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Se tarta de un trabajo de investigación de Termodinámica...

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ ESCUELA DE POSGRADO Unidad de Posgrado de la Facultad de Ingeniería Mecánica

Tesis: SISTEMA DE ILUMINACIÓN CON UN PROGRAMA CONTROLADOR PARA REDUCIR EL CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN RESIDENCIAS

Presentada por: MILAGROS ZAIDA CONTRERAS CCANTO Para optar el grado de magister en Tecnología Energética Huancayo – Perú 2015

UNIVERSID UNIVERSIDAD AD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU ESCUELA DE POSGRADO UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA  UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ ESCUELA DE POSGRADO TESIS Presentada por: MILAGROS ZAIDA CONTRERAS C CANTO PARAOPTARELGRADODEMAGÍSTERENTECNOLOGÍAENERGÉTICA

SUSTENTADAANTEELSIGUIENTEJURADO: 

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______________________________

M.Sc.BrecioDanielLazoBaltazar Presidente

Mg.MarioAlfonsoArellanoVílchez Secretario

______________________________

______________________________

Dr.CiroAbelardoEspinozaMontes Jurado



______________________________

_____________________________ M.Sc.JorgeEdgarSalazarMercado Jurado

Mg.WuilberClementeDelaCruz  Jurado





Mg.RubénGaleasArana Asesor

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ASESOR: Mg. RUBÉN GALEAS ARANA

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DEDICATORIA Dedico el presente trabajo principalmente a Dios, por haberme dado la vida y permitirme el haber llegado hasta este momento tan importante de mi formación profesional. A mi mis padres, por ser el pilar más importante y por demostrarme siempre su cariño y apoyo incondicional sin importar nuestras diferencias de opiniones, a pesar de nuestra distancia física, sentí que están conmigo siempre y aunque nos faltaron muchas cosas por vivir juntos, sé que este momento es tan especial para ellos como lo es para mí. A mi hija Emily a quien la amo infinitamente quien representa en mi vida el motor y motivo para seguir adelante. A mis amigos, porque sin el equipo que formamos no hubiéramos logrado esta meta.

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CONTENIDO ASESOR: ........................................................................................................... 2 DEDICATORIA ................................................................................................... 3 CONTENIDO ...................................................................................................... 4 LISTA DE FIGURAS .......................................................................................... 6 LISTA DE TABLAS............................................................................................. 9 ACRÓNIMOS Y SIGLAS .................................................................................. 11 INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 15 Capítulo 1: PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO ................................................ 18 1.1

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ..................................................................................... 18

1.2

FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ......................................................................................... 23

1.3

OBJETIVOS DE INVESTIGACIÓN .......................................................................................... 23

1.4

JUSTIFICACION E IMPORTANCIA ........................................................................................ 24

Capítulo 2: MARCO TEORICO ........................................................................ 26 2.1

ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN .......................................................................... 26

2.2

BASES TEÓRICAS ..................................................................................................................... 29

2.3

DEFINICIONES CONCEPTUALES Y OPERACIONALES ..................................................... 63

2.4

SISTEMA DE HIPÓTESIS ......................................................................................................... 65

Capítulo 3: ASPECTOS METODOLÓGICOS................................................... 66 3.1

TIPO Y NIVEL DE INVESTIGACION ...................................................................................... 66

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3.2

MÉTODO Y DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN ..................................................................... 67

3.3

OPERACIONALIZACION DE VARIABLES............................................................................ 68

3.4

OBJETO DE INVESTIGACIÓN................................................................................................. 69

3.5

TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS. ...................................... 77

3.6

TÉCNICAS DE PROCESAMIENTO DE DATOS: .................................................................... 80

Capítulo 4: PRESENTACIÓN DE RESULTADOS............................................ 81 4.1

RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN ............................................................................... 81

4.2

ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE LOS RESULTADOS ............................................................... 85

4.3

PRUEBA DE HIPÓTESIS........................................................................................................... 99

