“Análisis técnico-económico de un sistema fotovoltaico con...

Facultad de Ingeniería

Carrera de Ingeniería Industrial

“Análisis técnico-económico de un

sistema fotovoltaico con influencia de

suciedad, viento y lluvia en Arequipa-

Perú”

Autor:

Karim Patricia Navarrete Cipriano

Para obtener el Título Profesional de

Ingeniera Industrial

Asesor:

Dr. Juan José Milón Guzmán

Arequipa, mayo del 2019

ii

AGRADECIMIENTOS

Primeramente, gracias a Dios por acompañarme y

darme fortaleza durante todo este proceso. A mis

padres por su ejemplo de superación y por su

apoyo incondicional en cada decisión y paso que

doy, lo que contribuyen constantemente a lograr

mis sueños y metas. A mi asesor el Dr. Juan José

Milón quien con su conocimiento, enseñanza y

motivación me ayudó a concluir favorablemente mi

tesis. Y al apoyo de todo el área de investigación de

la Universidad Tecnológica del Perú de Arequipa.

iii

RESUMEN

En la presente tesis se diseñó e instaló un sistema fotovoltaico donde se midió el voltaje,

corriente eléctrica, irradiancia y temperaturas del panel para determinar la eficiencia de

los paneles fotovoltaicos con influencia de factores externos: suciedad (polvo), viento y

lluvia.

Para las pruebas del factor suciedad se determinaron las muestras según el (tipo de

polvo, cantidad de deposición de polvo y el tamaño de partícula), se usaron tres tipos de

polvo tomando como referencia el polvo atmosférico propio del lugar de Arequipa con

diferentes propiedades físicas: cemento principal material de construcción que a menudo

puede presentarse en la atmósfera de las zonas urbanas, sillar presente en las

construcciones antiguas de la ciudad de Arequipa y la arcilla principal contaminante

generado en el proceso de elaboración de ladrillos y principal compuesto de la tierra. El

tamaño de partícula se determinó según el tamaño promedio de polvo en suspensión en

la atmósfera y la deposición de polvo (g/m2) se determinó según la acumulación de forma

natural de polvo en la ciudad de Arequipa.

Para las pruebas del factor viento se determinaron tres velocidades comprendidos entre 1

y 4 m/s el intervalo de velocidades promedio registradas en zonas urbanas de Arequipa, y

finalmente se realizaron pruebas en condiciones naturales de lluvia.

iv

Los datos se tomaron durante las 06 h y 17:30 h y se concluyó que la eficiencia

disminuye mientras aumenta la deposición de polvo en los paneles fotovoltaicos, cuando

el panel se ve influenciado por el viento la eficiencia aumenta levemente, y en

condiciones de lluvia el desempeño de los paneles se reduce drásticamente debido a la

presencia de nubosidad.

También se evaluaron los parámetros económicos del proyecto, donde se demostró el

porcentaje y costo por pérdidas de eficiencia debido a la deposición de polvo, ventilación

artificial y lluvia, mientras que en paneles con ventilación natural no existen pérdidas

económicas.

v

ABSTRACT

In this thesis a photovoltaic system was designed and installed where the voltage,

electrical current, irradiance and temperature of the panel were measured to determine

the efficiency of the photovoltaic panels with influence from external factors: dirt (dust),

wind and rain.

For the dirt factor tests the samples were determined according to the (dust type, amount

of dust deposition and particle size), three types of dust were used, taking as a reference

the atmospheric dust of the place of Arequipa with different physical properties: main

cement construction material that can often be presented in the atmosphere of urban

areas, sillar present in the old constructions of the city of Arequipa and the main polluting

clay generated in the process of making bricks and main compound of the earth. The

particle size was determined according to the average size of suspended dust in the

atmosphere and the deposition of dust (g/m2) was determined according to the natural

accumulation of dust in the city of Arequipa.

For the wind factor tests were determined three speeds between 1 and 4 m/s the average

speed interval recorded in urban areas of Arequipa, and finally tests were carried out in

natural rainy conditions. The data were taken during 06 h and 17:30 h and it was

concluded that the efficiency decreases as the deposition of dust in the photovoltaic

vi

panels increases slightly when the panel is influenced by the wind the efficiency increases

slightly, and in rainy conditions the performance of the panels is drastically reduced due to

the presence of cloud cover.

The economic parameters of the project were also assessed, showing the percentage and

cost of efficiency losses due to dust deposition, artificial ventilation and rain, while in

panels with natural ventilation there are no economic losses.

vii

INDICE

AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ ii

RESUMEN ........................................................................................................................ iii

ABSTRACT ....................................................................................................................... v

INDICE ............................................................................................................................ vii

INDICE DE FIGURAS ........................................................................................................ x

INDICE DE TABLAS ........................................................................................................ xii

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ xiii

CAPÍTULO 1 ..................................................................................................................... 1

GENERALIDADES ........................................................................................................... 1

1.1. Planteamiento del Problema ................................................................................... 1

1.1.1. Pregunta de Investigación ........................................................................................... 2

1.2. Objetivos ................................................................................................................ 2

1.2.1. Objetivo General ......................................................................................................... 2

1.2.2. Objetivos Específicos ................................................................................................... 2

1.3. Justificación ............................................................................................................ 3

1.3.1. Aspecto Ambiental ...................................................................................................... 3

1.3.2. Aspecto social .............................................................................................................. 3

1.3.3. Aspecto Tecnológico.................................................................................................... 3

1.3.4. Aspecto Económico ..................................................................................................... 3

1.4. Alcances y limitaciones ........................................................................................... 4

1.4.1. Alcances de la Investigación ........................................................................................ 4

1.4.2. Limitaciones de la Investigación .................................................................................. 4

CAPÍTULO 2 ..................................................................................................................... 5

FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA ....................................................................................... 5

2.1. Energía solar fotovoltaica ....................................................................................... 5

2.1.1. Efecto fotoeléctrico ..................................................................................................... 5

2.1.2. Celdas fotovoltaicas .................................................................................................... 6

2.1.3. Paneles fotovoltaicos .................................................................................................. 7

2.1.4. Rendimiento de un panel ............................................................................................ 8

2.1.5. Sistema solar fotovoltaico ........................................................................................... 8

2.1.6. Radiación solar ............................................................................................................ 8

2.1.7. Hora pico solar............................................................................................................. 9

2.1.8. Característica Voltaje – Corriente ............................................................................. 10

2.1.9. Irradiancia .................................................................................................................. 11

viii

2.2. Factores que afectan la eficiencia del panel fotovoltaico .......................................11

2.2.1. Factores externos ...................................................................................................... 11

2.2.2. Factores internos ....................................................................................................... 14

2.3. Eficiencia energética ..............................................................................................15

CAPÍTULO 3 ....................................................................................................................17

ESTADO DEL ARTE........................................................................................................17

3.1. Factor suciedad .....................................................................................................17

3.2. Factor viento ..........................................................................................................19

3.3. Factor lluvia ...........................................................................................................20

CAPÍTULO 4 ....................................................................................................................22

METODOLOGÍA ..............................................................................................................22

4.1. Metodología ...........................................................................................................22

4.2. Descripción de la investigación ..............................................................................23

4.2.1. Estudio de Caso ......................................................................................................... 23

4.3. Operacionalización de variables ............................................................................23

CAPÍTULO 5 ....................................................................................................................25

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN EXPERIMENTAL ..........................................................25

5.1. Diseño del sistema fotovoltaico..............................................................................25

5.1.1. Paneles fotovoltaicos ................................................................................................ 25

5.1.2. Carga eléctrica ........................................................................................................... 26

5.1.3. Medición de la Irradiancia ......................................................................................... 27

5.1.4. Medidor de corriente ................................................................................................ 28

5.1.5. Medición de voltaje ................................................................................................... 28

5.1.6. Medición de temperatura ......................................................................................... 28

5.1.7. Sistema de adquisición de datos ............................................................................... 28

5.2. Incertezas ..............................................................................................................29

5.3. Instrumentación del sistema fotovoltaico ...............................................................30

5.4. Evaluación del factor suciedad ..............................................................................31

5.4.1. Caracterización de la suciedad (polvo) ...................................................................... 31

5.4.2. Evaluación según muestra seleccionada ................................................................... 36

CAPÍTULO 6 ....................................................................................................................40

PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS .........................................................40

6.1. Análisis técnicos ....................................................................................................40

6.1.1. Resultados preliminares ............................................................................................ 40

6.1.2. Resultados de pruebas del factor suciedad .............................................................. 45

6.1.3. Resultados de pruebas del factor viento ................................................................... 57

ix

6.1.4. Resultados de pruebas del factor lluvia .................................................................... 59

6.2.1. Análisis de eficiencia de paneles limpios................................................................... 62

6.2.2. Reducción en la generación PV ................................................................................. 63

CONCLUSIONES ............................................................................................................68

TRABAJOS FUTUROS ...............................................................................................70

ANEXOS ..........................................................................................................................71

BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................78

x

INDICE DE FIGURAS

Figura 1 Efecto fotoeléctrico ............................................................................................. 6

Figura 2 Hora pico solar ...................................................................................................10

Figura 3 Mapa mundial de niveles de concentración de partículas en el ambiente ..........12

Figura 4 Colocación y orientación de paneles fotovoltaicos .............................................26

Figura 5 Diseño del circuito en paralelo de la carga .........................................................26

Figura 6 Conexiones del circuito en paralelo de la carga .................................................27

Figura 7 Piranómetro .......................................................................................................27

Figura 8 Medidor de corriente. .........................................................................................28

Figura 9 Sistema de adquisición de datos ........................................................................29

Figura 10 Esquema de instalación de sistema fotovoltaico ..............................................31

Figura 11 Tamices para evaluación .................................................................................33

Figura 12 Arcilla, cemento y Sillar <74 µm. ......................................................................34

Figura 13 Peso de muestras. ...........................................................................................34

Figura 14 Diseño para la deposición de polvo experimental ............................................35

Figura 15 Deposición de polvo de arcilla..........................................................................35

Figura 16 Deposición de polvo de cemento .....................................................................36

Figura 17 Deposición de polvo de sillar ...........................................................................36

Figura 18 Diseño de cono de cartón ................................................................................38

Figura 19 Posiciones a medir en cubierta de cartón con boquilla rectangular ..................38

Figura 20 Voltaje y corriente eléctrica de Pr y Pp (ambos paneles limpios) .....................40

Figura 21 Comparación del Voltaje entre Pr y Pp (ambos paneles limpios) .....................41

Figura 22 Comparación de la corriente eléctrica entre Pr y Pp (ambos paneles limpios) .42

Figura 23 Potencia eléctrica de Pr y Pp (ambos paneles limpios) ....................................42

Figura 24 Comparación de la potencia eléctrica entre Pr y Pp (ambos paneles limpios) ..43

Figura 25 Eficiencia de Pr y Pp (ambos paneles limpios) .................................................44

Figura 26 Comparación de la eficiencia entre Pr y Pp (ambos paneles limpios) ..............44

Figura 27 Eficiencia de Pr y Pp con influencia de 5 g/m2 de cemento < 74 µm ................45

Figura 28 Eficiencias de Pr y Pp con influencia de 15 g/m2 de cemento < 74 µm ............45



Figura 31 Temperatura, factor suciedad, cemento 35 g/m2 ..............................................47

Figura 32 Eficiencias de Pr y Pp con influencia de 5 g/m2 de sillar < 74 µm .....................48

Figura 33 Eficiencias de Pr y Pp con influencia de 15 g/m2 de sillar de 74 µm .................48

xi

Figura 34 Eficiencias de Pr y Pp con influencia de 25 g/m2 de sillar < 74 µm ...................49

Figura 35 Eficiencias de Pr y Pp con influencia de 35 g/m2 de sillar de 74 µm .................49

Figura 36 Temperatura, factor suciedad, sillar 35 g/m2 ....................................................50

Figura 37 Eficiencias de Pr y Pp con influencia de 5 g/m2 de arcilla < 74 µm ...................51

Figura 38 Eficiencias de Pr y Pp con influencia de 15 g/m2 de arcilla de 74 µm ...............51

Figura 39 Eficiencias de Pr y Pp con influencia de 25 g/m2 de arcilla de 74 µm ...............52

Figura 40 Eficiencias de Pr y Pp con influencia de 35 g/m2 arcilla de 74 µm ....................52

Figura 41 Temperatura, factor suciedad, arcilla 35 g/m2 ..................................................53

Figura 42 Eficiencia promedio para diferentes deposiciones de Cemento. ......................54

Figura 43 Eficiencia promedio para diferentes deposiciones de Sillar. .............................54

Figura 44 Eficiencia promedio para diferentes deposiciones de Arcilla. ...........................55

Figura 45 Eficiencia promedio para diferentes deposiciones de Cemento, Sillar y Arcilla.

