Estimación y propuesta de aprovechamiento del

potencial energético no convencional, de origen eólico y

solar, para la generación de energía eléctrica en el altiplano peruano

Mario Alejandro Ramos Herrera

ESTIMACIÓN Y PROPUESTA

DE APROVECHAMIENTO DEL

POTENCIAL ENERGÉTICO NO

CONVENCIONAL, DE ORIGEN

EÓLICO Y SOLAR, PARA LA GENERACIÓN

DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN EL ALTIPLANO PERUANO

Primera edición

Enero, 2012

Lima - Perú

© Mario Alejandro Ramos Herrera

PROYECTO LIBRO DIGITAL

PLD 0447

Editor: Víctor López Guzmán

http://www.guzlop-editoras.com/guzlopster@gmail.com guzlopnano@gmail.com facebook.com/guzlopstertwitter.com/guzlopster428 4071 - 999 921 348Lima - Perú

PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)

El proyecto libro digital propone que los apuntes de clases, las tesis y los avances en investigación (papers) de las profesoras y profesores de las universidades peruanas sean convertidos en libro digital y difundidos por internet en forma gratuita a través de nuestra página web. Los recursos económicos disponibles para este proyecto provienen de las utilidades nuestras por los trabajos de edición y publicación a terceros, por lo tanto, son limitados.

Un libro digital, también conocido como e-book, eBook, ecolibro o libro electrónico, es una versión electrónica de la digitalización y diagramación de un libro que originariamente es editado para ser impreso en papel y que puede encontrarse en internet o en CD-ROM. Por, lo tanto, no reemplaza al libro impreso.

Entre las ventajas del libro digital se tienen:• su accesibilidad (se puede leer en cualquier parte que tenga electricidad),• su difusión globalizada (mediante internet nos da una gran independencia geográfica),• su incorporación a la carrera tecnológica y la posibilidad de disminuir la brecha digital (inseparable de la competición por la influencia cultural),• su aprovechamiento a los cambios de hábitos de los estudiantes asociados al internet y a las redes sociales (siendo la oportunidad de difundir, de una forma diferente, el conocimiento),• su realización permitirá disminuir o anular la percepción de nuestras élites políticas frente a la supuesta incompetencia de nuestras profesoras y profesores de producir libros, ponencias y trabajos de investiga-ción de alta calidad en los contenidos, y, que su existencia no está circunscrita solo a las letras.

Algunos objetivos que esperamos alcanzar:• Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital.• Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta.• Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías.• El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente.• E l pe r sona l docente jugará un r o l de tu to r, f ac i l i t ador y conductor de p r oyec tos

de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electró-nicas recomendadas.• Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso.

En el aspecto legal:• Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita.• Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital.

Lima - Perú, enero del 2011

“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor

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“ESTIMACIÓN Y PROPUESTA DE APROVECHAMIENTO DEL POTENCIAL ENERGÉTICO NO CONVENCIONAL, DE ORIGEN

EÓLICO Y SOLAR, PARA LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN EL ALTIPLANO PERUANO”

AUTOR: MARIO ALEJANDRO RAMOS HERRERA Ingeniero Mecánico, Magíster en Ciencias Técnicas

mario_ramos_herrera@hotmail.com; marioramosherrera@gmail.com

UNIVERSIDAD ANDINA “NÉSTOR CÁCERES VELÁSQUEZ” - JULIACA

I. RESUMEN

El tema propuesto en el presente trabajo de investigación ha tenido la finalidad realizar un estudio de factibilidad del uso de las energías renovables mediante el cálculo probabilístico del potencial energético de las mismas aplicando modelamientos matemáticos y el análisis de ingeniería. Las energías renovables con las que se ha trabajado son la eólica y la solar. Estas energías tienen un potencial energético estimado muy alto y por ese motivo se ha considerado su uso para la transformación de las mismas en energía eléctrica. El lugar donde se aplicará el estudio y análisis es la provincia de San Román, incluyendo diferentes distritos de gran población como Juliaca que cuenta con más de doscientos cincuenta mil habitantes se ha realizado este trabajo en el lapso de diez meses, con una cantidad de mediciones establecidas en el patrón de estudio. Se inició en el mes de diciembre del año 2009 y finalizó en el mes de agosto del 2010. Las mediciones se realizaron durante nueve meses y los meses restantes se emplearon para los análisis comparativos y el procesamiento matemático. Las hipótesis que se plantearon despejar están referidas a determinar la eficiencia energética de las energías renovables mediante el modelamiento en software; así también realizar el estudio y análisis respectivo de la eficiencia energética y finalmente plantear la aplicabilidad de las energías renovables en la región Puno. Se ha trazado como objetivos: a) determinar y analizar la eficiencia energética, b) la factibilidad de la aplicación de las energías renovables y c) orientar la investigación hacia la utilización generalizada de las energías renovables en todo el altiplano. Como métodos emplearemos el análisis, la estadística y el trabajo de variables por cada objetivo. Los resultados deberán indicarnos que sí es factible la utilización de

las energías renovables y la cantidad de energía eléctrica que se podrá producir a partir de estos tipos de energías como una alternativa a los altos costos de la energía hidráulica (así como el peligro de su desaparición) y lo contaminante que resulta la utilización de los combustibles fósiles. Con la correcta implementación de este trabajo de investigación obtendremos datos precisos y correctos que nos conduzcan a la veracidad de la utilización de las energías renovables de tipo solar y eólica.