Capítulo 5: DISCUSIÓN E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS .............. 103 5.1

INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS ........................................................................ 103

5.2

CONSECUENCIAS TEÓRICAS .............................................................................................. 111

5.3

APLICACIONES PRÁCTICAS ................................................................................................ 112

CONCLUSIONES........................................................................................... 113 RECOMENDACIONES .................................................................................. 115 BIBLIOGRAFIA .............................................................................................. 117

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LISTA DE FIGURAS Figura 1.1: Consumo relativo de energía en el mundo..................................... 20 Figura 2.1: Figuras de mérito ........................................................................... 30 Figura 2.2: Esquema de consumo de energía eléctrica ................................... 31 Figura 2.3: Clasificación de lámparas .............................................................. 35 Figura 2.4: Partes de una lámpara Fluorescentes............................................ 37 Figura 2.5: Interruptores unipolares ................................................................. 45 Figura 2.6: Datos de un Triac BT136-600E ...................................................... 47 Figura 2.7: Tipos de condensadores ................................................................ 48 Figura 2.8: Moc3021-213Q .............................................................................. 53 Figura 2.9: Pasos para quemado de PIC ......................................................... 58 Figura 2.10: PIC16F84 ..................................................................................... 59

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Figura 2.11: Esquema de un temporizador ...................................................... 62 Figura 3.1: Caja Negra ..................................................................................... 68 Figura 3.2: Caja Blanca .................................................................................... 70 Figura 3.3 Ventana del programa controlador .................................................. 71 Figura 3.4 Ventana del programa controlador con dos luminarias en OFF ...... 72 Figura 3.5 cambio de color cuando se enciende las lámparas ......................... 72 Figura 3.6 Consumo de energía eléctrica en KWh ........................................... 73 Figura 4.1 Gráficos de barras de grupo de Estudio .......................................... 82 Figura 4.2 Gráficos de barras de Estadígrafos ................................................. 84 Figura 4.3 Gráficos de barras de consumo en KWh......................................... 84 Figura 4.4 Gráficos de barras agrupadas de consumo en KWh ....................... 85 Figura 4.5 Diagrama de Cajas de los Consumos ............................................ 86 Figura 4.6 Grafico Q-Q normal para consumo de energía eléctrica en KWh ... 88 Figura 4.7 Grafico Q-Q normal para consumo de energía eléctrica en KWh ... 88 Figura 4.8 Grafico Q-Q normal sin tendencia para consumo de energía eléctrica en KWh ............................................................................................................ 89 Figura 4.9 Grafico Q-Q normal sin tendencia para consumo de energía eléctrica en KWh ............................................................................................................ 89

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Figura 4.10 Histograma de residuos del consumo de energía eléctrica sin el programa controlador de iluminación ............................................................... 90 Figura 4.11 Histograma de residuos del consumo de energía eléctrica con el programa controlador de iluminación ............................................................... 91 Figura 4.12 Grafico Q-Q Normal de Residuo para consumo de energía eléctrica sin el programa controlador .............................................................................. 92 Figura. 4.13 Grafico Q-Q Normal de Residuo para Consumo de Energía Eléctrica con el Programa Controlador ............................................................. 92 Figura 4.14 Grafico de independencia entre los residuos ............................... 94 Figura 4.15 Grafico de valores pronosticados de consumo de energía eléctrica en KWh de Pre test o Post test ....................................................................... 94 Figura 4.16 Gráfico de homocedasticidad del consumo de energía eléctrica en KWh ................................................................................................................ 95 Figura 5.1 Prueba de hipótesis …………………………………………………...108

