ENERGÍA FOTOVOLTAICA

ENERGÍA SOLAR

La energía solar es la energía obtenida a partir del aprovechamiento de la radiación electromagnética procedente del Sol. La radiación solar que alcanza la Tierra puede aprovecharse por medio de captadores que mediante diferentes tecnologías (células fotovoltaicas, helióstatos, colectores térmicos) pueden transformarla en energía eléctrica o térmica. Es una de las llamadas energías renovables o energías limpias. La potencia de la radiación varía según el momento del día; las condiciones atmosféricas que la amortiguan y la latitud. Se puede asumir que en buenas condiciones de radiación el valor es de aproximadamente 1000 W/m² en la superficie terrestre. A esta potencia se la conoce como irradiancia. Existen de dos tipos solar fotovoltaica y térmica.

v  Energía solar térmica.

La energía solar térmica o energía termosolar consiste en el aprovechamiento de la energía del Sol para producir calor que puede aprovecharse para cocinar alimentos o para la producción de agua caliente destinada al consumo de agua doméstico, ya sea agua caliente sanitaria, calefacción, o para producción de energía mecánica y, a partir de ella, de energía eléctrica. Adicionalmente puede emplearse para alimentar una máquina de refrigeración por absorción, que emplea calor en lugar de electricidad para producir frío con el que se puede acondicionar el aire de los locales.

v  Energía solar fotovoltaica.

La energía solar obtenida directamente de los rayos del sol (foto) gracias a la foto-detección cuántica de un determinado dispositivo; normalmente una lámina metálica semiconductora llamada célula fotovoltaica. Dispositivo que aprovecha el efecto fotovoltaico es decir la capacidad de algunos materiales semiconductores para generar electricidad cuando incite sobre ellos una radiación luminosa. El efecto fotovoltaico (FV) es la base del proceso mediante el cual una célula FV convierte la luz solar en electricidad. La potencia que proporciona una célula de tamaño estándar (digamos de 10 x 10 cm) es muy pequeña (en torno a 1 o 2 W), por lo que generalmente será necesario tener que asociar varias de ellas con el fin de proporcionar la potencia necesaria al sistema fotovoltaico de la instalación. Numerosas células fotovoltaicas componen lo que llamamos panel fotovoltaico.

La clasificación de las instalaciones solares fotovoltaicas (ISF) se realiza en función de la aplicación a la que están destinadas. Existen dos aplicaciones las autónomas y las aplicaciones conectadas a la red.

Las aplicaciones autónomas producen electricidad sin ningún tipo de conexión con la red eléctrica, a fin de dotar de este tipo de energía al lugar donde se encuentran ubicadas.

En las aplicaciones conectadas a la red, el productor no utiliza la energía directamente, sino que es vendida al organismo encargado de la gestión de la energía en el país.

 COMPONENTES.

Básicamente un sistema fotovoltaico autónomo está formado por los siguientes componentes: paneles fotovoltaicos (1) que transforman la energía lumínica del sol en energía eléctrica mediante las celdas solares, baterías (3) para acumulación de la electricidad para su utilización posterior en momentos en que no existe luz solar o periodos de escasez de la misma, regulador de carga (2) que protege a las baterías contra sobrecargas y controla las descargas, inversor (opcional) que transforma DC en AC y que lo necesitaremos para los aparatos que funcionan con corriente alterna y finalmente los aparatos a conectar o cargas del sistema (4). Las cargas pueden ser en corriente continua DC o en corriente alterna AC. El consumo de las cargas es una parte determinante del equipo ya que es el que nos indicarán el dimensionado del sistema.

1.       PANEL  FOTOVOLTAICO.

Los paneles o módulos fotovoltaicos (llamados comúnmente paneles solares, aunque esta denominación abarca otros dispositivos) están formados por un conjunto de celdas (células fotovoltaicas) que producen electricidad a partir de la luz que incide sobre ellos.

Un panel solar o módulo fotovoltaico está formado por un conjunto de células, conectadas eléctricamente, encapsuladas, y montadas sobre una estructura de soporte o marco. Proporciona en su salida de conexión una tensión continua, y se diseña para valores concretos de tensión (6 V, 12 V, 24 V...), que definirán la tensión a la que va a trabajar el sistema fotovoltaico. Los tipos de paneles solares vienen dados por la tecnología de fabricación de las células, y son fundamentalmente: Silicio cristalino (monocristalino y multicristalino) y Silicio amorfo.

2.       EL REGULADOR.

Para un correcto funcionamiento de la instalación, hay que instalar un sistema de regulación de carga en la unión entre los paneles solares y las baterías. Este elemento recibe el nombre de regulador y tiene como misión evitar situaciones de carga y sobredescarga de la batería, con el fin de alargar su vida útil.

El regulador trabaja por tanto en las dos zonas. En la parte relacionada con la carga, su misión es la de garantizar una carga suficiente al acumulador y evitar las situaciones de sobrecarga, esto se logra mediante un corte automático de la corriente emanada desde las baterías o mediante la emisión de una señal visual o audible, y en la parte de descarga se ocupará de asegurar el suministro eléctrico diario suficiente y evitar la descarga excesiva de la batería.

