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“XXIII Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXIII – SPES), Huancayo, del 14 - 19. 11. 2016MAPAS DE RADIACION SOLAR Y TEMPERATURA DEL CALLEJON DE HUAYLAS Y CALLEJON DE CONCHUCOS DE LA REGION ANCASH. MYRIAM SOLEDAD FIGUEROA CRUZ, [email protected] LUIS ALBERTO MORENO RUBIÑOS, [email protected] FERNANDO RAUL ARCE ZUÑIGA, [email protected] WILFREDO JAVIER VALDIVIA ROJAS, [email protected] WILSON EDUARDO CAMACHO MAMANI, [email protected] Universidad Nacional Santiago Antúnez de Mayolo, Departamento de Ciencias Resumen. En este trabajo se presenta el estudio efectuado con el propósito de obtener mapas de radiación solar y temperatura. Para esto se realizaron mediciones de radiación solar y temperatura en las áreas del Callejón de Huaylas y Callejón de Conchucos de la región Ancash. Para la obtención de las curvas de niveles se utilizaron los métodos de interpolación Kriging e IDW en el software SIG ArcGis. En el aplicativo se varió la configuración de los parámetros de entrada y se efectuó un análisis estadístico para determinar qué modelo presentaba resultados más precisos. Por último se llevó a cabo una valoración de los mapas obteniéndose las conclusiones respectivas. Palabras-clave: Radiación Solar, Temperatura, mapas. 1. INTRODUCCION El presente trabajo que se quiere difundir es parte del proyecto de investigación: “Evaluación de las necesidades energéticas y evaluación de las alternativas de solución con energías renovables, en el Callejón de Huaylas y callejón de Conchucos de la región Ancash”; que tiene como objetivo general evaluar las necesidades energéticas y plantear alternativas de solución proponiendo el uso de energías renovables con recursos naturales disponibles para mejorar la calidad de vida de los pobladores en el Callejón de Huaylas y Callejón de Conchucos. Ancash, es un departamento del Perú situado en la parte central y occidental del país. Limita con el Océano Pacífico por el oeste, por el norte con el departamento de La Libertad, por el este con Huánuco y por el sur con Lima. Abarca gran parte de la costa norte del país en su parte occidental y una gran sección de la cordillera de los Andes con ramal adicional llamado Cordillera negra. Una parte de la cordillera Occidental de Los Andes toma el nombre de Cordillera Blanca por los nevados que en ella existen. Tiene una población estimada al año 2015 de 1 148 000 habitantes, cuenta con una superficie de aproximadamente 36 mil km 2 que representa el 2,8% del territorio nacional. El Callejón de los Conchucos se encuentra ubicado en la cordillera oriental de Ancash. Es un territorio agreste conformada por diversos valles ubicadas en el margen oriental de la Cordillera Blanca, tiene una extensión máxima de 240 km de sur a norte y de 62 km como máximo de este a oeste, comprende 9 provincias ubicadas desde la divisoria de las aguas de la Cordillera Blanca hasta el río Marañón, por el sur desde los linderos de la provincia de Huari con la provincia de Bolognesi y por el norte hasta el distrito de Conchucos de la provincia de Pallasca. La actividad económica se centra mayormente en la agricultura y la minería, en esta última actividad se nota la presencia de la empresa Antamina, una de las más grandes del país en el sector minero; sin embargo, el desarrollo de los pueblos de la zona de influencia no es equilibrada ni significativa, la ganadería es muy precaria, falta por otro lado el asfaltado de sus principales vías de comunicación, tiene aproximadamente 209 000 habitantes, que representa el 18% de la población del Departamento de Ancash. El Callejón de Huaylas, es un estrecho y alargado valle aluvial de la Cordillera de los Andes, ubicado dentro de la cordillera occidental y una bifurcación de esta cordillera, es decir entre las cordilleras llamadas Blanca y Negra, a lo largo del río Santa, desde la laguna de Conococha hasta el Cañón del Pato. Abarca 5 provincias del departamento que son: Recuay, Huaraz, Carhuaz, Yungay y Huaylas, la actividad más preponderante es la del turismo, y en pequeña escala la agricultura, la ganadería y la minería. Las ciudades del Callejón de Huaylas están en pleno proceso de desarrollo. Tiene aproximadamente 340 000 habitantes que representa el 30% de la población de Ancash. Según el Instituto Nacional de Estadística del Perú (INEI Compendio Estadístico 2013), el 98,6% de los hogares urbanos y el 68,6% de los hogares rurales del país tienen acceso al alumbrado público, en lo referente al departamento de Ancash el 93,4% de los hogares tienen este beneficio, es decir el alumbrado público, pero no al uso de esta energía para satisfacer sus necesidades. El proceso de electrificación del departamento de Ancash es bastante

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“XXIII Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXIII – SPES), Huancayo, del 14 - 19. 11. 2016”

MAPAS DE RADIACION SOLAR Y TEMPERATURA DEL CALLEJON DE

HUAYLAS Y CALLEJON DE CONCHUCOS DE LA REGION ANCASH.

