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7/21/2019 paneles fotovoltaicos.pdf http://slidepdf.com/reader/full/paneles-fotovoltaicospdf 1/18 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA Y PANELES FOTOVOLTAICOS. INTEGRANTES: Ilatoma Cadenillas, Rosa Windy Sono Quintana, Ricardo CICLO: I ESCUELA: Ingeniería Mecánica Eléctrica DOCENTE: Cumpa Barrios, Edwim
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ENERGÍA SOLAR TÉRMICA YPANELES FOTOVOLTAICOS.
INTEGRANTES:
Ilatoma Cadenillas, Rosa Windy
Sono Quintana, Ricardo
CICLO: I
ESCUELA: Ingeniería Mecánica Eléctrica
DOCENTE: Cumpa Barrios, Edwim
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CONTENIDO
1. OBJETIVOS ................................................................................................................................................... 2
2. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA:............................................................................................................ 2
2.1. ¿QUÉ ES LA ENERGÍA?.................................................................................................................... 2
2.2. ¿QUÉ ES LA RADIACIÓN SOLAR? ............................................................................................. 3
2.3. ¿QUÉ ES UN FOTÓN? ........................................................................................................................ 4
2.4. ¿QUÉ VENDRÍA A SER UN GENERADOR O CAMPO DE PANELESFOTOVOLTAICOS? .......................................................................................................................................... 4
2.5. ¿QUÉ ES UN CUERPO NEGRO? .................................................................................................... 4
3. CUERPO DEL INFORME ........................................................................................................................... 5
3.1. ENERGÍA SOLAR TÉRMICA .......................................................................................................... 5
3.1.1. Utilización Directa: ....................................................................................................................... 5
3.1.2. Transformación en calor: ............................................................................................................ 5
3.1.3. Transformación en electricidad: ................................................................................................ 6
3.2. SISTEMA FOTOVOLTAICO ............................................................................................................ 6
3.2.1. Generador Fotovoltaico: .............................................................................................................. 6
3.2.2. Baterías o acumuladores: ............................................................................................................ 6
3.2.3. Regulador de carga: ...................................................................................................................... 6
3.2.4. Inversor o acondicionador de la energía eléctrica: ............................................................... 7
3.2.5. Elementos de protección del circuito: ...................................................................................... 7
3.3. RELACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA Y EL SISTEMA FOTOVOLTAICO 8
3.4. LA LEY DE STEFAN-BOLTZMANN ........................................................................................ 10
4. APLICACIÓN EN LA INGENERIA MECÁNICA: .......................................................................... 16
5. CONCLUSIONES: ...................................................................................................................................... 16
6. BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................................................... 17
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1. OBJETIVOS
Describir la relación entre la energía
solar térmica y su incidencia en
paneles fotovoltaicos.
Analizar el efecto foto-eléctrico y el
desplazamiento de los electrones
superficiales.
Hacer uso de la fórmula que relaciona la velocidad de flujo del calor (R) con la
Temperatura absoluta.
2. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA:
Antes de empezar con el desarrollo del cuerpo del informe es necesario tener en
cuenta algunos conceptos básicos del tema.
2.1. ¿QUÉ ES LA ENERGÍA?
La energía se puede definir como el motor
que hace funcionar al ente, y gracias a esta
se pueden observar diversos tipos de
actividades ya sea del hombre (acciones
físicas e intelectuales) o de los seres que
habitan en la naturaleza (Los animales y las
plantas).
Existen fuentes en las cuales el hombre puede aprovechar la energía para su propio
beneficio como son las fuentes renovables, aquellas que las encontramos
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inagotables y podemos recurrir en cualquier momento como son: la energía eólica,
energía solar térmica, el agua, etc.; tenemos también las fuentes no renovables,
aquellas que en cualquier momento se pueden agotar (el petróleo, carbón, madera,
etc.) y en consecuencia de ello se puede llegar a producir un incremento del precio
de éstos.
La energía que se obtiene de la naturaleza se denomina energía primaria, como son
los ya mencionados antes, el petróleo y el carbón, pero éstas no se usan
directamente, para que pueda llegar al beneficio humano tienen que ser evaluada
por varios procesos hasta que quede en su toque final, a esto se le llamará energía
final.
La energía final ya puede usarse en las necesidades del hombre, por ejemplo: El uso
de la gasolina en los móviles, las empresas petroleras, los grifos, las empresas de
gas, etc.
La energía solar térmica es una fuente de energía renovable y, por tanto,
inagotable, limpia y se puede aprovechar en el mismo lugar en que se produce
(auto gestionada).
