Energía fotovoltaica:
La energía solarElementos de una instalación solar fotovoltaicaAplicaciones de la energía solar fotovoltaicaCalculo de instalaciones de energía solar fotovoltaicaHistoria y fundamentos de las células solares fotovoltaicasCélulas y paneles fotovoltaicosAcumuladoresReguladores de cargaOtros equipos para su uso en sistema fotovoltaicoEstructura soporte para paneles fotovoltaicoCalculo de una instalaciónMantenimiento de una instalación fotovoltaica y funcionamientoInstalaciones fotovoltaicas conectadas a la red eléctricaBibliografía La energía solarUna energía garantizada para los próximos 6.000 millones de años
El Sol, fuente de vida y origen de las demás formas de energía que el hombre ha utilizado desde los albores de la Historia, puede satisfacer todas nuestras necesidades, si aprendemos cómo aprovechar de forma racional la luz que continuamente derrama sobre el planeta. Ha brillado en el cielo desde hace unos cinco mil millones de años, y se calcula que todavía no ha llegado ni a la mitad de su existencia.
Durante el presente año, el Sol arrojará sobre la Tierra cuatro mil veces más energía que la que vamos a consumir.
España, por su privilegiada situación y climatología, se ve particularmente favorecida respecto al resto de los países de Europa, ya que sobre cada metro cuadrado de su suelo inciden al año unos 1.500 kilovatios-hora de energía, cifra similar a la de muchas regiones de América Central y del Sur. Esta energía puede aprovecharse directamente, o bien ser convertida en otras formas útiles como, por ejemplo, en electricidad.
No sería racional no intentar aprovechar, por todos los medios técnicamente posibles, esta fuente energética gratuita, limpia e inagotable, que puede liberarnos definitivamente de la dependencia del petróleo o de otras alternativas poco seguras, contaminantes o, simplemente, agotables.
Es preciso, no obstante, señalar que existen algunos problemas que debemos afrontar y superar. Aparte de las dificultades que una política energética solar avanzada conllevaría por sí misma, hay que tener en cuenta que esta energía está sometida a continuas fluctuaciones y a variaciones más o menos bruscas. Así, por ejemplo, la radiación solar es menor en invierno, precisamente cuando más la solemos necesitar.
Es de vital importancia proseguir con el desarrollo de la incipiente tecnología de captación, acumulación y distribución de la energía solar, para conseguir las condiciones que la hagan definitivamente competitiva, a escala planetaria.
Elementos de una instalación solar fotovoltaicaConduccionesEl fluido calo portador debe ser transportado en la instalación a una determinada velocidad porque si va muy rápido no se calentará y si va muy lento alcanzará temperaturas poco deseables, por lo que habrá que calcular el dimensionamiento de las tuberías. Para ello, habrá que mantener unos límites de velocidad (1’2 l/s*eg – 1’6 l/seg. 100 m2 de superficie colectora) y un límite de pérdida de carga.El material a elegir debería ser el metal más noble posible (cobre), pero en dimensiones grandes, se empleará otro de precio inferior como puede ser el acero o el aluminio. En caso de coexistir varios metales en la misma instalación, el agua debe ir desde el menos noble al más noble por el problema de la electrolisis.Con los plásticos, el que más aguanta es el polietileno reticulado (100ºC unas pocas horas), por lo que no es aconsejable utilizarlo en el circuito primario.Para calcular el caudal la norma indica:Entre 1’2 100m2. Pasados a l/h quedaría entre 43 l/h y 57 l/h,*l/seg. y 1’6 l/seg. Cogiendo a efectos de cálculo el valor intermedio de 50 l/hAislamientoEvita las pérdidas de los elementos sensibles de la instalación, debe tener un bajo coeficiente de conductividad a un precio razonable. Su colocación será sencilla y soportará un rango amplio de temperaturas. Debe ser ignífugo, no corrosivo por contacto y presentar buena estabilidad. Su resistencia mecánica será buena y su peso específico reducido.Puede ser de tipo fibroso (amianto, fibra de vidrio, fibra mineral, fibra animal y vegetal), granulosos (perlite, silicato e calcio, magnesia), y celulares (corcho, espuma de vidrio). El espesor se elige en función de la temperatura del fluido y el diámetro de la tubería, también dependiendo si las tuberías son interiores o exteriores.Otros elementosPara calcular las instalaciones hay que tener en cuenta un caudal de 50 l/h *m2, la velocidad será de 2 m/seg. (3 m/seg. en algunas condiciones) y un ∆p = 40 mm.c.a/m.o El manómetro y el hidrómetro – Miden la presión en el interior de una tubería o depósito.o La válvula de seguridad – Debe incluirse por estar el circuito sometido a presión y a variaciones de temperatura.o El embudo de desagüe – Permite observar la evacuación del líquido.o El purgador – Evacua los gases contenidos en el fluido calo portador y debe situarse en la parte más alta de la instalación.o Las válvulas antirretorno – Limitan el paso del fluido en un solo sentido.o Las válvulas de paso – Pueden interrumpir total o parcialmente el paso del fluido.o El termómetro – Mide la temperatura del fluido por contacto o por inmersión.o Los termostatos – Miden y activan o desactivan mecanismos mediante una señal eléctrica.o El termostato diferencial – Mide una diferencia de temperatura y en función de la medida actúa sobre algún elemento del sistema
Aplicaciones de la energía solar fotovoltaicaPequeñas instalaciones de iluminación en viviendas (exterior y interior).