Palabras Claves Potencial energético, conversión de la energía, energías renovables, eficiencia energética, Matlab.

II. INTRODUCCIÓN En nuestro planeta las energías limpias como la eólica y la solar no tienen la debida acogida por diversos motivos: políticos, económicos, sociales. Las grandes empresas acostumbradas a producir y transformar la energía a partir de combustibles fósiles (petróleo crudo y gas natural) se verían amenazadas si es que se descubre que la alternativa más viable y correcta de producir energía eléctrica, es a partir de los recursos renovables; los cuales, vale decir, son prácticamente inagotables. Para producir energía eléctrica también se utilizan las grandes centrales hidroeléctricas cuyas instalaciones son titánicas y los costos de construcción se pagan en una veintena de años y en ocasiones más. La necesidad de grandes caídas de agua proveniente de ríos caudalosos (para las centrales hidroeléctricas de tipo Pelton) o la inundación de grandes áreas de terreno calculadas en miles, y a veces millones, de hectáreas (para centrales hidroeléctricas de tipo Francis) ponen en peligro la estabilidad ecológica de nuestro mundo. A parte del problema del deshielo y pérdida de los

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glaciales de donde proviene toda el agua que se utiliza para el funcionamiento de las centrales hidroeléctricas. En síntesis: sin agua no funcionarían ninguna de estas centrales hidroeléctricas. De ahí que surge el presente tema de investigación como una alternativa frente al deterioro y contaminación del medio ambiente por fuentes de energía no renovable (petróleo y gas) y el peligro que significa confiar en un tipo de energía que puede colapsar en cualquier momento por culpa del déficit de agua (energía hidráulica). En este trabajo de investigación nos hemos planteado una serie de objetivos, los cuales llegaremos a concretizar en el transcurso de la investigación y al final de la tesis probaremos que el potencial energético de las energías renovables de tipo solar y eólica, es alto y factible de utilizar para la transformación de las mismas en energía eléctrica. Es cierto que han existido intentos muy importantes, para aprovechar la radiación solar y la velocidad del viento, a cargo de investigadores de prestigio que no han tenido el éxito esperado. Por lo que esta investigación es un paso trascendental pues se impulsará la gestión con los gobiernos regionales y central para incluir a las energías renovables en los planes estratégicos de desarrollo con visión a utilizar en forma exclusiva, las energías renovables. Este objetivo no se logrará en el corto plazo pero con el sustento adecuado que no permita objeción lograremos plasmarlo en un mediano o largo plazo. Presento pues, un trabajo de gran importancia y trascendencia pues abarca desde los aspectos mínimos de cuidado del medio ambiente hasta los complejos cálculos y modelamiento matemáticos para demostrar la veracidad del mismo.

III. ANÁLISIS DE LA SITUACIÓN PROBLEMÁTICA Existen varias situaciones problemáticas que han motivado la elección del tema:

- Desconocimiento y desaprovechamiento del potencial energético no convencional, de origen eólico y solar, en la región altiplánica del Perú.

- La cultura energética está basada exclusivamente en la utilización de la electricidad proveniente del sistema interconectado nacional de averiarse

ésta no existe manera alguna de producir energía en forma alternativa para reemplazar la escases de energía eléctrica.

- Inexistencia de planes regionales y nacionales para la utilización de las energías renovables como alternativa para producir energía eléctrica.

- Aprovechamiento en forma exclusiva de las energías convencionales como fuentes de energía eléctrica.

- Matriz energética peruana basada en energías fósiles (petróleo y gas).

DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN El problema lo podemos describir desde el punto de vista de los hechos, generalizaciones empíricas, datos e información estadística recopilada para este fin. A continuación describo el problema enfocándolo desde esos puntos de vista: GENERALIZACIONES EMPÍRICAS: Implementación de paneles solares en

las islas de los Uros en el Lago Titicaca debido al alto costo que significaría el tendido de cables de media tensión para electrificar esas zonas.

Implementación de molinos de viento en forma empírica en zonas rurales con la intención de producir energía eléctrica. Debido a la frecuencia muy variable del viento en la zona dichos molinos se han destruido desestimándose el uso de la energía eólica. La causa es que no se utilizó la tecnología adecuada para la construcción de los mismos.

Creencia popular de que los paneles solares solamente sirven para estaciones de telefonía pues solamente estas empresas cuentan con recursos económicos suficientes para solventar los elevados gastos de esas instalaciones.

INFORMACIÓN ESTADÍSTICA: La estación meteorológica del

SENAMHI comunica constantemente de las cantidades de radiación solar, velocidad del viento, dirección del viento, lluvias, etc., que permiten tener una gran cantidad de información para la construcción de una base de datos histórica que nos permita determinar el potencial energético de las energías

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no convencionales en esta región del altiplano.

Lamentablemente nadie ha tomado en serio las energías renovables pues aún no se ha hecho ni el más mínimo esfuerzo de medir científicamente la radiación solar o la velocidad del viento con instrumentos de alta precisión.

PRIMER OBJETIVO GENERAL Estimar y cuantificar el potencial energético mensual y anual, no convencional, de origen eólico y solar, en la región altiplánica del Perú.

