, se indican el objetivo general y los específicos y las limitaciones. En el segundo capitulo, se desarrolla el marco teórico, que contiene los antecedentes de la investigación, las bases teóricas y el marco conceptual. En el tercer capítulo, se presentan la hipótesis general y las específicas, la identificación de variables y su operacionalización respectiva. En el cuarto capítulo, se desarrolla la metodología de la investigación, que abarca el tipo y diseño la investigación, la población y muestra, las técnicas e instrumentos de recolección de datos y el análisis y procesamiento de datos. Asimismo, se exponen todos los cálculos realizados junto con las simulaciones en los softwares correspondientes. En el quinto capítulo, se presentan los resultados obtenidos de la investigación conforme a los cálculos hechos previamente y se exponen de forma clara y precisa. 16 En el sexto capítulo, se profundiza y se discuten los resultados y se realiza la contrastación de la hipótesis inicialmente planteada y con los trabajos anteriormente realizados. Finalmente, se presentan las conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas y los anexos utilizados para el desarrollo de la presente investigación. 17 I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1. DESCRIPCIÓN DE LA REALIDAD PROBLEMATICA Actualmente, el sector eléctrico en el Perú tiene como desafío y prioridad el abastecimiento de electricidad en las zonas rurales del país, debido a que la población necesita realizar actividades económicas cada vez más vinculadas con la tecnología. Asimismo, las medidas implementadas por el gobierno durante la pandemia del COVID-19 como el aislamiento social y actividades remotas, han impactado notablemente en cada hogar del país, incrementando la necesidad de poder acceder a la energía eléctrica. Por otro lado, el deficiente sistema energético en diversas zonas alejadas de la ciudad no dispone de tecnología e infraestructura apropiada para la generación, transmisión y distribución de energía eléctrica. Y como consecuencia, no hay desarrollo integral del país. En Puno, región ubicada al sureste del Perú, según el Ministerio de Desarrollo e Inclusión Social, el índice de pobreza en el año 2020 fue de 42.5% de una población aproximada de 1,2 millones personas e incluso un 8.0% del total vive en extrema pobreza. En la Figura 1, se puede apreciar que el 46.3% de los puneños no puede acceder a servicios básicos como el agua, saneamiento, electricidad y telefonía. Es importante precisar que estos indicadores se encuentran por debajo de los promedios nacionales. 18 Figura 1. Indicadores de acceso a servicios básicos de la población puneña. En el hogar puneño alcanzó una cobertura de servicios básicos (agua, saneamiento, electricidad y telefonía) del 73.8% a nivel nacional y 46.3% en el departamento de Puno. Tomada de “Reporte regional de indicadores sociales del departamento de puno”, por MIDIS - INEI – ENAHO, 2021, p. 1. En las localidades ubicadas sobre la superficie del Lago Titicaca como Los Uros, se han implementado 485 paneles fotovoltaicos de 120 Wp, sin embargo, no poseen la potencia suficiente para poder abastecer la creciente demanda energética de la zona turística. Adicionalmente, la implementación de conexionado terrestre del Sistema Eléctrico Interconectado Nacional en las islas colindantes es improbable debido a la geografía del lugar. Figura 2. Indicadores de hogares con acceso a la electricidad en Puno. Tomada de “Reporte regional de indicadores sociales del departamento de puno”, por MIDIS - INEI – ENAHO, 2021, p. 2. 19 Por otro lado, en el aspecto técnico, es importante indicar que, en instalaciones terrestres, la temperatura de las celdas solares es mucho mayor que sobre la superficie de un cuerpo de agua. Y esto trae como consecuencia, que, a mayor temperatura, menor sea el voltaje del panel y por ende menor será la potencia. Es decir, a mayor temperatura, menor eficiencia. Lo que supone que colocar una instalación fotovoltaica en tierra no es apropiado debido a la escasez de terrenos y a una alta temperatura de las celdas. Figura 3. Efecto del incremento de la temperatura en una celda solar en un gráfico I-V. Tomada de “Manual de Ciencia e Ingeniería fotovoltaica”, por Antonio Luque y Steven Hegedus, 2009, p. 423. Por lo expuesto en los párrafos precedentes, se puede concluir que en la actualidad se vive un periodo de insuficiente acceso a la energía en las localidades ubicadas en la superficie del Lago Titicaca a causa de un deficiente sistema eléctrico en la zona. Específicamente en las Islas de los Uros. Finalmente, es importante diseñar un sistema fotovoltaico flotante que permita mejorar el acceso a la energía eléctrica, dando así una mejor calidad de vida a la población de Los Uros. 20 1.2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA Problema General: - ¿Cómo el diseño de un sistema fotovoltaico flotante mejora el acceso a la energía eléctrica en las localidades ubicadas sobre la superficie del Lago Titicaca en el Perú? Problemas Específicos: - ¿De que manera el consumo total de energía eléctrica determina la demanda energética de la zona? - ¿Cómo el dimensionamiento del sistema fotovoltaico flotante mejora la capacidad del servicio eléctrico en la zona? - ¿Cómo la potencia instalada impacta en el costo del sistema fotovoltaico flotante? 1.3. OBJETIVOS Objetivo General: - Diseñar un sistema fotovoltaico flotante para mejorar el acceso a la energía eléctrica en las localidades ubicadas sobre la superficie del Lago Titicaca en el Perú. Objetivos Específicos: - Evaluar como el consumo total de energía eléctrica determina la demanda energética de la zona. - Determinar como el dimensionamiento del sistema fotovoltaico flotante mejora la capacidad del servicio eléctrico en la zona. - Determinar como la potencia instalada impacta en el costo del sistema fotovoltaico flotante. 21 1.4. LIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN 1.4.1. TEÓRICA Actualmente en el Perú, se dispone de insuficiente información acerca de sistemas fotovoltaicos flotantes. Asimismo, no se tiene implementado y desarrollado proyectos de gran envergadura relacionados a esta tecnología, por lo que la información es muy limitada. Por otro lado, la investigación se limita solo al modelamiento matemático de generación de energía eléctrica mediante un sistema fotovoltaico flotante. No se considera, la instalación del sistema ni la parte de transmisión o distribución de electricidad ni a sus derivados. Tampoco se considera otros tipos de generación solar como la térmica ni otros tipos de generación de energía eléctrica debido a la geografía de la zona. 1.4.2. TEMPORAL Este informe de tesis se limitó trabajar en base a fuentes del extranjero obtenidos en los últimos 10 años. Solo se abarcó a sistemas fotovoltaicos flotantes aislados en la zona de estudio, no a otras variantes de generación de energía que quedan fuera del marco de la investigación. 1.4.3. ESPACIAL La investigación se desarrolló en una zona con una geografía bastante complicada, el área de estudio se encuentra aislada del sistema eléctrico interconectado nacional, y la población en su mayoría tiene como lengua materna predominante el aimara, seguido del quechua. Solo escasas personas hablan en español. Por lo que el acceso a la información en sitio es complejo. 22 II. MARCO TEORICO 2.1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN En este apartado se describe diversas investigaciones realizadas con relación a la teoría y la práctica de diseños de sistemas fotovoltaicos flotantes, para diversos casos en el ámbito nacional e internacional. La generación de energía solar, a través del tiempo, ha ido mejorando considerablemente. Como muestra, encontramos los nuevos estudios sobre la problemática de indicadores que surten efecto en los tiempos y costos para este tipo de proyectos. Para la elaboración del presente estudio, es preciso investigar y examinar diferentes documentos bibliográficos, los cuales cumplen el rol de soporte teórico de los diseños de sistemas fotovoltaicos flotantes realizados en diferentes proyectos y de metodología de estudio. A continuación, se tienen los siguientes antecedentes. 