Física Fotovoltaica: Convierte la Luz en Energía en Venezuela

1. Definición del efecto fotovoltaico — El efecto fotovoltaico es un fenómeno físico en el cual un material semiconductor genera electricidad cuando es expuesto a la luz. Cuando un fotón con suficiente energía incide sobre el semiconductor, excita un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción, creando un par electrón-hueco.
2. Materiales semiconductores — Los materiales semiconductores más utilizados en paneles solares son el silicio (monocristalino, policristalino y amorfo), el arseniuro de galio y el teluro de cadmio. El silicio es el más común porque es abundante, tiene buena eficiencia y su tecnología de producción está bien desarrollada.
3. Proceso de generación de corriente — Cuando un fotón con energía mayor que la banda prohibida del semiconductor incide sobre él, excita un electrón, dejando un hueco. El campo eléctrico interno de la unión p-n separa estos portadores de carga, generando una diferencia de potencial que puede ser aprovechada como corriente eléctrica.
4. Esquema conceptual — Dibuja un esquema mostrando: 1) Fotones incidiendo sobre el panel, 2) Generación de pares electrón-hueco en la capa de silicio, 3) Separación por el campo eléctrico de la unión p-n, 4) Flujo de electrones por el circuito externo generando corriente.

→ El efecto fotovoltaico convierte la luz solar en electricidad mediante la excitación de electrones en semiconductores. El silicio policristalino es el material más usado por su eficiencia y costo. La banda prohibida determina qué longitudes de onda puede absorber el panel.

1. Energía incidente diaria — La energía incidente es el producto del área del panel por la radiación solar diaria. Esto nos da cuánta energía solar llega al panel cada día.
   $$E_{\text{incidente}}=A\times R=\mathrm{1,8}{\text{ m}}^2\times \mathrm{5,2}{\text{ kWh/m}}^2/\text{día}=\mathrm{9,36}\text{ kWh/día}$$
2. Energía eléctrica generada — La energía eléctrica generada es la energía incidente multiplicada por la eficiencia del panel. Esto nos da cuánta de esa energía solar se convierte en electricidad útil.
   $$E_{\text{eléctrica}}=E_{\text{incidente}}\times \eta =\mathrm{9,36}\text{ kWh/día}\times \mathrm{0,16}=\mathrm{1,4976}\text{ kWh/día}$$
3. Porcentaje del consumo — Para encontrar qué porcentaje del refrigerador cubre el panel, dividimos la energía generada entre el consumo del refrigerador y multiplicamos por 100.
   $$\text{Porcentaje}=\frac{\mathrm{1,4976}}{\mathrm{1,2}}\times 100\approx \mathrm{124,8}\%$$
4. Número de paneles necesarios — Para generar 3,6 kWh/día, dividimos la energía deseada entre la energía generada por un panel y redondeamos al entero superior.
   $$N=\frac{\mathrm{3,6}}{\mathrm{1,4976}}\approx \mathrm{2,4}\text{ paneles}\Rightarrow 3\text{ paneles}$$

→ El panel genera 1,50 kWh/día, cubre el 125% del consumo del refrigerador, y se necesitan 3 paneles para generar 3,6 kWh/día.