(García 2008, 15)
2.2. ¿QUÉ ES LA RADIACIÓN
SOLAR?
La radiación solar se puede definir
como la fuente de energía que es
emitida por el sol en consecuencia
de las reacciones de fusión nuclear
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que producen la pérdida de masa interna para que luego se transforme en energía.
2.3. ¿QUÉ ES UN FOTÓN?
Un fotón es un “cuanto de luz”, además de ello es una partícula de todas las formas
de radiación electromagnética, incluyendo los rayos gamma, los rayos X, la luz
ultravioleta, la luz visible, la luz infrarroja, los microondas y las ondas de radio.
Un fotón posee varios tipos de comportamientos, pero en este informe nos
centraremos en el de una partícula que interacciona con la materia para transferir
una cantidad fija de energía.
2.4. ¿QUÉ VENDRÍA A SER UN GENERADOR O CAMPO DE PANELES
FOTOVOLTAICOS?
Es aquel elemento que absorbe o decepciona la radiación solar y la transforma en
energía eléctrica. Está formado por un conjunto de paneles o módulos fotovoltaicos
ordenados en paralelos o en serie, que deben proporcionar o garantizar la energía
necesaria para el consumo.
2.5. ¿QUÉ ES UN CUERPO NEGRO?
Un cuerpo negro es un objeto teórico o ideal que absorbe toda la luz y toda
la energía radiante que incide sobre él. Nada de la radiación incidente se refleja o
pasa a través del cuerpo negro. A pesar de su nombre, el cuerpo negro emite luz y
constituye un sistema físico idealizado para el estudio de la emisión de radiación
electromagnética.
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3. CUERPO DEL INFORME
3.1. ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
Todos los días el hombre
interactúa con los rayos del
sol, aun estando el tiempo
nublado, esta interacción
que se encuentra presente
todos los días se puede denominar como la energía solar directa, que solo calienta e
ilumina.Para poder hacer uso y aprovechamiento de la energía solar (la radiación) como una
necesidad para el hombre, es necesario contar con sistemas de captación y de
almacenamiento.
Este aprovechamiento puede ser visto de varias formas:
3.1.1. Utilización Directa:
Mediante la incorporación de acristalamiento y otros elementos arquitectónicos
con elevada masa y capacidad de absorción de energía térmica, es la llamada
energía solar térmica pasiva.
3.1.2. Transformación en calor:
O también llamada energía solar térmica, que consiste en aprovechar la
radiación proveniente del sol para el calentamiento de fluidos que circulan por el
interior de captadores solares térmicos. La aplicación de este fluido se puede
encontrar en su presencia en el agua caliente sanitaria, o el apoyo de calefacción
para establecer una temperatura determinada en las piscinas.
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3.1.3. Transformación en electricidad:
Es la llamada energía solar fotovoltaica que permite transformar la energía solar
en energía eléctrica a través de las células fotovoltaicas que componen estos
paneles. El uso de esta fuente de electricidad puede usarse directamente en la
introducción de las redes de distribución eléctrica.
3.2. SISTEMA FOTOVOLTAICO
Un sistema fotovoltaico es un conjunto de componentes mecánicos que se
encargan de captar la energía solar y transformarla en eléctrica para poderla
utilizar.
En un sistema fotovoltaico podemos encontrar estos componentes básicos:
3.2.1. Generador Fotovoltaico:
Encargado de captar y convertir radiación solar en corriente eléctrica
mediante módulos fotovoltaicos.
3.2.2. Baterías o acumuladores:
Almacenan la energía eléctrica producida por el generador fotovoltaico para
poder utilizarla en períodos en los que la demanda exceda la capacidad de
producción del generador fotovoltaico.
3.2.3. Regulador de carga:
Encargado de proteger y garantizar el correcto mantenimiento de la carga de
la batería y evitar sobretensiones que puedan destruirla.
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3.2.4. Inversor o acondicionador de la energía eléctrica:
Encargado de transformar la corriente continua producida por el generador
fotovoltaico en corriente alterna, necesaria para alimentar algunas cargas o
introducir la energía producida en la red de distribución eléctrica.
3.2.5. Elementos de protección del circuito:
Como interruptores de desconexión, diodos de bloqueo, etc., dispuestos entre
diferentes elementos del sistema, para proteger la descarga y derivación de
elementos en caso de fallo o situaciones de sobrecarga.
