Diseño y análisis de un sistema de generación de energía renovable mediante paneles solares fotovoltaicos
Enviado por gabatc • 13 de Mayo de 2023 • Informes • 2.991 Palabras (12 Páginas) • 29 Visitas
INFORME EJECUTIVO | |||
Aspectos generales | |||
Diseño Y Análisis De Un Sistema De Generación De Energía Renovable Mediante Paneles Solares Fotovoltaicos. | |||
Fecha inicial de elaboración del informe | Fecha de finalización del proyecto | ||
14 de Febrero de 2023 | 21 de Mayo de 2023 | ||
1. Introducción | |||
Se considera que la energía es de los aspectos más importantes para el desarrollo de la vida que se conoce actualmente, de ella depende el desarrollo de la población como sociedad, a nivel personal, económico, entre otros. Sin embargo, cabe resaltar que cerca del 80% de la energía que se consume a nivel mundial proviene de fuentes que usan combustibles fósiles, los cuales no son renovables y desde el momento de su obtención, como pasa con el carbón, gas natural y petróleo hasta el proceso de creación de energía contribuyen a la producción de desechos, liberan dióxido de carbono y demás gases de efecto invernadero, los cuales quedan atrapados en la atmósfera y contribuyen al calentamiento global. En colombia, la principal fuente de energía es la hidroeléctrica ya que en la mayoría de zonas del país se presenta este recurso en abundancia, sin embargo esta también produce diferentes problemas a nivel ambiental, como la contaminación en el aire, contaminación y cambios en la calidad del agua tanto superficial o subterránea la segunda es con el uso de combustibles fósiles como el gas y carbón, cuyas reservas ya se están agotando. Por esta razón es importante buscar alternativas con recursos renovables que disminuyan la huella de carbono y el daño a nivel medioambiental, como lo es la implementación de la generación de energía por medio de paneles fotovoltaicos, la cual es una energía limpia con diversas aplicaciones, cuya materia prima es el sol, por lo tanto tiene una accesibilidad amplia a nivel mundial. En el siguiente artículo se comprenderán factores físicos importantes para el funcionamiento de los paneles fotovoltaicos, como también para su implementación | |||
2. Justificación | |||
El diseño y análisis de un sistema de generación de energía renovable mediante paneles solares fotovoltaicos en Colombia se justifica debido a las problemáticas ambientales asociadas a las fuentes de energía predominantes en el país: la hidroeléctrica y los combustibles fósiles. Estas problemáticas incluyen emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), pérdida de biodiversidad, alteración de ecosistemas acuáticos y terrestres, cambios en el caudal de los ríos, contaminación del agua y del aire, acidificación del suelo y destrucción de hábitats. En primer lugar, la generación de energía hidroeléctrica, si bien es una fuente renovable, no está exenta de impactos ambientales significativos. La construcción de represas implica la inundación de grandes áreas de tierra, lo que conlleva la pérdida de ecosistemas terrestres y acuáticos, así como la alteración del flujo natural de los ríos. Además, el represamiento del agua puede generar emisiones de GEI, especialmente de metano, debido a la descomposición de la materia orgánica en los embalses. Por otro lado, la dependencia de los combustibles fósiles para la generación de energía conlleva una serie de problemas ambientales graves. La quema de estos combustibles libera gases contaminantes a la atmósfera, contribuyendo al calentamiento global y al cambio climático. Además, la contaminación del agua y del aire generada por la extracción, transporte y combustión de estos combustibles tiene impactos negativos en la salud humana y en los ecosistemas. Asimismo, la explotación de los recursos fósiles implica la destrucción de hábitats naturales y la alteración de los ecosistemas locales. Ante estas problemáticas ambientales, es imperativo buscar alternativas sostenibles y de bajo impacto para la generación de energía en Colombia. El uso de paneles solares fotovoltaicos ofrece una solución viable y prometedora. La energía solar es una fuente renovable y limpia que no produce emisiones de GEI ni contamina el agua o el aire. Además, el potencial solar de Colombia es significativo, lo que brinda la oportunidad de aprovechar de manera óptima esta fuente de energía. El diseño y análisis de un sistema de generación de energía renovable mediante paneles solares fotovoltaicos en Colombia tiene el objetivo de impulsar la adopción de energías limpias y reducir la dependencia de las fuentes tradicionales que generan un gran impacto ambiental. Al implementar esta alternativa, se contribuirá a mitigar el cambio climático, preservar la biodiversidad, proteger los ecosistemas acuáticos y terrestres, y reducir la contaminación del agua y del aire. | |||
3. Objetivos | |||
Objetivo general Realizar un análisis termodinámico, enfocado en la física aplicada a la ingeniería ambiental, para el diseño teórico de paneles solares fotovoltaicos que contribuyan a mitigar los impactos ambientales generados por la dependencia a los combustibles fósiles e hidroeléctricas en Colombia. Objetivos específicos
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3.1 Fases y cumplimiento de objetivos | |||
