Resumen_Toro

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FACULTAD DE INGENIERÍA 
Ingeniería Industrial y Comercial 
 
PROYECTO DE GESTIÓN PARA LA 
IMPLEMENTACIÓN DE CELDAS FOTOVOLTAICAS 
Y GENERACIÓN ELÉCTRICA LIMPIA APLICADA A 
COLEGIOS EDUCATIVOS ESTATALES 
 
Tesis para optar el Título Profesional de Licenciado en 
Ingeniería Industrial y Comercial 
 
ROBERTO WILLIAM TORO PEREZ 
 
Asesor: 
Warren Reátegui Romero 
 
Lima – Perú 
2015 
ii 
 
 
 
 
 
 
 
A mi familia, 
por su apoyo y motivación, 
 constante e incondicional. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
iii 
 
Síntesis de la Tesis 
La presente investigación se centra en el estudio del uso de la energía solar 
fotovoltaica conectada a red en el cual intervienen cuatro elementos indispensables: los 
paneles fotovoltaicos, el inversor, la tecnología LED y la red eléctrica. Su estudio y 
dimensionamiento ubicado en los colegios emblemáticos de Lima Metropolitana, son un 
punto de partida para demostrar la viabilidad financiera a mediano plazo, y sus ventajas 
ecológicas respecto al uso de la energía convencional. 
La degradación constante del medio ambiente a causa del uso de fuentes fósiles, 
han impulsado la búsqueda de nuevas alternativas de generación eléctrica limpia en 
donde la energía solar ha proliferado en la última década en los países desarrollados. 
La implementación de las energías renovables permite abordar problemáticas del 
mercado eléctrico peruano en donde la incertidumbre en la planificación a largo plazo es 
un aliciente para incrementar el mix energético, descongestionar las redes eléctricas y 
masificar esta tecnología obteniendo calidad medioambiental y eficiencia energética. 
La presente investigación se ha dividido en ocho capítulos en donde la 
investigación cualitativa y las proyecciones a partir de la simulación en el Colegio Mariano 
Melgar, ha permitido comprobar la viabilidad del proyecto y encontrar eficiencias 
energéticas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
iv 
 
ABSTRACT 
 
This research is focused on the study of the use of a photovoltaic solar energy 
connected to a network which involved 4 key elements: photovoltaic panels, inverter, led 
technology and the electric network. The study and research carried out in the emblematic 
national schools in Lima provided the perfect scenario to test and prove a mid-term 
financial viability and its ecological advantages over the use of conventional energy. 
The constant degradation of the environment due to the use of fossil sources has 
prompted the search of new alternatives to generate clean energy where solar energy has 
been the main source, especially in industrialized countries. 
The implementation of renewable energy allows tackling the problems in the 
peruvian electric market where the uncertainty in long term planning is an incentive to 
increase the energy mix, relieve the electric networks and spread this technology 
obtaining environmental quality and energy efficiency. 
The current research has been divided in eight chapters where the qualitative 
research and projections based on the simulation in Mariano Melgar School has proven 
both, the viability of the project, and the existence of energy efficiency. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
v 
 
Índice de contenidos 
C 
Índice de contenidos ................................................................................................................. v 
Índice de Tablas ..................................................................................................................... viii 
Índice de Figuras ...................................................................................................................... ix 
Capítulo I. Introducción .............................................................................................................1 
1.1 Problema de Investigación ............................................................................................ 3 
1.1.1 Planteamiento del problema...................................................................................... 3 
1.1.2 Formulación del Problema. ........................................................................................ 5 
1.1.3 Justificación de la investigación. ............................................................................... 5 
1.2 Objetivo e Hipótesis........................................................................................................ 6 
1.2.1 Objetivos de la Investigación. ................................................................................... 6 
1.2.2 Hipótesis de la Investigación. .................................................................................... 7 
1.3 Impacto Potencial. .......................................................................................................... 7 
Capítulo II. Fundamentación Teórica ......................................................................................9 
2.1 Antecedentes .................................................................................................................. 9 
2.2 Marco Teórico ............................................................................................................... 11 
2.2.1 La generación eléctrica y sus fuentes. ................................................................... 11 
2.2.2 Cambio Climático. ..................................................................................................... 43 
2.2.3 Iluminación Física. .................................................................................................... 45 
Capítulo III: Energía Solar Fotovoltaica ................................................................................49 
3.1 Conceptos climáticos ................................................................................................... 49 
3.2 Principios fotovoltaicos................................................................................................. 50 
3.3 Componentes del Sistema PV conectado a red ....................................................... 52 
3.3.1 Las células solares. .................................................................................................. 52 
3.3.2 Panel Solar Fotovoltaico. ......................................................................................... 55 
3.3.3 Caracterización de un módulo fotovoltaico. .......................................................... 56 
3.3.4 Acumuladores: Tipos de baterías. .......................................................................... 58 
3.3.5 El inversor. ................................................................................................................. 60 
3.3.6 El Sistema Eléctrico.................................................................................................. 62 
3.4 Configuración y cálculo de Instalaciones Solares Fotovoltaicas (ISF) .................. 63 
3.4.1 Radiación solar en una ISF. .................................................................................... 63 
3.4.2 Producción en una ISF. ........................................................................................... 67 
vi 
 
