Para optar el Grado Académico de Bachiller en Ingeniería Ambiental Arequipa, 2020 FACULTAD DE INGENIERÍA Escuela Académico Profesional Ingeniería de Ambiental Trabajo de Investigación Piero Martín Cuadros Curie Propuesta de equipación y evaluación económica de un sistema solar fotovoltaico conectado a red para el Centro Educativo “Hellen Keller”, Arequipa Trabajo de investigación Esta obra está bajo una Licencia "Creative Commons Atribución 4.0 Internacional" . i AGRADECIMIENTOS Mis más sinceros agradecimientos al Sr. Juan Solís Escobedo, director del CEBE “Helen Keller” por permitirme realizar mi investigación en su centro educativo; a mis asesores de investigación, la Ing. Leydi Manrique Tejada y el Ing. Anieval Peña Rojas, por apoyarme durante la investigación y finalmente a la Universidad, por ayudarme en mi formación académica. ii DEDICATORIA Dedico este trabajo a mi familia y en especial a mis padres, por su paciencia y su apoyo incondicional. iii ÍNDICE AGRADECIMIENTOS .............................................................................................................. i ÍNDICE .................................................................................................................................. iii ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................................................... v ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................................ vi RESUMEN ............................................................................................................................ vii ABSTRACT .......................................................................................................................... viii INTRODUCCIÓN ................................................................................................................... ix CAPÍTULO I PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................................ 1 1.1. Planteamiento y formulación del problema ............................................................ 1 1.1.1. Problema general ........................................................................................... 4 1.1.2. Problemas específicos ................................................................................... 4 1.2. Objetivos ............................................................................................................... 5 1.2.1. Objetivo general ............................................................................................. 5 1.2.2. Objetivos específicos ..................................................................................... 5 1.3. Justificación e importancia .................................................................................... 5 1.3.1. Ambiental ....................................................................................................... 5 1.3.2. Social ............................................................................................................. 6 1.3.3. Económica ..................................................................................................... 6 1.4. Hipótesis y descripción de variables ...................................................................... 7 1.4.1. Hipótesis general ........................................................................................... 7 1.4.2. Hipótesis específicas ..................................................................................... 7 1.4.3. Operacionalización de las variables ............................................................... 8 CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO............................................................................................ 9 2.1. Antecedentes del problema ................................................................................... 9 2.1.1. Antecedentes nacionales ............................................................................... 9 2.1.2. Antecedentes internacionales ...................................................................... 13 2.2. Bases teóricas..................................................................................................... 16 2.2.1. Marco legal .................................................................................................. 16 2.3. Definición de términos básicos ............................................................................ 17 2.3.1. Radiación solar ............................................................................................ 17 2.3.2. Energía eléctrica .......................................................................................... 17 2.3.3. Sistema fotovoltaico ..................................................................................... 17 2.3.4. Sistema fotovoltaico conectado a red ........................................................... 17 iv 2.3.5. Paneles solares ........................................................................................... 17 2.3.6. Inversores .................................................................................................... 18 2.3.7. Convertidor .................................................................................................. 18 CAPÍTULO III METODOLOGÍA ............................................................................................ 19 3.1. Método y alcance de la investigación .................................................................. 19 3.1.1. Método de investigación............................................................................... 19 3.1.2. Alcance o nivel de investigación ................................................................... 19 3.2. Diseño de la investigación ................................................................................... 19 3.2.1. Diseño experimental .................................................................................... 19 3.3. Población y muestra ............................................................................................ 19 3.3.1. Población ..................................................................................................... 19 3.3.2. Muestra ........................................................................................................ 20 3.4. Técnicas e instrumentos de recolección de datos ............................................... 21 3.4.1. Técnica ........................................................................................................ 21 3.4.2. Instrumento .................................................................................................. 21 CAPÍTULO IV RESULTADOS Y DISCUSIÓN....................................................................... 22 4.1. Resultados del tratamiento y análisis de la información ...................................... 22 4.1.1. Radiación Solar ............................................................................................ 22 4.1.2. Potencia Instalada ........................................................................................ 26 4.1.3. Hora solar pico ............................................................................................. 29 4.1.4. Calculo de paneles solares .......................................................................... 30 4.1.5. Inclinación de paneles solares ..................................................................... 30 4.1.6. Cálculo del inversor ...................................................................................... 31 4.1.7. Presupuesto ................................................................................................. 32 4.1.8. Consumo y abono actual de la institución .................................................... 32 4.1.9. Consumo y abono con el sistema fotovoltaico .............................................. 33 4.1.10. Consumo y abono actual vs con sistema fotovoltaico .................................. 34 4.2. Prueba de hipótesis ............................................................................................ 35 4.2.1. Hipótesis específica #1 ................................................................................ 35 4.2.2. Hipótesis específica #2 ................................................................................ 37 4.2.3. Hipótesis específica #3 ................................................................................ 38 4.2.4. Hipótesis específica #4 ................................................................................ 38 4.3. Discusión de resultados ...................................................................................... 42 CONCLUSIONES ................................................................................................................. 44 REFERENCIAS .................................................................................................................... 45 v ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Operacionalización de variables ................................................................................ 8 Tabla 2. Coordenadas geográficas ....................................................................................... 20 Tabla 3. Índice de radiación solar según la NASA ................................................................ 22 Tabla 4. Índice de radiación solar según el Atlas Solar del Perú ........................................... 23 Tabla 5. Índice de radiación solar tomado In-Situ ................................................................. 24 Tabla 6. Comparación de Índices de radiación solar de tres distintas fuentes ...................... 25 Tabla 7. Inventario y potencia del área SAANEE .................................................................. 27 Tabla 8. Inventario y potencia de las aulas ........................................................................... 27 Tabla 9. Inventario y potencia del área de dirección ............................................................. 28 Tabla 10. Potencia instalada en los pasadizos...................................................................... 28 Tabla 11. Potencia instalada total de la Institución ................................................................ 29 Tabla 12. Presupuesto del sistema fotovoltaico .................................................................... 