Fase 1 | Investigación En la etapa de investigación se empleó como técnica el análisis documental, definida como la búsqueda, análisis, crítica e interpretación de datos obtenidos y registrados en fuentes documentales. Se realizó una búsqueda exhaustiva sobre el funcionamiento teórico y beneficios de implementación de la generación de energía por paneles solares fotovoltaicos. | Completada | 100% |
Fase 2 | Estructuración Después de desarrollar la etapa de investigación se llega a una estructuración de un plan para la implementación de los paneles solares fotovoltaicos tanto en industrias como en los hogares. Entendiendo como funcionan se logrará identificar qué beneficios tiene para la población y así motivar a la implementación de esta energía limpia en lugares donde aún no se ha implementado. Se tendrá muy en cuenta para la estructuración los fenómenos físicos que hacen posible (requerimientos) que los fotones se conviertan en electricidad. | Completada | 100% |
Fase 3 | Demostración Se evidenciará mediante un artículo científico el funcionamiento y beneficios de la energía fotovoltaica. Se presentará una recomendación de los lugares donde según los fenómenos físicos necesarios es posible implementar los panales. | Incompleta | 20% |
4. Logros obtenidos | |||
Obtención e interpretación de datos necesarios acerca de los impactos negativos causados por el uso de combustibles fósiles para la generación de fuentes de energía y en base a esto, comprender la importancia de implementar la energía sostenible. | Determinar el funcionamiento de los paneles solares fotovoltaicos a partir de la física ondulatoria y fotónica, y teniendo en cuenta factores que favorezcan su rendimiento para evaluar su implementación en el ambiente cotidiano y posible uso a nivel industrial. | ||
Establecer los beneficios del uso de la energía solar para la población en el sector ambiental, económico, salud, entre otros. | Analizar los cálculos matemáticos necesarios para entender el efecto fotovoltaico y dar como solución un plan teórico para la implementación de los paneles. | ||
4.1. Dificultades no previstas en la ejecución del proyecto | |||
La energía solar está ligada a factores medioambientales los cuales pueden interferir con el proceso de generación de energía. La dificultad radica en la información necesaria que se tiene para cada región de Colombia, pues la información de ciertas regiones son más complicadas de obtener, por otro lado no se sabe con exactitud qué tan correcta es dicha información. De esta forma eliminando algunos de los factores la energía que se pueda obtener será óptima. | Para el diseño teórico del panel se pueden presentar problemas por la energía que pueda entregar, ya que la idea es que este pueda implementarse en diversos lugares, por lo tanto, no necesariamente este cumple un estándar. Por esto debemos tomar en cuenta no solo factores medioambientales, si no las zonas donde deben ser instalados, si es una zona rural o urbana, entre otros los cuales pueden afectar la cantidad de energía que es entregada. | ||
5. Resultados | |||
El diseño de un sistema de paneles solares fotovoltaicos se basa en principios de la física ondulatoria y fotónica. Por lo tanto implica considerar la naturaleza de la radiación solar y la interacción de las ondas electromagnéticas con los materiales semiconductores de los paneles solares. A continuación, se proporciona un análisis desde esta perspectiva, incluyendo los cálculos y ecuaciones correspondientes: 1. Radiación solar: La radiación solar se compone de partículas llamadas fotones. Cada fotón lleva una cierta cantidad de energía, que está relacionada con su frecuencia (f) mediante la ecuación:
E = h * f
Donde: E: Energía del fotón. h: Constante de Planck (6.626 x 10^-34 J·s). f: Frecuencia del fotón. 2. Absorción de fotones: Cuando un fotón incide sobre un material semiconductor, puede ser absorbido si su energía es igual o mayor que la brecha de energía del material. La cantidad de fotones absorbidos depende de la intensidad de radiación y la sección transversal de absorción del material. La potencia (P) absorbida se puede calcular mediante la ecuación:
P = A * I * h * f Donde: P: Potencia absorbida. A: Área de los paneles solares. I: Intensidad de radiación incidente. 3. Generación de portadores de carga: Cuando la radiación solar es absorbida por el material semiconductor, se generan pares electrón-hueco en el interior del material. La cantidad de portadores de carga generados por unidad de volumen y unidad de tiempo se puede describir mediante la tasa de generación (G) y se expresa en unidades de portadores/cm³/s. 4. Corriente fotogenerada: La corriente eléctrica fotogenerada (Iph) producida por los paneles solares es proporcional a la tasa de generación de portadores de carga y al área efectiva de los paneles:
Iph = G * A Donde: Iph: Corriente fotogenerada. G: Tasa de generación de portadores de carga. A: Área efectiva de los paneles solares. 5. Voltaje y corriente del panel: El voltaje (V) y la corriente (I) generados por un panel solar están relacionados a través de la ecuación del circuito fotovoltaico:
P = V * I Adicionalmente, según las fuentes consultadas, el análisis termodinámico para el diseño de un sistema de paneles solares fotovoltaicos implica considerar varios aspectos, como la radiación solar incidente, la eficiencia de los paneles, la temperatura de funcionamiento, entre otros. 1. Radiación solar incidente: Se requiere determinar la cantidad de radiación solar que incide en los paneles solares. Esto depende de la ubicación geográfica y las condiciones atmosféricas. Una ecuación comúnmente utilizada es la ecuación de radiación solar de la superficie horizontal:
I = I0 * (1 + a * cosθ) Donde: I: Radiación solar incidente. I0: Radiación solar extraterrestre. a: Coeficiente de claridad del cielo. θ: Ángulo de incidencia solar. 2. Eficiencia de los paneles solares: La eficiencia de conversión de los paneles solares es un parámetro clave para determinar la cantidad de energía eléctrica generada. La eficiencia se puede expresar como el cociente entre la potencia eléctrica generada (P) y la radiación solar incidente (I):
Eficiencia = P / I 3. Temperatura de funcionamiento: La temperatura de los paneles solares puede afectar su rendimiento. La ecuación de temperatura de funcionamiento estándar permite estimar la temperatura de los paneles en función de la temperatura ambiente (Tamb) y la radiación solar incidente:
T = Tamb + ((NOCT - 20) / 800) * I Donde: T: Temperatura de funcionamiento de los paneles solares. NOCT: Temperatura nominal operativa de las células fotovoltaicas (Normal Operating Cell Temperature). 4. Potencia eléctrica generada: La potencia eléctrica generada por los paneles solares se puede calcular utilizando la eficiencia de conversión y la radiación solar incidente:
P = Eficiencia * I La implementación práctica de un sistema de generación de energía fotovoltaica se basa en el fundamento teórico mencionado anteriormente. A continuación, se presenta un ejemplo de cómo se estructura un sistema simple. Un sistema de generación de energía fotovoltaico consta de paneles, inversor, baterías y cuadro de mando y protección. Los paneles son los sistemas generadores de energía que se conectan en serie o en paralelo para sumar sus potencias, y es importante que tengan características eléctricas similares para evitar limitaciones. El inversor transforma la energía generada en continua en energía alterna y sincroniza la onda con la de la red, además de verter los excedentes a la red o al sistema de acumulación. Las baterías son el sistema de acumulación de energía eléctrica que permite almacenar el excedente de energía generada. El cuadro de mando y protección incluye dispositivos de protección eléctrica, medidores de energía y sistemas de protección para la instalación fotovoltaica. En el diagrama se muestran las partes de un sistema de generación de energía fotovoltaico: [pic 1] Imagen 1. Diagrama de un sistema solar fotovoltaico. | |||
6. Análisis de resultados | |||
La implementación de sistemas de paneles solares fotovoltaicos en Colombia implica aprovechar la radiación solar incidente para generar electricidad. Desde el punto de vista de la física ondulatoria, la radiación solar consiste en ondas electromagnéticas que abarcan diferentes longitudes de onda, desde el ultravioleta hasta el infrarrojo. Estas ondas transportan energía que puede ser absorbida por los materiales semiconductores presentes en los paneles solares. Cuando la radiación solar incide sobre los paneles solares, los fotones que componen la radiación interactúan con los electrones de los átomos en los materiales semiconductores. Este proceso de absorción de fotones genera pares electrón-hueco en el interior del material. Los pares electrón-hueco representan la generación de portadores de carga, que son los responsables de la producción de corriente eléctrica en el sistema fotovoltaico. La cantidad de portadores de carga generados por unidad de volumen y tiempo depende de la tasa de generación, que está relacionada con la intensidad de la radiación solar y las características del material semiconductor. Cuanto mayor sea la intensidad de la radiación y la eficiencia de absorción del material, mayor será la tasa de generación de portadores de carga y, por lo tanto, mayor será la corriente fotogenerada. La corriente fotogenerada representa la corriente eléctrica producida por los paneles solares como resultado de la generación de portadores de carga. Esta corriente es proporcional a la tasa de generación de portadores de carga y al área efectiva de los paneles solares. En concreto, la implementación de sistemas de paneles solares fotovoltaicos en Colombia se basa en el aprovechamiento de la radiación solar y la interacción de los fotones con los materiales semiconductores. La absorción de fotones genera portadores de carga, que a su vez generan corriente eléctrica en los paneles solares. La eficiencia y la capacidad de generación de energía de un sistema fotovoltaico dependen de factores como la intensidad de la radiación solar, la eficiencia de absorción y la relación entre el voltaje y la corriente en el panel solar. | |||
7. Recomendaciones | |||
Indagar además del fundamento teórico el funcionamiento externo de un sistema de generación de energía por mediante paneles solares fotovoltaicos para que el proyecto de implementación en empresas y hogares sea viable , ya que como propósito principal es demostrar el agravio de la mayoría de técnicas energéticas y proponer un modelo amigable con el medio ambiente y sustentable. Es importante mencionar las especificaciones como inclinación, lugar, sustrato, etc. Son fundamentales a la hora del funcionamiento e instalación del panel solar, esto para ayudar a las dudas e inquietudes que se podrían presentar a la hora de emplear el sistema. | |||
8. Conclusiones | |||
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9. Referencias bibliográficas | |||
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