SEGUNDO OBJETIVO GENERAL Elaborar una propuesta técnica para aprovechar y transformar, en forma eficiente y creciente, el potencial energético no convencional, de origen eólico y solar en energía eléctrica, en la región altiplánica de nuestro país. La investigación planteada tiene una importancia trascendental pues hasta la fecha no se han realizado estudios o análisis de este tipo. Existen datos de diferentes instituciones nacionales e internacionales que determinan la velocidad del viento o la radiación solar o la actividad volcánica pero no se ha procesado estos datos en un programa de análisis matemático como el Matlab para determinar la factibilidad del uso de estos tipos de energías renovables por lo que el trabajo de investigación se justifica plenamente pues proporcionará importantes datos estadísticos y reales de la aplicabilidad de las energías renovables a las regiones altoandinas. Así también presentará una alternativa de uso de energía no proveniente de la hidráulica que en estos días resulta excesivamente cara (0,43 soles por kWh) y con el riesgo de que en un futuro cercano exista escases del líquido elemento por culpa del deshielo de los nevados andinos. En el aspecto económico se beneficiaría, principalmente, a las zonas rurales donde no llega la energía eléctrica producida, principalmente, por las centrales hidráulicas. RELEVANCIA CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA Relevancia científica.- el estudio tiene una importante injerencia científica pues se determinará un parámetro que no ha sido estudiado anteriormente: el potencial energético de las energías renovables de

tipo solar y eólica. Por otro lado los datos recopilados servirán como base para poder desarrollar un moderno modelo matemático en el cual se puedan modificar, corregir, aumentar, disminuir y desechar mediciones de tal manera que obtengamos el mínimo de potencial energético necesario para proponer a las energías renovables de tipos solar y eólica como la alternativa más viable de utilizar para la generación de energía eléctrica. Relevancia tecnológica.- el estudio tiene una importante injerencia tecnológica pues se implementará una base de datos y un modelamiento matemático en software que permitirá manipular datos de tal manera que se pueda proyectar el potencial energético a mediano y largo plazo. Así también se construirán modelos y casos aproximados de producción de energía eléctrica para posteriores investigaciones en este campo. RELEVANCIA JURÍDICA Se plantea un tema que no ha sido motivo de discusión en el Congreso de la República y que no tiene ni el más mínimo interés por parte del gobierno. El tema no es interés del Estado pues hasta el momento no existe legislación en energías renovables. Solamente un artículo de la constitución indica que todos los recursos existentes en el territorio peruano pertenecen al Estado. Por lo que el tema pone en el tapete una futura legislación en energías renovables, su uso, tecnología a usarse, concesiones, explotación a gran escala, producción de equipos e instalaciones, etc. RELEVANCIA ECONÓMICA Económicamente tiene dos aspectos que podemos destacar. En primer lugar podemos decir que con la ejecución de sistemas energéticos de tipo solar y eólico la producción nacional orientará su mirada en cambiar el rubro económico a producir equipos y accesorios para estos sistemas ampliando el mercado laboral con la implementación de puestos de trabajo (empleo y subempleo). En segundo lugar se propicia la apertura de la importación de paneles solares y aerogeneradores los cuales podrán ser copiados y mejorados por los técnicos e ingenieros peruanos con criterios innovadores, adecuando las nuevas instalaciones a los requerimientos de las zonas de instalación de estos equipos. Todo este trabajo se podrá dar en un marco de ampliación del uso de las energías renovables a todo el país y el extranjero.

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VIGENCIA O MODA DEL TEMA PROPUESTO DE INVESTIGACIÓN Las energías renovables constituyen un tema bastante nuevo. Los primeros indicios de utilización de las energías renovables datan de hace miles de años con el uso del viento para mover máquinas y barcos, luego con la revolución industrial se pasó a utilizar combustibles provenientes del carbón y de los hidrocarburos altamente contaminantes. A partir de las crisis del petróleo se ha venido proponiendo nuevas fuentes energéticas como las renovables. Por lo que el tema tendrá vigencia por lo menos en los próximos 100 años pues quizás para ese entonces, y si el hombre no ha acabado con el mundo, se podrá hablar de energías renovables como fuente principal de generación de energía eléctrica. Cabe señalar que la solamente la radiación solar que recibe la Tierra supone de 15 a 20 veces la energía total contenida en todas las reservas de combustibles fósiles del mundo. Un aprovechamiento del 0,005% de la radiación anual bastaría para proporcionar toda la energía que consume el hombre.

PRODUCTOS ESPERADOS DE LA INVESTIGACIÓN Y UTILIDAD DE LOS MISMOS Los principales productos que esperamos obtener de la investigación son los siguientes: - Base de datos real de la radiación

solar anual y las velocidades del viento en el altiplano puneño. Esta base de datos nos permitirá implementar una data histórica que nos de la seguridad de proponer estas energías renovables como fuente de producción de energía eléctrica.

- Modelamiento matemático casuístico en software de ingeniería que nos permitirá manipular los datos de ingreso para poder obtener los parámetros óptimos de determinación del potencial energético real de las energías renovables y proponerlas como la mejor alternativa de generación de energía eléctrica.

- La conclusión final de la factibilidad del uso de las energías renovables como fuente de generación de energía eléctrica debido a su alto potencial energético.

RELACIÓN BENEFICIO/COSTO DE LA INVESTIGACIÓN La relación beneficio/costo se puede proyectar de la siguiente manera: Los costos proyectados para el

presente trabajo de investigación ascienden a: S/. 4970.00 nuevos soles.

