Proyecto de Tesis
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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL Y ARQUITECTURA CARRERA PROFESIONAL DE FÍSICO MATEMÁTICAS “SISTEMA INFORMÁTICO DE OPTIMIZACIÓN EN SISTEMAS FOTOVOLTAICOS” Tesis Presentado por : Bach. Paco Wilson Marconi Quispe Para optar el Titulo de : LICENCIADO EN FÍSICO MATEMÁTICAS 1
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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL Y ARQUITECTURA
CARRERA PROFESIONAL DE FÍSICO MATEMÁTICAS
“SISTEMA INFORMÁTICO DE
OPTIMIZACIÓN EN SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS”
Tesis Presentado por : Bach. Paco Wilson Marconi
Quispe
Para optar el Titulo de :
LICENCIADO EN FÍSICO MATEMÁTICAS
PUNO – PERU
2012
1
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
Dada la situación de insuficiencia energética mundial, la
conservación del medio ambiente y el óptimo aprovechamiento de la
energía; no solo es una necesidad, sino un deber.
En la actualidad los individuos y las organizaciones, tienen la
obligación de conservar la energía para las generaciones futuras, pues las
sociedades que utilicen con eficiencia la energía, tendrán más
posibilidades de sobrevivir en condiciones energéticas adversas.
Las organizaciones en sus diferentes niveles y modalidades, hoy
asumen compromisos del desarrollo sostenible, a fin de preservar el
medio ambiente y el uso racionalizado de las energías renovables y no
renovables.
Las personas en su mayoría no son consientes de la escasez
mundial de recursos energéticos, tampoco están capacitados para
afrontar la utilización racionalizada de energías no contaminantes del
medio ambiente.
La utilización de la energía solar, es una alternativa en las
comunidades de la Región Altiplánica por la alta radiación solar que se
tiene, el cual no es aprovechado óptimamente.
En el departamento de Puno (Isla de Taquile), la mayoría de los
hogares cuentan con instalaciones de sistemas fotovoltaicas, los mismos
que no tienen un monitoreo técnico permanente en orientación y ubicación
de estos paneles solares; produciéndose así una deficiencia en la
captación de la potencia energética, el cual se debe a los cambios de la
2
orientación solar permanente, implícitamente exige las correcciones
permanentes de la orientación y ubicación de los paneles solares.
Los paneles solares, generalmente se encuentran instaladas de
manera fija, aproximadamente a un ángulo horario =0° que corresponde
al medio día (12:00 horas), donde la radiación solar es máxima.
Por otro lado, el ángulo horario varía permanentemente con el
movimiento de rotación y traslación de la tierra, (Movimiento sobre su eje
y alrededor del sol); entonces el ángulo de ubicación de los paneles,
también tienen una variación constante todo el año.
Por consiguiente, con una instalación fija de los paneles, existe
perdida en la captación de energía solar, y por consiguiente la potencia de
salida, siendo necesario verificar en cada instante la orientación adecuada
según la variación de ángulo horario diario-anual e inclinación. Por lo que
se vio la necesidad de desarrollar un software que permita monitorear los
cambios de la orientación solar, y esto aplicarlos en el posicionamiento de
los paneles solares.
Bajo este contexto, se formula la siguiente interrogante.
¿En que medida se podrá mejorar el uso de la energía solar en
las instalaciones de sistemas fotovoltaicas mediante un sistema
informático?
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ANTECEDENTES
Se realizo estudios sobre sistema fotovoltaico con rastreador solar en la
Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas UPC , en el cual se diseña y
construye un sistema fotovoltaico en base a censores capaz de seguir el
movimiento solar para maximizar la producción de energía eléctrica a lo
largo de todo el día.
El Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico realizo un
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del Sol para procesos
electroquímicos en el cual se obtuvo un rendimiento de 26% con el uso
del seguidor solar.
Se realizaron ensayos sobre las posibilidades técnicas, sociales y
económicas de usar paneles fotovoltaicos para una electrificación rural
en el Perú se iniciaron en 1986 con el proyecto de la cooperación
alemana en Puno
El estado Peruano por medio del ministerio de energía y minas
Dirección ejecutiva de proyectos “electrificación rural a base de energía
fotovoltaica en el Perú” viene realizando instalaciones de sistemas
fotovoltaicos como una alternativa para suministrar energía eléctrica a
pequeñas localidades rurales y aisladas consiste en la instalación de
Módulos Fotovoltaicos unifamiliares financiados conjuntamente por el
estado y los usuarios, asumiendo éstos su operación y mantenimiento.
Para lo cual se realizo capacitaciones sobre posicionamiento solar, para
un mejor aprovechamiento de la energía solar con paneles fotovoltaicos.
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OBJETIVOS.