2.1.1. ANTECEDENTES INTERNACIONALES - Abellán (2020), en su estudio de tesis para la obtención del grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales titulado “Dimensionamiento de una instalación fotovoltaica flotante de 2,5 MW en el embalse de San Bartolomé”, analiza e implementa el dimensionamiento de una planta de generación solar fotovoltaica conectada a la red en España. El diseño de la instalación fotovoltaica es tipo flotante y se pretende ubicar en el embalse de San Bartolomé, en la localidad de Ejea de los Caballeros, Zaragoza. El problema evidenciado es que el lugar enfrenta inconvenientes para alimentar la estación de bombeo de una serie de cultivos en una superficie de 1200 hectáreas, el objetivo general trazado consiste en realizar el dimensionamiento de una planta fotovoltaica flotante que sea capaz de realizar el suministro 23 energético necesario para una serie de cultivos. Y tiene como requisito indispensable, cumplir con toda la normatividad vigente en su país. La principal restricción que afronta es la escasez de datos de plantas fotovoltaicas construidas para este fin. Asimismo, indica que los principales beneficiados de su proyecto serán los agricultores de la zona, los fabricantes de paneles solares y del sistema de flotación. Adicionalmente, tienen como objetivo que los equipos cumplan con los estándares de calidad, seguridad, ambientales y técnicos para ser usados por los contratistas que desarrollan los proyectos de la compañía disminuyendo el riesgo negativo y mejorando la calidad de los entregables. Abellán, eligió solución óptima realizar un análisis de los métodos de flotación utilizado en diversas instalaciones fotovoltaicas del mundo, con el fin de determinar las ventajas y desventajas de cada uno de ellos. Tras realizar el dimensionamiento, obtuvo que se debió instalar 8400 paneles solares, que brindará una potencia de 2.7 kWp. A partir de esta potencia de los paneles, obtuvo 2.5 kW como potencia del inversor. Asimismo, la conexión de los paneles solares se ha realizado de tal forma que se pueda conseguir una tensión mayor y una intensidad menor. La configuración final es de 20 sub- campos, en los que existen 15 cadenas de 28 paneles en serie por cadena. Se concluye que, con la configuración de la planta y el inversor, se determinó el dimensionamiento del cableado, las protecciones, puesta a tierra respetando los códigos y reglamentos de su país. 24 - Palacio (2019), en su tesis, para la obtención del grado de maestro en Sistemas de potencia y conversión de energía eléctrica, titulado “Estudio eléctrico estable y dinámico para una Planta fotovoltaica flotante”, describe cómo se desarrollan las plantas de energía solar fotovoltaica (FV) a gran escala como fuente de energía renovable y como representan una gran alternativa a las fuentes de energía convencional. El problema evidenciado es que las plantas requieren grandes áreas de tierra que pueden ser un desafío para algunas regiones en las cuales no se dispone de mucha área terrestre, como islas o países con alto nivel poblacional. Otro problema es lidiar con elevadas temperaturas que impactan negativamente la eficiencia de los módulos. Por lo tanto, el autor infiere que, para superar estos problemas, el desarrollo e instalación de módulos fotovoltaicos sobre superficies de agua no utilizadas se ha convertido en una opción factible y viable. Estas plantas fotovoltaicas flotantes o recientemente denominadas “floatovoltaicas” son actualmente una tendencia en los países asiáticos, como China, cuya capacidad instalada está en continuo aumento. Asimismo, Palacio indica que la energía solar flotante posee importantes ventajas como el aumento del rendimiento energético debido a temperaturas de funcionamiento más bajas, reducción de pérdidas de potencia, entre otros. El objetivo de su investigación es analizar el comportamiento eléctrico de una central fotovoltaica flotante (FPV) de 50 MW, la cual se ubicará sobre un embalse hidroeléctrico en España, con el fin de evaluar su impacto de conexión a la red en la red eléctrica española. La evaluación consistirá en la realización de estudios continuos y dinámicos de la planta para comprobar el cumplimiento de las condiciones de funcionamiento establecidas en el código de red español. Finalmente, el investigador concluye que la planta FPV propuesta cumple plenamente con los requisitos de conexión a la red. 25 - Zemene, Hizkiel y Gera (2020) en su artículo científico titulado “Diseño de un sistema solar fotovoltaico flotante para un hogar típico en la isla de Debre Mariam”, describen como utilizar la energía solar fotovoltaica como una fuente de energía renovable alternativa, especialmente para la electrificación rural. Asimismo, los autores precisan que, debido al alto crecimiento de la demanda de energía solar fotovoltaica, se iba a producir una escasez de terrenos para su instalación, particularmente en países con sobrepoblación y en Etiopía, lugar de estudio de su investigación, en la que la principal fuente de economía es la agricultura. Por otro lado, en la parte técnica, los investigadores precisan que las instalaciones terrestres tienen baja eficiencia, ya que el rendimiento fotovoltaico depende considerablemente de las condiciones meteorológicas, parámetros de funcionamiento como la temperatura y velocidad del viento. En ese sentido, Zemene, Hizkiel y Gera indican que utilizar superficies de agua es una buena alternativa para contrarrestar el uso de terrenos y disminuir el impacto de la temperatura sobre la generación solar. Asimismo, para reducir los problemas de fijación de la instalación, existen tecnologías como sistemas flotantes, lo cual permite que se puedan instalar plantas fotovoltaicas sobre cuerpos de agua. El objetivo de los autores fue diseñar un sistema flotante para la Isla Debre Mariam para aumentar la eficiencia de las celdas solares y evitar usar terrenos. Para ello los investigadores, determinan la demanda de carga energética diaria de la comunidad, analizan factores como la velocidad del viento y temperatura que influyen notablemente en las caídas y baja eficiencia de los paneles y en la baja potencia de salida en las instalaciones fotovoltaicas. 26 Finalmente, los autores diseñan un sistema fotovoltaico flotante de 294.8 kW y lo comparan con el mismo sistema instalado en tierra, el cual arroja una potencia de 289.90 kW. Esto evidencia que una instalación fotovoltaica flotante produce 4.9 kW más que una terrestre y es más eficiente. 2.1.2. ANTECEDENTES NACIONALES El desarrollo de plantas fotovoltaicas flotantes es una novedad en el Perú, por lo tanto, no se dispone de suficientes tesis nacionales directamente relacionadas directamente a esta investigación, sin embargo, se han elaborado pequeños proyectos con gran potencial como es el caso de Juansergio Castro Suni. Caso de éxito. JuanSergio Castro Suni, ingeniero agrónomo oriundo de Puno, egresado de la Universidad Nacional del Altiplano, en 2019, creó el primer panel solar flotante lacustre que abastece agua a los pastizales que alimentan al ganado de las comunidades que habitan en Ocuvirí, distrito puneño. Esta plataforma compuesta de 34 paneles fotovoltaicos, permiten el funcionamiento de un motor capaz de abastecer de agua a once reservorios instalados en los alrededores de la Laguna Chullpia. El objetivo de abastecer los reservorios es poder contar con suministro de agua y poder regar durante todo el año hasta 30 hectáreas de pastizales que servirán de alimento para los animales. Este antecedente es realmente importante dado que con este logro el autor ha podido mejorar la condición de vida de la población que carecen de energía eléctrica y viven un clima adverso debido a las heladas y sequias. Por otro lado, se tienen los siguientes antecedentes nacionales relacionados al diseño de sistemas fotovoltaicos: 27 - Hervias (2018), presentó, para optar el titulo de Ingeniero en Energía, el trabajo de investigación titulado “Diseño de un sistema de bombeo mediante energía solar fotovoltaica para suministrar agua potable a la población de Maynas – Perú”. El autor describe un diseño de bombeo de agua con energía solar fotovoltaica (FV) para uso agrícola en irrigación y ganaderías. El problema evidenciado es que la ciudad de Iquitos conforma el sistema eléctrico aislado más importante del país, a causa de que no se encuentra conectado al Sistema eléctrico interconectado nacional (SEIN). Adicional a ello, hace hincapié en la calidad del agua en la región Loreto, precisando un elevado nivel de contaminación de los ríos y quebradas, producto del desborde y diseminación del petróleo en la zona. La investigadora tiene como objetivo ejecutar acciones necesarias e inmediatas en la localidad amazónica y propone diseñar un sistema de bombeo mediante energía solar fotovoltaica para suministrar agua potable a la población de Maynas. Finalmente, que la investigación realizada cumple con las expectativas tanto económicas como ambientales, y que su proyecto es una excelente forma de impulsar las energías renovables brindando satisfacción e incrementando la calidad de vida de los lugareños. - Quintanilla (2020) en su investigación titulada “Diseño de un sistema solar fotovoltaico aislado para suministrar de energía eléctrica la localidad de Patahuasi - Pampa Cañahuas”, para la obtención del grado de Ingeniero mecánico – electricista, describe como realizó el diseño de un sistema fotovoltaico