FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA Energía fotovoltaica para abastecimiento eléctrico
AUTORES: Chancafe Llontop, Christian Mauricio (orcid.org/0000-0003-1330-4137) Diaz Torres, Anthony (orcid.org/0000-0003-2802-0823) Escurra Mogollón, Pedro David (orcid.org/0000-0001-5593-2452) Flores Peña, Arnold Franklin (orcid.org/0000-0002-3525-8031) Montenegro Samamé, Josué Janpol (orcid.org/0000-0002-8395-7793) Torres Saldaña, Joaquín Santiago (orcid.org/0000-0003-3200-3006)
ASESOR: Mg. Panta Carranza, Dante Omar (orcid.org/0000-0002-4731-263X)
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN: Generación, transmisión y distribución
CHICLAYO-PERÚ 2021
INDICE I.
INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 3
II.
CUERPO ................................................................................................................................... 6 Tipos de sistemas fotovoltaicos ........................................................................................... 6 Tecnologías fotovoltaicas ....................................................................................................... 7 Ventajas y desventajas de los sistemas fotovoltaicos ................................................. 10
III.
CONCLUSIONES.............................................................................................................. 11
REFERENCIAS ............................................................................................................................. 12 ANEXOS ......................................................................................................................................... 14
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I. INTRODUCCIÓN Los sistemas fotovoltaicos junto a otras técnicas de aprovechamiento de energías renovables vienen teniendo un papel protagónico en la sociedad actual, puesto que, la contaminación producida por la acción de generar energía eléctrica y otros factores, han desenvuelto fatales consecuencias para el mundo, sus costumbres y su sostenibilidad futura. En tal sentido Mckellar 2009 menciona que con respecto a las emisiones por sectores finales de consumo energético, destaca la generación eléctrica que continuaría contribuyendo con más del 40% de las emisiones de CO2, el transporte por encima del 20%, la industria aproximadamente el 15% y el sector residencial con valores cercanos al 10%. Actualmente en el Perú, de forma anual, ENEL GREEN POWER PERU S.A.C ha conseguido generar 421072.5 MWh representando el 41.646% de su generación total seguido de ENEL GENERACION PERU S.A.A. con 108654.530MWh siendo las principales productoras de energía Solar. Junto a ellos también están las empresas ENEL GREEN POWER PERU S.A., PANAMERICANA SOLAR SAC., MOQUEGUA FV S.A.C., REPARTICION ARCUS S.A.C, y AGROURORA S.A.C. Bajo esta condición los estudiantes del área de dibujo electromecánico de la facultad de ingeniería y arquitectura de la universidad Cesar Vallejo, con la asesoría de la plana docente y el afán de influenciar su capacidad investigativa, efectuarán un estudio sobre las tecnologías fotovoltaicas y sus aplicaciones. La destrucción a nuestro medio ambiente se torna inevitable de no haber una medida que implique un cese de emisiones de gases contaminantes y contribuyentes al efecto invernadero Becerra et al (2021) afirma que la política internacional llevo tratados para el control de emisiones de gases nocivos. Entraría en vigencia cuando haya sido ratificado por 55 países. El comité inició su reunión el 4 de noviembre de 2016. Actualmente, hay 168 países (EE.UU. no está) que están de acuerdo. Dado que México lo aprobó a principios del segundo trimestre de 2016 e inició sus poderes el 3 de noviembre de 2016, tiene la obligación de cumplirlo. Incluyen 17 metas, adoptadas por los
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países que conforman la ONU en septiembre de 2015, destinadas a acabar con la pobreza, dominar el universo y trabajar por la paz de todos. En la investigación realizada por Lossio (2016) se desarrolló a fin de lograr la titulación laboral se llegó a la conclusión de acuerdo al estudio realizado que se debe diseñar una minicentral que desarrolle una facultad de 18 KWp para proporcionar a 44 hogares, se debe contar con 65 paneles y el costo que se utilizará en esta idea se podrá realizar teniendo en cuenta el papel secundario del Estado con las zonas pobres. Se recomendaron las siguientes acciones: El gobierno peruano tiene que emplear gastos en las investigaciones y construcciones de ciencias que fomenten el uso de energías renovables y necesita el soporte de los gobiernos locales y regionales, sin olvidar que las ONG deben sumarse a la inversión de este sistema. En el estudio efectuado por Barboza (2019) para obtener el título profesional se llegó a la conclusión que los