R-DC-91 DOCENCIA PÁGINA 1 DE 26 PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO VERSIÓN: 01 FACULTAD A LA QUE PERTENECE EL PROGRAMA ACADÉMICO PROGRAMA ACADÉMICO AL QUE PERTENECE Propuesta de Trabajo de Grado TÍTULO DE LA PROPUESTA ANALISIS DE LA EFICIENCIA ENERGETICA DE UN PANEL FOTOVOLTAICO MONOCRISTALINO EN SUPERFICIE DE TEJAS DE BARRO COMPARADO CON UN PANEL EN SUPERFICIE ESTANDAR PROPONENTES Yerzon Alexander Aguilar Colmenares Mario Alexander Murillo Romero 1098742295 1102383945 DIRECTOR Nombre completo del director Adscrito a Grupo de investigación en sistemas de energía automatización y control (GISEAC) ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones REVISADO POR: Soporte al Sistema Integrado de Gestión APROBADO POR: Asesor de Planeación FECHA DE APROBACIÓN: R-DC-91 DOCENCIA PÁGINA 2 DE 26 PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO VERSIÓN: 01 REFERENCIA AL COMITÉ Instalar un panel solar sobre una superficie en teja de barro, de manera que podamos determinar su generación y cuantificar la potencia proporcionada. Se tendrá otro módulo fotovoltaico de referencia con una superficie distinta el cual nos dará una refrigeración o temperatura en la parte inferior del panel, realizando una toma de muestras y variables, se determinará cuál proveerá una mejor eficiencia con respecto a la superficie instalada a un nivel de potencia mayor. BUCARAMANGA Fecha de Presentación: (DD-MM-AA) ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones REVISADO POR: Soporte al Sistema Integrado de Gestión APROBADO POR: Asesor de Planeación FECHA DE APROBACIÓN: R-DC-91 DOCENCIA PÁGINA 3 DE 26 PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO VERSIÓN: 01 TABLA DE CONTENIDO 1. FICHA TÉCNICA DE LA PROPUESTA .......................................................................... 4 2. RESUMEN EJECUTIVO ................................................................................................. 6 3. DESCRIPCIÓN DE LA PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO ................................. 7 3.1. PLANTEAMIENTO DE LA PROBLEMÁTICA ................................................................. 7 3.2. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................. 7 3.3. OBJETIVOS .................................................................................................................... 7 3.3.1. 3.3.2. OBJETIVO GENERAL .................................................................................................. 7 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ......................................................................................... 7 3.4. ESTADO DEL ARTE / ANTECEDENTES........................................................................ 8 3.5. MARCO REFERENCIAL ............................................................................................... 10 3.6. ALTERNATIVA DE SOLUCIÓN .................................................................................... 18 3.7. METODOLOGÍA PROPUESTA..................................................................................... 20 3.8. RESULTADOS ESPERADOS ....................................................................................... 21 3.9. ESTRATEGIA DE DIVULGACIÓN ................................................................................ 21 3.10. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES ............................................................................. 22 4. PRESUPUESTO ........................................................................................................... 23 5. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................. 26 ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones REVISADO POR: Soporte al Sistema Integrado de Gestión APROBADO POR: Asesor de Planeación FECHA DE APROBACIÓN: R-DC-91 DOCENCIA PÁGINA 4 DE 26 PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO VERSIÓN: 01 1. FICHA TÉCNICA DE LA PROPUESTA Título Yerzon Alexander Aguilar Colmenares Mario Alexander Murillo Romero Nombre del grupo de investigación Línea de Investigación ANALISIS DE LA EFICIENCIA ENERGETICA DE UN PANEL FOTOVOLTAICO MONOCRISTALINO EN SUPERFICIE DE TEJA DE BARRO COMPARADO CON UN PANEL EN SUPERFICIE ESTANDAR 1098742295 [email protected] 3015730016 1102383945 [email protected] 3102605438 Grupo de investigación en sistemas de energía automatización y control (GISEAC) Sistemas de energía Director Nombre del director del trabajo de grado Lugar de ejecución Bucaramanga / Santander Duración 4 meses Modalidad Propuesta de investigación, Desarrollo Tecnológico, Emprendimiento (Ver reglamento de trabajos de grado) Costo El valor total del presupuesto en letras y números Palabras claves Fotovoltaico, Sistema, Radiación, Energía Monografía, Práctica o Observaciones generales: Comentarios adicionales relevantes. Si no los hay se deja en blanco. Estas observaciones deben ser concertadas con el Director. Diligencie la siguiente información si corresponde a un trabajo de grado a desarrollar con una empresa, centro empresarial, gremio de producción u otra universidad. Se debe entregar carta de compromisos por parte de la empresa en dónde se especifique los requerimientos o actividades a desarrollar por el estudiante y nombre del responsable en la empresa de supervisar y asesorar al practicante. Nombre de la Empresa Representante Legal. Cédula de ciudadanía o NIT Dirección completa Ciudad / Departamento Teléfonos / Fax / Celular Correo electrónico Pública o privada Tipo de entidad Código del Convenio especial de colaboración Los abajo firmantes confirman que todos los datos incluidos en la presente propuesta son correctos y verídicos, que no incumplen ninguna ley ni norma vigente. Declaran que corresponde a las Unidades Tecnológicas de Santander la titularidad de los derechos patrimoniales sobre los productos intelectuales y creaciones obtenidas como resultado del presente trabajo de grado, teniendo en cuenta que este trabajo de grado es considerado una obra por encargo. El estudiante ostentará los derechos morales como autor y tendrá el respectivo reconocimiento académico. ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones REVISADO POR: Soporte al Sistema Integrado de Gestión APROBADO POR: Asesor de Planeación FECHA DE APROBACIÓN: R-DC-91 ______________________ Nombre autor 1 DOCENCIA PÁGINA 5 DE 26 PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO VERSIÓN: 01 ______________________ Nombre autor 2 _________________________ Nombre Director de la propuesta ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones REVISADO POR: Soporte al Sistema Integrado de Gestión APROBADO POR: Asesor de Planeación FECHA DE APROBACIÓN: R-DC-91 DOCENCIA PÁGINA 6 DE 26 PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO VERSIÓN: 01 2. RESUMEN EJECUTIVO La energía solar, uno de los principales recursos limpios que existe en nuestro planeta, que cuenta con gran potencial y se puede aprovechar mediante un sistema fotovoltaico que permite la transformación de la luz solar en energía eléctrica para hacer posible la ejecución de diversas tareas, procesos y aplicaciones. El proceso comienza cuando la luz llega en forma de fotones emitida por el sol, impacta sobre una superficie construida principalmente por silicio que liberara electrones que al ser capturados generaran una corriente eléctrica. La presente propuesta consiste en la implementación y análisis de un sistema de generación de energía eléctrica, mediante un panel solar fotovoltaico mono cristalino compuesto por un conjunto celdas solares, pequeñas células con una estructura de arseniuro de galio o silicio cristalino que pueden disponerse como conductores de electricidad o como aislantes acorde a la condición que estén, con su respectivo sistema de elementos que irán instalados sobre una superficie de teja de barro para analizar la temperatura expulsada por el panel y así determinar si existe un mayor rendimiento en la adquisición de energía, esta energía será conocida y previamente examinada con los equipos adecuados de medida diariamente, para realizar un estudio estadístico que indique las condiciones en las que se encuentre situado; entregue resultados en términos de rendimiento, calidad de vida, aprovechamiento de superficies, coste y eficiencia de nuestro modulo solar en la generación de energía eléctrica. Se tendrá un módulo de referencia el cual nos permitirá comparar los procedimientos concernientes que se realicen con el aprovechamiento de este recurso natural para alcanzar un resultado positivo frente a la idea de adquirir este tipo de energía de una mejor manera y sintetizar el empleo de la electricidad de uso común que nos proporciona mayores gastos y a la vez poder contribuir de una forma sostenible a nuestro medio ambiente ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones REVISADO POR: Soporte al Sistema Integrado de Gestión APROBADO POR: Asesor de Planeación FECHA DE APROBACIÓN: R-DC-91 DOCENCIA PÁGINA 7 DE 26 PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO VERSIÓN: 01 3. DESCRIPCIÓN DE LA PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO 3.1. PLANTEAMIENTO DE LA PROBLEMÁTICA Las Unidades Tecnológicas de Santander (UTS) dispone del espacio y la presencia de la luz solar para el aprovechamiento de un panel fotovoltaico mono cristalino para analizar el funcionamiento en condiciones establecidas (base de barro), teniendo en cuenta el panel instalado en la superficie de dicho montaje (base de cemento) lo que permite comparar el funcionamiento de cada uno de los módulos solares. De esta forma sabremos como el panel obtiene un mayor rendimiento y aprovechamiento de la energía solar como recurso renovable contribuyendo así con el medio ambiente. ¿Es importante determinar el rendimiento y la eficiencia de un panel solar mono cristalino sobre una superficie de un respectivo tipo de material para la generación de energía eléctrica? 3.2. JUSTIFICACIÓN Se quiere aprovechar un recurso energético renovable que provee la luz solar en las instalaciones de la universidad en donde se implementan diferentes tipos de materiales en bases que permiten conocer cuál de ellos obtienen los mejores los resultados en rendimiento y eficiencia teniendo en cuenta su sistema de implementación para la obtención de energía, buscando también economizar lo que normalmente ocasiona la utilización de corriente alterna (AC) que proviene de la línea directa; como también se quiere reducir esa gran problemática ambiental que tiene nuestra sociedad. 3.3. OBJETIVOS 3.3.1. OBJETIVO GENERAL Desarrollar un estudio estadístico de un grupo de paneles solares en diferentes superficies para identificar y comparar cuál es óptima en términos de aprovechamiento de generación eléctrica, utilizando dispositivos de medida como voltímetros, amperímetros y termómetros junto con conocimientos básicos eléctricos para instalar un panel solar fotovoltaico mono cristalino en superficie de teja de barro y otro en una superficie de cemento. 3.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Realizar el estudio y análisis para la instalación de paneles solares en base de conocimientos previos y requerimientos necesarios para su implementación. 