Seminario De Tesis(farfismat)

Proyecto de Investigaci´ on

Indice Introducci´ on Planteamiento y definici´ on del problema Justificaci´ on de la investigaci´ on Objetivos

´ DE ENERG´IA ELECTRICA ´ GENERACION ´ DE PANELES SOLARES EN A TRAVES UNA ZONA RURAL DE PUNO

Marco te´ orico Componentes para la instalacion del sistema fotovoltaico Dise˜ no Metodol´ ogico Conclusiones Anexo Bibliograf´ıa

Estudiante:Rub´en Lucas FLORES AYALA UNA - PUNO Enero/ 2009

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Indice Introducci´ on Planteamiento y definici´ on del problema Justificaci´ on de la investigaci´ on Objetivos Marco te´ orico Componentes para la instalacion del sistema fotovoltaico Dise˜ no Metodol´ ogico

1 Introducci´ on 2 Planteamiento y definici´ on del problema 3 Justificaci´ on de la investigaci´ on 4 Objetivos 5 Marco te´ orico

Energ´ıa Solar Espectro luminoso Masa del aire Insolaci´ on 6 Componentes para la instalacion del sistema fotovoltaico

Conclusiones Anexo Bibliograf´ıa

7 Dise˜ no Metodol´ ogico 8 Conclusiones 9 Anexo

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1 Introducci´ on 2 Planteamiento y definici´ on del problema 3 Justificaci´ on de la investigaci´ on 4 Objetivos 5 Marco te´ orico

Energ´ıa Solar Espectro luminoso Masa del aire Insolaci´ on 6 Componentes para la instalacion del sistema fotovoltaico

Conclusiones Anexo Bibliograf´ıa

7 Dise˜ no Metodol´ ogico 8 Conclusiones 9 Anexo

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Introducci´ on Suele reconocerse que la electricidad es un importante elemento del desarrollo socioecon´ omico rural, no como fin en s´ı misma sino a trav´es de la demanda de los servicios que permite ofrecer, como el bombeo de agua potable, la prolongaci´ on del d´ıa gracias a la iluminaci´ on, y la preparaci´ on de alimentos. En general, el aumento de la demanda de energ´ıa, tanto en cantidad como en calidad, est´ a directamente relacionado con el desarrollo socioecon´ omico. Con todo, las poblaciones rurales de muchos pa´ıses en desarrollo han quedado excluidas de la mayor parte de los beneficios del desarrollo econ´ omico y de la transici´ on hacia servicios de energ´ıa el´ectrica de mejor calidad. Poco parece haber cambiado desde que se plantearon por primera vez las cuestiones y los problemas de la energ´ıa rural a fines del decenio de 1960; las fuentes tradicionales de energ´ıa (le˜ na, residuos de biomasa, tracci´ on humana y animal) siguen siendo los principales y con frecuencia los u ´nicos recursos energ´eticos disponibles para millones de familias rurales, con limitaciones y efectos bien documentados en el bienestar rural en ´ ambitos como la salud, la seguridad alimentaria y la producci´ on agr´ıcola.

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Energ´ıa Solar Espectro luminoso Masa del aire Insolaci´ on 6 Componentes para la instalacion del sistema fotovoltaico

Conclusiones Anexo Bibliograf´ıa

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Planteamiento y definici´on del problema • No se pone en duda que la energ´ıa el´ectrica sea hoy en d´ıa inherente a la Calidad de vida y a la civilizaci´ on moderna por ser constitutivo en equipos electr´ onicos, como computadoras o televisores, y por la facilidad de transportarla y transformarla eficientemente en otras formas de energ´ıa u ´til, como, por ejemplo, en energ´ıa luminosa. Sin embargo, mientras que en pa´ıses desarrollados pr´ acticamente todos sus habitantes disponen en sus hogares de electricidad, 30% de los Peruanos todav´ıa no tienen electricidad en sus hogares y eventualmente millones de Peruanos se quedar´ an sin electricidad en sus casas inclusive dentro de los pr´ oximos diez o veinte a˜ nos, debido al alto costo de la electrificaci´ on de ´ areas rurales. • La extensi´ on de la electrificaci´ on rural convencional, v´ıa conexi´ on a una red el´ectrica, cuesta hoy en el Per´ u en promedio m´ as de $ 1000 por punto de conexi´ on y este costo aumentar´ a significativamente en los pr´ oximos a˜ nos, debido a que los poblados que todav´ıa deben ser conectados a la red el´ectrica se encuentran cada vez m´ as apartados y distanciados entre s´ı.