Instalaciones de bombeo agua de pozos o riego autónomo.
Instalaciones en viviendas en las que es más viable económicamente implementar una instalación autónoma que realizar la conexión a la red general, normalmente por lejanía de esta.
Calculo de instalaciones de energía solar fotovoltaica Historia y fundamentos de las células solares fotovoltaicasParece ser que los fenómenos fotoeléctricos tienen el principio de su descubrimiento en 1808, por mediación de Hallwachs, pero fue Hertz quién enunció los principios básicos que los regían.
En el 1887 éste último observó que la chispa saltaba más fácilmente entre dos esferas de diferente potencial cuando sus superficies eran fuertemente iluminadas por la luz de otra descarga, y posteriormente comprobó que una lámina de zinc cargada negativamente y unida a un electroscopio, perdía rápidamente su carga al ser iluminada por un arco voltaico. De todo ello dedujo Hertz que, bajo la acción de la luz, el zinc y en general todos los metales emiten cargas negativas,
Los resultados experimentales que se obtuvieron fueron los siguientes:
El efecto fotoeléctrico es instantáneo, es decir, aparece con la radiación sin retraso sensible.
El número de fotoelectrones emitidos, es decir, la intensidad de la corriente producida, es proporcional a la radiación recibida.
Sobre la velocidad de la emisión no influye para nada la intensidad luminosa, ni su estado de polarización, pero sí su frecuencia o longitud de onda.
Para cada metal existe una frecuencia mínima de radiación luminosa, por debajo de la cual no se presenta el efecto fotoeléctrico.
La interpretación teórica de todos estos hechos fue dad por Einstein en 1902, generalizando la hipótesis hecha por Plank unos años antes con la teoría de los cuantos o fotones.
Las células fotoeléctricas son dispositivos basados en la acción de radiaciones luminosas sobre ciertas superficies metálicas. El efecto de esas radiaciones puede ser de tres tipos:
Efecto fotoemisivo o fotoexterno: provoca en el metal un arranque de electrones con liberación de los mismos.
Efecto fotoconductivo o fotointerno: modifica la conductividad eléctrica del metal.
Efecto fotovoltaico: crea una fuerza electromotriz en el metal.
Precisamente en este último apartado es donde se integran las células fotovoltaicas, que generan un paso de corriente proporcional al flujo luminoso que reciben. Estas células presentan la ventaja sobre los demás tipos de que no requieren ni tensión auxiliar ni vacío, razón por la cual no son utilizadas para la conversión de energía solar en energía eléctrica.
Chapin, Fueller y Perarson desarrollaron en 1954 la primera célula solar capaz de convertir, de un modo eficaz, la luz del sol en energía eléctrica. Desde esa fecha los dispositivos se han ido mejorando sobre todo en la utilización en satélites artificiales, y alimentar pequeñas casas en lugares remotos.
Células y paneles fotovoltaicosLos módulos fotovoltaicos o colectores solares fotovoltaicos (llamados a veces
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. La potencia máxima que puede suministrar un módulo se denomina
potencia pico.
Las placas fotovoltaicas se dividen en:
Monocristalinas: se componen de secciones de un único cristal de silicio (reconocibles por su forma circular o hexagonal).