.................................................................................................................................56

Figura 46 Diseño de posiciones para la medición de velocidades de viento ....................57

Figura 47 Velocidades estudiadas. ..................................................................................57

Figura 48 Promedio de eficiencia de PV con influencia de viento. ...................................58

Figura 49 Temperatura, factor viento, velocidad 3. ..........................................................59

Figura 50. Pruebas de lluvia, características eléctricas. ...................................................60

Figura 51 Pruebas de lluvia, variación de temperatura. ...................................................61

Figura 52 Pruebas de lluvia, eficiencia energética. ..........................................................61

Figura 53 Pruebas de suciedad, cemento, porcentaje de reducción. ...............................63

Figura 54 Pruebas de suciedad, sillar, porcentaje de reducción. .....................................64

Figura 55 Pruebas de suciedad, arcilla, porcentaje de reducción. ...................................64

Figura 56 Costos de pérdida por suciedad. ......................................................................65

Figura 57 Pruebas de viento, reducción de la eficiencia ..................................................67

Figura 58 División del ventilador ......................................................................................71

Figura 59 Cubierta del ventilador con divisiones ..............................................................71

Figura 60 Profundidades de la cubierta de cartón ............................................................72

xii

INDICE DE TABLAS

Tabla 1 Operacionalización de variables..........................................................................24

Tabla 2 Especificaciones técnicas según el fabricante de dos PV ...................................25

Tabla 3 Especificaciones técnicas del piranómetro ..........................................................27

Tabla 4 Especificaciones técnicas del medidor de corriente ............................................28

Tabla 5 Especificaciones técnicas del sistema de adquisición de datos ..........................29

Tabla 6 Incertezas estudiadas. ........................................................................................30

Tabla 7 Evaluación de suciedad ......................................................................................37

Tabla 8 Especificaciones técnicas del anemómetro .........................................................39

Tabla 9 Medición de las velocidades promedio ................................................................39

Tabla 10 Medición de las velocidades promedio ..............................................................56

Tabla 11 Medición de las velocidades promedio en profundidad 1 ..................................72



xiii

INTRODUCCIÓN

En la última década se ha incrementado el uso de las energías renovables logrando la

sustitución de fuentes convencionales por energías limpias e inagotables, esto debido a

la concientización social acerca de la degradación del medio ambiente y al incremento del

costo de los combustibles fósiles [1] [2], es así que, las energías renovables se han

posicionado como una importante alternativa para producir electricidad a nivel mundial.

Según la Agencia Internacional de Energía (siglas en inglés IEA), la producción de

energía solar fotovoltaica se incrementó un 50% durante el 2017, siendo ésta, la fuente

de energía que más rápido creció siendo la principal impulsora del aumento de

producción de energías renovables en todo el mundo.

La energía solar fotovoltaica es considerada una de las tecnologías de producción de

energía eléctrica más amigables con el medio ambiente ya que convierte la radiación

solar en electricidad sin generar emisiones de dióxido de carbono, principal causante del

efecto invernadero [2] [3]. La energía solar fotovoltaica además de no generar impactos

ambientales es un recurso inagotable, no demanda una gran infraestructura ni un

mantenimiento complejo y es fácil de utilizar. En cuanto a la tecnología solar fotovoltaico

el elemento más determinante es la eficiencia de las celdas solares, es por ello por lo que

xiv

se está investigando como mejorar la eficiencia identificando y evaluando los factores que

afectan el desempeño de paneles solares [4].

1

CAPÍTULO 1

GENERALIDADES

1.1. Planteamiento del Problema

Según estudios realizados por el neozelandés Richard Mckenzie, al año 2016 el Perú

ocupaba el primer lugar en tener altos índices de radiación solar debido a su

proximidad a la zona ecuatorial, la ciudad de Arequipa (por influencia del desierto de

Atacama) presenta un nivel extremadamente alto de radiación solar [5]. Por este

motivo, se debe aprovechar el potencial solar que en mayor parte del año posee la

ciudad de Arequipa, para generar energía eléctrica a través de la energía solar

fotovoltaica. Sin embargo, no toda la radiación solar es captada por un panel solar

fotovoltaico, ya que a este llega aproximadamente el 80% de la radiación solar,

siendo esta energía transferida a través de ondas electromagnéticas que se

encuentran en los rayos solares [4]. De esta energía, apenas el 15%

aproximadamente se puede transformar en electricidad, bajo condiciones óptimas de

funcionamiento (con la tecnología fotovoltaica comercial disponible al 2018). Según

la Asociación de la Industria Fotovoltaica, la cantidad de energía solar que

aprovecha un panel fotovoltaico depende de varios factores como son: la tecnología

del panel que puede ser monocristalino, policristalino o de capas finas, la orientación

2

e inclinación del panel, como también su adecuada ubicación evitando sombras que

interfieran en la incidencia de la radiación solar al panel fotovoltaico, la localización

geográfica, la estación del año, condiciones climáticas como el viento y la lluvia, el

nivel de suciedad del panel fotovoltaico, entre otros [1]. Todos estos factores influyen

en el rendimiento del panel fotovoltaico, en algunos casos reduciendo la eficiencia

global del sistema generando pérdidas de energía. Otra consecuencia sería los

daños o deterioro que estos factores causan al panel fotovoltaico, como el

calentamiento excesivo del panel a casusa de la acumulación de suciedad,

rayaduras por casusa de la abrasión en la limpieza, etc. [1]. En el caso particular de

la ciudad de Arequipa, se ha determinado la influencia de parámetros (propios de la

zona) y su influencia en el desempeño de sistemas fotovoltaicos.

En consecuencia, el problema principal es el reducido conocimiento de los aspectos

técnico-económicos en sistemas fotovoltaicos bajo influencias externas (suciedad,

viento y lluvia), en Arequipa-Perú.

1.1.1. Pregunta de Investigación

¿En qué medida, los factores externos como la suciedad, viento y lluvia afectan

los aspectos técnico-económicos de un sistema fotovoltaico en Arequipa-Perú?

1.2. Objetivos

1.2.1. Objetivo General

Analizar en aspectos técnicos y económicos un sistema fotovoltaico con

influencia de suciedad, viento y lluvia en Arequipa-Perú.

1.2.2. Objetivos Específicos

Diseñar el modelo experimental para evaluar el desempeño de paneles

fotovoltaicos.

Construir e instrumentar el modelo experimental

3

Evaluar el desempeño de paneles fotovoltaicos con efectos de suciedad

(polvo de cemento, arcilla y sillar), viento y lluvia.

Analizar aspectos económicos de los resultados obtenidos.

1.3. Justificación

1.3.1. Aspecto Ambiental

Mediante la presente investigación se busca promover el uso eficiente de la

energía fotovoltaica y de esta manera poder contribuir a la conservación del

medio ambiente. Si un panel se encuentra influenciado por suciedad, viento o

lluvia, la eficiencia no será la misma, un estudio es imprescindible para mejorar

la producción solar fotovoltaica.

1.3.2. Aspecto social

El uso de la energía solar fotovoltaica puede ser aplicado para todo tipo de

necesidades donde se requiera el uso de electricidad, para que un panel

fotovoltaico pueda abastecer a muchas viviendas es necesario que éstos sean

realmente eficientes. Las aplicaciones son más necesarias en zonas

vulnerables, aisladas de fuentes energéticas convencionales.

1.3.3. Aspecto Tecnológico

Al evaluar el desempeño de paneles fotovoltaicos con influencia de factores

externos al panel, se incrementa a su vez la aplicación de avances

tecnológicos en métodos de auto-limpieza, enfriamiento entre otros, para

mejorar el rendimiento de los paneles fotovoltaicos.

1.3.4. Aspecto Económico

Los sistemas fotovoltaicos representan una gran inversión, cuando se ven

influenciados con suciedad, viento, lluvia u otros factores pueden deteriorarse

con mayor rapidez, para asegurar la conservación de los paneles fotovoltaicos,

estos factores deben ser estudiados.

4

1.4. Alcances y limitaciones

1.4.1. Alcances de la Investigación

Las evaluaciones experimentales son realizadas a escala piloto, tomando

datos reales de la ciudad de Arequipa.

Para las evaluaciones experimentales se está considerando factores propios

de la zona de Arequipa como el polvo, viento y lluvia.

Para las evaluaciones del factor suciedad (polvo) se está clasificando de

acuerdo al tipo de partícula, tamaño de partícula y cantidad de deposición de

polvo, presentes en Arequipa.

Para las evaluaciones del factor viento se está considerando velocidades

dentro del intervalo de velocidad de viento anual en Arequipa.

Las evaluaciones del factor lluvia se realiza en presencia de lluvia natural.

1.4.2. Limitaciones de la Investigación

No se ha considerado un análisis numérico.

No se ha considerado contaminantes provenientes de procesos de

combustión.

5

CAPÍTULO 2

FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA

Este capítulo presenta los conceptos referentes al sistema fotovoltaico, factores que

afectan el rendimiento del panel fotovoltaico y el método para determinar la eficiencia del

panel.

2.1. Energía solar fotovoltaica

2.1.1. Efecto fotoeléctrico

La conversión de la energía solar (fotones) en energía eléctrica (electrones) es

el denominado efecto fotoeléctrico [2]. Los fotones que inciden sobre la

superficie de una celda fotovoltaica pueden ser absorbidos, reflejados o pueden

pasar sobre ésta, pero sólo los que son absorbidos son capaces de generar

electricidad [6]. Cuando la luz solar incide sobre la celda fotovoltaica, la capa N

(carga negativa) atrae un electrón de la capa P (carga positiva), transfiriendo la

energía del fotón a un electrón de un átomo de la celda fotovoltaica, liberándolo

para dar lugar a una corriente eléctrica [7] [6].

6

Figura 1 Efecto fotoeléctrico

(Fuente: Extraído de [7])

2.1.2. Celdas fotovoltaicas

Las celdas se fabrican a partir de un material semiconductor que convierte los

fotones que emite el sol en electricidad. La fabricación de estas celdas es

generalmente a base de silicio debido a que este material es un buen

semiconductor y es abundante (cuarzo), presenta un mínimo porcentaje de

contaminación y es de alta durabilidad [6]. En la parte superior de la celda se

encuentra la carga negativa o capa de tipo N y en la parte inferior se encuentra

la carga positiva o capa de tipo P [7].

La tecnología actual clasifica las celdas fotovoltaicas en:

Celdas de Silicio monocristalinas

Para la elaboración de este tipo de celda se emplea silicio de alta pureza

dopado con boro y una estructura cristalina perfecta, este tipo de celdas

tiene una eficiencia entre de 14% y 17%. Tiene un color parejo entre el azul

al negro. Este tipo de celdas son las más caras y las utilizadas en la

actualidad [4] [6].