3.5 Diseño e Instalación de las instalaciones solares fotovoltaicas ............................. 73 
3.6 Mantenimiento de la ISF .............................................................................................. 76 
Capítulo IV: El Mercado Eléctrico..........................................................................................77 
4.1 El mercado eléctrico mundial ...................................................................................... 77 
4.2 El mercado de las Energías Renovables .................................................................. 81 
4.3 El mercado de la energía solar fotovoltaica .............................................................. 82 
4.4 El mercado eléctrico en el Perú ..................................................................................84 
4.4.1 Estructura actual del mercado eléctrico peruano. ................................................ 84 
4.4.2 Problemática del mercado eléctrico peruano. ..................................................... 86 
4.5 Análisis de Precios en el sector .................................................................................. 92 
4.6 El nuevo mercado energético ..................................................................................... 94 
Capítulo V. Ingeniería del proyecto .......................................................................................96 
5.1 Memoria descriptiva ..................................................................................................... 96 
5.2 Impacto Ambiental ........................................................................................................ 97 
5.3 Análisis Financiero ....................................................................................................... 99 
Capítulo VI. Metodología ......................................................................................................105 
6.1 Tipo y diseño de investigación .................................................................................. 105 
6.2 Participantes (Población y muestra) ........................................................................ 105 
6.3 Instrumentos de investigación .................................................................................. 107 
6.4 Variables ...................................................................................................................... 109 
6.5 Procedimiento ............................................................................................................. 110 
Capítulo VII. Resultados .......................................................................................................113 
7.1 Generación eléctrica a partir de la energía solar fotovoltaica. ............................. 113 
7.2 Reducción de impactos ambientales de la energía eléctrica convencional. ...... 114 
7.3 Viabilidad y ventaja económica de la ISF. ............................................................... 116 
7.4 Discusión de resultados ............................................................................................. 117 
Capítulo VIII. Conclusiones y Recomendaciones .............................................................118 
8.1 Conclusiones ............................................................................................................... 118 
8.2 Recomendaciones ...................................................................................................... 118 
Referencias Bibliográficas ....................................................................................................119 
Anexos ....................................................................................................................................124 
Anexo 1. Matriz de consistencia ........................................................................................... 124 
Anexo 2. Procesos para la fabricación de celdas PV ........................................................ 125 
vii 
 
Anexo 3. Tabla del cableado en el Colegio Mariano Melgar ............................................ 126 
Anexo 4. Tabla de tramos del Colegio Mariano Melgar .................................................... 127 
Anexo 5. Instrumentos para el mantenimiento de la ISF .................................................. 128 
Anexo 6. Tabla comparativa de impacto ambiental ........................................................... 129 
Anexo 7. Matriz de proveedores........................................................................................... 130 
Anexo 8. Seleccionador de cables INDECO ...................................................................... 131 
Anexo 9. Tratamiento arancelario para elementos PV..................................................... 132 
Anexo 10. Comparación económica entre la energía convencional y la PV .................. 133 
Anexo 11: Estudio Fotométrico............................................................................................. 134 
Anexo 12. Colegios Emblemáticos en Lima Metropolitana .............................................. 135 
Anexo 13. Plano del colegio Mariano Melgar ..................................................................... 136 
Anexo 14. Panel solar seleccionado .................................................................................... 137 
Anexo 15. Especificación técnica de luminarias LED ........................................................ 139 
Anexo 16. Inversor seleccionado para la ISF ..................................................................... 140 
Anexo 17. Acumulador seleccionado para la ISF .............................................................. 142 
Anexo 18. Mantenimiento mensual de la ISF ..................................................................... 144 
Anexo 19. Descripción del pozo a tierra .............................................................................. 145 
Anexo 20. Descripción del pozo a tierra .............................................................................. 147 
 