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• Para la producci´ on de energ´ıa el´ectrica se usan paneles fotovoltaicos. Estos dispositivos son paneles que contienen placas, llamadas celdas, constituidas de silicio. • La poca disponibilidad e ineficiencia de las actuales fuentes de energ´ıa en el ´area rural genera grandes problemas tanto en el uso indiscriminado de los recursos naturales (le˜ na y otros) para la iluminaci´ on, la cocci´ on de alimentos, y hace que la poblaci´ on campesina incremente su voracidad al medio ambiente, sin conocer que existen otras posibilidades tecnol´ ogicas que pueden resultar en esquemas sostenibles de manejo de los recursos naturales. ¿Se puede utilizar la energ´ıa solar fotovoltaica para la calefacci´ on y calentamiento de agua, piscina o de uso dom´ estico?

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Justificaci´on de la investigaci´on • Gran parte de la poblaci´ on mundial que no disfruta de los beneficios de la energ´ıa el´ectrica que viven en zonas rurales no electrificadas caracterizadas por una gran dispersi´ on y bajas densidades de poblaci´ on. En estas zonas no resulta econ´ omicamente rentable la extensi´ on de la red el´ectrica, siendo la soluci´ on fotovoltaica una soluci´ on muy interesante especialmente para instalaciones de potencias inferiores al Kw que suelen ser las m´ as demandadas. Es ´esta raz´ on por la que la energ´ıa solar fotovoltaica cumplir´ a un importante papel en la electrificaci´ on de zonas rurales y en la universalidad del acceso a la energ´ıa el´ectrica y a los servicios que esta proporciona. • En el Per´ u, gracias tambi´en a la alta disponibilidad de la energ´ıa solar: la radiaci´ on solar es en la mayor parte del territorio nacional bastante alta y uniforme durante todo el a˜ no, con valores promedios de 5 - 6 Kwh./m2d´ıa. Un Sistema Fotovoltaico Domiciliario, SFD, que puede proporcionar 5 - 6 kWh de electricidad por mes, cuesta hoy menos de $ 1000 (incluyendo alrededor de 40% de impuestos), incluyendo los costos de instalaci´ on, de capacitaci´ on del usuario y de servicio posventa.

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• Esta cantidad de energ´ıa el´ ectrica es suficiente para satisfacer las necesidades de iluminaci´ on y telecomunicaci´ on (radio, TV) de una familia campesina y no es mucho menor que la energ´ıa el´ ectrica consumida por las familias campesinas que disponen de la electricidad v´ıa la red. Adicionalmente, los SFD son modulares, permitiendo ser ampliados en cualquier momento si existe la necesidad y la disponibilidad econ´ omica. Adem´ as la energ´ıa solar es una fuente energ´ etica segura, limpia, permanente, confiable, ilimitada y cada d´ıa m´ as atractiva desde el punto de vista social y econ´ omico. • Si bien es cierto que en las instalaciones fotovoltaicas es recomendable situar los paneles en lugares bien ventilados, para paliar los efectos negativos de la temperatura sobre las c´ elulas fotovoltaicas, tambi´ en es cierto que se est´ a desaprovechando la energ´ıa en forma de calor que existe en las mismas. • Por otra parte la idea de integrar energ´ıa fotovoltaica y t´ ermica en un mismo panel es un concepto novedoso, y que merece la pena investigar, ya que conllevar´ıa las siguientes ventajas:

Conclusiones Anexo Bibliograf´ıa

a) Menos superficie necesaria para instalar energ´ıa fotovoltaica t´ ermica. b) Menos residuos alcanzado el fin de la vida u ´til de la instalaci´ on. c) Incremento de al menos un 15% en la producci´ on de electricidad. d) Obtenci´ on de agua caliente para usos sanitarios, calefacci´ on, etc. e) Reducci´ on de la radiaci´ on solar reflejada.