1.1.1. OBJETIVO GENERAL.
Desarrollar un Sistema Informático que permita Optimizar el uso de la
energía solar a través de la orientación adecuada de Paneles
Fotovoltaicas
1.1.2. OBJETIVO ESPECIFICO.
Identificar la potencia de salida según la orientación de Paneles
Solares
Desarrollar un sistema informático para mejorar la orientación
de paneles solares, a fin de optimizar la potencia de salida de
estos.
Evaluar el resultado de la potencia de salida actual obtenida con
la aplicación del sistema informático, con relación a la potencia
de salida inicial encontrada.
.
1.2.JUSTIFICACION E IMPORTANCIA.
El uso ineficiente de la energía eléctrica, la ineficiencia de los
sistemas que consumen energía eléctrica, y la mala orientación
de los sistemas fotovoltaicos genera perdidas económicas
incrementándose en forma innecesaria en la economía de los
pobladores que hacen uso de los sistemas fotovoltaicos.
Una de las recomendaciones de las instituciones que realizan
estudios sobre sistemas fotovoltaicos hacia los medianos y
grandes consumidores, fue la de efectuar auditorias energéticas
periódicas.
Para lograr un uso eficiente de la energía eléctrica es importante
implementar acciones de aplicación efectiva, que optimicen este
proceso, lo cual se puede dar a través de auditorias energéticas
periódicas.
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En consecuencia es necesario implementar un programa de uso
racional y eficiencia de energía eléctrica que traerá como
consecuencia un ahorro en el consumo de energía y
consecuentemente un ahorro económico, para una mayor calidad de
vida.
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REVISIÓN DE LITERATURA
1 ENERGÍA
La energía es la capacidad que tiene un cuerpo para producir un
trabajo o provocar un cambio. Sin energía no habría sol, ni plantas ni
animales y también no seria posible la vida. Dentro de las fuentes de
energía se tiene las energías no renovables y las energías renovables
(JOSE Ma DE JUANA -2003 - 5).
2.1 FUENTES DE ENERGÍAS NO RENOVABLES.
Se considera no renovable a la energía que está almacenada en
cantidades inicialmente fijas, comúnmente en el subsuelo. A medida que
se consume un recurso no renovable, se va agotando. Las reservas
disponibles están sujetas a la factibilidad técnica y económica de su
explotación, al descubrimiento de nuevos yacimientos y al ritmo de
extracción y consumo y dentro de las energías no renovables se tiene:
Fuentes de Energía Fósil.
Energía Geotérmica.
Energía Nuclear.
2.2 FUENTES DE ENERGÍAS RENOVABLES.
Se llama fuentes de energía renovable a la energía que
administrada en forma adecuada se puede explotarse ilimitadamente; es
decir, su cantidad disponible (en la Tierra) no disminuye a medida que se
aprovecha. Para tener un esquema de desarrollo sustentable es
indispensable que la mayoría de los recursos, y particularmente la
energía, sean del tipo renovable.
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La principal fuente de energía renovable, es el Sol. Como se explicará
más adelante, el Sol envía a la Tierra únicamente energía radiante, es
decir, luz visible, radiación infrarroja y algo de ultravioleta. Sin
embargo, en la atmósfera se convierte en una variedad de efectos,
algunos de los cuales tienen importancia como recurso energético, tal
es el caso de la energía eólica, la energía de la biomasa, la diferencia
de temperaturas oceánicas y la energía de las olas. (JOSE Mª DE
JUANA -2003 - 7).
Energía Fotovoltaica
Energía Eólica.
Energía de la Biomasa (fotosíntesis).
Diferencia de Temperatura Oceánica (OTEC).
Energía de las Olas.
Energía Hidráulica.
Energía de las Mareas.
2.3 ENERGÍA FOTOVOLTAICA.
Se llama "fotovoltaica" la energía solar aprovechada por medio de
celdas fotoeléctricas, capaces de convertir la luz en un potencial eléctrico,
sin pasar por un efecto térmico.
2.4 INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS.- Un sistema fotovoltaico (FV), es el
resultado de la integración de varios bloques funcionales, con el fin de
suplir diariamente la energía eléctrica requerida por la carga de
consumo. Esta definición es la misma que corresponde al servicio
domiciliario de una planta generadora tradicional; la diferencia
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fundamental es que, en un sistema FV el “combustible” es la energía
solar el cual es una de las energías inagotables.
CARGA ELÉCTRICA.- Se dice que la carga eléctrica es una propiedad
inherente de la materia; para el estudio de Paneles Fotovoltaicos se
toma en cuenta tres tipos de carga (consumo): Corriente continua
(CC), Corriente alterna (CA) o mixta (CC y CA). (HENRY GARCÍA
BUSTAMANTE - 2005 - 15)
2.5 INSTALACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO
El más básico de los sistemas fotovoltaicos es el que se utiliza en
horario diurno, donde no se requiere de un banco de baterías de reserva.