 
 
 
viii 
 
Índice de Tablas 
Tabla 1. Categorías de las energías primarias de generación eléctrica ............................... 13 
Tabla 2. Almacenamiento del CO2 en océanos........................................................................ 23 
Tabla 3. Almacenamiento de CO2 subterráneo ........................................................................ 24 
Tabla 4. Isótopos radiactivos nocivos ........................................................................................ 24 
Tabla 5. Recursos estimados de producción eléctrica por energía oceánica mundial ....... 34 
Tabla 6. Estándares recomendados de niveles de luz ............................................................ 47 
Tabla 7. Tipos y características de luminarias para interiores ............................................... 47 
Tabla 8. Ventajas y desventajas de la tecnología LED ........................................................... 48 
Tabla 9. Bandas energéticas ...................................................................................................... 51 
Tabla 10. Tipos de silicio en celdas fotovoltaicas .................................................................... 54 
Tabla 11. Características de los principales tipos de baterías ............................................... 59 
Tabla 12. Baterías utilizadas en instalaciones solares ............................................................ 60 
Tabla 13. Conexiones y cableados de las corrientes .............................................................. 61 
Tabla 14. Promedio de irradiación mensual en Lima (kWh/m2) ............................................. 63 
Tabla 15. Tabla de resultados previos a la obtención de radiación con el tercer método . 66 
Tabla 16. Radiación solar basada en el tercer método ........................................................... 66 
Tabla 17. Resumen de métodos para obtener la radiación solar .......................................... 67 
Tabla 18. Categorías de los colegios emblemáticos según su tamaño y su demanda ...... 68 
Tabla 19. Comparativo entre tecnologías aplicadas sobre la potencia objetivo día ........... 68 
Tabla 20. Estimación de paneles solares requeridos por los sistemas ................................ 68 
Tabla 21. Inversor ABB TRIO-27.6 – TL – OUTD .................................................................... 69 
Tabla 22. Interacción energética entre el generador y el inversor......................................... 70 
Tabla 23. Caídas de tensión máximas ...................................................................................... 72 
Tabla 24 Cableado para el sistema PV..................................................................................... 72 
Tabla 25. Condiciones para un buen mantenimiento de la ISF ............................................. 76 
Tabla 26. Proyección zonal de la potencia del SEIN (2014-2018) ........................................ 91 
Tabla 27. Sistemas tarifarios de normativas de impulso......................................................... 94 
Tabla 28. Emsiones anual de gases efecto invernadero ........................................................ 97 
Tabla 29. Costos evitados de la generación fotovoltaica ........................................................ 98 
Tabla 30 Partidas del sistema electrico convencional ............................................................. 99 
Tabla 31 Partidas de la ISF ......................................................................................................... 99 
Tabla 32. Partidas de la inversion en la ISF en el Colegio Mariano Melgar ....................... 100 
Tabla 33 Características del muestreo .................................................................................... 106 
Tabla 34 Tabla de variables de la ISF ..................................................................................... 110 
Tabla 35 Matriz descriptiva de los colegios emblematicos ................................................... 111 
Tabla 36 Tabla de potencias en colegios emblematicos en Lima ....................................... 114 
Tabla 37 Costos anuales evitados en los colegios emblemáticos ....................................... 115 
 
 
 
