Trabajo de Paneles solares del curso de transferencia de calor y masa.

1. UNIVERSIDAD NACIONAL SAN AGUSTÍN
DE AREQUIPA
FACULTAD DE INGENIERIA DE PRODUCCION Y SERVICIOS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA
TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA
“TRABAJO DE RESPONSABILIDAD SOCIAL”
“Instalación de energía fotovoltaica en La Manzana ‘G’ en la localidad de
Lara en el distrito de Socabaya”
NOMBRES:
• BOLIVAR SONCCO GERARDO
• CHAMBI QUISPE OSCAR EDWIN
• CONDORI ARAPA EVER JHON
• HUISACAYNA CACYA DIEGO FERNANDO
• MEZA BALDEÓN ROYER SHELLTON
AREQUIPA - PERÚ
2022A

2. 1. OBJETIVOS
1.1 Objetivo principal
Realizar un estudio sobre la viabilidad de una instalación fotovoltaica en la manzana
‘G’ en la localidad de Lara en el distrito de Socabaya.
1.2 Objetivos específicos
˗ Estudiar el contexto actual, y las opciones que en él se contemplan.
˗ Determinar las posibles limitaciones en instalaciones fotovoltaicas en una manzana.
˗ Determinar la opción más viable económicamente.
2. ASPECTOS GENERALES
2.1 Marco Teórico
2.1.1 Paneles Solares
Definición
Un panel solar es un dispositivo que aprovecha la energía del sol para generar calor o
electricidad. Según estos dos fines podemos distinguir entre colectores solares, que
producen agua caliente (generalmente de uso doméstico) utilizando la energía solar térmica,
y paneles fotovoltaicos, que generan electricidad a partir de la radiación solar que incide
sobre las células fotovoltaicas del panel.
En el colector o captador solar hay un líquido que absorbe la radiación solar en forma
de calor, este líquido pasa posteriormente a un compartimento de almacenado de calor. Los
paneles constan de una placa receptora y unos conductos por los que circula dicho líquido.
El líquido caliente se hace pasar a un intercambiador de calor, donde cede su calor
calentando el agua de posterior uso doméstico. Cuando sale del intercambiador de calor el
líquido está frío y se recircula de nuevo al colector solar.

3. Células de Paneles Solares
Las células de silicio son las más comunes y utilizadas. El rendimiento de las células
fotovoltaicas depende de la estructura tridimensional interna que tengan estas láminas de
silicio. Según esta estructura podemos clasificarlas del siguiente modo:
˗ Células de silicio monocristalino: constituido por un solo cristal de grandes
dimensiones que es cortado en finas láminas, generalmente de azul uniforme. Son
las más avanzadas, el coste de fabricación es superior y proporcionan un
rendimiento superior bajo determinadas condiciones.
˗ Células de silicio policristalino: están constituidas por varios cristales, tienen un
color azul no uniforme, aunque las últimas técnicas de fabricación ya otorgan de
mayor uniformidad al aspecto de la célula.
˗ Células de silicio amorfo: no está formada por cristales. Es la más barata pero
también las que menores rendimientos ofrecen, se utilizan, por ejemplo, en
dispositivos como calculadoras o relojes y tienen la particularidad de que pueden
producir electricidad (en poca cantidad) aunque no estén expuestas directamente a
la radiación solar de manera perpendicular.
2.1.2 Instalaciones fotovoltaicas asiladas
En este subapartado nos adentraremos en el que va a ser nuestro caso específico, que se
trata de una instalación a pequeña escala para consumo propio y que es independiente.
Las instalaciones fotovoltaicas aisladas no son muy comunes, pero pueden ser
beneficiosas para las viviendas alejadas de los centros urbanos y que no disponen de puntos
de conexión cercanos a la red. Un sistema de estas características consume la electricidad
que él mismo genera sin tener que conectarse a la red eléctrica nacional.