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Conclusiones Anexo Bibliograf´ıa

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Objetivos

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• Objetivos generales • Generaci´on de energ´ıa el´ectrica a trav´es de paneles solares a bajo costo. • Estudio y an´alisis de la teor´ıa de radiaci´on y la instalaci´on de sistemas fotovoltaicos

• Objetivos Espec´ıficos • Dimensionar el uso de los paneles solares. • Aprovechar al m´aximo la radiaci´on solar incidente en la regi´on de puno. • Se producir´a una cogeneraci´on aprovechamiento la energ´ıa en forma de electricidad y calor.

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Energ´ıa Solar Espectro luminoso Masa del aire Insolaci´ on

Componentes para la instalacion del sistema fotovoltaico

6 Componentes para la instalacion del sistema fotovoltaico

Dise˜ no Metodol´ ogico

7 Dise˜ no Metodol´ ogico

Conclusiones

8 Conclusiones

Anexo Bibliograf´ıa

9 Anexo

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Energ´ıa solar • El sol es una estrella formada por diversos elementos en estado gaseoso, principalmente hidr´ ogeno, en condiciones tales que producen, de forma espont´anea e interrumpida, un proceso de fusi´ on nuclear, el cual emite luz y calor. Este es el origen de la inagotable energ´ıa solar. • La fuerza del sol que llega a la tierra equivale a 10.000 veces el consumo mundial de energ´ıa. • El sol se encuentra a una distancia de unos 150 millones de kil´ ometros de la Tierra y la radiaci´ on que emite tarda algo m´as de ocho minutos en alcanzar nuestro planeta, a una velocidad de 300.000 km/s. Desde el punto de vista cuantitativo se puede decir que s´ olo la mitad de la radiaci´on solar llega a la superficie de la Tierra. La restante se pierde por reflexi´ on y absorci´ on en la capa de aire. (MART´INEZ, ´ Angel .1999)

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espectro luminoso • La luz, sea ´esta de origen solar, o generada por un foco incandescente o fluorescente, est´a formada por un conjunto de radiaciones electromagn´eticas de muy alta frecuencia, que est´an agrupadas dentro de un cierto rango, llamado espectro luminoso. Las ondas de baja frecuencia del espectro solar (infrarrojo) proporcionan calor, las de alta frecuencia (ultravioleta) hacen posible el proceso de fotos´ıntesis o el bronceado de la piel. Entre esos dos extremos est´an las frecuencias que forman la parte visible de la luz solar. La intensidad de la radiaci´ on luminosa var´ıa con la frecuencia. La Fig. 1.1 muestra la composici´ on del espectro luminoso.

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masa del aire • La posici´ on relativa del sol respecto a la horizontal del lugar determina el valor de la masa de aire. Cuando los rayos solares caen formando un ´angulo de 90◦ respecto a la horizontal, se dice que el sol ha alcanzado su cenit. Para esta posici´ on la radiaci´ on directa del sol atraviesa una distancia m´ınima a trav´es de la atm´ osfera. Cuando el sol est´a m´as cercano al horizonte, esta distancia se incrementa, es decir, la masa de aire es mayor.

Variaci´on del espectro luminoso • Al incrementarse la distancia, la absorci´on, reflexi´on y dispersi´ on de la luz solar tambi´en se incrementan, cambiando el rango de frecuencias que integran el espectro luminoso, as´ı como la intensidad del mismo. Esto explica las variaciones de intensidad y color de la luz solar durante la salida y puesta del sol. La fuente luminosa usada para medir la potencia de salida de un panel FV tiene un espectro luminoso correspondiente a una masa de 1,5 (M1,5), el que ha sido adoptado como est´andar. La intensidad es muy cercana a 1KW/m2.

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Insolaci´on • La cantidad total de radiaci´ on solar (directa y reflejada) que se recibe en un punto determinado del planeta, sobre una superficie de 1 m2, para un determinado ´angulo de inclinaci´ on entre la superficie colectora y la horizontal del lugar, recibe el nombre de insolaci´ on. El t´ermino deriva de la palabra inglesa insolation, la que, a su vez, representa un acronismo derivado de otras tres palabras del mismo idioma: incident solar radiation (radiaci´ on solar incidente).