32 Tabla 13. Consumo y abono actual de la Institución ............................................................. 32 Tabla 14. Consumo y abono con el sistema fotovoltaico ....................................................... 33 Tabla 15. Consumo y abono actual vs consumo y abono con el SF ..................................... 35 Tabla 16. Prueba de normalidad - Radiación Solar ............................................................... 36 Tabla 17. Prueba ANOVA - Radiación solar ......................................................................... 37 Tabla 18. Datos para la prueba T-student ............................................................................. 39 Tabla 19. Prueba de normalidad - Abono eléctrico ............................................................... 40 Tabla 20. Prueba T-student - Abono eléctrico I ..................................................................... 41 Tabla 21. Prueba T-student - Abono eléctrico II .................................................................... 41 vi ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Efecto invernadero ................................................................................................... 2 Figura 2. Índice de Radiación UV - Departamento de Arequipa .............................................. 3 Figura 3. Curva de Radiación UV diaria - Ciudad de Arequipa ................................................ 3 Figura 4. CEBE "Helen Keller" .............................................................................................. 20 Figura 5. Índice de radiación solar según la NASA ............................................................... 23 Figura 6. Índice de radiación solar según el Atlas Solar del Perú .......................................... 24 Figura 7. Índice de radiación solar tomado In-Situ ................................................................ 25 Figura 8. Comparación de Índices de radiación solar de tres distintas fuentes ..................... 26 Figura 9. Potencia instalada por áreas .................................................................................. 29 Figura 10. Comportamiento del costo eléctrico ..................................................................... 40 vii RESUMEN La presente investigación tiene por objetivo describir una propuesta de equipación y evaluación económica de un sistema solar fotovoltaico conectado a red para el Centro de Educación Básica Especial “Helen Keller”, Arequipa. Por lo tanto, mediante una metodología científica descriptiva y un diseño cuasiexperimental, se comenzó a detallar las especificaciones necesarias para el sistema fotovoltaico. Primero se determinó la población y muestra la cual consta de datos de radiación solar en Arequipa de fuentes como la NASA, el Atlas Solar del Perú y una medición In Situ y las boletas de pago de la institución. Posteriormente se realizó una prueba de hipótesis ANOVA para comprobar que los datos de radiación solar son significativamente similares, los cuales resultaron de dicha manera. Después, mediante la elaboración de tablas con respecto a los artefactos eléctricos de la institución se halló la demanda máxima de ésta, siendo este valor de 13.6805 kWh. Posteriormente, mediante cálculos matemáticos se calculó que el sistema requiere de 6 paneles solares de 340 Wp con una inclinación de 26° y un inversor de corriente de 2kW. Finalmente, mediante una prueba estadística T-student con un nivel de significancia del 5% se comprobó que la equipación del presente sistema fotovoltaico reduce significativamente la liquidación por gasto eléctrico ya que el p(valor) es mucho menor a la significancia (0.05). PALABRAS CLAVE: Sistema fotovoltaico conectado a red – energía eléctrica – energía renovable viii ABSTRACT The present research aims to describe a proposal for equipping and economic evaluation of a grid-connected solar photovoltaic system for the “Helen Keller” Special Basic Education Center, Arequipa. Therefore, through a descriptive scientific methodology and a quasi-experimental design, the necessary specifications for the photovoltaic system began to be detailed. First, the population was determined, and the sample consists of data on solar radiation in Arequipa from sources such as NASA, the Solar Atlas of Peru and an In-Situ measurement and the institution's payment slips. Subsequently, an ANOVA hypothesis test was carried out to verify that the solar radiation data are significantly similar, which resulted in this way. Later, by means of the elaboration of tables with respect to the electrical devices of the institution, the maximum demand of this was found, being this value of 13,6805 kWh. Subsequently, through mathematical calculations it was calculated that the system requires 6 solar panels of 340 Wp with an inclination of 26 ° and a 2kW current inverter. Finally, by means of a T-student statistical test with a significance of 5%, it was found that the equipping of the present photovoltaic system significantly reduces the liquidation for electricity costs since the p (value) is much less than the significance (0.05). KEY WORDS: Grid connected photovoltaic system - electric energy - renewable energy ix INTRODUCCIÓN Antiguamente, el sol era venerado por las ancestrales tribus, colonias, incluso por imperios que existían debido a su esplendor, magnificencia y por sobre todo a su utilidad ya que permitía la vida cotidiana de las personas brindando luz. Al pasar los años, el sol servía de diferentes maneras y era usado de distintas formas, como guía para saber los puntos cardinales, se usaba en relojes solares, etc. El sol es una fuente de energía altamente potencial que ha sido usado durante muchos siglos por nuestros ancestros a través del tiempo, sin embargo, con el descubrimiento del oro negro, es decir, el petróleo y los combustibles fósiles su uso ha sido relegado y sustituido. En nuestro país existen diversas fuentes de generación de energía eléctrica entre las cuales están las hidroeléctricas, las termoeléctricas, entre otras, Las cuales emplean los combustibles fósiles y derivados como por ejemplo el diésel o el carbón como materia prima y por ende tienen un impacto negativo en el ambiente ya que generan gases nocivos en sus distintos procesos como el dióxido de carbono (CO2), los óxidos nitrosos (NOx) y los óxidos sulfurosos (SOx), los cuales son liberados al medio ambiente provocando localmente las famosas lluvias ácidas y a su vez contribuyendo al calentamiento global y al efecto invernadero. Adicionalmente, la alta creación de artefactos eléctricos para distintos usos, la gran demanda eléctrica en las ciudades, la innovación y el crecimiento industrial y en conjunto con la reciente preocupación hacia el medio ambiente, las energías renovables crecen en gran medida como solución a este tipo de problemática y en especial los sistemas fotovoltaicos los cuales generan la energía eléctrica con un porcentaje de contaminación mínima. Arequipa posee un alto índice de radiación solar según SENAMHI, debido a este factor, es una gran oportunidad para implementar un sistema fotovoltaico. La institución educativa escogida cumple con excelentes características que favorecen la equipación de este sistema como los techos amplios y horizontales sin ningún tipo de sombra y la posesión de pocos artefactos eléctricos. Por lo tanto, equipar un sistema fotovoltaico en el centro educativo “Helen Keller” ayudará a fomentar el uso de energías renovables en los niños y jóvenes, además de reducir los costos de los centros educativos. Para el desarrollo de la investigación primero en el Capítulo I, se revisarán generalidades, se planteará el problema y caso de estudio, así como los objetivos y las hipótesis correspondientes para su comprobación, se describirán las variables y se justificará la investigación en ámbitos económicos, sociales y ambientales. x En el Capítulo II, se revisará la literatura para describir antecedentes internacionales, nacionales y locales de la investigación, además de algunas bases teóricas y ciertas definiciones breves de términos básicos necesarios de conocer para un mejor entendimiento de la investigación. En el Capítulo III, se desarrollará la metodología de la investigación, se evaluará el método, el alcance y el diseño, así como se determinará la población a investigar y las técnicas e instrumentos necesarios para el correcto desarrollo de la investigación. Por último, en el Capítulo IV se presentarán los resultados del tratamiento y el análisis de la información mediante cuadros y figuras para su posterior prueba de hipótesis según lo requiera, para finalmente discutir los resultados. 1 CAPÍTULO I PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1. Planteamiento y formulación del problema Actualmente se suele escuchar por diversos medios, la creciente preocupación global acerca de problemas ambientales como el calentamiento global o el efecto invernadero, sin embargo, no muchas personas conocen la causa de este problema. Este problema es causado por los famosos 6 gases de efecto invernadero según el protocolo de Kioto, siendo el más conocido el dióxido de carbono (CO2), sin embargo no es el único responsable de esta problemática, también se encuentran el metano (CH4) el cual es conocido por el tema del biogás o la contaminación de las vacas; otro gas es el óxido nitroso (N2O) que comúnmente se encuentra en la combustión incompleta de combustibles fósiles como el petróleo; otros gases son los hidrofluorocarbonos (HFC) y los perfluorocarbonos (PFC), los cuales son gases usados para el funcionamiento de los sistemas de aire acondicionado y en el área médica respectivamente; y por último el hexafluoruro de azufre (SF6) el cual es empleado en sistemas eléctricos. (1) Los gases mencionados anteriormente suelen elevarse a la atmósfera debido a la diferencia de la densidad con el aire y se van acumulando cada vez más haciendo que la radiación del sol que ingresó a nuestro planeta y que deba salir por el efecto albedo, no pueda atravesar esa cortina de gases y por lo tanto reingrese a nuestro planeta nuevamente provocando que la energía se concentre en el planeta y por consecuencia la temperatura global se eleve, este fenómeno es llamado calentamiento global y es el causante principal del calentamiento global. 