Pero sin embargo, una aplicación muy popular es la instalación de un
sistema fotovoltaico nocturno con cargas de corriente continua y por ello
describiremos un sistema de este tipo.
En la Figura Nº 1.1 se ilustra tres bloques o partes funcionales
que integran este tipo de sistema, así como los componentes usados
comúnmente en cada uno de los partes funcionales.
Figura Nº 1.1Diagrama de las Instalaciones Fotovoltaicas
Fuente: HENRY GARCÍA BUSTAMANTE-2005-19
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1. Protección contra
rayos.
2. Paneles
fotovoltaicos.
3. Control de carga.
4. Banco de baterías.
5. Fusible de protección.
6. Monitor de carga.
7. Caja de entrada con
fusibles.
8. Toma a tierra.
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Parte I.- Esta parte esta formado por los paneles fotovoltaicos, el cual el
número de ellos dependerá de varios factores entre ellos son:
El valor promedio de la insolación del lugar.
La carga (carga pico)
La máxima potencia nominal de salida del panel seleccionado.
Los paneles deben de tener una efectiva protección contra rayos,
en esta parte I se ve solo la generación de corriente continua ya que un
panel fotovoltaico solo genera voltaje de este tipo.
Figura Nº 1.2Vivienda de Taquile con instalaciones de Paneles
Fotovoltaicas
Fuente: toma de imagen por el ejecutor
Parte II.- La segunda parte esta formado por el bloque de acumulación de
energía el mismo que contiene tres componentes, los cuales son:
El control de carga.
El banco de baterías.
Fusible de protección.
El monitor de carga puede formar parte del control de carga o
convertirse en un componente adicional. Dentro de los acumuladores se
usa un tipo especial llamada batería solar estas baterías se ofrecen en
versiones de 6 y 12V.
Parte III.- En la tercera parte se tiene el bloque de carga, el cual
comprende los circuitos de entrada y alimentación dentro de la casa. La
caja de fusibles hace posible la fragmentación del consumo, permitiendo
el uso de cables de menor diámetro (y costo), los que son más fáciles de
instalar. Otra ventaja es que se evita quedarse sin electricidad en toda la
casa cuando se produce un desperfecto eléctrico en una zona de la
misma. La conexión a tierra a la entrada de la carga es una norma de
seguridad para los usuarios del sistema, así como una buena práctica de
instalación para cualquier tipo de sistema.
2.6 LA CÉLULA FOTOVOLTAICA.
Una célula fotovoltaica, es un conductor semi plano que convierte
la irradiación solar, directamente a corriente eléctrica, sin partes móviles y
sin generar ruido o contaminación alguna, las células fotovoltaicas
consisten de un semiconductor de silicio, contactos metálicos y
usualmente un recubrimiento delgado que aumenta la eficiencia de la
célula (reflexión reducida).
Cuando la luz solar que incide sobre una zona adyacente la
juntura tiene el espectro y nivel de energía requerido por el material (Si), el
bombardeo de los fotones crea pares de cargas libres los que se mueven
libremente. Algunos de estos de estos pares se recombinan (neutralizan)
antes de migrar a la zona de juntura, pero un elevado porcentaje de
electrones de lado P y de hoyos del lado N serán impulsados a través de
la juntura. La dirección del campo eléctrico E hace que estas cargas no
puedan volver, alterándose el estado de equilibrio. Las cargas libres están
listas para sostener una corriente cuando se conecten el lado N y P a una
carga externa (HECTOR L. GASQUET-2008-06)
Figura Nº 1.4Célula Fotovoltaica
Fuente: (HECTOR L. GASQUET-2008-06)
2.7 TIPOS DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS.
Existen varios tipos de células fotovoltaicas, algunas más
conocidas que otras, debido a que estas fueron introducidas al mercado
hace mucho tiempo. Pero todas estas células pertenecen a uno de los
grupos mencionados a continuación:
Mono-cristalinas.
Poli-cristalinas
Amorfas
El orden dado es el mismo cuando se considera el costo o la
eficiencia de conversión.
2.8 FORMA GEOMÉTRICA
El método de fabricación, determina en gran parte, la forma
geométrica de la célula fotovoltaica. Las primeras versiones eran
redondas, pues el cristal puro tiene una sección circular. Los últimos que
se fabrican son de forma cuadrada o casi-cuadrada donde las esquinas
tienen vértices a 45º. Las células poli-cristalinas son cuadradas porque el
molde donde se vierten el semiconductor fundido tiene esa forma, la forma
cuadrada permite un mayor compactado de las mismas dentro del panel
fotovoltaico, disminuyendo la superficie que se necesita para colocar un
determinado numero de células. (HECTOR L. GASQUET-2008-06)
Figura Nº 1.5Formas Geométricas de Célula Fotovoltaica
Fuente: toma de imagen por el ejecutor
2.9 EL PANEL FOTOVOLTAICO.
Debido a su fragilidad, las células fotovoltaicas son vulnerables a
la acción de los elementos naturales como las lluvias, granizo, nieve,
viento, polvo, etc. Esta característica, sumada a la necesidad de ofrecer
un voltaje de salida práctico (superior al ), hacen necesario el uso de
una estructura mecánica rígida y hermética que pueda contener un
elevado numero de células. El panel fotovoltaico cumple con ambos
requisitos, facilitando además el transporte de la unidad y su seguridad.
