Sabes cómo el Sol puede encender tu casa con física fotovoltaica: | ORBITECH

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¿Sabías que en Los Roques el sol brilla con una intensidad de $5.8 {kWh/m}^{2}$ al día, suficiente para generar electricidad limpia durante 12 horas? Mientras en Caracas los apagones son noticia diaria, en Mérida ya funcionan escuelas con paneles solares que alimentan sus neveras y computadoras. Este examen simulado te prepara para entender cómo la física fotovoltaica puede iluminar no solo tu casa, sino también tu futuro académico en el Bachillerato y la OPSU. ¿Listo para calcular cuántos paneles necesitas para que tu nevera en Valencia no se apague durante el próximo racionamiento?

Ejercicio 1: Energía solar en Santa Cruz del Zulia (5 puntos)

18 minEfecto fotovoltaicoPotencia eléctricaRadiación solar

En la planta solar piloto de Santa Cruz del Zulia (a $70 km$ de Maracaibo), se instalan paneles solares de $300 W$ con una eficiencia del $18 %$ . Calcula la energía diaria generada por un panel en un día típico de radiación solar.

Radiación solar incidente: $5.8 {kWh/m}^{2}$ al día
Área del panel: $1.6 m^{2}$
Eficiencia del panel: $18 %$
Constante solar en la zona: $1000 {W/m}^{2}$

Calcula la potencia incidente sobre el panel en vatios
Determina la potencia eléctrica generada por el panel
Calcula la energía diaria generada en $kWh$

Solución completa

Pregunta 1 (1 pts) — Calcula la potencia incidente sobre el panel en vatios

Cálculo directo — La potencia incidente es la energía por unidad de tiempo por unidad de área multiplicada por el área del panel.
$P_{incidente} = 1000 {W/m}^{2} \times 1.6 m^{2} = 1600 W$

$1600 W$

→ 1600 W

Pregunta 2 (2 pts) — Determina la potencia eléctrica generada por el panel

Aplicación de eficiencia — La potencia eléctrica es la potencia incidente multiplicada por la eficiencia del panel.
$P_{eléctrica} = 1600 W \times 0.18 = 288 W$

$288 W$

→ 288 W

Pregunta 3 (2 pts) — Calcula la energía diaria generada en $kWh$

Conversión a energía diaria — La energía diaria se obtiene multiplicando la potencia eléctrica por las horas equivalentes de sol (5.8 horas).
$E_{diaria} = 288 W \times 5.8 h = 1670.4 Wh = 1.6704 kWh$

$1.67 kWh$

→ 1.67 kWh

Rúbrica de evaluación

Cálculo correcto de la potencia incidente	1 pts
Aplicación correcta de la eficiencia para obtener potencia eléctrica	2 pts
Cálculo correcto de la energía diaria en kWh	2 pts

Ejercicio 2: ¿Conviene la energía solar en El Hatillo? (6 puntos)

22 minCosto-beneficioConsumo eléctricoAhorro energético

Una familia en El Hatillo consume $300 kWh$ al mes. El costo de la electricidad en Venezuela es aproximadamente $0.00001 VES/kWh$ debido a subsidios. Un sistema solar de $3 kW$ cuesta $12 000 000 VES$ y tiene una vida útil de $25 años$ . Calcula el ahorro anual al instalar este sistema.

Consumo mensual de la familia: $300 kWh$
Costo de electricidad convencional: $0.00001 VES/kWh$
Potencia del sistema solar: $3 kW$
Costo del sistema: $12 000 000 VES$
Vida útil del sistema: $25 años$
Radiación solar en Caracas: $5.5 {kWh/m}^{2}$ al día
Eficiencia del sistema: $16 %$

Calcula el costo anual de la electricidad convencional
Determina la producción anual del sistema solar
Calcula el ahorro anual en bolívares
Expresa el ahorro como porcentaje del costo del sistema

Solución completa

Pregunta 1 (2 pts) — Calcula el costo anual de la electricidad convencional

Cálculo del costo anual — Multiplica el consumo mensual por 12 y por el precio por kWh.
$C_{anual} = 300 \times 12 \times 0.00001 = 0.036 VES$

$0.036 VES$

→ 0.036 VES

Pregunta 2 (2 pts) — Determina la producción anual del sistema solar

Energía diaria generada — Usa la fórmula: potencia × eficiencia × horas equivalentes de sol.
$E_{diaria} = 3000 \times 0.16 \times 5.5 = 2640 Wh = 2.64 kWh$
Energía anual — Multiplica la energía diaria por 365 días.
$E_{anual} = 2.64 \times 365 = 963.6 kWh$

