UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTN ESCUELA PROFESIONAL DE

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN ESCUELA PROFESIONAL DE FÍSICA ASOCIACIÓN PERUANA DE ENERGÍA SOLAR Y DEL AMBIENTE (APES) XXII SIMPOSIO PERUANO DE ENERGIA SOLAR IMPACTO SOCIO ECONOMICO DE LA EXTRACCION DE AGUA CON ENERGÍA SOLAR DENTRO DEL MARCO DE LA EFICIENCIA ENERGETICA Y SU SOSTENIBILIDAD EN EL ALTIPLANO PUNEÑO ING. REYNALDO CONDORI YUCRA SOCIO APES-ISES Arequipa, Noviembre - 2015

1. Introducción y la energía solar disponible 2. Hidráulica del sistema de bombeo 3. Calculo del arreglo FV del sistema de bombeo 4. Análisis de resultados Conclusiones y Recomendaciones

1, 0, DETERMINACION DE LA IRRADIACIÓN SOLAR SOBRE UNA SUPERFICIE INCLINADA La variación de la irradiación solar sobre una superficie inclinada, precisa de algunos parámetros tales como: 1. 2. 3. 4. Insolación (número de horas de brillo solar) Latitud (Ø) del lugar de estudio Ángulo de inclinación del colector (β) Los coeficientes empíricos a y b. Según el SENAMHI (2003), en la tabla N° 01, se muestra los coeficientes empíricos a y b según el modelo Angstrom – Prescott. 4

DETERMINACION DE LA IRRADIACIÓN SOLAR SOBRE UNA SUPERFICIE INCLINADA Para determinar el sistema más adecuado para la utilización de la energía solar es preciso conocer el numero de horas de brillo solar. Tabla 01: Resumen de datos registrados (1977 -1981) Fuente: Diseño y Construcción De Un Modulo para un Colector Plano Tipo CPC : Tesis 2005 Reynaldo C. Yucra Y Teddy Flores Meléndez, EPIME-UNAP 5

Mapa de irradiación solar promedio al año k. Wh/m 2/día PUNO 6

COEFICIENTES EMPÍRICOS a Y b SEGÚN EL MODELO ANGSTROM – PRESCOTT Tabla 02: Parámetros a y b de la estación meteorológica Puno Fuente: SENAMHI-Perú. (http: //www. senamhi. gob. pe/pdf/atlas_solar. pdf) 7

ENERGIA SOLAR DISPONIBLE El modelo de Angstrom - Prescott, se utiliza con mayor frecuencia con el objetivo de determinar la irradiación solar relativa (H/Ho), basada en las horas de sol (n/N). Se calcula según la ecuación (1), expresada de la siguiente manera: ……………(1) Los resultados son presentados en la Tabla 3, La variación del ángulo β permite evaluar la captación de la energía solar sobre un plano inclinado. Según los datos de la Tabla 02, y considerando a los meses mayo, junio, julio, agosto y setiembre como los de mayor periodo de frio. Por consiguiente, el mejor aprovechamiento de la radiación solar sobre el plano inclinado de el colector es para el ángulo β= [20° - 25º] 8

ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN DE UN ARREGLO FOTOVOLTAICO S N

TABLA N° 03 Fuente: Aporte propio 10

ENERGIA SOLAR DISPONIBLE en la fig. 01, se muestra el comportamiento de las curvas de la radiación solar sobre un plano inclinado para ángulos de inclinación diferentes. En este gráfico se puede ver que para las los ángulos β de 15, 83, 20 y 25°, respectivamente, de la energía solar es cercano a 6 k. Wh /m 2/mes, en el invierno no bajan de 5, 5 k. Wh. /m 2/mes 11

2, 0, HIDRAULICA DEL SISTEMA DE BOMBEO - El tamaño del sistema esta en relación directa con CDT o ADT. - El ciclo hidráulico: Producto del Vol. diário m 3 y ADT y se expresa en m 3. m, Viable cuando ≤ 1 500 -2000 m 4 PROCEDIMIENTO PARA LA CARACTERIZACIÓN DEL SISTEMA BOMBEO FV 1. Análisis de la demanda de la energética. 2. Deducción del tamaño y configuración del sistema de generación FV y del sistema de adaptación eléctrica. 3. Determinación de las características del sistema de almacenamiento

Ubicación Nacional y Regional del lugar de aplicación de la energía solar FV.