Los beneficios económicos a corto plazo están enmarcados en la difusión y venta de la base de datos para posteriores investigaciones y la prestación de servicios de consultoría con la metodología empleada utilizando software de ingeniería. Estos servicios en una rápida proyección utilizando las fórmulas cotidianas del VANE y TIRE nos permitirán tener un cálculo aproximado de beneficio costo de la siguiente manera:

n

tn

tt Ii

EYVAN

0

01

(Fórmula 01)

Donde: Yt = Ingresos de caja en el período t Et = Egresos de caja en el período t I0 = Inversión inicial i = Tasa de intereses n = Número de períodos (años)

n

tn

tt Ir

EYVANE

0

0 01

Así también la relación beneficio costo es conocida como coeficiente beneficio/costo, es aquel cociente que resulta de dividir la sumatoria de los beneficios actualizados entre la sumatoria de los costos actualizado, que son generados durante el período de operatividad sometido a análisis económico. El cálculo de este coeficiente se realiza a base del flujo de beneficios y costos de proyecto durante el planteamiento. Este indicador económico, nos permite conocer el factor o coeficiente económico que proviene del análisis “beneficio/costo”, como tal, expresa el cociente que proviene de dividir la utilidad del proyecto entre los costos totales involucrados. La representación matemática del coeficiente B/C es el siguiente:

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n

tt

t

n

tt

t

i

C

i

B

CB

0

0

1

1/ …… (Fórm. 02)

Aplicando probabilística y aproximando los valores a la realidad obtenemos que la relación B/C es la siguiente:

52.1/ CB Esta cantidad debe ser redimensionada pues no se tienen datos finales de la investigación por lo que en el borrador de tesis estaremos en la capacidad de calcular la cifra exacta.

FACTIBILIDAD O VIABILIDAD DEL ESTUDIO De acuerdo al postulado anterior la relación beneficio costo es marcadamente superior a 1 siendo suficiente 1,1 para que un proyecto sea viable por lo que deducimos que el proyecto es muy viable y, sobre todo, rentable de poner en aplicación.

Fig. No. 1 Panel solar para una central fotovoltaica

Aprovechamiento de la energía solar.- La Tierra recibe 174 petavatios de radiación solar entrante (insolación) desde la capa más alta de la atmósfera. Aproximadamente el 30% es reflejada de vuelta al espacio mientras que el resto es absorbida por las nubes, los océanos y las masas terrestres. El espectro electromagnético de la luz solar en la superficie terrestre está ocupado principalmente por luz visible y rangos de infrarrojos con una pequeña parte de radiación ultravioleta. La radiación absorbida por los océanos, las nubes y las masas de tierra incrementan la temperatura de éstas. El aire calentado contiene agua evaporada que asciende de los océanos, y también en parte de los

continentes, causando circulación atmosférica o convección. Cuando el aire asciende a las capas altas, donde la temperatura es baja, va disminuyendo su temperatura hasta que el vapor de agua se condensa formando nubes. El calor latente de la condensación del agua amplifica la convección, produciendo fenómenos como el viento, borrascas y anticiclones. La energía solar absorbida por los océanos y masas terrestres mantiene la superficie a 14 °C. Para la fotosíntesis de las plantas verdes la energía solar se convierte en energía química, que produce alimento, madera y biomasa, de la cual derivan también los combustibles fósiles. Se estima que la energía total que absorben la atmósfera, los océanos y los continentes puede ser de 3.850.000 exajulios por año. En 2002, esta energía en un segundo equivalía al consumo global mundial de energía durante un año. La fotosíntesis captura aproximadamente 3.000 EJ por año en biomasa, lo que representa solo el 0,08% de la energía recibida por la Tierra. La cantidad de energía solar recibida anual es tan vasta que equivale aproximadamente al doble de toda la energía producida jamás por otras fuentes de energía no renovable como son el petróleo, el carbón, el uranio y el gas natural.

Fig.2. Radiación solar y su absorción por la tierra y los océanos.

Según un estudio publicado en 2007 por el World Energy Council, para el año 2050 el 70% de la energía consumida será de origen solar. Según informes de Greenpeace, la fotovoltaica podrá suministrar electricidad a dos tercios de la población mundial en 2030. BASES TÉCNICAS Hemos considerado en la parte tecnológica:

- La estructuración del modelo matemático probabilístico

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- La metodología de la toma de datos - La data histórica de la radiación solar y

la velocidad del viento en el altiplano peruano.

Fig. No.3.- Central Solar en el campo para producir

grandes cantidades de energía eléctrica UNIDADES DE ANÁLISIS: Región altiplánica del Perú; Energías no convencionales; Energía Eólica; Energía Solar; Aprovechamiento de las energías no convencionales; Radiación Solar; Velocidades del Viento; Potencial Energético Eólico; Potencial Energético Solar; Tecnologías de transformación energética; Equipos, dispositivos e instalaciones tecnológicas. UNIDADES DE OBSERVACIÓN: Terreno de pruebas, ubicación de instrumentos de medición, localización de zonas óptimas para la instalación de los equipos. TIPO DE INVESTIGACIÓN: Aplicada, Cuantitativa, No experimental y Prospectiva. NIVEL DE INVESTIGACIÓN: Investigación Tecnológica. Investigación Prescriptiva de naturaleza Tecnológica. DISEÑO ESPECÍFICO: Hay que mostrar el esquema metodológico que se aplica a una investigación tecnológica, la cual, en términos generales, comprende las siguientes etapas: Evaluación de la situación y problemática actual, Diseño de la propuesta técnica, y evaluación de la propuesta técnica. VARIABLES DEPENDIENTES Potencia eléctrica Eficiencia energética