(HECTOR L. GASQUET-2008-06)
2.10 VOLTAJE DE SALIDA.
Las industrias de las baterías dan una gran importancia a las
baterías fotovoltaicas de manera que la adopción de 12V para el voltaje
de salida del panel era una opción práctica. Por otra parte, este valor no
demanda la conexión de un número excesivo de células en serie.
Así como también las industrias de aparatos electrodomésticos
usados en vehículos funcionan con 12V de manera que un usuario de
sistema fotovoltaico con este voltaje podrá incorporar electrodomésticos
de corriente continua en sus domicilios.
2.11 NUMERO DE CÉLULAS.
Se necesita conectar un mínimo de 24 células fotovoltaicas en
serie para alcanzar un voltaje nominal de salida de 12V los paneles
comerciales contiene un mayor numero de celdas fotovoltaicas (36 a
mas). (HECTOR L. GASQUET-2008-06)
2.12 POTENCIA (P)
La potencia en un circuito eléctrico esta denominada como la ley
de Joule y es la intensidad de corriente multiplicado por el voltaje (M.
MARQUEZ PEÑA -1985-95)
2.1
2.13 POTENCIA DE SALIDA DE UN PANEL FOTOVOLTAICO
La potencia máxima de salida (potencia pico) de un panel
Fotovoltaico es, sin duda alguna, la característica eléctrica más importante
del mismo. La implementación de un sistema Fotovoltaicos doméstico
requiere el uso de paneles con potencias de salidas entre 60 y 100 watts.
El uso de paneles con baja potencia de salida (menor costo) no se justifica
en muchos casos, ya que deberá usarse un mayor número de ellos.
Los paneles Fotovoltaicos que usan células mono-cristalinas son
los más populares (60% del mercado). Los que usan células Poli-
cristalinas tienen un 35% del mercado. El resto corresponde a los paneles
que usan material amorfo, los que, a pesar de su bajo costo, no alcanzan
a competir con los dos tipos anteriores.
Dada su flexibilidad, el uso de estos paneles está restringido a
instalaciones Fotovoltaicos sobre los techos de las casas, en sistemas de
generación diurna por la variación de potencia de salida. (Pontificie
Universidad Católica Del Perú – 2005 -25)
2.14 CONJUNTO DE PANELES FOTOVOLTAICOS
Cuando el consumo se incrementa, el valor de la corriente de
carga requiere cables de mayor diámetro, los mismos que son de mayor
costo y difíciles de conectar, la solución es incrementar el voltaje de salida
del sistema, conectando varios paneles usando una combinación serie. Si
con el nuevo voltaje el consumo demanda un incremento de corriente,
entonces deberán conectarse grupos de igual voltaje de salida en
paralelo.
Al agrupamiento serie-paralelo de paneles se lo denomina
conjunto Fotovoltaico. La Figura N°1.6 muestra, en forma gráfica, los
pasos de esta evolución. (Pontificie Universidad Católica Del Peru – 2005
-26)
Figura Nº 1.6
Estructura del Conjunto de Paneles Solares
Fuente: (Pontificie Universidad Católica Del Perú – 2005 -26)
2.15 LA ENERGÍA SOLAR
La energía radiante procedente del sol incide sobre la superficie
de la tierra, siendo el motor fundamental del clima, y también puede incidir
sobre la superficie exterior, ya sea directamente, difuminada por la
atmósfera o reflejada por el entorno, generando flujos de calor de
magnitud considerable.
La magnitud del calentamiento producido depende
fundamentalmente de la posición del sol, de la intensidad de la radiación
procedente del sol, del estado de la atmósfera y de otros parámetros
ambientales. También tiene influencia las características de la superficie
absorbente, tales como orientación, inclinación. (Jose Ma De Juana -2003-
29).
2.16 EL TRANSPORTE DE LA ENERGÍA.
La energía emitida por el sol viaja en forma de ondas
electromagnéticas los cuales son las únicas ondas que no necesitan un
medio material para su propagación ya que en si misma encierran un
proceso de autogeneración. Su velocidad de propagación en el vació es
igual para todas las longitudes de onda siendo c = 300000Km/s. con lo
cual para una distancia media Tierra Sol de 150 millones de kilómetros el
tiempo que tarda en llegar la luz es de unos 8,3 minutos. (Jose Ma De
Juana -2003-29).