Celdas de Silicio policristalinas

Para la elaboración de este tipo de celdas se emplea silicio similar al

empleado en una celda monocristalina, pero en este caso se funden y se

dispersa en un molde, cuando el material se cristaliza queda de forma

imperfecta y se forma varias tonalidades de color en fracciones de la

superficie. La eficiencia en este tipo de celdas llega hasta un 12%. Este tipo

7

de celdas son de menor coste ya que son más delgadas y su proceso de

elaboración no es tan complejo [4].

Celdas de película delgada (amorfas)

Para la elaboración de este tipo de celda se emplea silicio u otros elementos

como el seleniuro de cobre e indio, telurio de cadmio, fosfuro de indio o el

cobre indio diselenido, etc.

Estas celdas están revestidas con vidrio en la parte superior y en la parte

posterior. La eficiencia de este tipo de celdas es menor a 10%. Estas celdas

son más económicas ya que son extremadamente delgadas y se degradan

con el paso del tiempo [4].

Arseniuro de Galio

El rendimiento de este tipo de celdas está entre un 27% a 28% en su versión

monocristalina, es un material de elevada absorción ya que con poco

material se puede obtener una mayor eficacia. El inconveniente se basa en

la carencia de la materia prima ya que este material no abunda en la tierra

[6].

Bifaciales

Este tipo de celdas puede llegar hasta un 30% de rendimiento y ha sido

elaborado a base de una doble unión (N+ –P –P+) lo que permite captar la

radiación tanto frontal como la reflejada en el suelo (radiación de Albedo) [6].

2.1.3. Paneles fotovoltaicos

Los paneles solares fotovoltaicos están compuestos por una red de celdas

solares que pueden estar conectadas en serie con el fin de incrementar la

tensión de salida continua hasta alcanzar el valor requerido y también pueden

estar conectadas en paralelo con el fin de incrementar la corriente de salida del

sistema [7].

8

2.1.4. Rendimiento de un panel

El rendimiento de un panel solar fotovoltaico está indicado en la etiqueta

proporcionada por el fabricante y es medido en condiciones estándares de

prueba, según la norma ASTM E-1036 (25°C y 1000 W/m2)

2.1.5. Sistema solar fotovoltaico

La energía que se recibe directamente del sol es la denominada energía solar.

Un sistema fotovoltaico está conformado por un conjunto de dispositivos que a

través del efecto fotoeléctrico aprovecha la energía solar y la convierte en

energía eléctrica [8]. Los sistemas fotovoltaicos se pueden instalar de forma

autónoma o pueden estar interconectados a la red eléctrica. Los componentes

de una instalación fotovoltaica autónoma son el generador solar fotovoltaico, el

sistema de Inversión, el regulador de carga y el sistema de baterías. Los

sistemas autónomos producen energía eléctrica a través de un panel solar

fotovoltaico que absorbe la radiación solar, los inversores se encargan de

transformar de corriente continua a corriente alterna, parte de la energía es

almacenada en baterías para abastecerse a la carga cuando se necesite (horas

nocturnas, periodo pico, etc.), es necesario un regulador para un control de

carga y descarga para así evitar sobrecarga o una descarga excesiva de la

batería [9]. Los sistemas conectados a la red prescinden de baterías.

2.1.6. Radiación solar

Es el flujo de energía que emite el sol y que se propaga en todas las

direcciones en forma de ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias: la

luz visible, ultravioleta e infrarroja. La luz visible puede ser percibida por el ojo

humano, la cual representa aproximadamente la mitad de la radiación que

recibimos que comprende entre 0.4 𝜇𝑚 y 0.7 𝜇𝑚. La mitad restante en infrarroja

y una pequeña fracción en la ultravioleta [6] [10].

9

Radiación directa

Es la radiación que incide directamente del sol hacia alguna superficie, sin

reflexiones o refracciones en todo su recorrido. Este tipo de radiación puede

proyectar sombras por los objetos que interfieren en su trayecto [6].

Radiación difusa

Es la radiación generada por el sol, pero que ha sufrido variaciones en su

camino por las reflexiones y absorciones de varios factores como partículas

de polvo, montañas, nubes, vegetación, edificios, el suelo, etc. Este tipo de

radiación viaja en todas las direcciones como resultado de la reflexión y

absorción y no proyecta sombras de los factores u objetos que interfieren en

su camino [6].

Radiación reflejada

Es la radiación reflejada por la superficie terrestre. La cantidad de radiación

depende del albedo (coeficiente de reflexión de la superficie) [6]. La mayor

cantidad de radiación reflejada la reciben las superficies verticales mientras

que las superficies horizontales no reciben radiación reflejada [6].

Radiación global

Es el resultado de la suma de las tres radiaciones mencionadas

anteriormente: radiación directa, difusa y reflejada [6].

2.1.7. Hora pico solar

La hora pico solar se define como la hora donde la radiación solar total que

incide sobre una superficie horizontal es máxima, en condiciones estándares

de prueba esta radiación es de 1000 W/m2 [11].

10

Figura 2 Hora pico solar


2.1.8. Característica Voltaje – Corriente

La característica de salida de un módulo fotovoltaico es representada por la

curva voltaje - corriente [6]. Los valores importantes de un panel fotovoltaico,

en condiciones estándares de prueba, son:

Corriente de corto circuito: Es representada por la máxima corriente

generada por un panel expresada en amperes, al conectar una carga de

resistencia cero en sus terminales de salida.

Voltaje de circuito abierto: Es representado por el máximo voltaje que

genera un panel solar en circuito abierto es decir cuando no existe carga

conectada [7].

Potencia Pico: Es el valor máximo de potencia que el módulo puede

entregar. En la curva representa el valor máximo del producto de V x I.

Corriente de máxima potencia: Es la corriente que el módulo entrega a

potencia máxima bajo determinadas condiciones de temperatura y radiación.

Voltaje de máxima potencia: Es el voltaje de salida del módulo a potencia

máxima bajo determinadas condiciones de temperatura y radiación.

11

2.1.9. Irradiancia

Se define como la magnitud empleada para representar la potencia solar que

incide sobre una superficie. Se representa mediante la unidad de medida W/m2

en el sistema internacional [7]. Existen diversos dispositivos para la medición

de la irradiancia, uno de los más comunes es el piranómetro, diseñado para

medir la irradiancia de una superficie horizontal habitualmente procedente de la

radiación solar global tanto directa o difusa ya que recibe la radiación solar en

todas las direcciones posibles [12].

2.2. Factores que afectan la eficiencia del panel fotovoltaico

La eficiencia de un panel fotovoltaico se ve afectada principalmente por factores

externos y también por factores internos o tecnologías utilizadas en su proceso de

fabricación [4].

2.2.1. Factores externos

A. Suciedad

Se consideran factores de suciedad a las partículas de diferente composición

transportada por el aire, sea orgánico o inorgánico, este material es

característico de cada región. Estos factores hacen que la radiación solar

recibida por las celdas solares fotovoltaicas sea menor, causando disminución

en la eficiencia [13].

Se denomina polvo a todas las partículas sólidas pequeñas y secas que

poseen diferentes tamaños, comúnmente se encuentra entre un intervalo de

tamaño de 1 a 100 µm de diámetro y se asientan con el paso de las horas bajo

la influencia de la gravedad. Estas partículas se encuentran suspendidas en el

aire, dependiendo de las actividades industriales como molienda, trituración,

fresado, volcaduras, etc. y obras civiles como perforación, demolición, entre

otros [13].

12

Este polvo influye en el rendimiento de los paneles fotovoltaicos, reduciendo la

irradiancia que incide sobre este, sin embargo, este polvo dependerá de varios

factores como la naturaleza, tamaño, superficie de deposición, frecuencia de

limpieza, inclinación del panel fotovoltaico, tipo de acristalamiento, ambiente

(rural, urbano o industrial) [14].

A continuación, se presenta el mapa donde se muestra los países del mundo y

sus niveles de concentración de polvo en el ambiente.

Figura 3 Mapa mundial de niveles de concentración de partículas en el ambiente


B. Variaciones climáticas

Las variaciones climáticas (viento, lluvia, humedad, temperatura) pueden

generar una variación en la eficiencia del panel fotovoltaico [4].

El viento es uno de los factores más complejos debido a su interacción con

otros factores. Intervienen dos parámetros, la velocidad y la dirección. Se

puede suponer que a mayor velocidad del viento mayor concentración de polvo

en la superficie del panel fotovoltaico, pero según estudios e investigaciones,

no existe una correlación directa entre la velocidad del viento y la acumulación

de polvo en el ambiente [1].

13

La lluvia es un factor que reduce la cantidad de radiación solar que llega a la

superficie del panel fotovoltaico (nubosidad), a su vez este factor ayuda en el

desplazamiento y limpieza de la suciedad depositada en el panel [16].

La humedad provoca la formación de una capa de rocío en la superficie del

panel fotovoltaico lo que genera mayores niveles de adhesión de las partículas

de polvo al panel [1].

C. Ángulo de inclinación del panel solar fotovoltaico

Cuando el panel solar fotovoltaico se encuentra perpendicularmente en

dirección al sol recibe la máxima radiación por un periodo de tiempo. Los

paneles solares con seguimiento solar disminuyen las pérdidas debido a la

capacidad de orientación al sol que poseen en todo momento y aumentan la

eficiencia [4].

D. Sombras en la superficie del panel solar fotovoltaico

Se debe a algún elemento como árboles, nubes, estructuras o agentes

externos, que obstaculizan la radiación solar que incide uniformemente sobre la

superficie del panel fotovoltaico lo que provoca irregularidades en el voltaje y la

corriente del sistema.

Este factor ocasiona pérdidas en la recolección de energía y reduce la

eficiencia en la conversión de energía eléctrica debido a que la energía recibida

no es homogénea, también ocasiona daños a los componentes físicos del

sistema fotovoltaico como por ejemplo al inversor o a las baterías.

Las nubes pueden tener un gran impacto sobre la cantidad de radiación que

incide sobre la tierra, las nubes más densas bloquean más radiación que las

nubes más delgadas [4] [7].

El sombreado parcial de los paneles fotovoltaicos crea el denominado efecto de

los puntos calientes. Además, la deposición de polvo que cubre parcial o

14

totalmente la superficie del panel puede provocar un sobrecalentamiento o

enfriamiento del panel [17].

2.2.2. Factores internos

Se consideran las condiciones existentes en el sistema solar fotovoltaico que

afectan su eficiencia.

A. Temperatura de funcionamiento del panel solar fotovoltaico

Este factor es el principal elemento en el proceso de conversión de energía

solar a eléctrica. Los paneles solares fotovoltaicos absorben aproximadamente

el 80% de la radiación emitida por el sol, sin embargo no toda la radiación

proveniente del sol se convierte en electricidad, un panel fotovoltaico convierte

entre 5-25% de energía incidente en energía eléctrica y lo restante se disipa en

forma de calor. Este fenómeno ocasiona el incremento de la temperatura del

panel, si éste aumento de temperatura está por encima de la temperatura

normal de funcionamiento puede provocar el deterioro del panel solar

fotovoltaico reduciendo la eficiencia [18].

Los paneles solares sufren pérdidas debido a las altas temperaturas que

adquiere la celda lo que se refleja en la disminución de la tensión en la curva I-

V [1].

B. Efectos de reflexión

Debido a la diferencia en los índices de refracción, las pérdidas de reflexión

óptica pueden llegar hasta un 8 o 9% [4].

Se realizó un estudio donde se revistió una capa de sílice con propiedades anti-

reflectantes y anti-manchas para evaluar los efectos y se determinó un

aumento del 3.2% en la potencia de salida del sistema fotovoltaico [19].

15

2.3. Eficiencia energética

La eficiencia de un panel solar fotovoltaico no es más que el porcentaje de energía

solar que incide sobre el panel fotovoltaico y que se convierte en energía eléctrica.