VARIABLES INDEPENDIENTES Radiación solar Velocidad del viento

VARIABLE INTERVINIENTE Software de modelamiento

matemático DEFINICIÓN CONCEPTUAL DE LAS VARIABLES DE ESTUDIO Potencia eléctrica.- La potencia eléctrica se define como la cantidad de energía

eléctrica o trabajo, que se transporta o que se consume en una determinada unidad de tiempo. Si la tensión se mantiene constante, la potencia es directamente proporcional a la corriente (intensidad). Ésta aumenta si la corriente aumenta.

Potencia en corriente continua.- Cuando se trata de corriente continua (CC) la potencia eléctrica desarrollada en un cierto instante por un dispositivo de dos terminales, es el producto de la diferencia de potencial entre dichos terminales y la intensidad de corriente que pasa a través del dispositivo. Esto es:

…..………fórmula 03

Donde I es el valor instantáneo de la corriente y V es el valor instantáneo del voltaje. Si I se expresa en amperios y V en voltios, P estará expresada en watts (vatios). Igual definición se aplica cuando se consideran valores promedio para I, V y P. Cuando el dispositivo es una resistencia de valor R o se puede calcular la resistencia equivalente del dispositivo, la potencia también puede calcularse como

…..fórmula 04

Potencia en corriente alterna.- Cuando se trata de corriente alterna (AC) sinusoidal, el promedio de potencia eléctrica desarrollada por un dispositivo de dos terminales es una función de los valores eficaces o valores cuadráticos medios, de la diferencia de potencial entre los terminales y de la intensidad de corriente que pasa a través del dispositivo. En el caso de un circuito de carácter inductivo (caso más común) al que

se aplica una tensión sinusoidal con velocidad angular y valor de pico resulta:

Esto provocará una corriente retrasada un ángulo respecto de la tensión aplicada:

La potencia instantánea vendrá dada como el producto de las expresiones anteriores:

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Mediante trigonometría, la anterior expresión puede transformarse en la siguiente:

Y sustituyendo los valores de pico por los eficaces:

……… ………………05

Se obtiene así para la potencia un valor

constante, y otro variable con

el tiempo . Al primer valor se le denomina potencia activa y al segundo potencia fluctuante.

Potencia fluctuante.- Al ser la potencia fluctuante de forma senoidal, su valor medio será cero. Para entender mejor qué es la potencia fluctuante, imaginemos un circuito que sólo tuviera una potencia de este tipo. Ello sólo es posible si rad (Cos (±90º)=0), quedando:

…form. 06

caso que corresponde a un circuito inductivo puro o capacitivo puro. Por lo tanto la potencia fluctuante es debida a un solenoide o a un condensador. Tales elementos no consumen energía sino que la almacenan en forma de campo magnético y campo eléctrico. Esta fórmula nos ha servido mucho para plantear los parámetros de cálculo y los factores de simulación en Matlab. Eficiencia energética.- es la relación entre la cantidad de energía consumida y los productos y servicios finales obtenidos. Se puede mejorar mediante la implantación de diversas medidas e inversiones a nivel tecnológico, de gestión y de hábitos de consumo en la sociedad. ESCALAS DE MEDICIÓN DE LAS VARIABLES DE ESTUDIO Potencia eléctrica [kW]; [MW]; [GW] Eficiencia energética Sin unidad Radiación solar kWh.m2

Velocidad del viento km/h Software de modelamiento matemático

sin unidad Donde: kW; MW; GW.- kilo, mega y giga watt respectivamente kWh.m2.- kilovatio hora por metro cuadrado (de acuerdo a la inclinación del panel solar) Km/h.- kilómetro por hora

RESULTADOS ETAPAS Y FASES DEL TRABAJO DE INVESTIGACIÓN El trabajo de investigación está dividido en las siguientes etapas: 1) Etapa de recolección de datos en las

zonas designadas con una duración de 7 meses aproximadamente.

2) Etapa de tratamiento de los datos recopilados y acomodo para el trabajo estadístico y matemático.

3) Etapa de construcción de la base de datos para la elaboración de matrices y modelo matemático.

4) Etapa de sistematización de la base de datos en función de las variables en el software de ingeniería Matlab.

Fig.No.4.- Zonas en donde se realizarán las etapas de medición TIPO Y NIVEL DE LA ÚLTIMA ETAPA DE INVESTIGACIÓN El tipo de investigación de la última etapa es cuantitativa y operativa. El nivel es no experimental (no alteramos el medio del que hemos obtenido los datos). También podríamos decir que de acuerdo al tratamiento de las variables la investigación es Descriptiva Correlacional pero en el caso específico trabajaremos los datos en función de las variables para determinar el potencial energético que se tiene en el altiplano peruano.

