Ingeniería y sus Alcances, Revista
de Investigación
enero-abril 2023 / Volumen 7 / No. 17
ISSN: 2664 – 8245
ISSN-L: 2664 - 8245
https://revistaingenieria.org
pp. 265 –
273
Dimensionamiento de generación eléctrica
fotovoltaica para abastecer un sistema
de iluminación
Dimensioning of photovoltaic power generation to supply a lighting
system
Dimensionamento da geração de energia fotovoltaica para alimentar um
sistema de iluminação
Ronny Joel Angulo Guerrero
ronny.angulo@utelvt.edu.ec
https://orcid.org/0000-0002-3070-1823
Washington Junior González Santana
washington.gonzalez.santana@utelvt.edu.ec
https://orcid.org/0000-0002-5552-9580
Centro de Innovación y Formación
Técnica Ronny Angulo SAS. Esmeraldas, Ecuador
Artículo
recibido 10 de octubre 2022 / Aceptado 7 de noviembre 2022 / Publicado 10 de
enero 2023
Escanea en tu dispositivo móvil o revisa este artículo en:
https://doi.org/10.33996/revistaingenieria.v7i17.105
RESUMEN
En este artículo se
presenta un estudio sobre el dimensionamiento de la generación eléctrica
fotovoltaica para abastecer un sistema de iluminación. Se analizan diferentes
aspectos, como la ubicación geográfica, la demanda energética, el diseño del
sistema fotovoltaico y los costos asociados. Se utiliza un enfoque metodológico
que combina el cálculo de la radiación solar incidente, el rendimiento de los
paneles solares, la eficiencia de los componentes y la estimación de la energía
requerida para la iluminación. Los resultados obtenidos demuestran la
viabilidad y eficiencia de la generación eléctrica fotovoltaica para abastecer
sistemas de iluminación, brindando una alternativa sostenible y económica.
Palabras clave: Generación eléctrica fotovoltaica; Sistema de iluminación; Dimensionamiento;
Radiación solar
ABSTRACT
This paper presents a
study on the sizing of photovoltaic power generation to supply a lighting
system. Different aspects are analyzed, such as geographical location, energy
demand, PV system design and associated costs. A
methodological approach is used that combines the calculation of the incident
solar radiation, the performance of the solar panels, the efficiency of the
components and the estimation of the energy required for lighting. The results
obtained demonstrate the feasibility and efficiency of photovoltaic power
generation to supply lighting systems, providing a sustainable and economical
alternative.
Key words: Photovoltaic power
generation; Lighting system; Dimensioning; Solar radiation
RESUMO
Este artigo apresenta
um estudo sobre o dimensionamento da geração de energia fotovoltaica para
abastecer um sistema de iluminação. São analisados diferentes aspectos, como
localização geográfica, demanda de energia, projeto do sistema fotovoltaico e
custos associados. É usada uma abordagem metodológica que combina o cálculo da
radiação solar incidente, o desempenho dos painéis solares, a eficiência dos
componentes e a estimativa da energia necessária para a iluminação. Os
resultados obtidos demonstram a viabilidade e a eficiência da geração de
energia fotovoltaica para abastecer sistemas de iluminação, oferecendo uma
alternativa sustentável e econômica.
Palavras-chave: Geração de energia fotovoltaica; Sistema de iluminação; Dimensionamento;
Radiação solar
INTRODUCCIÓN
En un contexto global marcado por
la creciente preocupación sobre el cambio climático y la necesidad imperante de
reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, la búsqueda de fuentes de
energía renovable se ha vuelto esencial. Entre estas, la generación eléctrica
fotovoltaica destaca como una opción atractiva, aprovechando la radiación solar
para convertirla en energía eléctrica. Este enfoque se revela como una solución
prometedora para satisfacer la demanda de energía en diversas aplicaciones,
especialmente en el ámbito de la iluminación (Angulo y Restrepo, 2022).
En este estudio, se dirigió la
atención hacia la determinación de la capacidad necesaria de generación
eléctrica fotovoltaica para abastecer un sistema de iluminación, considerando
variables fundamentales como la ubicación geográfica y la demanda energética.
El dimensionamiento adecuado de este tipo de sistemas se erige como un proceso
crucial para asegurar un suministro de energía sostenible y eficiente.