para suministrar energía eléctrica a la localidad de Patahuasi, en base al número de pobladores del lugar y su consumo eléctrico. El principal problema que abordaba el autor era que la localidad de Patahuasi, no tenía acceso al Sistema Eléctrico Interconectado Nacional, por lo que se 28 encontraba aislada de la red eléctrica. Todo ello evidenciaba un escaso desarrollo de la comunidad. Otro factor importante fue que la accidentada geografía del lugar era muy complicada como para implementar una conexión a la red nacional. El objetivo del autor fue diseñar un sistema que sea capaz de abastecer un consumo total de 325.86 kWh/día, y con ello se pudo determinar el campo fotovoltaico, realizando comparaciones con otras tecnologías, de tal forma que se seleccione los componentes más adecuados para garantizar el correcto funcionamiento del sistema. Finalmente, el investigador realizó un análisis económico y de viabilidad de su diseño y concluyó que con su propuesta se podía suministrar de energía eléctrica a la localidad de Patahuasi. Este sistema obtuvo un Valor actual neto (VAN) de 442 645.07 soles peruanos, con una Tasa interna de retorno (TIR) del 5% y un Periodo de recuperación (PR) de 17 años. 2.2. BASES TEÓRICAS 2.2.1. PRINCIPIOS DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA Según Schmerler, Velarde, Rodríguez y Solís (2019), la energía solar es un tipo de energía renovable que se obtiene a partir de la captación de la radiación solar y que se transforma en energía eléctrica. Dentro de la generación solar, contamos con los sistemas fotovoltaicos que requieren de paneles solares y con los sistemas solares térmicos que requieren de colectores solares. Según Boxwell(2017), la energía solar se define como la energía producida de la luz del sol en paneles solares fotovoltaicos, y no debe confundirse con sistemas solares de calor o sistemas solares de agua caliente, en los cuales el sol es usado para calentar agua o aire. 29 La energía solar se genera utilizando el efecto fotovoltaico, fenómeno descubierto en 1839 por E. Becquerel. Al combinarse dos capas de un material semiconductor se crea este efecto. Una de estas capas debe contar con número reducido de electrones. Cuando el material es expuesto a la luz solar, las capas del material absorben los fotones, lo que da como consecuencia una excitación de los electrones que pasan de una capa a otra, generando carga eléctrica. Al momento que un fotón es absorbido por el silicio, se genera la corriente eléctrica, y cuantos más fotones son absorbidos por la celda solar, mayor es la cantidad de corriente generada. Es importante precisar que la energía solar interceptada por la tierra es de 178 000 TW y el consumo energético en la tierra es aproximadamente 15 TW. 2.2.2. RADIACIÓN SOLAR Según Zelaya (2015), se origina mediante reacciones nucleares dentro del Sol y se propaga como onda electromagnética, en adelante llamado Radiación. La radiación solar está compuesta por la suma de la radiación directa y la radiación difusa. Se puede definir como radiación directa, a aquella radiación recibida en la superficie terrestre, mientras que la radiación difusa, es aquella que se recibe después de haber cambiado debido a procesos de dispersión y reflexión. La radiación emitida por el sol produce un espectro electromagnético, el cual definimos previamente como espectro solar. Su valor es de 1000 W/m2. Por otro lado, tenemos el Albedo que es el porcentaje de radiación directa y difusa que se refleja por una superficie. 30 Figura 4 Espectro de radiación solar y actividad fotosintética Nota. Fuente y elaboración: phiNet, plataforma chilena de monitoreo de radiación solar y energía en las instalaciones fotovoltaicas. 2.2.3. TÉRMINOS DE ENERGÍA SOLAR IRRADIANCIA Según Zelaya (2015), se puede comprender como la medida de potencia de la luz solar. Se denota por I y sus unidades son W/m2. Asimismo, se puede definir como la cantidad de luz que ilumina una superficie, y en promedio la irradiancia en la Tierra es de 336.3 W/m2 IRRADIACIÓN O INSOLACIÓN Zelaya(2015), define la Irradiación como la medida de la densidad de energía de la luz solar. Asimismo, menciona que es la integral de la irradiancia y se expresa comúnmente en peak sun hours (psh). Sus unidades son el kWh/m2. Por otro lado, el psh se entiende como la longitud de tiempo en horas de un nivel de irradiancia de 1 kW/m2. Esta terminología es relevante para determinar el número de horas de luz solar en un día y locación dada. 31 Figura 5 Diferencia entre Irradiancia e Irradiación. Nota. Tomada de la plataforma “Helioesfera”, 2021. HORAS SOLARES PICO En relación con las horas pico de sol, hace referencia a la insolación solar que un lugar establecido recibiría si el sol brillara por un par de horas en su valor máximo. La utilidad de poder calcular las horas pico de sol radica en el hecho de que los módulos fotovoltaicos a menudo se valoran con un valor de 1kW/m2. Figura 6 Cálculo de horas pico del sol Tomada de la plataforma de la Organización de Educación PVCDROM, 2021. 32 En el diseño del sistema fotovoltaico es imprescindible tener conocimiento de la cantidad de luz solar con la que cuenta un lugar determinado en un tiempo determinado. Se cuenta con dos métodos más usuales que describen a la radiación solar, siendo una de ellas la radiación solar (o radiación) e insolación solar. La radiación solar es una densidad de potencia instantánea en unidades de kW/m2; sin embargo, puede variar durante el día desde 0 kW / m2 por la noche a un máximo de aproximadamente 0 kW/m2 por la noche a un máximo de aproximadamente 1 kW/m2. 2.2.4. SISTEMA FOTOVOLTAICO Según Schmerler, Velarde, Rodríguez y Solís (2019), es aquel sistema que tiene como fuente inagotable al sol, utiliza células fotoeléctricas conectadas dentro de un panel fotovoltaico, que cuenta con la posibilidad de conectar con otros, aumentando la potencia de salida al sumar la potencia de cada panel individual. Asimismo, permite aprovechar el mismo y gestionarse mediante el uso de fuentes complementarias. Figura 7 Formación de energía solar fotovoltaica Tomada de “Energías renovables experiencia y perspectivas en la ruta del Perú hacia la transición energética”, por Schmerler, Velarde, Rodríguez y Solís, 2019, p. 25. 33 2.2.4.1. SISTEMA AISLADO Un sistema aislado es aquel que se utiliza en zonas remotas o geográficamente aisladas donde no existe red eléctrica pública. Según Pietro (2014), en el programa masivo de Electrificación Rural en el Perú, para potencias menores a 20 MW, se plantean tres tipos de instalaciones fotovoltaicas no aisladas: • Instalación autónoma Tipo 1 Ideal para viviendas alejadas, con capacidad instalada de 85 Wp. El objetivo de la instalación es suministrar electricidad a equipos de bajo consumo. Abastece energía eléctrica en corriente continua de 12 V. Los componentes que lo conforman cuentan con las siguientes características: o Panel solar 85 Wp. o Controlador de carga 10 A – 12 V. o Batería 12 V 90 Ah. o 03 lámparas led blancas de 10 W y 600 lúmenes. o Sistema de montaje que garantice una vida útil de 20 años. o Cableado que mantenga sus propiedades durante 20 años. o Tomacorriente de doble toma y una toma de cargador de celular. La instalación debe ser tal que no permita la manipulación de los equipos principales. Esta debe contar con indicadores visuales o sonoras del estado de la batería y advierta al usuario ante un eventual corte de corriente o bajo nivel de tensión. Se estima un consumo energético aproximado de 230 Wh/día, con un consumo energético mínimo de 180 Wh/día. Esto se detalla en la Tabla 1. 34 Tabla 1 PERFIL DE CARGA PARA 01 VIVIENDA DE MUY BAJO CONSUMO - TIPO 1 Ítem Dispositivo s de uso Cantida d (un) Potenci a Nomina l (W) Horas/ día Carga máxim a (W) Uso diario de electricida d (Wh por día) 1 Iluminación - Focos Led 3 10 4.5 30 135 2 Radio 1 10 3 10 30 3 Cargador de pilas 1 15 3 15 45 4 Cargador de celular 1 5 4 5 20 Subtotal 60 230 Total (1 Casa) 60 230 Nota. Tabla adaptada de Pietro 2014, p. 18. Por otro lado, el diagrama de instalación Tipo 1 debe ser similar al que se muestra en la Figura 8. Figura 8 Diagrama de Instalación Tipo 1 Tomada de “Determinación de la tarifa y mecanismos de remuneración para suministros en áreas no conectadas a red”, por Pietro, 2014, p. 20. 