MAESTRÍA EN TECNOLOGÍA ENERGÉTICA

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  UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS CONVENIO ESPECÍFICO Nº 005-2011-MEM-CARELEC-UNCP/FIM   MAESTRÍA EN TECNOLOGÍA ENERGÉTICA Programa de investigación:   ENERGIA SOLAR Y CONFORT DOMESTICO Línea de investigación:   Configuración del sistema fotovoltaico y bombeo para la elevación de agua potable Presentado por: WUILBER CLEMENTE DE LA CRUZ  Huancayo-05 de enero de 2012  ÍNDICE ÍNDICE ......................................................................................................................... 2  1 ANTECEDENTES .................................................................................................. 3  2 JUSTIFICACIÓN .................................................................................................... 3  3 OBJETIVOS Y METAS ........................................................................................... 4  3.1 Objetivo general ................................................................................................ 4 3.2 Objetivos específicos ......................................... ¡Error! Marcador no definido.  3.3 Metas ................................................................................................................ 5  4 AREAS PROBLEMATICAS CENTRALES .............................................................. 5  4.1 Políticas de investigación .................................................................................. 7  4.2 Programa de investigación ................................................................................ 8  4.3 Línea de investigación ....................................................................................... 8  4.3.1 Denominación ......................................................................................... 11  4.3.2 Objetivo ................................................................................................... 11  4.3.3 Problemas ............................................................................................... 12  5 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES .................................................................... 12  6 FUNDAMENTOS DEL DESARROLLO ................................................................. 14  7 SOPORTE ............................................................................................................ 15  7.1 Capital humano ............................................................................................... 15  7.2 Materiales, equipamiento e instrumentos ........................................................ 15  8 PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN ................................................................. 16  9 REFERENCIA BIBLIOGRAFICA .......................................................................... 16 ANEXO: FORMATO DE TEMA DE TESIS .................................................................. 17  1 ANTECEDENTES Todas las entidades dedicadas a investigación tienen bien definidas sus lineamientos y políticas que coadyuvan a un desarrollo acertado de los estudios relacionados a un área o línea de investigación. Una de las opciones más prometedoras, dentro de las diferentes fuentes de energía, es la basada en la conversión fotovoltaica, que consiste en la transformación de la radiación solar directamente en electricidad. En tal sentido, los integrantes del grupo “ENERGÍA SOLAR” del convenio CARELEC-UNCP, en marcado a lo mencionado, desarrollaran sus trabajos de investigación durante el periodo de estudio, los mismos que serán dirigidos en el ámbito de la región bajo los principios y políticas establecidas por los integrantes y el marco normativo de CARELEC.  2 JUSTIFICACIÓN Ubicación dentro del plan de estudios En el plan de estudios de la maestría Tecnología Energética, está considerado la asignatura Sistema problemático, que se regenta en el primer semestre, donde; una de sus competencias específicas, es identificar el tema a investigar, con responsabilidad, mediante la formulación de líneas de investigación del sector; motivo suficiente para dedicarnos a establecer en equipo las áreas y líneas de investigación utilizando diversas técnicas del pensamiento sistémico, y bajo el monitoreo y guía del docente responsable de la asignatura.  