2.17 LA CONSTANTE SOLAR.
Se denomina así a la cantidad de energía que nos llega del sol en
la unidad de tiempo por unidad de superficie normal a la dirección de la
radiación incidente, en la superficie exterior de nuestra atmósfera la
llamaremos Gc, y es la misma que se recibirá sobre la superficie de la
tierra en caso de que no hubiera atmósfera.
Ya en 1978 Frohlich recomendó el valor , el cual
fue estimado a partir de datos obtenidos mediante satélites Nimbus y
Mariner. Pero el estudio de los últimos años según World Radiation Center
(WRC) a adoptado el valor de con un error estimado de
1%. (Jose Ma De Juana -2003-30).
2.18 VARIACIÓN DE LA RADIACIÓN EXTRATERRESTRE
El valor de la constante solar ha sido establecido por una
distancia media Tierra – Sol, distancia que se denomina unidad de
longitud astronómica y cuyo valor es de 149.658.536,5 Km. Debido a la
excentricidad de la eclíptica, la distancia Tierra – Sol varia y la irradiancía
o energía solar recibida en el exterior de la atmósfera en la unidad de
tiempo y por la unidad de superficie normal a la radiación incidente, será
diferente para cada día del año, su valor esta dado por la expresión:
Siendo “n” el día del año contado desde el 1 de enero (n=1) y en
la que también viene en W/m2. en la Figura N°1.9 se representa este
valor para cada mes del año.
2.19 RADIACIÓN SOLAR TERRESTRE.
La energía solar, antes de llegar a la superficie terrestre, tiene
que atravesar la atmósfera en donde se ve afectada tanto en su dirección
como en su densidad debido a la iteración de la radiación con la materia.
Además, la dirección con la cual incide la radiación solar directa depende
no solamente de la localización geográfica y de la orientación del
dispositivo solar sino también de la época del año.
2.20 LOS MOVIMIENTOS DE LA TIERRA.
Antes de centrarnos, en los movimientos y las coordenadas
celestes, es importante tener claro lo que ocurre aquí en la tierra. Donde
la tierra tiene tres movimientos fundamentales.
ROTACIÓN: Es el movimiento que realiza la tierra al girar sobre si misma y
provoca la sucesión de días y noches. Se completa una vuelta cada 23h
56min y 3.5s. Este periodo se considera día sidéreo.
TRASLACIÓN: Es el movimiento que hace la tierra en su camino alrededor
del sol, describiendo una elipse que tiene al sol en uno de sus focos. Este
movimiento, junto con la inclinación del eje terrestre, es el que provoca las
estaciones y se completa una vuelta en 365,25 días o 365 días , 6 horas y
9 minutos.
PRESESIÓN: Es un movimiento de jiro del eje de rotación de la tierra
alrededor de un eje perpendicular a su plano de traslación, manteniéndose
siempre entre ambos un ángulo de 23,5º. El giro se completa cada 26,000
años. Por lo que su movimiento no es apreciable por el ser humano. (Jose
Mª De Juana -2003-31).
2.21 MOVIMIENTO DE LA TIERRA ALREDEDOR DEL SOL.
El centro de la tierra gira alrededor del sol describiendo una
elipse, denominada eclíptica, en uno de cuyos focos esta en el sol. El
sentido de giro es el contrario a las agujas del reloj cuando se ve desde un
punto del espacio situado por encima del polo norte. El periodo de
revolución o año solar es 365,25 días. Por convenio se establece un año
civil de 365 días, con lo que se pierden 0,25 días por año y para
ajustarnos al año solar cada cuatro años se agrega un día al mes de
febrero el cual ese año es denominado bisiesto, donde febrero tiene 29
días. (Jose Mª De Juana -2003-31).
2.22 ESFERA CELESTE.
Es una esfera imaginaria de radio arbitrario (pero grande)
concéntrica con la tierra.
Llamamos polos de la esfera celeste a la intercesión de la esfera
celeste con los polos de la tierra.
Llamamos plano ecuatorial celeste al plano intersección del plano
ecuatorial terrestre con la esfera celeste.
2.23 ESTUDIO DEL MOVIMIENTO DEL SOL.
Es de conocimiento general que el sol sale por el este, al
mediodía se levanta sobre el sur y se pone por el oeste, y también que los
días de verano son mas largos que los de invierno. Sin embargo, para el
estudio científico de la influencia del soleamiento es preciso determinar
con suficiente precisión la posición del sol en la bóveda celeste para
cualquier localidad, fecha e instante del día.
Afortunadamente, el movimiento aparente del sol en el espacio
está regido por las leyes de la mecánica celeste, y sus relaciones
geométricas se expresan en fórmulas de trigonometría esférica, en
función de la latitud del lugar “ ”, la declinación de la época del año “ ” y
el ángulo horario del instante del día.
La trayectoria que sigue el sol en la esfera celeste recibe el
nombre de eclíptica, esta trayectoria en la esfera celeste es un círculo
máximo que forma con el ecuador celeste un ángulo de 23º 27’ llamado
inclinación del sol u oblicuidad de la eclíptica. (Fernando Martin Asin-
2007-15).