35 • Instalación autónoma Tipo 2 Instalación ideal para entidades de salud alejadas con una capacidad instalada de 425 Wp. Abastece energía eléctrica en corriente alterna entre 220 V y 240 V. Los componentes que lo conforman cuentan con las siguientes características: o Generador fotovoltaico de 425 Wp. o Controlador de carga de 1.25 veces la corriente de corto circuito (Icc) del arreglo fotovoltaico. o Batería de 360 Ah o Inversor 800 VA o Lámparas Led de 10 W y 600 lúmenes. o Sistema de montaje conforme a normativa vigente en el Perú que garantice una vida útil de 20 años. o Cableado que mantenga sus propiedades durante 20 años. Se estima un consumo energético aproximado de 1175 Wh/día, con un consumo energético mínimo de 900 Wh/día. Esto se detalla en la Tabla 2. Tabla 2 PERFIL DE CARGA PARA 01 CENTRO MÉDICO DE MUY BAJO CONSUMO - TIPO 2 Ítem Dispositivos de uso Cantida d (un) Potenci a Nomina l (W) Horas/dí a Carga máxima (W) Uso diario de electricida d (Wh por día) 1 Iluminación - Focos Led 3 10 3.5 30 105 2 TV a color 1 80 2 80 160 3 DVD 1 20 1 20 20 4 Laptop 1 65 3 65 195 5 Cargador de pilas 1 15 1 15 15 6 Cargador de celular 1 5 3 5 15 7 Computadora 2 80 4 160 640 8 Minicomponent e 1 10 2.5 10 25 Subtotal 385 1175 Total (1 Centro médico) 385 1175 Nota. Tabla adaptada de Pietro 2014, p. 20. 36 • Instalación autónoma Tipo 3 Ideal para instituciones educativas con una capacidad instalada de 850 Wp. Abastece energía eléctrica en corriente alterna entre 220 V y 240 V. Los componentes que lo conforman cuentan con las siguientes características: o Generador fotovoltaico de 850 Wp. o Controlador de carga de 1.25 veces la corriente de corto circuito (Icc) del arreglo fotovoltaico. o Batería de 720 Ah o Inversor 1200 VA o Lámparas Led de 10 W y 600 lúmenes. o Sistema de montaje conforme a normativa vigente en el Perú que garantice una vida útil de 20 años. o Cableado que mantenga sus propiedades durante 20 años. Se estima un consumo energético aproximado de 1927 Wh/día, con un consumo energético mínimo de 1800 Wh/día. Esto se detalla en la Tabla 3. Tabla 3 PERFIL DE CARGA PARA 01 INSTITUCIÓN EDUCATIVA DE MUY BAJO CONSUMO - TIPO 3 Ítem Dispositivos de uso Cantida d (un) Potenci a Nominal (W) Horas/dí a Carga máxima (W) Uso diario de electricida d (Wh por día) 1 Iluminación - Focos Led 3 10 6 30 180 2 TV a color 1 30 2.5 30 75 3 Radio 1 10 2 10 20 4 Laptop 4 65 1.2 260 312 5 Cargador de pilas 1 15 3 15 45 6 Cargador de celular 1 5 3 5 15 7 Computadora 4 80 4 320 1280 Subtotal 670 1927 Total (1 Centro médico) 670 1927 Nota. Tabla adaptada de Pietro 2014, p. 22. 37 Por otro lado, el diagrama de instalación Tipo 2 y 3 debe ser similar al que se muestra en la Figura 9. Figura 9 Diagrama de Instalación Tipo 2 y Tipo 3. Tomada de “Determinación de la tarifa y mecanismos de remuneración para suministros en áreas no conectadas a red”, por Pietro, 2014, p. 24. 2.2.4.2. SISTEMA CONECTADO A LA RED Según Schmerler, Velarde, Rodríguez y Solís (2019), es un método que concede a los usuarios conectados a la red la posibilidad de utilizar los paneles como fuente complementaria; por consiguiente, permitirá autoabastecerse de energía eléctrica y mitigar así la energía demandada de la red. 38 Figura 10 Tipos de sistemas fotovoltaicos Tomada de “Energías renovables experiencia y perspectivas en la ruta del Perú hacia la transición energética”, por Schmerler, Velarde, Rodríguez y Solís, 2019, p. 71. 2.2.4.3. SISTEMA HÍBRIDO El sistema híbrido es la combinación de la tecnología solar autónoma con la tecnología solar conectada a la red. 2.2.5. SISTEMA FOTOVOLTAICO FLOTANTE Según Solar Energy Research Institute of Singapore, Energy Sector Management Assistance Program y World Bank Group(2019c), la utilización de instalaciones solares fotovoltaicas flotantes impulsan nuevas oportunidades de aumentar la capacidad de generación solar, especialmente en países con una elevada densidad poblacional y en donde el precio de la tierra disponible es alto. Asimismo, se tienen algunas ventajas sobre los sistemas terrestres, como la utilización de los reservorios de suministro de agua y un rendimiento energético mejorado gracias a los efectos de enfriamiento del agua y la menor presencia de polvo. 39 Es importante precisar que en múltiples geografías y con el tiempo, la posibilidad de agregar capacidad solar flotante a las centrales hidroeléctricas existentes será de particular interés, especialmente en el caso de grandes instalaciones hidroeléctricas que se pueden operar de manera flexible. Y a su vez, la capacidad solar se puede utilizar para aumentar el rendimiento energético de dichos predios. VENTAJAS DE UTILIZAR UN SISTEMA FOTOVOLTAICO FLOTANTE • Reducción de la evaporación de los depósitos de agua, a causa de que los paneles solares proporcionan sombra y limitan los efectos evaporativos del viento. • Mejoras en la calidad del agua, mediante la disminución del crecimiento de algas. • Mitigación y/o eliminación del sombreado de los paneles por su entorno (shading). • Eliminación de la necesidad de una preparación importante del sitio, como la nivelación o la colocación de cimientos, que deben realizarse en instalaciones terrestres convencionales. • Fácil instalación y despliegue en sitios con bajos requisitos de anclaje y amarre, con un alto grado de modularidad, lo que permite que los proyectos sean más rápidos. Figura 11 Esquema de una instalación solar fotovoltaica flotante con sus componentes clave Nota. Obtenido de Solar Energy Research Institute of Singapore (SERIS), World Bank Group y Energy Sector Management Assistance Program (ESMAP) 2019b. 40 Según SERIS et al. (2019a), actualmente, la mayoría de las plantas fotovoltaicas flotantes a gran escala se despliegan utilizando flotadores tipo pontón, con paneles fotovoltaicos montados en un ángulo de inclinación fijo. Por lo general, la estructura flotante puede estar hecha de flotadores que se combinan con cerchas metálicas. Una configuración de flotador puro utiliza cuerpos auto boyantes especialmente diseñados a los que se pueden fijar directamente paneles fotovoltaicos. Estas estructuras pueden ser fabricadas por diversos proveedores. Otro tipo de diseño utiliza estructuras metálicas para soportar paneles fotovoltaicos de una manera similar a los sistemas terrestres. Estas estructuras están fijadas a pontones cuya única función es proporcionar flotabilidad. En este caso, no hay necesidad de flotadores especialmente diseñados. La plataforma flotante se mantiene en su lugar mediante un sistema de anclaje y amarre, cuyo diseño depende de factores como la carga de viento, el tipo de flotador, la profundidad del agua y la variabilidad del nivel del agua. La plataforma flotante generalmente se puede anclar a un banco, al fondo, a pilotes o a una combinación de los tres. El desarrollador selecciona un diseño adecuado a la ubicación de la plataforma, batimetría (perfil y profundidad del agua), condiciones del suelo y variación en el nivel del agua. El anclaje de banco es particularmente adecuado para estanques pequeños y poco profundos, pero la mayoría de las instalaciones flotantes están ancladas al fondo. Independientemente del método, el ancla debe diseñarse para mantener la instalación en su lugar durante 25 años o más. Las líneas de amarre deben seleccionarse adecuadamente para adaptarse a las tensiones ambientales y las variaciones en el nivel del agua. 41 Figura 12 Esquema de la sujeción de paneles con amarre y boyas. Nota. Fuente y elaboración: (Solar Energy Research Institute of Singapore (SERIS), World Bank Group y Energy Sector Management Assistance Program (ESMAP) 2019a) Figura 13 Fotografía de un sistema fotovoltaico flotante (FPV) Nota. Fuente y elaboración: (Solar Energy Research Institute of Singapore (SERIS), World Bank Group y Energy Sector Management Assistance Program (ESMAP) 2019b) Ancla principal Boya 42 2.2.6. PRINCIPIOS DEL FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO FLOTANTE • Modelamiento matemático del sistema fotovoltaico flotante Según Ficklin, Luo, Stewart y Maurer (2012), para un sistema fotovoltaico flotante, se debe determinar principalmente la temperatura de las celdas solares y para ello se requiere de la velocidad del viento y la temperatura. La temperatura del lago (T lago) se relaciona con la temperatura del aire (T air) con la Ecuación 1. 𝑇𝑙𝑎𝑔𝑜 = 5 + 0.75 ∗ 𝑇𝑎𝑖𝑟 Ecuación 1. Relación de temperaturas. Donde: 𝑇𝑙𝑎𝑔𝑜: Temperatura del lago (ºC) 𝑇𝑎𝑖𝑟: Temperatura ambiente del aire (ºC) Para Umoette, Ubom y Udo Festus (2016), la velocidad del viento sobre un cuerpo de agua siempre es mayor que sobre la tierra. En ese sentido, la velocidad del viento en el lago (VwLago) se relaciona la velocidad del viento en tierra (VwTierra) con la Ecuación 2. 𝑉𝑤𝑙𝑎𝑔𝑜 = 1.62 + 1.17 ∗ 𝑉𝑤𝑇𝑖𝑒𝑟𝑟𝑎 Ecuación 2. Relación de Velocidades del viento. Donde: 𝑉𝑤𝑙𝑎𝑔𝑜: Velocidad del viento en el lago (m/s) 𝑉𝑤𝑇𝑖𝑒𝑟𝑟𝑎: Velocidad del viento en la tierra (m/s) 43 Por otra parte, Muzathik (2014), precisa que la temperatura de las celdas fotovoltaicas viene dada por la Ecuación 3. 𝑇𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 = 0.943 ∗ 𝑇𝑎𝑖𝑟 + 0.0195 ∗ 𝐼 − 1.528 ∗ 𝑉𝑤 + 0.3529 Ecuación 3 Temperatura de las celdas Donde: 𝑇𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑒𝑛 𝑇𝑖𝑒𝑟𝑟𝑎 𝑜 𝐿𝑎𝑔𝑜: Temperatura de las celdas fotovoltaicas en tierra o lago(ºC) 𝑉𝑤𝑇𝑖𝑒𝑟𝑟𝑎 𝑜 𝐿𝑎𝑔𝑜: Velocidad del viento en la tierra o lago(m/s) 𝐼: Irradiancia (STC irradiación de 1000 W/m2) Según Vaello (2021), las variaciones de la tensión, intensidad y potencia por efecto de la Temperatura, se precisan con las Ecuaciones 4, 5 y 6. Variación de la Intensidad. 