4. La realización de su instalación es sencilla, rápida y no requiere de una gran superficie.
Además, consume la energía del sol que es totalmente gratuita y está libre de ruidos.
Las empresas que ofertan esta tecnología aconsejan su uso para viviendas rurales y
zonas agrícolas, ya que pueden auto consumirla o venderla a la red eléctrica (este caso se
analizará en las alternativas). No obstante, antes de independizarse de la compañía eléctrica
es importante conocer las condiciones del mercado y los costes del proyecto, ya que en
numerosas ocasiones no es aconsejable independizarse de la red nacional. Esto es debido a
los elevados costes iniciales de un sistema de generación fotovoltaico independiente y su
correspondiente mantenimiento.
Los lugares idóneos para instalar este tipo de sistemas fotovoltaicos suelen ser las zonas
aisladas no urbanizadas, como viviendas unifamiliares, bombas hidráulicas, etc. Se suelen
combinar, según las características de la instalación, los paneles fotovoltaicos con
aerogeneradores eólicos (este caso también se analizará en las alternativas), ya que estos
dos tipos de energía suelen ser complementarias debido a que las condiciones climáticas
adversas en una suelen ser favorables en la otra.
2.1.3 Partes del panel solar
˗ Lamina de Vidrio Exterior - Aproximado de 3 mm, que proporciona protección a
las células como de la lluvia, granizo, arena, etc.
˗ Encapsulado - Que aísla eléctricamente a las células.
˗ Células - Son capturan la radiación solar incidente sobre ellos para generar
electricidad.
˗ Bastidor o marco metálico
˗ Conexiones entre células
˗ Cajas de conexiones - Los terminales para su conexión.
˗ Diodos de paso o diodos de bypass - Que proporciona rigidez y protección de
agentes externos.

5. 2.1.4 Orientación e inclinación de los paneles solares
En general, el promedio posición para montar el panel es inclinado hacia el ecuador a
un ángulo aproximadamente igual a la latitud del sitio. El ángulo óptimo es horizontal, pero
todavía inclinamos un panel a un ángulo para que la lluvia ayuda a mantenerlo limpio
(Green Empowerment, 2005).
2.1.5 Batería
Su función principal es acumular energía eléctrica durante el día mediante reacciones
químicas, las cuales son usadas en la noche mediante el proceso de la descarga. La
conexión de dos o más baterías ya sea en paralelo o serie dependerá de cuanta energía
eléctrica requiera suministrar o almacenar para el usuario final Las baterías para
instalaciones aislada con una autonomía de 6 días serán los tipos de ciclo profundo libres de
mantenimiento su vida promedio es de 10 años.
a) Características de las baterías.
˗ Días de autonomía: Son días donde no hay mucha radiación solar, entran a cubrir
de energía eléctrica mediante la descarga de la batería que está diseñado para esos
días de autonomía.
˗ Capacidad de las baterías: Se valora por su capacidad en ampere-hora (Ah). La
capacidad se basa en la cantidad de energía necesaria para operar las cargas y días
de autonomía.
˗ Profundidad y régimen de descarga: se conoce como régimen de descarga al
tiempo que demora en descargarse lo cual afecta la capacidad de la batería. Por esta
24 reacción podemos ver si una batería tiene mejor capacidad de trabajo, si la
descarga es en tiempo corto, quiere decir que la batería no tiene una buena
capacidad para mantener la carga de lo contrario si el tiempo de descarga es lento
será una batería de mejor capacidad.

6. ˗ Esperanza de vida: No se mide por cuantos años dure, dependerá del trabajo a la
que estén sometidos normalmente se dan de baja cuando produce el 20% menos de
su capacidad nominal.
˗ Voltaje: Las baterías normalmente están diseñadas con un voltaje nominal de 12,24
y 48.
˗ Condiciones ambientales: el entorno ambiental de trabajo de las baterías es a una
temperatura de 25oc a menor temperatura tienen menor capacidad, pero la
esperanza de vida es mucho mayor, lo contrario sucede si la temperatura aumenta,
sube su capacidad, pero su esperanza de vida disminuye.
b) Consideraciones de seguridad y mantenimiento
˗ Nunca instalar dentro de las habitaciones.
˗ El soporte o caja debe estar ventilado.
˗ Tratar de no realizar conexiones en paralelo.
˗ En la implementación es el último en ser interconectado al sistema.
˗ No conectar diferentes tipos de batería.
˗ No instalar baterías usadas junto a nuevas
2.1.6 Regulador
El regulador trabaja como, un regulador de voltaje. La principal función es evitar que la
batería sea sobrecargada por el sistema de paneles y protegerla de que se descargue
demasiado por las cargas de consumo de corriente directa.
El regulador monitorea constantemente el voltaje de la batería, cuando las baterías están
completamente cargadas, el controlador detendrá o disminuirá la cantidad de corriente que
circule desde los paneles hacia las baterías. Cuando las baterías se descargan a un nivel
muy bajo, desconectarán la corriente que fluye de las baterías a los aparatos conectados.
2.1.7 Inversor