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LISTA DE TABLAS Tabla 0.1: Tipos de lámparas ........................................................................... 34 Tabla 2.2: Resistencia de Materiales ............................................................... 52 Tabla 3.1: Operacionalización de la variables .................................................. 67 Tabla 3.2: Operacionalización de la variable independiente ............................ 67 Tabla 3.3: Operacionalización de la variable dependiente ............................... 68 Tabla N° 4.1 Consumo de energía eléctrica de 20 casas sin un programa controlador de iluminación ............................................................................... 79 Tabla N° 4.2 Consumo de energía eléctrica de 20 residencias con el programa controlador de iluminación ............................................................................... 80 Tabla N° 4.3 Grupo de estudio Pre test y Post test ......................................... 81 Tabla N° 4.4 Estadígrafos ............................................................................... 83

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Tabla N° 4.5 Prueba de Normalidad ................................................................ 87 Tabla N° 4.6 Prueba de Kolmogorov-Smirnov ................................................ 93 Tabla N° 4.7 Estadísticos de muestras relacionadas ...................................... 98 Tabla N° 4.8 Correlaciones de muestras relacionadas ................................... 98 Tabla N° 4.9 Prueba t de muestras relacionadas ............................................ 99 Tabla N° 5.1 Valores de t ………………………………………………………….107

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ACRÓNIMOS Y SIGLAS A Amperio A Amperio A_c Área del conductor AC corriente activa CV corriente variable °C Grados Celsius dv/dt Derivada de v en función de tiempo EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory Hz Frecuencia nominal KW Kilowatts. KWh Kilowatts hora °K Grados Kelvin KΩ Kilo ohmio LCD Liquid Crystal Display lm/w Lumen Wattas

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LCP Protocolo de Control de Enlace MPASAM Ensamblador de Microchip MDLAB Programa de Software que se Ejecuta en un PC. nm Nanómetros nf Nanofaradio pf Picofaradio Pv Presión de Vapor Pic Peripheral Interface Controller (Controlador de Interfaz Periférico). PC Computadora Personal u Ordenador Personal RAM Random-Access Memory. UV Ultravioleta uf Microfaradio W Watts X-10 Es un estándar de comunicación para transmitir señales de control entre equipos de automatización del hogar a través de la red eléctrica Ω Ohmio

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RESUMEN SISTEMA DE ILUMINACIÓN CON UN PROGRAMA CONTROLADOR PARA REDUCIR EL CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN RESIDENCIAS. La investigación que se realizo es de tipo tecnológico y nivel experimental. Se encuentra dentro de la línea investigación de Eficiencia Energética y Domótica, El objetivo principal de este proyecto consistió en determinar la influencia de un programa controlador de iluminación para reducir el consumo de energía eléctrica. El método y diseño de la investigación fue el sistémico aplicativo respectivamente. Se empleó la Técnica empírica porque se hizo la observación en contacto directo con el objeto de estudio. En la hipótesis se probó la influencia de variables con la estadística inferencial. La investigación se inició con la elaboración de algoritmos de programación para el encendido y apagado del Sistema de Iluminación, para lo cual se realizó un programa mediante Visual Basic 6.0, el cual permitió tomar medidas de variación de KW consumidos y de la reducción del consumo de Energía. Para obtener datos en el estudio se construyó una tarjeta electrónica y software de control, el cual se hizo las pruebas en 20 viviendas en la ciudad de Huancayo. Conocido los resultados de las pruebas se realizó la evaluación estadística para verificar la reducción de consumo de energía eléctrica en residencias.

Palabras claves: Sistema, Energía Eléctrica, Iluminación, Reducción de consumo.

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ABSTRACT LIGHTING SYSTEM CONTROLLER WITH A PROGRAM TO REDUCE POWER CONSUMPTION IN RESIDENCE. The research was conducted is a technical and experimental level. It lies in the investigation of Energy Efficiency and Home Automation line, The main objective of this project was to determine the influence of a controller lighting program to reduce electricity consumption. The method and research design was the systematic application respectively. Empirical technique was used because it was noted in direct contact with the object of study. Assuming the influence of inferential statistics variables tested. The investigation began with the development of algorithms for programming on and off the lighting system, for which a program is performed by Visual Basic 6.0, which allowed take measures variation KW consumed and consumption reduction Energy. For data in the study an electronic card and control software, which testing was done in 20 homes in the city of Huancayo was built. Known testing results statistical evaluation was performed to verify the reduction of energy consumption in homes.