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POBLACIÓN Y MUESTRA DE ESTUDIO TIPO DE MUESTREO - Muestreo Sistemático NIVEL DE CONFIANZA Y ERROR DE MUESTREO El porcentaje de confianza establecido para la recolección de datos o muestreo es del 95% con un error admisible de 5%. TAMAÑO TOTAL DE LA MUESTRA Y DE CADA UNO DE SUS ESTRATOS Debido a que se tiene que determinar valores relativos de fenómenos y no de personas el tamaño total de la muestra es el total de mediciones que se tomarán en el lapso de 7 meses. Al final el criterio y el procedimiento matemático nos darán los resultados deseados. ESTRATEGIAS PARA OBTENER Y TRABAJAR CON LA MUESTRA La principal estrategia para obtener la muestra es la recolección de datos. Se realizará un trabajo de gabinete con ayuda de programas de ingeniería. DISEÑO ESPECÍFICO E INTEGRAL DE TODA LA INVESTIGACIÓN ENFOQUE TEMPORAL DEL ESTUDIO: ESTUDIO RETROSPECTIVO O PROSPECTIVO El estudio es prospectivo debido a que no existen antecedentes a la presente investigación para tener una visión retrospectiva de los hechos. Es decir, no tenemos referencias a nivel científico de estudios para proponer la instalación de grandes centrales eléctricas que funcionen a partir de las energías renovables solar y eólica mediante la determinación del potencial energético de las mismas. MANIPULACIÓN DE VARIABLES: EXPERIMENTAL O NO EXPERIMENTAL La manipulación de variables se realizará de forma experimental mediante trabajo de gabinete con ayuda de programas de ingeniería. Debemos señalar que la recolección de datos se realizó en forma no experimental. NÚMERO DE GRUPOS DE ESTUDIO Existen dos grupos de estudio: El grupo de estudio para la

determinación del potencial energético de las energías renovables de tipo solar, y

El grupo de estudio para la determinación del potencial energético de las energías renovables de tipo eólico.

La combinación de ambos nos dará como resultado el potencial energético total solar y eólico de las regiones del altiplano peruano.

ESPECIFICACIÓN DE LAS VARIABLES OBSERVADAS Y MEDIDAS Las variables que serán observadas y medidas son dos: Radiación solar Velocidad del viento ESQUEMA SIMBÓLICO DEL DISEÑO ESPECÍFICO

TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE COLECTA DE LOS DATOS EMPÍRICOS La técnica es: medición de parámetros in situ y su ingreso a una base de datos prefabricada. Los instrumentos a utilizar: - Anemómetro - Luxómetros digital - Radiómetro - Otros que se dispongan

Cabe señalar que el costo de estos equipos es muy elevado por lo que se los alquila y la toma de datos se realiza en determinadas horas del día según se indica en los cuadros de anexos. RAZONES ESPECÍFICAS DEL PARA QUÉ SE COLECTARÁ CADA TIPO DE INFORMACIÓN

MANIPULACIÓN DE DATOS Y DISEÑO DE CURVAS DE POT.

ENERGÉTICO

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Con los datos recolectados de la radiación así como la velocidad del viento podremos trabajar en la determinación del potencial energético del las energías solar y eólica proyectada para todo el año de tal manera que podamos tener una visión integral de la factibilidad del uso de éstas energías. Se construirán diagramas y curvas estadísticas con los datos obtenidos y se descartarán las pérdidas en días de poco viento, lluviosos o nublados. BREVE INDICACIÓN DEL TRATAMIENTO QUE SE APLICÓ A CADA TIPO DE INFORMACIÓN La información se procesó en hojas de cálculo (Excel) luego fueron ingresadas en las matrices para el modelamiento matemático y finalmente en forma de variables se trabajaron en el software de ingeniería que permita determinar el potencial energético de las energías renovables planteadas. INDICADORES DE LAS VARIABLES QUE SERÁN OBSERVADOS Y MEDIDOS Para la radiación solar: kWh.m2 es el parámetro que deberemos medir. En algunas ocasiones deberemos calcular pero en el caso específico el instrumento da la unidad del indicador. Para la velocidad del viento: Km/h es el parámetro que deberemos medir. Se da mediante el instrumento. TÉCNICAS ARITMÉTICAS SIMPLES Tratamiento estadístico con la

herramienta ANDEVA Modelamiento matricial simple con

ayuda de software de ingeniería. TÉCNICAS ESTADÍSTICAS DESCRIPTIVAS Realizaremos un estudio calculando una serie de medidas de tendencia central, para ver en qué medida los datos se agrupan o dispersan en torno a un valor central que para nuestro caso es el potencial energético de las energías renovables. TÉCNICAS ESTADÍSTICAS INFERENCIALES Mediremos en términos probabilísticos, es decir, toda inferencia se acompañará de su probabilidad de acierto y para ello la estadística inferencial nos ayudará mediante la teoría de muestras. RESULTADOS:

- Uno de los resultados más evidentes e importantes es el ahorro que se generaría con este tipo de energía. La inversión es marcadamente ínfima comparada con la inversión que se tendría que hacer con la instalación de centrales eléctricas convencionales.