(García 2008, 38)
Se pueden clasificar en:
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Aislados: Se encuentran principalmente en lugares donde no hay una red
de distribución eléctrica o éstas se encuentran lejos del lugar específico.
Su objetivo es brindar energía eléctrica a éstos lugares aislados, durante
el día, ya que en la noche no suele brindar ya que no hay recepción de
rayos UV.
Conexión de red: Carecen de sistemas de acumulación, ya que la
energía producida durante las horas de insolación es canalizada a la red
eléctrica.
Sistemas Híbridos: Son los sistemas que incorporan a sus filas otro
generador de energía a parte del que ya tienen, generalmente utilizan la
energía eólica o los grupos electrógenos.
3.3. RELACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA Y EL SISTEMA
FOTOVOLTAICO
La relación de la energía solar térmica y su incidencia en paneles o sistemas
fotovoltaicos vendría a ser una función (dependencia).
Ésta función nos indica que mientras haya más energía solar que capturar, los
paneles podrán capturar aún más radiación y en consecuencia de ellos
aumentará la producción de la energía eléctrica. Para hacer válida esta función
es necesario tener en cuenta diferentes tipos de constantes como lo son: El
clima y el lugar.
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Albert Einstein publicó en 1905
varios artículos entre los cuales uno
trataba del efecto fotoeléctrico y por
el cual recibió el premio Nobel de
Física en 1922. Mucho antes, en
1900, Max Plan había explicado el
fenómeno de la radiación del cuerpo
negro sugiriendo que la energía
estaba cuantizada, pero Einstein llegó
aún más lejos explicando -de acuerdo
a los cuantos de Plank- que no solo la energía sino también la materia son
discontínuas.
El efecto fotoeléctrico es el fenómeno en el que las partículas de luz llamadas
fotón, impactan con los electrones de un metal arrancando sus átomos. El
electrón se mueve durante el proceso, dado origen a una corriente eléctrica. Este
fenómeno es aprovechado en las plantas que utilizan paneles solares, los cuales
reciben la energía lumínica del sol transformándola en electricidad.
Cuando una lámina de metal está expuesta a la luz a una sola frecuencia,
digamos la luz solar, se produce electricidad en su interior de esta manera: la luz
cuando viaja se comporta como una onda, pero al intercambiar su energía con
cualquier objeto lo hace como una partícula que es llamada fotón. Cuando el
fotón choca con un electrón de un átomo de la lámina metálica, desaparece y
cede toda su energía al electrón, expulsándolo hacia otro átomo. Esta expulsión
electrónica es precisamente la corriente eléctrica.
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Como el fotón desaparece durante la colisión, se hace fácil comprender que la
energía de movimiento absorbida por el electrón depende de un solo fotón. Esto
nos indica que la electricidad resultante no depende de la intensidad de la luz,
sino más bien de la energía que porta el fotón.
(Esteban 2010)
3.4. LA LEY DE STEFAN-BOLTZMANN
La ley de Stefan-Boltzmann establece que un cuerpo negro emite radiación
térmica con una potencia emisiva hemisférica total (W/m²) proporcional a la
cuarta potencia de su temperatura:
Donde Te es la temperatura efectiva, es decir, la temperatura absoluta de la
superficie y sigma es la constante de Stefan-Boltzmann:
Esta potencia emisiva de un cuerpo negro (o radiador ideal) supone un límite
superior para la potencia emitida por los cuerpos reales.
La potencia emisiva superficial de una superficie real es menor que el de un
cuerpo negro a la misma temperatura y está dada por:
Donde epsilon (ε) es una propiedad radiativa de la superficie denominada
emisividad . Con valores en el rango 0 ≤ ε ≤ 1, esta propiedad es la relación entre
la radiación emitida por una superficie real y la emitida por el cuerpo negro a la
misma temperatura. Esto depende marcadamente del material de la superficie y
de su acabado, de la longitud de onda, y de la temperatura de la superficie.
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Problemas de aplicación de la fórmula de Boltzmann:
1. El sol tiene un radio de 6.96 10 y emite como un cuerpo negro a
Temperatura (Kelvin). ¿Qué energía es emitida cada 2 meses, durante 1 año no
bisiesto, en forma de radiación electromagnética?
∈ < 5700,5780 > . Además se sabe que la
superficie del sol es: 46.96 10
→ < 5700,5780 >
= . .
