ELECTRICIDAD SOLAR
ELECTRICIDAD SOLARIDMARENE OLIVA CIFUENTESElectricidad solarEn
el ao 1954 la firma estadounidense Bell Laboratorios produjo los
primeros mdulos fotovoltaicosEstn formados por un conjunto de
clulas fotovoltaicas fabricadas a partir de ciertos materiales
semiconductores , silicio, aprovechan el fenmeno conocido en fsica
como efecto fotovoltaicoEl modulo es un rectngulo plano sin parte
mvil y de construccin muy simple, capas de suministrar de forma
ininterrumpida y permanente, sin sufrir desgaste ni envejecimiento,
un voltaje o diferencia de potencial, con el nico requisito de ser
expuesto a la luz solarLa diferencia de potencial permite mantener
una corriente elctrica continua, cuya intensidad es proporcional al
rea total de las clulas que forman el modulo solar y a la propia
intensidad de la radiacin que incide sobre ella
Las ventajas son mltiples en comparacin con otros procedimientos
tradicionales, por ejemplo los generadores accionados por ruidosos
motores , que consumen combustibles y contaminanEn funcin del
numero de clulas y de las caractersticas de las mismas, un modulo
fotovoltaico produce una corriente de bajo voltaje(6,12,24 o 48)
pero se puede obtener cualquier valor deseado combinando
adecuadamente varios mdulosUna desventaja de los mdulos
fotovoltaicos es su elevado precio. A pesar de la considerable
reduccin del coste por vatio de potencia generada, tendencia que
parece seguir mantenindose, la inversin inicial necesaria para
obtener una potencia semejante a la producida por un equipo electro
generador de motor es considerablemente mayorLa segunda es que
excepto en instalaciones de conexin a red, es necesario contar con
una pesada batera de acumuladores para almacenar la energa generada
durante las horas de sol. El coste de acumuladores de calidad es
elevado y adems necesitan siempre mantenimiento , as como una
ubicacin apropiada y no siempre disponible.
La vida esperada de los mdulos fotovoltaicos es tericamente
ilimitada( en la practica se asigna un tiempo de vida de 30 aos, la
de los acumuladores entre 5 y 15 aos) dependiendo no solo de los
mdulos sino que adems de las condiciones de trabajoDesde hace
aproximadamente una dcada, se estn instalando mdulos fotovoltaicos
en vivienda e industrias que ya disponen de energa elctrica
proveniente de la red general, en este caso, se elimina la
necesidad de utilizar acumuladores , ya que la propia red
suministrara la energa elctrica necesaria cuando los mdulos no
puedan hacerloLa idea es que la energa fotovoltaica sustituya a la
de la red en la mayor proporcin posible, cuando la intensidad de
radiacin sea suficienteSi la potencia consumida en un instante dado
no sobrepasa a la potencia suministrada por los mdulos, toda la
energa consumida ser solar y no habr necesidad de gastar energa de
red( de pago)Si la demanda es tal que la energa solar no es
suficiente para satisfacerla totalmente, se recurrir a la red para
extraer la cantidad de energa que falte. En las horas nocturnas o
periodos sin sol, todo el consumo ser satisfecho por la red , al
igual que en cualquier sistema convencionalLo relevante es la
posibilidad que, siempre que los mdulos estn produciendo mas energa
que la que en ese momento se este consumiendo, la energa sobrante
puede ser inyectada a la red, para ser distribuida a la misma.En
muchos pases, por ejemplo Espaa, se obliga a que la totalidad de la
energa generada por una instalacin conectada a la red sea vertida
ntegramente a la red, porque existe una prima a la produccin de
energa fotovoltaica y resulta mucho mas ventajoso para el
propietario de la instalacin vender su produccin integra a la
Compaa de Electricidad que consumirlaEste tipo de instalaciones ,
llamadas conexin a red, requieren un dispositivo o interface
mdulos-red que es un inversor de caractersticas especiales, porque
debe ser capaz , no solamente de convertir la corriente continua
generada por los mdulos en corriente alterna de frecuencia y
voltaje idnticas a la de la red, si no de cumplir un conjunto de
funciones de control y seguridad, as como responder sin fallos a
cualquier fluctuacin de la corrienteSus funciones hacen que los
inversores(onduladores) de red hacen que su precio sea
considerable, lo que constituye un obstculo para la difusin de este
tipo de instalacionesSi se desea vender energa elctrica a la red es
tambin necesario instalar un contador especial, de doble sentido o
bien dos contadores independientes y establecer un acuerdo con la
Compaa Elctrica que acta al mismo tiempo como cliente y proveedor
del usuario.Gracias a los avances tecnolgicos en un futuro cercano,
cualquiera podr sacar buena rentabilidad de la superficie de su
techo o azotea, instalando mdulos solares en el numero que desee.