Policristalinas: cuando están formadas por pequeñas partículas cristalizadas.
Amorfas: cuando el silicio no se ha cristalizado.
Su efectividad es mayor cuanto mayor son los cristales, pero también su peso, grosor y coste. El rendimiento de las primeras puede alcanzar el 20% mientras que el de las últimas puede no llegar al 1%, sin embargo su coste y peso es muy inferior.
AcumuladoresSe le llama batería eléctrica, acumulador eléctrico o simplemente acumulador, al dispositivo que almacena
energía eléctrica usando procedimientos electroquímicos y que posteriormente la devuelve casi en su totalidad; este ciclo puede repetirse por un determinado número de veces. Se trata de un
generador eléctrico secundario; es decir, un generador que no puede funcionar sin que se le haya suministrado electricidad previamente mediante lo que se denomina proceso de carga.
También se le suele denominar batería, puesto que, muchas veces, se conectan varios de ellos en serie, para aumentar el voltaje suministrado. Así, la batería de un automóvil está formada internamente por 6 elementos acumuladores del tipo plomo-ácido, cada uno de los cuales suministra electricidad con una tensión de unos 2 V, por lo que el conjunto entrega los habituales 12 V, o por 12 elementos, con 24 V para los camiones.
El término pila, en castellano, denomina los generadores de electricidad no recargables. Tanto pila como batería son términos provenientes de los primeros tiempos de la electricidad, en los que se juntaban varios elementos o celdas — en el primer caso uno encima de otro, "apilados", y en el segundo, adosados lateralmente, "en batería", como se sigue haciendo actualmente, para así aumentar la magnitud de los fenómenos eléctricos y poder estudiarlos sistemáticamente. De esta explicación se desprende que cualquiera de los dos nombres serviría para cualquier tipo, pero la costumbre ha fijado la distinción.
Reguladores de cargaLa gama de regulación de ATERSA está basada en tecnología digital, incorporando niveles diferenciados de carga y relés de estado sólido. Opcionalmente a requerimiento del cliente se pueden suministrar en caja estanca y también con diodo de bloqueo.
· Todos los modelos son bitensión (12 y 24V).
· Los modelos LEO llevan dos amperímetros y un voltímetro y pueden ser programados por el usuario o el instalador. Los modelos LEO2 llevan además relés libres de tensión para arranque de grupo electrógeno y transmisión de alarmas.
· El mP ha sido diseñado para proporcionar un sistema de regulación y control en instalaciones de media y alta potencia, con medida digital de los principales parámetros.
· El sistema de adquisición de datos DATASOL-32 ha sido diseñado específicamente para realizar el seguimiento de instalaciones fotovoltaicas utilizando como fuente de información el sistema de control mP-60. La instalación conjunta mP y el DATASOL-32, aporta las prestaciones de un equipo de adquisición de datos de forma sencilla y reducido coste.
Otros equipos para su uso en sistema fotovoltaicoExiste en el mercado fotovoltaico una gran variedad de fabricantes y modelos de módulos solares.Según el tipo de material empleado para su fabricación, se clasifican en:Módulos de silicio monocristalino: son los más utilizados debido a su gran confiabilidad y duración, aunque su precio es ligeramente mayor que los otros tipos.• Módulos de silicio policristalino: son ligeramente más baratos que los módulos de silicio monocristalino, aunque su eficiencia es menor.• Módulos de silicio amorfo: tienen menor eficiencia que los 2 anteriores, pero un precio mucho menor. Además son delgados y ligeros, hechos en forma flexible, por lo que se pueden instalar como parte integral de un techo o pared.