Sin embargo, la eficiencia del panel no es la misma que la eficiencia de una celda

fotovoltaica. La eficiencia del panel es inferior a la eficiencia de las celdas solares

entre 1 a 3%. [20]

Para determinar la eficiencia de un panel solar fotovoltaico se puede usar el punto de

máxima de potencia (Pmp) [4, 21, 21], donde el voltaje y la corriente alcanzan sus

máximos valores simultáneamente.

Pmp = Vmp × Imp

Donde:

Pmp = Punto de máxima potencia (W)

Vmp = Voltaje de máxima potencia (V)

Imp = Corriente de máxima potencia (A)

La Potencia solar es:

𝑃𝑠 = 𝐸 𝑥 𝐴𝑐

Donde:

Ps = Potencia solar (W)

E = Irradiancia (𝑊 𝑚2⁄ )

Ac = Superficie del panel solar fotovoltaico (m2)

La Eficiencia es:

𝜂 =𝑃𝑚𝑝

𝑃𝑠

16

Donde:

η = Eficiencia

Pmp = Punto de máxima potencia (W)

Ps = Potencia solar (W)

17

CAPÍTULO 3

ESTADO DEL ARTE

En este capítulo se muestra el estado del arte enfocado a los tres factores a evaluar:

suciedad, viento y lluvia.

3.1. Factor suciedad

El uso de la energía fotovoltaica se está incrementando día a día, sin embargo,

existen diversos problemas técnicos y ambientales que dificultan la obtención de

potencia óptima de los paneles fotovoltaicos. Uno de los principales problemas con

respecto a la generación de energía solar fotovoltaica es la deposición de polvo

sobre la superficie del panel fotovoltaico [13] . Diversas investigaciones han evaluado

el efecto de la suciedad en paneles fotovoltaicos, donde afirman un porcentaje de

reducción del rendimiento o eficiencia de los paneles por un periodo de tiempo

determinado, sin tomar en cuenta el tipo de contaminación y la cantidad de partículas

de polvo empleadas en sus pruebas, ya que no se puede generalizar o afirmar que

existe una correlación directa entre la reducción de la eficiencia y el tiempo expuesto

al polvo porque este factor va depender del lugar, tipo de contaminación y la cantidad

de polvo o suciedad acumulado en los paneles [22] [23]. Se evaluó el efecto del

polvo con diferentes propiedades físicas y densidad superficial de deposición (g/m2)

18

sobre el rendimiento de celdas fotovoltaicas, los experimentos se realizaron con un

simulador solar, dos paneles fotovoltaicos (uno limpio y otro para prueba), se

utilizaron cinco tipos de polvo cada una con diferentes propiedades físicas: partículas

de cemento, de carbono y tres diferentes clases de piedra caliza de diferentes

tamaños que fueron desprendidos manualmente cerca del panel dejando que se

asentaran y distribuyeran uniformemente para luego ser pesado y obtener la cantidad

de polvo depositado sobre el panel. Se obtuvo como resultado que la acumulación de

partículas de polvo en la superficie de los paneles fotovoltaicos deteriora su

rendimiento [23]. En la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de la Universidad de

Sevilla, realizaron unos ensayos para analizar si la suciedad influye en la potencia

generada por los paneles fotovoltaicos, para ello clasificó el tipo de suciedad a utilizar

(Limo, <125 𝜇𝑚 de diámetro de partícula y Arcilla <65 𝜇𝑚), asimismo se eligieron

diferentes densidades superficiales para cada tipo de suciedad (0.2 g/m2; 0.4 g/m2;

0.8 g/m2; 1.2 g/m2; 1.5 g/m2) para una superficie total de 0.817 m2 del panel

fotovoltaico, las pruebas se realizaron en dos paneles fotovoltaicos monocristalinos

expuestas a la radiación solar e impurezas en el aire sin presencia de lluvias y

vientos, la deposición de suciedad fue realizada de forma manual, para ambos tipos

de suciedades se observó una caída tanto de la potencia máxima como de la

intensidad de cortocircuito entre los paneles (sucio y limpio), en cuanto al voltaje se

puede deducir que su valor se mantiene constante y no es influenciado por la

presencia de suciedad [24]. Se sabe que la suciedad influye significativamente sobre

la transmisión de energía solar, reduciendo el rendimiento del panel fotovoltaico, las

investigaciones sobre su influencia van de 2% a 40% aproximadamente [14].

Según [25] el análisis económico indicó que el costo total de las pérdidas de

producción de trece paneles fotovoltaicos causados por el polvo es menor que el

coste total de limpieza, por lo tanto no se recomienda ningún método de limpieza

19

3.2. Factor viento

La eficiencia de los paneles fotovoltaicos es inversamente proporcional a la

temperatura del mismo [26] [27]. Generalmente los estudios realizados del

rendimiento de energía solar aprecian una sola temperatura uniforme sobre los

paneles fotovoltaicos, sin embargo, hay estudios que han obtenido variaciones

significativas en la temperatura de los paneles fotovoltaicos causados por las

distintas velocidades del viento que influyen sobre el panel fotovoltaico, estas

variaciones afectan al rendimiento de los paneles [28]. Una investigación realizada

en el túnel del viento analizó el comportamiento de distintos valores de velocidad de

viento, donde demostraron que a mayor velocidad del viento, mayor es la pérdida por

la acumulación de polvo [1] [29]. En la investigación [30] evaluaron el rendimiento

energético y térmico de un sistema fotovoltaico con ventilación natural, aprovechando

las corrientes de viento que existe en Izmir, Turquía, se concluyó que la eficiencia

mejora hasta un 4% y un incremento en la generación anual de electricidad entre 4.7

a 5.7%. La potencia de salida máxima y la eficiencia eléctrica que puede tener un

panel fotovoltaico depende de la temperatura de las celdas [31] [32]. Según [33]

cuando los paneles fotovoltaicos son instalados en los techos de los edificios en

zonas urbanas, el viento sólo influye en la parte superior del panel, sin embargo

cuando los paneles son instalados sobre un soporte ambos lados del panel se ven

influenciados por el viento, este último permite que el panel se encuentre enfriando

por ambos lados, ya que la ventilación posterior es una técnica de enfriamiento

simple y natural para evitar que el panel se eleve a altas temperaturas y por ende

afecte el rendimiento del panel fotovoltaico [34]. En el artículo [35] evaluaron estudios

de túneles de viento donde la temperatura y la velocidad del viento se midieron en

ambos lados del panel fotovoltaico pero sólo funcionaron con velocidades bajas de

0.5 a 2 m/s. Dirk Goossens realizaron mediciones de viento y temperatura de un

panel fotovoltaico en un túnel de viento, estas pruebas se realizaron con velocidades

20

entre 1 y 5 m/s, estando estas incluidas entre el intervalo velocidades de viento

promedio anuales que se registran cerca de las superficies continentales de la tierra

que normalmente varía entre 1 y 6 m/s, se demostró que mientras un panel tenga

ventilación por ambos lados afecta considerablemente al rendimiento eléctrico del

panel [33].

Según Pablo Duque, bajas velocidades de viento crean una capa uniforme de

partículas depositadas sobre el panel fotovoltaico las cuales generan sombra de

forma más efectiva, en cambio altas velocidades de viento generan la deposición de

partículas más gruesas las cuales son menos efectivas en el sombreado, no obstante

se concluye que comparando cuantitativamente se trata de un suceso intrascendente

en cuanto a pérdidas del rendimiento del panel [1].

3.3. Factor lluvia

La mayoría de las investigaciones como en [36] y [37] confirman que las fuertes

lluvias no afectan negativamente el rendimiento del panel fotovoltaico, por el contrario,

reducen la cantidad de partículas de polvo sobre la superficie del panel,

arrastrándolas y logrando un efecto de limpieza natural siempre y cuando el panel se

encuentre con una determinada inclinación, mientras que las lluvias leves si afectan

negativamente el rendimiento del panel fotovoltaico ya que no tiene la suficiente

intensidad para arrastrarlas haciendo que permanezcan sobre ella, favorecen una

mayor adhesión de las partículas de polvo en la superficie del panel.

En la ciudad de Arequipa el clima varía según la distribución de su territorio en

diversas zonas geográficas. En la sierra encontramos un clima seco mientras que en

la costa el clima es templado y nuboso. Las precipitaciones incrementan entre el mes

de noviembre hasta el mes de marzo [38].

El efecto de la lluvia en la eficiencia de los paneles fotovoltaicos va depender del

lugar de evaluación, ya que en distintos lugares del mundo encontramos diversas

21

características climáticas, por ejemplo, en la ciudad de Arequipa las lluvias vienen

acompañadas de una gran nubosidad y una baja irradiancia.

La generación de energía solar se ve afectada por muchos factores como técnicos

propios del panel y también como los factores medioambientales uno de ellos es la

nubosidad que daña el panel solar fotovoltaico debido a que las nubes generan un

efecto de reflexión y absorción impidiendo la incidencia de radiación solar y

afectando el desempeño del mismo [1] [21].

Daniel Martínez realizó un estudio experimental donde evalúa el desempeño de

paneles fotovoltaicos sometidos a una nubosidad controlada y generada de manera

artificial de 0.7063 kg/m3 de densidad y gotas de 3 a 5 µm de diámetro, concluyendo

que mientras más aumente la nubosidad genera una reducción de la radiación

percibida por el panel fotovoltaico [21].

22

CAPÍTULO 4

METODOLOGÍA

El presente capítulo muestra el desarrollo de la metodología empleada en la elaboración

de la tesis.

4.1. Metodología

La metodología empleada en la presente tesis es de carácter general, la cual se

divide en tres fases: fase teórica, donde se detalla la revisión de la literatura y estado

del arte; la segunda fase es la experimental, donde se muestra la implementación y

evaluación experimental; y la tercera fase de evaluación de la presentación y análisis

de resultados

Fase Teórica

Para el desarrollo de esta tesis se buscó información teórica y se realizó la

validación de la información más relevante para el desarrollo de la tesis en cuanto

a sistemas fotovoltaicos, factores que afectan el rendimiento del panel, el método

para determinar la eficiencia del mismo, y su representación monetaria por

pérdidas de eficiencia, esta información se revisó y lo más resaltante y

provechoso de esta información se aplica en la tesis para su desarrollo.

23

Fase Experimental

Esta investigación es de tipo experimental, que consiste en la evaluación técnico-

económico de un sistema fotovoltaico con influencia de factores como suciedad

(cemento, sillar y arcilla), viento y lluvia.

Se realizarán pruebas en dos paneles fotovoltaicos, un panel estrictamente limpio

y el otro con influencia de cada uno de los factores seleccionados. Se determinará

el porcentaje y costos por pérdidas de eficiencia.

Fase de evaluación

Se analiza e interpreta los resultados obtenidos en la fase experimental por cada

factor seleccionado.

4.2. Descripción de la investigación

Esta investigación es de tipo básica experimental, de carácter cuantitativa y con

alcance explicativo.

4.2.1. Estudio de Caso

Este proyecto se desarrolla en la Universidad Tecnológica del Perú (UTP),

ubicado en la Av. Tacna y Arica 160, Arequipa, Arequipa, Arequipa

(Coordenadas: 16°24'31.6"S 71°32'27.5"W), edificio con cinco niveles situado

en una zona urbana, las pruebas se realizarán en el quinto nivel (terraza), que

cuenta con un salón para instalar los equipos de toma de datos que forman

parte del sistema fotovoltaico y un área al aire libre que cuenta con las

condiciones idóneas para realizar las pruebas (sin impedimento de incidencia

de la radiación solar).

4.3. Operacionalización de variables

Variable Independiente: Factores externos.

Variable dependiente: Evaluación técnico-económico.

24

Tabla 1 Operacionalización de variables

VARIABLES

INDICADORES SUB INDICADORES INSTRUMENTO

Evaluación

técnica-

económica.