Cuando la T= 5700 K
= 5.67 10− . −5700 46.96 10
= 3.643 10
Energía total en 2 meses:
= → 3.643 10 59 24 60
= 1.857 10
Energía total en 4 meses:
= → 3.643 10 120 24 60
= 3.777 10
Energía total en 6 meses:
= → 3.643 10 181 24 60
= 5.697 10
Energía total en 8 meses:
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= → 3.643 10 242 24 60
= 7.617 10
Energía total en 10 meses:
= → 3.643 10 303 24 60
= 9.537 10
Energía total en 12 meses:
= → 3.643 10 364 24 60
= 1.145 10
Cuando la T= 5780 K
= 5.67 10− . −5780 46.96 10
= 3.852 10
Energía total en 2 meses:
= → 3.852 10 59 24 60
= 1.963 10
Energía total en 4 meses:
= → 3.852 10 120 24 60
= 3.993 10
Energía total en 6 meses:
= → 3.852 10 181 24 60
= 6.023 10
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Energía total en 8 meses:
= → 3.852 10 242 24 60
= 8.054 10
Energía total en 10 meses:
= → 3.852 10 303 24 60
= 1.008 10
Energía total en 12 meses:
= → 3.852 10 364 24 60
= 1.211 10
La energía total emitida entre los 2 primeros meses y los 10 posteriores es,
cuando la temperatura en kelvin es 5700:
∈ < 1.857 10 , 1.145 10 >
La energía total emitida entre los 2 primeros meses y los 10 posteriores es,cuando la temperatura en kelvin es 5780:
∈ < 1.963 10 , 1.211 10 >2. De los cálculos anteriores determine:
El Sol brinda un poder emisivo (P) cada 2 meses durante 1 año. Determínese el
flujo de radiación térmica (R) que recibirá un panel fotovoltaico de forma
circular con un radio de 3 metros situado perpendicularmente al radio del sol y a
149.6 10 de distancia del centro de la misma.
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Cuando la T= 5700 K
= 3.643 10
= 4
= 3.643 10
4149.6 10 3
= 36625.07
Energía total en 2 meses:
= (36625.07 ) 59 24 60
= 1.866 10
Energía total en 12 meses:
=(36625.07 ) 364 24 60
=1.151 10
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15
Cuando la T= 5780 K
= 3.852 10
=
4
= 3.852 104149.6 10 3
= 38726.26
Energía total en 2 meses:
= (38726.26 ) 59 24 60
= 1.974 10
Energía total en 12 meses:
=(38726.26 ) 364 24 60
= 1.217 10
El flujo de radiación térmica que recibe el panel fotovoltaico durante los 2
primeros meses y los 10 posteriores cuando la T = 5700 K, es:
∈ < 1.866 10 , 1.151 10 >
El flujo de radiación térmica que recibe el panel fotovoltaico durante los 2
primeros meses y los 10 posteriores cuando la T = 5780 K, es:
∈ < 1.974 10 , 1.217 10 >
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4. APLICACIÓN EN LA INGENERIA MECÁNICA:
Instalaciones de bombeo de agua (muy importantes en los Países en vías de
desarrollo); sistemas de irrigación automática.
Protección catódica de gaseoductos, oleoductos y otros tipos de tuberías;
provisión de potencia en general, en particular para cargas eléctricas limitadas
(del orden de algunos kW) incluso en zonas alejadas de la red o donde ésta no
resulta confiable (discontinuidad en la erogación).
Repetidores de radio y televisión: aparatos telefónicos; estaciones repetidoras y
de transmisión de datos (meteorológicos, sísmicos, sobre los niveles de un curso
de agua, sobre la presencia de
incendios), a menudo muy útiles en
servicios de protección civil.
Iluminación de calles y jardines y
de paradas de medios de transporte
público; señalización vial.
Carga de las baterías de las
embarcaciones y de las auto
caravanas.
5. CONCLUSIONES:
Después de haber concluido con los 3 objetivos señalados hemos aprendido a
utilizar una de las leyes más grandes de transferencia de calor como lo es la de
Boltzmann.
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Hemos adquirido nuevos conocimientos acerca de la física como lo son: La
energía, el fotón, la radiación, etc.
Hemos analizado satisfactoriamente el desplazamiento de los electrones en los
sistemas fotovoltaicos.
6. BIBLIOGRAFÍA
Esteban, S. y Navarro, R. Química general. Volumen 1. Madrid: Editorial UNED,
2010.
García, Javier María Méndez Muñiz y Rafael Cuervo. «Energía Solar Térmica.» En
Energía Solar Térmica, de Javier María Méndez Muñiz y Rafael Cuervo
García, 38. Madrid: FC EDITORIAL, 2008.