Importancia Todo trabajo de investigación requiere de normas y políticas que oriente al desarrollo socio económico de la sociedad, y en particular solucione a grandes necesidades de iluminación, bombeo de agua potable, refrigeración que preserve medicamentos perecederos y confort a los poblados aislados; en base a ellos, definir las Líneas de investigación para que el estudio sea pertinente y de gran importancia.  Conexión del Programa de investigación con una línea de investigación del CARELEC Nuestra línea de investigación esta interrelacionada con los de CARELEC, específicamente con la línea 15 que establece; Sistemas de Energía de fuentes Solares, cuyo objetivo es desarrollar la energía solar como una fuente base para la energía sostenible, La línea de investigación del grupo es; energía solar y confort doméstico que conlleva también a un desarrollo sostenible, bajo la premisa: la utilización de la energía del sol para producir electricidad o calor, no produce cambios sustanciales en el equilibrio de la tierra(primer principio de la termodinámica).  Sistemas de Energía solar y  Energía de confort fuentes Solares doméstico  CARELEC GRUPO-ES  Fig. 01; relación de líneas de investigación3 OBJETIVOS Y METAS3.1 Objetivo general  Optimizar la configuración del sistema de energía solar, mediante el enfoque sistémico para el abastecimiento eficiente de energía eléctrica y térmica del confort doméstico.  3.2 Objetivos específicos Describir la configuración del sistema de energía solar por medio del enfoque sistémico, para lograr el abastecimiento de energía eléctrica y térmica del confort doméstico.Relacionar los parámetros del sistema de energía solar bajo el pensamiento sistémico con el propósito de lograr el abastecimiento de energía eléctrica y térmica del confort doméstico.Comprender la configuración de los parámetros del sistema de energía solar mediante la experimentación para lograr el abastecimiento eficiente de energía eléctrica y térmica del confort doméstico.  3.3 Metas Describir los sistemas: fotovoltaico, de bombeo y calentamiento en el primer semestre académico.Relacionar los parámetros de los sistemas: fotovoltaico, bombeo y calentamiento durante el segundo semestre del periodo lectivo 2012.Comprender los efectos de la configuración de los parámetros de los sistemas: fotovoltaico, bombeo y calentamiento, durante el tercer semestre académico.Optimizar la configuración de los diversos parámetros de los de los sistemas: fotovoltaico, bombeo y calentamiento, durante el cuarto semestre académico.4 AREAS PROBLEMATICAS CENTRALES  El área identificado por los integrantes del grupo está relacionado con el desarrollo de la energía solar, que mediante la implementación de un sistema fotovoltaico; pretende dar una alternativa de solución a las grandes necesidades de abastecimiento de energía eléctrica y térmica para el confort de las viviendas en general. En la caja negra de grupo, se muestra que a partir de la radiación solar (fotones), se puede lograr electricidad, mediante el sistema solar (fotovoltaico); del mismo modo, se puede elevar agua de un nivel inferior a superior y ésta a la vez se puede calentar a una  temperatura deseada. Tal es así como entrada tenemos a la radiación solar (fotones) y agua, para que sean transformadas mediante los componentes del sistema solar, en energía eléctrica y térmica según requerimiento. Ver fig. 02.  Radiación Abastecimiento de solar energía eléctrica y SISTEMA DE ENERGIA SOLAR . térmica para el confort  Agua de viviendas.  Fig. 02. Caja negra de grupo.   Matriz y síntesis de funciones La energía solar directa, es la energía del sol sin transformar, que calienta e ilumina. Necesita sistemas de captación y de almacenamiento y aprovechar éstas de varias maneras; utilización directa, transformación en calor o en electricidad; el cuadro nos muestra la matriz y síntesis de funciones.  Cuadro 01: Atributos y funciones del objeto de estudio Nº OBJETO ATRIBUTOS FUNCION ESCENCIAL NO ESCENCIAL   Sub sistema Transforma la- X   fotovoltaico. radiación (fotones) solar en eléctrica  Sistema de  Subsistema de Eleva agua de  X - energía  bombeo de agua un nivel hacia 1 solar. otro de mayor nivel  Sub sistema de Aprovecha el calentamiento de calor de la agua radiación solar  X   para transformar en energía térmica.  Caja blanca del grupo.   A partir de de la caja negra, se ha elaborado la caja blanca donde incluye tres sub-sistemas: Fotovoltaico, de bombeo y calentamiento de agua, los mismos que están relacionados con las entradas y salidas, tal como se aprecia en la figura 03. En este caso, el sub sistema fotovoltaico nos otorga tres salidas  específicas como el aprovechamiento de energía eléctrica en diversos usos. Los sistemas fotovoltaicos y bombeo se encargan de entregar agua hasta un nivel de 8 metros de altura manométrica.; del mismo modo la combinación de los sistemas nos otorga agua caliente.  