sistemas fotovoltaicos son una gran opción de generación de energía eléctrica para disminuir el impacto negativo de la energía existente en el medio ambiente y reducen las emisiones de gases que influye en el deterioro de la capa de ozono. Se debe tener en cuenta las siguientes sugerencias: Es necesario considerar la insolación mínima en el sitio de instalación del sistema fotovoltaico para complacer el pedido de uso de energía, mantener limpias las partes expuestas a la luz solar de los paneles solares para tener una buena obtención de radiación solar y los paneles fotovoltaicos deben limpiarse mensualmente o después de un fenómeno natural. En la investigación realizada por Valdera (2016) que se desarrolló para obtener el título profesional, se realizó una encuesta de demanda de energía orientada a la población para aumentar sus capacidades, esto permite a los residentes depender de fuentes como la energía tradicional y renovable como el sol que es una fuente purificada, abundante e infinita para lograr resultados favorables en cuanto a la viabilidad de implementar un sistema fotovoltaico, se llegó a la conclusión que para un uso razonable y eficaz de la energía eléctrica, realizamos un análisis detallado del consumo de carga y cuantificación del tiempo de uso.
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Las recomendaciones de esta investigación son el acercamiento mutuo entre el personal de investigación y los residentes a través de charlas y la credibilidad de información proporcionada por los residentes. Según Murcia (2019) en su proyecto podemos ver que la instalación que piensa realizar en una vivienda unifamiliar será viable de aquí a 25 años de uso. Este sistema conectado a la red representa una gran diferencia económica en el diseño del equipo, aditivamente la batería contribuye significativamente al aumento del presupuesto. Según Cornejo (2014) nos menciona que la operación y el mantenimiento de sistemas solares conectados a la red tienen costos de operación y mantenimiento muy bajos, lo que genera una alta rentabilidad y retorno de la inversión inicial durante 8 años de operación. Este tipo de sistema puede traernos los siguientes beneficios: No contribuye a la contaminación del aire en la región en particular, por lo que puede mejorar el desarrollo de la economía local, crear empleos y reducir los daños a la salud humana. La presente investigación tiene como objetivo general determinar las bondades de un sistema fotovoltaico para el abastecimiento eléctrico. Así mismo se tienes los objetivos específicos de detallar los tipos de sistemas fotovoltaicos existentes en la actualidad, describir las aplicaciones correspondientes a las tecnologías fotovoltaicas y analizar las ventajas y desventajas de los sistemas fotovoltaicos. La monografía tiene como sustento de realización el conocer de manera profunda y diversa la aplicación de las tecnologías renovables más eficientes en los distintos sectores de utilización poblacional para incentivar e influenciar el interés por adquirir y trabajar con este tipo de sistemas para beneficio económico y ecológico. En nuestro proyecto de investigación hemos recurrido a documentos de tesis, artículos científicos, bases de datos y repositorios universitarios, utilizando un total de 26 fuentes, teniendo como palabras clave: sistemas fotovoltaicos, tecnologías fotovoltaicas y paneles solares.
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II. CUERPO Los sistemas fotovoltaicos tienen gran relevancia a día de hoy, puesto que son una estrategia sostenible para la vida cotidiana y las necesidades sociales. Este es definido por Perpiñan (2013) como una colección de dispositivos eléctricos y electrónicos que generan energía eléctrica a partir de la radiación solar. El elemento primordial de este sistema es el módulo solar, que a su vez consta de células que pueden convertir la energía de la luz incidente en energía eléctrica de CC. Tipos de sistemas fotovoltaicos Sistema aislado. Los sistemas fotovoltaicos aislados son prácticos porque son fáciles de transportar e instalar. Por lo tanto, es muy beneficioso en lugares donde la energía no está fácilmente disponible. Esto lo convierte en una fuente de energía confiable en cualquier condición climática. Es por ello que Valdiviezo (2014), nos dice que los sistemas fotovoltaicos aislados a menudo se utilizan en áreas remotas para generar electricidad en lugares donde la red es inaccesible. Producen la energía más simple en forma de corriente continua y energía cuando y donde se necesita, sin la necesidad de complejos sistemas de transmisión y control. El sistema pesa alrededor de 500 W y menos de 70 kg, lo que facilita su transporte e instalación. Al almacenar energía eléctrica, el SFA se convierte en una fuente de energía confiable, de día o de noche, independientemente de las condiciones climáticas.