2 Figura 1. Efecto invernadero Fuente: (2) Según el Ministerio del Ambiente con datos de la Organización de las Naciones Unidas, en el año 2000 más de la mitad de todas las emisiones de gases de efecto invernadero del planeta provenían de la combustión completa e incompleta de combustibles fósiles y aproximadamente un cuarto del total de emisiones eran provenientes de la generación de energía eléctrica siendo aproximadamente 10 GT (10 giga toneladas) de dióxido de carbono (CO2). Además de que actualmente más de 0,5 GT son generadas únicamente por el sistema de iluminación del planeta (1). Esta cantidad es sumamente alarmante y es debido a eso que es necesario buscar alternativas energéticas sostenibles y ecológicas como los sistemas fotovoltaicos. Arequipa, como región, es una de las zonas que posee un índice de radiación UV muy alto en todo el Perú. Según el SENAMI, toda la zona de Arequipa se ubica en una zona de radiación extremadamente alta a medio día con un cielo despejado, según la escala de radiación, la cual se puede observar en las imágenes 2 y 3 a continuación. 3 Figura 2. Índice de Radiación UV - Departamento de Arequipa Fuente: (3) Para una mejor visualización, a continuación, se presenta la curva de radiación UV que posee la misma ciudad de Arequipa, en un día que presente nubosidad nula y cielo despejado. Figura 3. Curva de Radiación UV diaria - Ciudad de Arequipa Fuente: (3) Como se logra observar en la imagen, Arequipa en un día despejado llega a recibir una radiación extremadamente alta a medio día, además de llegar a una radiación alta 4 desde aproximadamente las 08:30 horas hasta las 14:30 horas, recibiendo unas 6 horas continuas de intensas radiaciones altas y extremadamente altas por día. Cabe recalcar que Arequipa suele poseer un cielo despejado la mayor parte del año y radiación solar en todas las temporadas. A su vez, el CEBE “Helen Keller” de la ciudad de Arequipa posee una infraestructura adecuada para la instalación de un sistema fotovoltaico, ya que los techos de los ambientes educativos son planos y espaciosos, perfectos para la respectiva instalación. Es debido a estos motivos que se decidió proponer una implementación y equipación de un sistema fotovoltaico conectado a red en el CEBE “Helen Keller” de la ciudad de Arequipa. 1.1.1. Problema general ¿Cómo sería la propuesta de equipación y evaluación económica de un sistema solar fotovoltaico conectado a red para el CEBE “Helen Keller”, Arequipa? 1.1.2. Problemas específicos ● ¿Son los datos de la radiación solar obtenidos de la NASA, del Atlas Solar del Perú y de manera empírica significativamente iguales, para la equipación y evaluación económica de un sistema solar fotovoltaico conectado a red para el CEBE “Helen Keller”, Arequipa? ● ¿Cuánto es el consumo energético de la institución y cuál es su demanda máxima para la equipación de un sistema solar fotovoltaico conectado a red para el CEBE “Helen Keller”, Arequipa? ● ¿Cuántos paneles fotovoltaicos y a cuántos grados de inclinación se necesita para la equipación de un sistema solar fotovoltaico conectado a red para el CEBE “Helen Keller”, Arequipa? ● ¿La equipación de un sistema solar fotovoltaico conectado a red reduce significativamente el costo de liquidación por energía eléctrica al CEBE “Helen Keller”, Arequipa? 5 1.2. Objetivos 1.2.1. Objetivo general Describir la propuesta de equipación y evaluación económica de un sistema solar fotovoltaico conectado a red para el CEBE “Helen Keller”, Arequipa. 1.2.2. Objetivos específicos ● Precisar los datos de la radiación solar obtenidos de la NASA, del Atlas Solar del Perú y de manera empírica y determinar si estos son significativamente iguales, para la equipación y evaluación económica de un sistema solar fotovoltaico conectado a red para el CEBE “Helen Keller”, Arequipa. ● Determinar el consumo energético de la institución, así como la demanda máxima para la equipación de un sistema solar fotovoltaico conectado a red para el CEBE “Helen Keller”, Arequipa. ● Determinar el número de paneles y la inclinación necesaria para la equipación de un sistema solar fotovoltaico conectado a red para el CEBE “Helen Keller”, Arequipa. ● Determinar si la equipación de un sistema solar fotovoltaico conectado a red reduce significativamente el costo de liquidación por energía eléctrica al CEBE “Helen Keller”, Arequipa. 1.3. Justificación e importancia El trabajo de investigación es de suma importancia debido a las siguientes razones: 1.3.1. Ambiental La calidad del medio ambiente ha sido degradada de manera exponencial con el transcurso de los años, debido a factores sociales, industriales y económicos y la propuesta de solución planteada mediante la siguiente investigación beneficia al ecosistema ya que al ser una un sistema fotovoltaico con uso de la energía solar la cual es de carácter renovable no contamina al medio ambiente. La generación de energía eléctrica producto de los procesos de combustión de combustibles fósiles como el petróleo y el carbón en plantas termoeléctricas, genera un grave impacto en el ecosistema, especialmente el medio atmosférico ya que genera gases nocivos como el dióxido de carbono (CO2), los óxidos nitrosos (NOx) y los óxidos 6 sulfurosos (SOx) los cuales provocan efectos como la lluvia ácida y contribuyen al aumento del calentamiento global y el efecto invernadero. La presente investigación al emplear las energías renovables evita el consumo de energía proveniente de estas plantas y aporta una pequeña reducción en cuanto a la generación de estos gases. Un sistema fotovoltaico no genera residuos sólidos ni peligrosos, no emana gases perjudiciales o de efecto invernadero, por ende, no contamina el aire, no genera ruido ni contaminación sonora, no hace uso de los recursos hídricos y por ende no malgasta ni contamina el agua, no produce radiaciones ionizantes y por último no genera contaminación del suelo. Es decir, que un sistema fotovoltaico es un sistema ecológico y de carácter ambiental. Implementar un sistema solar fotovoltaico en una Institución Educativa contribuiría al mejoramiento de los indicadores de ecoeficiencia de la misma institución, los cuales son impulsados por el Estado para mejorar el desarrollo público del país. 1.3.2. Social Comúnmente se suele escuchar a la gente comentar que el smog les causa problemas de salud y toda la culpa le es atribuida a las emisiones de los vehículos de transporte, sin embargo, la mayoría de las personas no tiene el conocimiento que parte del smog que les causa problemas es emitido por las plantas termoeléctricas que trabajan para generar la electricidad que consumen. Es por ese motivo que el uso de energías renovables como los sistemas fotovoltaicos tendrá un impacto social positivo en las personas. Además, lograr implementar un sistema fotovoltaico en una Institución Educativa fomentará un ambiente ecológico entre los estudiantes y el personal educativo debido al uso de energías renovables, generando así un impacto positivo en las personas promoviendo e impulsando a que estas adquieran un pensamiento ecológico y posean una consciencia ambiental. 1.3.3. Económica Los costos de facturación de energía eléctrica cada vez son mayores, además de los cortes repentinos de luz que ocasionalmente suelen haber, provocan insatisfacción en la población e incentivan la búsqueda de tecnologías de reemplazo. 7 Un sistema fotovoltaico brinda beneficios económicos a largo plazo ya que al principio suele haber una fuerte inversión económica para posteriormente tener un periodo de aproximadamente 10-15 años en los cuales no se hace ningún pago, además de que existe un retorno de la inversión y un tiempo en el cual se tiene energía eléctrica gratuita. Sin embargo, un sistema fotovoltaico conectado a red tiene contacto con la red eléctrica por lo tanto no es independiente. Esto hace que no exista un periodo de energía gratuita, sino una reducción considerable en el pago de los recibos. Arequipa es conocida porque existe la presencia de la radiación solar durante los doce meses del año, por lo tanto, tampoco sería afectada por la escasez del recurso solar. Es por eso por lo que la implementación de un sistema fotovoltaico en una Institución Educativa traerá beneficios económicos a la misma institución ya que reducirá sus costos por abono eléctrico. 1.4. Hipótesis y descripción de variables 1.4.1. Hipótesis general  La propuesta de equipación y evaluación económica de un sistema solar fotovoltaico conectado a red para el CEBE “Helen Keller”, Arequipa; genera al menos el 70% de energía eléctrica demandada por la institución. 1.4.2. Hipótesis específicas  Los datos de la radiación solar obtenidos de la NASA, del Atlas Solar del Perú y de manera empírica son significativamente iguales, para la equipación y evaluación económica de un sistema solar fotovoltaico conectado a red para el CEBE “Helen Keller”, Arequipa  El consumo energético de la institución educativa “Helen Keller” es bajo y presenta una demanda eléctrica máxima no mayor a 20 KWh.  La propuesta de equipación de un sistema solar fotovoltaico conectado a red para el CEBE “Helen Keller”, Arequipa; presenta 05 paneles fotovoltaicos con una inclinación de 15°.  La equipación de un sistema solar fotovoltaico conectado a red reduce significativamente el costo de liquidación por energía eléctrica al CEBE “Helen Keller”, Arequipa. 8 1.4.3. Operacionalización de las variables Tabla 1. Operacionalización de variables Variable Nominal Definición de la variable Dimensiones Indicadores Equipación de un Sistema Solar Fotovoltaico Un sistema solar fotovoltaico es una estructura que aprovecha la energía de las radiaciones solares para transformarla en energía eléctrica. Radiación solar kWh/m2 Kilowatts hora por metro cuadrado Potencia kW Kilowatts Evaluación de un Sistema Solar Fotovoltaico La evaluación de un sistema solar sirve para medir cuantitativa y cualitativamente los factores ambientales y económicos de la investigación. Evaluación económica S/. Soles 9 CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO En el siguiente capítulo se hará una intensa revisión a la literatura para describir antecedentes de la investigación y su aporte a la presente investigación. Además, se detallará algunas bases teóricas y breves definiciones de términos básicos para el mejor entendimiento de la investigación. 2.1. Antecedentes del problema 2.1.1. Antecedentes nacionales Escobedo León en su investigación de tesis tiene por objetivo la implementación de un sistema fotovoltaico en un laboratorio de cómputo en el Colegio Nacional Coloso y Emblemático Jaén de Broccamoros en Lambayeque bajo un diseño de investigación aplicada y no experimental logrando dicho objetivo con la implementación de 24 paneles de 150 Wp, 12 baterías, 1 regulador de carga y un inversor requiriendo una inversión de S/. 