Estructura soporte para paneles fotovoltaicoUn panel solar esta constituido por varias células iguales conectadas eléctricamente entre si, en serie y/o en paralelo, de forma que la tensión y corriente suministrada por el panel se incrementa hasta ajustarse al valor deseado. La mayor parte de los paneles solares se construyen asociando primero células en serie hasta conseguir el nivel de tensión deseado, y luego asociando en paralelo varias asociaciones serie de células para alcanzar el nivel de corriente deseado. Además, el panel cuenta con otros elementos a parte de las células solares, que hacen posible la adecuada protección del conjunto frene a los agentes externos; asegurando una rigidez suficiente, posibilitando la sujeción a las estructuras que lo soportan y permitiendo la conexión eléctrica.Estos elementos son:- Cubierta exterior de cara al Sol. Es de vidrio que debe facilitar al máximo la transmisión de la radiación solar. Se caracteriza por su resistencia mecánica, alta transmisividad y bajo contenido en hierro.- Encapsulante. De silicona o más frecuentemente EVA (etilen-vinil-acetato). Es especialmente importante que no quede afectado en su transparencia por la continua exposición al sol, buscándose además un índice de refracción similar al del vidrio protector para no alterar las condiciones de la radiación incidente.- Protección posterior. Igualmente debe dar rigidez y una gran protección frente a los agentes atmosféricos. Usualmente se emplean láminas formadas por distintas capas de materiales, de diferentes características.- Marco metálico. De Aluminio, que asegura una suficiente rigidez y estanqueidad al conjunto, incorporando los elementos de sujeción a la estructura exterior del panel. La unión entre el marco metálico y los elementos que forman el modulo está realizada mediante distintos tipos de sistemas resistentes a las condiciones de trabajo del panel.- Cableado y bornas de conexión. Habituales en las instalaciones eléctricas, protegidos de la intemperie por medio de cajas estancas.- Diodo de protección. Su misión es proteger contra sobre-cargas u otras alteraciones de las condiciones de funcionamiento de panel.Los Panel solares tienen entre 28 y 40 células, aunque lo más típico es que cuenten con 36. La superficie del panel o modulo puede variar entre 0.1 y 0.5m2 y presenta dos bornas de salida, positiva y negativa, a veces tienen alguna intermedia para colocar los diodos de protección.Normalmente, los paneles utilizados, están diseñados para trabajar en combinación con baterías de tensiones múltiplo de 12V, como veremos en la sección dedicada al acumulador.
Calculo de una instalaciónPrecio de la instalación(con gastos) por 1 kWp sin I.V.A.
€
Apunte sus subvenciones posibles para 1 kWp
€
Vida útil
año
Energía producida (por 1 kWp en Madrid)
kWh/1kWp
Valor capital externa
%
Intereses para el capital externa
%
Intereses para el capital propia
%
Mantenimiento y seguros por año
%
Alquiler equipos de medida / año
€
Apunte los costes de mantenimiento no planificados en el primer año de marcha ( sin I.V.A. = Capital externo adicional)
€
Existe obligación de contribución de I.V.A. (si =1; no=1.16)
Obtendrá un abono que cubre sus costes del proyecto:
€/kWh
Datos de proyecto:
Apunte la potencia instalada en el proyecto
kWp
Calculo de inversión total para su proyecto sin intereses
€
Calculo de subvenciones total para su proyecto
€
Calculo de entradas por año para la venta de energía (la instalación > 1kWp)
Mantenimiento de una instalación fotovoltaica y funcionamientoUna instalación fotovoltaica bien dimensionada no da problemas, y su único mantenimiento consiste en la revisión regular de los aparatos según las indicaciones del fabricante. Las averías, en caso de correcto uso, son muy infrecuentes, y las condiciones meterológicas normales -tormentas, granizo de dimensiones usuales- tampoco les afectan.
Instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red eléctricaLa conversión directa de la energía solar en electricidad a través de células fotovoltaicas se ha desarrollado durante los últimos años como una alternativa para el suministro eléctrico en numerosos países. Y en las ocasiones donde el abastecimiento eléctrico por red convencional ya existe, la tendencia será que las células fotovoltaicas trabajen con ella.
Inicialmente, los sistemas fotovoltaicos de conexión a red se desarrolaron para centrales fotovoltaicas de gran tamaño. Ya que se pensó que podrían en un futuro resolver en algunas zonas ciertos problemas existentes en la generación y distribución de energía convencional. Tras examinar que dichas centrales trabajaban correctamente y, en la medida que avanzó el mercado de la electrónica se comenzaron a diseñar sistemas de menor envergadura. Sistemas más pequeños y manejables, con la finalidad de ser instalados a modo de pequeñas centrales domésticas. Sistemas solares totalmente adaptables a viviendas dotadas de acometida convencional de suministro eléctrico.