Los sistemas fotovoltaicos interconectados se estiman muy benefactoramente con respecto al uso de energías limpias, las cuales no generan gases de efecto invernadero y se analiza que esta misma, influye en el desarrollo y mejora la calidad de vida de las personas. Alpuche (2017) nos menciona que Un sistema de energía solar interconectado implica la integración de varios componentes, cada componente realiza una o más funciones específicas y reduce los requisitos de energía. Uno de los componentes del sistema es un módulo solar sincronizado con la red generando corriente continua desde el colector de energía y convirtiendo la energía generada por el inversor en corriente alterna, voltaje y frecuencia que se sincroniza con la red.
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El sistema híbrido, no se ve afectados por cortes de energía, por lo que se aplica tanto a zonas aledañas, campos y vecindarios pequeños, y se usa solo con baterías (figura 1, 2, 3 y 4) o en alguna red pública, por lo que puede proporcionar ahorros de energía. Como resultado, este sistema fotovoltaico es renovable y satisface las necesidades del cliente En tal sentido Mora (2013) nos menciona que los sistemas híbridos son otra posible solución para electrificar comunidades al agregar varias fuentes de energía renovable como solar, eólica e hidráulica para brindar servicios eléctricos ininterrumpidos, esta puede ser una sugerencia muy realista si se necesita cada energía involucrada en el proceso. Tecnologías fotovoltaicas La vida en sociedad, desde épocas primitivas, ha ido buscando formas de hacerse cada vez más práctica, la tecnología ha sido de gran utilidad para conseguir este objetivo, dentro de estas optimizaciones, los sistemas fotovoltaicos han ido acoplándose y adaptándose a las necesidades de las personas, siendo cada vez más funcional e inmersa su intervención. Algunos de los casos en los que intervienen las tecnologías fotovoltaicas son: Paneles fotovoltaicos. Delpin y Moreno (2017) nos menciona que Hay varios tipos de estos, cada uno con diferentes formaciones cristalinas y pureza de silicio, Como mínimo, se deben considerar los siguientes factores al elegir un tipo de panel: eficiencia, costo, tiempo de producción, conveniencia y uso. Tenemos: Paneles Monocristalinos de silicio, paneles Policristalino de silicio y paneles fotovoltaicos de Capa Fina o amorfo. También, Medrano (2018) afirma que existen paneles solares de los diversos tipos, el más popular por su eficiencia es el tipo refrigerado por agua. PVT / w. Según su aislamiento trasero y delantero, se puede dividir en tres grupos: Panel solar híbrido de generación 0 (PVT-0), Panel solar híbrido de 1ª generación (PVT-1) y Panel solar híbrido de 2ª generación (PVT-2).