𝐼𝑇 = 𝐼𝑀𝑃 ∗ [1+∝ (𝑇𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 − 𝑇𝑆𝑇𝐶)] Ecuación 4 Variación de la Intensidad con la temperatura Variación de la Tensión 𝑉𝑇 = 𝑉𝑀𝑃 ∗ [1 + 𝑔 (𝑇𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 − 𝑇𝑆𝑇𝐶)] Ecuación 5 Variación de la Tensión con la temperatura Variación de la Potencia 𝑃𝑇 = 𝑃𝑀𝑃 ∗ [1 + 𝛽(𝑇𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 − 𝑇𝑆𝑇𝐶)] Ecuación 6 Variación de la Potencia con la temperatura Donde: 𝐼𝑀𝑃 : Intensidad a máxima potencia. 𝑉𝑀𝑃 : Voltaje a máxima potencia. 𝑃𝑀𝑃 : Potencia máxima. ∝ : (%/ºC) Coeficiente de temperatura de la corriente de cortocircuito o Isc. 𝑔 : (%/ºC) Coeficiente de temperatura de la tensión de vacío o Voc. 𝛽 : (%/ºC) Coeficiente de temperatura de la potencia en el Pmáx. 𝑇𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 : Temperatura del módulo en tierra o agua. 𝑇𝑆𝑇𝐶 : Temperatura a condiciones estándar (𝑇𝑆𝑇𝐶 = 25 º𝐶) 44 2.2.6.1. DISEÑO DE LOS EQUIPOS DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO FLOTANTE. Umoette, Ubom y Udo Festus (2016), precisa que la producción diaria de energía del arreglo fotovoltaico se puede calcular de acuerdo con la Ecuación 7. 𝐸𝑃𝑉 = 𝑊𝑃 ∗ (𝑓𝑑𝑐 𝑎𝑐 ) ∗ ( 𝐺 𝐺𝑆𝑇𝐶 )[1 + 𝛽(𝑇𝐶 − 𝑇𝑆𝑇𝐶)] Ecuación 7 Energía diaria de salida de un arreglo fotovoltaico Donde: 𝑊𝑃 : Capacidad nominal de la matriz fotovoltaica (kW o W) 𝑓𝑑𝑐 𝑎𝑐 : Factor de reducción de corriente continua a corriente alterna. Para la presente investigación se considera 𝑓𝑑𝑐 𝑎𝑐 = 0.778. 𝐺: Radiación solar incidente en la matriz fotovoltaica (kW/m2) 𝐺𝑆𝑇𝐶: Radiación solar incidente en la matriz fotovoltaica bajo condiciones estándar (1 kW/m2 = 1000 W/m2) 𝛽 : Coeficiente de temperatura de potencia (%/ºC) 𝑇𝑆𝑇𝐶 : Temperatura de la celda fotovoltaica bajo condiciones estándar (𝑇𝑆𝑇𝐶 = 25 º𝐶) 𝑇𝑇𝐶 : Temperatura de la celda fotovoltaica en el intervalo de tiempo actual (ºC) Para sistemas fotovoltaicos flotantes se considera el factor de potencia de la Ecuación 8. 𝑓𝑡𝑒𝑚𝑝 = 1 + 𝛽 ∗ ( 𝑇𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑒𝑛 𝐿𝑎𝑔𝑜 − 𝑇𝑆𝑇𝐶) Ecuación 8. Factor de temperatura. Conforme a Anexo 02 - Especificaciones del módulo AS-6M144-HC, se precisa que 𝛽 = −0.36%/º𝐶. 45 • Dimensionamiento el arreglo fotovoltaico Para determinar la potencia máximo pico se utiliza la Ecuación 9 que proviene de una adecuación de la Ecuación 7. 𝑊𝑃 = 𝐸𝑃𝑉 (𝑓𝑑𝑐 𝑎𝑐 ) ∗ ( 𝐺 𝐺𝑆𝑇𝐶 ) ∗ [𝑓𝑡𝑒𝑚𝑝] Ecuación 9 Potencia pico del arreglo fotovoltaico • Selección del Voltaje del sistema Según Sandia National Laboratories (1995), el voltaje de funcionamiento de un sistema fotovoltaico autónomo depende del voltaje requerido por las cargas y la corriente total. Si el voltaje del sistema se establece igual al voltaje de la carga más grande, entonces estas se pueden conectar directamente a la salida del sistema. Sin embargo, el autor recomienda que la corriente en cualquier circuito se mantenga por debajo de 20 y con un límite de 100 amperios para cualquier sistema. Mantener la corriente por debajo de esos niveles permitirá el uso de hardware eléctricos y cableado estándares y comúnmente disponibles. Asimismo, cuando las cargas requieran alimentación en corriente alterna (AC), el voltaje del sistema en corriente continua (CC) debe ser seleccionado después de revisar las características disponibles del inversor. Otra consideración para tener en cuenta es el posible incremento de tamaño del sistema en un futuro. Lo recomendable es elegir un voltaje que funcione con un futuro sistema ampliado. Asimismo, se precisa que el costo del cableado e interruptores aumenta a medida que la corriente se incrementa. El autor precisa que una regla práctica para seleccionar el voltaje del sistema se basa en la demanda de potencia en corriente alterna, como se puede apreciar en la Tabla 4. 46 Tabla 4 SELECCIÓN DEL VOLTAJE DEL SISTEMA Selección del Voltaje del Sistema Demanda de potencia en AC (W) Voltaje de entrada del inversor (V DC) <1500 12 1500-5000 24 o 48 >5000 48 o 120 Nota. Adaptada de Sandia National Laboratories (1995), p. 18. 2.2.7. COMPONENTES PRINCIPALES DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO FLOTANTE AISLADO Los componentes que conforman un Sistema Fotovoltaico Flotante Aislado son los que se detallan en la Figura 14. Figura 14 Esquema de un sistema fotovoltaico Tomada de “Energías renovables experiencia y perspectivas en la ruta del Perú hacia la transición energética”, por Schmerler, Velarde, Rodríguez y Solís, 2019, p. 72. 47 2.2.7.1. PANELES SOLARES De acuerdo a lo mencionado por Schmerler, Velarde, Rodríguez y Solís (2019), son aquellos dispositivos planos en los que las células fotovoltaicas están instalados mecánicamente y conectadas de manera eléctrica, lo que permite una mayor conversión de la luz solar en electricidad. La variedad de estos permite que se puedan diferenciar por el tipo y la cantidad de células o arreglo. Pietro (2014), menciona que los paneles solares tienen la siguiente clasificación: • Celdas de Silicio Mono y Policristalino: son aquellas que representan el estado de la tecnología fotovoltaica comercial. El proceso de fabricación implica que el silicio sea purificado, fundido y cristalizado, variando entre lingotes o en láminas delgadas; de manera posterior se forman las celdas individuales producto del corte en obleas delgadas. La mayor parte de las celdas fotovoltaicas generan una tensión alrededor de 0,5 V, al margen del área superficial de la celda, sin embargo, a mayor superficie de la celda, mayor será la corriente que suministrará. • Película delgada: se denomina así, aquellos que no poseen una estructura cristalina, considerándose como silicio amorfo. La fabricación de estas unidades de silicio, denominados amorfos, se desarrolla con el depósito de capas delgadas de silicio, evaporado al vacío, sputtering, deposición de vapor u otro procedimiento sobre un soporte que puede ser vidrio, plástico o metal. • Módulos Fotovoltaicos: Es la unidad resultante de la colocación en serie de las celdas, con la finalidad de que en conjunto brinden el voltaje adecuado. En la misma medida, una gama de esas series puede ser colocadas en paralelo para incrementar la corriente; de manera posterior las celdas interconectadas en serie y sus conexiones eléctricas se encapsulan y se colocan entre dos placas que pueden ser de vidrio, o bien una de vidrio superior y una posterior plástica o metálica. Para asimilar 48 esfuerzos mecánicos y con el montaje como propósito, se añade un marco metálico. Figura 15 Elementos del panel fotovoltaico Nota. Tomada de “Determinación de la tarifa y mecanismos de remuneración para suministros en áreas no conectadas a red”, por Pietro, 2014, p. 25. Figura 16 Funcionamiento del panel Nota. Tomada de “Determinación de la tarifa y mecanismos de remuneración para suministros en áreas no conectadas a red”, por Pietro, 2014, p. 25. 49 Figura 17 Funcionamiento de una celda solar Nota. Tomada de “Determinación de la tarifa y mecanismos de remuneración para suministros en áreas no conectadas a red”, por Pietro, 2014, p. 25. • Selección del Número de paneles Cálculo del número de módulos 𝑵𝑴 Según Umoette, Ubom y Udo Festus (2016), para calcular el número de paneles necesarios para el sistema fotovoltaico flotante se requiere conocer la potencia máxima demandada y la potencia pico de cada módulo, las cuales se relacionan con la Ecuación 10. 𝑁𝑀 = 𝑊𝑝 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 Ecuación 10 Número de módulos. Cálculo del número de módulos en serie 𝑵𝑴𝑺 De acuerdo con Umoette, Ubom y Udo Festus (2016), para calcular el número de paneles en serie necesarios para el sistema fotovoltaico flotante se requiere conocer el voltaje del sistema y el voltaje de cada módulo, las cuales se relacionan con la Ecuación 11. 𝑁𝑀𝑆 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝐷𝐶 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 Ecuación 11 Número de módulos en serie. 50 Cálculo del número de módulos en paralelo 𝑵𝑴𝑷 Por otro parte, el grupo de módulos en paralelo se determina con la Ecuación 12. 𝑁𝑀𝑃 = 𝑁𝑀 𝑁𝑀𝑠 Ecuación 12 Número de módulos en paralelo. Figura 18 Tipo de conexión entre paneles. Nota. Tomada de “Energías renovables: experiencia y perspectivas en la ruta del Perú hacia la transición energética”, por Schmerler et al, 2019, p. 70. 2.2.7.2. ÁNGULO DE INCLINACIÓN Según Castejón y Santamaría (2010), el ángulo de inclinación se determina de tal forma que maximice el ajuste entre la captación y la demanda. Los autores indican que, el ángulo de inclinación es aquel que forma la superficie del panel con el plano horizontal. Tiene un valor de 0 º si el módulo se encuentra horizontal o 90º si el ángulo está vertical. 