MYRIAM SOLEDAD FIGUEROA CRUZ, [email protected]

LUIS ALBERTO MORENO RUBIÑOS, [email protected]

FERNANDO RAUL ARCE ZUÑIGA, [email protected]

WILFREDO JAVIER VALDIVIA ROJAS, [email protected]

WILSON EDUARDO CAMACHO MAMANI, [email protected]

Universidad Nacional Santiago Antúnez de Mayolo, Departamento de Ciencias

Resumen. En este trabajo se presenta el estudio efectuado con el propósito de obtener mapas de radiación solar y

temperatura. Para esto se realizaron mediciones de radiación solar y temperatura en las áreas del Callejón de Huaylas

y Callejón de Conchucos de la región Ancash. Para la obtención de las curvas de niveles se utilizaron los métodos de

interpolación Kriging e IDW en el software SIG ArcGis. En el aplicativo se varió la configuración de los parámetros de

entrada y se efectuó un análisis estadístico para determinar qué modelo presentaba resultados más precisos. Por

último se llevó a cabo una valoración de los mapas obteniéndose las conclusiones respectivas.

Palabras-clave: Radiación Solar, Temperatura, mapas.

1. INTRODUCCION

El presente trabajo que se quiere difundir es parte del proyecto de investigación: “Evaluación de las

necesidades energéticas y evaluación de las alternativas de solución con energías renovables, en el Callejón de

Huaylas y callejón de Conchucos de la región Ancash”; que tiene como objetivo general evaluar las necesidades

energéticas y plantear alternativas de solución proponiendo el uso de energías renovables con recursos naturales

disponibles para mejorar la calidad de vida de los pobladores en el Callejón de Huaylas y Callejón de Conchucos.

Ancash, es un departamento del Perú situado en la parte central y occidental del país. Limita con el Océano

Pacífico por el oeste, por el norte con el departamento de La Libertad, por el este con Huánuco y por el sur con Lima.

Abarca gran parte de la costa norte del país en su parte occidental y una gran sección de la cordillera de los Andes con

ramal adicional llamado Cordillera negra. Una parte de la cordillera Occidental de Los Andes toma el nombre de

Cordillera Blanca por los nevados que en ella existen. Tiene una población estimada al año 2015 de 1 148 000

habitantes, cuenta con una superficie de aproximadamente 36 mil km2 que representa el 2,8% del territorio nacional.

El Callejón de los Conchucos se encuentra ubicado en la cordillera oriental de Ancash. Es un territorio agreste

conformada por diversos valles ubicadas en el margen oriental de la Cordillera Blanca, tiene una extensión máxima de

240 km de sur a norte y de 62 km como máximo de este a oeste, comprende 9 provincias ubicadas desde la divisoria de

las aguas de la Cordillera Blanca hasta el río Marañón, por el sur desde los linderos de la provincia de Huari con la

provincia de Bolognesi y por el norte hasta el distrito de Conchucos de la provincia de Pallasca.

La actividad económica se centra mayormente en la agricultura y la minería, en esta última actividad se nota la

presencia de la empresa Antamina, una de las más grandes del país en el sector minero; sin embargo, el desarrollo de los

pueblos de la zona de influencia no es equilibrada ni significativa, la ganadería es muy precaria, falta por otro lado el

asfaltado de sus principales vías de comunicación, tiene aproximadamente 209 000 habitantes, que representa el 18% de

la población del Departamento de Ancash.

El Callejón de Huaylas, es un estrecho y alargado valle aluvial de la Cordillera de los Andes, ubicado dentro de

la cordillera occidental y una bifurcación de esta cordillera, es decir entre las cordilleras llamadas Blanca y Negra, a lo

largo del río Santa, desde la laguna de Conococha hasta el Cañón del Pato. Abarca 5 provincias del departamento que

son: Recuay, Huaraz, Carhuaz, Yungay y Huaylas, la actividad más preponderante es la del turismo, y en pequeña

escala la agricultura, la ganadería y la minería. Las ciudades del Callejón de Huaylas están en pleno proceso de

desarrollo. Tiene aproximadamente 340 000 habitantes que representa el 30% de la población de Ancash.