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Nivel Industrial. A niveles industriales, la tecnología fotovoltaica también tiene protagonismo y beneficios para lograr el objetivo de un medio más eficiente, limpio y sostenible. Tal es así Aulestía y Celi (2017) refieren a que un conjunto de equipos solares en la misma ubicación se denomina planta de energía fotovoltaica. Dependiendo del área en la que se monte el sistema y la potencia de salida requerida, se pueden implementar uno o más sistemas que pueden proporcionar la capacidad total máxima del MW, considerando la ubicación y capacidad de conmutación del equipo. Uno de los beneficios de estas plantas de energía son sus niveles mínimos de contaminación, lo que permite un impacto ambiental mínimo. Gracias a esto, se puede evitar la liberación de grandes cantidades de dióxido de carbono (CO2) a la atmósfera. Las plantas fotovoltaicas se consideran muy ventajosas porque tienen una contaminación mínima y pueden evitar la liberación de grandes cantidades de dióxido de carbono al medio ambiente. En Perú, un ejemplo es la planta de energía solar Ruby, considerada la más grande del país. Calefacción y refrigeración. La evolución de las viviendas y del confort que se consiga en las mismas, ha ido experimentando cambios y optimizaciones. Dentro del rubro de la comodidad y la necesidad de una climatización, están los servicios de calefacción y refrigeración. Cabe también lo dicho por Barrantes (2019) quien en su tesis mencionó que su estudio comenzó con un análisis de los edificios subterráneos, tanto en términos de clima como de dimensiones de planificación para decidir en qué parte del edificio se debe instalar el aire acondicionado. Por este motivo, se realizó por primera vez un estudio sobre la carga térmica de una edificación industrial, produciendo un total de 290 kW de potencia, este valor indica la capacidad total de refrigeración necesaria para ventilar la instalación. En resumidas cuentas, su función es aprovechar la producción de energía eléctrica, su uso principal es el calor en los sectores de industria, servicios y vivienda. El costo de generar electricidad es menor que el de las centrales nucleares y de carbón.
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Equipos espaciales. A día de hoy los viajes al espacio son comúnmente recurrentes para la búsqueda y conocimiento de nuevas tendencias investigativas, para ello el vehículo encargado de realizar las expediciones debe contar con energía independiente y funcional, puesto que no disponen de una alimentación energética a comparación del ambiente planetario. Para esto Gómez (2018) nos menciona que Antes de conocer la cantidad y el tamaño de los paneles solares a utilizar, es necesario estimar la energía requerida para que el módulo realice todas sus funciones. Como resultado, el Módulo Lunar consume mucho menos, pero tiene en cuenta los suministros necesarios para hacer funcionar la Estación Espacial Internacional. La estación consume 80 kW en funcionamiento normal y puede alcanzar hasta 90 kW. Los paneles solares de la ISS tienen un tamaño de 2400 metros cuadrados y pueden producir hasta 110 kW de potencia para el año 2001, hoy en día la tecnología actual requiere un área mucho más pequeña para lograr la misma cantidad de electricidad. Efectivamente, Gómez nos afirma que los paneles solares pueden alimentar una estación espacial, esto nos permite aprovechar al máximo la luz solar y darle funcionalidad en cualquier zona alejada de la tierra. En ventanas. Para esto Alarcón (2018) nos acota que El vidrio del concentrador solar luminoso (LSC) puede mejorar las ventanas con sensores fotovoltaicos periféricos como elementos integrados en el interior del edificio. El análisis ha demostrado que esta tecnología está muy extendida hacia la fachada soleada, proporcionando hasta 40% de consumo en edificios verticales con cerramientos y equipos de alta eficiencia, contribuyendo a su sombra. Por lo tanto, al remodelar el edificio para formar ventanas grandes y bien ubicadas, esta tecnología puede contribuir en gran medida al logro de los objetivos de los edificios sin energía. Sin lugar a dudas, el hecho de tener ventanas que cuenten con tecnología solar, es un punto de análisis muy interesante, sin embargo, esto llevado a la práctica, resulta ser muy ineficiente ante el rendimiento de sus sistemas semejantes. Alumbrado e iluminación. Respecto a tecnologías referidas al servicio de iluminación Pérez (2019) nos aconseja que Para los sistemas de alumbrado público que utilizan energía solar, es muy importante elegir una lámpara con alta eficiencia