7. Tanto la generación y almacenaje de la energía de la radiación solar es en corriente
continua por parte del panel solar y la batería.
Los electrodomésticos y equipos funcionan con corriente alterna. Por dicha razón es
necesario convertir a corriente directa para lo cual el inversor funge de especie de puente
entre dichos corrientes.
Su función es convertir la corriente continua a alterna así posibilitar el funcionamiento
de los electrodomésticos y equipos.
a) Características básicas
˗ Es la potencia que suministra durante su operación.
˗ El inversor tiene una potencia igual o mayor de la potencia del consumo diario
máximo con lo cual garantizamos que en el momento que todos los aparatos estén
encendidos tenga el suministro eléctrico.
˗ Frecuencia: La frecuencia de trabajo es de 60 Hz. Nunca cambia la frecuencia de
trabajo a pesar de que puede cambiar las condiciones de entrada.
˗ La eficiencia de los inversores es de 90%.
˗ Por circuito electrónico es mínimo la perdida en el proceso de transformación.
2.1.8 Conductores y Terminales
El cableado que se utiliza en circuitos de corriente continua tiene doble aislamiento y su
sección es superior a la de cableado convencional de las instalaciones de corriente alterna
debido a que los voltajes son bajas, pero transportan intensidades considerables comparadas
con los circuitos alternas de 220 V.
Respecto al cableado de corriente alterna es habitual a cualquier instalación eléctrica
alterna.
Capacidad de corriente. Es la cantidad de intensidad que puede transportar el
Conductor.

8. Caída de voltaje o de tensión. Se produce debido a las distancias y resistencia de los
conductores a instalar en un sistema.
2.1.8 Elementos de Protección
Son equipos que protegen a la persona y equipos de la instalación, minimizando la
posibilidad de contacto directo o indirecto, sobretensión, cortocircuito.
˗ Diodos de bloque: Están ubicados detrás de cada módulo solar su función es evitar
la pérdida de potencia genera y evitar el retorno de la corriente.
˗ Diodos de paso: Está para proteger a los paneles cuando es expuesto a una mala
posición como pueden estar tapados por árboles, lo cual es conocido como efecto de
sombra para ellos los paneles tienen instalado los diodos de paso que evitan que las
células actúen como receptores.
˗ Fusibles: Actúan de protección contra sobre intensidades.
˗ Interruptores termo magnéticos: Son elementos que protegen a la persona y
cargas de las sobrecargas y cortocircuitos.
˗ Interruptores diferenciales: Se instala en los tableros eléctricos para garantizar la
seguridad de la persona, son interruptores más sensibles estos interruptores
magnéticos se activan a la mínima variación en la red.
Podemos llamar a estos interruptores como las salvaguardas de vidas en las
viviendas.
˗ Puesta a tierra: Se instala para dotar de seguridad a las personas y a los equipos
derivando a tierra la corriente de defectos que se puede generar debido a
aislamiento, averías, etc.
La conexione es con el chasis de electrodomésticos y carcasa de los tableros
eléctricos.

9. 3. DIMENSIONAMIENTO
La razón para realizar el trabajo es de poder ofrecer a las familias del distrito de
Socabaya – Manzana G, Lara, la posibilidad de tener acceso a la energía eléctrica a través
de energía fotovoltaica para lo cual proponemos como alternativa de solución diseñar un
sistema fotovoltaico autónomo para cada hogar.
3.1 Información General
˗ Manzana G
o 12 hogares
o 12 familias
Fuente: Google Maps
Manzana G

10. 3.2 Información de hogares involucrados
Fuente: Propia
Fuente: Propia
Fuente: Propia

11. Fuente: Propia
En la manzana G, se puede observar una cantidad de 16 viviendas, las cuales 6 no
se encuentran habitadas, por lo que la propuesta será para 10 viviendas.
4. CÁLCULOS
4.1 Hora Solar Pico
Datos tomados de investigaciones.
Tabla 1: Declinación según los meses
MES DÍAS DIA CENTRAL DECLINACIÓN
ENERO 31 15 -21.27
FEBRERO 28 45 -13.62
MARZO 31 76 -2.02
ABRIL 30 106 9.78
MAYO 31 137 19.26
JUNIO 30 167 23.35
JULIO 31 198 21.18
AGOSTO 31 229 13.12
SEPTIEMBRE 30 259 1.81
OCTUBRE 31 290 -10.33