Desempeño

- Irradiancia

- Corriente eléctrica

- Voltaje

- Temperatura

- Eficiencia

Piranómetro,

Sensores de

corriente, Sensores

de tensión y

sensores de

temperatura.

Costos.

- Costos por pérdida de

eficiencia. Hoja de cálculo

Factores

externos

(suciedad,

viento y

lluvia)

Factor suciedad:

Clasificación del

Polvo.

- Tipo de partícula.

- Tamaño de partícula.

- Acumulación de polvo.

Balanza,

Tamices.

Factor viento:

Determinación de

las velocidades del

viento a evaluar.

Velocidad del viento. Anemómetro

Factor lluvia:

Determinación de

la pluviosidad a

evaluar.

Diámetro de

precipitación.

Pluviómetro.

(Fuente: Elaboración propia)

25

CAPÍTULO 5

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN EXPERIMENTAL

En el presente capítulo se muestra el diseño y desarrollo del proyecto de investigación.

5.1. Diseño del sistema fotovoltaico

Se ha diseñado un sistema experimental con el objetivo de adquirir los datos

necesarios para el cálculo de la eficiencia energética.

5.1.1. Paneles fotovoltaicos

El sistema está conformado por dos paneles fotovoltaicos monocristalinos

nuevos, del mismo lote de producción, según la Tabla 2:

Tabla 2 Especificaciones técnicas según el fabricante de dos PV

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS

Marca Intipower

Potencia (Pm) 90 W

Voltaje de circuito abierto (Voc) 21.2 V

Corriente de corto circuito (Isc) 5.86 A

Voltaje de máxima potencia (Vmp) 17.2 V

Corriente de máxima potencia (Imp) 5.23 A

Área 0.648 m2

(Fuente: Ficha técnica de fabricante)

26

Ambos paneles fotovoltaicos se colocaron sobre la terraza de la universidad y

con la ayuda de una brújula fueron orientados hacia el norte con una inclinación

de 0°, para garantizar la homogeneidad en la acumulación de polvo. Un panel

se mantuvo siempre limpio (panel de referencia) y el otro panel con la influencia

de suciedad y viento (panel de prueba).

Figura 4 Colocación y orientación de paneles fotovoltaicos

5.1.2. Carga eléctrica

Cada panel fotovoltaico encenderá seis lámparas en corriente continua cada

una de 24 V y 21 W de potencia conectados en paralelo (Fig. 5 y Fig. 6).

Figura 5 Diseño del circuito en paralelo de la carga


27

Figura 6 Conexiones del circuito en paralelo de la carga


5.1.3. Medición de la Irradiancia

Para medir la irradiancia que incide sobre la superficie de los paneles

fotovoltaicos, se colocó cerca de los paneles un piranómetro que mide la

irradiancia global (Fig. 7).

Tabla 3 Especificaciones técnicas del piranómetro


Marca Apogee Instruments

Modelo SP-110 - SS.

Sensibilidad 0.2 mV por W/m2


Figura 7 Piranómetro

28

5.1.4. Medidor de corriente

Se utilizó un medidor de corriente Arduino que funciona con un sensor de

efecto Hall (Fig. 5), para medir la cantidad de energía eléctrica consumida por

las lámparas que están alimentadas por los paneles fotovoltaicos, este sensor

está conectado al sistema de adquisición de datos mediante un termopar tipo k

para la medición los datos [39].

Tabla 4 Especificaciones técnicas del medidor de corriente


Figura 8 Medidor de corriente.

5.1.5. Medición de voltaje

El voltaje se registró directamente en el sistema de adquisición de datos el cual

permite una entrada de hasta 110 V en corriente continua.

5.1.6. Medición de temperatura

Se utilizó termopares tipo K de 0.1 mm de diámetro revestidos por teflón.

5.1.7. Sistema de adquisición de datos

Para obtener los valores para el cálculo de la eficiencia del panel fotovoltaico

se utilizó un sistema de adquisición de datos con una placa de 20 canales.


Marca Arduino

Modelo ACS712ELCTR-20A-T

Intervalo de trabajo -20 a 20 A

Sensibilidad 100 mV/A

29

Este SAD permite la toma de datos del voltaje de máxima potencia del panel,

corriente de máxima potencia del panel, temperatura del panel y la irradiancia

que llega a la superficie del panel fotovoltaico, estos datos serán mostrados a

través del software (Agilent BenchLink Data Logger 3 para Microsoft®

Windows®) instalado en una computadora. Los datos se tomaron cada 10

segundos.

Tabla 5 Especificaciones técnicas del sistema de adquisición de datos


Figura 9 Sistema de adquisición de datos

5.2. Incertezas

El cálculo de las incertezas de los equipos e instrumentos se determinó según la

ficha técnica de cada uno, mientras que la incerteza de los parámetros que

dependen de estos equipos se determinó empleando el método de Kline y

McClintock [40]. En la tabla 6, se muestran los resultados de las incertezas.


Marca Keysight Technologies

Modelo 34972A LXI Data Acquisition/Swich Unit

Señales Voltaje, corriente, resistencia, frecuencia,

temperatura RTD.

30

Tabla 6 Incertezas estudiadas.

Parámetro Unidad Incertezas (%) Referencia

Irradiancia 𝑊

𝑚2

±0.5 Instrumento

Área m ± 0.3 Instrumento

Corriente eléctrica 𝐴 ± 0.5 Instrumento

Voltaje 𝑉 ± 0.1 Instrumento

Temperatura °𝐶 ± 2.5 Instrumento

Velocidad del viento 𝑚

𝑠 ± 3 Instrumento

Potencia solar 𝑊 ± 0.6 [(

δA

A)

2

+ (δIs

Is)

2

]

0.5

Potencia eléctrica de

paneles fotovoltaicos

𝑊 ± 0.5 [(

δIPV

IPV)

2

+ (δVPV

VPV)

2

]

0.5

Eficiencia eléctrica de

paneles fotovoltaicos

𝑊

𝑊

± 0.8

[(δPpv

Ppv)

2

+ (δPs

Ps)

2

]

0.5

(Fuente: Elaboración propia).

5.3. Instrumentación del sistema fotovoltaico

Los paneles fotovoltaicos fueron expuestos a la radiación solar. Las pruebas se

realizaron en el mes de octubre de 2018 hasta marzo de 2019 entre las 06 h y las 17

h 30 min para obtener resultados representativos.

31

Figura 10 Esquema de instalación de sistema fotovoltaico


5.4. Evaluación del factor suciedad

5.4.1. Caracterización de la suciedad (polvo)

Actualmente existe sólo una forma de caracterizar el polvo o suciedad que se

deposita sobre la superficie de los paneles fotovoltaicos y es a través del tipo

de partícula, tamaño de partícula en µm y la deposición del polvo en g/m2 [24].

A. Tipo de partículas

El efecto de la suciedad sobre el rendimiento energético se determina

dependiendo del lugar, es decir, que está relacionado con la contaminación del

aire local del área donde se va a instalar el sistema fotovoltaico y realizar las

evaluaciones correspondientes, esto hace que no sea preciso generalizar un

tipo de suciedad en todos los casos [41]. Diferentes lugares o áreas pueden

tener diferentes tipos de partículas suspendidas en la atmósfera y este puede

inferir en la reducción de la radiación que llega a los paneles [42].

32

Los tipos de suciedad seleccionados para las evaluaciones experimentales

corresponden a lo que encontramos en la atmosfera de nuestro entorno. Según

el Informe Nacional de Calidad de aire del 2013 al 2014 realizado por el

Ministerio del Ambiente (MINAM) en Arequipa, entre las principales fuentes de

contaminación de la ciudad, según sus actividades están las ladrilleras y las

cementeras [43].

Ladrilleras: Actualmente en Arequipa existen 208 ladrilleras entre formales e

informales inscritas en la Dirección regional de Industrias [44] [45].

La arcilla es la materia prima fundamental para la elaboración de ladrillos [44].

Los principales contaminantes generados en el proceso de elaboración de

ladrillos son: abundantes partículas en suspensión (extracción de arcilla y

tierras, mezclado y transporte) y humo negro a causa del combustible

empleado para la cocción de ladrillos en los hornos [45].

Generalmente en los suelos encontramos por lo menos tres variedades por

tamaño comúnmente denominados: arena, limo y arcilla.

Cementeras y construcción en zonas urbanas: El cemento es el principal

elemento utilizado en construcciones urbanas y está presente en el aire en

distintas concentraciones [24]. Uno de los pilares de desarrollo más

importantes de la región sur del país es la cementera Yura S.A dedicada a la

producción y comercialización del cemento.

Construcción tradicional y canteras de sillar: El sillar es el vetusto material

de construcción de la arquitectura arequipeña tradicional, de origen volcánico

que la podemos apreciar en casonas, portales, iglesias, piletas, cúpulas entre

otros [46]. En la ciudad de Arequipa existen muchas canteras donde explotan el

sillar, como también existen talleres de corte y tallado del sillar, dejando éstas

actividades residuos de partículas finas de sillar que son desplazadas por toda

la ciudad por efecto de los vientos [47].

33

B. Tamaño de partículas

Algunas investigaciones han determinado que mientras las partículas de polvo

sean de menor tamaño las pérdidas son mayores, esto se debe a que las

partículas pequeñas que estén depositadas sobre la superficie del panel

fotovoltaico ocuparán más lugar o estarán distribuidas de manera más uniforme

que la partículas gruesas por ende reduce los espacios vacíos entre las

partículas por las cuales puede pasar la luz [17]. Sin embargo ya existe un

rango determinado de partículas que se depositan sobre la superficie de los

paneles.

Según la literatura, se determinó que el tamaño de partícula presente en la

atmosfera varía entre 1 a 100 µm, es por ello que para las evaluaciones se

utilizará la muestra de menor tamaño siendo <74 µm para Arcilla, Cemento y

Polvo de Sillar (Fig. 12). El Método para medir el tamaño de partículas

empleado es:

Granulometría mediante tamizado: Cada muestra clasificada por tipo de

partícula pasó por un tamiz (Fig. 11) con malla N° de mesh 200 que clasifica las

partículas menores a 74 micras

Figura 11 Tamices para evaluación


34

Figura 12 Arcilla, cemento y Sillar <74 µm.

C. Deposición de polvo

Según la literatura no existe un criterio preciso para establecer la cantidad de

polvo artificial acumulado sobre el panel fotovoltaico para realizar las pruebas

experimentales [1] [24] [23]. Para estas pruebas se han establecido las

siguientes: 5 g/m2, 15 g/m2, 25 g/m2, 35 g/m2. Se pesaron cada tipo de partícula

(arcilla, cemento y polvo de sillar) de 74 µm cada una, empleando una balanza

digital de dos dígitos (Fig. 13) pertenecientes al laboratorio de química de la

Universidad Tecnológica del Perú.

Figura 13 Peso de muestras.

Para colocar el polvo en el módulo fotovoltaico se empleó una deposición de

polvo manual, según la literatura se ha realizado varios métodos para esta

aplicación, siendo la más eficiente colocar una cubierta de cartón con una

35

altura de 1 metro alrededor de todo el panel (Fig. 14), luego se colocó la

muestra de polvo manualmente, las partículas quedaron suspendidas por

unos minutos para luego ser depositadas sobre la superficie del panel

fotovoltaico por efecto de la gravedad, está cubierta ayudó a que no existan

muchas pérdidas por efecto del viento.

Figura 14 Diseño para la deposición de polvo experimental


Figura 15 Deposición de polvo de arcilla

36

Figura 16 Deposición de polvo de cemento

Figura 17 Deposición de polvo de sillar

5.4.2. Evaluación según muestra seleccionada

Primero se procedió a tomar los datos de los paneles fotovoltaicos con ambas

superficies limpias para comprobar que ambos paneles muestran el mismo

37

comportamiento y verificar su igualdad de eficiencia. Las siguientes pruebas se

realizarán ensuciando el panel de forma artificial.