2.24 COORDENADAS GEOGRÁFICAS
LA ALTITUD. “h”
La altitud “h” de un punto de la superficie terrestre es la altura
medida en la dirección de la vertical del lugar, a la que se encuentra el
nivel medio del mar. Tanto como la superficie del suelo como las
profundidades de los océanos son muy irregulares. La elevación máxima
sobre el nivel del mar es el Everest, en la cordillera del Himalaya, con una
altura de 8847m. Y la mayor profundidad conocida es la fosa Challenger,
en la zona oeste del pacifico, de unos 11033m, valores significantes al
radio terrestre, ya que suponen un 0,139% y un 0,173% del mismo,
respectivamente. (Jose Mª De Juana -2003-34).
LA LATITUD. “ ”
Es el ángulo determinado desde el centro de la tierra por un radio
dirigido al lugar de interés (Isla Taquile) y otro radio dirigido al punto del
ecuador situado sobre el mismo meridiano. La latitud se mide de 0º a
90º; positiva hacia el Polo Norte y Negativa hacia el Polo Sur, todos los
puntos situados sobre el mismo paralelo tienen la misma latitud. (JOSE
Ma DE JUANA -2003-34).
LA LONGITUD. “L”
La longitud de un lugar es el ángulo determinado por el plano de
un meridiano con el plano de otro meridiano tomado como referencia la
longitud “L” se mide en grados, desde 0º hasta 180º, al este (E) o al
Oeste (W) del meridiano de referencia. Y el meridiano de referencia
elegido como meridiano cero, a partir del cual se comienza a contar hacia
el este o al oeste, es el meridiano de Greenwich (Inglaterra). (Jose Mª De
Juana -2003-32).
Meridiano: circulo máximo que pasa por los polos.
Longitud de un meridiano: 40.008 Km.
2.25 ORBITA DE LA TIERRA
La orbita de la tierra alrededor del sol es una elipse (muy poco
excéntrica), ocupando el Sol uno de los focos; por ello el movimiento
aparente del Sol alrededor de la Tierra no es igual todo el año. El Sol
parece moverse más rápido cuando la Tierra está mas cerca de él.
La distancia media Tierra-Sol se conoce como Unidad Astronómica (1
U.A. » 149.5 Mkm)
El tiempo que la tierra tarda en completar una vuelta alrededor del Sol
es de 365.25 días (traslación). La Tierra completa una revolución sobre
su propio eje en 24 h (rotación).
El plano del ecuador no es el mismo que el plano de la órbita de la
Tierra alrededor del Sol, sino que está inclinado respecto de ella un
ángulo de 23º 27’ (oblicuidad de la eclíptica). (Claudio Pastrana-2008-
21)
2.26 SOLSTICIO Y EQUINOCCIO
SOLSTICIO. Los solsticios son aquellos momentos del año en los que el
sol alcanza su máxima posición meridional o boreal. Los solsticios son los
dos puntos de la esfera celeste en la que el sol alcanza su máxima
declinación norte (+23°27’) y su máxima declinación sur (-23°27’) con
respecto al ecuador celeste.
El solsticio de junio:
Ocurre regularmente alrededor de 21 de Junio y es llamado de
verano en el hemisferio norte o de invierno en el hemisferio sur.
El día del solsticio de junio es el día mas largo del año en el hemisferio
norte y el día mas corto en el hemisferio sur. (Claudio Pastrana-2008-
24)
El solsticio de diciembre:
Ocurre alrededor de 21 de diciembre y es llamado de invierno en
el hemisferio norte o de verano en el hemisferio sur.
El día del solsticio de diciembre es el día mas largo del año en el
hemisferio Sur y el día mas corto en el hemisferio Norte.
EQUINOCCIO. Se denomina equinoccio al momento del año en que los
días tienen una duración igual a la de las noches en todos los lugares de
la tierra. La palabra equinoccio proviene del latin equinoctium y significa
“noche igual”.
Los equinoccios ocurren dos veces por año: el 21 de marzo y el
22 de setiembre en el 2009, épocas en que los dos polos de la tierra se
encuentran a la misma distancia del sol, cayendo la luz solar por igual en
ambos hemisferios.
Desde el equinoccio de primavera hasta el solsticio de verano la
duración de la noche es cada vez menor, y hay cada vez más horas de
luz. Se van reduciendo, hasta que en el equinoccio de otoño se igualan
las horas de luz y de oscuridad.