2. Efectuar el montaje preciso y adecuado del panel solar fotovoltaico mono cristalino en base de teja de barro, de acuerdo a los criterios que se deben seguir para alcanzar su máxima capacidad de funcionamiento. ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones REVISADO POR: Soporte al Sistema Integrado de Gestión APROBADO POR: Asesor de Planeación FECHA DE APROBACIÓN: R-DC-91 DOCENCIA PÁGINA 8 DE 26 PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO VERSIÓN: 01 3. Proceder a medir las diferentes variables como temperatura, humedad, voltaje, corriente y potencia que está vinculado a la productividad de los paneles solares. 4. Obtener mediante resultados estadísticos la mayor eficiencia energética del panel solar de referencia (base en cemento), y el panel instalado (base de teja barro). 3.4. ESTADO DEL ARTE / ANTECEDENTES UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD PROYECTO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE GENERACIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA PARA LA POBLACIÓN WAYUU EN NAZARETH CORREGIMIENTO DEL MUNICIPIO DE URIBIA, DEPARTAMENTO DE LA GUAJIRA – COLOMBIA. Proyecto de investigación para la adquisición de especializado en gerencia de proyectos. Autores: Jhon Sebastián Gálviz Garzón y Robinson Gutiérrez Gallego. Director de Tesis: Luz Dary Castellanos Duque. Año de publicación, 2013. Su objetivo principal es proponer un proyecto de investigación basado en la obtención de energía eléctrica solar fotovoltaica como una alternativa de solución para el problema social y económico que sufre esta región, beneficiando a los habitantes que se encuentran alojados en el corregimiento de Nazaret ubicado en el departamento de la Guajira. La formulación del proyecto tiene como fundamento la generación de electricidad aprovechando un recurso limpio o renovable como lo es la energía solar través de módulos solares fotovoltaicos, la presencia de radiación solar en esta zona del país es muy concentrada lo que contribuye de manera directa a la posibilidad de que funcione este proyecto. Mediante la investigación se evalúa la cuestión de Nazaret y se provee un resultado positivo que personaliza la implementación de este proyecto, fundamentando metas específicas dirigidas en: prolongación en el servicio de salud y en el provecho de agua potable proporcionando calidad de vida a las familias. A NIVEL INTERNACIONAL UNIVERSIDAD VERACRUZANA DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN EL COBAEV 35 XALAPA. ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones REVISADO POR: Soporte al Sistema Integrado de Gestión APROBADO POR: Asesor de Planeación FECHA DE APROBACIÓN: R-DC-91 DOCENCIA PÁGINA 9 DE 26 PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO VERSIÓN: 01 Proyecto que para obtener el grado de maestría en ingeniería energética. Autor: Héctor Domínguez González Director: DR. Alfredo Ramírez Ramírez. Xalapa-Enríquez, Veracruz – México, 22 de noviembre del 2012 Una de las más ponentes energías renovables es la energía solar que cuenta con una de las técnicas más limpias de producción de energía. Los dispositivos que establecen uno de los sistemas más simples para la conversión de la energía solar a energía eléctrica aprovechable son los paneles solares sin la presencia de subproductos que afecten al medio ambiente. Este trabajo planeo un desarrollo en la implementación de un sistema fotovoltaico para la generación de electricidad en el COBAEV 35 de Xalapa, capital del estado mexicano de Veracruz, este sistema estará enlazado a la red CFE que brinda energía eléctrica a la institución, también se dan a conocer el diseño, etapas y cálculos de cómo será realizado este proyecto con la finalidad de incorporar un sistema de electrificación fotovoltaico suministrando el gasto eléctrico del COBAEV 35 que está situado a uno de los costados de la unidad habitacional de lomas verdes, avenida Arco sur. UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR INSTALACIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA CONECTADA A RED SOBRE LA AZOTEA DE UNA NAVE INDUSTRIAL. Proyecto de fin de carrera, ingeniería técnica industrial: electricidad. Autor: Israel Blanco Sardinero Tutor: Jaime Alonso-Martínez de las Morenas El presente proyecto tuvo como finalidad el diseño de una instalación solar fotovoltaica enlazada a la red encima de la azotea de un edificio de uso industrial que alberga la producción y almacenamiento de recursos industriales que tendrá definidas sus dimensiones, para su estudio y diseño se tuvo en consideración todas las normas para su posterior montaje. Se ejecutó el diseño de la planta de tal manera que a pesar de las condiciones ambientales que pudieran presentarse en el sitio donde se localizaba, se mantuviera una eficiencia energética óptima y se alcanzara una mayor rentabilidad en la elaboración de la instalación dependiendo de la financiación que se necesitara para construirla. Para lograr el diseño mencionado se continuó con la evaluación de posibles soluciones, una de ellos se basó en la orientación de los paneles dirigidos hacia el sur, con su respectiva inclinación que operaria durante todo el año. Y la otra semejante a la primera en términos de orientación del panel pero con la diferencia que la inclinación del mismo podría ser variada por los operarios y que estarían sujetas a dos posiciones distintas de acuerdo a la época del año en la que se encuentren. ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones REVISADO POR: Soporte al Sistema Integrado de Gestión APROBADO POR: Asesor de Planeación FECHA DE APROBACIÓN: R-DC-91 DOCENCIA PÁGINA 10 DE 26 PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO VERSIÓN: 01 Este procedimiento tiene como idea fundamental aumentar la productividad, al realizar un balance con ambos diseños se lograría saber quien obtuvo una mejor eficiencia y rentabilidad comparando sus estudios económicos y energéticos de energía alternativa. 3.5. MARCO REFERENCIAL 3.5.1. MARCO TEORICO LA ENERGIA PROVENIENTE DEL SOL FIGURA 1. Distribución de la energía solar La energía solar que recibe la Tierra, hoy en día se considera como una fuente importante de energías limpias y renovables (utiliza ciclos naturales para producir energía: movimiento del agua, el viento, etc.), y una de sus principales característica es que no produce residuos tóxicos y su mantenimiento es sencillo ya que no depende de un suministro eléctrico. Ésta se transmite a través de las ondas electromagnéticas presentes en los rayos de sol, las cuales son generadas en forma continua y emitidas permanentemente al espacio, parte de ella llega a la Tierra, y alrededor del 70% es absorbida por la atmósfera, la tierra y por los océanos. El otro 30% es reflejado por la atmósfera de regreso al espacio. Este tipo de energía puede aprovecharse de manera útil por el hombre a través de distintos sistemas de captación y conversión de ella, uno de ellos es mediante paneles ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones REVISADO POR: Soporte al Sistema Integrado de Gestión APROBADO POR: Asesor de Planeación FECHA DE APROBACIÓN: R-DC-91 DOCENCIA PÁGINA 11 DE 26 PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO VERSIÓN: 01 solares formados por celdas fotovoltaicas que transforman la energía lumínica del sol en energía eléctrica a través del efecto fotovoltaico. ENERGIA FOTOVOLTAICA La energía solar fotovoltaica se basa en captar la energía solar, la cual mediante unos dispositivos llamados celdas solares transforman la energía solar en energía eléctrica. EFECTO FOTOVOLTAICO Una celda fotovoltaica tiene como función primordial convertir la energía captada por el sol en electricidad a un nivel atómico. Estas celdas están construidas por una capa delgada de un material semiconductor (silicio), el que capta la radiación y hace posible el efecto fotovoltaico, es decir los fotones de luz son absorbidos para luego irradiar electrones; provocando un salto de electrones, generando una pequeña diferencia de potencial en sus extremos. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad. El proceso de conversión de energía comienza cuando los rayos del sol chocan y son captados por las dos placas de silicio, u otro material conductor, uno de los cuales actúa con carga negativa del tipo “n” y el otro con carga positiva del tipo “p”. Una vez que los rayos son captados estos ionizan los átomos del silicio de las placas separando así las cargas positivas de las cargas negativas (electrones). Mientras las cargas positivas se desplazan hacia el terminal positivo los electrones se desplazan hacia el negativo. Al atraerse naturalmente las cargas, éstas son forzadas a desplazarse hacia el terminal opuesto a través del conductor que une ambas placas, generando así la generación de un ciclo continuo de generación de electricidad. ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones REVISADO POR: Soporte al Sistema Integrado de Gestión APROBADO POR: Asesor de Planeación FECHA DE APROBACIÓN: R-DC-91 DOCENCIA PÁGINA 12 DE 26 PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO VERSIÓN: 01 FIGURA 2. Conversión de energía captada ESTRUCTURA BÁSICA DE UNA CELDA SOLAR Una celda solar de silicio generalmente está compuesta por una parte superior e inferior, en ambas partes poseen contactos eléctricos (metálicos) que sirven para captar la radiación que incide sobre ellas, el diseño de los contactos superiores tiene que ver con el paso de luz y lograr maximizar la conductividad eléctrica de estos. Para un mejor desempeño a las celdas solares se le agrega una capa de material anti reflectante y otra de vidrio para su protección. FIGURA 3. Estructura de celda solar ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones REVISADO POR: Soporte al Sistema Integrado de Gestión APROBADO POR: Asesor de Planeación FECHA DE APROBACIÓN: R-DC-91 DOCENCIA PÁGINA 13 DE 26 PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO VERSIÓN: 01 CONTACTOS ELÉCTRICOS En una celda solar los contactos eléctricos son el puente de conexión entre el material semiconductor y la carga eléctrica externa. En la parte trasera de la celda, la que no recibe los rayos solares directamente, se ubican los contactos positivos, estos generalmente consisten en una capa de metal de aluminio o molibdeno, cubriendo completamente este lado de la celda. La parte superior en tanto, por donde los rayos solares inciden directamente, tiene un poco más de complejidad, con el fin de captar más corriente se debe poner una “rejilla” de tiras o “dedos” de metal, el poner esta rejilla sobre la celda se deben reducir al máximo los efectos que ensombrecen la superficie, ya que de no ser así estas provocarían sombra afectando considerablemente la eficiencia de la celda. Al poner la rejilla en contacto con la celda solar, pueden existir pérdidas en la resistencia eléctrica, para esto el diseño de la rejilla debe contar con muchos “dedos” finos ,con baja resistencia para conducir la luz y a la vez no bloquear la cantidad de luz que entra, dispuestos sobre toda la superficie de la celda. Una buena rejilla mantiene pérdidas de la resistencia bajas, mientras que ensombrece solamente cerca de 3% a 5% de la superficie