Antes que esto sea posible, habr que regular de forma mas precisa
las relaciones entre las Compaas Elctricas y los
usuarios-suministrados y posiblemente habr que modificas normativas
tcnicas y legales actualmente complejas y en muchos casos
ambiguas.
Electrificacin de viviendasLo normal es colocar mdulos o paneles
que producen cada uno entre 40 y 100 vatios de potencia cuando el
Sol les ilumina de pleno, condicin que no se da nada mas que en
determinados momentos de algunos das totalmente clarosSi midisemos
la potencia de un modulo bajo unas condiciones de soleamiento
determinadas(por ejemplo con los rayos incidiendo oblicuamente y
con el cielo no totalmente claro), observaramos que la potencia que
genera es bastante inferior a la nominal indicada por el
fabricantePara poder calcular el numero de mdulos requeridos,
primeramente hay que tratar de evaluar el consumo diario medio de
la vivienda de la forma mas aproximada posible, teniendo en cuenta
la potencia real consumida por cada luminaria o aparato, as como el
tiempo medio que se supone va a estar funcionandoSe expresan las
potencias en vatios y los tiempos en horas, de forma que podemos
hacer una lista de consumos, cuya suma ser el consumo total diario
expresado en W*h(vatios-hora)El consumo as obtenido se incrementa
en un 20% a fin de tener en cuenta tanto las perdidas energticas
del propio acumulador, como otras perdidas derivadas del
rendimiento de la instalacin, que hacen que la energa necesaria sea
siempre algo mayor que la inicialmente previstaLa capacidad total
del acumulador se calculara multiplicando el consumo diario
anteriormente obtenido por el numero de das consecutivos que se
prevean ,que como mximo, puedan existir con condiciones de
soleamiento nulo o despreciable( das de lluvia o totalmente
cubiertos). Segn el tipo de clima, el numero de das con esas
caractersticas suele oscilar entre 5 y 15, siendo 10 un valor medio
razonableDividiendo el resultado anterior entre el voltaje del
acumulador (normalmente es de 12 v) obtendremos as su capacidad en
A*h (amperios-hora) que es la forma normal en el mercado de
expresar la capacidad de un acumuladorEjemplo: una familia que
habita una casa de campo en la que existen 14 puntos de luz de
alumbrado fluorescente de alta eficiencia con una potencia de 20 W
cada uno y otros 5 puntos de luz de 30 W cada uno. Adems hay un
refrigerador de corriente continua que consume unos 75 W de
potencia y un televisor de 50 W. Se estima que en promedio cada
punto de luz de 20 W va a permanecer encendido unas 2 horas al da y
cada uno de los puntos de luz de 30 W, unas 3 horas, el televisor,
unas 6 horas y el refrigerador, unas 12 horas.El consumo total en
un da se calculara as: 14 puntos de luz de 20 W durante 2
horas14*20*2=560 W*h 5 puntos de luz de 30 W durante 3
horas..5*30*3= 450 W*h 1 refrigerador de 75 W durante 12 horas75*12
= 900 W*h 1 televisor de 50 W durante 6 horas..50*6 = 300 W*h suma=
2210 W*h 20% de aumento = 442 W*h Consumo total= 2652 W*hDando como
buena una autonoma de 10 das, la batera, supuesta de 12 V deber
tener una capacidad de: ( 2652 * 10) /12= 2210 A*hLa energa total
que un determinado modulo puede proporcionar a lo largo del da es