Los solsticios y los equinoccios son distintos en el hemisferio
norte terrestre y en el sur, ya que mientras en un hemisferio se da el
solsticio de verano, en el otro es de invierno y al revés, y lo mismo
sucede con los equinoccios. (Claudio Pastrana-2008-25)
2.27 POSICIÓN DEL SOL
La posición del sol dentro de la esfera celeste, puede
determinarse mediante coordenadas ecuatoriales o mediante
coordenadas horizontales, como también las llamadas coordenadas
ecuatoriales son la declinación y el ángulo horario. (Jose Ma De Juana -
2003-37).
2.28 LA DECLINACIÓN. “ ”
La declinación es el ángulo formado por el plano del ecuador y el
plano de la orbita terrestre al medio día, debido a la inclinación de eje de
la tierra. La declinación en función de la fecha, siendo:
Máxima en el solsticio de verano en el polo norte e invierno en el polo
sur. ( =+23º27'=+23.45º) el cual es el 22 de junio.
Nula en los equinoccios ( =0º) el 22 de marzo y el 22 de setiembre
Mínima en el solsticio de invierno en el polo norte y verano en el polo
sur. ( = 23º27’ = 23.45º) el 22 de diciembre.
La declinación se puede estimar analíticamente para cualquier
fecha del año con suficiente precisión considerando que es una función
sinusoidal del día ordinal del año “n” (1 a 365) con valor nulo el 22 de de
marzo (81º día del año) mediante la siguiente expresión. (Jarabo Friedrich,
f. Y Elortegui Escartín, N. -2000-45)
Formula de Spencer
(2.2)
Donde: (Angulo diario en radianes)
Figura Nº 1.15
Declinación Anual.
Fuente: imagen elaborado por el ejecutor
2.29 ANGULO DIARIO O HORARIO ( )
Es el formado entre la posición del sol a la hora considerada y su
posición al medio día, medido sobre el circulo de su orbita. El sol recorre
15º a cada hora (360º en 24 horas), y se mide a partir del medio día
(12:00 hora solar local) con ángulos negativos antes del medio día y
positivos después del medio día. Para determinar el ángulo horario o
diario se usa la siguiente expresión en función de la hora solar local.
(0:00 a 24:00 horas). (Jarabo Friedrich, F. y Elortegui Escartín, N 2000-48)
(2.3)
2.30 COORDENADAS HORIZONTALES.
También la posición del sol sobre la esfera celeste puede quedar
determinada por sus coordenadas horizontales como son el ángulo
acimutal y la altura sobre el horizonte o el complementario de esta.
Angulo Acimutal ( )
Es el formado por la proyección sobre el plano horizontal de la
línea Sol - Tierra, con la línea norte – sur donde en el hemisferio norte se
mide desde la dirección del sur y es positivo hacia el oeste, en el
hemisferio sur se mide desde la dirección norte y es positivo hacia el este.
Angulo cenital ( )
Es el ángulo formado por la dirección Sol – Tierra con la vertical
del lugar.
Altura Solar ( )
Es el ángulo formado por la dirección Sol – Tierra con el plano
horizontal del lugar y será complementaria del anterior , los
valores de la altura del sol “ ” y su ángulo azimutal “ ” son datos
conocidos y tabulados para cada latitud “L” y cada día del año. (Jarabo
Friedrich, F. y Elortegui Escartín, N. -2000-49).
2.31 RELACIONES ENTRE LAS DISTINTAS COORDENADAS
RELACIONES DE BESSEL
Figura Nº 1.16
Relaciones de Bessel
Fuente: (Jose Ma De Juana -2003-45).
Sea el triangulo esférico ABC sobre una superficie esférica de centro “O”
y radio R. de la simple observación de la Figura N°1.16 se ve que se
verifican las relaciones:
(2.4)
(2.5)
(2.6)
Con todos estos datos la ecuación (2.4) se escribe:
(2.7)
De donde proyectamos la ecuación (2.7) sobre el eje OY, para lo
cual se tiene que multiplicar escalarmente por , resultando:
(2.8)
Y las analogías
(2.9)
para encontrar el ángulo cenital se tiene hacer:
En la ecuación (2.8) Donde tenemos:
(2.10)
El cual nos da el ángulo cenital del sol, “Z”, o su altura,” ”, en función
de la declinación, la altitud del lugar y el ángulo horario.
Para encontrar el acimut se tiene que hacer: Proyectar la expresión
(2.7) sobre el eje OZ, para lo cual la multiplicaremos escalarmente por
, resultando
(2.11)
“o”
(2.12)
Donde:
Con estos datos se tiene:
(2.13)
(Jose Ma De Juana -2003-45).
2.32 HORAS DE SALIDA Y PUESTA DEL SOL.
DURACIÓN DEL DIA.
La intersección del paralelo celeste que pasa por el sol con el
plano del horizonte nos da las posiciones de salida y puesta del sol para el
lugar considerado. Las horas de salida y puesta del sol se obtienen
haciendo en la ecuación del ángulo cenital del sol.