$963.6 kWh/año$

→ 963.6 kWh/año

Pregunta 3 (1 pts) — Calcula el ahorro anual en bolívares

Ahorro anual — Multiplica la energía ahorrada por el costo del kWh convencional.
$A_{anual} = 963.6 \times 0.00001 = 0.009636 VES$

$0.0096 VES$

→ 0.0096 VES

Pregunta 4 (1 pts) — Expresa el ahorro como porcentaje del costo del sistema

Porcentaje del costo del sistema — Divide el ahorro anual entre el costo del sistema y multiplica por 100.
$Porcentaje = \frac{0.009636}{12 000 000} \times 100 \approx 8.03 \times 10^{- 7} %$

$8.03 \times 10^{- 7} %$

→ 0.000000803%

Rúbrica de evaluación

Cálculo correcto del costo anual de electricidad convencional	2 pts
Cálculo correcto de la producción anual del sistema solar	2 pts
Cálculo correcto del ahorro anual en bolívares	1 pts
Cálculo correcto del porcentaje del costo del sistema	1 pts

Ejercicio 3: Sistema fotovoltaico para escuela en Barquisimeto (5 puntos)

20 minDiseño de sistemas fotovoltaicosBateríasAutonomía energética

Una escuela rural en Barquisimeto necesita $2400 kWh$ de energía al mes. Cada panel solar genera $1.5 kWh$ al día y las baterías disponibles son de $24 V$ con capacidad de $200 Ah$ . La escuela requiere $5 días$ de autonomía sin sol. Calcula: a) el número de paneles necesarios, b) la capacidad total de baterías requerida en $kWh$ , y c) el número de baterías necesarias.

Consumo mensual de la escuela: $2400 kWh$
Generación diaria por panel: $1.5 kWh$
Tensión de las baterías: $24 V$
Capacidad de cada batería: $200 Ah$
Días de autonomía: $5 días$
Profundidad de descarga recomendada: $50 %$

Calcula el número mínimo de paneles necesarios para cubrir el consumo mensual
Determina la capacidad total de baterías requerida en $kWh$
Calcula el número de baterías necesarias considerando la profundidad de descarga

Solución completa

Pregunta 1 (2 pts) — Calcula el número mínimo de paneles necesarios para cubrir el consumo mensual

Consumo diario — El consumo diario es el consumo mensual dividido entre 30 días.
$C_{diario} = \frac{2400}{30} = 80 kWh$
Número de paneles — Divide el consumo diario entre la generación de un panel.
$N_{paneles} = \frac{80}{1.5} = 53.33 \to 54 paneles$

$54 paneles$

→ 54 paneles

Pregunta 2 (2 pts) — Determina la capacidad total de baterías requerida en $kWh$

Energía para autonomía — Multiplica el consumo diario por los días de autonomía y por 2 (para compensar la profundidad de descarga del 50%).
$E_{baterías} = 80 \times 5 \times 2 = 800 kWh$

$800 kWh$

→ 800 kWh

Pregunta 3 (1 pts) — Calcula el número de baterías necesarias considerando la profundidad de descarga

Capacidad por batería — Calcula la energía almacenada por una batería: tensión × capacidad × factor de conversión.
$E_{batería} = 24 V \times 200 Ah \times 0.001 = 4.8 kWh$
Número de baterías — Divide la capacidad total entre la capacidad de una batería.
$N_{baterías} = \frac{800}{4.8} = 166.67 \to 167 baterías$

$167 baterías$

→ 167 baterías

Rúbrica de evaluación

Cálculo correcto del consumo diario y número de paneles	2 pts
Cálculo correcto de la capacidad total de baterías	2 pts
Cálculo correcto del número de baterías considerando profundidad de descarga	1 pts

Ejercicio 4: Pérdidas por sombras en un techo de Valencia (4 puntos)

15 minEficiencia fotovoltaicaPérdidas por sombrasFactor de forma

En un techo de Valencia, un panel solar de $250 W$ pierde el $20 %$ de su eficiencia debido a sombras de un árbol cercano. Si originalmente genera $250 W$ bajo condiciones estándar, calcula: a) la nueva potencia generada, y b) la energía perdida en $8 horas$ de sol.