directamente proporcional a la energa radiante que recibe, la cual
depende a su vez de tres factores: la duracin del das ,es decir, el
tiempo que transcurre entre el amanecer y el ocaso, el mayor o
menor Angulo con que el Sol se eleva sobre el horizonte y la
nubosidadCon objeto de poder garantizar una suficiente
disponibilidad de energa incluso en la poca mas desfavorable del
ao, los clculos de una instalacin fotovoltaica suelen estar
referidos al periodo invernal, porque coinciden los factores de
mayor consumo y menos aportacin de energa solarPara favorecer lo
mximo posible la captacin en la poca invernal en la que el sol esta
mas bajo sobre el horizonte, los paneles se montan con una
inclinacin aproximadamente igual a la latitud del lugar
incrementada en 15 gradosCuanto mayor sea la latitud, los das en
invierno son mas cortos y por tanto el sol dispone de menos tiempo
para derramar su energa sobre el modulo. Adems , la nubosidad es
mayor en invierno y el numero de horas reales de sol es pequeoEn
general, para latitudes superiores a los 50 grados la energa solar
ser normalmente insuficiente para cubrir totalmente las necesidades
de electrificacin de una vivienda(incluso moderando el consumo) sin
recurrir a la instalacin de un elevado numero de mdulos y una
batera de acumuladores sobredimensionada, lo cual resultara muy
caro. A medida que la latitud disminuye , la energa solar
disponible aumenta, hasta llegar un mximo para las zonas
ecuatorialesPara determinar el numero de vatios-hora de energa E
que puede aportar a lo largo de un tpico da de invierno con escasa
nubosidad, un modulo cuya potencia nominal sea P vatios e instalado
en un lugar cuya latitud L grados es: E=(5-L/15)*(1+L/100)Por
ejemplo: si la latitud es igual a 32 grados, es de esperar que cada
modulo de 40 W de potencia nominal pueda producir, en un da medio
de invierno, una energa igual: E=(5-32/15)*(1+32/100)*40
2.87*1.32*40=152W*HEl valor de E obtenido en la formula anterior
puede aumentarse hasta en un 25% o bien disminuirse en el mismo
porcentaje, segn sean las condiciones climatolgicas predominantes
en los meses invernales, especialmente nubosidadEn el caso de que
la nubosidad sea muy escasa, un valor razonable seria un 20%
superior al calculado y si, por el contrario, se trata de un lugar
en que los inviernos se caracterizan por muchas lluvias y abundante
nubosidad, se disminuye el valor de E en un 25%Cuando el perfil es
un da tpico de invierno en un clima no demasiado frio , con cierta
probabilidad de lluvia y nubosidad (no demasiado frecuentes) no se
efecta ninguna correccin dando por bueno el valor de E Se puede
calcular el numero de captadores fcilmente : N de mdulos=(consumo
total diario/energa diaria aportada por cada modulo)= 2652/152=17
mdulosEl mantenimiento es mnimo bastando casi siempre una revisin
anual y un control peridico del estado de carga de los
acumuladores, elementos que hay que cuidar especialmente ya que son
los componentes mas sensibles de la instalacin.Bases de la energa
fotovoltaica, corriente elctrica y clula solarEl principio de
funcionamiento de las clulas solares es el efecto fotovoltaico,
esto se basa en la unin de dos elementos semiconductores, uno tipo