63 747,63 y generando un VAN de S/. 2 058,81 lo cual concluye que el cumplimiento del objetivo es económicamente viable (4) La presente investigación aporta valiosa información al trabajo como el funcionamiento de un sistema fotovoltaico en ambientes pequeños y sirve como guía y modelo para el cálculo del sistema fotovoltaico. Avalos Vallejos en su investigación de tesis tiene por objetivo diseñar un sistema fotovoltaico debido los problemas en el servicio de energía eléctrica en un servicio habitacional en Jaén, por lo tanto, bajo una investigación no experimental e implementando 92 paneles de 270 Wp genera un VAN positivo de S/. 175 116,07 e indica una rentabilidad positiva, concluyendo que el objetivo de su investigación ha sido 10 cumplido de manera satisfactoria (5) La presente investigación aporta muy buena información al trabajo como el funcionamiento de un sistema fotovoltaico en hoteles de mediano tamaño, además de servir como guía y modelo para el cálculo del sistema fotovoltaico. Juan de Dios Ortiz en su investigación de tesis tiene por objetivo realizar una propuesta de diseño de un sistema solar fotovoltaico en un anexo de Tinco en la provincia de Yauyos, Lima debido a las deficiencias en el suministro eléctrico de dicho anexo y bajo una investigación básica-aplicada tomó como muestra 20 viviendas de una población de 25 viviendas y obtuvo resultados económicamente positivos obteniendo una recuperación de la inversión en 6 años y concluyendo que la investigación puede ser replicada y que la energía generada mediante este medio es de suma importancia y contribuye al desarrollo sostenible en el país (6) La presente investigación brinda información al trabajo como el funcionamiento de un sistema fotovoltaico para complejos habitacionales pequeños y de escasos recursos, adicionalmente sirve como guía y modelo para el cálculo del sistema fotovoltaico. León Llanos en su investigación de tesis tiene por objetivo diseñar un sistema fotovoltaico conectado a red y lograr reducir el consumo eléctrico de red y los costos del Instituto ISA en Chiclayo, y bajo una investigación evaluativa y descriptiva y empleando un análisis de datos matemático implementó 20 paneles de 315 Wp los cuales generaron un beneficio inicial de S/ 5 791,15 al primer año y un retorno de inversión de 6 años aproximadamente (7) La presente investigación concede información al presente trabajo como el funcionamiento y la rentabilidad de un sistema fotovoltaico en Institutos de mediano tamaño con tecnología media, y sirve como guía y modelo para el cálculo del sistema fotovoltaico. Lulo Niño en su trabajo de investigación tiene por objetivo determinar en cómo la implementación de un sistema fotovoltaico minimiza los costos de luz en la Municipalidad Distrital de Morococha, Yauli-Junín y con el uso de contrastación de hipótesis por T-student obtuvo que la ejecución del trabajo reduce el pago por gasto de electricidad en un 24, 88% (8) La presente investigación aporta valiosa información al trabajo como el funcionamiento de un sistema fotovoltaico en infraestructuras del Estado como lo son las Municipalidades, además de la posibilidad de la utilización de 11 pruebas estadísticas como la T-student para la demostración de resultados. Por otro lado, también sirve como guía y modelo para el cálculo del sistema fotovoltaico. Ramos Jiménez en su investigación tiene por objetivo precisar si la ejecución de un sistema fotovoltaico en el Pabellón “L” de la Universidad Continental sede Huancayo disminuye el nivel de abono por gasto eléctrico convencional mediante la prueba T- student con un nivel de significancia del 5% y bajo un método aplicado del tipo deductivo consiguió un resultado positivo, logrando minimizar los pagos por gasto energético con financiamiento y sin financiamiento de 42,25% y 50,87% respectivamente (9) La presente investigación brinda información a la investigación como el funcionamiento y la rentabilidad de un sistema fotovoltaico en infraestructuras de gran tamaño y con tecnología avanzada como lo es todo un pabellón de una Universidad privada. Adicionalmente también apoya el uso de pruebas estadísticas para la demostración de datos y sirve como guía y modelo para el cálculo del sistema fotovoltaico. Fernández Barreda en su investigación de tesis, tiene por objetivo precisar la viabilidad de la implementación de un sistema fotovoltaico conectado a red en el colegio Max Uhle, Arequipa desde una perspectiva técnica, además de resaltar las ventajas que obtendría la institución. Empleando la metodología de revisión bibliográfica, cálculos tradicionales y por software y evaluando la rentabilidad propuso la implementación de un sistema fotovoltaico con la capacidad del 80% de la demanda energética de la institución usando un inversor de 15kW y 54 paneles de 280 Wp. Además, en su investigación evalúa que el retorno de su inversión sería en 9 años, logrando demostrar la viabilidad de dicha implementación, pero con cambios significativos en la infraestructura de la institución (10) La presente investigación concede valiosa información al trabajo como el funcionamiento y la rentabilidad de un sistema fotovoltaico en grandes colegios privados con un nivel de tecnología alto como lo es el colegio “Max Uhle”. En adición, aporta la posibilidad de uso de software para el cálculo matemático y estadístico y para la corroboración de resultados; también sirve como guía y modelo para el cálculo del sistema fotovoltaico. Portugal Chalco en su tesis de investigación tiene por objetivo diseñar un sistema fotovoltaico de generación eléctrica que sea rentable para las viviendas de Arequipa y bajo un método deductivo tomó como muestra una vivienda común con equipos 12 electrónicos bajo media estadística en la cual concluyó que el modelo propuesto es viable económicamente con un punto de equilibrio de 5,4 años y su diseño es replicable y realizable viviendas con similitud a la media estadística (11) La presente investigación concede información al trabajo como el funcionamiento y la rentabilidad de un sistema fotovoltaico en los hogares de Arequipa. Adicionalmente aporta la posibilidad del uso de medias estadísticas como muestra para el análisis de datos y el procesamiento de información. También sirve como guía y modelo para el cálculo del sistema fotovoltaico. Valdiviezo Salas en su investigación tiene por objetivo diseñar un sistema fotovoltaico para brindar energía a 15 computadoras portátiles dentro de la Pontificia Universidad Católica de Perú para incentivar la utilidad de las energías renovables, por lo tanto, mediante cálculos matemáticos y estadísticos selecciona los componentes ideales para su sistema como 12 baterías, 24 paneles, 3 controladores y 1 inversor. Finalmente concluye que el sistema no es económicamente rentable, sin embargo, demuestra que dicho sistema evita que se emita 4,35 T de CO2 anuales (12) La presente investigación de Valdiviezo Salas aporta valiosa información al trabajo ya que demuestra que no todos los sistemas fotovoltaicos aplicados son rentables económicamente, sin embargo, también brinda datos numéricos de reducción de emisión de CO2 por la implementación del sistema. Por otro lado, también sirve como guía y modelo para el cálculo del sistema fotovoltaico. Banda Toma en su investigación tiene por objetivo evaluar la viabilidad técnica y económica de un sistema fotovoltaico aislado para un cierto espacio de la Universidad Católica San Pablo, Arequipa; el cual posee aparatos eléctricos de uso diario como celulares y laptops. En la investigación concluyó que se necesitan 28 paneles, 24 baterías, 2 controladores y 2 inversores para cubrir la expectativa energética y con una fuerte inversión inicial de USD 26,3444.8 es rentable técnicamente pero no económicamente (13) La presente investigación concede valiosa información a la investigación, ya que al igual que la investigación de Valdiviezo Salas, demuestra que los sistemas fotovoltaicos no son siempre rentables económicamente, sobre todo en áreas con alto gasto energético como lo es una Universidad. Sin embargo, también demuestra que el sistema es rentable técnicamente al demostrar que el sistema satisface la demanda energética. Al igual que todas las investigaciones, también sirve como guía y modelo para el cálculo del sistema fotovoltaico. 13 2.1.2. Antecedentes internacionales Sánches R. en su investigación tiene por objetivo estudiar la factibilidad de la implementación de un sistema fotovoltaico en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Central de Venezuela mediante 4 fases de estudio, diseño, desarrollo y culminación respectivamente, la cuales concluyeron que el proyecto no es factible económicamente debido a que la luminaria es de fluorescentes, sin embargo si dicha iluminaria es reemplazada por LED el proyecto se vuelve factible, además de reducir costos, aprovechar espacios y ahorro de energía (14) La presente investigación aporta muy buena información a la investigación, como la necesidad de iluminaria LED en reemplazo de las viejas iluminarias fluorescentes para la factibilidad y rentabilidad del sistema fotovoltaico, sobre todo en áreas de alta demanda eléctrica como lo es una Universidad. La investigación también sirve como guía y modelo para el cálculo del sistema fotovoltaico. Teón Vega en su tesis de maestría tiene por objetivo la reducción del consumo energético de las aulas ligeras en la Universidad Tecnológica de Tijuana, México implementando un sistema fotovoltaico debido al alto consumo eléctrico de dicha Universidad usando una metodología que consta de 5 fases las cuales son: diagnóstico energético, determinación de las características del SFV, adquisición e implementación, monitoreo de datos y análisis de resultados, los cuales demostraron una disminución del 19,63% implicando un ahorro anual de $ 4 639,16 pesos mexicanos lo que vendría a ser S/. 