Potencia original del panel: $250 W$
Pérdida por sombras: $20 %$
Horas de sol efectivas: $8 h$

Calcula la potencia reducida del panel
Calcula la energía perdida en 8 horas

Solución completa

Pregunta 1 (2 pts) — Calcula la potencia reducida del panel

Cálculo de la potencia reducida — Aplica el 20% de pérdida a la potencia original.
$P_{reducida} = 250 \times (1 - 0.20) = 200 W$

$200 W$

→ 200 W

Pregunta 2 (2 pts) — Calcula la energía perdida en 8 horas

Energía perdida — Multiplica la potencia perdida (50 W) por las horas de sol.
$E_{pérdida} = 50 \times 8 = 400 Wh = 0.4 kWh$

$0.4 kWh$

→ 0.4 kWh

Rúbrica de evaluación

Cálculo correcto de la potencia reducida aplicando la pérdida por sombras	2 pts
Cálculo correcto de la energía perdida en 8 horas	2 pts

Ejercicio 5: Impacto ambiental de los paneles solares (5 puntos)

15 minSostenibilidadEmisiones de CO₂Energía limpia

Cada $kWh$ de energía solar evita la emisión de $0.5 kg$ de ${CO}_{2}$ a la atmósfera. Calcula cuánto ${CO}_{2}$ se evita al instalar un sistema fotovoltaico de $5 kW$ que funciona $6 horas$ al día durante $1 año$ en Mérida.

Potencia del sistema: $5 kW$
Horas de funcionamiento diario: $6 h$
Factor de emisión evitada: $0.5 {kg CO}_{2} / kWh$
Días en un año: $365 días$

Calcula la energía diaria generada por el sistema
Calcula la energía anual generada
Calcula la cantidad de ${CO}_{2}$ evitada en $kg$

Solución completa

Pregunta 1 (1 pts) — Calcula la energía diaria generada por el sistema

Cálculo de energía diaria — Multiplica la potencia en kW por las horas de sol.
$E_{diaria} = 5 \times 6 = 30 kWh$

$30 kWh$

→ 30 kWh

Pregunta 2 (2 pts) — Calcula la energía anual generada

Energía anual — Multiplica la energía diaria por 365 días.
$E_{anual} = 30 \times 365 = 10 950 kWh$

$10 950 kWh$

→ 10 950 kWh

Pregunta 3 (2 pts) — Calcula la cantidad de ${CO}_{2}$ evitada en $kg$

Cálculo de CO₂ evitado — Multiplica la energía anual por el factor de emisión.
$m_{{CO}_{2}} = 10 950 \times 0.5 = 5 475 kg$

$5 475 {kg de CO}_{2}$

→ 5 475 kg de CO₂

Rúbrica de evaluación

Cálculo correcto de la energía diaria generada	1 pts
Cálculo correcto de la energía anual generada	2 pts
Cálculo correcto de la masa de CO₂ evitada	2 pts

Fuentes

en.wikipedia.org

Ejercicio 1: Energía solar en Santa Cruz del Zulia (5 puntos)

Pregunta 1 (1 pts) — Calcula la potencia incidente sobre el panel en vatios

Pregunta 2 (2 pts) — Determina la potencia eléctrica generada por el panel

Pregunta 3 (2 pts) — Calcula la energía diaria generada en kWh

Rúbrica de evaluación

Ejercicio 2: ¿Conviene la energía solar en El Hatillo? (6 puntos)

Pregunta 1 (2 pts) — Calcula el costo anual de la electricidad convencional

Pregunta 2 (2 pts) — Determina la producción anual del sistema solar

Pregunta 3 (1 pts) — Calcula el ahorro anual en bolívares

Pregunta 4 (1 pts) — Expresa el ahorro como porcentaje del costo del sistema

Rúbrica de evaluación

Ejercicio 3: Sistema fotovoltaico para escuela en Barquisimeto (5 puntos)

Pregunta 1 (2 pts) — Calcula el número mínimo de paneles necesarios para cubrir el consumo mensual

Pregunta 2 (2 pts) — Determina la capacidad total de baterías requerida en kWh

Pregunta 3 (1 pts) — Calcula el número de baterías necesarias considerando la profundidad de descarga

Rúbrica de evaluación

Ejercicio 4: Pérdidas por sombras en un techo de Valencia (4 puntos)

Pregunta 1 (2 pts) — Calcula la potencia reducida del panel

Pregunta 2 (2 pts) — Calcula la energía perdida en 8 horas

Rúbrica de evaluación

Ejercicio 5: Impacto ambiental de los paneles solares (5 puntos)

Pregunta 1 (1 pts) — Calcula la energía diaria generada por el sistema

Pregunta 2 (2 pts) — Calcula la energía anual generada

Pregunta 3 (2 pts) — Calcula la cantidad de CO2 evitada en kg

Rúbrica de evaluación

Fuentes

Pregunta 3 (2 pts) — Calcula la energía diaria generada en $kWh$

Pregunta 2 (2 pts) — Determina la capacidad total de baterías requerida en $kWh$

Pregunta 3 (2 pts) — Calcula la cantidad de ${CO}_{2}$ evitada en $kg$