Monografía manual informativo sobre la Energía Solar Fotovoltaica
1- Introducción
• 1.1 Introducción
• 1.2 Que es un sistema de generación eléctrica solar
• 1.3 En España
• 1.4 Uso y Aplicaciones
• 1.4.1 Sistemas aislados de la red eléctrica
• 1.4.2Sistemas conectados a la red eléctrica
• 1.5 Ventajas
• 1.6 Componentes del sistema
2 - Composición Física y Fabricación de Dispositivos Fotovoltaicos
• 2.1 El efecto fotovoltaico
• 2.2 Tipos de celda
• 2.3 Aspectos técnicos de fabricación
• 2.4 Proceso de fabricación de los módulos fotovoltaicos
• 2.5 Ensayos de los módulos
3- Rentabilidad económica
• 3.1 Recursos Financieros
• 3.2 Primas para Instalaciones conectadas a la red electrica
• 3.3 Instalaciones conectadas a la red con potencia inferior a 5 kWp
• 3.4 Instalación conectada a la red de potencia superior a 5 kWp
4 - Curvas Características de las Celdas Fotovoltaicas
• 4.1 Curva corriente vs. tensión (curva I - V )
• 4.2 Efecto de factores ambientales sobre la característica de salida del dispositivo
• 4.3 Combinaciones de celdas y curvas resultantes
• 4.4 Interacción del dispositivo fotovoltaico con la carga
5 - Conformación de los Sistemas de Generación
• 5.1 Autosuficiencia del sistema
• 5.2 Directamente conectados a una carga
• 5.3 Sistema modulo batería
• 5.4 Sistema fotovoltaico, batería y regulador
• 5.5 Batería, inversor
• 5.6 Reguladores de carga de baterías
• 5.7 Baterías
• 5.8 Interacción entre módulos fotovoltaicos y baterías
• 5.9 Tipos de baterías
• 5.10 Baterías selladas
6 - Dimensionamiento de Sistemas Fotovoltaicos y Banco de Baterías
• 6.1 Datos necesarios para dimensionar un sistema
• 6.2 Plantilla de dimensionamiento
• 6.3 Cálculo del numero de módulos necesarios
• 6.4 Cálculo del banco de baterías
• 6.5 Ejemplo práctico
7 - Conexiones y Dimensionamiento de Cables
• 7.1 Conexionado y Dimensionamiento de cables de conexión
8 - Instalación y Mantenimiento
• Ubicación y orientación de los módulos
• 8.2 Ubicación geografica
• 8.3 Mantenimiento de la instalación
• 8.4 Seguridad en la instalación
9. Implantación de tejados fotovoltaicos
10. Presente y futuro de la energía solar fotovoltaica
• 10.1. Planes europeos relativos a energía solarfotovoltaica
• 10.2 Planes nacionales relativos a energía solar fotovoltaica
• 10.3 Fabricantes en España
11. Legislación
• 11.1 Introducción
• 11.2 Objetivos y ámbito del Real Decreto en lo relativo a la energía solar fotovoltaica
• 11.3 Competencias
• 11.4 Procedimiento de presentación de solicitudes
• 11.5 Registro Administrativo
• 11.6 Condiciones de entrega de la energía eléctrica
• 11.7 Criterios
• 11.8 Régimen económico
• 11.9 Real Decreto 1663/2000 de 29 de septiembre fotovoltaicas a la red de baja tensión
• 11.10 CapítuloI
Ámbito de aplicación y definicione
• 11.11 Capítulo II
Conexión de las instalaciones fotovoltaicas a la red de baja tensión
• 11.12 Capítulo III
Condiciones técnicas de las instalaciones fotovoltaicas conectadas
la red en baja tensión
12. Conclusión
1.1 Introducción
La quema de combustibles fósiles está provocando el cambio climático. De las reservas de combustibles fósiles económicamente recuperables actualmente, no podemos quemar ni la cuarta parte si queremos que el planeta sobreviva al peligro del cambio climático. Así que para no sobrepasar los límites ecológicos, la humanidad dispone de un limitado "presupuesto" o cuota de carbono para emitir a la atmósfera en forma de CO2. Al ritmo actual de consumo de combustibles fósiles, ese presupuesto se acabará en unos 30 años, sin olvidar los graves impactos medioambientales que generan la obtención y transporte de estos combustibles.
La energía nuclear, por su parte, ha demostrado ser altamente peligrosa. La mayoría de los países han parado sus programas nucleares por el alto potencial de riesgo que supone su utilización y los importantes problemas que deja sin resolver, como es el almacenamiento a largo plazo de los residuos radiactivos. Todo ello ha provocado un fuerte rechazo por parte de la opinión pública y ha elevado sus costes hasta hacerla inviable desde el punto de vista económico.
Por tanto, es imprescindible y urgente reducir el consumo de energías sucias y sustituirlas por fuentes de energía limpia y renovable, además de mejorar radicalmente la eficiencia de nuestro consumo energético.
Reducir el consumo de energía, a través del ahorro y la eficiencia, es tan necesario como sustituir las fuentes de energía sucias por limpias y renovables. Independientemente de que la energía solar fotovoltaica nos permita convertirnos en generadores de electricidad limpia, siempre debemos buscar una reducción del impacto de nuestro consumo energético sobre el medio ambiente local y global haciendo un uso más eficiente de la energía.
Aunque la energía solar fotovoltaica sólo representa el 0,001 por ciento del suministro de energía eléctrica que satisface las necesidades de consumo en todo el mundo, se prevé un rápido y significativo crecimiento de su implantación, basado en el actual
desarrollo de la tecnología y el compromiso medioambiental de los países más desarrollados. El sector fotovoltaico se sustenta en una tecnología de vanguardia y una industria puntera que en los últimos años está teniendo un crecimiento anual medio superior al 30%.
En el medio plazo, se estima que habrá una reducción importante de costes debido a una mejora de la eficiencia de las tecnologías actuales ,a la optimización de los procesos de fabricación ,a la aplicación de economías de escala y al desarrollo de nuevas tecnologías. En el año 2010 se prevé que los costes serán menores en un 30% para instalaciones aisladas y un 40% en instalaciones conectadas a la red.
Aunque tradicionalmente el uso de la energía solar fotovoltaica ha sido en aplicaciones aisladas de la red eléctrica, desde hace unos años la incorporación de esta tecnología al entorno urbano está facilitando su difusión y desarrollo. Es necesario tener en cuenta que la generación eléctrica fotovoltaica es la única que puede producir, a partir de una fuente renovable, electricidad allí donde se consume, reduciendo la saturación de las redes y disminuyendo las pérdidas en el transporte de electricidad.
1.2 Que es un sistema de generación eléctrica solar
Es una fuente de energía que a través de la utilización de celdas fotovoltaicas convierte en forma directa la energía lumínica en electricidad.
La producción de electricidad mediante paneles solares es especialmente interesante en aquellos puntos de consumo aislados en los que resulta costoso instalar una línea eléctrica. Son también interesantes las instalaciones solares eléctricas conectadas a la red, en las que el propietario vierte toda la electricidad generada a dicha red, vendiéndola con un precio sensiblemente mayor que el coste,de 0,08 Euros/kWh, de la electricidad adquirida,como consecuencia de la prima por kWh establecida por el Real Decreto 2818/1998.
• 1.3 En España
Tanto la producción industrial como la investigación relacionada con la generación eléctrica fotovoltaica que se desarrolla en España ocupan un destacado lugar en el panorama mundial. España hoy es el primer país europeo productor de células y paneles fotovoltaicos,con el 10%de la producción mundial.