Dado que los módulos solares tienen una tensión nominal mayor que la de la batería, si no existiera regulador se podrían producir sobrecargas. El motivo de que esta tensión nominal de los paneles sea así se debe fundamentalmente a dos razones:

·         Atenuar posibles disminuciones de tensión por el aumento de la temperatura.

·         Asegurar la carga correcta de la batería. Para ello la tensión V_OC  (Tensión de circuito abierto) del panel deberá ser mayor que la tensión nominal de la batería.

El dimensionado de la instalación solar se realiza de manera que se asegure el suministro de energía en las peores condiciones de luminosidad del sol. Por ello se toman como referencia los valores de irradiación en invierno. Esto puede provocar que en verano la energía aportada por los módulos solares sea en ocasiones casi el doble de los cálculos estimados, por lo que, si no se conecta el regulador entre los paneles y las baterías, el exceso de corriente podría llegar incluso a hacer hervir el electrolito de los acumuladores, con el riesgo con el riesgo incluso de incendio o explosión.

Se pueden conectar varios paneles solares a un solo regulador de carga en la medida que los paneles se encuentren conectados en paralelo (+ con  + y – con -). Es importante considerar que la corriente total que generen los paneles interconectados al regulador no debe exceder el límite máximo de carga eléctrica soportado por el regulador de carga.

Los reguladores de carga se instalan cerca de las baterías por razones de seguridad. Las baterías son capaces de contener una gran cantidad de electricidad el cual  tienen el potencial de generar incendios. Al tener instalado el regulador  de voltaje próximo a la batería se reduce la posibilidad de un cortocircuito producto de un corte accidental de los cables. La segunda razón obedece a que así se puede obtener un control más preciso en la lectura de carga de la batería.

Los reguladores de carga previenen que la carga eléctrica acumulada en las baterías de ciclo profundo regrese hacia los paneles solares. Los controladores sólo comprometen una  fuga mínima de electricidad desde las baterías,  por lo que tardaría varios meses poder  descargar una batería.

3.       ACUMULADORES.

La batería es un artefacto electroquímico que convierte la energía eléctrica y la almacena en forma química. Las baterías no generan electricidad.

La llegada de la energía solar a los módulos fotovoltaicos no se produce de manera uniforme, sino que presenta variaciones por diferentes motivos, como la duración de la noche o las estaciones del año, y otras causas que pueden producir alteraciones de manera aleatoria en la energía recibida, como puede ocurrir con un aumento de la nubosidad en un determinado instante.

Por lo que es necesario utilizar algún sistema de almacenamiento de energía para aquellos momentos en que la radiación recibida sobre el generador fotovoltaico no sea capaz de hacer que la instalación funcione en los valores diseñados. Para ello se utilizarán las baterías o acumuladores.

Las baterías son dispositivos capaces de transformar la energía química en eléctrica. El funcionamiento en una instalación fotovoltaica será el siguiente:

Energía eléctrica (generación) → Energía química (almacenamiento) → Energía eléctrica (consumo)

Las baterías son recargadas desde la electricidad producida por los paneles solares, a través de un regulador de carga, y pueden entregar su energía a la salida de la instalación, donde será consumida.

Tres son las misiones que tienen las baterías en las instalaciones fotovoltaicas:

• Almacenar energía durante un determinado número de días.

• Proporcionar una potencia instantánea elevada.

• Fijar la tensión de trabajo de la instalación.

Parámetros más importantes que se deben de tener en cuenta a la hora de elegir un acumulador:

Capacidad: Se define como la cantidad de electricidad que puede lograrse en una descarga completa del acumulador partiendo de un estado de carga total del mismo. Se mide en amperios hora (Ah), y se calcula como el producto de la intensidad de descarga del acumulador durante el tiempo en el que está actuando: C = t I.

Eficiencia de carga: Relación entre la energía empleada para recargar la batería y la energía realmente almacenada. Interesa que sea un valor lo más alto posible (próximo al 100 %, lo que indicaría que toda la energía utilizada para la recarga es factible de ser empleada en la salida de la instalación). Si la eficiencia es baja, será necesario aumentar el número de paneles solares para obtener los resultados deseados.

Autodescarga: Proceso mediante el cual el acumulador, sin estar en uso, tiende a descargarse.

Profundidad de descarga: Cantidad de energía, en tanto por ciento, que se obtiene de la batería durante una determinada descarga, partiendo del acumulador totalmente cargado. Está relacionada con la duración o vida útil del acumulador. Si los ciclos de descargas son cortos (en torno al 20 %, por ejemplo), la duración del acumulador será mayor que si se le somete a descargas profundas (por ejemplo, del 80 %).

Las baterías utilizadas en una instalación fotovoltaica son de ciclo profundo que convierten la energía eléctrica en energía química. Esto se logra mediante un proceso electroquímico de oxidación/reducción. El proceso electroquímico es reversible permitiendo que se regrese al estado de corriente eléctrica cuando sea necesario. 