671,48 y un retorno de inversión de 11 a 12 años (15) La presente investigación aporta información al trabajo como el funcionamiento y la rentabilidad de un sistema fotovoltaico en aulas ligeras de una Universidad para reducir el consumo energético y no reemplazar el sistema eléctrico por uno fotovoltaico como en otras investigaciones. Además, demuestra la posibilidad de uso de software para el análisis de datos y al igual que los demás trabajos, sirve como guía y modelo para el cálculo del sistema fotovoltaico. Chicaiza Catupamba en su investigación pretende diseñar un sistema fotovoltaico para suministrar energía eléctrica al Gobierno Autónomo Descentralizado Parroquial de Curaray, en Ecuador y mediante cálculos matemáticos, estadísticos y mediante el uso del software PvSyst 6.39 concluyó que el proyecto es factible pues la demanda energética no es muy alta y las condiciones ambientales favorecen el trabajo (16) La presente investigación brinda información al trabajo como el funcionamiento y la 14 rentabilidad de un sistema fotovoltaico en infraestructuras del Estado de mediano tamaño con tecnología media de un país extranjero. Adicionalmente apoya la influencia del factor ambiental en el rendimiento del sistema fotovoltaico y sirve como guía y modelo para el cálculo del sistema fotovoltaico. Ortiz Quintero en su investigación estudia la factibilidad de implementar un sistema fotovoltaico para cubrir la carencia del servicio eléctrico en viviendas de la vereda El Blanquecino, La Argentina, Colombia; mediante análisis estadísticos y matemáticos y uso de software concluyó que el sistema presenta buenos resultados con el uso de 7 paneles, 1 regulador y 1 inversor, además de ser factible económicamente y evitar 1072 Kg de CO2 anuales (17) La presente investigación de Ortiz Quintero sirve como apoyo a la información de otros trabajos presentados al demostrar el funcionamiento y la rentabilidad de un sistema fotovoltaico en complejos habitacionales de mediano tamaño con tecnología media. Adicionalmente apoya el uso de software para el análisis de datos y demuestra cuantitativamente la reducción de CO2 con la implementación de su investigación y sirve como guía y modelo para el cálculo del sistema fotovoltaico. Lasluisa Morocho y Tobar Jami en su proyecto de titulación tienen por objetivo la implementación de un sistema fotovoltaico aislado en un hogar alejado que carece de suministro eléctrico debido a la gran distancia que tiene con el sistema de red eléctrico. Por lo tanto, con una metodología experimental pura logra implementar el sistema fotovoltaico con 2 paneles de 175 Wp y concluye que el proyecto es económicamente viable y logra una tasa de retorno de 14 años, el cual es un tiempo prudente para los sistemas fotovoltaicos (18) La presente investigación apoya firmemente la información de otros trabajos presentados al demostrar el funcionamiento y la rentabilidad de un sistema fotovoltaico en hogares de mediano tamaño con tecnología media. Adicionalmente el sistema fotovoltaico también cubría la demanda energética del cerco eléctrico del ganado del hogar, cuya demanda es relativamente alta a comparación de los artefactos de casa. Por otro lado, también sirve como guía y modelo para el cálculo del sistema fotovoltaico. Alarcón Solórzano y Cevallos Reyes en su investigación de tesis tienen por objetivo implementar un sistema fotovoltaico aislado para alimentar un sistema de iluminación en un área común de la facultad de Ingeniería Ambiental de su centro de estudios. Por lo tanto, con una metodología analítica y experimental desarrollan su investigación y logran desarrollar el sistema de alumbrado con medidas cuantitativas suficientes para 15 su respectiva alimentación fotovoltaica, cumpliendo satisfactoriamente su objetivo principal (19) La presente investigación de Alarcón Solórzano y Cevallos Reyes concede información al trabajo como el funcionamiento de un sistema fotovoltaico aislado como fuente de alimentación para sistemas de alumbrado en centros de estudios con grandes áreas. García Garnica, Sepúlveda Mora y Ferreira Jaimes, en su artículo científico tienen por objetivo determinar la viabilidad técnica y económica de la implementación de un sistema fotovoltaico para cubrir la demanda eléctrica del sistema de iluminación de una planta de tratamiento de agua en Colombia. Por lo tanto, mediante el uso del software PVsyst y el cálculo de la equivalencia de la iluminaria actual a LED, determinaron si resulta mejor un sistema aislado o uno conectado a red. Su investigación concluyo que el sistema aislado es inviable económicamente por la alta inversión inicial y el sistema conectado a red podría ser factible si se analiza factores externos como los incentivos tributarios u otras normativas adicionales (20) La presente investigación aporta a la investigación la posibilidad de considerar el equivalente a iluminaria LED antes de iniciar el dimensionamiento y los cálculos del sistema para disminuir la demanda energética del centro de investigación. Además, apoya el funcionamiento de un sistema fotovoltaico en plantas de gran tamaño como lo es una planta de tratamiento de aguas. Por otro lado, también sirve como guía y modelo para el cálculo del sistema fotovoltaico. Bravo Pacheco en su tesis tiene por objetivo minimizar el abono por gasto eléctrico implementando un sistema fotovoltaico para alimentar el sistema de alumbrado de un taller automotriz en la ciudad de Guayaquil, Ecuador. Por lo tanto, mediante un método de investigación mixto (cuantitativo y cualitativo) y el uso de cálculos, determinó la necesidad de 6 paneles de 270 Wp y concluyó que debido a que la tasa de retorno es de 20 años y el tiempo de vida del sistema es de aproximadamente 25 años, es inviable económicamente. Adicionalmente, demostró que la cantidad de CO2 por año que se evita emitir al ambiente con la implementación de su investigación es de 2,06 T (21) La presente investigación aporta valiosa información al trabajo como el funcionamiento de un sistema fotovoltaico en talleres automotrices, además aporta la idea de que si el valor de la tasa de retorno es mayor o igual 20 años, no es económicamente factible debido a la corta diferencia de años con el promedio de vida del sistema. Adicionalmente, sirve como guía y modelo para el cálculo del sistema fotovoltaico. 16 Cardozo Sarmiento y Sánchez Mojica en su artículo académico tienen por objetivo diseñar y evaluar económicamente de un sistema fotovoltaico aislado para escuelas rurales al norte de Santander en Colombia. Por lo tanto, mediante una secuencia de procesos que incluyen la revisión de la literatura, desarrollo, dimensionamiento y evaluación, llegaron a la conclusión que un sistema de menor inversión es viable debido a las condiciones ambientales de la zona y brinda independencia energética a las escuelas (22) La presente investigación concede información al trabajo como el funcionamiento y la rentabilidad de un sistema fotovoltaico en escuelas rurales alejadas de mediano tamaño con tecnología media. Además, aporta la idea de evaluar los tipos de sistemas de acuerdo con el monto de inversión y sirve como guía y modelo para el cálculo del sistema fotovoltaico. Reyes Vera en su tesis tiene por objetivo estudiar la factibilidad de implementar un sistema fotovoltaico para cubrir la demanda energética del sector El Tablazo en la ciudad de Santa Elena, Ecuador. Por lo tanto, con una secuencia metodológica de la siguiente manera: una revisión de la literatura, un estudio de mercado, un estudio técnico, un estudio económico y financiero y un análisis administrativo y económico; llega a la conclusión que el sistema es viable técnica y económicamente con una tasa de retorno de 5 años (23) La presente investigación aporta valiosa información al trabajo como el funcionamiento y rentabilidad de un sistema fotovoltaico en complejos habitacionales y hogares domésticos de mediano tamaño con tecnología media. Además, aporta la posibilidad del empleo de la metodología de secuencia implementada por el autor. Por otro lado, también sirve como guía y modelo para el cálculo del sistema fotovoltaico. 2.2. Bases teóricas 2.2.1. Marco legal La presente investigación posee el siguiente marco legal: - DECRETO LEGISLATIVO Nº 1002: Decreto Legislativo de promoción de la inversión para la generación de electricidad con el uso de energías renovables. - DECRETO SUPREMO Nº 012-2011-EM: Reglamento de la Ley de promoción de la inversión para la generación de electricidad con el uso de energías renovables. 17 2.3. Definición de términos básicos 2.3.1. Radiación solar La radiación solar es la energía que emite el sol al planeta Tierra en forma de ondas electromagnéticas la cual se puede aprovechar de 2 formas generalmente: captarla para generar energía térmica (calor) o captarla para generar energía eléctrica (sistema fotovoltaico). La unidad de medida para la radiación solar es el KWh/m2. (24) 2.3.2. Energía eléctrica La energía eléctrica es el tipo de energía más común y útil en estos tiempos, puesto que es la utilizada actualmente para el funcionamiento de la mayoría de los artefactos en todo mundo. Ésta se resume básicamente en la interacción física entre polos, es decir, la atracción y repulsión de cargas positivas y negativas.(24) 2.3.3. Sistema fotovoltaico Un sistema fotovoltaico es un conjunto de componentes encargados de transformar la energía del sol en energía eléctrica para distintos usos como: Viviendas, bombeo de agua, aplicaciones espaciales, alumbrado privado y público, señalización, entre otros. Pueden ser de 2 tipos: sistema fotovoltaico aislado o autónomo y sistema fotovoltaico conectado a red eléctrica. Generalmente está compuesto por los paneles solares, reguladores e inversores.(24) 2.3.4. Sistema fotovoltaico conectado a red Un sistema fotovoltaico conectado a red es un sistema que, a diferencia del sistema aislado o autónomo, no posee baterías, y su funcionamiento no es autónomo e independiente de la red eléctrica convencional, por lo tanto no puede ser usado en zonas alejadas o rurales. (24) 2.3.5. Paneles solares Es un módulo conformado por células generalmente de silicio, las cuales están unidas eléctricamente y dispuestas en una estructura especial. Es el componente más importante en un sistema fotovoltaico, pues es el encargado de transformar la energía irradiada por el sol en energía eléctrica, sin embargo la transforma a corriente continua.