La producción de paneles fotovoltaicos en España dispone de las más avanzadas tecnologías y los fabricantes españoles tienen instalaciones y procesos productivos que sitúan a nuestro país en el tercer puesto a escala mundial, después de Estados Unidos y Japón. Para conseguir unas elevadas prestaciones en todo el sistema industrial fotovoltaico es necesaria una intensa y continuada actividad de I+D,tanto en las propias industrias como en los centros de investigación. La industria fotovoltaica está concentrando su actividad de I+D en:
• El desarrollo de paneles fotovoltaicos con mayores niveles de eficiencia y menor coste de fabricación.
• La mejora de la eficiencia de los dispositivos de electrónica de potencia, de transformación y de protección.
Por otro lado, existen en España más de 25 centros de I+D dedicados a la
investigación en este campo.
Estos datos contrastan con el actual nivel de implantación de la energía solar fotovoltaica en España, pues la potencia instalada en toda España hasta el año 2001 es poco más de 15 MWp (aproximadamente 5,3 MWp pertenecen instalaciones conectadas a red y el resto a instalaciones aisladas),cuando en países como Alemania la potencia instalada es doce veces más elevada.
Según datos del Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE),la potencia solar fotovoltaica instalada a finales del año 2001 en las diferentes Comunidades Autónomas era en MWp :
Andalucia 4.09
Aragón 0.27
Asturias 0.18
Baleares 0.89
Canarias 0.91
Cantabria 0.03
Castilla León 0.95
Castilla la Mancha 1.34
Cataluña 2.33
Comunidad Valenciana 0.84
Extremadura 0.42
Galicia 0.13
La Rioja 0.05
Madrid 0.42
Murcia 0.13
Navarra 1.72
País Vasco 0.23
La industria fotovoltaica española proporciona empleo directo a más de 2.500
personas. De las cuales 1.800 tienen sus puestos de trabajo en procesos de
fabricación (un 15% corresponden a titulados superiores) y 700 en las fases
de comercialización y desarrollo e instalación de proyectos. A su vez, proporciona empleo indirecto a más de 1.250 personas.
1.4 Uso y Principales aplicaciones:
Hay dos formas de utilizar la energía eléctrica generada a partir del efecto
fotovoltaico:
• En instalaciones aisladas de la red eléctrica.
• En instalaciones conectadas a la red eléctrica convencional.
Mientras que en las primeras la energía generada se almacena en baterías para así disponer de su uso cuando sea preciso, en las segundas toda la energía generada se envía a la red eléctrica convencional para su distribución donde sea demandada.
Sistemas aislados de la red eléctrica
Estos sistemas se emplean sobre todo en aquellos lugares en los que no se tiene acceso la red eléctrica y resulta más económico instalar un sistema fotovoltaico que tender una línea entre la red y el punto de consumo. Como los paneles sólo producen energía en las horas de sol y la energía se necesita durante las 24 horas del día, es necesario un sistema de acumulación. Durante las horas de luz solar hay que producir más energía de la que se consume, para acumularla y posteriormente poder utilizarla cuando no se esté generando.
La cantidad de energía que se necesita acumular se calcula en función de las condiciones climáticas de la zona y el consumo de electricidad. De tal manera que en una zona donde haya muchos días soleados al año habrá que acumular poca energía. Si el periodo sin luz no es suficientemente largo, hay que acumular más energía.
El número de paneles a instalar debe calcularse teniendo en cuenta:
* la demanda energética en los meses más desfavorables.
* las condiciones técnicas óptimas de orientación e inclinación, dependiendo del lugar de la instalación.
Para optimizar el sistema es necesario calcular correctamente la demanda con el fin de no sobredimensionar la instalación. Conviene utilizar electrodomésticos e iluminación de bajo consumo, para que de esta manera el sistema sea más económico. Actualmente existe una gran variedad de estos productos de bajo consumo.
Las principales aplicaciones de los sistemas aislados de la red eléctrica son:
•Aplicaciones espaciales :Desde los orígenes de la aventura espacial los satélites y naves espaciales han utilizado paneles solares fotovoltaicos para alimentar sus equipos electrónicos.
•Sector de gran consumo: Calculadoras, relojes , etc.
•Telecomunicaciones: Existen multitud de equipos de telecomunicaciones situados en zonas de difícil acceso, alejados de la red eléctrica, alimentados por energía solar fotovoltaica. En estos casos, normalmente, la solución solar es la más económica y fiable. Son ejemplos característicos: repetidores de televisión, equipos de radio, antenas de telefonía móvil, etc..
•Señalización:La señalización marítima y terrestre es una de las grandes aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos. Así son numerosos los ejemplos en balizamiento de aeropuertos, señalización de carreteras y puertos, etc...
•Bombeo:Al estar los pozos alejados de la red eléctrica, el bombeo con energía fotovoltaica es una solución muy adecuada. Estas instalaciones se adaptan muy bien a las necesidades ya que en los meses más soleados, que es normalmente cuando más agua se necesita, es cuando más energía se produce. En estos sistemas el almacenamiento de energía suele ser en forma de energía potencial, bombeando el agua a depósitos elevados.
•Zonas protegidas: En parajes naturales, donde por motivos de protección ambiental se recomienda no instalar tendidos eléctricos aéreos, en ocasiones, resulta más rentable utilizar sistemas fotovoltaicos en lugar de tendidos subterráneos o grupos electrógenos que utilizan combustibles fósiles.
•Electrificación de viviendas aisladas: La distancia del punto de consumo a la red eléctrica puede hacer, en muchos casos, más rentable esta aplicación debido no solo al coste de instalar el tendido eléctrico sino también a la calidad del suministro eléctrico al evitarse cortes de electricidad, muy frecuentes en lugares aislados.
•Alumbrado de calles y carreteras :La posibilidad de utilizar sistemas de iluminación autónomos de fácil instalación y mínima obra civil hace que sea una solución adecuada en muchas ocasiones.
1.4.2 Sistemas conectados a la red eléctrica
En los lugares que disponen de electricidad, la conexión a red de los sistemas fotovoltaicos contribuyen a la reducción de emisiones de dióxido de carbono (CO 2 )a la atmósfera. Esta aplicación se ajusta muy bien a la curva de demanda de la electricidad. El momento en que más energía generan los paneles, cuando hay luz solar, es cuando más electricidad se demanda. En España, la electricidad generada con sistemas fotovoltaicos goza de una prima que mejora su rentabilidad económica. Al instalar un sistema fotovoltaico conectado a la red, se dispone de una minicentral eléctrica que inyecta kWh verdes a la red para que se consuman allí donde sean demandados, lo que elimina las pérdidas en transporte de electricidad.
Para que estas instalaciones sean técnicamente viables es necesario:
– La existencia de una línea de distribución eléctrica cercana con capacidad para admitir la energía producida por la instalación fotovoltaica.
– La determinación,,con la compañía distribuidora, del punto de conexión
–Proyectar un sistema que incluya equipos de generación y transformación de primera calidad, con las protecciones establecidas y debidamente verificados y garantizados por los fabricantes, de acuerdo a la legislación vigente.
–Una instalación realizada por un instalador especializado.
En las instalaciones conectadas a red, el tamaño de la instalación no depende del consumo de electricidad de la vivienda o edificio, lo que simplifica enormemente su diseño. Para dimensionar la instalación es necesario conocer la inversión inicial, el espacio disponible y la rentabilidad que se quiere obtener ya que el consumo de electricidad es independiente de la energía generada por los paneles fotovoltaicos. El usuario sigue comprando la electricidad que consume a la distribuidora al precio establecido y además es propietario de una instalación generadora de electricidad que puede facturar los kWh producidos a un precio superior.