Unidades de medida • Se usan diferentes unidades para expresar el valor de la insolaci´ on de un lugar. La m´as conveniente para nuestra aplicaci´ on es el Kilowatt.hora por metro cuadrado (KWh/m2), o su valor equivalente en miliwatt.hora por cent´ımetro cuadrado (mWh/cm2). Si la energ´ıa del sol se utilizare para calentar agua, resulta m´as conveniente usar como unidad las calor´ıas por metro cuadrado (Cal/m2) o los Btu/f2 (British thermal units por pi´e cuadrado ). La reducci´ on de una cantidad a la otra puede hacerse recordando que 1KWh/m2= 860 Cal/m2 = 317.02 Btu/f2.

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COMPONENTES PARA LA INSTALACION DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO

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• En una instalaci´ on fotovoltaica consta de cuatro partes o elementos que son los siguientes: A

Paneles solares

• El panel solar se define como la uni´ on de varias c´elulas que se denominan fotovoltaicos. Dependiendo de la instalaci´on que t´ u quieras debes unir c´elulas para as´ı obtener una tensi´on adecuada, cada c´elula puede llegar a producir por lo general una tensi´ on de medio voltio. • Los paneles solares tienen tipo s´andwich, est´an hechos de una capa de cristal, otra de acetato de vinilo, las c´elulas que se quieran poner, otra capa de substrato org´anico y por ultimo otra serie de capas de vidrio. • Los paneles solares que llevan las c´elulas conectadas en serie, los valores de tensi´ on var´ıan seg´ un la cantidad de c´elulas que se pongan.

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B

Acumulador Este sistema tiene b´asicamente tres funciones: • Evita sobrecargas a la bater´ıa que puedan producir da˜ nos. • Impide la descarga de la bater´ıa en los periodos de luz solar suficiente. • Asegura el funcionamiento del sistema en el punto de m´axima eficacia. El regulador mantiene constante la tensi´on y la alimentaci´ on del circuito y la carga de bater´ıas.

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C

Regulador

• Los acumuladores sirven para acumular energ´ıa y consumirla en horas de poca radiaci´ on solar o de noche, estos equipos de acumulaci´ on son las bater´ıas. Las bater´ıas est´an formadas por dos compuestos Generalmente (Plomo y ´acido). Est´an construidos en m´ odulos denominados vasos, que tendr´an dos electrodos el positivo y el negativo, cada vaso puede llegar a dar 2 voltios. La cantidad de energ´ıa que puede almacenar una bater´ıa depende de su capacidad que se mide en A/h. Los acumuladores est´an compuestos por una serie de laminas electrodos de plomo.

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D

Convertidor

• Son los m´as avanzados de todos los convertidores de energ´ıa cu´antica y constituyen el m´as prometedor camino hacia la potencia electro-solar. Este proceso es llamado tambi´en proceso de foto emisi´ on interna. Se produce fundamentalmente por foto emisi´ on que posee un umbral inferior a la absorci´ on de fotones y la luz pasa de ser luz a ser electricidad sin pasar antes por un estudio de energ´ıa t´ermica. A parte de las c´elulas fotovoltaicas existen otras, pero la fotovoltaica es la u ´nica que posee una absorci´on optica muy alta y una resistencia el´ectrica los suficientemente ´ baja como para poder convertir la energ´ıa solar en energ´ıa u ´til de modo econ´ omico. a que hay una amplia elecci´ on de semiconductores con el intervalo apropiado de absorci´ on espectral, podemos seleccionar un material apropiado que abarque el espectro solar. Estos semiconductores se hacen uniendo partes positivas y negativas de silicio, que actualmente es el que m´as rinde. Todas las c´elulas solares actuales tienen en com´ un tres caracter´ısticas:

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a) Un absorbente ´ optico que convierte los fotones en pares electr´ on-hueco.

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b) Un campo el´ectrico interno que separe estas cargas. c) Contactos en los extremos del semiconductor para la conexi´ on con una carga externa.

Justificaci´ on de la investigaci´ on Objetivos Marco te´ orico Componentes para la instalacion del sistema fotovoltaico Dise˜ no Metodol´ ogico Conclusiones Anexo Bibliograf´ıa

La parte de los convertidores que absorbe los fotones es el semiconductor que se elige de forma que tenga una banda prohibida similar a la del espectro solar. No podr´ıamos coger una c´elula solar con un valor bajo de energ´ıa de banda prohibida aunque pareciera lo ideal para que absorbiese casi todo el espectro, pero la fuerza electromotriz de la c´elula est´a limitada por la energ´ıa de banda prohibida, y si esta es peque˜ na la energ´ıa electromotriz tambi´en lo ser´a. Es poco probable que un fot´ on tenga el doble de energ´ıa que el nivel de fermi por eso siempre solo habr´a un s´olo par electr´ on-hueco por fot´ on absorbido y la energ´ıa en exceso del fot´ on se disipa.