Fig. 03; Caja blanca del grupo   Los integrantes del grupo “ENERGÍA SOLAR” del convenio CARELEC-UNCP desarrollaran sus trabajos de investigación durante el periodo de estudio, los mismos que serán dirigidos en el ámbito de la región bajos los siguientes principios  SUB- SISTEMA FOTO  VOLTAICO SUB-SISTEMA DE CALENTAMIEN TO DE AGUA  SUB- SISTEMA DE BOMBEO  Energía eléctrica para edificaciones Energía eléctrica para vivienda aislada Energía eléctrica para iluminación  Agua elevado hasta 8 m. de altura Agua caliente sanitaria  Radiaci ón solar  Agua4.1 Políticas de investigaciónPropiciar la investigación en el área de tecnología energética para satisfacer las necesidades de la población.Fomentar el aprovechamiento de la energía solar para transferencia térmica y la generación de energía eléctrica para abastecer la demanda del sector rural.Establecer alianzas estratégicas con el sector privado para el financiamiento y ejecución de los proyectos de investigación. Investigar aplicando el método científico con enfoque sistémico. Reducir o eliminar el impacto adverso sobre el ambiente , asícomo prevenir la contaminación a través del desarrollo de tecnologías no convencionales en cumplimiento la normativa vigente.  4.2 Programa de investigación Con la ayuda de la caja negra del grupo, se ha planteado el programa de investigación, que se denomina. Energía solar y Confot doméstico.  4.3 Línea de investigación A partir de la caja blanca del grupo, se ha identificado los sistemas que ahora serán la caja negra individual, tal es el caso, mi objeto de estudio es el sistema fotovoltaico y bombeo, tal como se puede ver en la figura 04.  Radiació  Agua elevado  SISTEMA FOTO- n solar  hasta 8 m. de  VOLTAICO Y BOMBEO  altura  Agua  Fig. 04; Caja negra individual El objeto está centrado al sistema fotovoltaico y bombeo, que permitirá la transformación de la radiación solar en energía eléctrica con fines de accionar el sistema de bombeo de agua potable y así elevar el fluido hasta una altura de 8 metros.  Matriz de funciones y síntesis La función principal del objeto es elevar agua a una determinada altura, utilizando corriente eléctrica generado por energía solar, en el cuadro 01 se observa las funciones, atributos y elementos esenciales y no esenciales.  Cuadro 02: Atributos y funciones del objeto de estudio Nº OBJETO ATRIBUTO FUNCION ESENCIAL NO ESENCIAL   Buena potencia Transforma la01 Sub-  X -   instalada, vida útil radiación  sistema  mayor a 20años, no (fotones) solar en  Fotovoltaic  contamina. eléctrica  o  X - Eficiencia adecuada, Eleva agua a una02 Sub-  consumo de energía altura  sistema de  eléctrica reducido  bombeo La síntesis de las funciones se ilustra en el cuadro 02. Producto de ello, se identifica los elementos esenciales y no esenciales.  Caja blanca del individual Como elementos de entrada se tiene la radiación solar, específicamente la luminosidad (fotones), este es captado por el generador fotovoltaico con fines de emitir electrones hacia el regulador de carga cuya misión es proteger al acumulador (batería), a partir de este dispositivo se puede extraer energía eléctrica DC. Si queremos obtener AC, se acude al inversor. A partir de ahí, se toma la energía para el accionamiento del motor eléctrico y éste a su vez dinamice la bomba de agua. Otra de las entradas es el agua potable que se halla al nivel del suelo, dispuesto en un depósito para ser succionado por la bomba y expulsado hacia un depósito que se halla a una altura máxima de 8m; por tanto la salida es el volumen de agua elevada hasta una altura manométrica especificada. Ver fig 05  Regulador Inversor de Carga  Elevación de agua Depósito potable hasta una altura de agua de 8 m  Batería Motor  Radiación Generador Solar Fotovoltaico  Red de Bomba tubería  Fig. 04; Caja blanca individual  Almacena Agua miento de  Agua  Fig. 05 Caja blanca individual En el cuadro 03, se muestra los atributos del objeto de estudio, así como sus funciones, esto con ayuda de la caja blanca.  Cuadro 03: Atributos y funciones de los componentes de la caja blanca individual Nº SISTEMA ATRIBUTO FUNCION ESCENCIAL NO ESCENCIAL -   01 Generador Capta la  X   radiación  Fotovoltaico  luminosa y la transforma en  Sub  energía  sistema eléctrica. Fotovoltaic  02 Protege a los  Regulador de   X o  acumuladores carga.  