51 Figura 19 Ángulo de inclinación beta. Nota. Tomado de “Instalaciones solares fotovoltaicas”, por Castejón y Santamaría, 2010, p. 12. En la práctica, se toman valores de acuerdo con el tipo de instalación y latitud del lugar. • Para instalaciones con consumos constantes o similares a lo largo del año, se optimiza la instalación de tal forma que se capte la mayor radiación durante el invierno. 𝛽 = | 𝐿𝑎𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑 | + 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 Ecuación 13 Ángulo de inclinación en invierno • Para instalaciones con consumos inferiores en invierno, se puede tomar la latitud como ángulo de inclinación. Se prefiere este ángulo en los meses de primavera y otoño. 𝛽 = | 𝐿𝑎𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑 | Ecuación 14 Ángulo de inclinación en primavera y otoño. • Para instalaciones que solo se usan en verano, se determina el ángulo de inclinación, restando la latitud con una pequeña corrección. 𝛽 = | 𝐿𝑎𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑 | − 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 Ecuación 15 Ángulo de inclinación en verano. 52 Tabla 5 ÁNGULO DE INCLINACIÓN DE ACUERDO CON LA LATITUD DEL LUGAR. Latitud del Lugar Ángulo de inclinación 0 a 15 º 15º 15 a 25 º = Latitud 25 a 30 º Latitud + 5º 30 a 35 º Latitud + 10º 35 a 40 º Latitud + 15º > 40 º Latitud + 20º Nota. Adaptado de “Instalaciones solares fotovoltaicas”, por Castejón y Santamaría, 2010, p. 13. 2.2.7.3. BANCO DE BATERÍAS Tal como señalan Schmerler, Velarde, Rodríguez y Solís (2019), Las baterías utilizadas en los SFA son de ciclo profundo, aptos para soportar elevadas descargas con un ciclo de vida significativo. Por lo general, las baterías de ion – litio son las más recomendadas, debido a su gran capacidad de almacenamiento y carga rápida. Una gran ventaja es que las baterías pueden ser utilizadas como una energía de reserva en períodos sin luz solar. A efectos de profundizar lo mencionado en el párrafo precedente, resulta conveniente consignar lo señalado por Pietro (2014), el cual indica que la batería es el componente que se encarga de almacenar la energía eléctrica producida por los módulos durante los periodos de sol, los cuales utilizan por lo general durante las noches o periodos nublados. Del mismo modo, es importante enfatizar que las baterías se dimensionan en función a la energía que debe abastecer de manera diaria, la autonomía al proveer dicha energía durante intervalos nublados y la profundidad de la carga. Asimismo, podemos destacar algunas características mencionadas por el citado autor: • Temperatura: Es el factor de mayor incidencia que disminuye la vida de una batería. El aumento de la temperatura provoca un deterioro en la rejilla positiva. 53 • Capacidad: Se determina a través de un parámetro con la finalidad de conocer cuánto tiempo puede operar una carga determinada sin que haya necesidad de recarga. • Profundidad de descarga: Este criterio indica la fracción de la capacidad total de la batería que puede ser utilizada sin requerir una recarga, evitando así el daño de la batería. • Mantenimiento: las baterías selladas no requieren un mantenimiento preventivo, salvo en casos de sulfatación o falso contacto. • Cambio por fin de vida útil: El elemento de reposición ésta sujeto a la cantidad de ciclos por porcentaje de descarga, así como el tiempo de vida útil de la batería según la temperatura de operación, el voltaje de carga y descarga. • Fallas: Las fallas se encuentran presenten en los diferentes tipos de batería, algunos de los cuales son más usuales que otros. • Tipos de baterías De acuerdo con la tecnología con la que están fabricadas, se pueden encontrar diversos tipos de baterías en el mercado, a continuación, se presentan las principales: o Baterías de plomo ácido abierto Contienen 06 compartimentos separados y conectados en serie, los cuales están sumergidos en ácido sulfúrico. Las placas de la batería contienen los electrodos polarizados positiva y negativamente. Este tipo de baterías se usan frecuentemente en instalaciones aisladas gracias a su gran rendimiento y bajo coste. 54 o Baterías Absorption Glass Mat (AGM) Contiene placas de plomo que absorben el ácido de forma más rápida. No requieren mantenimiento gracias a su diseño sellado. Su transporte es más sencillo. Asimismo, soportan un gran número de ciclos para instalaciones muy exigentes. o Baterías GEL Contienen el electrolito gelificado, son selladas por lo que no desprenden gases nocivos. Asimismo, se pueden instalar en lugares con poca ventilación, con hasta 800 ciclos de vida, con gran durabilidad. No requiere mantenimiento, pues no se producen evaporaciones. Se recomiendan para instalaciones pequeñas y medianas. o Baterías Estacionarias Contienen un regulador que alimenta el consumo y recarga la batería cuando se produce una descarga. Se destaca porque se mantienen cargadas constantemente. Dependiendo si la batería es de electrolito absorbido o electrolito líquido, requerirá mantenimiento. o Baterías de Litio Este tipo de baterías se cargan más que las anteriormente mencionadas. Ofrecen más densidad energética y una vida útil muy alargada. Al no tener efecto memoria, se pueden descargar al 100% sin que la batería se dañe. Son menos pesadas, su transporte es sencillo y no requiere mantenimiento. No emite gases por lo que se pueden instalar en lugares sin ventilación. Se utilizan a nivel industrial y doméstico. 55 • Dimensionamiento de la capacidad del banco de baterías. Según Umoette, Ubom y Udo Festus (2016), para calcular la capacidad de almacenamiento de las baterías se utiliza la Ecuación 16. 𝐶𝑋 = 𝑁𝑐 ∗ 𝐸𝑃𝑉 𝐷𝑜𝐷𝑚á𝑥 ∗ 𝑉𝑏 ∗ 𝑛𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 Ecuación 16 Capacidad del banco de baterías en Ah. Donde: 𝐶𝑋 : Capacidad del banco de baterías en Ah. 𝑁𝑐 : Número de días de autonomía. 𝐸𝑃𝑉 : Demanda de energía diaria Wh o kWh 𝐷𝑜𝐷𝑚á𝑥 : Máxima profundidad de descarga. 𝑉𝑏 : Voltaje nominal de la batería = 48 V. 𝑛𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 : eficiencia del batería multiplicado por eficiencia del inversor. Asimismo, el autor precisa como determinar el número de baterías y su conexión en serie o paralelo. Esto se precisa en las Ecuaciones 17, 18 y 19. 𝑁𝐵𝑅 = 𝐸𝑃𝑉 𝐸 𝑎𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑛𝑎 𝑙𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎 = 𝐶𝑋 𝐶 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎 Ecuación 17 Número de baterías requeridas 𝑁𝐵𝑆 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎 Ecuación 18 Número de baterías en serie 𝑁𝐵𝑃 = 𝑁𝐵𝑅 𝑁𝐵𝑆 Ecuación 19 Número de baterías en paralelo 56 2.2.7.4. INVERSORES Los autores Schmerler, Velarde, Rodríguez y Solís (2019), afirman que la energía fotovoltaica generada puede utilizarse de la misma manera que la energía de la red, convirtiendo la corriente continua generada por los paneles fotovoltaicos en corriente alterna. Su utilización no siempre será requerida, pues poseen diferentes configuraciones eléctricas, pudiendo cargar las baterías directamente si se encuentran alimentados con un voltaje de DV bajo (normalmente de 12 a 48 voltios). Asimismo, Pietro (2014) señala que los inversores son dispositivos acondicionadoras de potencia cuya función es suministrar cargas a diversos artefactos eléctricos de corriente alterna (AC). Los inversores más habituales de sistemas fotovoltaicos aislados funcionan 12, 24, 48 o 120 V de entrada en corriente directa (DC) y salida a 120 o 240 V en AC a 60 Hz. Figura 20 Inversor de Corriente Nota. Tomada de “Determinación de la tarifa y mecanismos de remuneración para suministros en áreas no conectadas a red”, por Pietro, 2014, p. 34. Dentro de sus características más resaltantes, podemos detallar las mencionadas por Pietro (2014): • Forma o tipo de onda: La clasificación de los inversores por lo general está vinculado al tipo de la forma de onda que producen, siendo las más usuales: la cuadrada, la sinusoidal modificada y la sinusoidal. 57 • Rendimiento de la conversión de potencia: Es el vínculo establecido entre la potencia de salida y la potencia de entrada del inversor. El grado de variación del rendimiento para sistemas independientes dependerá tipo y la demanda de carga de artefactos eléctricos. • Potencia de régimen: Especifica el número de watts que el inversor puede proporcionar durante su funcionamiento habitual. • Régimen de funcionamiento: Es el lapso que le toma al inversor alimentar una carga de artefactos en su nivel máximo. • Tensión de entrada: Se establece por la totalidad de potencia total que necesitan todas las cargas. A mayor demanda de carga, mayor será la tensión de funcionamiento del inversor. • Protección de tensión: El inversor debe estar suministrado de circuitos protectores ante una eventual tensión de entrada (alta o baja). • Frecuencia: Los equipos de un nivel alto, requieren una regulación de frecuencia exacta, debido a que cualquier modificación puede originar un mal funcionamiento. • Modularidad: Se denomina así a la creación de un sistema con dispositivos interconectables, que posibilite aumentar la confiabilidad del sistema. • Factor de potencia: Es un factor que varía con la clase de carga, que pude determinarse como el coseno del ángulo entre las formas de onda de la tensión y de la corriente producidas por un inversor. 