(25) 18 2.3.6. Inversores Es un componente indispensable en la instalación de un sistema fotovoltaico, ya que es el encargado de transformar la energía eléctrica generada en los paneles solares de corriente continua a corriente alterna para el uso común. (25) 2.3.7. Convertidor Es un componente no tan usual en sistemas fotovoltaicos, sin embargo es necesario si se desea utilizar artefactos eléctricos que requieran voltajes menores, puesto que el convertidor reduce el voltaje a aproximadamente 12V. (24) 19 CAPÍTULO III METODOLOGÍA 3.1. Método y alcance de la investigación 3.1.1. Método de investigación La investigación presenta una metodología científica mixta, ya que posee variables cuantitativas y cualitativas.(26) 3.1.2. Alcance o nivel de investigación La presente investigación posee el siguiente nivel de investigación. (26). Descriptiva: Durante la etapa de equipación de un sistema solar fotovoltaico conectado a red para el CEBE “Helen Keller, Arequipa; se describirán cada una de las características del sistema fotovoltaico mediante cálculos. 3.2. Diseño de la investigación 3.2.1. Diseño experimental Diseño experimental: La presente investigación presenta un diseño experimental (26) debido a que en el estudio además de analizar todos los componentes del sistema fotovoltaico, manipulará variables de estudio para estudiar su comportamiento, como la radiación solar en el área de estudio y la reducción económica en la liquidación eléctrica. 3.3. Población y muestra 3.3.1. Población La población de la investigación como unidad de estudio comprende a todo el Centro Educativo Básico Especial “Helen Keller”, en el departamento de Arequipa. Así mismo 20 la población también es comprendida por los datos de radiación solar de Arequipa y las boletas de pago eléctrico de la Institución en 24 meses. Figura 4. CEBE "Helen Keller" Fuente: (27) Tabla 2. Coordenadas geográficas Coordenadas 16° 26’ 09” S 71° 31’ 26” W Fuente: (28) 3.3.2. Muestra La muestra para la radiación solar está comprendida por la radiación solar de Arequipa promedio de un año. La muestra para la evaluación económica está comprendida por las 24 boletas de pago eléctrico de la institución. 21 3.4. Técnicas e instrumentos de recolección de datos 3.4.1. Técnica Observación: Como técnica se empleará la observación, la cual es requerida de manera indispensable para la recolección de datos en campo. 3.4.2. Instrumento Ficha de registro de datos: Como instrumento se empleará una ficha de registro de datos, para la toma de datos de los equipos eléctricos de la institución, así como de sus características. 22 CAPÍTULO IV RESULTADOS Y DISCUSIÓN 4.1. Resultados del tratamiento y análisis de la información A continuación, se presentan los datos recopilados de fuentes confiables y de manera empírica. 4.1.1. Radiación Solar Los datos de radiación solar del área de estudio se han obtenido de 3 maneras y fuentes diferentes: NASA Tabla 3. Índice de radiación solar según la NASA NASA Latitud: -16.4365 Longitud: -71.5243 Mes Valor (kWh/m2/día) Enero 6.09 Febrero 5.80 Marzo 6.13 Abril 6.22 Mayo 6.22 Junio 6.05 Julio 6.07 Agosto 6.09 Septiembre 6.42 Octubre 6.86 Noviembre 7.10 Diciembre 7.01 Anual 6.34 Fuente: (29) 23 Figura 5. Índice de radiación solar según la NASA Fuente: (29) Como se logra observar en la Tabla N° 3 y en la Figura N° 5, los valores de la radiación solar según la base de datos de la NASA oscilan en un rango de valores entre 5.8 y 7.1 kWh/m2/día, con un incremento en temporada de primavera y verano y un descenso en temporada de invierno y otoño. ATLAS SOLAR DEL PERÚ Tabla 4. Índice de radiación solar según el Atlas Solar del Perú Atlas Solar Perú Latitud: -16.4365 Longitud: -71.5243 Mes Rango (kWh/m2/día) Valor promedio (kWh/m2/día) Enero 7 - 7.5 7.25 Febrero 7 - 7.5 7.25 Marzo 6.5 - 7 6.75 Abril 5.5 - 6 5.75 Mayo 5 - 5.5 5.25 Junio 4.5 - 5 4.75 Julio 4.5 - 5 4.75 Agosto 5 - 5.5 5.25 Septiembre 6 - 6.5 6.25 Octubre 6.5 - 7 6.75 Noviembre 7.5 - 8 7.75 Diciembre 7 - 7.5 7.25 Anual 6.5 - 7 6.75 Fuente: (30) 24 Figura 6. Índice de radiación solar según el Atlas Solar del Perú Fuente: (30) Como se logra observar en la Tabla N° 4 y en la Figura N° 6, los valores de la radiación solar según la base de datos del Atlas Solar del Perú que dispone el SENAMHI en su portal GeoIDEP, oscilan en un rango de valores entre 4.75 y 7.75 kWh/m2/día debido a que se tomaron promedios en los rangos brindados por SENAMHI, con un incremento en temporada de primavera y verano y un descenso en temporada de invierno y otoño, al igual que los valores de la NASA. MEDICIÓN EMPÍRICA Tabla 5. Índice de radiación solar tomado In-Situ Medición In-Situ Latitud: -16.4365 Longitud: -71.5243 Mes Valor (kWh/m2/día) Enero 6.55 Febrero 6.86 Marzo 6.65 Abril 6.12 Mayo 5.87 Junio 5.58 Julio 5.85 Agosto 5.90 Septiembre 6.32 25 Octubre 6.80 Noviembre 7.38 Diciembre 7.20 Anual 6.42 Figura 7. Índice de radiación solar tomado In-Situ Como se logra observar en la Tabla N° 5 y en la Figura N° 7, los valores de la radiación solar según las mediciones empíricas tomadas con un pirómetro oscilan en un rango de valores entre 5.58 y 7.38 kWh/m2/día, con un incremento en temporada de primavera y verano y un descenso en temporada de invierno y otoño al igual que as dos fuentes anteriores. COMPARACIÓN Tabla 6. Comparación de Índices de radiación solar de tres distintas fuentes Comparación Latitud: -16.4365 Longitud: -71.5243 Mes NASA (kWh/m2/día) Atlas Solar (kWh/m2/día) Medición (kWh/m2/día) Enero 6.09 7.25 6.55 Febrero 5.80 7.25 6.86 Marzo 6.13 6.75 6.65 Abril 6.22 5.75 6.12 Mayo 6.22 5.25 5.87 Junio 6.05 4.75 5.58 Julio 6.07 4.75 5.85 Agosto 6.09 5.25 5.90 26 Septiembre 6.42 6.25 6.32 Octubre 6.86 6.75 6.80 Noviembre 7.10 7.75 7.38 Diciembre 7.01 7.25 7.20 Anual 6.34 6.75 6.42 Figura 8. Comparación de Índices de radiación solar de tres distintas fuentes Como se logra observar en la Tabla N° 6 y en la Figura N° 8, los valores de la radiación solar en las tres fuentes tomadas oscilan en un rango de valores entre 4.75 y 7.75 kWh/m2/día, con diferencias pequeñas, pero siguiendo un mismo patrón: un incremento en temporada de primavera y verano y un descenso en temporada de invierno y otoño. Para el futuro dimensionamiento del sistema fotovoltaico tomaremos el valor más bajo de radiación, el cual es de 4.75 kWh/m2/día ubicado en los meses de junio y julio para un sistema confiable y eficiente en todo el año. 4.1.2. Potencia Instalada La potencia instalada fue calculada mediante la ficha de registro de los artefactos e instrumentos eléctricos presentes en la Institución, los cuales se presentan de la siguiente manera: 27 ÁREA SAANEE Tabla 7. Inventario y potencia del área SAANEE N° Bien Marca Modelo Cantidad Potencia (kw) Potencia instalada (kw) Frecuencia de uso (h) Potencia instalada (kw/h) 1 Computadora de escritorio completa Cibertel 52xmax 1 0.45 0.45 2 0.9 2 Impresora a inyección de tinta Hp D1560 1 0.015 0.015 0.5 0.0075 3 Minicomponente Philips Mcm166 /55 1 0.015 0.015 3 0.045 4 Laptop No tiene No tiene 3 0.2 0.6 2 1.2 5 Celular No tiene No tiene 4 0.005 0.02 0.5 0.01 Total 2.1625 Como se logra observar en la tabla 7, la potencia instalada total es de 2.1625 kW/h/día de acuerdo a los artefactos eléctricos que se tienen en el área de SAANEE. ÁREA AULAS Tabla 8. Inventario y potencia de las aulas N° Bien Marca Modelo Cantidad Potencia (kw) Potencia instalada (kw) Frecuencia de uso (h) Potencia instalada (kw/h) 1 Minicomponente Philips Mcm166/55 5 0.015 0.075 3 0.225 2 Televisor a colores Lg 21fc2rl-ld 5 0.15 0.75 2 1.5 3 Reproductor de video Philips Idvd-202 5 0.01 0.05 1 0.05 4 Fluorescentes No tiene 40 0.018 0.72 4 2.88 5 Celular No tiene No tiene 5 0.005 0.025 0.5 0.0125 Total 1.62 4.6675 Como se logra observar en la tabla 8, la potencia instalada total es de 4.6675 kW/h/día de acuerdo a los artefactos eléctricos que se tienen en cada una de las 5 aulas de la institución. ÁREA DIRECCIÓN 28 Tabla 9. Inventario y potencia del área de dirección N° Bien Marca Modelo Cantidad Potencia (kw) Potencia instalada (kw) Frecuencia de uso (h) Potencia instalada (kw/h) 1 Computadora de escritorio completa Power No tiene 1 0.5 0.5 7 3.5 2 Camara fotografica digital Canon Eos110 0 1 0.045 0.045 0.1 0.0045 3 Equipo multifuncional Xerox Da1110 1 0.5 0.5 1.5 0.75 7 Sistema de proyeccion multimedia Epson H384a 1 0.5 0.5 0.2 0.1 8 Impresora (otras) Canon Mg3510 1 0.25 0.25 2 0.5 9 Equipo de sonido Sony Mhc- esx9 1 0.2 0.2 3 0.6 10 Plancha electrica Inox Ypf- 2001 1 2 2 0.01 0.02 11 Parlante Megaba ss No tiene 1 0.6 0.6 0.3 0.18 12 Amplificador de audio Vozzex No tiene 1 0.07 0.07 0.3 0.021 13 Consola para control de audio Dexun No tiene 1 1 1 0.3 0.3 14 Televisor led Samsun g 40036xp e 1 0.05 0.05 0.2 0.01 15 Fluorescente No tiene 1 0.018 0.018 8 0.144 17 Celular No tiene No tiene 1 0.005 0.005 0.2 0.001 Total 6.1305 Como se logra observar en la tabla 9, la potencia instalada total es de 6.1305 kW/h/día de acuerdo a los artefactos eléctricos que se tienen en el área de dirección de la institución. PASADIZOS Tabla 10. Potencia instalada en los pasadizos N° Bien Marca Modelo Cantidad Potencia (kw) Potencia instalada (kw) Frecuencia de uso (h) Potencia instalada (kw/h) 1 Fluorescente No tiene No tiene 5 0.018 0.09 8 0.72 Total 0.72 Como se logra observar en la tabla 10, la potencia instalada total es de 0.72 kW/h/día de acuerdo a los 5 fluorescentes que poseen los pasadizos de la institución. 29 RESUMEN Tabla 11. Potencia instalada total de la Institución Área Potencia Instalada (kWh/día) % Potencia a utilizar SAANEE 2.1625 15.80717 70% Aulas 4.6675 34.11791 Dirección 6.1305 44.81196 Pasadizos 0.72 5.262966 TOTAL 13.6805 100 9.5763 Como se logra observar en la tabla 11, la potencia instalada total de toda la institución es de 13.6805 kW/h/día de acuerdo con los artefactos eléctricos que se tienen en toda la institución, incluyendo el alumbrado, sin embargo, se utilizará el dato del 70%, el cual es 9.5763 kWh/día para los cálculos de dimensionamiento. Figura 9. Potencia instalada por áreas Como se logra observar en la figura 9, el área que consume mayor energía eléctrica es la dirección con casi el 45%, debido a que posee la mayor cantidad de instrumentos eléctricos, seguido de las 5 aulas en conjunto con un 34%, posteriormente el área de SAANEE con un 16% y por último los pasadizos de la institución con un 5%. 4.1.3. Hora solar pico La hora solar se halla dividiendo la irradiación solar hallada anteriormente sobre la irradiancia estándar (1000W/m2). (22) 30 𝐻𝑆𝑃 = 𝐼 𝐺 Donde: I = Irradiancia del lugar (W/m2) G = Irradiancia estándar (1000W/m2) 𝐻𝑆𝑃 = 4750 1000 𝐻𝑆𝑃 = 4.75 Este dato indica el número de horas que la radiación solar se encuentra perpendicular al módulo solar, dato que será útil a la hora de calcular el número de paneles solares. 