Existen varios tipos de baterías. Las más conocidas son de zinc-carbón, alcalinas, níquel-cadmio (Ni-Cd), níquel-hidruro metálico (Ni-MH) y las baterías de ácido-plomo. Las baterías de ciclo profundo son por lo general baterías del tipo ácido-plomo.

Las baterías de ciclo profundo se pueden clasificar en dos tipos de baterías:

• Las húmedas o abiertas, con el electrólito en estado líquido.

• Las baterías cerradas. En ellas el electrolito se encuentra en estado gelado. Tienen la ventaja que pueden ser colocadas en forma horizontal o vertical y no requieren de mantención.

La vida útil de una batería de ciclo profundo guarda directa relación es de que tan “profundo” llega a descargarse. Mientras menos profunda se llegue a descargar la batería de ciclo profundo mayor será la vida útil de la batería. Una batería de ciclo profundo que sea descargada en un 50% en forma permanente tendrá una vida útil mayor a aquella de similares características que se descargue en un 80%.

En promedio, una batería de ciclo profundo puede llegar a cumplir 2000 ciclos durante su vida útil; descargando y cargando su energía lenta, pero constantemente. Esto equivale a aproximadamente 4-8 años de vida útil. Sin embargo, cada caso es particular. En general, las variables que determinan la vida útil de una batería de ciclo profundo viene dada por:

• Para qué y en qué condiciones son usadas.

• Las labores de mantención a la que es sometida.

• Cuál y cómo han sido los procesos de carga y descarga a lo largo del tiempo.

La primera recomendación para seleccionar el tamaño de batería requerida es dotar al sistema fotovoltaico con una batería que almacene al menos el doble de capacidad de la cantidad que demandará en un momento del tiempo. Aunque las baterías de ciclo profundo pueden descargarse hasta un 80% mientras menor o menos profunda sea la descarga de la batería mayor será la vida útil de la batería por lo que no se recomienda que se descargue a su límite mínimo de carga.

La segunda recomendación es el de seleccionar un tamaño de batería que tenga una capacidad de almacenaje de amperes suficiente para abastecer de electricidad a los aparatos eléctricos asumiendo acceso a un nivel de insolación equivalente entre 1-3 días nublados.

4.       EL INVERSOR DE VOLTAJE

Transforman la corriente continua (CC) de baja tensión (12V, 24V, 32V  36V ó 48V) en corriente alterna (AC) de alta tensión (110V, 220V). El cambio de voltaje es necesario dado  que los aparatos eléctricos se alimentan de uno u otro tipo de corriente.Los inversores de voltaje presentes en un sistema fotovoltaico transforman la corriente continua generada en los  paneles solares en corriente alterna para que pueda ser utilizada por los distintos aparatos eléctricos.

Una vez que  la corriente continua entra al inversor de voltaje, ya sea  proveniente de la celda solar o desde una batería de ciclo profundo,  ésta es conducida  al  transformador que se encuentra almacenado dentro del inversor de voltaje. El inversor de voltaje de una u otra manera “burla” al transformador forzando a la corriente continua a actuar como si fuese corriente alterna. Esto se logra mediante la interrupción permanente de la corriente continua; pasándola a través de dos o más transistores que se encienden y apagan continuamente. Los inversores de voltaje de sistemas “off grid” (que son absolutamente independientes del suministro eléctrico proporcionado por compañías eléctricas), se sugiere que los inversores de voltaje sean siempre instalados en las proximidades de las baterías de ciclo profundo.

Eso depende de cada caso particular. El tamaño de un inversor de voltaje está dado por el valor máximo de watts continuos que puede proveer el inversor de corriente o de voltaje. Por ello, el tamaño o capacidad de inversor de voltaje requerido guarda directa relación con la demanda de electricidad que exijan los aparatos eléctricos a los que desee proveer de energía eléctrica. Se debe tener en consideración que el inversor de voltaje deberá abastecer con electricidad continuamente a más de un aparato a la vez. Por ello, se debe asegurar elegir un inversor de voltaje que provea una cantidad de watts levemente superior a la requerida en un momento del tiempo.

CIBERGRAFÍA

http://www.solener.cl/index.php?option=com_content&view=article&id=105:reguladores&catid=47:productos Consultado: 01 de Septiembre de 2012. [Versión electrónica]

http://www.solener.cl/index.php?option=com_content&view=article&id=103:baterias&catid=47:productos Consultado: 01 de Septiembre de 2012. [Versión electrónica]

http://www.solener.cl/index.php?option=com_content&view=article&id=104:inversores&catid=47:productos Consultado: 01 de Septiembre de 2012. [Versión electrónica]

http://tskan.com/funcionamiento-panel-solar/ Consultado: 01 de Septiembre de 2012. [Versión electrónica]

Componentes de una instalación solar fovoltaica. Consultado: 01 de Septiembre de 2012. [Versión electrónica] http://www.mcgraw-hill.es/bcv/guide/capitulo/8448171691.pdf