La energía fotovoltaica, al
utilizar la radiación solar para generar electricidad, se presenta como una
fuente limpia y renovable con creciente aplicación en sistemas de iluminación.
Resolver la problemática planteada no solo implica alinearse con las tendencias
globales hacia la adopción de energías limpias, sino que también contribuye
directamente al mejoramiento de los niveles de desarrollo económico y social
del país (Angulo et al., 2022).
Figura 1. La producción mundial de energía fotovotaica. (Fuente: https://www.minem.gob.pe).
Este proyecto se justifica
plenamente, ya que el dimensionamiento adecuado engloba la determinación
precisa de la cantidad de paneles solares fotovoltaicos necesarios, junto con
otros componentes del sistema, para satisfacer la demanda energética del
sistema de iluminación. Factores cruciales durante este proceso incluyen el
consumo energético, la radiación solar disponible en la ubicación de
instalación, la eficiencia del sistema y la necesidad de almacenamiento de
energía (Barrera, 2021).
En este contexto, es imperativo
considerar las políticas y regulaciones nacionales que fomentan el uso de
energías limpias. Ecuador, por ejemplo, ha implementado la regulación ARCERNNR
001/2021, orientada a regular el autoabastecimiento a partir de fuentes
renovables de energía (RESOLUCIÓN Nro. ARCERNNR, 2021). Estas iniciativas se
alinean con estrategias que buscan promover el bienestar social y contribuir
activamente a la preservación del medio ambiente. El presente trabajo aborda,
por lo tanto, una temática de relevancia no solo técnica, sino también
socioeconómica y ambiental.
MATERIALES
Y METODOS
El presente estudio adoptó un enfoque deductivo de tipo
aplicada con una orientación cuantitativa para abordar el dimensionamiento de
un sistema fotovoltaico destinado a la iluminación, considerando las
condiciones climáticas, la demanda eléctrica y otros factores determinantes. A
continuación, se detallan los pasos metodológicos seguidos:
Se llevó a cabo una revisión exhaustiva de la literatura
existente relacionada con el dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos,
centrándose en estudios previos y metodologías aplicadas por Angulo y Restrepo
(2022) y Acosta (2020). Esta revisión permitió establecer las bases teóricas
necesarias para el desarrollo del estudio.
Se recopilaron datos climáticos sobre la radiación solar
incidente en la ubicación geográfica seleccionada. Estos datos se obtuvieron de
fuentes confiables y registros históricos para asegurar la precisión y
representatividad del recurso solar disponible. Se realizó un análisis de carga
para determinar la demanda eléctrica esperada del sistema de iluminación. Este
análisis consideró los requisitos específicos de iluminación, así como la
duración de funcionamiento del sistema, utilizando la metodología propuesta por
Angulo y Restrepo (2022).
Con base en los datos recopilados y el análisis de carga, se
procedió al diseño del sistema fotovoltaico. Se seleccionaron los paneles
solares adecuados y se consideraron factores como la eficiencia de los paneles
solares, las pérdidas por sombreado y las características del inversor, en
línea con la metodología propuesta por Cornejo, y de Vera Quintero, (2022). Se
estimó la energía requerida para la iluminación, considerando la eficiencia de
las luminarias y las pérdidas del sistema, según la metodología propuesta por
Acosta (2020). Se procedió al dimensionamiento del sistema fotovoltaico,
determinando la capacidad de generación necesaria y el número de paneles
solares requeridos. Este paso se basó en el análisis de carga y en los datos
climáticos recopilados. Se llevó a cabo un análisis económico completo,
evaluando los costos de instalación, mantenimiento y vida útil del sistema
fotovoltaico. Este análisis se basó en los costos unitarios asociados a los
componentes del sistema y consideró las proyecciones a largo plazo.
En cada etapa del proceso, se buscó integrar las mejores
prácticas y lecciones aprendidas de estudios previos para garantizar la
robustez y la aplicabilidad de los resultados obtenidos.
RESULTADOS
Y DISCUSIÓN
Los resultados obtenidos muestran que el dimensionamiento
adecuado de la generación eléctrica fotovoltaica permite abastecer de manera
eficiente un sistema de iluminación. La capacidad necesaria de generación
eléctrica varía en función de la ubicación geográfica, la demanda energética y
la eficiencia del sistema (Cáceres 2019). Los paneles solares pueden ser
instalados en techos, estructuras de soporte o terrenos cercanos, maximizando
la captación de radiación solar (Figura 2).