Según el Instituto Nacional de Estadística del Perú (INEI – Compendio Estadístico 2013), el 98,6% de los

hogares urbanos y el 68,6% de los hogares rurales del país tienen acceso al alumbrado público, en lo referente al

departamento de Ancash el 93,4% de los hogares tienen este beneficio, es decir el alumbrado público, pero no al uso de

esta energía para satisfacer sus necesidades. El proceso de electrificación del departamento de Ancash es bastante

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“XXIII Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXIII – SPES), Huancayo, del 14 - 19. 11. 2016” significativo quedando sólo los pueblos ubicados en zonas muy inaccesibles de esta región, pero también muchas

familias de los pueblos alto andinos todavía no tienen acceso a los beneficios de la energía eléctrica; motivo por el cual,

un grupo de docentes de la UNASAM preocupados por las necesidades de energía de los pobladores alto andinos de la

Región decidieron evaluar alternativas energéticas que se pueden brindar en estas zonas con la finalidad de mejorar la

calidad de vida de sus pobladores, las más viables para ser implementadas en estas zonas son las provenientes de las

energías renovables, pero diferentes a las hidráulicas, ya que implementar pequeñas centrales hidráulicas es muy

costoso para unas cuantas familias que viven en comunidades, peor aún si no tiene recursos económicos para pagar el

servicio; las alternativas que el grupo de investigación está evaluando son las provenientes del sol (energía solar), del

viento (energía Eólica) y la energía proveniente de la biomasa y de ellas la más factible es la de la energía solar, con ese

propósito se ha evaluado varios indicadores, dentro de ellos los niveles de radiación, la temperatura, la altitud de los

centros poblados escogidos como muestra y con los cuales se han elaborado los mapas que es el tema de la presente

exposición.

2. RADIACIÓN SOLAR

El sol es una estrella, muy especial porque hace posible la existencia de la vida en el planeta. De él procede casi

toda la energía de que se dispone, además es la estrella que gobierna el movimiento de los planetas.

Es importante conocer acerca del Sol, no solo por el aprovechamiento que puede hacerse de su energía y por los

impactos directos que ocasiona sobre la Tierra y la salud humana, sino también por motivos culturales. Como se

conoce, mitos, realidades y leyendas relacionadas con el Sol han formado parte de la cultura de civilizaciones

ancestrales.

El sol puede proporcionar energía a los habitantes que se encuentran en los lugares más recónditos de nuestra

patria, aislados, debido al pésimo estado y falta de vías de comunicación que obstaculizan la llegada de combustible y el

suministro eléctrico normal; brindando un mejor estándar de vida, como por ejemplo: obtener electricidad mediante

paneles fotovoltaicos, calentamiento de agua mediante termas solares, deshidratación de alimentos mediante secadores

solares, refrigeración solar, etc.

La estructura solar es muy compleja. Se estima que la temperatura en el núcleo central varía entre 8 y 40

millones de grados kelvin, tiene una densidad entre 80 y 100 veces la del agua, y se genera ahí cerca del 90% de la

energía solar total. En esta región central, esta contenido el 40% de la masa total del Sol.

A pesar de esta estructura tan compleja, será suficiente para aplicaciones en ingeniería considerar que el Sol se

comporta como un cuerpo negro a una temperatura efectiva de 5 762 K.

La energía solar es esencialmente radiación electromagnética que emite el sol debido a su temperatura. Esta

radiación está compuesta de tres tipos: radiación infrarroja (IR) 42%, radiación visible (Vis) 46% y radiación

ultravioleta (UV) 12%. A la superficie de la tierra llegan mayormente la radiación visible y la infrarroja, que son

importantes para las diversas aplicaciones (fotovoltaica, térmica, etc.). A la vez la radiación solar terrestre está

compuesta esencialmente de dos componentes: la radiación solar directa y la radiación solar difusa. Las proporciones de

radiación directa y difusa que recibe una superficie depende de:

Condiciones meteorológicas: en un día nublado la radiación es prácticamente difusa, mientras que en uno soleado es

directa.

Inclinación de la superficie respecto al plano horizontal: una superficie horizontal recibe la máxima radicación difusa y

la mínima reflejada.

Presencia de superficies reflectantes: las superficies claras son las más reflectantes por lo que la radiación reflejada

aumenta por el efecto de la nieve.

