Radiación solar y energía
Radiación solar sobre una superficie
La radiación solar que incide sobre una superficie es una cantidad fundamental en la fotovoltaica, ya que determina la energía disponible.
Radiación solar incidente (
Donde:
: Componente de radiación directa (W/m²). : Componente de radiación difusa (W/m²). : Componente de radiación reflejada (W/m²).
Radiación solar extraterrestre (
Donde:
: Constante solar. : Día del año.
Ángulo de incidencia (
Para una superficie inclinada con un ángulo
Donde:
: Declinación solar. : Latitud del lugar. : Ángulo horario. : Ángulo de inclinación de la superficie.
Radiación solar en una superficie inclinada
Cálculos en paneles fotovoltaicos
Potencia generada por un panel (
La potencia generada por un panel solar depende de su área, la irradiancia incidente y su eficiencia.
Donde:
: Potencia generada por el panel (Watts). : Irradiancia solar en la superficie del panel (W/m²). : Área del panel solar (m²). : Eficiencia del panel.
Ecuación de la corriente de salida (
El comportamiento eléctrico de un panel fotovoltaico se modela mediante la ecuación de la celda solar.
Donde:
: Corriente de fotogeneración (A). : Corriente de saturación inversa (A). : Carga del electrón ( C). : Voltaje en los terminales de la celda (V). : Factor ideal de la célula. : Constante de Boltzmann ( J/K). : Temperatura absoluta (K).
Potencia máxima (
La potencia máxima de salida de un panel se alcanza en el punto de máxima potencia (MPP).
Donde:
: Voltaje en el punto de máxima potencia. : Corriente en el punto de máxima potencia.
Eficiencia y pérdidas en sistemas fotovoltaicos
Eficiencia del panel (
La eficiencia de un panel fotovoltaico es la relación entre la potencia eléctrica generada y la potencia solar que incide sobre él.
Donde:
: Potencia eléctrica generada (W). : Potencia solar incidente en el panel (W).
Pérdidas en el sistema fotovoltaico
En los sistemas FV, las pérdidas pueden ocurrir en diversos componentes como el inversor, los cables, y por condiciones ambientales (como temperatura y sombras).
Pérdidas por temperatura (
Donde:
: Factor de corrección por temperatura. : Coeficiente de temperatura de la eficiencia (%/°C). : Temperatura de la célula (°C). : Temperatura de referencia (25°C).
Eficiencia total del sistema (
Donde:
: Eficiencia del inversor. : Eficiencia de transmisión en los cables. : Corrección por temperatura.
Dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos
Energía diaria generada (
Para dimensionar un sistema FV, es esencial calcular la energía que producirá durante un período de tiempo.
Donde:
: Potencia instalada total del sistema (kW). : Horas solares pico (horas de sol equivalentes a 1000 W/m²). : Eficiencia total del sistema.
Capacidad del sistema (
La capacidad de un sistema FV puede calcularse en función de la demanda energética.
Número de paneles (
El número de paneles necesarios para generar una cierta cantidad de energía se calcula dividiendo la potencia total por la potencia individual de cada panel.
Donde:
: Potencia de un solo panel solar (W).
Inversores y baterías
Eficiencia del inversor (
El inversor convierte la corriente continua (DC) generada por los paneles en corriente alterna (AC) utilizable por los dispositivos eléctricos.
Donde:
: Potencia de salida en corriente alterna (W). : Potencia de entrada en corriente continua (W).
Capacidad de la batería
Capacidad de la batería requerida en función del consumo:
: Capacidad de la batería en Ah. : Energía total requerida (Wh). : Voltaje de la batería (V). : Profundidad de descarga (Depth of Discharge).
Cálculos financieros
Retorno de inversión (ROI)
El retorno de inversión (ROI) para un sistema fotovoltaico:
: Retorno de inversión (%). : Ahorros en la factura eléctrica anual. : Costo total de la instalación del sistema.
Tiempo de amortización (Payback Period)
El tiempo de amortización del sistema fotovoltaico:
: Tiempo de amortización (años). : Costo total de la instalación. : Ahorros anuales en la factura eléctrica.