58 • Dimensionamiento del inversor Según Umoette, Ubom y Udo Festus (2016), para dimensionar el inversor, es necesario conocer la Potencia real extraída de los dispositivos que van a funcionar al mismo tiempo. A este valor se le debe multiplicar por un factor de seguridad que permita que el sistema se expanda. Como regla práctica se determina que un 50% de las cargas están funcionando al mismo tiempo y que se tiene un factor de seguridad de 1.25. En otros casos para conocer la potencia real consumida por los equipos se utiliza un Perfil Horario. 𝑃𝑖𝑛𝑣 = 𝑃𝑅𝑆 ∗ 1.25 Ecuación 20 Potencia del Inversor Donde: 𝑃𝑖𝑛𝑣: Potencia del Inversor. 𝑃𝑅𝑆: Potencia de dispositivos funcionando al mismo tiempo. 2.2.7.5. CONTROLADOR DE CARGA De acuerdo a lo mencionado por Schmerler, Velarde, Rodríguez y Solís (2019), es un artículo de seguridad fundamental que regula la carga de la batería, garantizando que se presente una sobrecarga, previniendo situaciones que generen perjuicios a los usuarios y la reducción del ciclo de vida del sistema. A modo de ampliar nuestros conocimientos, es importante precisar lo señalado por Pietro (2014), gran parte de los controladores identifican el voltaje de la batería y funcionan de acuerdo con los niveles de la tensión. Los controladores no tienen como característica la simplicidad, ya que debe tener en cuenta diversos factores para medir el estado de las baterías, dentro de las cuales podemos mencionar las siguientes: • Capacidad del controlador: El controlador debe contar con la capacidad suficiente para contener la máxima corriente originada por el conjunto fotovoltaico. 59 • Voltaje del controlador: cumplen una función muy importante en el diseño de sistema y vida útil de la batería. • Voltaje de corte: Al poseer una protección superior, evita que las baterías se sobrecarguen y afecten sus celdas, interrumpiendo a través de un relevador o un diodo. Figura 21 Controlador de carga Tomada de “Determinación de la tarifa y mecanismos de remuneración para suministros en áreas no conectadas a red”, por Pietro, 2014, p. 32. Según Umoette, Ubom y Udo Festus (2016), el dimensionamiento del controlador de carga o también llamado regulador de voltaje, se realiza en función de las capacidades de amperaje y voltaje. El controlador se selecciona de tal forma que coincida con el voltaje de la matriz fotovoltaica y las baterías. Asimismo, un excelente controlador de carga debe tener suficiente capacidad para manejar el arreglo fotovoltaico. Para dimensionar el controlador, se determina inicialmente la corriente nominal del regulador. Ver Ecuación 21. 𝐼𝑟 = 𝑁𝑀𝑃 ∗ 𝐼𝑐𝑐 ∗ 𝑓𝑠 Ecuación 21 Corriente nominal del regulador Donde: 𝐼𝑐𝑐: Corriente de corto circuito de los módulos fotovoltaicos. 𝑁𝑀𝑃: Número de paneles en paralelo. 𝑓𝑠 : Factor de seguridad. (1.25 para esta investigación). 60 Finalmente, la cantidad de controladores de carga se determina con la Ecuación 22. 𝑁𝑟𝑒𝑔 = 𝐼𝑟 𝐼𝑟𝑒𝑔 𝑠𝑒𝑙𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜 Ecuación 22 Cantidad de controladores de carga 2.2.7.6. CABLEADO Tomando en consideración lo mencionado por Pietro (2014), que indica que para garantizar una operación adecuada de las cargas, resulta necesaria la realización de una adecuada y acertada selección de los cables de conexión. Aquellos cuyo recorrido se realiza de manera primordial en el exterior, deberán ser idóneos para esta condición. Por otro lado, el cableado que se utiliza en el interior debe ser blindado. Según Zemene, Hizkiel y Gera (2020), la selección adecuada del tamaño y tipo de cable mejora el rendimiento y confiabilidad del sistema. La corriente fluye a través del cableado desde los paneles solares hasta el controlador de carga. Los autores precisan que, tanto en el cableado AC como DC, la caída de voltaje no debe exceder de 4%. Para dimensionar el cableado se determina básicamente la sección del cable con la Ecuación 23. 𝐴 = 𝜌 ∗ 𝐿 ∗ 𝐼𝑟𝑒𝑔 𝑠𝑒𝑙𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜 𝑉𝑑 Ecuación 23 Dimensionado del cableado Donde: 𝜌 : Resistividad del conductor de cobre (1.724 * 10−8) 𝐿 : Longitud del conductor 𝐼𝑟𝑒𝑔 𝑠𝑒𝑙𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜 : Corriente del regulador 𝑉𝑑 : Caída del voltaje del sistema 61 2.2.7.7. SUPERFICIE DE LA INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA FLOTANTE Según Ferrán, Ferrer, Ferrer, Redón, Sánchez, Torregrosa y Pons (2012), la superficie de la instalación fotovoltaica flotante es un sistema novedoso de un sistema de cubrición flotante fotovoltaica (CFFV) que utiliza módulos flotantes que se unen entre sí mediante amarres articulados. De esta forma se intercepta la radiación solar incidente y se aprovecha en gran medida el recurso para la generación de energía. Asimismo, se busca contar con una buena seguridad estructural del conjunto que se adapte a diversas características de la zona de instalación. Los autores precisan que para el diseño se debe tomar en cuenta los siguientes factores: • Inclinación y orientación de los módulos. • Dimensiones de los paneles solares. • Separación entre filas de paneles solares para evitar el shading. • Disposición de pasillos de servicio y mantenimiento. Los elementos que conforman un CFFV son los siguientes: • Plataformas flotantes Deben garantizar flotabilidad y estabilidad. Se fabrican en polietileno de alta densidad y alto peso molecular HDPE/HWM. • Estructura de los módulos fotovoltaicos. Pórtico metálico de perfiles, responsables de soportar las cargas de los paneles fotovoltaicos y transmitir las cargas del viento entre plataformas. • Enlaces metálicos articulados entre plataformas. Elementos que sirven para conectar las plataformas y transmitir las cargas horizontales. • Enlaces Elásticos Posibilita la abertura de la cubierta y permite que el sistema se acople a los distintos niveles de agua. Cuando alcanza su elongación máxima no puede deformarse ya que un cabo rígido de poliéster entra en tracción. 62 • Cabos Elementos que se encargan de amarrar los módulos flotantes perimetrales con el sistema de cimentación. Son de material poliéster o nailon. • Anclajes rígidos Es el sistema de cimentación de la cubierta flotante. Figura 22 Esquema del sistema de flotación CFFV Nota. Tomada de “CUBRICIÓN DE EMBALSES MEDIANTE UN SISTEMA DE CUBIERTA FLOTANTE FOTOVOLTAICO: ANÁLISIS TECNICO Y ECONÓMICO”, por Ferrán, Ferrer, Ferrer, Redón, Sánchez, Torregrosa y Pons, 2012, p. 05. Figura 23 Diseño de una plataforma flotante Nota. Tomada de “CUBRICIÓN DE EMBALSES MEDIANTE UN SISTEMA DE CUBIERTA FLOTANTE FOTOVOLTAICO: ANÁLISIS TECNICO Y ECONÓMICO”, por Ferrán, Ferrer, Ferrer, Redón, Sánchez, Torregrosa y Pons, 2012, p. 05. 63 • Análisis de los factores de diseño De acuerdo con Ferrán, Ferrer, Ferrer, Redón, Sánchez, Torregrosa y Pons (2012), una vez se tengan las dimensiones del módulo flotante, se puede determinar el rendimiento eléctrico por unidad de superficie de cubierta. Es por ello por lo que primero es importante precisar la cubierta flotante de acuerdo con el ángulo de inclinación. o Para Ángulo de inclinación <10º o Para Ángulo de inclinación <10º Figura 24 Variación de la potencia con el ángulo de inclinación Nota. Tomada de “CUBRICIÓN DE EMBALSES MEDIANTE UN SISTEMA DE CUBIERTA FLOTANTE FOTOVOLTAICO: ANÁLISIS TECNICO Y ECONÓMICO”, por Ferrán, Ferrer, Ferrer, Redón, Sánchez, Torregrosa y Pons, 2012, p. 06. En la Figura 24, se puede observar que a medida que el ángulo de inclinación es mayor, la potencia brindada por los paneles es menor. Por otro lado, desde el punto de vista estructural, el ángulo de elevación de los paneles tiene gran influencia en cómo impacta las acciones del viento sobre la plataforma. 64 Figura 25 Impacto de las fuerzas del viento sobre un módulo FV según la inclinación Nota. Tomada de “CUBRICIÓN DE EMBALSES MEDIANTE UN SISTEMA DE CUBIERTA FLOTANTE FOTOVOLTAICO: ANÁLISIS TECNICO Y ECONÓMICO”, por Ferrán, Ferrer, Ferrer, Redón, Sánchez, Torregrosa y Pons, 2012, p. 07. Como se puede apreciar en la Figura 25, la presión que ejerce el viento sobre los paneles fotovoltaicos aumenta cuando el ángulo de inclinación aumenta. La componente vertical de esta fuerza es equilibrada con la fuerza de sustentación del flotador. Y la fuerza horizontal producirá una fuerza de arrastre que tiene que ser resistida por los elementos de amarre y anclaje. 