Figura 2. Micro Red Fotovoltaica Aplicada al Consumo
Eléctrico.
Las micro
redes han ganado importancia en esta última década, el sistema eléctrico se
compone por diferentes fuentes de generación de energía, operando de manera
distribuida, además que este tipo de generación se adapta la posibilidad de
almacenar energía eléctrica (Domínguez y Salvatierra, 2016).
Recientes
investigaciones manifiestan que; las micro redes han recibido una gran atención
en todo el mundo debido al advenimiento de las energías renovables no
convencionales, los avances en la gestión de la energía, la calidad de la
energía y los sistemas energéticos (Navarro, 2020). Además, generalmente las
fuentes de energía renovables se caracterizan por tener un mayor modularidad,
portabilidad y un menor impacto ambiental respecto a las fuentes de energía
convencionales.
En la Figura 3 se observa que los sistemas fotovoltaicos
diseñados correctamente pueden cubrir la demanda energética del sistema de
iluminación, proporcionando una fuente de energía limpia y renovable.
Figura 3. Diagrama del sistema.
Discusión
La generación eléctrica fotovoltaica aplicada a sistemas de
iluminación presenta una serie de beneficios destacados que contribuyen
significativamente a la sostenibilidad ambiental y la autonomía energética. La
Figura 4 ilustra claramente cómo esta tecnología puede desempeñar un papel
crucial en la reducción de emisiones de carbono, lo que respalda la lucha
contra el cambio climático y promueve un entorno más limpio y saludable.
Además, la independencia energética se perfila como un resultado clave,
disminuyendo la dependencia de fuentes convencionales y fomentando una
transición hacia un suministro más sostenible.
No obstante, para aprovechar al máximo los beneficios de la
generación eléctrica fotovoltaica, es imperativo abordar y entender ciertos
desafíos inherentes a esta tecnología. La variabilidad de la radiación solar es
uno de los aspectos críticos que afecta directamente a la eficiencia del
sistema. La elección cuidadosa de la ubicación geográfica emerge como una consideración
esencial para mitigar esta variabilidad, maximizando así la captación de
energía solar. La disponibilidad histórica de datos de radiación solar en la
ubicación seleccionada desempeña un papel fundamental en la evaluación de la
viabilidad del sistema.
El rendimiento de los paneles solares también influye en la
eficiencia general del sistema. La continua innovación en tecnologías
fotovoltaicas y la mejora de la eficiencia de los paneles son aspectos que
deben seguirse de cerca para garantizar un rendimiento óptimo a lo largo del
tiempo. Además, el diseño adecuado del sistema, considerando aspectos como la
disposición de los paneles solares, la orientación y la inclinación óptima, se
revela como una estrategia clave para maximizar la eficiencia del sistema.
La consideración de costos es otro aspecto esencial en la
implementación de sistemas fotovoltaicos para iluminación. Aunque los costos de
los paneles solares han disminuido en los últimos años, los aspectos asociados
con la instalación, el mantenimiento y el almacenamiento de energía deben
manejarse de manera efectiva. El análisis económico integral, como el llevado a
cabo en este estudio, resulta fundamental para comprender la viabilidad
financiera y garantizar la sostenibilidad a largo plazo.
La elección de la ubicación geográfica y el diseño óptimo del
sistema no solo se vinculan con la eficiencia, sino también con la capacidad de
expansión futura. La flexibilidad y escalabilidad del sistema son aspectos
críticos, permitiendo adaptarse a las cambiantes necesidades de iluminación y a
posibles incrementos en la demanda de energía.
Por lo tanto, la generación eléctrica fotovoltaica para
sistemas de iluminación ofrece un potencial significativo para abordar desafíos
ambientales y energéticos. Sin embargo, su implementación exitosa requiere una
cuidadosa consideración de la ubicación geográfica, el diseño del sistema, el
rendimiento de los paneles solares y los costos asociados, así como una
planificación para futuras expansiones. En este sentido, el enfoque holístico
adoptado en este estudio proporciona una base sólida para la toma de decisiones
informadas en la implementación de sistemas fotovoltaicos para iluminación.
Figura 4. Generación
eléctrica fotovoltaica. (Fuente: Jesnsys Energy Saving).
Funcionamiento de un Sistema Fotovoltaico
El análisis
propuesto por Marrero Valdivia (2017) destaca la esencia del funcionamiento de
un sistema fotovoltaico, poniendo de manifiesto la importancia de comprender la
secuencia de transformaciones que convierten la radiación solar en energía
eléctrica utilizable. Este proceso, fundamental para la generación de
electricidad a partir de fuentes renovables, involucra varias etapas clave.
El
principio del efecto fotoeléctrico, como señalado por Asmel
(2013) es la piedra angular de la operación de los paneles solares. La
radiación solar incide sobre las células fotovoltaicas, generando electrones y
produciendo una corriente continua (CC) que es una forma de energía eléctrica.
Esta etapa inicial demuestra la capacidad inherente de los paneles solares para
convertir la energía solar en electricidad de manera directa y sostenible.
Sin
embargo, la corriente continua generada por los paneles solares no es
directamente utilizable para la mayoría de las aplicaciones domésticas,
comerciales o industriales, que requieren corriente alterna (CA). Aquí es donde
entra en juego el inversor, desempeñando un papel crucial en la funcionalidad
del sistema fotovoltaico. Este dispositivo realiza la conversión de la
corriente continua a alterna, haciéndola compatible con la infraestructura
eléctrica convencional y permitiendo su integración eficiente en diferentes
tipos de instalaciones.
La
discusión resalta que, gracias al inversor, la electricidad generada por el
sistema fotovoltaico puede ser utilizada en instalaciones de diversos ámbitos,
como entornos domésticos, comerciales o industriales. Esto subraya la
versatilidad de los sistemas fotovoltaicos y su capacidad para adaptarse a
diferentes demandas energéticas.
La
comprensión de este proceso no solo es técnica, sino que también tiene
implicaciones significativas en términos de sostenibilidad y autonomía
energética. La capacidad de convertir la radiación solar directamente en
electricidad utilizable, seguida por la adaptabilidad del inversor, contribuye
a la reducción de la dependencia de fuentes de energía convencionales,
promoviendo así la independencia energética y mitigando el impacto ambiental.
A medida
que se avanza hacia un futuro más sostenible, es vital seguir explorando
mejoras en la eficiencia de los paneles solares y en la tecnología de
inversores. Avances en estos campos pueden aumentar la eficiencia global de los
sistemas fotovoltaicos, haciéndolos aún más atractivos y accesibles para una variedad
de aplicaciones.
Para
finalizar, el funcionamiento de un sistema fotovoltaico, como Marrero Valdivia (2017)
destaca la sinergia entre los paneles solares y los inversores, resaltando su
papel crucial en la generación y utilización efectiva de la energía solar. Esta
comprensión es esencial para aprovechar plenamente el potencial de la energía
solar y avanzar hacia un paradigma energético más sostenible.
CONCLUSIONES
En el marco de este estudio, la
exploración de diversos aspectos relacionados con la generación eléctrica
fotovoltaica para abastecer sistemas de iluminación ha revelado conclusiones
sustanciales.
En cuanto al análisis de variables
clave, como la radiación solar, la demanda energética y la eficiencia del
sistema, demuestra de manera concluyente que el dimensionamiento adecuado de la
generación eléctrica fotovoltaica es una solución viable y eficiente para
sistemas de iluminación. Este enfoque permite determinar la capacidad necesaria
de generación, garantizando así un suministro adecuado de energía. También se destaca
la importancia de integrar tanto factores económicos como técnicos en el
proceso de dimensionamiento. La evaluación equilibrada de estos aspectos es
esencial para garantizar la sostenibilidad financiera y operativa del sistema
fotovoltaico a lo largo del tiempo.
En necesario realizar un análisis
detallado de los costos y beneficios se evidencia como un componente crítico en
la toma de decisiones informadas. Esto implica evaluar no solo los costos
iniciales de instalación sino también los costos asociados al mantenimiento y
vida útil del sistema, permitiendo una evaluación completa de su rentabilidad a
largo plazo. En términos generales, la generación eléctrica fotovoltaica emerge
como una alternativa sostenible y económica para el abastecimiento de sistemas
de iluminación. Su capacidad para reducir las emisiones de gases de efecto
invernadero y aprovechar fuentes renovables resalta su contribución positiva al
medio ambiente y su alineación con los objetivos de desarrollo sostenible.
A través de estudio se confirma que
la implementación de sistemas fotovoltaicos para iluminación no solo es técnica
y ambientalmente viable, sino también económicamente beneficioso. La
integración de factores geográficos, de demanda, diseño y costos en el proceso
de dimensionamiento garantiza la efectividad y sostenibilidad a largo plazo de
estas soluciones, consolidando así su posición como una opción destacada en la
búsqueda de soluciones energéticas eficientes y respetuosas con el medioambiente.
CONFLICTO DE
INTERESES. Los autores declaran que no existe conflicto de intereses
para la publicación del presente artículo científico.
REFERENCIAS
Acosta,
J. C. (2020). Los Paneles Fotovoltaicos Como Alternativa De Generación De
Electricidad En Una Zona Residencial De Cartagena - Colombia. [Maestría en Ciencias Naturales y Matemática].
file:///D:/DESCARGAS/Los%20paneles%20fotovoltaicos%20de%20generaci%C3%B3n%20de%20electricidad%20en%20una%20zona%20residencial%20de%20Cartagena%20-%20Colombia.pdf
Angulo Guerrero, R. J., Verá
Lozano, C. J., Farfán Bone, J. M. ., Caicedo González, K. K., y Copete Torres ,
F. A. (2022). Diseño del sistema de generación eléctrica mediante
paneles fotovoltaicos para potenciar el funcionamiento de una bomba de succión
de agua. Revista Social Fronteriza, 2(6), 30–49. https://doi.org/10.5281/zenodo.7259680
Angulo, R.y
Restrepo, A. (2022). Control de factor de potencia en
una red fotovoltaica en la Parroquia Vuelta Larga, Esmeraldas –Ecuador: Revista
Social Fronteriza,2(2) 22-35
Barrera, J. J. (2021). Propuesta de un
plan de eficiencia energética en el hotel Chrisban Hotel Boutique.
http://repositorio.uan.edu.co/handle/123456789/4612
Cáceres Chura, E. (2019). Estudio y Análisis de Armónicos
en Rectificadores Estáticos de Potencia Eléctrica utilizando Series de Fourier,
para la región de Puno. [Tesis]194. https://tesis.unap.edu.pe/bitstream/handle/20.500.14082/11502/Caceres_Chura_Eddy_Oliver.pdf?sequence=1&isAllowed=y
Calvache Bonifaz, E. A. (2019). Diseño y simulación del
sistema de control para la operación de tres plantas de generación:
hidroeléctrica, eólica y fotovoltaica. 158 hojas. Quito : EPN. https://bibdigital.epn.edu.ec/handle/15000/20246
Cordero Paredes, V. (2014). Simulación mediante Psim de
algoritmos de seguimiento del punto de máxima potencia en sistemas
fotovoltaicos. Grado En Ingeniería
Cornejo,
N. A., Rabadán, A. D., & de Vera Quintero, Á. S. (2022). La
Administración General del Estado, ejemplo de eficiencia energética. Ambienta:
La revista del Ministerio de Medio Ambiente, (134), 14-21.
Domínguez Guamán, D. H., y Salvatierra Cáneppa, B. G. (2016).
Análisis de calidad de energía eléctrica en sistemas fotovoltaicos conectados a
la red (Bachelor's thesis). https://dspace.ups.edu.ec/handle/123456789/12710
Marrero Valdivia, A. (2017). Control de paneles solares
fotovoltaicos. [Trabajo de grado]. Universidad Central "Marta
Abreu" de Las Villas. Facultad de Ingeniería Eléctrica. Departamento de
Automática y Sistemas Computacionales.
https://dspace.uclv.edu.cu/items/c8c90391-ca72-4e7c-bcbe-eb9579c4a663
Navarro Chamorro, D. (2020). Gestión de energía para la
microrred en Cuenca (Ecuador) usando control predictivo. (Trabajo Fin de Grado
Inédito). Universidad de Sevilla, Sevilla. https://idus.us.es/handle/11441/106370
RESOLUCIÓN Nro. ARCERNNR
-001/2021. EL DIRECTORIO DE LA AGENCIA DE REGULACIÓN Y CONTROL DE ENERGÍA Y
RECURSOS NATURALES NO RENOVABLES – ARCERNNR. https://www.controlrecursosyenergia.gob.ec/wp-content/uploads/downloads/2021/03/Resolucion-ARCERNNR-001-2021.pdf