La constante solar Ics se define como la cantidad de energía por unidad de tiempo que recibe del Sol una

superficie de área unitaria perpendicular a la radiación, en el espacio, y a la distancia media del Sol a la Tierra. Se han

realizado numerosas mediciones directas e indirectas de la constante solar. El valor normal o estándar propuesto por

Thekaekarea y Drummond es de 1 353 W/m2.

3. TENDENCIA DE LA RADIACIÓN SOLAR Y LA TEMPERATURA

Para observar la tendencia y el comportamiento de la radiación solar y la temperatura, se ha obtenido

información del Centro meteorológico de la UNASAM (CIAD-FCAM-UNASAM), las mismas han sido dadas para las

diferentes localidades muestreadas que son aproximadamente 45, tanto en el Callejón de Huaylas como en el del

Callejón de Conchucos, los datos para hacer los mapas corresponden a 5 años (2010 a 2014), en cambio para hacer las

gráficas que a continuación se muestran pertenecen sólo al año 2014, pero de sus 365 días, los cuales han sido

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“XXIII Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXIII – SPES), Huancayo, del 14 - 19. 11. 2016” agrupados para los dos callejones con la finalidad de compararlos. Los datos usados para estas gráficas son de los

promedios, pues se tienen información de las radiaciones máximas y mínimas, temperaturas máximas y mínimas y

velocidades de viento, máxima, mínimas y promedio.

Figura 1-Tendencia de la Radiación Solar Promedio por estaciones. Año 2014

Figura 2-Tendencia de la Radiación Solar Promedio por meses. Año 2014

Figura 3-Tendencia de la Temperatura Promedio por estaciones. Año 2014

4000

4200

4400

4600

4800

5000

5200

5400

5600

Verano Otoño Invierno Primavera

Ra

d.

So

lar

:W/m

2.

día

C. de H.

C. de C.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Ra

d.

So

lar

: W

/m2.d

ía

C. de H.

C. de C.

0

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8

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Verano Otoño Invierno Primavera

Tem

per

atu

ra :

°C

.

C. de H.

C. de C.

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Figura 4-Tendencia de la Temperatura Promedio por meses. Año 2014

4. MAPAS

Los mapas se han convertido en los últimos años en un instrumento para la caracterización de diversos

parámetros de energía renovable y la generación de planes de aprovechamiento. La información obtenida de los

mismos, permite a los entes correspondientes tomar decisiones con relación a la planificación del recurso.

Para la elaboración de los mapas existen diferentes metodologías que permiten la construcción de las curvas de

radiación y curvas de temperatura. Usualmente se realizan mediciones in situ o a través de estaciones meteorológicas

que posteriormente, al aplicar técnicas de interpolación, se estiman valores desconocidos a partir de los registros

realizados. Actualmente los métodos más usados son Kriging e IDW (Inverse Distance Weighting) que se basan en la

autocorrelación espacial de los puntos para la predicción y generación de superficies continuas.

Estas técnicas de interpolación han sido ampliamente utilizadas para la generación de mapas ya que permiten

crear superficies continuas facilitando el análisis de la condición del sector en estudio. Para nuestro caso se utilizó el

método de interpolación Kriging.

5. INVERSE DISTANCE WIGHTING (IDW)

Es un método matemático de interpolación que usa una función inversa de la distancia, parte del supuesto que las

cosas que están más cerca son más parecidas, por lo tanto tienen más peso e influencia sobre el punto a estimar.

Matemáticamente se expresa como:

( ) ∑

( )

(1)

En el cual Z(So) es el valor a predecir, λi son los pesos asignados a cada punto vecino y Z(Si) son los valores

medidos. Los pesos de los puntos vecinos están dados por:

(2)

En el cual dio es la distancia entre el lugar de predicción (So) y el lugar muestral (Si); P es un factor de reducción

de peso, cuyo valor se encuentra minimizando el error cuadrático medio o error de predicción.

6. METODO KRIGING

Es un método basado en auto correlación espacial de las variables. El Kriging es un estimador lineal insesgado

que busca generar superficies continuas a partir de puntos discretos. Asume que la media, aunque desconocida, es

constante y que las variables son estacionarias y no tienen tendencias. Permite transformación de los datos, eliminación

de tendencias y proporciona medidas de error.

0

2

4

6

8

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Tem

per

atu

ra:

°C.