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Conclusiones Anexo Bibliograf´ıa

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Dise˜ no Metodol´ ogico INSTALACION DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO Un m´ odulo solar fotovoltaico puede instalarse casi en cualquier lugar, donde haya espacio suficiente, tanto en los tejados de las casas, como en las terrazas, o en los balcones, etc. En el caso en que no haya ning´ un lugar conveniente es posible construir tambi´ en un soporte especial. En el lugar de instalaci´ on de los paneles fotovoltaicos hay solamente un aspecto muy importante y fundamental a tener en cuenta: hay que asegurar que no existen obst´ aculos que les puedan dar sombra a los paneles durante todo el d´ıa, y especialmente durante las horas centrales del d´ıa, cuando la radiaci´ on solar es mayor y con esto tambi´ en el efecto del sistema. La sombra puede reducir el efecto de todo el sistema notablemente. Esto en la selva significa que es necesario buscar un sitio libre, donde no haya una vegetaci´ on muy densa. La superficie que ocupa este tipo de instaci´ on depende de la potencia que se quiera instalar y tambi´ en del tipo de paneles que se utilicen. Pero en general hay que contar con que cada kWp (kilovatio pico = la m´ axima potencia generada durante 1 hora en condiciones ´optimas; la energ´ıa producida en estas condiciones es 1kWh) ocupa una superficie de entre 7 y 11 m2. En lo que se refiere al peso de los paneles, depende tambi´ en del tipo del panel, pero en general hay que considerar unos 15 kg.m-2. Pero, por ejemplo, el viento puede suponer en algunos casos una carga adicional.

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Conclusiones Anexo Bibliograf´ıa

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Conclusiones La energ´ıa solar ofrece grandes posibilidades de electrificaci´ on tambi´en de los poblados pobres, que est´ an aislados de la civilizaci´ on. Pero un gran impedimento para ello es la alta inversi´ on primaria, aunque es la u ´nica inversi´ on porque la vida u ´til de los paneles solares es de 20 a 30 a˜ nos o m´ as. Pero la electricidad fotovoltaica se encuentra todav´ıa en pa˜ nales y eso confirman los numerosos proyectos de investigaci´ on de las c´elulas solares en las universidades en todo el mundo. Su meta es subir el rendimiento de los paneles fotovoltaicos, que hoy hace solamente 20 a 30% dependiendo del tipo del panel. Se buscan entonces otros materiales para las c´elulas fotovoltaicas, que hoy se fabrican b´ asicamente de silicio que sube el precio. Buenas caracter´ısticas muestran los semiconductores de materiales org´ anicos, pero todav´ıa falta para poder fabricar estos paneles. Para la electrificaci´ on solar fotovoltaica de los comunidades aislados deber´ıan hacer m´ as pasos los gobiernos de los pa´ıses latinos. Primero tienen que pensarse las prioridades econ´ omicas y ecol´ ogicas, luego hay que ense˜ nar a la gente, que es un sistema fotovoltaico, que ventajas tiene y que se necesario hacer para su mantenimiento.

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anexo

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Bibliograf´ıa

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GASQUET, H´ector L. Manual te´ orico y pr´actico sobre los sistemas fotovoltaicos, mexico - Editorial Trillas, 2o edici´on, 2004. ´ MART´INEZ AGUILAR, Angel Eduardo Renewable Energy, Honolulu,Hawai - April-2007. http://www.instalacionenergiasolar.com/ http://fc.uni.edu.pe/mhorn/electrificacion.htm

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´ GRACIAS POR SU ATENCION

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APLAUSOS!!!

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Indice Introducci´ on Planteamiento y definici´ on del problema Justificaci´ on de la investigaci´ on Objetivos Marco te´ orico Componentes para la instalacion del sistema fotovoltaico Dise˜ no Metodol´ ogico Conclusiones Anexo Bibliograf´ıa

APLAUSOS!!!

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