- La inversión la detallamos a continuación:

COSTOS DE UN GENERADOR EÓLICO (por kilowatt producido) Aproximadamente: $. 10000 Instalación: $. 380.00 Transporte y mano de obra $. 500.00 Pruebas y puesta a punto $ 140.00 Limpieza y acondicionamiento del terreno:

$ 300.00 Imprevistos y otros: $ 100.00 COSTOS DE UN PANEL FOTOVOLTAICO (por watt producido) Aproximadamente: $. 24,80 Instalación: $. 60.00 Transporte y mano de obra: $. 20.00 Pruebas y puesta a punto: $ 70.00 Limpieza y acondicionamiento del terreno:

$ 180.00 Imprevistos y otros: $ 100.00 COSTOS DE ACUMULADORES Y REGULADORES DE VOLTAJE (por kilowatt producido) Aproximadamente: $. 100.00 Instalación: $. 120.00 Transporte y mano de obra: $. 250.00 Pruebas y puesta a punto: $ 50.00 Imprevistos y otros: $ 100.00 TOTAL Central Eólica: 1 aerogenerador: $. 20 556.00 100 aerogeneradores: $. 2 055 600.00 Central Fotovoltaica: 1 panel: $.1480.00 100 paneles: $.148 000.00 Instalación y Acondicionamiento: $. 1 500 000.00 Total general del costo de la central eólico solar (considerando imprevistos, depreciación y otros):

$ 5 035 600.00

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TEMAS DE DISCUSIÓN PRODUCTO DEL TRABAJO DE INVESTIGACIÓN: Es muy importante señalar que se tiene en tapete varios puntos importantes en discusión los cuales detallaremos a continuación: o La factibilidad de utilizar las energías

no convencionales dependerá de la actitud que tenga el Estado frente este tipo de energía.

o La matriz energética del Perú deberá cambiar haciendo énfasis en el uso de energías no convencionales en todo el territorio peruano.

o La inversión privada deberá manifestar interés en invertir en este tipo de energía y en la provisión de insumos y repuestos para los mismos.

o La inversión de los gobiernos locales y regionales debe estar de manifiesto en primera instancia pues de ello dependerá que se instalen las centrales de tipo no convencional en el territorio nacional y, sobre todo, del altiplano peruano.

o Apertura de nuevas líneas de producción de energía no convencional y de grandes posibilidades de su uso a nivel doméstico local así como a gran escala.

o El interés por invertir en energías no convencionales deberá presentarse de manifiesto considerando los beneficios en su utilización.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES: Tiempo de vida 20 años, su

funcionamiento por las características de usar energía renovable, hace económicamente viable como alternativa.

En operación, el sistema Dual solar eólica no influye en la emanación de gases de invernaderos, alternativamente es una buena idea para su adaptación.

La forma de generación es alternativa o simultaneo garantizando la demanda proyectada.

La facilidad en implementar hace posible como generación de energía local sin costos pos – instalación.

Desde el punto de vista ecológico ambiental, no tiene incidencias puesto que se requiere y produce energía limpia inagotable y renovable.

Este sistema de generación Dual eólico – solar es de fácil operación y mantenimiento sin requerir de personal experto en la operación.

Finalmente el costo de generación de energía comparado con una central hidroeléctrica o incluso térmica de la misma capacidad de generación de energía nos da un resultado de: VANGHEFV < VANGE, lo que significa que la alternativa de generar energía eléctrica a gran escala a través de energías renovables es sumamente económica y viable.

Gracias a la investigación realizada se recomienda prestar mayor atención al uso racional de las energías renovables además de gestionar la propuesta del cambio de la matriz energética nacional orientada al uso de este tipo de energías.

Las investigaciones deberán profundizarse para calcular con exactitud el potencial energético de las energías renovables en el altiplano peruano.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS AVEN 2003, “Guía de Ahorro y Eficiencia Energética en los Municipios de la Comunidad Valenciana: Plan de Ahorro y Eficiencia Energética”. BLAS, FRANCISCO 2003, “Jornada Técnica sobre Eficiencia Energética en Instalaciones Municipales: Hacia un desarrollo sostenible”. CEI-IDAE, mayo 2002. “Propuesta de Modelo de Ordenanza Municipal de Alumbrado Exterior para la protección del Medio Ambiente mediante la Mejora de la Eficiencia Energética”, MATHWORKS INC, 2008 Manual de Matlab. SOTO, J. Y ÁVILA 1998 “La iluminación y el medio ambiente. Modelos de optimización y eficiencia energética”. XXIV Simposium Nacional de Alumbrado.

2

ANEXO No. 01 MEDICIONES REALIZADAS PARA DATOS DE VIENTO

Fig. No. 5.- Relación proporcional de las probabilidades de fuerza del viento y la velocidad según

Weibull y Rayleigh.

Fig. No. 6.- Frecuencia del viento en un promedio mensual

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

VELOCIDAD (m/s )

PR

OB

AB

ILID

AD

WEIBULL RAYLEIGH f/frac.

DISTRIBUCION DE FRECUENCIAS DE VIENTO PROMEDIO MENSUAL

0.50 0.09 68.00 34.00 2,305.04 0.50 0.09 0.0412 0.021.50 0.09 73.00 109.50 1,697.49 1.50 0.09 0.0788 0.062.50 0.06 46.00 115.00 672.01 2.50 0.06 0.0991 0.093.50 0.06 44.00 154.00 350.44 3.50 0.06 0.1080 0.114.50 0.07 55.00 247.50 182.62 4.50 0.07 0.1082 0.125.50 0.08 60.00 330.00 40.56 5.50 0.08 0.1024 0.126.50 0.11 89.00 578.50 2.81 6.50 0.11 0.0925 0.117.50 0.10 77.00 577.50 106.82 7.50 0.10 0.0805 0.108.50 0.10 78.00 663.00 369.95 8.50 0.10 0.0679 0.089.50 0.08 63.00 598.50 636.21 9.50 0.08 0.0555 0.06