12. NOVIEMBRE 30 320 -19.38
DICIEMBRE 31 351 -23.40
Con ayuda de software en Internet obtenemos dichas Horas Sol Pico, que corresponden
a un nivel de radiación estándar de 1000 W/m2.
Tabla 2: Horas sol pico por mes
4.2 Demanda Energética
La demanda energética consiste en definir el consumo que se necesita para satisfacer las
necesidades de cada una de las familias del hogar.

13. HOJA DE CALCULO PARA ESTIMAR EL CONSUMO ELECTRICO
CARGA POTENCIA HORAS DIARIAS CONSUMO DIARIO CONSUMO MENSUAL Kw CONSUMO ANUAL Kw
LAVADORA 1.000 1 1,00 31,00 372,00
HORNO 1.200 0,5 0,60 18,60 223,20
MICROONDAS 250 0,5 0,13 3,88 46,50
REFRIGERADORA 250 24 6,00 186,00 2.232,00
TV LCD 20 8 0,16 4,96 59,52
PS4-X BOX 10 2 0,02 0,62 7,44
ROUTER 8 24 0,19 5,95 71,42
LAPTOP 25 6 0,15 4,65 55,80
LAMPARAS LED 5 6 0,03 0,93 11,16
LAMPARAS AHORRADORES 10 6 0,06 1,86 22,32
LAMPARAS CONVENCIONALES 20 6 0,12 3,72 44,64
CARGADORES VARIOS 15 5 0,08 2,33 27,90
PC DE ESCRITORIO 30 3 0,09 2,79 33,48
Otros 0,00 0,00 0,00
Otros 0,00 0,00 0,00
Otros 0,00 0,00 0,00
TOTALES 2.843 8,62 267,28 3.207,38
Este estudio está realizado de acuerdo con el consumo más alto, y tomado como referencia para los hogares restantes.

14. a) Generalidades
˗ Potencia máxima para suministrar es de 3000 W.
˗ Voltaje para suministrar a la carga será de 220 V.
˗ Frecuencia de trabajo será 60 Hz.
˗ El consumo mensual será de 267,28 kW.
4.3 Cálculos para el sistema fotovoltaico de 3 kW
a) Cantidad de paneles solares
𝑁𝑡 =
𝑃𝑡
𝑃
𝑚𝑝𝑝. 𝐻𝑆𝑃. 𝑃𝑅
𝑁𝑡 =
2843
405𝑥5,5𝑥0,9
𝑁𝑡 = 1,4181 = 2 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠
b) Paneles en Serie
𝑁𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 =
𝑉𝑏𝑎𝑡
𝑉𝑚𝑜𝑑,𝑚𝑝𝑝
𝑁𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 =
24
49,7
𝑁𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 = 0,512 = 1
c) Paneles en Paralelo
𝑁𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 =
𝑁𝑡
𝑁𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒
𝑁𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 =
2
1
= 2

15. d) Cálculo de corriente que capta el panel fotovoltaico
𝑄𝐴ℎ =
𝐿𝑚𝑑
𝑉𝑏𝑎𝑡
=
2843
24
= 118,45 𝐴ℎ/𝑑í𝑎
La corriente que capta el panel solar es de 80 amperios horas al día, dicho resultado se
obtiene de dividir entre el consumo medio diario y el voltaje nominal de la batería.
Tabla 3: Ficha técnica
Cuadro de datos técnicos de modelos de panel solares que producen 400 a 450 Wp
Potencia máxima Pmax 450 Wp
Tensión en el punto de máxima potencia Vmod 49,7 V
Corriente de cortocircuito Isc 11,32
Corriente máximo Imax 10,84
e) Descripción de los componentes
˗ Panel solar 350 Wp.
El sistema fotovoltaico usara paneles solares de 450 Wp, en la conexión del sistema
fotovoltaico para poder cubrir la demanda máxima que es 3 kwh/d usaremos dos paneles
solares de 450 W sabiendo que tendrá 5 horas al día de almacenamiento nos asegura poder
llegar a cubrir la demanda de energía máxima.
˗ Reguladores de carga 80 A
El controlador tiene la capacidad de 80 A de salida y 25 de entrada con lo cual nos
garantiza una seguridad tanto a la carga y componentes del sistema por ser su función de
controlar el nivel de descarga y carga de las baterías para garantizar la vida útil de las
baterías y del resto de los componentes.
˗ Baterías 24 V DC – 200 Ah
La batería tiene placas tubulares positivas y la composición de la aleación especial de
plomo baja en antimonio proporcionan ventajas únicas al prolongar el funcionamiento
cíclico con una vida útil de 2000 ciclos a 20°C.