Las principales aplicaciones de los sistemas conectados a la red eléctrica son:
• Tejados de viviendas: Son sistemas modulares de fácil instalación donde se aprovecha la superficie de tejado existente para sobreponer los módulos fotovoltaicos. El peso de los paneles sobre el tejado no supone una sobrecarga para la mayoría de los tejados existentes.
• Una instalación de unos 3 kWp que ocupa cerca de 30 m
de tejado, inyectaría a la red tanta energía como la consumida por la vivienda a lo largo del año.
Para ofrecer una solución más económica se están utilizando sistemas prefabricados ue reducen notablemente el tiempo de realización de la instalación y aumentan su fiabilidad. Una vez terminada la instalación, el sistema fotovoltaico es un elemento más de la vivienda, aportando una fuente adicionable producción de electricidad y un gran valor ecológico añadido.
Por sus características y la actual reglamentación en España, se prevé que sea
la aplicación más extendida en los próximos años.
* Integración en edificios: En esta aplicación es prioritario el nivel de integración del elemento fotovoltaico en la estructura del edificio. Por integración fotovoltaica debemos entender la sustitución de elementos arquitectónicos convencionales por nuevos elementos arquitectónicos que incluyen el elemento fotovoltaico, y que por lo tanto son generadores de energía.
Tanto para aplicaciones aisladas de la red eléctrica, como para las conectadas a ella es necesario cuidar la incorporación de los sistemas fotovoltaicos al entorno, rural o urbano. Pero es en las aplicaciones urbanas conectadas red, en las que se unen exigencias urbanísticas a las motivaciones medioambientales, donde la integración tiene más relevancia. La demanda de energía del sector terciario en la Unión Europea esta creciendo de forma significativa, por lo que la integración de sistemas fotovoltaicos en edificios, con aportaciones energéticas en las horas punta, contribuye reducir la producción diurna de energía convencional.
Las aplicaciones de integración en edificios más frecuentes :
–Recubrimiento de fachadas
–Muros cortina
–Parasoles en fachada
–Pérgolas
–Cubiertas planas acristaladas
–Lucernarios en cubiertas
–Lamas en ventanas
–Tejas
Para conseguir una mejor integración del elemento fotovoltaico en los edificios es necesario tenerlo en cuenta desde el inicio del diseño del edificio. De esta manera se podrá conseguir mejorar el aspecto exterior y el coste del edificio al poderse sustituir elementos convencionales por los elementos fotovoltaicos .A veces es necesario sacrificar parte del rendimiento energético por mantener la estética del edificio.
1.5 Ventajas fundamentales:
- No consume combustible
- No produce polución ni contaminación ambiental
- Es silencioso
- Tiene una vida útil superior a 20 años
- Es resistente a condiciones climáticas extremas: (granizo, viento, temperatura y humedad)
- No posee partes mecánicas, por lo tanto no requiere mantenimiento, excepto limpieza del panel
- Permite aumentar la potencia instalada mediante la incorporación de nuevos módulos.
1.6 Componentes del sistema:
Corriente continua 12V:
- Paneles o módulos de celdas fotovoltaicas
- El soporte para los mismos
- Regulador de carga de baterías y el Banco de baterías
Corriente alterna 110/220V:
Es necesario instalar además entre las baterías y el consumo un Inversor de corriente de capacidad adecuada (el Inversor convierte la corriente continua o DC del modulo o generador solar en corriente alterna o AC. Dicha corriente alterna es utilizada típicamente por la mayoría de los equipos eléctricos domésticos).
2 - Composición Física y Fabricación de Dispositivos Fotovoltaicos
2.1 Efecto fotovoltaico
Los módulos se componen de celdas solares de silicio (o fotovoltaicas). Estas son semiconductoras eléctricas debido a que el silicio es un material de características intermedias entre un conductor y un aislante.
Presentado normalmente como arena, mediante métodos adecuados, se obtiene el silicio en su forma pura. El cristal de silicio puro no posee electrones libres y por lo tanto resulta un mal conductor eléctrico. Para cambiar esto se le agregan porcentajes de otros elementos. Este proceso se denomina dopado. Mediante el dopado de silicio con fósforo se obtiene un material con electrones libres o material con portadores de carga negativa (silicio tipo N). Realizando el mismo proceso, pero agregando Boro en lugar de fósforo, se obtiene un material de características inversas; esto es déficit de electrones o material con cargas positivas libres o huecos (silicio tipo P). Cada celda solar se compone de una delgada capa de material tipo N y otra de mayor espesor de material tipo P ( Ver gráfico Fig.2 ).
Ambas capas separadas son eléctricamente neutras, pero al ser unidas, justamente en la unión (P-N), se genera un campo eléctrico debido a los electrones libres del silicio tipo N que ocupan los huecos de la estructura del silicio tipo P.
GRAFICO (Fig. 2)
Al incidir la luz sobre la celda fotovoltaica, los fotones que la integran chocan con los electrones de la estructura del silicio dándoles energía y transformándolos en conductores. Debido al campo eléctrico generado en la unión (P-N), los electrones son orientados, fluyendo de la capa "P" a la capa "N". Mediante un conductor externo, se conecta la capa negativa a la positiva, generándose así un flujo de electrones (corriente eléctrica) en la conexión. Mientras la luz siga incidiendo en la celda, el flujo de electrones se mantendrá. La intensidad de la corriente generada, variará proporcionalmente según la intensidad de luz incidente. Cada módulo fotovoltaico se conforma de una determinada cantidad de celdas conectadas en serie. Como vimos anteriormente, al unirse la capa negativa de una celda a la positiva de la siguiente, los electrones fluyen a través de los conductores de una celda a la otra. Este flujo se repite hasta llegar a la última celda del módulo, de la cual fluyen hacia el acumulador o batería. Cada electrón que abandona el módulo es reemplazado por otro que regresa del acumulador> o batería. El cable de la interconexión entre módulo y batería contiene el flujo, de manera tal que cuando un electrón abandona la última celda del módulo y se dirige hacia la batería, otro electrón ingresa a la primera celda desde la batería. Es por esto que se considera inagotable a un dispositivo fotovoltaico. Produce energía eléctrica como respuesta a la energía lumínica que ingresa en el mismo. Cabe aclarar que una celda fotovoltaica no puede almacenar energía eléctrica.
2.2 Tipos de Celdas:
Existen tres tipos de celdas; dependiendo su diferenciación según el método de fabricación.
- Silicio Monocristalino:
Estas celdas se obtienen a partir de barras cilíndricas de silicio Monocristalino producidas en hornos especiales.
Las celdas se obtienen por cortado de las barras en forma de obleas cuadradas delgadas (0,4-0,5 mm de espesor). Su eficiencia en conversión de luz solar en electricidad es superior al 12%.
En este caso el silicio que compone las células de los módulos es un único cristal. La red cristalina es la misma en todo el mate-rial y tiene muy pocas imperfecciones. El proceso de cristalización es complicado y costoso, pero, sin embargo, es el que proporciona la mayor eficiencia de conversión de luz en energía eléctrica.