4.1.4. Cálculo de paneles solares El cálculo del número de módulos solares se halla de la siguiente manera (8) : 𝑁𝑝 = 𝐸 𝑊𝑝 × 𝐻𝑆𝑃 Donde: Np = Número de paneles solares E = Demanda energética (W/m2) Wp = Potencia del panel escogido (340 W/m2) HSP = Hora solar pico 𝑁𝑝 = 9 576.3 𝑊ℎ 340 𝑊𝑝 × 4.75 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑁𝑝 = 5.9295 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 𝑁𝑝 ≈ 6 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 Se determinó 5.9295 paneles solares de 340 W/m2 de potencia, sin embargo, este dato se redondea a 6 paneles obligatoriamente. 4.1.5. Inclinación de paneles solares 31 La inclinación de los paneles solares empleados en nuestro sistema fotovoltaico será hallado mediante la siguiente fórmula, la cual está basada en la Norma Técnica EM- 080 (9) (10) : 𝛽 = 𝐿 + 10° Donde: β = Inclinación del panel solar L = Latitud de la zona (-16.39889) 𝛽 = 16.39889 + 10° 𝛽 = 26.39889° 𝛽 ≈ 26° Debido a que la latitud de Arequipa es de -16.39889, la inclinación de los módulos será de 26° según la Norma Técnica EM-080. 4.1.6. Cálculo del inversor El cálculo del inversor a implementar en el sistema fotovoltaico es determinado pensando que todos los artefactos eléctricos estarán conectados al mismo tiempo con un porcentaje de seguridad, por lo tanto (4) (11) (18) (21): 𝑃𝐼𝑁𝑉 = %𝑆𝑒𝑔 × 𝑊ℎ Donde: PINV = Potencia del Inversor (W) %Seg = 1.25% Wh = 9 576.3 Wh 𝑃𝐼𝑁𝑉 = 1.25% × 9 576.3 𝑊ℎ 𝑃𝐼𝑁𝑉 = 11 970.375 𝑊 𝑃𝐼𝑁𝑉 ≈ 12 𝑘𝑊 La potencia requerida del inversor es de 12kW, sin embargo, nunca se llega a ese límite y la mayor parte de casos los inversores suelen estar por la mitad de la demanda máxima, por lo tanto, se contará con 1 inversores de 12 V, el cual trabajará a 2kW. 32 4.1.7. Presupuesto El presupuesto es la inversión inicial del sistema fotovoltaico, el cual se elaboró con costos tentativos del mercado los cuales se presentan en la siguiente tabla. Tabla 12. Presupuesto del sistema fotovoltaico N° Descripción Cantidad Costo Unitario S/. Costo parcial S/. 1 Panel Solar 340W 24V Policristalino ERA 6 635.38 3812.28 2 Inversor de interconexión Huawei SUN2000L-2KTL 1 3174.93 3174.93 3 Medidor bidireccional 1 965.95 965.95 4 Otros (estructuras y cableado) 2000 2000 TOTAL 9953.16 Fuente: (31) Se puede observar que la inversión inicial del sistema fotovoltaico es de S/. 9 953.16. 4.1.8. Consumo y abono actual de la institución El abono eléctrico actual de la institución se obtiene de las boletas de pago que brinda SEAL, datos que se presentan en la siguiente tabla. Tabla 13. Consumo y abono actual de la Institución Mes Año Consumo (kWh/día) Consumo mensual (kW) Abono mensual (S/.) Enero 2018 13.13 393.84 225.95 Febrero 2018 13.31 399.27 229.06 Marzo 2018 13.51 405.3 232.52 Abril 2018 13.27 398.13 228.41 Mayo 2018 13.20 395.91 227.13 Junio 2018 13.35 400.62 229.84 Julio 2018 12.92 387.48 222.30 Agosto 2018 13.61 408.42 234.31 Setiembre 2018 13.12 393.69 225.86 Octubre 2018 13.31 399.15 228.99 Noviembre 2018 13.78 413.52 237.24 Diciembre 2018 13.59 407.7 233.90 Enero 2019 13.56 406.86 233.42 Febrero 2019 13.34 400.32 229.66 Marzo 2019 12.92 387.63 222.38 Abril 2019 13.49 404.67 232.16 Mayo 2019 13.37 400.98 230.04 33 Junio 2019 12.91 387.3 222.19 Julio 2019 13.16 394.68 226.43 Agosto 2019 13.41 402.42 230.87 Setiembre 2019 13.12 393.45 225.72 Octubre 2019 12.92 387.63 222.38 Noviembre 2019 13.31 399.33 229.10 Diciembre 2019 13.47 403.95 231.75 TOTAL 319.08 9572.25 5491.60 Estos datos se pueden corroborar mediante el siguiente cálculo simple: 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑃 × 𝑀𝑒𝑠 × 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑘𝑊ℎ 𝑒𝑛 𝑃𝑒𝑟ú Donde: P = Potencia (kWh/día) Mes = 30 días Costo del kWh en Perú = S/. 0.5737 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 13.6805 × 30 × 0.5737 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑆/.235.455 𝑎𝑙 𝑚𝑒𝑠 Por lo tanto, la facturación promedio al mes sería de S/. 235.455, valor que está dentro del rango de datos brindados en la tabla anterior. 4.1.9. Consumo y abono con el sistema fotovoltaico El consumo con el sistema fotovoltaico se ha elaborado con reglas de tres simple y los resultados están en el siguiente cuadro. Tabla 14. Consumo y abono con el sistema fotovoltaico Mes Año Consumo con SF (kWh/día) Consumo mensual con SF (kW) Abono mensual con SF (S/.) Enero 2018 9.12 273.45 156.88 Febrero 2018 9.51 285.15 163.59 Marzo 2018 9.63 288.9 165.74 Abril 2018 9.69 290.76 166.81 Mayo 2018 9.70 290.91 166.90 Junio 2018 9.35 280.35 160.84 Julio 2018 9.72 291.54 167.26 Agosto 2018 9.10 272.91 156.57 Setiembre 2018 9.29 278.82 159.96 34 Octubre 2018 9.47 284.22 163.06 Noviembre 2018 9.18 275.46 158.03 Diciembre 2018 9.67 290.1 166.43 Enero 2019 9.72 291.54 167.26 Febrero 2019 9.60 288.03 165.24 Marzo 2019 9.33 279.75 160.49 Abril 2019 9.58 287.46 164.92 Mayo 2019 9.68 290.52 166.67 Junio 2019 9.21 276.24 158.48 Julio 2019 9.13 273.81 157.08 Agosto 2019 9.66 289.92 166.33 Setiembre 2019 9.64 289.23 165.93 Octubre 2019 9.59 287.82 165.12 Noviembre 2019 9.75 292.59 167.86 Diciembre 2019 9.24 277.17 159.01 TOTAL 227.56 6826.65 3916.45 Estos datos se pueden corroborar mediante el siguiente cálculo simple: 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑃 × 𝑀𝑒𝑠 × 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑘𝑊ℎ 𝑒𝑛 𝑃𝑒𝑟ú Donde: P = Potencia (kWh/día) Mes = 30 días Costo del kWh en Perú = S/. 0.5737 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 9.5763 × 30 × 0.5737 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑆/.164.817 𝑎𝑙 𝑚𝑒𝑠 Por lo tanto, la facturación promedio al mes sería de S/. 164.817, valor que está dentro del rango de datos brindados en la tabla anterior. 4.1.10. Consumo y abono actual vs con sistema fotovoltaico Para la prueba de hipótesis se requiere la siguiente tabla con datos del consumo y abono eléctrico actual y el consumo y abono con el sistema fotovoltaico. 35 Tabla 15. Consumo y abono actual vs consumo y abono con el SF Mes Año Consumo mensual (kW) Abono mensual (S/.) Consumo mensual con SF (kW) Abono mensual con SF (S/.) Diferencia del abono mensual (S/.) Enero 2018 393.84 225.95 273.45 156.88 69.07 Febrero 2018 399.27 229.06 285.15 163.59 65.47 Marzo 2018 405.3 232.52 288.9 165.74 66.78 Abril 2018 398.13 228.41 290.76 166.81 61.60 Mayo 2018 395.91 227.13 290.91 166.90 60.24 Junio 2018 400.62 229.84 280.35 160.84 69.00 Julio 2018 387.48 222.30 291.54 167.26 55.04 Agosto 2018 408.42 234.31 272.91 156.57 77.74 Setiembre 2018 393.69 225.86 278.82 159.96 65.90 Octubre 2018 399.15 228.99 284.22 163.06 65.94 Noviembre 2018 413.52 237.24 275.46 158.03 79.21 Diciembre 2018 407.7 233.90 290.1 166.43 67.47 Enero 2019 406.86 233.42 291.54 167.26 66.16 Febrero 2019 400.32 229.66 288.03 165.24 64.42 Marzo 2019 387.63 222.38 279.75 160.49 61.89 Abril 2019 404.67 232.16 287.46 164.92 67.24 Mayo 2019 400.98 230.04 290.52 166.67 63.37 Junio 2019 387.3 222.19 276.24 158.48 63.72 Julio 2019 394.68 226.43 273.81 157.08 69.34 Agosto 2019 402.42 230.87 289.92 166.33 64.54 Setiembre 2019 393.45 225.72 289.23 165.93 59.79 Octubre 2019 387.63 222.38 287.82 165.12 57.26 Noviembre 2019 399.33 229.10 292.59 167.86 61.24 Diciembre 2019 403.95 231.75 277.17 159.01 72.73 TOTAL 9572.25 5491.60 6826.65 3916.45 1575.15 Como se logra observar en la tabla 15, el abono eléctrico actual en el periodo de 2 años es de S/. 5 491.6 mientras que con el sistema fotovoltaico es de S/. 1 575.15. 4.2. Prueba de hipótesis A continuación, se presentarán los resultados obtenidos en base a los cálculos y pruebas de hipótesis para cada hipótesis planteada en la investigación. 4.2.1. Hipótesis específica #1 A. HIPÓTESIS DE INVESTIGACIÓN H1: Los datos de la radiación solar obtenidos de la NASA, del Atlas Solar del Perú y de manera empírica NO son significativamente iguales, para la equipación y evaluación 36 económica de un sistema solar fotovoltaico conectado a red para el CEBE “Helen Keller”, Arequipa. H0: Los datos de la radiación solar obtenidos de la NASA, del Atlas Solar del Perú y de manera empírica son significativamente iguales, para la equipación y evaluación económica de un sistema solar fotovoltaico conectado a red para el CEBE “Helen Keller”, Arequipa. B. HIPÓTESIS ESTADÍSTICA H1: Los datos presentan diferencias significativas. H0: No existen diferencias significativas en los datos. C. SIGNIFICANCIA El nivel de significancia de la prueba estadística es de 99% α = 0.01 D. PRUEBA DE NORMALIDAD Antes de proceder con la prueba estadística se requiere verificar si los datos son normales. Tabla 16. Prueba de normalidad - Radiación Solar Fuente de data de radiación solar Kolmogorov-Smirnova Shapiro-Wilk Estadístico Gl Sig. Estadístico gl Sig. Valor de Radiación Solar Atlas Solar Perú ,180 12 ,200* ,908 12 ,198 NASA ,277 12 ,011 ,845 12 ,032 Medición empírica ,152 12 ,200* ,956 12 ,722 a. Corrección de la significación de Lilliefors *. Este es un límite inferior de la significación verdadera. Como se logra observar en la tabla 16, el valor “Sig” es mayor a la significancia (0.01), por lo tanto, cada uno de los grupos posee una distribución normal. Debido a esto, la prueba estadística a usar es ANOVA, caso contrario se hubiera aplicado Kruskal Walis. 37 E. ESTADÍSTICO DE PRUEBA Gracias a los valores obtenidos en la prueba de normalidad, el estadístico de prueba es el ANOVA, cuyos resultados se presentan en la siguiente tabla. Tabla 17. Prueba ANOVA - Radiación solar Suma de cuadrados gl Media cuadrática F Sig. Inter-grupos ,180 2 ,090 ,164 ,849 Intra-grupos 18,091 33 ,548 Total 18,271 35 Como se logra observar en la tabla 17, el valor “Sig” es mayor a la significancia (0.01), por lo tanto, se procede a realizar la decisión estadística. F. DECISIÓN ESTADÍSTICA Al ser el valor “Sig” mayor a la significancia (0.01), por lo tanto: ACEPTA: Hipótesis nula (H0) RECHAZA: Hipótesis alterna (H1) G. CONCLUSIÓN Existen evidencias que demuestran que os datos de la radiación solar obtenidos de la NASA, del Atlas Solar del Perú y de manera empírica son significativamente iguales, para la equipación y evaluación económica de un sistema solar fotovoltaico conectado a red para el CEBE “Helen Keller”, Arequipa. Con un nivel de confianza de 0.01%. 