(2.14)
De donde:
Entonces
De ahí obtenemos la hora de salida del sol:
(2.15)
Y la hora del ocaso o puesta del sol será:
(2.16)
Expresando estas ecuaciones en horas es denotado de la
siguiente manera. (2.17)
También se puede obtener la duración total del día multiplicando
por dos la ecuación anterior.
(2.18)
Si el valor de entonces esto quiere decir que
el sol se ve un instante al medio día.
Si el valor de entonces en este caso el sol
solo se ve en un instante a la media noche.
Si el valor de para este caso no hay solución para
y el sol no sale el cual indica que hay noche permanente.
Si el valor de para este caso no hay solución
para pero el sol indica día permanente. (Jose Mª De Juana -2003-39).
METODOLOGÍA
3.1 DESARROLLO METODOLÓGICO
3.1.1 Lugar de estudio
Para el análisis del sistema informático en la presente
investigación se realizara en la Isla de Taquile, que tiene las siguientes
características; se encuentra a 35 km al este de la ciudad capital del
departamento de Puno, está ubicada entre las penínsulas de Capachica y
Chuchito, su extensión es de 6 km2, su longitud máxima es 5,5 km y su
ancho es 1,5 km, la altitud entre el puerto y el pueblo varía ligeramente de
3 810 m.s.n.m. y a 3 950 m.s.n.m. respectivamente, la temperatura
máxima es de 19ºC (66,2ºF) y la mínima de 3ºC (37,4ºF) es frío y seco,
con una estación lluviosa de cuatro meses de duración, es la isla más
grande del lago Titicaca.
3.1.2 Unidad de análisis
La unidad básica de información son las viviendas que cuentan
instalaciones fotovoltaicas con una determinada potencia de salida
(Watts) en la Isla Taquile.
3.1.3 Técnicas de recopilación de datos
La Entrevista: Se realizara entrevistas estructuradas a las familias que
viven en la Isla de Taquile, los cuales son los encargados y usuarios
directos de las instalaciones fotovoltaicas.
Comprobación de la potencia de salida: se realizara mediciones
iniciales de la potencia de salida de los paneles solares recientemente
instaladas, así mismo se verifico la potencia de salida con la orientación
de paneles solares rectificada y obtenidos mediante el sistema
informático.
3.1.4 Operacionalización de variables
VARIABLE DIMENSIÓN INDICADOR ÍNDICEINDEPENDIENTE
PANEL SOLAR
Generación de EnergíaMonitoreo de Panel.
Localización Declinación. Brillo solar.
Latitud. Longitud.Día anualAngulo horario.
INTERVINIENTE
Sistema Informático
Conocimiento del uso.
Orientación adecuada del Panel
Adecuado e inadecuado
PRUEBA DE VALIDACIÓNDEPENDIENTE
Potencia de salidaEnergía solar Potencia generada Adecuado e
inadecuado
VII) RECURSOS
En la Universidad Nacional del Altiplano - Puno existen profesionales en el área de
física, con especialidades en energías renovables y además existe una escuela
profesional de Cs. Físico Matemáticas con especialidad de Física, quienes
participaran como apoyo en temas no conocidos en este trabajo de investigación de
igual modo contribuirá a su formación profesional.
RECURSOS
1. MATERIALES DE ESCRITORIO
Papel bond tipo A 4x4
Una computadora
Bibliografía disponible
Juego de reglas
2. MATERIAL DE LABORATORIO
Resistencias
Cables de conexión.
Tablero de prueba
3. INSTRUMENTOS
Voltímetro
Celdas fotovoltaicas
Amperímetro
4. PRESUPUESTO
a) Recursos humanos
Investigación S/.
1000.00
Procesamiento de datos
400.00
b) Material y equipo de laboratorio
equipos de laboratorio S/. 500.00
material de escritorio
400.00
impresiones
200.00
c) Servicios
Viático y gastos de movilidad S/.
1000.00
Servicio de laboratorio
500.00
I. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOSTO
BIBLIOGRAFIA X X
DISEÑO DE SISTEMA
INFORMATICO X
ADQUISICIONES X
TOMA DE DATOS X
ANALISIS DE DATOS X X
EVAL. Y
RESULTADOS X
PRESENTACIÓN X
BIBLIOGRAFIAY OTRAS FUENTES DE INFORMACION
ENERGIA SOLAR I , por Aníbal Valera P.
CONVERTIDORES DIRECTOS DE ENERGIA, por Robert Bonnefille y Jack
Robert.
ARQUITECTURA BIO CLIMATICA, por Arq. Josué Llanque Chana.
ATLAS DE ENERGIS SOLAR DEL PERÚ, por el SENAIM.
http://es.wikipedia.org/wiki/panel_solar .
http://ciencia.nasa.gov/headlines/y2002/solarcells_spanishA.htm
ALUMBRAMIENTO DE NOCHE CON LUZ SOLAR, por Manfred Horn.
ELECTRIFICACION RURAL, Rafael Espinoza Paredes.