n y otro p, que provoca una diferencia de potencial en las
proximidades de la uninLos fotones transfieren la energa de la
radiacin solar incidente a los electrones de los semiconductores ,
liberndolos de la red cristalina a la que estaban unidos (generacin
electrn-hueco)La eficiencia: que se define como el cociente entre
la potencia elctrica generada por la clula solar y la potencia
total de la radiacin incidente sobre ella La respuesta espectral:
que se define como el cociente entre la corriente fotovoltaica
generada por la clula y la potencia radiante incidenteClulas
solares mono cristalinas: son clulas formadas por un solo tipo de
cristal , son bastante caras y difciles de obtener. Estas clulas
consiguen unos rendimientos excelentes en algunos casos hasta el 30
%El mtodo mas comn de elaboracin de clulas de silicio mono
cristalino consiste en partir un lingote de mono cristal de SI y
cortarlo en obleas que constituyen el sustrato sobre el que tendr
lugar todo el proceso restanteClulas solares poli cristalinas: se
construyen con silicio, mezclado con Arsenio y galio , son un
agregado de distintos materiales, son mas sencillas de obtener y
consiguen unos rendimientos nada despreciables entorno al 15%. No
duran tanto tiempo como las mono cristalinas, pero son perfectas en
aquellos lugares donde las condiciones climticas son
adversas.Clulas amorfas: son las mas baratas, menos duraderas y con
rendimientos muy bajos , 6-8%. Son las utilizadas en calculadoras y
aparatos simples ya que la energa que proporcionan es muy baja, se
construyen a base de evaporar encima de un cristal el material
semiconductor o foto-reactor y colocar un par de electrodos en cada
una de las unidades correspondientes
Elementos de una instalacinLas clulas solares a partir de
silicio cristalino se caracterizan por su reducida capacidad para
generar potencia elctrica y su fragilidad y vulnerabilidad frente a
los agentes externos. Para su manejo y utilizacin practica se unen
entre si formando lo que se denomina un modulo fotovoltaico Los
mdulos FV se suelen vender como unidades de 12 o 24 voltios y con
potencias superiores incluso a los 150 w , de modo que en
determinadas aplicaciones ser necesario asociar varias de estas
unidades para satisfacer los requerimientos elctricos de tensin,
corriente y potenciaEstos mdulos se venden con un marco que permite
su montaje sobre las superficies y estructuras mas comunes (
paredes, techos , etc.)El regulador: es el dispositivo encargado de
llevar el control de la carga, su funcin es evitar la sobrecarga
perjudicial de la batera , en los ltimos 5 aos el diseo de los
reguladores es lo que mas ha evolucionado dentro de los sistemas
tvBateras : es un dispositivo capaz de almacenar o entregar la
carga elctrica que interviene en las reacciones electroqumicas que
tienen lugar durante su funcionamiento, manteniendo una diferencia
de potencial aproximadamente constante entre sus dos terminales de
conexiones eternos, se puede decir que la batera es el dispositivo
bsico de acumulacin de electricidadSe pueden clasificar atendiendo
a diferentes criterios: la aplicacin a la que se destinan , el
material activo, su construccin y el tipo de electrolito utilizado.