10.50 0.06 43.00 451.50 750.54 10.50 0.06 0.0442 0.0511.50 0.04 28.00 322.00 750.68 11.50 0.04 0.0344 0.0312.50 0.01 9.00 112.50 343.49 12.50 0.01 0.0261 0.0213.50 0.03 21.00 283.50 1,081.95 13.50 0.03 0.0194 0.0114.50 0.02 14.00 203.00 936.28 14.50 0.02 0.0141 0.0115.50 0.01 7.00 108.50 589.63 15.50 0.01 0.0101 0.0116.50 0.00 0.00 0.00 0.00 16.50 0.00 0.0071 0.0017.50 0.00 1.00 17.50 124.94 17.50 0.00 0.0049 0.0018.50 0.00 0.00 0.00 0.00 18.50 0.00 0.0033 0.0019.50 0.00 0.00 0.00 0.00 19.50 0.00 0.0022 0.00

1.0 776.0 4906.0 10941.5 20.50 1.00 0.0014 0.00Velocidad nedia ( X ) 6.322 21.50 0.00 0.0009 0.00Desviacion estandar ( σ ) 3.755 22.50 0.00 0.0006 0.00Cociente ( σ/X ) 0.594 23.50 0.00 0.0004 0.00Factor de forma ( K ) 1.650 24.50 0.00 0.0002 0.00Factor de escala ( C ) 7.073 1.00 1.00 1.00

PARAMETROS PROMEDIO MENSUAL DE VIENTO REGISTRADOS Y CALCULADOS

V f fx fi(xi-x)^2f/frac. V f/frac. WEIBULL RAYLEIGH

3

ANEXO No. 02 MEDICIONES REALIZADAS PARA DATOS DE RADIACIÓN SOLAR

Fig. No. 7.- Radiación solar mensual medidas desde julio de 2009 hasta febrero de 2010

Fig. No. 8.- Radiación solar mensual promedio

Insolacion horaria promedio mensualNº Horas Jul-01 Ago-01 Sep-01 Oct-01 Nov-01 Dic-01 Ene-02 Feb-02 Promedio

W/m2diferencia de

horasdiferencia de

horas Wh/m2

1 06:30 100 100 100 120 150 93 85 106 107 00:30 0.5 53 2 07:00 100 100 150 150 250 158 115 168 149 00:30 0.5 74 3 07:30 250 100 200 180 260 233 148 214 198 00:30 0.5 99 4 08:00 280 100 350 200 300 329 233 329 265 00:30 0.5 133 5 08:30 250 90 450 220 450 373 341 465 330 00:30 0.5 165 6 09:00 200 100 550 350 500 431 463 598 399 00:30 0.5 199 7 09:30 320 100 680 600 650 463 571 684 508 00:30 0.5 254 8 10:00 400 100 780 700 700 489 636 743 568 00:30 0.5 284 9 10:30 540 650 820 900 850 594 620 754 716 00:30 0.5 358

10 11:00 760 850 900 910 900 629 711 781 805 00:30 0.5 403 11 11:30 950 900 950 920 950 698 778 819 870 00:30 0.5 435 12 12:00 1000 1000 1000 900 1000 725 764 881 909 00:30 0.5 454 13 12:30 1000 950 1000 1000 1000 824 825 735 917 00:30 0.5 458 14 13:00 1000 900 1000 1000 1000 856 888 708 919 00:30 0.5 459 15 13:30 980 850 850 1000 950 814 835 660 867 00:30 0.5 434 16 14:00 880 600 750 1000 800 769 810 656 783 00:30 0.5 392 17 14:30 700 700 580 950 740 670 730 675 718 00:30 0.5 359 18 15:00 670 750 400 950 700 609 661 678 677 00:30 0.5 339 19 15:30 450 700 370 800 420 575 551 636 563 00:30 0.5 281 20 16:00 350 620 350 700 600 551 469 583 528 00:30 0.5 264 21 16:30 300 500 310 560 550 444 354 413 429 00:30 0.5 214 22 17:00 250 350 210 450 450 376 288 319 337 00:30 0.5 168 23 17:30 200 180 180 200 150 241 191 191 192 00:30 0.5 96 24 18:00 100 100 150 100 180 149 110 133 128 00:30 0.5 64

6441 Insolacion promedio año (Wh/m2-dia)

ENERGIA IRRADIADA PROMEDIO MENSUAL

0 50

100 150 200 250 300 350 400 450 500

06:30

07:00

07:30

08:00

08:30

09:00

09:30

10:00

10:30

11:00

11:30

12:00

12:30

13:00

13:30

14:00

14:30

15:00

15:30

16:00

16:30

17:00

17:30

18:00

HORA

WH

/M2

6.44WH/m2-dia

4

Fig. No. 9.- Potencial energético de la radiación solar

POTENCIA DE IRRADIACION PROMEDIO MENSUAL

0

200

400

600

800

1000

1200

06:30

07:00

07:30

08:00

08:30

09:00

09:30

10:00

10:30

11:00

11:30

12:00

12:30

13:00

13:30

14:00

14:30

15:00

15:30

16:00

16:30

17:00

17:30

18:00

HORA

Wh

/m2

Jul-01

Ago-01

Sep-01

Oct-01

Nov-01

Dic-01

Ene-02

Feb-02