4.2.2. Hipótesis específica #2 A. HIPÓTESIS DE INVESTIGACIÓN H1: El consumo energético de la institución educativa “Helen Keller” es bajo y presenta una demanda eléctrica máxima no mayor a 20 KWh. H0: El consumo energético de la institución educativa “Helen Keller” es bajo y presenta una demanda eléctrica máxima mayor o igual a 20 KWh. 38 B. HIPÓTESIS ESTADÍSTICA H1: µ < 20 kWh H0: µ ≥ 20 kWh C. CONCLUSIÓN De acuerdo con la tabla 11 se puede concluir que la Institución Educativa “Helen Keller” presenta una demanda eléctrica máxima de 13.6805 kWh, valor el cual es menor a 20. Por lo tanto, se acepta la hipótesis alterna de la investigación. 4.2.3. Hipótesis específica #3 A. HIPÓTESIS DE INVESTIGACIÓN La propuesta de equipación de un sistema solar fotovoltaico conectado a red para el CEBE “Helen Keller”, Arequipa; presenta 05 paneles fotovoltaicos con una inclinación de 15°. B. CONCLUSIÓN De acuerdo con los puntos 4.1.4 y 4.1.5, se calculó que el sistema fotovoltaico presenta 06 paneles fotovoltaicos con una inclinación de 26°. Por lo tanto, se rechaza la hipótesis presentada. 4.2.4. Hipótesis específica #4 A. HIPÓTESIS DE INVESTIGACIÓN H1: La equipación de un sistema solar fotovoltaico conectado a red reduce significativamente el costo de liquidación por energía eléctrica al CEBE “Helen Keller”, Arequipa. H0: La equipación de un sistema solar fotovoltaico conectado a red NO reduce significativamente el costo de liquidación por energía eléctrica al CEBE “Helen Keller”, Arequipa. B. HIPÓTESIS ESTADÍSTICA H1: µANTES > µDESPUÉS  µANTES - µDESPUÉS > 0 H0: µANTES ≤ µDESPUÉS  µANTES - µDESPUÉS ≤ 0 39 C. SIGNIFICANCIA D. El nivel de significancia de la prueba estadística es de 95% E. α = 0.05 F. DATOS Los datos a emplear en la prueba de hipótesis son los sombreados en la tabla 15, los cuales son presentados en la siguiente tabla. Tabla 18. Datos para la prueba T-student Mes Año Abono mensual (S/.) Diferencia del abono mensual (S/.) Enero 2018 225.95 69.07 Febrero 2018 229.06 65.47 Marzo 2018 232.52 66.78 Abril 2018 228.41 61.60 Mayo 2018 227.13 60.24 Junio 2018 229.84 69.00 Julio 2018 222.30 55.04 Agosto 2018 234.31 77.74 Setiembre 2018 225.86 65.90 Octubre 2018 228.99 65.94 Noviembre 2018 237.24 79.21 Diciembre 2018 233.90 67.47 Enero 2019 233.42 66.16 Febrero 2019 229.66 64.42 Marzo 2019 222.38 61.89 Abril 2019 232.16 67.24 Mayo 2019 230.04 63.37 Junio 2019 222.19 63.72 Julio 2019 226.43 69.34 Agosto 2019 230.87 64.54 Setiembre 2019 225.72 59.79 Octubre 2019 222.38 57.26 Noviembre 2019 229.10 61.24 Diciembre 2019 231.75 72.73 TOTAL 5491.60 1575.15 40 Figura 10. Comportamiento del costo eléctrico La figura 10 muestra el comportamiento que tiene en los 2 años de prueba el abono eléctrico actual vs el abono con el sistema fotovoltaico. G. PRUEBA DE NORMALIDAD Antes de iniciar la prueba estadística, se requiere conocer si los datos poseen una distribución normal, para lo cual se realiza la siguiente tabla. Tabla 19. Prueba de normalidad - Abono eléctrico Kolmogorov-Smirnova Shapiro-Wilk Estadístico gl Sig. Estadístico gl Sig. Abono actual de la Institución ,107 24 ,200* ,962 24 ,482 Abono con el sistema fotovoltaico ,131 24 ,200* ,956 24 ,369 a. Corrección de la significación de Lilliefors *. Este es un límite inferior de la significación verdadera. Como se logra observar en la tabla 19, el valor “Sig” es mayor a la significancia (0.05), por lo tanto, ambos grupos poseen una distribución normal. H. ESTADÍSTICO DE PRUEBA El estadístico de prueba utilizado es la prueba T-student para pruebas emparejadas, cuyos resultados se encuentran en las siguientes tablas. 41 Tabla 20. Prueba T-student - Abono eléctrico I Diferencias relacionadas t gl Sig. (bilateral) Media Desviación típ. Error típ. de la media 95% Intervalo de confianza para la diferencia Inferior Superior Par 1 Abono actual de la Institución - Abono con el sistema fotovoltaico 163,18500 3,89882 ,79584 161,53867 164,83133 205,047 23 ,000 Con la tabla 20 se puede observar el que t(valor) es de 205.047. Tabla 21. Prueba T-student - Abono eléctrico II 0.0000000 hypothesized value 228.8166594 mean Abono mensual (S/.) 65.6312800 mean Diferencia del abono mensual (S/.) 163.1853794 mean difference (Abono mensual (S/.) - Diferencia del abono mensual (S/.)) 3.8995801 std. dev. 0.7959985 std. error 24 n 23 df 205.01 t 2.52E-39 p-value (one-tailed, upper) Con la table 21 se puede observar que el p(valor) es de 2.52 x 10-39, valor que es considerado demasiado bajo. I. DECISIÓN ESTADÍSTICA Como p(valor) es mucho menor a la significancia (0.05), se rechaza la hipótesis nula y se acepta la hipótesis alterna. J. CONCLUSIÓN La prueba muestra evidencia para afirmar que la equipación de un sistema solar fotovoltaico conectado a red reduce significativamente el costo de liquidación por energía eléctrica al CEBE “Helen Keller”, Arequipa. Con un nivel de confianza del 95%. 42 4.3. Discusión de resultados En la propuesta de equipación y evaluación económica de un sistema fotovoltaico conectado a red para el CEBE “Helen Keller”, Arequipa; se ha probado de manera satisfactoria las hipótesis planteadas mediante pruebas estadísticas y cálculos matemáticos. Dicha propuesta genera al menos el 70% de energía eléctrica demandada por la institución, ya que se calculo teniendo en cuenta este porcentaje mínimo requerido. Por otro lado, a través de una prueba ANOVA en la tabla 17, se pudo comparar y afirmar que los datos de radiación solar brindados por el Atlas Solar del Perú, la NASA y la medición empírica son significativamente iguales. Además, a través de las tablas 7, 8, 9, 10 y 11 se pudo determinar la demanda eléctrica de la Institución educativa, la cual concuerda con la hipótesis planteada siendo de 13.6805 kWh, valor especificado como menor a 20 kWh. Por otra parte, a través de los cálculos especificados en los puntos 4.1.4 y 4.1.5 se pudo determinar que el sistema fotovoltaico requiere de 06 paneles solares con una inclinación de 26°, datos que no concuerdan con los planteados en la hipótesis (05 paneles con una inclinación de 15°). Y, por último, se pudo comprobar que dicha propuesta, como fue planteada en la hipótesis, reduce significativamente el costo de liquidación por energía eléctrica a la Institución mediante una prueba T-student especificadas en las tablas 20 y 21. Los sistemas fotovoltaicos conectados a red suelen ser económicamente rentables debido a que la inversión inicial es considerablemente inferior a los sistemas fotovoltaicos autónomos, esto es debido a que estos últimos requieren de más equipos para su independencia y autonomía como las baterías, reguladores y controladores de carga. Además, que no necesita cubrir toda la demanda eléctrica ya que dispone de la red convencional para el suministro faltante de energía. Cabe recalcar que los paneles solares actualmente poseen eficiencias de generación eléctrica muy bajas con rangos entre 16-30% dependiendo del material de las celdas solares. Si con las tasas de eficiencia bajas presentes actualmente muchos sistemas fotovoltaicos son rentables, cuando se logren eficiencias muy altas los sistemas fotovoltaicos serán aún más rentables y tentativos para domicilios, establecimientos, entre otros. La energía solar es considerada por algunos autores como energía renovable, mientras que por otros no, basándose en que el sol es un cuerpo celeste con un tiempo de vida finito y limitado y que por lo tanto no es renovable; sin embargo, dado que los años de 43 vida del sol son cifras demasiado altas se consideran infinitas ya que no influye en la vida de la humanidad. Por lo tanto, sumado a las zonas como Latinoamérica en las cuales la irradiancia solar es alta o extremadamente alta, el aprovechamiento de este recurso debería ser alto. A diferencia de los trabajos de Sanches R. y Bravo Pachecho, y al igual que el resto de trabajos mencionados en los antecedentes, el presente sistema fotovoltaico es factible y conveniente para la institución al demostrar la reducción del pago eléctrico que posee la institución. Este tipo de investigaciones son complicadas de comparar con otros debido a que cada sistema es dependiente de la demanda eléctrica del lugar a aplicar, del tipo de sistema que sea, de los componentes que posea y los diversos modelos y marcas de cada uno de éstos. 44 CONCLUSIONES  Se logró describir la propuesta de equipación y evaluación económica de un sistema solar fotovoltaico conectado a red para el CEBE “Helen Keller”, Arequipa.  Se logró precisar los datos de la radiación solar obtenidos de la NASA, del Atlas Solar del Perú y de manera empírica y, además, se pudo comprobar que estos son significativamente iguales, para la equipación y evaluación económica de un sistema solar fotovoltaico conectado a red para el CEBE “Helen Keller”, Arequipa.  Se logró determinar el consumo energético de la institución, así como la demanda máxima cuyo valor es de 13.6805 kWh/día, para la equipación de un sistema solar fotovoltaico conectado a red para el CEBE “Helen Keller”, Arequipa.  Se logró determinar el número de paneles (el sistema requiere de 6 paneles solares) y la inclinación necesaria (los paneles requieren de una inclinación de 26°) para la equipación de un sistema solar fotovoltaico conectado a red para el CEBE “Helen Keller”, Arequipa.  Se logró determinar que la equipación de un sistema solar fotovoltaico conectado a red reduce significativamente el costo de liquidación por energía eléctrica al CEBE “Helen Keller”, Arequipa. 45 RECOMENDACIONES  Para la correcta implementación del sistema fotovoltaico en la Institución Educativa u otros centros de investigación, se recomienda considerar en los cálculos otros equipos necesarios e indispensables los cuales no fueron tocados en esta investigación, tales como el sistema de cableado, las estructuras para los módulos solares, los medidores bidireccionales, y los sistemas de seguro de corriente.  Para la correcta implementación del sistema fotovoltaico en la Institución Educativa u otros centros de investigación, se recomienda considerar factores externos en los cálculos tales como sombras, clima y pendientes, los cuales no fueron tocados en la presente investigación.  Para un análisis más profundo, se recomienda añadir el cálculo de CO2 equivalente a energía eléctrica, cuya emisión fue evitada al implementar el sistema fotovoltaico.  Se recomienda añadir una matriz de impactos ambientales post implementación, para el análisis de los impactos ambientales de la equipación de un sistema fotovoltaico, además de proponer estrategias de mitigación para los posibles impactos encontrados. 46 REFERENCIAS 1. 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