03 Almacena la  Acumulador  X   energía  04 Transforma la  inversor  X   corriente continua en corriente alterna  05 Acciona la  Motor eléctrico  X   bomba de agua  06 Concentra un  Almacenamiento  X   determinado  de agua a nivel del  volumen de  suelo Sub  agua  sistema de  07 Succiona e  Bomba de agua  X bombeo  impulsa agua  08 Depósito de agua  VD Delimitación Describir Configuración del sistema fotovoltaico y Bombeo Enfoque sistémico Lograr  Elevación de agua hasta 8 metros  Viviendas del distrito de chilca Optimizar los componentes Configuración del sistema fotovoltaico y Bombeo Enfoque sistémico Lograr  Enfoque sistémico Elevación de agua hasta 8 metros  Determinar la influencia Configuración del sistema fotovoltaico y Bombeo  Enfoque sistémico Lograr Elevación de agua hasta 8 metros Viviendas del distrito de chilca  Configuración del sistema fotovoltaico y Bombeo  Viviendas del distrito de chilca Relacionar  Elevación de agua hasta 8 metros  VI Medio Verbo   a una altura de 8m  PROPÓSITO FINES Verbo   Cuadro 04; Formulación de objetivos por niveles.   4.3.2 Objetivo Para formular el objetivo se ha acudido al cuadro 04, que nos permite ordenar las variables, medios, verbos y la delimitación, luego al leer en forma horizontal se obtiene el objetivo pertinente.  4.3.1 Denominación En base a la caja negra individual se ha establecido la línea de investigación que se denomina: Configuración del sistema fotovoltaico y bombeo para la elevación de agua potable   X   09 Red de tubería Conducir el flujo de agua  X   Concentra el volumen de agua elevada.  Viviendas del distrito de chilca Si leemos en forma horizontal al cuadro 04 de formulación de objetivos tendremos: Describir la configuración de los sistemas fotovoltaicos y bombeo mediante el enfoque sistémico que permita lograr la elevación del agua hasta una altura de 8 metros en viviendas del distrito de chilca. 4.3.3 Problemas  Para formular los problemas se ha utilizado el cuadro 05, quien nos ayuda ordenar de manera lógica la participación de; las variables, enlace, verbo y la delimitación; en consecuencia, solo se lee en forma horizontal y se tiene el problema formulado.  Experimental   El cronograma de actividades se ha realizado en función a los atributos de cada sistema, que se halla en caja blanca individual.  Por ejemplo, el problema en el nivel descriptivo será: ¿Cuáles son las características de la configuración del sistema fotovoltaico y bombeo, que permite lograr la elevación de agua hasta una altura de 8 metros en viviendas del distrito de chilca?   Viviendas del distrito de chilca  Para Lograr Elevación de agua hasta 8 metros  Configuración del sistema fotovoltaico y Bombeo  ¿Cómo se optimizan los componentes?  Aplicada   Viviendas del distrito de chilca  Elevación de agua hasta 8 metros  Configuración del sistema fotovoltaico y Bombeo en la  ¿Cómo influye la variación de los componentes?  Viviendas del distrito de chilca  Cuadro 05; Formulación del problema por niveles.   Elevación de agua hasta 8 metros  Que permite Lograr  Configuración del sistema fotovoltaico y Bombeo  ¿Cómo se relacionan las características de los componentes?  Explicativo   Viviendas del distrito de chilca  Elevación de agua hasta 8 metros  Que permite Lograr  Configuración del sistema fotovoltaico y Bombeo  ¿Cuáles son las características ?  VD Delimitación Descriptivo   VI Enlace Verbo   Problema Interrogante 5 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES  Cuadro 06; Cronograma de actividades de los atributos de la línea de investigación.   N ACTIVIDA CRONOGRAMA º DES  S1 S2 S3 S4 M M M M M M M M M M M M M M M M  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  1 Descripció n de la configuraci ón del  X X   Generador Fotovoltaic o  2 Descripció n de la configuraci ón  X X   Regulador de carga.  3 Descripció n de la configuraci ón del  X Acumulad  or  4 Descripció n de la configuraci  X X   ón del inversor  5 Descripció n de la  X   configuraci ón del Motor eléctrico  6 Descripció n de la configuraci ón del Almacena  X X   miento de agua a nivel del suelo  7 Descripció n de la configuraci ón de la  X X   Bomba de agua  8 Descripció n de la configuraci  ón del  X X   Depósito de agua a una altura de 8m  9 Descripció n de la configuraci  X X   ón de Red de tubería  1 Consolida do de la configuraci ón de los  X X   sistemas fotovoltaic o y bombeo  1 Elaboració 1 n del borrador de tesis, según  X X   X   línea de investigaci ón.6 FUNDAMENTOS DEL DESARROLLO  La ejecución del informe se hizo en base a los