Vista Satelital - Península de Capachica - Puno - Perú

PROCEDIMIENTO PARA LA CARACTERIZACIÓN DEL SISTEMA BOMBEO FV Nivel estático del agua (D) Altura de la descarga () Altura de succión (F) Requerimiento diário Longitud total (A) Irradiación solar diária h. MB : 72 m : 4 m : 6 m : 12520 Lt/día : 487, 75 m : 5, 6 k. Wh/m 2. dia : 42% La bomba seleccionada se conecta a una tubería de 3’’ Φ. Se seleccionara material PVC por ser económico y durable. Se debe encontrar la CDT La carga estática se calcula con la adición de las distancias. CE = Nivel estático + altura de la descarga CE= 72+4 = 76, 0 m La CD se puede obtener: 2% de L = 9, 75 m entonces: CDT= CE+CD = 85. 75 m

Tecnología mas apropriada de acuerdo al volumen diário y ADT-CDT Fig. 04: Selección de Tecnología de bombeo de acuerdo al ciclo hidráulico

Niveles de Selección del tipo de bomba de diferentes alturas y velocidades de flujo Fig. 05: Niveles de selección del tipo de bomba de diferentes alturas y velocidades de flujo

Potencia hidráulica teórica diaria necesaria de la bomba. Donde: PH ρH 2 O Q H : : Potencia hidráulica de la bomba en [KW] Densidad del agua en [Kg/m 3] Caudal en volumen en [m 3/seg. ] Presión indicada en términos de altura (altura dinámica total) en [m. ] Energía hidráulica diaria necesaria de la bomba. Donde: EH Qd HTE ηM K : : : Energía hidráulica necesaria diario en [KWH/día] Caudal requerido de bombeo en [m 3/seg. ] Carga dinámica total o altura dinámica total en [m. ] Rendimiento del conjunto motor-bomba en [%] Constante de conversión [2, 725]

Calculo del consumo anual: Donde: QP Dot. : : Consumo promedio anual de agua en [Lt/seg. ] Dotación de agua en [Lt. /Hab. /día] Consumo máximo diario: Donde: Qmd : QP : Consumo máximo anual de agua en [Lt/seg. ] Consumo promedio anual de agua en [Lt/seg. ] Tiempo de llenado del reservorio: Donde: t VRes QP : Tiempo de llenado del reservorio en [Hr. ] : Volumen del reservorio de agua en [m 3] : Consumo promedio anual de agua en [m 3]

Calculo de potencia de la electrobomba: Donde: Pb γ Q η : : Potencia de la bomba en [HP. ] Peso específico del agua en [Kgf/m 3] Caudal de impulsión de agua en [m 3/seg. ] Rendimiento o eficiencia de la bomba en [%] Potencia pico de generación: Donde: PP EH ηM GCEM Fm δ Tc TCEM Gdm : Potencia Pico necesaria de generación en [W. ] : Energía hidráulica necesaria diario en [KWH/día] : Rendimiento del conjunto motor-bomba en [%] : Radiación solar media diaria (constante solar) en [W/m 2] : Factor de acoplo medio [0, 9] : Coeficiente de variación de la potencia con la temperatura en [1/°C] : Temperatura media diaria de los módulos durante las horas de sol en [°C] : Temperatura en condiciones estándares de prueba CEM en [°C] : Radiación solar media diaria en un mes dado (mes más desfavorable)[KWH/m 2

Resultados preliminares de la línea de impulsión obtenidos Tabla 04: Resultados de cálculo de la línea de impulsión Ubicación del lugar del estudio A. - Población actual ( Po ) C. - Periodo de Diseño ( T ) 1540 Hab. 2, 505% 20 Años D. - Población Futura ( P F ) 2312 Hab. B. - Tasa de Crecimiento ( r ) Pf = Po [ 1 + R x T/100] E. - Dotación (Dot. ) 100 Lt/Hab. /día F. - Consumo Promedio Anual (Qp) Qp = Pf x Dot/86400 G. - Consumo Máximo Diario (Q Md) H. - Volumen del Reservorio V = 0, 25 x QP x 86400/1000 Volumen De Reserva Volumen del Reservorio Final: Desnivel del terreno Longitud Caudal de impulsión Qmd Altura del reservorio Profundidad del pozo 2675 Lt. /Seg. 3, 478 Lt. /seg. 57, 79 m 3 28. 89 m 3 90 m 3 72. 0 m. 487. 45 m. 3, 478 lt. /seg 4 m. 6 m.

CALCULO DE LA POTENCIA DE LA ELECTROBOMBA EN HP: Tabla 05: Resultados de la pérdida de carga total o altura dinámica total

Calculo de las perdidas, flujo volumétrico y diámetro comercial óptimo Parámetro a calcular [hf] Perdida de Carga en m:

PARAMETRO A CALCULAR Q CAUDAL EN (lps) y VELOCIDAD EN (m/s):

CALCULO DEL SISTEMA DE TUBERIA EN SERIE DOS DIAMETROS:

Calculo y dimensionamiento del sistema de bombeo FV Tabla 06: Datos de partida para el cálculo del sistema de bombeo FV. Densidad del agua (kg/m 3) Aceleración de la gravedad (m/seg 2) Caudal (m 3/seg. ) Altura de bombeo (m. ) Volumen del reservorio (m 3) Tiempo de llenado (h) 1000 9. 81 Kg/m 3 m/seg 2 0. 00455 16. 4 90 90 5. 49 m 3/seg. m 3/h. m. m 3 Hrs.