C. de H.

C. de C.

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Para determinar la auto correlación se usan semivariogramas y vecindades obtenidos a partir de un análisis

exploratorio de los datos. El semivariograma permite a partir de la covarianza entre los puntos, representar la

variabilidad de los mismos y su dependencia en función de la distancia y la dirección. La fórmula general es:

( ) ( ) ( ) (3)

En el cual Z(S) es la variable de interés, µ(S) es una constante desconocida, ε(S) son errores aleatorios de

estimación y S son coordenadas espaciales (x, y). La predicción de un punto está dada por:

( ) ∑

( )

(4)

En el cual ( S0 ) es el valor predicho, λi es el peso de cada valor observado y Z(Si) es el valor medido en un

lugar. Además:

( ) ∑ ( )

(5)

Para que los valores pronosticados no estén sesgados la suma de los pesos debe ser igual a 1. Para minimizar el

error se agrega el multiplicador de LaGrange (Г), obteniendo:

(6)

En el cual Г es la matriz de valores del semivariograma teórico, λ es el vector de pesos a encontrar y g es el

vector de semivarianza teórica en cada punto.

7. PROGRAMA ArcGIS

ArcGIS es un software de Sistema de Información Geográfica (SIG) diseñado por la empresa californiana

Enviromental Systems Research Institute (ESRI), el cual trabaja a nivel multiusuario para capturar, editar, analizar,

diseñar, publicar en la web e imprimir información geográfica.

Raster

Captura información mediante Scanners, satélite, fotografía aérea, cámaras de video entre otros. Son fotografías,

imágenes digitales capturadas por satélites o información digital de un mapa. Un ráster consta de una matriz de celdas

(o píxeles) organizadas en filas y columnas (o una cuadrícula) en la que cada celda contiene un valor que representa

información, como la temperatura.

Figura 5.- Fotografía mediante Raster

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Figura 6.- Mapa de Radiación Solar Promedio

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Figura 7.- Mapa de Radiación Solar Máximo

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Figura 8.- Mapa de Radiación Solar Mínimo

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Figura 9- Mapa de Temperatura Promedio

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Figura 10.- Mapa de Temperatura Máxima

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Figura 11.- Mapa de Temperatura Mínima

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CONCLUSIONES

La radiación promedio para el Callejón de Huaylas y Callejón de Conchucos tienen la misma tendencia siendo

la más alta en el callejón de Huaylas.

La temperatura promedio para el Callejón de Huaylas y Callejón de Conchucos tienen la misma tendencia

siendo la más alta en el Callejón de Conchucos.

En los mapas de radiación solar se puede observar que para ambos Callejones la radiación promedio se

encuentra en el rango de 4000 a 7000 W/m2 día; la radiación solar máxima se encuentra en la cordillera blanca

y en la negra; y la radiación solar mínima se encuentra en el rango de 2000 a 3000 W/m2 día.

En los mapas de temperatura se puede observar para el Callejón de Huaylas y Callejón de Conchucos que la

temperatura promedio se encuentra en el rango de 6°C a 12°C. La temperatura máxima se encuentra en el

rango de 12°C a 18°C. Y la temperatura mínima se encuentra en la zona de la cordillera blanca.

REFERENCIAS

Arrastia A., M., 2013, Energía el invencible dios sol, Editorial Científica – Técnica. Primera edición.

Berriz L. 2010. Solarización territorial. Ed. Cuba Solar. Cuba.

Manrique A., J., 2002, Energía Solar: Fundamentos y Aplicaciones Fototérmicas, Harla S.A., 2da

edición, México, D.F.

Méndez M., J. y Cuervo G., R. 2011, Energía Solar Fotovoltaica, FC Editorial, 7ª Edición.

Ortega M. 2005. Energías Renovables. Ed. Paraninfo. Madrid.

Sarmiento A. 2013. Energía Solar Fotovoltaica. Ed. Academia. Cuba.

Title MAPS OF SOLAR RADIATION AND TEMPERATURE CALLEJÓN DE HUAYLAS AND CONCHUCOS OF

THE REGION ANCASH

Abstract. In this paper the study conducted with the aim of obtaining maps of solar radiation and temperature occurs.

For this, measurements of solar radiation and temperature were performed in the Callejon de Huaylas and Conchucos

Ancash department. To obtain levels curves interpolation methods Kriging and IDW were used in the SIG software

ArcGIS. In the application settings input parameters it was varied and statistical analysis was performed to determine

which model showed more accurate results. Finally it conducted an assessment of the respective conclusions obtained

maps

Key words: Solar radiation, temperature, maps.