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y bajo consumo energético, ya que el gasto de energía del alumbrado público es constante y su autonomía depende de la potencia del panel solar y la batería. Lo dicho por Pérez dota de coherencia ya que, para realizar la instalación del alumbrado público, las luminarias led resultan muy atractivas y convenientes por su eficiencia y rendimiento aportando a la seguridad urbana y al medioambiente. Ventajas y desventajas de los sistemas fotovoltaicos Los sistemas fotovoltaicos, sin duda alguna, resultan una opción muy interesante para implementar constantemente en todos los estratos poblacionales posibles, no obstante, y como todo factor de implementación y tecnología, tiene sus bondades y devenires, los cuales son: Ventajas en general. En lo que concierne a las bondades de este, Días (2008) nos manifiesta que son, la alta confiabilidad en carencia de partes móviles reduce los costos de operación y mantenimiento, fácil uso, diseñado para operar sin supervisión, el panel solar tiene una vida útil de aproximadamente 20 años, es importante en lugares remotos donde el reabastecimiento de combustible es difícil, pueden funcionar en condiciones ambientales adversas que son difíciles de operar y elimina vulnerabilidades en la red eléctrica de equipos críticos de seguridad. Como podemos apreciar, los puntos fuertes que se desarrollan en los sistemas que aprovechan la energía solar, están enfocados, bajo la consigna de obtener la energía que abastezca de forma limpia, duradera y eficiente, lo cual es bastante interesante y atractivo para los consumidores. Desventajas. La otra cara de la moneda, también se ve reflejada en la funcionalidad atribuida a este tipo de sistema, con tal fin, Vargas (2015) nos comenta que En un sistema fotovoltaico encontramos aspectos que no son favorables a la hora de aplicar el sistema. Las desventajas son las siguientes: Altos costos de inversión, superficie utilizada, disponibilidad del sistema depende de irradiación e Impacto estético. Inherentemente a todo sistema, la energía solar, tiene falencias en tanto a tiempos y espacios geográficos, a su vez depende de la climatología, tornándose selectiva y también riesgosa, por el hecho de ser particular.
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III. CONCLUSIONES De entre los sistemas fotovoltaicos, el de tipo híbrido, resulta ser el mejor, por su riqueza en generación de energía eléctrica, eficiencia y funcionalidad y a su vez, por su contribución a un mundo cada vez más sostenible y ecológico. El avance de la tecnología fotovoltaica y sus utilidades, ha traído muchos alcances a la sociedad urbana, tales como en establecimientos industriales, equipos espaciales, zonas residenciales y dentro de las mismas, en ventanas y fachadas. La generación de energía fotovoltaica trae consigo ventajas, como su contribución con la naturaleza y su rentabilidad, no obstante, sus resultados condicionan a una inversión que se recuperará en años y con muchas dependencias.