de la celda. ANTIRREFLECTANTE Para mejorar la eficiencia en la captación de energía de las celdas solares, es necesario reducir al mínimo la cantidad de luz reflejada, debido a que el silicio es un material gris brillante que puede actuar como un espejo reflejando hasta más de un 30% de la energía que incide sobre las celdas. Es por esto que se debe utilizar un anti reflectante de modo que las celdas puedan capturar tanta luz como sea posible. Este material anti reflectante puede ser de una delgada capa de monóxido de silicio, ya que una sola de estas capas reduce cerca del 10% de la reflexión y una segunda puede bajarla hasta menos del 4%. PANEL SOLAR Son dispositivos tecnológicos que pueden aprovechar la energía solar convirtiéndola en energía utilizable por los seres humanos para calentar el agua sanitaria o para producir electricidad. Un panel solar está compuesto por varias celdas fotovoltaicas, y la interconexión de dos o más paneles se conoce como un arreglo solar. La energía que ellos captan puede ser utilizada por distintos aparatos eléctricos. ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones REVISADO POR: Soporte al Sistema Integrado de Gestión APROBADO POR: Asesor de Planeación FECHA DE APROBACIÓN: R-DC-91 DOCENCIA PÁGINA 14 DE 26 PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO VERSIÓN: 01 FIGURA 4. Estructura y capas que componen el panel solar LA RADIACION SOLAR EN LA TIERRA Se entiende por radiación solar al grupo de radiaciones electromagnéticas emitidas por el sol, las que llegan a través de ondas en diferentes frecuencias, pero solo la mitad de estas pueden ser detectadas por el ojo humano y es conocida como luz visible, el resto comprende las ondas infrarrojas y ultravioletas. Una vez que la radiación llega a la tierra y penetra la atmosfera, se pueden distinguir los siguientes tipos: Radiación directa Esta se caracteriza porque llega directamente desde el sol hacia un punto determinado, los rayos solares no se difuminan o se desvían a su paso por la atmósfera terrestre. Radiación Difusa Este tipo de radiación se refiere a que una parte de ella al pasar por la atmosfera es reflejada o absorbida por las nubes y por muchos otros factores (montañas, edificios, el ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones REVISADO POR: Soporte al Sistema Integrado de Gestión APROBADO POR: Asesor de Planeación FECHA DE APROBACIÓN: R-DC-91 DOCENCIA PÁGINA 15 DE 26 PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO VERSIÓN: 01 suelo, etc.),por lo que difumina o desvía los rayos solares, y no logran tener una dirección directa. Radiación reflejada o albedo Esta radiación es aquella reflejada por la superficie terrestre. Los rayos solares pueden ser desviados por factores atmosféricos y también por reflexiones a causa de superficies planas. Un claro ejemplo es la reflexión que se produce en la nieve y sobre el agua del mar. Radiación Global Corresponde simplemente a la suma de las tres radiaciones anteriores dadas. INCIDENCIA DE LA RADIACIÓN EN UN PANEL SOLAR Los paneles captan la radiación emitida por el sol y no su calor, por lo cual estos están en funcionamiento durante todos los días del año, sin embargo la radiación emitida en un día soleado es diferente a la de un día nublado, incidiendo de manera distinta sobre un panel solar. Al usar energía fotovoltaica es necesario tener en cuenta estos conceptos de radiación, y sobre todo el que se refiere a radiación directa ya que es el que mayor potencia tiene. Para esto también debemos considerar ciertos factores climáticos, en un día nublado la radiación presente es más bien difusa, en cambio en un día soleado la radiación recibida es directa. En un día claro, sin partículas suspendidas en el aire y a nivel del mar, con el sol enfocando directamente sobre el panel solar, la radiación máxima directa que llega al panel solar es aproximadamente de 1000 watts/m2. FIGURA 5. Incidencia de las diferentes radiaciones sobre el panel solar ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones REVISADO POR: Soporte al Sistema Integrado de Gestión APROBADO POR: Asesor de Planeación FECHA DE APROBACIÓN: R-DC-91 DOCENCIA PÁGINA 16 DE 26 PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO VERSIÓN: 01 ORIENTACIÓN Y ANGULO DE INCLINACIÓN Se ha dicho que las condiciones óptimas para que un panel aproveche al máximo la energía es con la presencia de luz solar plena y a la vez este deberá ser orientado de la mejor forma hacia el sol, no sólo en los días soleados, si no también durante todo el año. Es así como si un panel está situado en el hemisferio norte, deberá tener una orientación hacia el sur y lo contrario sucederá si se ubica en el hemisferio sur, el cual tendrá que ser orientado hacia el norte. Los paneles alcanzan su mayor eficiencia a medio día cuando están orientados hacia el sol y perpendicularmente a este. El ángulo de inclinación se refiere al ángulo entre el plano horizontal y el panel. El ángulo óptimo es de 90° durante el día, pero habitualmente los paneles se encuentran fijos, ya sea en una estructura o sobre un techo, por lo que no pueden seguir la trayectoria del sol. La inclinación de los paneles depende mucho de la latitud en que se ubique un panel, Ejemplos de algunas latitudes y su ángulo de inclinación: 0° a 15° = ángulo de inclinación es de 15° 15° a 25° = ángulo de inclinación es igual a la latitud 25° a 30° =latitud más 5° 30° a 35° =latitud más 10° 35° a 40° =latitud más 15° 40° o más = latitud más 20° FIGURA 6. Inclinación panel solar ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones REVISADO POR: Soporte al