Key words: System, Electric Power, Lighting, Reducing consumption.

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INTRODUCCIÓN El motivo que impulsa a realizar el presente trabajo de investigación es dar a conocer la solución a un problema de gran envergadura existente a nivel mundial que es el despilfarro eléctrico. La energía eléctrica, un recurso muy necesario en esta época, pero del que poco se le presta atención, está sufriendo una especie de desabastecimiento, a causa de la demanda exagerada por parte de los usuarios de las compañías de electricidad. En los últimos

tiempos, gran

parte

de

esa

demanda

corresponde

a

usos

completamente innecesarios, tal como la gran existencia de equipos encendidos sin que nadie los esté utilizando. Todo esto ha conducido a una total indiferencia hacia un conveniente ahorro de la energía, con la conciencia de que pareciera unos recursos de cantidades infinitas, y siempre disponible; lo cual no es cierto. La sociedad esta tan inmersa en las bondades que la energía eléctrica ofrece, que solo en momentos de averías, fallos y colapsos, nos damos cuenta de lo indispensable que resulta para nuestras vidas hoy en día.

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Motivo por el cual urge la necesidad de crear propuestas como la que aquí se presenta. La tesis consistió en un completo programa controlador para el sistema de iluminación que será operado a través de una computadora, el cual ayudara a establecer horarios de encendido y apagado de las lámparas. Recibirá las órdenes suministradas por el dueño del programa. Por tal razón será una solución al problema del gasto energético basado en la personalización: el usuario podrá configurarlo a su gusto, y el mismo decidirá la cantidad de tiempo en la cual sus principales lámparas funcionaran. Esta propuesta estará enmarcada en un diseño de investigación del tipo de proyecto factible, lo cual indica que se ha de desarrollar una solución puntual a un problema en particular. El trabajo de investigación parte del problema formulado del siguiente modo: ¿Cómo determinar la influencia del programa controlador de iluminación para reducir el consumo de energía eléctrica en residencias? Por lo cual el objetivo general es: Determinar la influencia del programa controlador de iluminación para reducir el consumo de energía eléctrica en residencias. El método general que se utilizo es el científico, tipo de investigación tecnológica, nivel de investigación aplicativo, diseño de investigación con grupo control pre prueba y post prueba, población de estudio centrado en un grupo experimental determinado por el autor.

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Para analizar las variables se utilizó el criterio de t de student para probar la igualdad de las medias de un antes y después de la experimentación. La investigación ha sido desarrollada en cuatro capítulos; es como sigue: En el capítulo I, se presenta los aspectos generales de la investigación, como el problema de investigación, los objetivos, la justificación, la hipótesis y el método de investigación. En el capítulo II, contiene el marco teórico que corresponde a los antecedentes, a las bases teóricas y al marco conceptual. En el capítulo III, trata sobre la metodología de la investigación, tipo de investigación Tecnológica, nivel de estudios de comprobación de hipótesis. En el capítulo IV, trata sobre los resultados de la investigación, el análisis estadístico de los resultados, la prueba de la hipótesis. También contiene la interpretación de los resultados, comparación y evaluación de los resultados. Finalmente se presentan las conclusiones y recomendaciones, la bibliografía y los anexos. Quiero dejar constancia de mi eterno agradecimiento a los docentes de la Maestría en Tecnología Energética de la UNCP por sus orientaciones invaluables. EL AUTOR

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Capítulo 1: PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO 1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Debido al crecimiento de la demanda de la energía eléctrica en los hogares a un ritmo acelerado, se deben tomar una serie de acciones que impidan aumente el índice físico del consumo energético, y para esto resulta imprescindible identificar y explotar todas las reservas de eficiencia, eliminar todas las producciones y servicios que no están hacie...