Tabla 7 Evaluación de suciedad

TIPO DE

SUCIEDAD

(POLVO)

TAMAÑO DE

PARTÍCULA

DENSIDAD DE

DEPOSICIÓN DE

POLVO (g/m2)

PESO

TOTAL (g)

Ambos paneles limpios

Cemento

<74 µm

5 4.86

15 14.58

25 24.3

35 34.02

Arcilla

< 74 µm

5 4.86

15 14.58

25 24.3

35 34.02

Polvo de Sillar

<74 µm

5 4.86

15 14.58

25 24.3

35 34.02


5.5. Evaluación del factor viento

Para las evaluaciones del factor viento se utilizó un ventilador industrial con tres

posiciones de potencia (52 W, 58 W, 73 W). Se elaboró una cubierta de cartón

alrededor del ventilador para homogeneizar la velocidad del viento, simulando un

38

difusor de aire (haciendo la boquilla más estrecha) para que el viento se distribuya

mejor y se obtengan resultados de velocidades homogéneas (Fig. 18).

Figura 18 Diseño de cono de cartón


Para determinar una velocidad representativa del viento se midió tres posiciones (P1,

P2 y P3) para cada potencia, según la Fig. 19.

Se midió la velocidad del viento en m/s con un anemómetro del laboratorio de

química de la Universidad Tecnológica del Perú

Figura 19 Posiciones a medir en cubierta de cartón con boquilla rectangular


P1 P2 P3

39

Tabla 8 Especificaciones técnicas del anemómetro


Se registraron los datos de las velocidades promedio de cada punto determinado

del ventilador.

Tabla 9 Medición de las velocidades promedio

Posiciones P1 (m/s) P2 (m/s) P3 (m/s) PROMEDIO (m/s)

A 3.7 3.1 4.0 3.6

B 4.1 3.6 4.2 3.9

C 4.2 3.7 4.5 4.1

(Fuente: Elaboración propia).

Las evaluaciones realizadas para determinar el desempeño de los paneles con

influencia de las tres velocidades de viento de la tabla 9, se realizaron con la influencia

del viento artificial cubriendo todo el rededor de los paneles con vidrios para que no

influya la velocidad del viento natural.

5.6. Evaluación del factor lluvia

La lluvia afecta drásticamente al desempeño del panel fotovoltaico durante la

producción de energía, generalmente la lluvia acompaña a una caída en la

irradiancia solar. Los experimentos se realizan en condiciones naturales de lluvia.


Marca Kestrel

Modelo 4000 Pocket Weather™ Tracker™

Intervalo de trabajo –20°C a 60°C [-4°F a 140°F.]

Unidad de medida m/s

40

CAPÍTULO 6

PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

6.1. Análisis técnicos

6.1.1. Resultados preliminares

6.1.1.1. Curva de Voltaje y Corriente de paneles limpios

En la Fig. 20 se puede observar la variación del voltaje y corriente para ambos

paneles limpios del panel de referencia (Pr) y panel de prueba (Pp), esta

prueba se realiza con el fin de comprobar el mismo desempeño de ambos

paneles bajo las mismas condiciones de trabajo.

Figura 20 Voltaje y corriente eléctrica de Pr y Pp (ambos paneles limpios)


41

En la Fig. 21 y Fig. 22, se observa que el voltaje y la corriente eléctrica del

panel de referencia y del panel de prueba son correspondientes, se evaluaron a

ambos paneles limpios en igualdad de condiciones, el voltaje máximo de

ambos paneles fue de 16.6 V y la corriente de 3.6 A. Los resultados de esta

evaluación comprueban que ambos paneles tienen el mismo comportamiento,

a partir de ello podemos determinar que las diferencias que se muestren

cuando uno de los paneles se mantenga limpio (Pr) y el otro sucio (Pp), es

debido únicamente a la influencia del polvo. En las mismas Fig. 21 y 22, ambas

variables presentan una relación lineal positiva; es decir, a medida que

aumenta el valor de la variable del voltaje y la corriente del panel de referencia

también aumenta el valor de la variable del voltaje y la corriente del panel de

prueba.

Figura 21 Comparación del Voltaje entre Pr y Pp (ambos paneles limpios)


42

Figura 22 Comparación de la corriente eléctrica entre Pr y Pp (ambos paneles limpios)


6.1.1.2. Curva de Potencia eléctrica de paneles limpios

En la Fig. 23 se presenta los resultados de generación eléctrica para los

paneles limpios, una vez más se observa que ambos paneles tienen el mismo

desempeño eléctrico. La máxima potencia es de 60W.

Figura 23 Potencia eléctrica de Pr y Pp (ambos paneles limpios)


43

Como se observa en la figura 24, ambas potencias (panel de prueba y de

referencia) presentan una relación lineal positiva; es decir, a medida que

aumenta el valor de la variable de la potencia eléctrica del panel de referencia

también aumenta el valor de la variable de la potencia eléctrica del panel de

prueba.

Figura 24 Comparación de la potencia eléctrica entre Pr y Pp (ambos paneles limpios)


6.1.1.3. Curva de Eficiencia de paneles limpios

En la Fig. 25, se observa que la eficiencia del panel de referencia y del panel

de prueba es muy similar, la eficiencia máxima es de 11%. Los resultados se

muestran para un día de verano típico de la ciudad de Arequipa (noviembre-

diciembre), durante el cual la irradiación solar máxima (11:48 h) alcanza

valores de 1001 W/m2.

44

Figura 25 Eficiencia de Pr y Pp (ambos paneles limpios)


Como se observa en la Fig. 26, ambas variables presentan una relación lineal

positiva; es decir, a medida que aumenta el valor de la eficiencia del panel de

referencia también aumenta el valor de la eficiencia del panel de prueba.

Figura 26 Comparación de la eficiencia entre Pr y Pp (ambos paneles limpios)


45

6.1.2. Resultados de pruebas del factor suciedad

6.1.2.1. Resultados de eficiencia de paneles con influencia de cemento

En la Fig. 27, la eficiencia máxima para 5 g/m2 de cemento <74 µm, varía de

11.4% (panel limpio) a 10.1% (panel sucio).

Figura 27 Eficiencia de Pr y Pp con influencia de 5 g/m2 de cemento < 74 µm


En la Fig. 28, la eficiencia del panel de prueba (Eficiencia Pp) sufre una notable

disminución como resultado de la presencia de 15 g/m2 de cemento <74 µm

pasando de una eficiencia máxima de 10.1% (panel limpio) a 5.9% (panel

sucio).

Figura 28 Eficiencias de Pr y Pp con influencia de 15 g/m2 de cemento < 74 µm


46

En Fig. 29, la eficiencia del panel de prueba (Eficiencia Pp) sufre una mayor

disminución como resultado de la presencia de 25 g/m2 de cemento <74 µm


sucio).



En la Fig. 30, la eficiencia del panel de prueba (Eficiencia Pp) sufre una gran

disminución como resultado de la presencia de 35 g/m2 g de cemento <74 µm


sucio).



47

En la Fig. 31, se puede observar que las temperaturas del panel limpio llegan

aproximadamente entre los 60°C y 74°C para la temperatura superior e inferior

del panel fotovoltaico respectivamente, pero cuando se ve influenciado por 35

g/m2 de cemento <74 µm, las temperaturas se reducen entre 57°C y 72°C para

la temperatura superior e inferior del panel respectivamente. La temperatura

medida en la parte superior del panel fotovoltaico es menor debido a la

influencia del viento sobre la superficie del panel y la temperatura medida en la

parte inferior es menor ya que generalmente van instalados sobre una

superficie impidiendo la circulación del viento a su vez por la presencia de la

caja de conexiones.

Las temperaturas del panel limpio (Pr) medidas en la parte superior e inferior

del panel son ligeramente mayor a las temperaturas del panel ensuciado de

polvo (Pp) debido a que el panel cuando se ve cubierto de polvo genera un

capa ligera que impide la incidencia de la radiación solar y la concentración de

calor.

Figura 31 Temperatura, factor suciedad, cemento 35 g/m2


48

6.1.2.2. Resultados de eficiencia de paneles con influencia de sillar

En la Fig. 32, la eficiencia del panel de prueba (Eficiencia Pp) sufre una ligera

disminución como resultado de la presencia de 5 g/m2 de sillar <74 µm


sucio).

Figura 32 Eficiencias de Pr y Pp con influencia de 5 g/m2 de sillar < 74 µm




pasando de una eficiencia máxima de 10.4% (panel limpio) a 4% (panel sucio).

Figura 33 Eficiencias de Pr y Pp con influencia de 15 g/m2 de sillar de 74 µm


49

En la Fig. 34, la eficiencia del panel de prueba (Eficiencia Pp) sufre una mayor



sucio).

Figura 34 Eficiencias de Pr y Pp con influencia de 25 g/m2 de sillar < 74 µm


En la Fig. 35, la eficiencia del panel de prueba (Eficiencia Pp) sufre una gran


pasando de una eficiencia máxima de 9.8% para el panel limpio a 1.1% para el

panel sucio.

Figura 35 Eficiencias de Pr y Pp con influencia de 35 g/m2 de sillar de 74 µm


50


aproximadamente entre los 60°C y 73°C, para la temperatura superior e inferior


g/m2 de sillar <74 µm, las temperaturas se reducen entre 53°C y 68°C para la

temperatura superior e inferior del panel respectivamente.

Figura 36 Temperatura, factor suciedad, sillar 35 g/m2


6.1.2.3. Resultados de eficiencia de paneles con influencia de arcilla

En la Fig. 37 la eficiencia del panel de prueba (Eficiencia Pp) sufre una ligera

disminución como resultado de la presencia de 5 g/m2 de arcilla <74 µm


sucio).

51

Figura 37 Eficiencias de Pr y Pp con influencia de 5 g/m2 de arcilla < 74 µm





sucio).

Figura 38 Eficiencias de Pr y Pp con influencia de 15 g/m2 de arcilla de 74 µm


52

En Fig. 39, la eficiencia del panel de prueba (Eficiencia Pp) sufre una mayor



sucio).

Figura 39 Eficiencias de Pr y Pp con influencia de 25 g/m2 de arcilla de 74 µm


En la Fig. 40, la eficiencia del panel de prueba (Eficiencia Pp) sufre una mayor



sucio).

Figura 40 Eficiencias de Pr y Pp con influencia de 35 g/m2 arcilla de 74 µm


53


aproximadamente entre los 61°C y 76°C, para la temperatura superior e inferior


g/m2 de arcilla <74 µm, las temperaturas se reducen entre los 60°C y 70°C.

Figura 41 Temperatura, factor suciedad, arcilla 35 g/m2


6.1.2.4. Resultados de eficiencia promedio

En la Fig. 42, 43 y 44 se presentan la eficiencia en promedio para diferentes

cantidades de polvo de Cemento, Sillar y Arcilla, respectivamente. En los tres

casos la eficiencia disminuye cuando la cantidad de deposición de polvo (g/m2)

aumenta. También es posible observar que cuando no hay polvo en el panel

fotovoltaico, la eficiencia no sobrepasa el 11%, a medida que se va

aumentando la cantidad de polvo por unidad de área la eficiencia se va

reduciendo hasta alcanzar valores críticos, en los cuales el panel fotovoltaico

no genera electricidad.

54

Figura 42 Eficiencia promedio para diferentes deposiciones de Cemento.


Figura 43 Eficiencia promedio para diferentes deposiciones de Sillar.


55

Figura 44 Eficiencia promedio para diferentes deposiciones de Arcilla.