Sistema Integrado de Gestión APROBADO POR: Asesor de Planeación FECHA DE APROBACIÓN: R-DC-91 DOCENCIA PÁGINA 17 DE 26 PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO VERSIÓN: 01 3.5.2. MARCO HISTORICO La disponibilidad potencial que ofrece la energía solar es muy superior a las necesidades energéticas que se presentan en la sociedad en general que es prácticamente inagotable y no contaminante. En 1839 el físico francés AlexandreEdmond Becquerel, fue quien observo que materiales específicos producían bajas proporciones de corriente eléctrica en el instante que eran exhibidos hacia la luz, de esta forma se originó el principio del aprovechamiento de la energía solar. Sus estudios en el área de la electricidad, magnetización, el espectro solar y óptica son las bases investigativas y científicas de la energía fotovoltaica, después en 1883 el inventor Charles Fritts desarrollo la primera celda fotovoltaica con base de selenio junto con una revestimiento de oro que le ofrecía una eficiencia cercana al 1 % pero por su gran valor comercial termino en distintos usos al uso de la obtención de la electricidad, aplicaciones como en los sensores de luz de las cámaras fotográficas. Las celdas que se utilizan en la actualidad desciende de la patente del inventor norteamericano Russel Ohl que fueron originadas previamente en 1940 y se lanzaron en 1946, después de esto las zonas investigativas de los laboratorios Bells inventaron el primer panel fotovoltaico es en ese momento donde emergieron las primeras celdas fotovoltaicas, que años después en 1960 decaería su producción por el alto valor de los materiales que constituían estos dispositivos fue entonces cuando la industria espacial inicio un plan para implementar esta tecnología con el objetivo de obtener energía eléctrica y transmitirla a todo el interior de sus naves, gracias a estos programas espaciales que los técnicos y científicos impulsaron el uso de la energía solar y los beneficios que proporcionaba. El rápido desarrollo industrial y de consumo del siglo XXI, genera como resultado una importante afectación en el medio ambiental gracias a la dispersión de dióxido de carbono y otros gases que aparte de contribuir a que la capa de ozono se desgaste , afecta directamente la salud de las personas, hacerle frente a esta problemática es vital, hoy dia notamos un gran avance tanto en la producción de módulos solares como en la implementación de estos en algunos países como Estados Unidos, Australia, España entre otros, que ya poseen grandes plantas de generación de energía por medio de paneles solares fotovoltaicos. A finales de 2015 se encontraban instalados 227 GW fotovoltaicos en el mundo. De ellos, 43,5 GW en China, 39,7 GW en Alemania, 34,4 GW en Japón, 25,6 GW en EE.UU, 18,9 GW en Italia y 5,4 GW en España, la electricidad solar es muy importante e intensifica la calidad de un verdadero desarrollo sostenible de nuestro planeta. ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones REVISADO POR: Soporte al Sistema Integrado de Gestión APROBADO POR: Asesor de Planeación FECHA DE APROBACIÓN: R-DC-91 DOCENCIA PÁGINA 18 DE 26 PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO VERSIÓN: 01 3.5.3. MARCO CONCEPTUAL Los paneles solares son equipos que aprovechan la luz del sol convirtiéndola en energía utilizable para la electricidad. El funcionamiento de los paneles fotovoltaicos se apoya principalmente en el material que esta echo, el silicio, es un elemento que se encuentra con gran abundancia en la tierra porque es extraído del sílice que se encuentra en la arena, el silicio tiene una propiedad indispensable para la producción de electricidad es un semiconductor, no es el único semiconductor que existe en la tierra pero si es el más utilizado. El silicio está constituido por átomos, un átomo es un núcleo con partículas que alrededor de él circulan electrones con cargas negativas, cuando los paneles fotovoltaicos están expuestos a la luz los electrones del silicio se agitan de un sentido a otro y pasan de un átomo a otro, esto no hace la corriente eléctrica, la corriente eléctrica es una circulación de electrones en un sentido preciso para lograr generar corriente se dopa el silicio, el dopaje del silicio es una operación que consiste en obtener de un lado un exceso de electrones y del otro un déficits de electrones, de esta manera los electrones circulan del electrodo negativo que tiene un exceso de electrones de carga negativa hacia el electrodo positivo que tiene un déficits de electrones logrando así generar un flujo de corriente continua. Los paneles fotovoltaicos están constituidos de varias capas, la capa superior o la capa que está expuesta a la luz se le agrega fosforo un material donde los átomos contienen más electrones que el silicio y a la capa inferior se le agrega boro material donde los átomos contienen menos electrones que el silicio. El efecto fotovoltaico sucede gracias a que la luz solar está compuesta por fotones los cuales presentan diferentes niveles de energía debido a su longitud de onda, los electrones al incidir directamente sobre una célula fotovoltaica pueden ser reflejados o adsorbidos el fotón al ser adsorbido ingresa por la célula le sede su energía a un electrón el cual al ser energizado rompe la inercia y fluye creando corriente. 