tópicos desarrollados en clases, tal como establece las competencias específicas. Además se ha utilizado los lineamientos del libro Metodología de la Investigación tecnológica, cuyo autor es Mg. Ciro Espinoza Montes, el libro Energía Solar Fotovoltaica cuyos autores son; Javier María Méndez Muñiz y Rafael Cuervo García y el texto Energía Solar Fotovoltaica de Marcelo Romero Tous. En base a estos dos último se plantea que un Sistema fotovoltaico es un conjunto de componentes mecánicos, eléctricos y electrónicos que concurren para captar la radiación solar disponible y transformarla para ser utilizado como energía eléctrica. Además establece que los sistemas fotovoltaicos están clasificados en tres, como: aislados, conectados a red y los híbridos, la línea de investigación planteada se enmarca en el sistema fotovoltaico aislados con batería. El sistema de bombeo contempla los parámetros como: altura de fricción, altura de depósito, altura total equivalente, volumen diario de agua requerido, caudal medio o aparente, eficiencia de la motobomba, energía hidráulica y la energía eléctrica consumida por la motobomba; los mismos que deben configurarse en función al objetivo del estudio.7 SOPORTE  7.1 Capital humano El responsable directo del desarrollo de la línea de investigación; Configuración del sistema fotovoltaico y bombeo para la elevación de agua potable, es Wuilber Clemente De la cruz y del área: Sistema de energía solar y confort doméstico, los responsables son: Arroyo Tovar Iván, Beraun Espíritu Manuel, Condezo Hurtado David Elvis, Clemente de la Cruz Wuilber, Fernández Aquino Nilo, Garay Quintana Ercilio Justo y Salazar Espinoza Jaime; quienes estamos comprometidos con el desarrollo de la energía solar como alternativa prioritario para abastecer energía eléctrica y térmica a zonas aisladas y viviendas unifamiliares.  7.2 Materiales, equipamiento e instrumentos Los materiales para el desarrollo de esta línea de investigación son todos los componentes mecánicos, eléctricos y electrónicos; tanto del sistema fotovoltaico como del bombeo. A la fecha solo se tiene información en textos electrónicos y físicos, así como instalaciones del sistema pero en mínima proporción.  Referente a equipamiento e instrumentos, aún no se tiene, sin embargo, existen entidades donde constantemente están controlando con instrumentos de medición la radiación solar en nuestro medio.  9 REFERENCIA BIBLIOGRAFICA Espinoza M. Ciro. Sistema problemático. Diseñando líneas de investigación. Huancayo, Perú: Imagen Gráfica; 2011.  8 PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN Para la evaluación de la línea de investigación, se debe establecer lo siguiente:Evaluar la pertinencia entre la línea general de investigación planteada por CARELEC y el propuesto.Si están enmarcadas en la política de la investigación.La relación de los temas de investigación con la línea.La pertinencia de la caja negra individual con la línea de investigación.Pertinencia de las variables dependientes e independientes, con la línea de investigación.El proceso de construcción de la línea de investigación.La delimitación de la línea de investigación.Presentación de la línea de investigación.Fundamentación de la línea de investigación.  Javier María Méndez, Rafael Cuervo García. Energía Solar Fotovoltaica. Madrid, España: Fundación Confemetal; 2008.  Marcelo Romero Tous. Energía Solar Fotovoltaica. Barcelona, España: CEAC; 2010.ANEXO: FORMATO DE TEMA DE TESIS  UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA   MAESTRIA EN TECNOLOGÍA ENERGÉTICA APELLIDOS Y NOMBRES DEL MAESTRANDO Clemente De La Cruz, Wuilber LINEA DE INVESTIGACIÓN Configuración del sistema fotovoltaico y bombeo para la elevación de agua potable. La línea de investigación planteada está relacionada con la línea 15 de CARELEC que establece; Sistemas de Energía de fuentes SolaresTEMA DE TESIS  La captación de la energía solar, en particular la radiación solar (fotones), por medio de los generadores fotovoltaicos nos permite transformar en energía eléctrica y éste acciona al sistema de bombeo de agua. Por otro lado, ingresa agua al sistema de bombeo y por sinergia de estos dos sistemas se logra elevar agua hasta una altura de 8m.  PROBLEMA ¿Cómo se optimizan los componentes de la configuración del sistema fotovoltaico y bombeo para lograr la elevación de agua hasta una altura de 8 m en viviendas del distrito de chilca? __________________________ __________________________  Tesista V°B° Docente __________________________ V°B° Director de la UPGFIM