En la Fig. 45 se observa que la eficiencia no depende del tipo de partícula, esto

se debe a que los 3 tipos de polvo (cemento, sillar o arcilla) ocasionan la misma

disminución porcentual en la eficiencia. Estos resultados concuerdan con lo

expuesto por Pablo Nuevo ya que los tres tipos de polvos evaluados tienen

similares propiedades físicas como por ejemplo el tamaño de partícula, la

forma, dureza y un color claro, por ello considera a este factor como irrelevante,

aunque pendiente de confirmación por falta de investigaciones [1]. Por otro lado

otras investigaciones han evaluado la eficiencia de paneles solares con

influencia de partículas de carbono formadas por el proceso de combustión

obteniendo resultados diferentes ya que estas absorben la radiación solar de

manera muy efectiva esto está relacionado con las características ópticas de

las partículas de carbono.

Se muestra también la importancia en el proceso de limpieza y mantenimiento

de los paneles fotovoltaicos, más aún en lugares urbanos donde otros factores

aumentan la adhesión de estas partículas al panel, podemos mencionar el

material particulado proveniente de los procesos de combustión, la humedad y

las lluvias ligeras que no limpian el panel, por lo contrario, aumentan la

adhesión de todos los contaminantes.

56

Figura 45 Eficiencia promedio para diferentes deposiciones de Cemento, Sillar y Arcilla.


En la tabla 10., se muestra un cuadro comparativo de las mediciones de

eficiencia del panel limpio y la eficiencia de un panel con influencia de cemento,

sillar y arcilla, los tres tipos de polvo con el mismo tamaño de partícula <74 µm.

Se demuestra que independientemente del tipo de partícula la eficiencia reduce

mientras aumenta la cantidad de deposición de polvo.

Tabla 10 Medición de las velocidades promedio

CANTIDAD

DE

DEPOSICIÓN

DE POLVO

(g/m2)

COMPARACIÓN DE EFICIENCIA DE UN PANEL LIMPIO Y UN

PANEL ENSUCIADO CON DISTINTOS TIPOS DE POLVO

Limpio

(%)

Polvo de

Cemento <

74 µm (%)

Limpio

(%)

Polvo de

Sillar < 74

µm (%)

Limpio

(%)

Polvo de

Arcilla < 74

µm (%)

5 11.4 10.1 10.8 9.4 10.7 9.4

15 10.1 5.9 10.4 4 10.4 5.6

25 10.5 1.6 10.3 2.7 10.8 2.5

35 10.1 0.2 9.8 1.1 10.6 0.4


57

6.1.3. Resultados de pruebas del factor viento

La Fig. 46 permite entender los valores de viento medido en esta parte de la

evaluación. V1 es la velocidad que provee el ventilador, V2 y V3 son resultado

de las pérdidas de energía por fricción.

Figura 46 Diseño de posiciones para la medición de velocidades de viento


La Fig. 47 muestra las tres velocidades (A, B, C) estudiadas en este caso. Se

observa que los efectos de fricción afectan al campo de velocidad disminuyendo la

velocidad del viento a medida que se aleja de la fuente de potencia de viento.

Figura 47 Velocidades estudiadas.


V2 V3

V1

58

En la Fig. 48 se presenta los resultados del desempeño del panel fotovoltaico,

se puede observar que al aumentar la velocidad del viento incrementa

ligeramente la eficiencia. Técnicamente la eficiencia no aumenta

considerablemente, el análisis de costos determinará si esta opción es

económicamente viable.

Se puede observar en la misma Fig. 48, que para la ciudad de Arequipa la

velocidad del viento no es significativa para el proceso de mejora de eficiencia,

esto se debe a qué en la zona urbana, las velocidades no sobrepasan los 4

m/s. El factor económico será determinante para establecer si el enfriamiento

reduce los gastos energéticos, o si el propio proceso de enfriamiento genera

más gastos de los ahorros (consumo eléctrico del ventilador).

Los resultados obtenidos coinciden con M. Shahrestani que afirma un mayor

incremento de la eficiencia, si bien es cierto el incremento no es significativo,

pero sigue el mismo patrón.

Figura 48 Promedio de eficiencia de PV con influencia de viento.



aproximadamente entre los 33°C y 44°C, pero cuando estos están ventilados

59

con 4.1 m/s, las temperaturas se reducen gradualmente entre 26°C y 27°C.

Según la literatura la concentración del calor afecta negativamente los paneles

fotovoltaicos disminuyendo su rendimiento, cuando el panel se encuentra

ventilado es más eficiente y se asegura su longevidad.

Figura 49 Temperatura, factor viento, velocidad 3.


6.1.4. Resultados de pruebas del factor lluvia

La lluvia es un factor que afecta el desempeño de los paneles fotovoltaicos en

forma directa. Los experimentos realizados para evaluar la lluvia han sido de

carácter natural, es decir en época de lluvia en la región de Arequipa. A pesar

de haber estudiado varios casos, en todos ellos la aparición de lluvia

representa nubosidad extrema que ocasiona una caída radical en la radiación

solar.

En la Fig. 50 se observa que a las 14:24 h comienza la lluvia, la radiación solar

cae drásticamente desde aproximadamente 800 W/m2 hasta un valor menor a

100 W/m2, el voltaje y la corriente también caen prácticamente a un valor cero y

en consecuencia la potencia eléctrica también, estos resultados coinciden con

los obtenidos por Daniel Martínez [21].

60

A pesar de que la lluvia disminuye radicalmente la radiación solar, ésta no

desaparece siguiendo la regla qué indica que la visibilidad manifiesta la

irradiancia solar.

Figura 50. Pruebas de lluvia, características eléctricas.


En la Fig. 51 se observa la variación de la temperatura Bajo los efectos de

lluvia, se puede observar que antes de la lluvia las temperaturas estaban

aproximadamente entre los 30°C y 40°C, cuando empieza la lluvia la radiación

solar cae y las temperaturas gradualmente caen hasta ecualizar a la

temperatura ambiente. Bajo estas condiciones se corrobora que no hay

producción de electricidad.

61

Figura 51 Pruebas de lluvia, variación de temperatura.


En la Fig. 52 se observa la variación de la eficiencia energética con la

presencia de lluvia. Cuando empieza la lluvia la radiación solar cae

drásticamente y en consecuencia la eficiencia pasa a disminuir a casi valores

de cero.

A pesar de que las condiciones climáticas de lluvia mejoran las temperaturas,

debido al enfriamiento, finalmente la radiación solar que se encarga de la

producción de electricidad disminuye. Con la presencia de lluvia la producción

eléctrica es insignificante.

Figura 52 Pruebas de lluvia, eficiencia energética.


62

6.2. Análisis económico

6.2.1. Análisis de eficiencia de paneles limpios

Según la literatura, los paneles fotovoltaicos monocristalinos tienen una

eficiencia entre 14% y 17%. En las evaluaciones realizadas con este tipo de

paneles, se ha observado que el promedio de eficiencias es de 8.6% y la

máxima eficiencia alcanzada por los paneles limpios es de 15.08%, la

disminución de la eficiencia se debe a diversos factores como la inclinación,

temperatura interna y externa, viento, suciedad, etc.

El rendimiento de un panel fotovoltaico está indicado en la etiqueta

proporcionada por el fabricante y es medido en condiciones estándar de

prueba, a una temperatura de 25°C, en las pruebas realizadas de los paneles

limpios se obtuvieron temperaturas entre 60°C y 76°C sobre la superficie del

panel y en la parte inferior respectivamente, es por ello que los paneles sufren

pérdidas debido a las altas temperaturas que adquiere.

Según la eficiencia observada en los paneles fotovoltaicos con influencia de

suciedad o viento se deduce que:

ηmaxPr = 100%

ηmaxPp = 𝑥%

𝑥% = ηmaxPp

ηmaxPr × 100%

Donde:

ηmaxPr = Eficiencia máxima del panel de referencia

ηmaxPp = Eficiencia máxima del panel de prueba

x% = Porcentaje de reducción de eficiencia

63

De tal manera que ηmaxPr − ηmaxPp no representa el porcentaje de reducción

de la eficiencia, siendo 𝑥% el porcentaje de eficiencia al que realmente se

reduce.

Entonces por cada reducción de eficiencia se debe calcular los costos.

6.2.2. Reducción en la generación PV

En la Fig. 53, se presenta el porcentaje de reducción de la eficiencia para

diferentes cantidades de polvo de cemento. Se observa que el porcentaje de

reducción disminuye cuando la deposición de polvo aumenta.

Para cada kWh producido, la reducción de eficiencia impacta directamente el

monto ahorrado según la suciedad (Fig. 53), dependiendo del tamaño de la

planta solar, se puede reducir drásticamente la potencia solar generada. En el

caso de Arequipa, los costos por generación solar fotovoltaica se estiman en

0.20 soles/kWh (www.minem.gob.pe), para cada kW instalado la reducción de

ahorro sería de 1.6 soles por día a 0.6 soles (asumiendo 15 g/m2 de polvo, 8 h

diarias de funcionamiento).

Figura 53 Pruebas de suciedad, cemento, porcentaje de reducción.


64


diferentes cantidades de polvo de sillar. Se observa que el porcentaje de


Figura 54 Pruebas de suciedad, sillar, porcentaje de reducción.



diferentes cantidades de polvo de arcilla. Se observa que el porcentaje de


Figura 55 Pruebas de suciedad, arcilla, porcentaje de reducción.


65

En la Fig. 56, se observan los costos por pérdida de eficiencia debido a la

suciedad (polvo), se observa también la equivalencia entre la deposición y el

tiempo expuesto del panel fotovoltaico a la suciedad, esto es una referencia

muy particular de la ciudad de Arequipa realizada apenas durante un año. En

esta misma figura se observa que los costos se han calculado con apenas un

panel que representa cerca de 0.22 soles por día, a medida que el panel se

ensucia la curva de pérdida económica se va aproximando a este valor

teniendo un límite asintótico. En esta misma figura se observan los costos de

mantenimiento que para el caso de Arequipa sea considerado el salario mínimo

de un técnico en mantenimiento de aproximadamente 930 soles al mes

haciendo una división aproximada se obtiene que para limpiar este panel se

requiere 0.065 soles. En estas condiciones de trabajo antes de los 5 gramos

que equivale a 6 meses deposición de suciedad no vale la pena invertir en

limpieza, esto debido a que los costos por pérdida de eficiencia son menores a

los costos de mantenimiento. Por encima de este periodo las pérdidas de

eficiencia ocasionan costos mayores a los de mantenimiento por lo que se

requiere limpieza periódica.

Figura 56 Costos de pérdida por suciedad.


66

En las evaluaciones del factor viento, el ventilador empleado puede abastecer 6

paneles empleando la siguiente fórmula:

NP = 𝐴𝑡

𝐴𝑝

Donde:

NP = númeo de paneles

𝐴𝑡 = Á𝑟𝑒𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 , 𝑚2

𝐴𝑝𝑣 = Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙, 𝑚2

NP = 0.1269

0.0189

NP = 6.71

Considerando un diseño para enfriamiento natural el costo sería 0, mientras

que el diseño de un enfriamiento artificial va generar un costo adicional y un

consumo energético, siendo:

η = PPV − PUNIT

PS

Donde:

η = Eficiencia

PPV = Potencia eléctrica del PV

PUNIT = Potencia del ventilador por unidad

PS = Potencia solar

𝑃𝑈𝑁𝐼𝑇 =

𝑃𝑉

𝑁𝑃

PUNIT = Potencia del ventilador por unidad

PV = Potencia del ventilador

NP = númeo de paneles

67


52 𝑊

6= 8.6 𝑊


58 𝑊

6 = 9.67 𝑊


73 𝑊

6 = 12.17 𝑊

Al restarle la potencia del ventilador por unidad de panel a la potencia del panel

fotovoltaico observamos una reducción de la eficiencia, por lo tanto, aplicarle

ventilación artificial al ventilador no sería factible.