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REFERENCIAS MCKELLAR, Kenneth. El Desarrollo de Empresas Rurales de Energía (REED). Cuadernos de energía, 2009, no 23, (p. 80). BECERRA-PÉREZ, Luis A.; GONZÁLEZ-DÍAZ, Romel R.; VILLEGASGUTIÉRREZ, Ana C. La energía solar fotovoltaica, análisis costo beneficio de los proyectos en México. RINDERESU, 2021, vol. 5, no 2. (p.605) HORN, Manfred. El estado actual del uso de la energía solar en el Perú: situación y perspectivas de la energía solar en el Perú. Perú Económico, 2006, vol. 29, no 11. (p.1) LOSSIO GUAYAMA, Luis Carlos. Diseño De Un Sistema Solar Fotovoltaico Aislado Para Suministrar De Energía Eléctrica Al Caserío Señor De La Humildad Distrito De Incahuasi–Lambayeque. 2016. (p. 76) BARBOZA CUEVA, Luis Alberto. Análisis para la dotación de energía fotovoltaica para autoconsumo de la Institución Educativa Cristo Rey Chiclayo. 2019. (pp. 69-70) VALDERA SANTISTEBAN, Felipe. Propuesta de un diseño de sistema fotovoltaico para suministrar energía eléctrica en el CP Calerita-Chiclayo 2016. 2016. MURCIA HERNÁNDEZ, Andrés David. Instalación fotovoltaica autoconsumo de una vivienda unifamiliar. 2019. Tesis Doctoral. (p.44)
para
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MERAZ, Raúl Castillo, et al. Sistema Híbrido Fotovoltaico-Eólico para la generación de energía eléctrica. Tlatemoani: revista académica de investigación, 2013, no 13, (p.13). DELPIN OSORIO, FABRIZZIO SPARTACO; MORENO MORAGA, NELSON NICOLAS. PLAN DE MANTENIMIENTO DE PANELES SOLARES EN PLANTA FOTOVOLTAICA DOÑA CARMEN DE LA LIGUA. 2017.(pp.18-19). MEDRANO MEDRANO, Isabel, et al. Paneles solares híbridos: electricidad y calor en un solo panel. 2018. (p.283) AULESTIA MARTÍNEZ, Luis Antonio; CELI PANATA, Miguel Stalin. Implementación de un sistema de paneles solares fotovoltaicos con capacidad de 20 kw/mes para ser utilizados en instalaciones industriales. 2017. Tesis de Licenciatura.(pp.33-34). BARRÓN, CÉSAR EDUARDO SAUCEDO. Desarrollo de un Prototipo de Aire Acondicionado Accionado por Energía Geotérmica y Solar. Tesis Doctoral. Universidad Politécnica de Sinaloa. (p.07). BARRANTES COLOMA, Luís. Diseño de sistema de refrigeración autosostenible para un edificio de boxes. 2019. Tesis de Licenciatura. Universitat Politècnica de Catalunya. (p.03). GÓMEZ CABRERA, Alberto. Diseño y cálculo preliminar de un módulo de una estación espacial. 2018. Tesis de Licenciatura. (p.25). ALARCÓN-CASTRO, J., et al. Evaluación de Ventanas Fotovoltaicas con Concentradores Solares Luminiscentes para Edificios Cero-energía en Santiago de Chile. Informes de la Construcción, 2018, vol. 70, no 550, p. e255. (p.01). ESCLAPÉS, Javier. Adaptabilidad de la energía solar fotovoltaica sobre fachadas urbanas. 2012 (p.09). PÉREZ ZULUETA, Jesús Alberto. Diseño de un Sistema de Iluminación Fotovoltaico Mediante Tecnología Led para el Parque Central de la Provincia De Jaén–Cajamarca. 2019. (p.11). DIAS SILVA, Nilza de Jesús. Celdas fotovoltaicas en la distribución. 2008. Tesis Doctoral. Universidad Central" Marta Abreu" de Las Villas. Facultad de Ingeniería Eléctrica. Departamento de Electro energética. (pp.37-38). VARGAS GÓMEZ, Felipe Eduardo. Plan de negocio para la implementación de una empresa de instalación, mantención y financiamiento de sistemas fotovoltaicos para el sector residencial chileno. 2015.(pp.6-7). SÁNCHEZ PACHECO, Carlos, et al. Sistemas de energía solar fotovoltaica aplicados a viviendas residenciales en entorno urbano. 2010. Tesis Doctoral. (p.10).
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ANEXOS
8
6
7 5 2
4
3
1 LISTA DE PARTES
ELEMENTOS USADOS 48 24 24 1 1 1 1 1
UCV UNIVERSIDAD CÉSAR VALLEJO
ELEMENTO
1 2 3 4 5 6 7 8
NOMBRE DE LA PARTE Lamina de contacto Placa negativa Placa positiva Bateria Conector Piloto positivo Tapa Piloto negativo
DIBUJO ELECTROMECÁNICO DOCENTE
PROYECTO:
PANTA CARRANZA, DANTE OMAR DIBUJADO POR:
DESPIECE ELECTROMECÁNICO ESC:
GRUPO 04 | JUL2021
0.08:1
53
5
2
R1
305
20
20
405
UCV UNIVERSIDAD CÉSAR VALLEJO
DIBUJO ELECTROMECÁNICO DOCENTE
PROYECTO:
PANTA CARRANZA, DANTE OMAR DIBUJADO POR:
PLANO DE DETALLE DE PLACA ESC:
GRUPO 04 | JUL2021
0.08:1
A
A 8
A-A ( 0.16 : 1 )
3
5 6
2 7
1
4
ELEMENTO 1 2 3 4 5 6 7 8
UCV
LISTA DE PARTES ELEMENTOS NOMBRE DE LA PARTE USADOS 48 Lamina de contacto 24 Placa negativa 24 Placa positiva 1 Bateria 1 Conector 1 Piloto positivo Tapa 1 1 Piloto negativo
DIBUJO ELECTROMECÁNICO DOCENTE
PROYECTO:
PANTA CARRANZA, DANTE OMAR DIBUJADO POR:
VISTAS DE CORTE ESC:
GRUPO 04 | JUL2021
0.08:1