ix 
 
Índice de Figuras 
Figura 1. PBI y Producción de Electricidad................................................................................. 4 
Figura 2. Potencia Efectiva y Máxima Demanda (MW)............................................................. 5 
Figura 3. Procesos y tiempos de envejecimiento del crudo ..................................................... 5 
Figura 4. Procesos y tiempos de envejecimiento del crudo ................................................... 15 
Figura 5. Mayores traslados de petróleo en 2012 (millones de toneladas) .......................... 18 
Figura 6. Cantidad de derrame de crudo. Periodo 1970 - 2013............................................. 18 
Figura 7. Causas de derrames de petróleo mundial (1970 - 2013) ....................................... 19 
Figura 8. Origen del Gas Natural ............................................................................................... 20 
Figura 9. Clasificación del carbón .............................................................................................. 21 
Figura 10. Diseños de energía solar térmica ............................................................................ 28 
Figura 11. Evolución de diferentes mercados fotovoltaicos ................................................... 29 
Figura 12. Esquema de un sistema solar fotovoltaico ............................................................. 31 
Figura 13. Distribución de los vientos a escala planetaria ...................................................... 32 
Figura 14. Tipos de aerogeneradores ....................................................................................... 32 
Figura 15. Top 10 de energía eólica acumulada hasta el 2012 ............................................. 33 
Figura 16. Esquematización del ciclo hidrológico y sus aplicaciones ................................... 36 
Figura 17. Generación de la biomasa........................................................................................ 38 
Figura 18. Biomasa en el mundo ............................................................................................... 39 
Figura 19. Áreas de alto potencial geotérmico ......................................................................... 40 
Figura 20. Diagrama de generación eléctrica ........................................................................... 42 
Figura 21. Iluminación de interiores ........................................................................................... 45 
Figura 22. Comparativo entre emisiones de luz ....................................................................... 48 
Figura 23. Tipos de radiación ..................................................................................................... 49 
Figura 24. Mapa estimativo de la radiación solar en el mundo .............................................. 50 
Figura 25. Esquema del efecto fotovoltaico .............................................................................. 52 
Figura 26. Obtención del triclorato ultrapuro ............................................................................ 53 
Figura 27. Capas del módulo fotovoltaico y la celda solar ..................................................... 55 
Figura 28. Vista de corte transversal de un módulo fotovoltaico ........................................... 56 
Figura 29. Curva IV ...................................................................................................................... 57 
Figura 30. Curva IV por tipo de conexiones ............................................................................. 58 
Figura 31. Promedio de radiación Wh/m2, ubicación y orientación de paneles. .................. 64 
Figura 32. Radiación Global estimada Wh/m2 .......................................................................... 65 
Figura 33. Arreglo fotovoltaico flujo energético ........................................................................ 70 
Figura 34. Esquema del sistema fotovoltaico ........................................................................... 73 
Figura 35. Diagrama unifilar del sistema fotovoltaico .............................................................. 73 
Figura 36. Distancias en el montaje de los módulos fotovoltaicos ........................................ 74 
Figura 37. Conexión del arreglo fotovoltaico en la ISF ........................................................... 75 
Figura 38. Evolución de la generación eléctrica....................................................................... 78 
Figura 39. Proyección de las fuentes de generación eléctrica (2010-2035) ........................ 79 
Figura 40. Participación de las fuentes de generación eléctrica 2011 .................................. 79 
Figura 41. Consumo mundial de electricidad por región (TWh)............................................. 80 
Figura 42. Variación del consumo mundial de energía eléctrica, 1990-2010 ...................... 80 
Figura 43. Mix energético por región (2009) ............................................................................. 80 
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Figura 44. Participación de la energía renovable mundial, 2013 ........................................... 81 
Figura 45. Adiciones netas de capacidad renovable de América Latina y el Caribe .......... 82 
Figura 46. Capacidad Global de la energía fotovoltaica, 2004-2013 .................................... 82 
Figura 47. Potencial de generación eléctrica renovable en América Latina ........................ 83 
Figura 48. Ciclo de vida de la energía solar fotovoltaica ........................................................ 83 
Figura 49. Producción de energía eléctrica por tipo de generación ...................................... 85 
Figura 50. Escenario base de la proyección 2013-2018 del SEIN ........................................ 89 
Figura 51. Margen de reserva, potencia efectiva y máxima demanda (%, MW, 
respectivamente) .......................................................................................................................... 89 
Figura 52. Distribución geográfica de la potencia del SEIN ................................................... 90Figura 53. Proyección de la generación eléctrica en Perú ..................................................... 91 
Figura 54. Tarifas de electricidad comercial en Latinoamérica (2014) ................................. 92 
Figura 55. Precios de la energía comercial en América Latina .............................................. 93 
Figura 56. Proyección comparativa entre el precio comercial y el sistema PV en Perú..... 93 
Figura 57. Simulación del sistema fotovoltaico en el colegio Mariano Melgar ..................... 97 
Figura 58. Evaluación ambiental basada en ecopuntos ......................................................... 98 
Figura 59. Flujo anual y ahorro comparativo entre el sistema tradicional y la ISF ............ 102 
Figura 60. Análisis de sensibilidad Fuente: Elaboración propia, 2014 ................................ 103 
Figura 61 Toneladas anuales evitadas por una ISF según su fuente ................................. 115 
Figura 62. Resumen de la inversión inicial en el Colegio Mariano Melgar. ........................ 116