En la Fig. 57 se presentan los resultados considerando el costo de generación

de corrientes de aire a diferentes velocidades. Sin considerar estos costos la

eficiencia mejora considerablemente, lamentablemente las corrientes de viento

que se generan tienen un costo (misma Fig. 57) y la eficiencia baja (referida a

los paneles sin enfriamiento artificial).

Muchos trabajos se han desarrollado considerando otras tecnologías (Peltier

por ejemplo) para reducir la temperatura del panel, sin embargo, aún están en

etapa de investigación.

Figura 57 Pruebas de viento, reducción de la eficiencia


68

CONCLUSIONES

Para el diseño del modelo experimental se tomó como referencia a los autores

[36] [48] y [1], donde evalúan similares parámetros para determinar la eficiencia

del panel fotovoltaico, el diseño basado en estudios anteriores comprobados fue

imprescindible para la correcta evaluación del desempeño del sistema

fotovoltaico.

La construcción e instrumentación del sistema fotovoltaico fue determinante para

asegurar el correcto funcionamiento de los equipos y para el adecuado

almacenamiento de datos que se utilizaron como base para el cálculo de la

eficiencia del panel fotovoltaico.

Para las evaluaciones del factor suciedad se clasificaron las muestras por tipo de

polvo (cemento, sillar y arcilla), los tres con un tamaño de partícula < 74. Por cada

tipo de polvo se determinaron 4 cantidades de deposición de polvo: 5g/m2,

15g/m2, 25g/m2 y 35g/m2 obteniendo como resultado que mientras aumenta la

cantidad de deposición de polvo en g/m2 reduce la eficiencia del panel fotovoltaico

en un promedio de 12 %, 50 %, 78% y 94 % aproximadamente, esto se muestra

en los resultados de las tres evaluaciones tanto para cemento, sillar y arcilla, por

69

ello se concluye que la eficiencia se ve influenciado sólo por la cantidad de

deposición de polvo más no por los tipos de polvo evaluados.

En las evaluaciones de factor viento, se determinó tres velocidades de viento

promedio 3.6 m/s, 3.9 m/s y 4.1 m/s que fueron aplicadas sobre un panel

fotovoltaico mediante un ventilador para determinar la eficiencia de cada uno, se

obtuvo como resultado un incremento de la eficiencia de 1.20 %, 1.27 % y 1.26 %

respectivamente, tomando como eficiencia base 11% del panel limpio, esto se

debe a que el viento artificial ayuda a la reducción de su temperatura de

funcionamiento.

La eficiencia del panel fotovoltaico se reduce drásticamente a valores de casi 0

con presencia de lluvia debido a la nubosidad ya que la radiación solar es baja y

no genera electricidad.

Existen pérdidas económicas debido a la reducción de la eficiencia del panel

fotovoltaico por influencia de polvo, mientras aumenta la deposición de polvo a

5g/m2, 15g/m2, 25g/m2 y 35g/m2 genera pérdidas económicas de S/ 0.03, S/ 0.13,

S/ 0.15 y S/ 0.17 respectivamente, el costo por un mantenimiento manual simple

de un panel de 0.648 m2 se calculó un aproximado de S/ 0.06. En las pruebas

realizadas se determinó que en 6 meses se acumula 5 gramos de polvo sobre la

superficie del panel fotovoltaico por lo tanto antes de este periodo de tiempo no

vale la pena invertir en limpieza, esto debido a que los costos por pérdida de

eficiencia son menores a los costos de mantenimiento. Por encima de este

periodo las pérdidas de eficiencia ocasionan costos mayores a los de

mantenimiento por lo que se requiere limpieza periódica.

Cuando un panel se encuentra ventilado de forma natural con una velocidad de

viento menor a 4 m/s hay un aumento en su eficiencia por ende un beneficio

económico, pero si se aplica alguna ventilación artificial como un ventilador, la

eficiencia se reduce debido a que el ventilador consume energía que sería

70

consumido del panel fotovoltaico reduciendo la potencia y eficiencia del mismo,

además de los costos de estructura e instalación, por lo que no sería

económicamente rentable.

Finalmente, no es económicamente rentable abastecerse de energía solar

fotovoltaica en horas de lluvia ya que la producción de energía eléctrica es escaza

y se estaría perdiendo toda la inversión de instalación e infraestructura.

TRABAJOS FUTUROS

El estudio realizado en esta tesis puede ser replicado en otros lugares del mundo, pero

tiene que ser evaluado nuevamente debido a que cada lugar tiene características propias

y distintos factores ambientales y técnicos que influyen de diferente manera sobre el

rendimiento del panel fotovoltaico. Los resultados obtenidos en la presente tesis son

propios de zonas urbanas de la ciudad de Arequipa.

71

ANEXOS

Caracterización de la velocidad de viento

Se dividió el ventilador en cuadrantes para determinar la velocidad de viento promedio del

ventilador por cada potencia. Se elaboró una cubierta de cartón alrededor del ventilador

para determinar la velocidad del viento promedio.

Figura 58 División del ventilador


Figura 59 Cubierta del ventilador con divisiones


Se midió la velocidad del viento en m/s en cada intersección de las divisiones con un

anemómetro del laboratorio de química de la Universidad Tecnológica del Perú.

Se determinó tres profundidades para la toma de datos:

72

Figura 60 Profundidades de la cubierta de cartón


PROFUNDIDAD 1

Se registraron los datos de la velocidad promedio en cada intersección de las divisiones

del ventilador anteriormente especificadas, ubicados a 1 cm de distancia del ventilador.

Tabla 11 Medición de las velocidades promedio en profundidad 1

Posiciones Velocidad 1

(m/s)

Velocidad 2

(m/s)

Velocidad 3

(m/s)

PROMEDIO

(m/s)

P1 4.4 4.6 5.2 4.73

P2 4.8 4.9 5.1 4.93

P3 4.7 5.1 5.4 5.06

P4 4.2 4.6 5 4.6

P5 0 0 0.6 0.2

P6 4.3 5.5 5.9 5.23

P7 4.6 5 5.3 4.96

P8 4.7 5.4 5.6 5.23

P9 5.2 5.3 5.6 5.36

PROMEDIO 4.1 4.5 4.9


73

PROFUNDIDAD 2

Se registraron los datos de las velocidades promedio de cada punto determinado del

ventilador ubicados a 34 cm de distancia.



(m/s)

Velocidad 2

(m/s)

Velocidad 3

(m/s)

PROMEDIO

(m/s)

P1 3.8 3.9 4 3.9

P2 2.4 2.7 2.8 2.63

P3 3.7 3.8 3.9 3.8

P4 1.2 1.7 1.9 1.6

P5 1.1 1.3 1.4 1.26

P6 1.1 1.5 1.9 1.5

P7 3.3 3.9 4.1 3.76

P8 1.7 2.4 2.9 2.3

P9 3.5 3.9 4.1 3.83



74

PROFUNDIDAD 3

Se registraron los datos de las velocidades promedio de cada punto determinado del

ventilador ubicados a 68 cm de distancia.



(m/s)

Velocidad 2

(m/s)

Velocidad 3

(m/s)

PROMEDIO

(m/s)

P1 3.2 3.3 3.4 3.3

P2 2.3 2.6 2.7 2.53

P3 2.6 3 3.1 2.9

P4 2.7 2.9 3 2.86

P5 1.2 1.3 1.4 1.3

P6 1.9 2.1 2.2 2.06

P7 3.4 3.7 3.9 3.6

P8 2.4 2.5 2.7 2.53

P9 2.8 2.9 3.1 2.93



Al obtener las velocidades medidas, observamos una amplia variación entre cada punto

anteriormente dividido, es por ello que se procede a simular un difusor de aire,

cambiando la forma de la cubierta de cartón (haciendo la boquilla más estrecha), para

que el viento se distribuya mejor y se obtengan resultados de velocidades más

homogéneas.

75

ESTUDIO DE INCERTEZAS EN RESULTADOS EXPERIMENTALES

Las incertezas empleadas en la presente tesis se calcularon en base a las incertezas

indicadas en los instrumentos de medición y equipos. La precisión en las mediciones es

importante ya que muestra la diferencia entre el valor medido y el valor verdadero.

Kline y McClintock mostraron un método más preciso de estimar las incertezas en los

resultados experimentales, el cual surge de la hipótesis de que el resultado “R” es una

función dada de las variables independientes [40]:

𝑅 = 𝑅(𝑥1, 𝑥2, 𝑥3, … , 𝑥𝑛)

Para evaluar la incertidumbre de R se determina a través de la denominada “combinación

de la peor situación”.

2 2 2

2

1 2 n

1 2 n

R R RR x x ... x

x x x

1/22

n

i

i 1 i

RR x

x

Dónde R es la variable a ser evaluada, R es la incerteza en el resultado R y ix es la

incerteza en cada variable ix . Las derivadas parciales i

R

x

son denominados

coeficientes de sensibilidad, y calculan cuan sensible es el resultado R a cada variable

medida ix .

A. Incerteza de la potencia eléctrica de paneles fotovoltaicos

La ecuación de energía eléctrica de los módulos PV está determinada de la

siguiente manera:

PPV = IPV x VPV

Donde:

PPV = Potencia eléctrica del PV

IPV = Corriente eléctrica [A]

76

VPV = Voltaje [V]

Por lo tanto la ecuación para calcular la incerteza de la potencia eléctrica de los

paneles fotovoltaicos (δPPV) es la siguiente:

δPPV = δIPV × δVPV

Cálculo de la incerteza de la Potencia eléctrica del panel fotovoltaico:

δPPV2 = (

∂PPV

∂IPV× ∂IPV)2 + (

∂PPV

∂VPV× ∂VPV)2

∂PPV2 = ( VPV ∂IPV)2 + ( IPV ∂VPV)2

δPPV2 = (

VPV × IPV

IPV× ∂IPV)2 + (

IPV × VPV

VPV× ∂IPV)2

∂PPV

PPV

2

= (∂IPV

IPV)2 + (

∂VPV

VPV)2

∂PPV

PPV= √(0.005)2 + (0.001)2

∂PPV

PPV= 0.0051 = 0.5%

A. Incerteza de la potencia solar

La ecuación de potencia solar esa determinada de la siguiente manera:

Ps = Is x A

Donde:

Ps = Potencia Solar [W]

Is = Irradiancia [W/𝑚2]

A = Área [𝑚2]

Por lo tanto la ecuación para calcular la incerteza de la potencia solar (δPs) es la

siguiente:

δPs = δIs x δA

Cálculo de la incerteza de la Potencia Solar:

77

δPs2 = (∂Ps

∂Is× ∂Is)2 + (

∂Ps

∂A× ∂A)2

∂Ps2 = ( A ∂Is)2 + ( Is ∂A)2

δPs2 = (A × Is

Is× ∂Is)2 + (

Is × A

A× ∂A)2

∂Ps

Ps

2

= (∂Is

Is)2 + (

∂A

A)2

∂Ps

Ps= √(0.005)2 + (0.003)2

∂Ps

Ps= 0.0058 = 0.6%

B. Incerteza de la eficiencia eléctrica de paneles fotovoltaicos

La ecuación de eficiencia del panel fotovoltaico (μPV) está determinada de la

siguiente manera:

μPV =PPV

Ps

Por lo tanto la ecuación para calcular la incerteza es la siguiente:

δμPV =δPPV

δPs

Cálculo de la incerteza de la eficiencia del panel fotovoltaico:

δμPV2 = (

1

Ps× ∂PPV)2 + (−

PPV

Ps× ∂Ps)2

δμPV2 = (

PPV

Ps × PPV× ∂PPV)2 + (−

PPV

Ps× ∂Ps)2

δμPV

μPV

2

= (∂PPV

PPV )2 + (−

∂Ps

Ps)2

δμPV

μ𝑃𝑉= √(0.0051)2 + (−0.0058)2

δμPV

μ𝑃𝑉= 0.0077 = 0.8%

78

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