Segn la aplicacin, las bateras pueden estar sometidas a regmenes y
condiciones de trabajo muy diversas ( arranque de motores, traccin
de vehculos, iluminacin de emergencia, etc.) desde el punto de
vista del funcionamiento, la batera se caracterizara sobre todo por
el tipo de ciclos de carga descarga y su capacidad de generar
corriente elctrica Las aplicaciones FV autnomas se caracterizan por
un consumo elctrico moderado , constante y continuado, con
frecuentes ciclos de carga-descarga y con profundidades de descarga
en torno al 50% . Esto se cubre con las bateras estacionarias o de
ciclo profundoEsto las diferencia de las bateras de arranque y
traccin diseadas generalmente para proporcionar corrientes elevadas
de corta duracin y con pequeas profundidades de descarga , que no
resultan adecuadas para las aplicaciones FV. No obstante , conviene
sealar que tambin existen en el mercado bateras de este tipo
capaces de soportar ciclos profundos.El inversor: En muchos
sistemas FV hay elementos de consumo convencionales diseados para
funcionar conectados a la red elctrica, por otro lado, en los
sistemas FV conectados a red la energa generada se vierte a la red
elctrica convencional , por lo que dicha energa debe tener las
caractersticas elctricas de tensin y frecuencia iguales a las de la
compaa suministradora. En ambos casos, el elemento encargado de
realizar la conversin de las caractersticas elctricas de la energa
es el inversor, el cual puede ser autnomo o de conexin a red,
respectivamente. Un inversor viene especificado por su tensin
nominal de entrada, su potencia nominal, su eficiencia y el tipo de
seal que generaSistemas FV autnomos y conectados a red: antes de
dimensionar una instalacin fotovoltaica debemos clasificar los
distintos sistemas que podemos configurar dependiendo del uso al
que vayan dirigidos, existiendo, sistemas FV autnomos ( directos y
de acumulacin) y sistemas de FV conectados a redSistemas FV
autnomos: son aquellos que no disponen de conexin alguna con la red
general de distribucin elctrica. Si el subsistema de generacin esta
compuesto, adems de por mdulos FV, por otros elementos de generacin
elctrica como aerogeneradores , turbinas hidraulicas,generadores
diesel,etc , el sistema se denomina hibridoLos sistemas FV autnomas
de clasifican en sistemas FV directos( sin acumulacin) y sistemas
FV con acumulacinSistemas FV directos ( sin acumulacin): se
caracterizan por no poseer subsistemas de acumulacin elctrica ni,
por tanto, subsistemas de regulacin de la carga, aunque pueden
existir otros subsistemas de regulacin o control del funcionamiento
de los aparatos que alimentan a los mdulos FV. Estos sistemas son
propios de aplicaciones donde la disponibilidad energtica
(elctrica) no es un parmetro critica y el consumo puede limitarse a
los momentos en que exista radiacin solar
Ejemplos: calculadores, cargadores de batera Adems de bombeo
solar directo ( bombeo de agua)Sistema de FV con acumulacin: las
aplicacin FV autnomas con acumulacin son muchas y muy variadas, de
manera que se pueden clasificar en los tres grupos
siguientes:Electrificacin de viviendas: suministro elctrico para
uso domestico bsico(alumbrado, pequeos electrodomesticos,etc) en
viviendas situadas en lugares remotos y alejados en las lneas de
distribucin elctricaAlumbrado publico: sistemas de iluminacin
compactos, capaces de adaptarse a las caractersticas del lugar y
las necesidades de usoAplicaciones profesionales: este grupo
incluyen sistemas de control, sealizacin , telecomunicaciones,
proteccin catdica, suministro elctrico para vehculos ,
embarcaciones , satlites artificiales , frigorficos para la
conservacin de alimentos y medicinas
Sistemas de FV conectados a red: un sistema FV conectado a red
se puede definir como un sistema de generacin fotovoltaica que
trabajaba en paralelo con la red de la compaa elctrica, es decir,
las salidas de ambos sistemas de generacin estn conectados entre
si, de forma que el primero acta como si fuera un generador mas de
la compaa , inyectando energa elctrica en su red de distribucin.El
objetivo de un sistema FV conectado a red y los criterios de
dimensionado empleados en la practica, poco tienen que ver con la
satisfacciones unas necesidades energticas y mucho con la obtencin
de un beneficio econmico a travs de la produccin y venta de
electricidadLos sistemas FV conectados a red se reparten en tres
grandes grupos de aplicaciones:Instalaciones FV para el sector
residencial (domestico), con un rango de potencia entre 1 y
15kWpIntegracin FV en edificios comerciales, industriales y de
oficinas , con un rango de potencia entre 15 y 100 kWp
Plantas FV centralizadas, con un rango de potencia entre 100
kWpy 10 MWp