3.5.4. MARCO LEGAL El sistema normativo concerniente a la recolección, almacenamiento y distribución de energía solar que soportan las instalaciones fotovoltaicas, proporcionada por el Instituto Colombiano de normas técnicas y certificación, es: Norma NTC 1706, titulado referente a la mecánica, energía solar, definiciones y nomenclatura de una manera descriptiva y representativa mediante la recopilación de términos estudiados que tiene como objeto precisar los términos fundamentales y nomenclatura empleada en normas pertenecientes a la energía solar. Norma NTC 2775, titulado dirigido a la energía fotovoltaica que se basa en un estudio que se nutre de las principales definiciones validadas en las normas alusivas a energías fotovoltaicas con sus determinadas clasificaciones y designaciones. ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones REVISADO POR: Soporte al Sistema Integrado de Gestión APROBADO POR: Asesor de Planeación FECHA DE APROBACIÓN: R-DC-91 DOCENCIA PÁGINA 19 DE 26 PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO VERSIÓN: 01 Norma NTC 4405, titulado relativo a la eficiencia energética en la cual se despliega una metodología de evaluación a la eficiencia de los sistemas solares fotovoltaicos, reguladores y acumuladores como un procedimiento definitivo que proporciona un resultado de prueba, en el cual se realiza una ejecución de cálculos y un diagrama de bloques para hacer posible su estructuración. Norma NTC 2631, titulado referido a la energía solar, la cual detalla la medición de la transmitancia y reflectancia luminosas fotométricas partiendo de los datos obtenidos a través del método de ensayo de la norma ASTM E424 para el espectro de transmitancia y reflectancia de los materiales. Norma NTC 2774, titulado enfocado en la implementación de máquinas y equipos en relación a la energía solar que se fundamenta en el planteamiento de una metodología de ensayo para evaluar las propiedades de materiales aislantes térmicos empleados en colectores solares. Decreto 3683/2003 del 22 de diciembre, por el cual se reglamenta la ley 697 de 2001 y se crea una comisión intersectorial, que se plantea en una de ellas un contenido alusivo a las fuentes no convencionales de energía. Ley 697/2001 del 3 de octubre, mediante la cual se fomenta el uso racional y eficiente de la energía, se promueve la utilización de energías alternativas y se dictan otras disposiciones. 3.5.5. MARCO AMBIENTAL La energía fotovoltaica es la tecnología de generación de energía eléctrica que en los últimos años ha experimentado un mayor desarrollo con respecto a las demás formas de generación de energía que existen hoy en día. Generada en plantas solares que contribuyen con un futuro sostenible gracias a que es una fuente de energía constante lo cual hace que su energía sea renovable y sin costo medioambiental considerable en comparación con otras fuentes de generación de energía. Una de las mayores causas de contaminación para el planeta es el calentamiento global o también llamado efecto invernadero, uno de los mayores responsables es el dióxido de carbono (CO2), que es producido y liberado a la atmosfera a través de la quema de combustibles fósiles que son una fuente de energía que provienen de los restos de plantas y animales, la mayor fuente de consumo mundial de energía proviene de estas fuentes, que presentan una serie de problemas importantes. Son fuentes no renovables lo que significa que con el tiempo se acaban, la quema de estos ocasiona consecuencias muy graves sobre la salud humana y el medio ambiente, lo que ha llevado a que los investigadores busquen nuevas formas de generación de egregia. ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones REVISADO POR: Soporte al Sistema Integrado de Gestión APROBADO POR: Asesor de Planeación FECHA DE APROBACIÓN: R-DC-91 DOCENCIA PÁGINA 20 DE 26 PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO VERSIÓN: 01 Esta fuente de energía renovable posiblemente no solucione todos los problemas ambientales que se están generando por la quema de combustibles fósiles, pero si por cada panel de energía solar que se emplee, cada día será menor la emisión de desechos sólidos (tóxicos), lo que trae una serie de beneficios para el medio ambiente. 3.6. ALTERNATIVA DE SOLUCIÓN Implementar un módulo para el estudio estadístico y determinar si la base de teja de barro contribuye o no al mejoramiento de la eficiencia energética en un panel solar fotovoltaico mono cristalino. Esto se hace con el fin de disminuir la temperatura en el panel ya que a mayor temperatura menor será la eficiencia. 3.7. METODOLOGÍA PROPUESTA La metodología que se llevara a cabo será la investigación, por medio de la energía solar que podamos obtener en las Unidades Tecnológicas de Santander, se enfocara en el análisis de la eficiencia energética de un panel fotovoltaico instalado sobre una base de teja de barro comparándola con otro panel instalado sobre una base de cemento. Con la intención de comparar los datos y determinar en cual de las condiciones el panel proporciona un mayor rendimiento en cuanto a la producción de electricidad, y determinar si la eficiencia varia estando una base de teja de barro. FASE 1 Para el desarrollo de la investigación se hace necesaria la documentación bibliográfica. Estudiar todo lo necesario para implementar el panel fotovoltaico, incluyendo la ubicación y el área de donde se instalara. Hacer un análisis de cuál será el costo de todos los materiales que se emplearan en el panel fotovoltaico para su montaje. FASE 2 Realizar todas las compras necesarias y recopilación de cada uno de los materiales que se utilizaran en la instalación de los paneles fotovoltaicos. Realizar el respectivo montaje del sistema fotovoltaico con sus correspondientes instrumentos de medición y la respectiva carga. ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones REVISADO POR: Soporte al Sistema Integrado de Gestión APROBADO POR: Asesor de Planeación FECHA DE APROBACIÓN: R-DC-91 DOCENCIA PÁGINA 21 DE 26 PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO VERSIÓN: 01 FASE 3 Se procederá a la toma de datos lo cual se realizará a diario durante dos meses un registro con todas las componentes a tener en cuenta. FASE 4 Finalizada la toma de datos, se procede hacer un análisis donde se compare los resultados obtenidos y se determine cual panel fotovoltaico tiene un mayor rendimiento y cuál es la base más favorable para su implementación. 3.8. RESULTADOS ESPERADOS Tras el desarrollo del proyecto de investigación, se tiene una visión de: 1. Adquirir nuevos conocimientos tecnológicos, innovadores e investigativos para la planeación, diseño y construcción de este tipo de sistemas con gran sostenibilidad como estudiantes aprendices para la implementación de estos mismos en ámbitos o campos futuros relacionados con la obtención de energías alternativas. 2. Determinar mediante un análisis estadístico en qué condiciones se logra un mayor aprovechamiento de la energía solar 3. Demostrar si la superficie acuática contribuye o no al mejoramiento en cuanto a eficiencia y rendimiento en la adquisición de la energía en los paneles fotovoltaicos. 4. Dar un aporte a la investigación de técnicas más eficientes, limpias y sostenibles en la obtención de energía. 5. Adquirir experiencia en cuanto al montaje y control de un sistema fotovoltaico para la generación de energía eléctrica. 3.9. ESTRATEGIA DE DIVULGACIÓN Documento de proyecto de grado ----------------------- especificado en el formato oficial de la institución, articulo formato IEEE. ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones REVISADO POR: Soporte al Sistema Integrado de Gestión APROBADO POR: Asesor de Planeación FECHA DE APROBACIÓN: R-DC-91 DOCENCIA PÁGINA 22 DE 26 PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO VERSIÓN: 01 3.10. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES Meses/semanas Actividades 1 2 3 4 5 1 1 2 2 3 4 1 2 3 3 4 1 2 4 3 4 1 2 Documentación bibliográfica. Adquisición de equipos y montaje del sistema. Recolección de dato Comparación y análisis estadístico Elaboración de documento final ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones REVISADO POR: Soporte al Sistema Integrado de Gestión APROBADO POR: Asesor de Planeación FECHA DE APROBACIÓN: 3 4 R-DC-91 DOCENCIA PÁGINA 23 DE 26 PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO VERSIÓN: 01 4. PRESUPUESTO Tabla 1. Presupuesto global Presupuesto global de la propuesta por fuentes de financiación (en miles de pesos) Fuentes Rubros Total U.T.S * Contrapartida** 4’000.000 Talento humano Materiales y equipos Software Servicios técnicos Varios 6’000.000 850.000 10’000.000 850.000 800.000 500.000 800.000 500.000 12.150.000 TOTAL Tabla 2. Presupuesto de Talento humanos Descripción de los gastos de talento humano (en miles de pesos) Investigador /auxiliar JAVIER ASCANIO Formación MÁSTER Función Dedicación Total Director Número de semanales 1 horas YERZON ALEXANDER AGUILAR COLMENARES TECNOLOGO Investigador Número de semanales 8 horas MARIO ALEXANDER MURILLO ROMERO TECNOLOGO Investigador Número de semanales 8 horas TOTAL ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones REVISADO POR: Soporte al Sistema Integrado de Gestión $ 200.000 $ 400.000 $ 400.000 $ 1.000.000 APROBADO POR: Asesor de Planeación FECHA DE APROBACIÓN: R-DC-91 DOCENCIA PÁGINA 24 DE 26 PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO VERSIÓN: 01 Tabla 3. Presupuesto materiales y equipos Descripción de los materiales y equipos que se planean adquirir (en miles de pesos) Recursos Material / equipo Justificación Total U.T.S * Contrapartida** Desarrollar un estudio estadístico con el fin de • PANEL SOLAR comparar cuál MONOCRISTALINO superficie es más • REGULADOR óptima en • VATIMETRO generación eléctrica • PINZA instalando un panel $ 1.000.000. $ 1.000.000. VOLTIAMPERIMETRICA solar fotovoltaico • BASE ACERO mono cristalino en INOXIDABLE superficie de teja de CONDUCTORES barro y otro en superficie de cemento. TOTAL $ 1.000.000. Tabla 4. Presupuesto software Software Descripción del software requerido (en miles de pesos) Recursos Justificación U.T.S * Contrapartida** Total NO APLICA TOTAL Tabla 5. Presupuesto servicios técnicos Descripción de los servicios técnicos requeridos (en miles de pesos) Servicio Recursos Justificación U.T.S * Contrapartida** Total TOTAL ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones REVISADO POR: Soporte al Sistema Integrado de Gestión APROBADO POR: Asesor de Planeación FECHA DE APROBACIÓN: R-DC-91 DOCENCIA PÁGINA 25 DE 26 PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO VERSIÓN: 01 Tabla 6. Presupuesto de gastos varios Descripción de los gastos varios (en miles de pesos) Recursos Varios Justificación FOTOCOPIAS, TRANSPORTE ASESORIAS REALIZACION DEL PROYECTO U.T.S * Contrapartida** $ 500.000 TOTAL Total $ 500.000 $ 500.000 * Los gastos UTS están contemplados dentro del inventario de equipos que ésta ya posee y de la nómina de la institución. ** Los valores de contrapartida son asumidos por los proponentes del trabajo de grado. ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones REVISADO POR: Soporte al Sistema Integrado de Gestión APROBADO POR: Asesor de Planeación FECHA DE APROBACIÓN: R-DC-91 DOCENCIA PÁGINA 26 DE 26 PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO VERSIÓN: 01 5. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones REVISADO POR: Soporte al Sistema Integrado de Gestión APROBADO POR: Asesor de Planeación FECHA DE APROBACIÓN:
