Fundamentos de Eficiencia Energética y Tecnología Fotovoltaica: Cálculo, Aislamiento y Gestión

Cálculos Fundamentales de Eficiencia Energética y Retorno de Inversión

A continuación, se presentan las fórmulas clave utilizadas para la evaluación económica y energética de proyectos:

1. Cálculo de Consumos (qCons) y Energía de Gases (Egas):

   • Qutil = E(3303300) · $\eta$(0.95)
   • Egas = Qut / $\eta$(0.85) · PCI (Poder Calorífico Inferior)

2. Cálculo de Costes y Ahorro Energético Anual (AEA):

   • Coste Actual (ca) = E · $ + ACMO (Ahorro por Consumo y Mantenimiento Operacional)
   • Coste Nuevo (cn) = Egas · $ + ACMO
   • AEA = ca - cn

3. Indicadores Económicos de Inversión:

   • Periodo de Retorno (PB): PB = I / AEA (Donde I es la Inversión)
   • Retorno Bruto de la Inversión (RBI): RBI = (AEAn - I) / I · 100
   • AEAn = AEA · Vu (Vida Útil)
   • RBA = RBI / Vu
   • Tasa de Retorno de la Inversión (TRI): TRI = (AEA - (I / Vu) / I) · 100

Estrategias de Ahorro y Aislamiento Térmico

Estrategias de Ahorro en Secaderos Industriales

Las principales estrategias para optimizar el rendimiento de un secadero incluyen:

• Recirculación de gases y aprovechamiento de gases de combustión.
• Aprovechamiento de calor residual de gases.
• Mejora en la combustión (uso de mejores quemadores y reducción del exceso de aire).
• Instalación y mantenimiento de trompos de vapor (separan el condensado del vapor).

Clasificación de Materiales Aislantes

Aislantes por Rango de Temperatura (T)

• Baja Temperatura (-40 °C a 15 °C): Polietileno, Poliuretano, Fibra mineral.
• Media Temperatura (15 °C a 300 °C): Silicato de Calcio, Espuma plástica.
• Alta Temperatura (300 °C a 800 °C): Cemento, Fibra cerámica.

Aislantes por Estructura (Est)

• Fibroso: Fibras de pequeños diámetros (D) divididos.
• Celular: Celdas individuales pequeñas separadas entre ellas.
• Granular: Pequeños nódulos que contienen espacios huecos.

Fundamentos de la Tecnología Fotovoltaica

Componentes de la Radiación Solar

La radiación solar que incide sobre un panel se compone de tres elementos:

• Directa (DNI): Llega directamente e incide perpendicularmente a la superficie del panel, sin desviarse.
• Difusa (DHI): Llega al panel después de varias dispersiones. Incluye la refracción por partículas, nubes, así como la radiación que se refleja en el suelo con un ángulo que permite que llegue al panel. Es la que llega sobre un plano horizontal.
• Global (GHI): Es la suma de la radiación Directa y la Difusa (GHI = DNI + DHI).

Materiales Fotovoltaicos según su Conductividad

• Aislante: Materiales cuya capa de valencia se encuentra completa. Pasar de la banda de valencia a la banda de conducción requiere mucha energía (E), lo que prácticamente nunca ocurre.
• Conductor: Materiales cuyas bandas de valencia y bandas de conducción se encuentran unidas, lo que permite a los electrones fluir libremente.
• Semiconductor: Materiales cuya capa de valencia y de conducción están separadas por un salto energético más pequeño que en los aislantes, permitiendo que los electrones salten de una capa a otra bajo ciertas condiciones.

Conversiones de Unidades y Fórmulas Eléctricas

Conversiones de Energía Comunes:

1 kWh = 3.6 MJ | 1 kWh = 3.6 · 10⁶ J | 1 W = J/s | 1 MWh = 3.6 · 10⁵ kcal | 1 kWh = 1 Nm³

Fórmulas de Rendimiento y Energía:

• Rendimiento (R) = (Ipm · Vpm) / (A · I)
• Factor de Llenado (FF) = (Ipm · Vpm) / (Isc · Voc)
• Energía Demandada (Ed) = Pcons · tuso
• Energía Suministrada (Es) = Psolar · tsol
• Potencia Solar (Psolar) = A · I
• Ed = $\eta$ · Es
• Horas Equivalentes (HE) = Ed / Pn = (vi · t) / ($\eta$ · I · A)

Estructura y Tipos de Células Solares

Tipos de Células Solares de Silicio (Si)

La célula solar de Silicio es la más utilizada, con una eficiencia ($\eta$) típica del 20-25%.

• Monocristalina: Estructura de red cristalina sin impurezas, salvo por el dopaje con otros elementos. Es muy eficiente y homogénea.
• Policristalina: Estructura no tan definida y composición menos pura.
• Amorfa: Aún menos pura y con estructura desordenada.

Estructura Interna de la Célula Fotovoltaica

La célula se compone de varias capas esenciales:

1. Grilla (parrilla) metálica superior: Sirve para evacuar los electrones y está unida al contacto negativo (-).
2. Capa del semiconductor de tipo N: Diseñada para captar los electrones.
3. Zona de carga espacial: Se encuentra debajo de la capa N. Aquí se forma el campo eléctrico que dirige los electrones a la parte superior y los huecos a la parte inferior.
4. Semiconductor de tipo P: Se encuentra en la parte inferior.
5. Contacto positivo (+): Unido a una grilla metálica inferior que sirve para cerrar el circuito y permitir la carga.

Componentes del Módulo Fotovoltaico

Un módulo fotovoltaico (panel) está compuesto por:

• Marco (Aluminio): Permite compactar la estructura del panel.
• Cubierta frontal (Vidrio templado): Evita las reflexiones de radiación solar en la superficie del panel.
• Encapsulante (Etil-Vinil-Acetato, EVA): Protege la célula de la radiación UV.
• Célula fotovoltaica: Con las conexiones en serie o en paralelo.
• Encapsulante (segunda capa).
• Cubierta posterior: Protege el panel de factores externos.
• Caja de conexiones: Contiene diodos de protección, de donde salen dos bornes (positivo y negativo) con los que se conecta la placa a la red u otras placas.

Gestión y Fuentes de Energía

Conceptos de Gestión Energética

• Gestión Energética (Gest E): Conjunto de elementos para conseguir el mejor uso posible de la energía (E) en una organización.
• Auditoría Energética (Audit) (Diagnóstico puntual): Herramienta de gestión que permite determinar el consumo energético, los factores que afectan a este y las oportunidades de ahorro de energía en una organización.
• Sistema de Gestión Energética (SGE) (Proceso): Conjunto de elementos interrelacionados que interactúan para establecer una política y objetivos energéticos, y los procesos para alcanzarlos.

Finalidad del SGE e ISO 50001

La finalidad del SGE es permitir que una organización siga un enfoque sistemático para lograr una mejora continua del desempeño energético, incluyendo la eficiencia, el uso y el consumo de energía.

La ISO 50001 es la norma internacional de referencia y la más extendida para implantar un SGE en cualquier tipo de organización.

Fuentes de Energía

Fuentes de Energía No Renovables

Las principales fuentes no renovables incluyen:

• Petróleo (40% del consumo global): Combustible fósil que se extrae de rocas sedimentadas en las que se han acumulado residuos de animales y plantas durante millones de años.
• Gas Natural: Proviene de la degradación de materia orgánica (MO) y es una mezcla de gases donde el metano constituye el 95%.
• Nuclear.

Fuentes de Energía Renovables (E Renov)

Las principales fuentes renovables son:

• Eólica (aproximadamente 25% de la generación renovable).
• Solar Fotovoltaica (aproximadamente 8% de la generación renovable).
• Hidráulica.