La primera central fotovoltaica conectada a la red en Europa (9,3 kWp. 13/05/1982 Lugano School of Engineering) se construye para estudiar los efectos de seguridad eléctrica que pudieran darse cuando se conecta una instalación de este tipo a la red pública. A finales de 1998 existían más de 30.000 instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red eléctrica repartidas por todo el mundo.
Hoy existe un claro apoyo institucional a la tecnología fotovoltaica. Buen ejemplo de ello, se encuentra en la lectura de Energía para el futuro, fuentes de energía renovable ( Libro Blanco para una estrategia y un plan de acción comunitarios. Comisión Europea). Donde se muestra la articulación de una campaña para contribuir al despegue real de las energías renovables. La Comisión Europea, en lo referente a fotovoltaica propone fomentar la implantación de un millón de sistemas fotovoltaicos.
Una campaña con la finalidad de construir una base de mercado suficientemente amplia para que los costes de fabricación desciendan de manera sustancial. Un programa de despegue para proteger el mercado interior y fomentar la exportación. A tal efecto, la campaña organizada incluye una iniciativa para la instalación de 500.000 sistemas fotovoltaicos conectados a red y destinados dentro del mercado interior de la UE. Para completarla, incluye una iniciativa de exportación de 500.000 sistemas fotovoltaicos autónomos a los países en desarrollo.
La política energética no es un oráculo, y las perspectivas no son previsiones sino reflexiones sobre la gama de futuros posibles. Teniendo esto último en cuenta y si todo marcha según los planes operativos en EEUU, Japón y Europa, es posible que se alcance el 2010 con más de 1.000.000 de instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red eléctrica en muchos países. Si a esta cifra le sumamos las instalaciones fotovoltaicas autónomas, en la próxima década se formará un mercado fotovoltaico que tendrá un volumen superior a los 2,5 billones de dólares.
Funcionamiento
Un sistema fotovoltaico de conexión a red es un tipo de instalación eléctrica en la que intervienen cinco elementos:
La energía solar.
Un grupo de módulos solares fotovoltaicos convenientemente conectados, y situados de tal manera que reciban la mayor cantidad de luz solar a lo largo del año.
El inversor fotovoltaico de conexión a red eléctrica.
Las protecciones eléctricas.
La red eléctrica.
El principio de funcionamiento es sumamente sencillo:
La energía solar cae sobre el generador fotovoltaico.
Los módulos solares generan electricidad en corriente continua.
La corriente continua, que suministra el generador solar fotovoltaico, pasa por las protecciones eléctricas y se entrega directamente al corazón de un inversor. El control del inversor se encuentra conectado al generador solar y a la red.
El inversor fotovoltaico de conexión a la red es el encargado de proporcionar corriente alterna senoidal, a partir de la energía en corriente continua entregada por los modulos solares fotovoltaicos. La energía que entrega este inversor se encuentra sincronizada con la existente en la red de abastecimiento.
Dicha energía, si no se consume en el mismo sitio donde esté la instalación, es inyectada en frecuencia y fase a la línea de distribución eléctrica existente. De ésta forma queda disponible para otros consumidores.
Y el funcionamiento del sistema solar se realiza de forma completa mente automática, tanto para su puesta en marcha como para su parada:
Al amanecer, los dispositivos de control del sistema miden la potencia disponible en el generador fotovoltaico. Una vez alcanzado el nivel mínimo de funcionamiento, el inversor arranca y comienza la generación de corriente.
Al anochecer, cuando se detecta un nivel de potencia del generador inferior al mínimo con el que puede funcionar, el equipo se desconecta hasta un nuevo amanecer.
Bibliografíahttp://www.censolar.org/menu2.htmhttp://www.enbuenasmanos.com/articulos/muestra.asp?art=1558http://www.web.iesbajoaragon.com/framos/solar1.dochttp://es.wikipedia.org/wiki/Panel_fotovoltaicohttp://es.wikipedia.org/wiki/Acumulador_el%C3%A9ctricohttp://www.atersa.com/763.0.htmlhttp://www.ujaen.es/investiga/solar/07cursosolar/home_main_frame/04_componen/01_generador/01_basico/4_gene_01.htmhttp://energia-solar-si.blogspot.com/http://news.soliclima.com/?seccio=noticiesprof&accio=veure&id=51http://www.robotiker.com/revista/articulo.do;jsessionid=EE3D092DEBFB2747509DACF422E4830A?method=detalle&id=31