2.2.8. PERFIL DE CARGA Para instalaciones autónomas, el perfil de carga de forma práctica se determina identificando y enumerando los dispositivos a utilizar, posterior se debe establecer la cantidad de equipos y con su potencia nominal, calcular la Carga máxima (W). Asimismo, se debe indicar la cantidad de tiempo que estas cargas estarán en funcionamiento continuo para poder determinar el uso diario de electricidad (Wh- Tiempo). Un ejemplo de perfil de carga se precisa en la Tabla 3. 65 El perfil de carga permite obtener el Factor de planta que viene a ser el cociente de la energía consumida en un intervalo de tiempo y la energía consumida a máxima potencia. El factor de planta mide el grado de utilización de la capacidad efectiva de una central eléctrica. Ver la Ecuación 𝐹𝑝 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑑í𝑎 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑑í𝑎 Ecuación 24 Factor de planta 2.2.9. PERFIL HORARIO Para instalaciones aisladas, el perfil horario se determina identificando las horas de uso de los dispositivos previamente enumerados en el perfil de carga. A su vez se le designa un horario de uso a lo largo del día y se divide la potencia de cada equipo en el transcurso de esas horas. Para mayor detalle visualizar la Tabla 6. En esta investigación, para un mejor diseño del sistema fotovoltaico flotante, se ha realizado un perfil de carga como se visualiza en la Tabla 6. 66 Tabla 6 PERFIL HORARIO Horas Iluminación SMART TV Refrigeradora Laptop Modem de internet Cargador de teléfono Microondas Reserva Perfil 01 casa Perfil 120 Casas 1:00:00 a. m. 120 10 18.63 148.63 17835 2:00:00 a. m. 10 18.63 28.63 3435 3:00:00 a. m. 10 18.63 28.63 3435 4:00:00 a. m. 120 10 18.63 148.63 17835 5:00:00 a. m. 10 18.63 28.63 3435 6:00:00 a. m. 30 60 10 50 18.63 168.63 20235 7:00:00 a. m. 120 65 10 50 18.63 263.63 31635 8:00:00 a. m. 65 10 18.63 93.63 11235 9:00:00 a. m. 65 10 18.63 93.63 11235 10:00:00 a. m. 120 65 10 18.63 213.63 25635 11:00:00 a. m. 65 10 18.63 93.63 11235 12:00:00 p. m. 60 10 18.63 88.63 10635 1:00:00 p. m. 60 120 10 18.63 208.63 25035 2:00:00 p. m. 10 180 18.63 208.63 25035 3:00:00 p. m. 10 18.63 28.63 3435 4:00:00 p. m. 120 65 10 18.63 213.63 25635 5:00:00 p. m. 10 18.63 28.63 3435 6:00:00 p. m. 30 10 18.63 58.63 7035 7:00:00 p. m. 30 60 120 10 180 18.63 418.63 50235 8:00:00 p. m. 30 60 10 18.63 118.63 14235 9:00:00 p. m. 30 60 10 18.63 118.63 14235 10:00:00 p. m. 30 120 10 50 18.63 228.63 27435 11:00:00 p. m. 30 10 50 18.63 108.63 13035 12:00:00 a. m. 10 18.63 28.63 3435 Total 210 360 960 390 240 200 360 447 3167 380040 TABLA. PERFIL HORARIO Nota. El perfil horario se ha elaborado, teniendo en cuenta las horas optimas para el uso de los equipos definidos en el Perfil de Carga. 2.2.10. POTENCIA INSTALADA Conforme a lo indicado por Pietro (2014), la potencia eléctrica máxima (PM) se entiende como el resultado de la generación constante y continua de una corriente eléctrica “I” medida en Amperios y un voltaje “V” durante un intervalo de tiempo T2 – T1. Esta expresión se precisa en la Ecuación 25. 𝑃 = 𝐼 ∗ 𝑉 Ecuación 25 Cálculo de la potencia eléctrica. 67 La potencia instalada en el Perú al 2020 se puede apreciar en la Figura 26. Figura 26 Evolución de potencia instalada nacional. Al 2020 se cuenta con más de 15 mil MW instalados. Tomada de “Evolución de potencia instalada”, por MINEM y COES, 2020, Software disponible en “https://observatorio.osinergmin.gob.pe/evolucion-potencia-instalada”. La potencia solar instalada en el Perú al 2020 se puede apreciar en la Figura 27. Figura 27 Evolución de potencia solar instalada Al 2020 se cuenta con casi 300 MW de potencia solar instalados. Tomada de “Evolución de potencia instalada”, por MINEM y COES, 2020, Software disponible en “https://observatorio.osinergmin.gob.pe/evolucion-potencia-instalada”. 68 2.2.11. CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Según Pietro (2014), el consumo de energía eléctrica es el consumo de las cargas típicas usadas en sistemas solares fotovoltaicos. Este consumo debe ser abastecido con el suministro de energía brindado por el sistema fotovoltaico, el cual a su vez es proporcionado por los paneles solares. Para determinar el consumo de energía eléctrica se utiliza la potencia nominal del dispositivo eléctrico, cuyo valor se multiplica por la cantidad de equipos y por el tiempo de utilización de estos. Finalmente, obtienes un valor por lo general en unidades Wh por día. 2.2.12. PÉRDIDAS DE ENERGÍA Según Pietro (2014), las pérdidas de energía, hacen referencia a las pérdidas causadas por las baterías, el inversor DC/AC y las pérdidas que se presenten en el transporte de energía eléctrica desde el panel solar hasta el consumo final. 2.2.13. ENERGÍA DISPONIBLE PARA EL USUARIO Conforme a lo indicado por Pietro (2014), es la energía disponible para abastecer la demanda requerida. En términos matemáticos, es la diferencia entre la energía suministrada por el sistema fotovoltaico y las pérdidas estimadas. En la Ecuación 26, se precisa como calcular la energía E, realizando el producto de la Irradiación I y el tiempo T, el cual está evaluado en dos puntos del día. Esta energía tendrá las unidades de kWh/m2. 𝐸 = ∫ 𝑃 ∗ 𝑑𝑡 𝑡2 𝑡1 Ecuación 26 Cálculo de Energía 69 Donde: • P: Potencia solar o Irradiación • t2: hora final • t1: hora inicial Por otro lado, es importante precisar que el rendimiento máximo de un panel solar se produce cuando sobre este llega una irradiación de 1000 W/m2. Y la potencia máxima que se genera se llama “Potencia pico”, la cual se representa por Wp y sus unidades son en Watts. 2.3. MARCO CONCEPTUAL VOC: Open Circuit Voltage o Voltaje en circuito abierto, es el voltaje que el panel expuesto al sol entrega cuando está desconectado de la instalación. ISC: Short Circuit Current o Intensidad en cortocircuito, es aquella intensidad de corriente, medida en amperios, que el panel puede producir cuando está en cortocircuito. Es decir, es aquella intensidad máxima que se puede medir cuando se une el cable positivo con el cable negativo del panel. VMP: Maximum Power Voltage o Voltaje a máxima potencia, es aquel valor que nos precisa que tipo de panel se tiene (12 V o 24 V). Para un panel de 12 V, el VMP debe ser entre 15 y 19 V, mientras que, para uno de 24 V, el VMP debe estar entre 36 y 39 V. IMP: Maximum Power Current o Intensidad a potencia máxima, es aquel valor que nos indica la intensidad máxima en amperios que produce el panel cuando está conectado a una instalación. PMAX: Maximum Power o Potencia máxima, es aquel valor que determina el modelo del panel. Asimismo, se define como el producto del VMP y el IMP. 70 2.4 DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS DoD: Down of discharge o Profundidad de descarga, es aquel valor que indica el porcentaje de descarga de las baterías por cada ciclo de uso. Mientras más profundas las descargas, mayor desgaste de las baterías lo que supone menor vida útil. Se recomienda un 50% para baterías de Plomo-Ácido y 80% para baterías de Litio. SHADING: Sombreado total o parcial en una celda: Donde un objeto bloquea totalmente la luz que puede recibir una celda solar. ALBEDO: Es el porcentaje de radiación directa y difusa que se refleja por una superficie. 71 III. HIPOTESIS Y VARIABLES 3.1. HIPÓTESIS Hipótesis General: - El diseño de un sistema fotovoltaico flotante mejora significativamente el acceso a la energía eléctrica en las localidades ubicadas sobre la superficie del Lago Titicaca en el Perú. Hipótesis Especificas: - El consumo total de energía eléctrica determina la demanda energética de la zona - El dimensionamiento del sistema fotovoltaico flotante mejora notablemente la capacidad del servicio eléctrico en la zona. - La potencia instalada impacta considerablemente en el costo del sistema fotovoltaico flotante. 3.2. DEFINICIÓN CONCEPTUAL DE VARIABLES • Variable Independiente: Diseño de un sistema fotovoltaico flotante. Definición: El diseño de un sistema fotovoltaico flotante se evalúa tomando en cuenta el consumo total de energía, el dimensionamiento del sistema fotovoltaico flotante, y la potencia instalada, en el análisis de sus elementos medibles a través del conteo de cantidad y potencia de los equipos, el uso de la plataforma Helioscope y cálculos eléctricos. • Variable Dependiente: Acceso a la energía eléctrica en las localidades ubicadas sobre la superficie del Lago Titicaca en el Perú. 72 • Definición: El acceso a la energía eléctrica en las localidades ubicadas sobre la superficie del Lago Titicaca en el Perú se evalúa tomando en cuenta la demanda energética de la zona, la capacidad del servicio eléctrico en la zona y