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2 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 U NIVERSIDAD N ACIONAL DE S AN A GUSTÍN E SCUELA P ROFESIONAL DE F ÍSICA Arequipa, Noviembre - 2015 XXII SIMPOSIO PERUANO DE ENERGIA SOLAR – SPES A SOCIACIÓN P ERUANA DE E NERGÍA S OLAR Y DEL A MBIENTE (APES) I NG. R EYNALDO C ONDORI Y UCRA S OCIO APES-ISES

3 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

4 4 La variación de la irradiación solar sobre una superficie inclinada, precisa de algunos parámetros tales como: 1.Insolación (número de horas de brillo solar) 2.Latitud (Ø) del lugar de estudio 3.Ángulo de inclinación del colector (β) 4.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. 1,0, DETERMINACION DE LA IRRADIACIÓN SOLAR SOBRE UNA SUPERFICIE INCLINADA

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

6 6 PUNO Mapa de irradiación solar promedio al año kWh/m 2 /día

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

8 8 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]

9 ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN DE UN ARREGLO FOTOVOLTAICO N S

10 10 TABLA N° 03 Fuente: Aporte propio

11 11 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 kWh /m 2 /mes, en el invierno no bajan de 5,5 kWh./m 2 /mes

12 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

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

14 Vista Satelital - Península de Capachica - Puno - Perú

15 PROCEDIMIENTO PARA LA CARACTERIZACIÓN DEL SISTEMA BOMBEO FV Nivel estático del agua(D): 72m Altura de la descarga (): 4m Altura de succión (F): 6m Requerimiento diário: 12520Lt/día Longitud total(A): 487,75m Irradiación solar diária: 5,6 kWh/m 2.dia  MB: 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 = 76,0m La CD se puede obtener: 2% de L = 9,75m entonces: CDT= CE+CD = 85.75m

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

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

18 Potencia hidráulica teórica diaria necesaria de la bomba. Donde:P H :Potencia hidráulica de la bomba en [KW] ρ H2O :Densidad del agua en [Kg/m 3 ] Q:Caudal en volumen en [m 3 /seg.] H:Presión indicada en términos de altura (altura dinámica total) en [m.] Energía hidráulica diaria necesaria de la bomba. Donde:E H :Energía hidráulica necesaria diario en [KWH/día] Q d :Caudal requerido de bombeo en [m 3 /seg.] H TE :Carga dinámica total o altura dinámica total en [m.] η M :Rendimiento del conjunto motor-bomba en [%] K:Constante de conversión [2,725]

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

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

21 Ubicación del lugar del estudio A.- Población actual ( Po ) 1540 Hab. B.- Tasa de Crecimiento ( r ) 2,505% C.- Periodo de Diseño ( T ) 20 Años D.- Población Futura ( P F ) 2312 Hab. P f = Po [ 1 + R x T/100] E.- Dotación (Dot.) 100Lt/Hab./día F.- Consumo Promedio Anual (Qp) Qp = P f x Dot/86400 2675 Lt./Seg. G.- Consumo Máximo Diario (Q Md) 3,478 Lt./seg. H.- Volumen del Reservorio V = 0,25 x QP x 86400/1000 Volumen De Reserva 57,79 m 3 28.89 m 3 Volumen del Reservorio Final: 90 m 3 Desnivel del terreno Longitud Caudal de impulsión Qmd 72.0 m. 487.45 m. 3,478 lt./seg Altura del reservorio Profundidad del pozo 4m. 6m. Resultados preliminares de la línea de impulsión obtenidos Tabla 04: Resultados de cálculo de la línea de impulsión

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

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

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

25 CALCULO DEL SISTEMA DE TUBERIA EN SERIE DOS DIAMETROS:

26 Calculo y dimensionamiento del sistema de bombeo FV Densidad del agua (kg/m3) 1000Kg/m 3 Aceleración de la gravedad (m/seg2) 9.81m/seg 2 Caudal (m 3 /seg.) 0.00455m 3 /seg. Caudal (m 3 /seg.) 16.4m 3 /h. Altura de bombeo (m.) 90m. Volumen del reservorio (m3) 90m3m3 Tiempo de llenado (h) 5.49Hrs. Tabla 06: Datos de partida para el cálculo del sistema de bombeo FV.

27 Calculo y dimensionamiento del sistema de generación fotovoltaico Densidad del agua (kg/m3)1000Kg/m 3 Aceleración de la gravedad (m/seg2)9.81m/seg 2 Caudal (m 3 /seg.) 0.00455m 3 /seg. Caudal (m 3 /seg.) 16.4m 3 /h. Altura de bombeo (m.) 90m. Volumen del reservorio (m3)90m3m3 Tiempo de llenado (h)5.49Hrs. Tabla 07: Datos de partida para el cálculo del sistema de generación FV. Tabla 08: Calculo de la Potencia y energía hidráulica diaria necesaria PhPh 79461000N-m. PhPh 4022W. PhPh 79461KJ. PhPh 4KW. EhEh 22.07KWH. EhEh 22.07KWH.

28 Estimación del Agua Extraída en (m3) Fig. 06: Estimación del agua extraida

29 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 22.073Wh/día 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. 0,42 1000 0.9 0.004 40 25 5.9 11 390 W/m 2 1/°C °C KWH/m 2 W. Potencia pico necesaria 11,40KW. Tabla 10: Especificaciones técnicas del panel FV seleccionado Potencia pico (Wp)240 WP Tensión a circuito abierto (Voc) Corriente de cortocircuito (Acc) 59,5 V. 5,2 A 48,9 V. 4,91 A. Tensión de máxima Potencia (Vmp) Intensidad de máxima potencia (Amp) Temperatura de trabajo-40°C a +90°C

30 Tabla 11: Arreglo de Paneles FV Serie-Paralelo N° paneles serie13 N° paneles paralelo4 N° Paneles Total52 Generador fotovoltaico 12.48 KW Análisis del cálculo de ahorro, dentro de la concepción de eficiencia energética Eligiendo una tarifa en BT5B una energía Población:600Usuarios HDT90m. Ef. Bomba80% Ef. Motor85% Q0.00456m 3 /seg. V90m3m3 Potencia10HP 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: 330min., 165hr. /mes y 1980hr. /año Controlador hibrido modelo CBS11001 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 560-800Vcc.

31 Costo por 1 hora 2.60 S/./usuario/Hr. Costo por 5 horas 14.32 S/./usuario/día Costo por mes 429.62 S/./usuario/ mes Costo por año 5,155.4 S/./usuario/año Costo por año 3’093,233.2S/./600 usuarios/año Ahorro anual: Si el Kwh mensual es: 0.4389s/./kwh/mes una energ í a activa. SAhorro anual, $US HPotencia del motor [HP]10 L Factor de carga del motor (decimales) 0.8 C Tarifa de la energía eléctrica [S/./KWH] 0.438 9 S=102,361.64$US NHoras de operación anual [Hr.]1980S=281,494.52S/. EbEb Eficiencia de motor estándar [%]80 EaEa Eficiencia de MAE [%]95 Resultando:

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

33 Fig. 08: Diagrama de Altura manométrica versus el caudal

34 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. CONCLUSIONES

35 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 RECOMENDACIONES

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

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

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

39 GRACIAS