16. ˗ Inversor será de 2843 W
El inversor para el sistema fotovoltaico será de 2843 W, con lo cual nos garantizara su
funcionamiento y soporte del sistema que tiene una carga diaria de 2500 W en corriente
alterna.
5. PRESUPUESTO
Descripción Cantidad Costo S/.
PANEL SOLAR JA SOLAR 450W 24V MONOCRISTALINO PERC 20 19,660
BATERIA KAISE AGM 150AH LIBRE MANTENIMIENTO 10 12000
INVERSOR HIBRIDO GROWATT 24V 3000W WATTS 10 7500
INSTALACIÓN DE EQUIPO 10 1000
El siguiente presupuesto es un total estimado para 10 hogares.
Imagen: Instalación de Kit de Paneles Solares

17. 4.3 Cálculos para el sistema fotovoltaico de 30 kW
f) Cantidad de paneles solares
𝑁𝑡 =
𝑃𝑡
𝑃
𝑚𝑝𝑝. 𝐻𝑆𝑃. 𝑃𝑅
𝑁𝑡 =
28430
405𝑥5,5𝑥0,9
𝑁𝑡 = 14,4181 = 15 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠
g) Paneles en Serie
𝑁𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 =
𝑉𝑏𝑎𝑡
𝑉𝑚𝑜𝑑,𝑚𝑝𝑝
𝑁𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 =
24
49,7
𝑁𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 = 0,512 = 1
h) Paneles en Paralelo
𝑁𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 =
𝑁𝑡
𝑁𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒
𝑁𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 =
15
1
= 15
i) Cálculo de corriente que capta el panel fotovoltaico
𝑄𝐴ℎ =
𝐿𝑚𝑑
𝑉𝑏𝑎𝑡
=
28430
24
= 1184,5 𝐴ℎ/𝑑í𝑎
La corriente que capta el panel solar es de 80 amperios horas al día, dicho resultado se
obtiene de dividir entre el consumo medio diario y el voltaje nominal de la batería.

18. 6. COMPONENTES COTIZADOS
Panel Cotizado
Inversor
Cotizado
Batería Cotizada

19. 7. PROPUESTA
La propuesta como ingenieros mecánicos es la siguiente:
- Realizar la instalación del sistema fotovoltaico independientemente por vivienda, ya
que no se cuenta con un espacio para poder elaborar una central fotovoltaica, el cual
también incluye un costo elevado por alquiler o compra en terreno.
- Las instalaciones se realizarán en los tejados de los hogares, o en el último piso
respectivo.
- Los hogares no pasan de 2 pisos por lo cual la variación de potencia energética no
es mayor de 3000 W.
- Los equipos seleccionados requieren un mínimo en mantenimiento lo cual será un
costo mínimo anual.
8. BIBLIOGRAFÍA
ALEPUZ, S. R. (2017). PROYECTO DE INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA DE 5.8 MW
PARA LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA, SITUADA EN
ALMANSA. VALENCIA: UNIVERSIDAD POLITECNICA DE VALENCIA.
ANTICONA, D. F. (2005). APLICACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR PARA
ELECTRIFICACIÓN RURAL EN ZONAS MARGINALES DEL PAIS. LIMA:
UNI. banco mundial. (23 de noviembre de 2017).
Catalina Francico Figueroa Marquez, Nelly Angelica Parra Luna,Criatian Heraldo
Rodriguez MÉNDEZ. (2014). EVALUACIÓN DE LA FACTIBILIDAD TÉCNICA
Y ECONÓMICA DE LA INSTALACIÓN DE PANELES SOLARES
FOTOVOLTAICOS EN HOGARES DE FAMILIAS DE ESCASOS RECURSOS.
CHILLAN: UNIVERSIDAD DEL BÍO-BÍO.