Calculo y dimensionamiento del sistema de generación fotovoltaico Tabla 07: Datos de partida para el cálculo del sistema de generación FV. Densidad del agua (kg/m 3) 1000 Kg/m 3 Aceleración de la gravedad (m/seg 2) 9. 81 m/seg 2 Caudal (m 3/seg. ) 0. 00455 m 3/seg. Caudal (m 3/seg. ) 16. 4 m 3/h. Altura de bombeo (m. ) 90 m. Volumen del reservorio (m 3) 90 m 3 Tiempo de llenado (h) 5. 49 Hrs. Tabla 08: Calculo de la Potencia y energía hidráulica diaria necesaria Ph Ph Eh Eh 79461000 4022 79461 4 22. 07 N-m. W. KJ. KWH.

Estimación del Agua Extraída en (m 3) Fig. 06: Estimación del agua extraida

Calculo y dimensionamiento del sistema de generación fotovoltaico Tabla 09: Datos de Salida para el cálculo de la potencia pico de generación Energía hidráulica necesaria Eh Rendimiento del grupo motor bomba Radiación solar media diaria CEM Factor de acoplo medio (Fm) Coeficiente de variación de la potencia con la temperatura Temperatura media diaria de los módulos durante las horas de sol Temperatura en condiciones estándares de prueba CEM Radiación solar media diaria en un mes dado(mes más desfavorable) Potencia pico necesaria Tabla 10: Especificaciones técnicas del panel FV seleccionado Potencia pico (Wp) Tensión a circuito abierto (Voc) Corriente de cortocircuito (Acc) Tensión de máxima Potencia (Vmp) Intensidad de máxima potencia (Amp) Temperatura de trabajo 240 WP 59, 5 V. 5, 2 A 48, 9 V. 4, 91 A. -40°C a +90°C 22. 073 Wh/día 0, 42 1000 0. 9 0. 004 40 25 5. 9 11 390 11, 40 W/m 2 1/°C °C °C KWH/m 2 W. KW.

Tabla 11: Arreglo de Paneles FV Serie-Paralelo N° paneles serie N° paneles paralelo 13 4 N° Paneles Total 52 12. 48 KW Generador fotovoltaico Controlador hibrido modelo CBS 11001 DE 11000[KW], con una potencia mínima de generación de los paneles FV de 12750[KW] y un intervalo de tensión en continua Vcd de entrada de 560 -800 Vcc. Análisis del cálculo de ahorro, dentro de la concepción de eficiencia energética Eligiendo una tarifa en BT 5 B una energía Población: 600 Usuarios HDT Ef. Bomba Ef. Motor Q V Potencia 90 80 85 0. 00456 90 10 m. % % m 3/seg. m 3 HP Si el caudal es de 0. 00456 m 3/seg. , y las bombas trabajan 330 minutos por día y 365 días al año, el volumen bombeado será de: 330 min. , 165 hr. /mes y 1980 hr. /año

Resultando: Ahorro anual: Si el Kwh mensual es: 0. 4389 s/. /kwh/mes una energía activa. S Ahorro anual, $US H Potencia del motor [HP] L N Factor de carga del motor (decimales) Tarifa de la energía eléctrica [S/. /KWH] Horas de operación anual [Hr. ] Eb Eficiencia de motor estándar [%] C 10 0. 8 0. 438 9 1980 80 S=102, 361. 64 $US S=281, 494. 52 S/.

Curva del fabricante: Fig. 07: Diagrama de Altura manométrica versus el potencia

Fig. 08: Diagrama de Altura manométrica versus el caudal

CONCLUSIONES 1. El desarrollo del aprovechamiento de la energía solar para la extracción de agua potable será de gran ayuda para las zonas de población que no cuentan con el servicio de AP. 2. El impacto social que tendrían estos proyectos de aprovechamiento de la energía solar para la extracción de agua potable es muy favorable, beneficiándose el medio ambiente y la sociedad en general 3. Reducir costos de operación y mtto. 4. Incrementar la productividad, La eficiencia energética se traduce en menores emisiones contaminantes al ambiente.

RECOMENDACIONES 1. Lograr la ecoeficiencia: Lograr la eficiencia económica a través de la eficiencia ecológica. 2. Uso eficiente del agua y Uso eficiente de la energía. 3. Por que la energía tiene un costo y un impacto ambiental en menor medida (renovable) 4. Responsabilidad social: salud ocupacional + seguridad industrial + relaciones con la comunidad 5. Promover el uso de energías renovables como complemento de las energías utilizadas actualmente, para disminuir así los daños producidos al medio ambiente

PANEL FOTOGRÁFICO Fotografía 01: Reconocimiento de Campo para el levantamiento topográfico Fotografía 02: Se los domicilios de los beneficiarios

PANEL FOTOGRÁFICO Fotografía 03: Ubicación de la captación pozo existentes que se Usaran de captaciones del nuevo sistema Fotografía 04: Se muestra las vías de acceso

Fotografía 06: Vista panorámica de las casas hospedaje en forma circular (Putucus) de adobe con techo de paja en la isla Tikonata

GRACIAS