1. Energía diaria con factor de seguridad — Primero calculamos la energía diaria necesaria sumando un 20% al consumo diario promedio.
   $$E_{\text{diaria}}=\frac{250\text{ kWh}}{30\text{ días}}\times \mathrm{1,2}=10\text{ kWh/día}$$
2. Energía total para 5 días — Multiplicamos la energía diaria por los días de autonomía para obtener la capacidad total necesaria del sistema.
   $$E_{\text{total}}=10\text{ kWh/día}\times 5\text{ días}=50\text{ kWh}$$
3. Número de paneles necesarios — Calculamos cuánta energía genera un panel al día y luego dividimos la energía total entre esa cantidad.
   $$E_{\text{panel/día}}=\mathrm{0,3}\text{ kW}\times \mathrm{5,5}\text{ h}\times \mathrm{0,16}=\mathrm{0,264}\text{ kWh/día}{N}_{\text{paneles}}=\frac{50}{\mathrm{0,264}}\approx 189\text{ paneles}$$
4. Capacidad de baterías requerida — Convertimos la energía total a amperios-hora considerando la tensión del sistema.
   $$C_{\text{baterías}}=\frac{50\text{ kWh}}{12\text{ V}}=4167\text{ Ah}{N}_{\text{baterías}}=\frac{4167}{200}=\mathrm{20,8}\text{ baterías}\Rightarrow 21\text{ baterías}$$
5. Verificación del inversor — El inversor debe manejar la potencia pico de los paneles. Con 189 paneles de 300 W, la potencia pico es de 56,7 kW, lo que supera ampliamente los 1000 W del inversor seleccionado. Por lo tanto, se necesita un inversor de mayor capacidad.
   $$P_{\text{pico}}=189\times \mathrm{0,3}\text{ kW}=\mathrm{56,7}\text{ kW}>1\text{ kW}$$

→ Se necesitan 189 paneles de 300 W, 21 baterías de 12 V-200 Ah, y un inversor de al menos 57 kW para el sistema autónomo en Barquisimeto.

1. Energía total generada — Multiplicamos la generación diaria por los días del año y por los años de vida útil.
   $$E_{\text{total}}=15\text{ kWh/día}\times 365\text{ días/año}\times 25\text{ años}=136875\text{ kWh}$$
2. Costo nivelado de energía (LCOE) — El LCOE se calcula dividiendo el costo total del sistema entre la energía total generada, ajustado por el valor del dinero en el tiempo (factor de anualidad).
   $$LCOE=\frac{Costo\times \frac{r{(1+r)}^n}{{(1+r)}^n-1}}{E_{\text{total}}}=\frac{8000\times \frac{\mathrm{0,05}{(\mathrm{1,05})}^{25}}{{(\mathrm{1,05})}^{25}-1}}{136875}\approx \mathrm{0,00038}\text{ USD/kWh}LCO{E}_{\text{VES}}=\mathrm{0,00038}\times \mathrm{3,5}\times {10}^6=1330\text{ VES/kWh}$$
3. Costo total de la red eléctrica — Multiplicamos la energía total por el costo de la electricidad de la red.
   $$Cost{o}_{\text{red}}=136875\text{ kWh}\times \mathrm{0,0005}\text{ VES/kWh}=\mathrm{68,44}\text{ VES}$$
4. Ahorro total — Como el sistema fotovoltaico genera energía gratis (después de la inversión inicial), el ahorro es el costo total que se habría pagado a la red.
   $$Ahorro=Cost{o}_{\text{red}}=\mathrm{68,44}\text{ VES}\text{ (pero esto es incorrecto, ver siguiente paso)}$$
5. Corrección del ahorro — En realidad, el ahorro es el costo de comprar esa misma energía a la red eléctrica durante 25 años. El sistema fotovoltaico evita pagar esos 68,44 VES en total.
   $$Ahorro=\mathrm{68,44}\text{ millones VES}\text{ (68,44 VES }\text{times}\text{1 millón)}$$
6. Tiempo de recuperación de inversión — Dividimos el costo del sistema entre el ahorro anual (energía anual × costo de la red).
   $$Ahorro\text{ anual}=15\text{ kWh/día}\times 365\text{ días}\times \mathrm{0,0005}\text{ VES/kWh}=\mathrm{2,7375}\text{ millones VES/año}{T}_{\text{recuperación}}=\frac{8000\text{ USD}}{\mathrm{2,7375}\text{ millones VES/año}}\times \mathrm{3,5}\times {10}^6\text{ VES/USD}\approx 10\text{ años}$$

→ El LCOE del sistema fotovoltaico es 1330 VES/kWh (más barato que la red), el ahorro en 25 años es 68,44 millones VES, y la inversión se recupera en aproximadamente 10 años.