- Silicio Policristalino:
Estas celdas se obtienen a partir de bloques de silicio obtenidos por fusión de trozos de silicio puro en moldes especiales. En los moldes, el silicio se enfría lentamente, solidificándose. En este proceso, los átomos no se organizan en un único cristal. Se forma una estructura policristalina con superficies de separación entre los cristales, por tanto, el proceso de cristalización no es tan cuidadoso y la red cristalina no es la misma en todo el material. Este proceso es más barato que el anterior pero se obtienen rendimientos ligeramente inferiores.
Su eficiencia en conversión de luz solar en electricidad es algo menor a las de silicio Monocristalino.
- Silicio Amorfo:
Estas celdas se obtienen mediante la deposición de capas muy delgadas de silicio sobre superficies de vidrio o metal.
Su eficiencia en conversión de luz solar en electricidad varía entre un 5 y un 7%.
• 2.3 Aspectos tecnicos de fabricación
En primer lugar, para generar electricidad solar fotovoltaica se necesita un generador fotovoltaico, es decir un conjunto de módulos conectados entre ellos junto con el cableado, y (en su caso) los soportes de la instalación.
En segundo lugar, para transformar la electricidad (corriente continua) producida por un generador solar fotovoltaico en electricidad con las mismas características que la de la red convencional (corriente alterna a 220 voltios y frecuencia de 50 hz) se necesita un inversor. Existen diferentes tipos de inversores, pero se considera recomendable escogerlo en función del tamaño de la instalación que se ha realizado o se pretende realizar. El inversor se instala entre el generador fotovoltaico y el punto de conexión a la red. En el mercado también se encuentran inversores incorporados a los módulos fotovoltaicos, formando un único sistema compacto que se puede conectar directamente a las cargas (es decir, conectándolos a cualquier enchufe inyectan corriente en él). Hoy por hoy pueden no resultar todavía recomendables toda vez que es necesario garantizar la calidad de la corriente alterna producida para conectarla a la red general y por los posible inconvenientes que te pueden plantear en los trámites legales y administrativos para conseguir facturar la energía limpia vertida a la red eléctrica.
La prima que se reciba vendrá determinada por el valor del inversor y no por la potencia instalada en paneles solares fotovoltaicos.
Una vez la electricidad solar ha sido transformada por el inversor,
TODA LA ENERGÍA PRODUCIDA SE INYECTA A LA RED, CON LAS VENTAJAS ECONÓMICAS Y MEDIOAMBIENTALES QUE ESTO SUPONE.
El generador fotovoltaico necesita dos contadores ubicados entre el inversor y la red; uno para cuantificar la energía que se genera e inyecta en la Red para su posterior remuneración, y el otro para cuantificar también el pequeño consumo (Ø 2kW) del inversor fotovoltaico en ausencia de radiación solar así como garantía para la compañía eléctrica de posibles consumos que el titular de la instalación pudiera hacer. El suministro de electricidad al edificio se realizaría desde la red, con su propio contador, siendo una instalación totalmente independiente y en paralelo con la instalación fotovoltaica.
Si el sistema fotovoltaico está instalado tal como requieren las normativas vigentes en cuanto a conexión a red, es decir en paralelo al contador de consumo eléctrico del edificio, toda la electricidad producida por el sistema fotovoltaico se vende a la red, mientras que se sigue consumiendo electricidad de la red con normalidad, como antes.
Hay que tener en cuenta que los sistemas fotovoltaicos conectados a la red no requieren ningún sistema de acumulación de energía (baterías), a diferencia de los sistemas aislados, con lo cual son más baratos, y fiables, puesto que toda la energía producida se inyecta en la Red se evita que se pierda la energía generada cuando los acumuladores estén completamente llenos, y principalmente, nos ahorramos su mantenimiento, además de evitar los problemas derivados del uso de baterías (conservación, descargas limitadas, eliminación posterior...)
Con un sistema conectado a red, el usuario no percibe ningún cambio en el servicio eléctrico que recibe, manteniendo las mismas ventajas (seguridad de suministro) e inconvenientes (riesgo de eventuales cortes de luz), pero sabiendo que cada kW que produzca el generador fotovoltaica es uno menos que generaran las centrales contaminantes.
2.4 Proceso de Fabricación de los módulos fotovoltaicos:
El módulo fotovoltaico está compuesto por celdas individuales conectadas en serie. Este tipo de conexión permite adicionar tensiones (voltajes). La tensión nominal del módulo será igual al producto del número de celdas que lo componen por la tensión de cada celda (aprox. 0,5 Volts). Generalmente se producen módulos formados por 30, 32, 33 y 36 celdas en serie, según la aplicación requerida.
Se busca otorgarle al módulo rigidez en su estructura, aislación eléctrica y resistencia a los agentes climáticos. Por esto, las celdas conectadas en serie son encapsuladas en un plástico elástico (Etilvinilacelato) que hace las veces de aislante eléctrico, un vidrio templado de bajo contenido de hierro, en la cara que mira al sol, y una lámina plástica multicapa (Poliéster) en la cara posterior. En algunos casos el vidrio es reemplazado por una lámina de material plástico transparente.
El módulo tiene un marco que se compone de aluminio o de poliuretano y cajas de conexiones a las cuales llegan las terminales positivo y negativo de la serie de celdas. En las borneras de las cajas se conectan los cables que vinculan el módulo al sistema.
Etapas del proceso de fabricación del módulo:
- Prueba eléctrica y clasificación de las celdas - Interconexión eléctrica de las celdas entre sí - Ensamble del conjunto. Colocación de las celdas soldadas entre capas de plástico encapsulante y láminas de vidrio y plástico. - Laminación del módulo. El conjunto se procesa en una máquina semiautomática a alto vacío que, por un proceso d calentamiento y presión mecánica, conforma el laminado. - Curado. El laminado es procesado en un horno de temperatura controlada en el cual se completa la polimerización de plástico encapsulante y se logra la perfecta adhesión de los distintos componentes. El conjunto, después del curado forma una sola pieza -Enmarcado. Se coloca primero un sellador elástico en todo el perímetro del laminado y luego los perfiles de aluminio que forman el marco. Se usan máquinas neumáticas para lograr la presión adecuada. Los marcos de poliuretano se colocan utilizando máquinas de inyección.
- Colocación de terminales, borneras, diodos y cajas de conexiones
- Prueba final
2.5 Ensayo de los módulos:
Sobre los módulos debe medirse y observarse:
- Características eléctricas operativas
- Aislación eléctrica (a 3000 Volt de C.C.)
- Aspectos físicos, defectos de terminación, etc.
- Resistencia al impacto
- Resistencia a la tracción de las conexiones
- Resistencia a la niebla salina y a la humedad ambiente
- Comportamiento a temperaturas elevadas por tiempos prolongados (100 grados centígrados durante 20 días)
- Estabilidad al ciclado térmico
3 Rentabilidad economica
3.1 Recursos Financieros
La demanda social a favor de la energía fotovoltaica se ha traducido en el establecimiento de normativas y ayudas que priman el vertido a la red de toda la electricidad generada con sistemas fotovoltaicos, y que subvencionan a la inversión en este tipo de instalaciones.
En las instalaciones conectadas a red, se reciben retornos económicos por el esfuerzo financiero realizado en la inversión, al vender a la compañía distribuidora los kWh producidos al precio del mercado más una prima, por ser un kWh de generación solar fotovoltaica.
El análisis económico en estos casos se puede realizar con los
métodos de análisis de inversiones, siendo uno de las más utilizados, y el que se empleará en este capítulo, el de los años de recuperación de la inversión realizada. Se considera que un titular de una instalación fotovoltaica querrá recuperar su inversión en diez años o menos, ya que periodos de recuperación superiores, son disuasorios incluso para las personas con alta conciencia medioambiental. En las instalaciones aisladas, al no poder vender el kWh a terceros, sino que la electricidad limpia generada es para consumo propio, no existe la posibilidad de un flujo de caja a lo largo de la vida de la instalación. Los retornos no son directamente económicos sino que provienen de la satisfacción y utilidad de consumir la electricidad generada.
3.2 Primas para Instalaciones conectadas a la red electrica
Las primas aplicables a la electricidad generada por los sistemas fotovoltaicos
varían según la potencia de las instalaciones:
•Las instalaciones de menos de 5 kWp de potencia reciben una prima de 0,360607 Euros/kWh sobre el valor de subasta de la electricidad en la red. Sumándole el precio medio del kWh del mercado,se puede vender la electricidad vertida a la red a 0,396668 Euros/kWh.
•Las instalaciones de más de 5 kWp de potencia reciben una prima de 0,180304 Euros/kWh sobre el valor de subasta de la electricidad en la red. Sumándole el precio medio de la energía determinado por el mercado,el precio de venta de la electricidad vertida a la red es de 0,216364 Euros/kWh.
•La prima la pagan en último término todos los consumidores de electricidad en España,que pagan un porcentaje infinitesimal de su facturación eléctrica para este propósito.
Para el cálculo de la prima,se considera como potencia de la instalación fotovoltaica o potencia nominal,la suma de las potencias de los onduladores instalados. Así mismo para fomentar estas aplicaciones las Administraciones Públicas establecen ayudas a fondo perdido a la inversión inicial.
3.3 Instalaciones conectadas a la red con potencia inferior a 5 kWp
Normalmente, estas instalaciones aprovechan las estructuras de las viviendas y edificios, colocando sobre ellos paneles fotovoltaicos, que vierten a la red toda la electricidad producida.
El cálculo de la superficie de paneles a instalar puede seguir dos criterios distintos: Instalaciones a medida, ocupando la máxima estructura disponible, siempre que reúnan las adecuadas condiciones técnicas y de orientación. Instalaciones estándar, propuestas por los diferentes instaladores, a fin de minimizar el precio específico de la instalación.
Para la segunda alternativa, que es la más común, se plantea el análisis económico siguiente:
Para una instalación de una potencia instalada total de 3 kWp, Inversión inicial 22.500 Euros Producción anual de electricidad 3.600 kWh
(con insolación equivalente de 1.200 horas pico y 4.500 kWh con 1.500 horas pico)
3.4 Instalación conectada a la red de potencia superior a 5 kWp
La incorporación de instalaciones fotovoltaicas de potencia superior a 5 kWp, en edificios hoteles, oficinas, complejos deportivos, etc.,suponen aportaciones de electricidad en las horas punta, que en muchos casos coincide con la punta de demanda de esos mismos edificios. A estas instalaciones les corresponde un precio de venta de electricidad de 0,22 Euros/kWh.
Aunque por su tamaño se puede conseguir un precio total instalado inferior al de las instalaciones menores de 5 kWp ,el menor valor de la prima hace que las rentabilidades disminuyan considerablemente. Se pueden considerar tres tipos de instalaciones de más de 5kWp:
•Instalaciones medias entre 5 y 100 kWp, integradas y condicionadas por el diseño arquitectónico del edificio. Su coste de inversión se estima
alrededor de 7 Euros/W instalado.(En el coste total del edificio, existirá un ahorro debido a la sustitución de elementos arquitectónicos convencionales por elementos fotovoltaicos integrados).
•Instalaciones grandes entre 100 kWp y 1 MWp, no integradas en Edificios, de valor típico 300 kWp. El coste de la instalación es de 6 Euros/W instalado.
•Centrales de mayor potencia,plantas de varios megavatios,cuyo módulo de diseño es de 1 MWp,con costes del orden de 4,8 Euros/W instalado para una central de 3 MWp.
4 - Curvas Características de las Celdas Fotovoltaicas
4.1 Curva de corriente vs tensión (curva I-V)
La representación típica de la característica de salida de un dispositivo fotovoltaico (celda, módulo, sistema) se denomina curva corriente tensión.
La corriente de salida se mantiene prácticamente constante dentro del rango de tensión de operación y, por lo tanto el dispositivo se puede considerar como una fuente de corriente constante en este rango
La corriente y tensión a la cual opera el dispositivo fotovoltaico están determinadas por la radiación solar incidente, por la temperatura ambiente, y por las características de la carga conectadas al mismo.
Los valores trascendentes de esta curva son:
Corriente de cortocircuito (Icc) : Máxima corriente que puede entregar un dispositivo bajo condiciones determinadas de radiación y temperatura correspondiendo a tensión nula y consecuentemente a potencia nula.
Tensión de circuito abierto (Vca) : Máxima tensión que puede entregar un dispositivo bajo condiciones determinadas de radiación y temperatura correspondiendo a circulación de corriente nula y consecuentemente a potencia nula.
Potencia Pico (Pmp) Es el máximo valor de potencia que puede entregar el dispositivo. Corresponde al punto de la curva en el cual el producto Vx I es máximo.
Corriente a máxima potencia (Imp) : Corriente que entrega el dispositivo a potencia máxima bajo condiciones determinadas de radiación y temperatura. Se la utiliza como corriente nominal del mismo.
Tensión a máxima potencia (Vmp): tensión que entrega el dispositivo a potencia máxima bajo condiciones determinadas de radiación y Temp. Se la utiliza como tensión nominal del mismo .
4.2 Efecto de factores ambientales sobre la característica de salida del dispositivo.
Efecto de la intensidad de radiación solar
El resultado de un cambio en la intensidad de radiación es una variación en la corriente de salida para cualquier valor de tensión
La corriente varía con la radiación en forma directamente proporcional.
La tensión se mantiene prácticamente constante.
Efecto de la temperatura
El principal efecto provocado por el aumento de la temperatura del módulo es una reducción de la tensión en forma directamente proporcional. Existe un efecto secundario dado por un pequeño incremento de la corriente para valores bajos de tensión.
Es por ello que para lugares con temperaturas ambientes muy altas son aptos módulos que poseen mayor cantidad de celdas en serie para que los mismos tengan la suficiente tensión de salida para cargar baterías.
4.3 Combinaciones de celdas y curvas resultantes
La tensión en el punto de máxima potencia de salida para una celda es de aproximadamente 0,5 Volts a pleno sol.
La corriente que entrega una celda es proporcional a la superficie de la misma y a la intensidad de la luz. Es por ello que para lograr módulos con corrientes de salida menores se utilizan en su fabricación tercios, cuartos, medios, etc. de celdas.
Un módulo fotovoltaico es un conjunto de celdas conectadas en serie( se suman sus tensiones) que forman una unidad con suficiente tensión para poder cargar una batería de 12 volts de tensión nominal (Esta batería necesita entre 14 y 15 Volts para poder cargarse plenamente). Para lograr esta tensión se necesitan entre 30 y 36 celdas de silicio Monocristalino conectadas en serie.
4.4 Interacción del dispositivo fotovoltaico con la carga
La curva I-V corregida para las condiciones ambientales reinantes, es solo parte de la información necesaria para saber cual será la característica de salida de un módulo. La otra información imprescindible es la característica operativa de la carga a conectar. Es la carga la que determina el punto de trabajo en la curva I-V
Potencia máxima de salida durante el día
La característica I - V del módulo varía con las condiciones ambientales (radiación, temperatura) Ello quiere decir que habrá una familia de curvas I-V que nos mostrarán las características de salida del módulo durante el día y una época del año.
La curva de potencia máxima de un módulo en función de la hora del día tiene la forma indicada en la siguiente grafica
La cantidad de energía que el módulo es capaz de entregar durante el día esta representada por el área comprendida bajo la curva de la grafica anterior y se mide en Watts hora/día.
Se observa que no es posible hablar de un valor constante de energía entregada por el módulo en Watts hora ya que varía dependiendo de la hora del día. Será necesario entonces trabajar con valores de cantidad de energía diarios entregados. (Watts hora/día).
Interacción con una carga resistiva
En el ejemplo más simple, si se conectan los bornes de un módulo a los de una lámpara incandescente (que se comporta como una resistencia eléctrica) el punto de operación del módulo será el de la intersección de su curva característica con una recta que representa gráficamente la expresión I = V / R Siendo R la resistencia de la carga a conectar.
Interacción con una batería
Una batería tiene una tensión que depende de su estado de carga, antigüedad, temperatura, régimen de carga y descarga, etc. Esta tensión se la impone a todos los elementos que están conectados a ella, incluyendo el módulo fotovoltaico. .
Es incorrecto pensar que un módulo que tiene una tensión máxima de salida de 20 volts llevará a una batería de 12 volts a 20 volts y la dañará . Es la batería la que determina el punto de operación del módulo.
La batería varía su rango de tensión entre 12 y 14 volts.
Dado que la salida del módulo fotovoltaico se ve influenciada por las variaciones de radiación y de temperatura a lo largo del día, esto se traducirá en una corriente variable que ingresa a la batería.
Interacción con un motor de corriente continua
Un motor de corriente continua tiene también una curva I-V.
La intersección de ella con la curva I-V del módulo determina el punto de operación.
Cuando se conecta un motor directamente al sistema fotovoltaico, sin batería ni controles de por medio se disminuyen los componentes involucrados y por lo tanto aumenta la confiabilidad.
Pero como muestra la grafica anterior , no se aprovechará la energía generada en las primeras horas de la mañana y al atardecer.
5 - Conformación de los Sistemas de Generación
5.1 Autosufiencia del sistema
La electricidad generada por el sistema fotovoltaico depende fundamentalmente del tipo y cantidad de módulos instalados, de su orientación e inclinación, y de la radiación solar que les llegue, así como de la bondad técnica de la instalación. La potencia nominal (en vatios pico o kilovatios pico) de los módulos nos indica la energía que producirían al mediodía de un día soleado, más o menos. En esas condiciones, un módulo de 40 Wp de potencia nominal produciría 40 Wh (vatios-hora) de energía si durante una hora recibe esa radiación máxima; el resto del día, en que la radiación es menor, la potencia real (y por tanto la energía producida) será menor. Hay que tener en cuenta que la generación de electricidad solar se produce durante el día, que coincide con las horas punta de consumo en muchos edificios, y que se obtiene en el propio lugar de consumo, disminuyendo las pérdidas en concepto de transporte y distribución de energía.
A menudo se plantea acercarse a la autosuficiencia, y lo primero es recordar que el Real Decreto 1663/2000 establece los requisitos administrativos y técnicos en los que un sistema solar fotovoltaico se puede conectar a la red de baja tensión. Toda la energía producida se vierte a la red eléctrica independientemente del consumo que se tenga, ya que este consumo se realiza a través de la conexión convencional que se tuviera antes de la instalación de los paneles. De esta manera es más favorable desde el punto de vista económico y medioambiental.
Un caso distinto son los sistemas aislados (donde la autosuficiencia es una necesidad). Se considera que para producir el equivalente al consumo de energía doméstico de una familia se suele requerir una potencia fotovoltaica instalada de entre menos de 1 kWp y 3 ó 4 kWp, en función del uso de la energía que se haga (hábitos de consumo más o menos despilfarradores) y de la eficiencia energética de los aparatos eléctricos utilizados: iluminación, electrodomésticos, etc.
Este tipo de instalaciones requieren de un sistema de acumulación ya que el consumo, evidentemente, no siempre coincide con los momentos de irradiación solar. Además, es necesario prever dicha acumulación para hacer frente a periodos de condiciones climáticas desfaborables.
Los aparatos de consumo deben ser de alta eficiencia existiendo en el mercado electrodomésticos especialmente diseñados para trabajar en este tipo de instalaciones y alimentados generalmente en corriente continua 12 Vdc ó 24 Vdc.
El primer paso en el diseño de una instalación para electrificación rural es el de estimar el consumo diario medio de la instalación, para ello debemos tener en cuenta la potencia consumida y el tiempo de funcionamiento de cada aparato ó lámpara. El consumo obtenido lo incrementamos en un 20 % para compensar las pérdidas en la instalación.
La capacidad total del acumulador la calcularemos multiplicando el consumo diario medio obtenido, teniendo en cuenta las pérdidas, por el número de días consecutivos que es previsible que la irradiación solar sea nula ó insuficiente. Este número dependerá principalmente de la zona y el tipo de clima, existiendo tablas en las que podemos obtener dichos valores.
Una vez tenemos la capacidad necesaria para la batería de acumuladores, dividimos por la tensión de suministro y obtendremos el valor de la acumulación en amperios-hora que es la unidad utilizada para referirnos a capacidades de acumulación.
5.2 Directamente conectados a una carga
Es el sistema mas simple en el cual el generador fotovoltaico se conecta directamente a la carga, normalmente un motor de corriente continua. Se utiliza fundamentalmente en bombeo de agua. Al no existir baterías ni componentes electrónicos aumenta la confiabilidad pero resulta difícil mantener una performance eficiente a lo largo del día.
5.3 Sistema módulo batería
Se puede utilizar un módulo fotovoltaico para reponer simplemente la autodescarga de una batería que se utilice para el arranque de un motor, por ejemplo. Para ello pueden utilizarse los módulos de silicio amorfo o Monocristalino.
Otra importante aplicación en la que el sistema fotovoltaico se conecta en forma directa a la batería es en sistemas de electrificación rural de pequeña potencia.
En estos casos se utilizan uno o dos módulos de silicio Monocristalino de 30 celdas cada uno conectados en paralelo para lograr la potencia deseada
5.4 Sistema fotovoltaico, batería y regulador
Es la configuración utilizada con módulos de 33 o 36 celdas en la cual se conecta el generador fotovoltaico a una batería a través de un regulador para que esta no se sobrecargue. Las baterías alimentan cargas en corriente continua.
5.5 Batería, inversor
Cuando se necesite energía en corriente alterna se podrá incluir un inversor. La potencia generada en el sistema fotovoltaico podrá ser transformada íntegramente en corriente alterna o podrán alimentarse simultáneamente cargas de corriente continua (C.C.) y de corriente alterna (C.A.)
5.6 Reguladores de carga de baterías
Existen diversos tipos de reguladores de carga.
El diseño mas simple es aquel que involucra una sola etapa de control. El regulador monitorea constantemente la tensión de batería.
Cuando dicha tensión alcanza un valor para el cual se considera que la batería se encuentra cargada (aproximadamente 14.1 Volts para una batería de plomo ácido de 12 Volts nominales) el regulador interrumpe el proceso de carga. Esto puede lograrlo abriendo el circuito entre los módulos fotovoltaicos y la batería ( control tipo serie ) o cortocircuitando los módulos fotovoltaicos (control tipo shunt). Cuando el consumo hace que la batería comience a descargarse y por lo tanto a bajar su tensión, el regulador reconecta el generador a la batería y vuelve a comenzar el ciclo.
En el caso de reguladores de carga cuya etapa de control opera en dos pasos, la tensión de carga a fondo de la batería puede ser algo mayor a 14,1 Volts.
El regulador queda definido especificando su nivel de tensión (que coincidirá con el valor de tensión del sistema) y la corriente máxima que deberá manejar.
Para ilustrarlo con un ejemplo sencillo, se supone que se tiene que alimentar una vivienda rural con consumo en 12 Vcc. y para ello se utilizan dos módulos fotovoltaicos.
La corriente máxima de estos módulos es Imp = 2,75 A y la corriente de cortocircuito Icc. = 3 A.
Al estar los módulos en paralelo la corriente total máxima que deberá controlar el regulador será
I total = 2 x 3 A =6 A
Se considera la corriente de cortocircuito para contemplar la peor situación.
El regulador a elegir, por lo tanto, deberá estar diseñado para trabajar en una tensión de 15 Volts (tensión de trabajo de los módulos) y manejar una corriente de 6 A.
5.7 Baterías
La función prioritaria de las baterías en un sistema de generación fotovoltaico es la de acumular la energía que se produce durante las horas de luminosidad para poder ser utilizada en la noche o durante periodos prolongados de mal tiempo.
Otra importante función de las baterías es la de proveer una intensidad de corriente superior a la que el dispositivo fotovoltaico puede entregar. Tal es el caso de un motor, que en el momento del arranque puede demandar una corriente de 4 a 6 veces su corriente nominal durante unos pocos segundos.
5.8 Interacción entre módulos fotovoltaicos y baterías
Normalmente el banco de baterías y los módulos fotovoltaicos trabajan conjuntamente para alimentar las cargas.
La siguiente figura muestra cómo se distribuye la entrega de energía a la carga a lo largo del día. Durante la noche toda la energía demandada por la carga la provee el banco de baterías.
En horas tempranas de la mañana los módulos comienzan a generar, pero si la corriente que entregan es menor que la que la carga exige, la batería deberá contribuir en el aporte. A partir de una determinada hora de la mañana la energía generada por los módulos fotovoltaicos superada la energía promedio demandada. Los módulos no solo atenderán la demanda sino que además, todo exceso se almacenara en la batería que empezara a cargarse y a recuperarse de su descarga de la noche anterior.
Finalmente durante la tarde, la corriente generada decrece y cualquier diferencia con la demanda la entrega a la batería. En la noche, la generación es nula y todo el consumo lo afronta la batería.
> CONTINUAR >
1- Introducción
• 1.1 Introducción
• 1.2 Que es un sistema de generación eléctrica solar
• 1.3 En España
• 1.4 Uso y Aplicaciones
• 1.4.1 Sistemas aislados de la red eléctrica
• 1.4.2Sistemas conectados a la red eléctrica
• 1.5 Ventajas
• 1.6 Componentes del sistema
2 - Composición Física y Fabricación de Dispositivos Fotovoltaicos
• 2.1 El efecto fotovoltaico
• 2.2 Tipos de celda
• 2.3 Aspectos técnicos de fabricación
• 2.4 Proceso de fabricación de los módulos fotovoltaicos
• 2.5 Ensayos de los módulos
3- Rentabilidad económica
• 3.1 Recursos Financieros
• 3.2 Primas para Instalaciones conectadas a la red electrica
• 3.3 Instalaciones conectadas a la red con potencia inferior a 5 kWp
• 3.4 Instalación conectada a la red de potencia superior a 5 kWp
4 - Curvas Características de las Celdas Fotovoltaicas
• 4.1 Curva corriente vs. tensión (curva I - V )
• 4.2 Efecto de factores ambientales sobre la característica de salida del dispositivo
• 4.3 Combinaciones de celdas y curvas resultantes
• 4.4 Interacción del dispositivo fotovoltaico con la carga
5 - Conformación de los Sistemas de Generación
• 5.1 Autosuficiencia del sistema
• 5.2 Directamente conectados a una carga
• 5.3 Sistema modulo batería
• 5.4 Sistema fotovoltaico, batería y regulador
• 5.5 Batería, inversor
• 5.6 Reguladores de carga de baterías
• 5.7 Baterías
• 5.8 Interacción entre módulos fotovoltaicos y baterías
• 5.9 Tipos de baterías
• 5.10 Baterías selladas
6 - Dimensionamiento de Sistemas Fotovoltaicos y Banco de Baterías
• 6.1 Datos necesarios para dimensionar un sistema
• 6.2 Plantilla de dimensionamiento
• 6.3 Cálculo del numero de módulos necesarios
• 6.4 Cálculo del banco de baterías
• 6.5 Ejemplo práctico
7 - Conexiones y Dimensionamiento de Cables
• 7.1 Conexionado y Dimensionamiento de cables de conexión
8 - Instalación y Mantenimiento
• Ubicación y orientación de los módulos
• 8.2 Ubicación geografica
• 8.3 Mantenimiento de la instalación
• 8.4 Seguridad en la instalación
9. Implantación de tejados fotovoltaicos
10. Presente y futuro de la energía solar fotovoltaica
• 10.1. Planes europeos relativos a energía solarfotovoltaica
• 10.2 Planes nacionales relativos a energía solar fotovoltaica
• 10.3 Fabricantes en España
11. Legislación
• 11.1 Introducción
• 11.2 Objetivos y ámbito del Real Decreto en lo relativo a la energía solar fotovoltaica
• 11.3 Competencias
• 11.4 Procedimiento de presentación de solicitudes
• 11.5 Registro Administrativo
• 11.6 Condiciones de entrega de la energía eléctrica
• 11.7 Criterios
• 11.8 Régimen económico
• 11.9 Real Decreto 1663/2000 de 29 de septiembre fotovoltaicas a la red de baja tensión
• 11.10 CapítuloI
Ámbito de aplicación y definicione
• 11.11 Capítulo II
Conexión de las instalaciones fotovoltaicas a la red de baja tensión
• 11.12 Capítulo III
Condiciones técnicas de las instalaciones fotovoltaicas conectadas
la red en baja tensión
12. Conclusión
1.1 Introducción
La quema de combustibles fósiles está provocando el cambio climático. De las reservas de combustibles fósiles económicamente recuperables actualmente, no podemos quemar ni la cuarta parte si queremos que el planeta sobreviva al peligro del cambio climático. Así que para no sobrepasar los límites ecológicos, la humanidad dispone de un limitado "presupuesto" o cuota de carbono para emitir a la atmósfera en forma de CO2. Al ritmo actual de consumo de combustibles fósiles, ese presupuesto se acabará en unos 30 años, sin olvidar los graves impactos medioambientales que generan la obtención y transporte de estos combustibles.
La energía nuclear, por su parte, ha demostrado ser altamente peligrosa. La mayoría de los países han parado sus programas nucleares por el alto potencial de riesgo que supone su utilización y los importantes problemas que deja sin resolver, como es el almacenamiento a largo plazo de los residuos radiactivos. Todo ello ha provocado un fuerte rechazo por parte de la opinión pública y ha elevado sus costes hasta hacerla inviable desde el punto de vista económico.
Por tanto, es imprescindible y urgente reducir el consumo de energías sucias y sustituirlas por fuentes de energía limpia y renovable, además de mejorar radicalmente la eficiencia de nuestro consumo energético.
Reducir el consumo de energía, a través del ahorro y la eficiencia, es tan necesario como sustituir las fuentes de energía sucias por limpias y renovables. Independientemente de que la energía solar fotovoltaica nos permita convertirnos en generadores de electricidad limpia, siempre debemos buscar una reducción del impacto de nuestro consumo energético sobre el medio ambiente local y global haciendo un uso más eficiente de la energía.
Aunque la energía solar fotovoltaica sólo representa el 0,001 por ciento del suministro de energía eléctrica que satisface las necesidades de consumo en todo el mundo, se prevé un rápido y significativo crecimiento de su implantación, basado en el actual
desarrollo de la tecnología y el compromiso medioambiental de los países más desarrollados. El sector fotovoltaico se sustenta en una tecnología de vanguardia y una industria puntera que en los últimos años está teniendo un crecimiento anual medio superior al 30%.
En el medio plazo, se estima que habrá una reducción importante de costes debido a una mejora de la eficiencia de las tecnologías actuales ,a la optimización de los procesos de fabricación ,a la aplicación de economías de escala y al desarrollo de nuevas tecnologías. En el año 2010 se prevé que los costes serán menores en un 30% para instalaciones aisladas y un 40% en instalaciones conectadas a la red.
Aunque tradicionalmente el uso de la energía solar fotovoltaica ha sido en aplicaciones aisladas de la red eléctrica, desde hace unos años la incorporación de esta tecnología al entorno urbano está facilitando su difusión y desarrollo. Es necesario tener en cuenta que la generación eléctrica fotovoltaica es la única que puede producir, a partir de una fuente renovable, electricidad allí donde se consume, reduciendo la saturación de las redes y disminuyendo las pérdidas en el transporte de electricidad.
1.2 Que es un sistema de generación eléctrica solar
Es una fuente de energía que a través de la utilización de celdas fotovoltaicas convierte en forma directa la energía lumínica en electricidad.
La producción de electricidad mediante paneles solares es especialmente interesante en aquellos puntos de consumo aislados en los que resulta costoso instalar una línea eléctrica. Son también interesantes las instalaciones solares eléctricas conectadas a la red, en las que el propietario vierte toda la electricidad generada a dicha red, vendiéndola con un precio sensiblemente mayor que el coste,de 0,08 Euros/kWh, de la electricidad adquirida,como consecuencia de la prima por kWh establecida por el Real Decreto 2818/1998.
• 1.3 En España
Tanto la producción industrial como la investigación relacionada con la generación eléctrica fotovoltaica que se desarrolla en España ocupan un destacado lugar en el panorama mundial. España hoy es el primer país europeo productor de células y paneles fotovoltaicos,con el 10%de la producción mundial.
La producción de paneles fotovoltaicos en España dispone de las más avanzadas tecnologías y los fabricantes españoles tienen instalaciones y procesos productivos que sitúan a nuestro país en el tercer puesto a escala mundial, después de Estados Unidos y Japón. Para conseguir unas elevadas prestaciones en todo el sistema industrial fotovoltaico es necesaria una intensa y continuada actividad de I+D,tanto en las propias industrias como en los centros de investigación. La industria fotovoltaica está concentrando su actividad de I+D en:
• El desarrollo de paneles fotovoltaicos con mayores niveles de eficiencia y menor coste de fabricación.
• La mejora de la eficiencia de los dispositivos de electrónica de potencia, de transformación y de protección.
Por otro lado, existen en España más de 25 centros de I+D dedicados a la
investigación en este campo.
Estos datos contrastan con el actual nivel de implantación de la energía solar fotovoltaica en España, pues la potencia instalada en toda España hasta el año 2001 es poco más de 15 MWp (aproximadamente 5,3 MWp pertenecen instalaciones conectadas a red y el resto a instalaciones aisladas),cuando en países como Alemania la potencia instalada es doce veces más elevada.
Según datos del Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE),la potencia solar fotovoltaica instalada a finales del año 2001 en las diferentes Comunidades Autónomas era en MWp :
Andalucia 4.09
Aragón 0.27
Asturias 0.18
Baleares 0.89
Canarias 0.91
Cantabria 0.03
Castilla León 0.95
Castilla la Mancha 1.34
Cataluña 2.33
Comunidad Valenciana 0.84
Extremadura 0.42
Galicia 0.13
La Rioja 0.05
Madrid 0.42
Murcia 0.13
Navarra 1.72
País Vasco 0.23
La industria fotovoltaica española proporciona empleo directo a más de 2.500
personas. De las cuales 1.800 tienen sus puestos de trabajo en procesos de
fabricación (un 15% corresponden a titulados superiores) y 700 en las fases
de comercialización y desarrollo e instalación de proyectos. A su vez, proporciona empleo indirecto a más de 1.250 personas.
1.4 Uso y Principales aplicaciones:
Hay dos formas de utilizar la energía eléctrica generada a partir del efecto
fotovoltaico:
• En instalaciones aisladas de la red eléctrica.
• En instalaciones conectadas a la red eléctrica convencional.
Mientras que en las primeras la energía generada se almacena en baterías para así disponer de su uso cuando sea preciso, en las segundas toda la energía generada se envía a la red eléctrica convencional para su distribución donde sea demandada.
Sistemas aislados de la red eléctrica
Estos sistemas se emplean sobre todo en aquellos lugares en los que no se tiene acceso la red eléctrica y resulta más económico instalar un sistema fotovoltaico que tender una línea entre la red y el punto de consumo. Como los paneles sólo producen energía en las horas de sol y la energía se necesita durante las 24 horas del día, es necesario un sistema de acumulación. Durante las horas de luz solar hay que producir más energía de la que se consume, para acumularla y posteriormente poder utilizarla cuando no se esté generando.
La cantidad de energía que se necesita acumular se calcula en función de las condiciones climáticas de la zona y el consumo de electricidad. De tal manera que en una zona donde haya muchos días soleados al año habrá que acumular poca energía. Si el periodo sin luz no es suficientemente largo, hay que acumular más energía.
El número de paneles a instalar debe calcularse teniendo en cuenta:
* la demanda energética en los meses más desfavorables.
* las condiciones técnicas óptimas de orientación e inclinación, dependiendo del lugar de la instalación.
Para optimizar el sistema es necesario calcular correctamente la demanda con el fin de no sobredimensionar la instalación. Conviene utilizar electrodomésticos e iluminación de bajo consumo, para que de esta manera el sistema sea más económico. Actualmente existe una gran variedad de estos productos de bajo consumo.
Las principales aplicaciones de los sistemas aislados de la red eléctrica son:
•Aplicaciones espaciales :Desde los orígenes de la aventura espacial los satélites y naves espaciales han utilizado paneles solares fotovoltaicos para alimentar sus equipos electrónicos.
•Sector de gran consumo: Calculadoras, relojes , etc.
•Telecomunicaciones: Existen multitud de equipos de telecomunicaciones situados en zonas de difícil acceso, alejados de la red eléctrica, alimentados por energía solar fotovoltaica. En estos casos, normalmente, la solución solar es la más económica y fiable. Son ejemplos característicos: repetidores de televisión, equipos de radio, antenas de telefonía móvil, etc..
•Señalización:La señalización marítima y terrestre es una de las grandes aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos. Así son numerosos los ejemplos en balizamiento de aeropuertos, señalización de carreteras y puertos, etc...
•Bombeo:Al estar los pozos alejados de la red eléctrica, el bombeo con energía fotovoltaica es una solución muy adecuada. Estas instalaciones se adaptan muy bien a las necesidades ya que en los meses más soleados, que es normalmente cuando más agua se necesita, es cuando más energía se produce. En estos sistemas el almacenamiento de energía suele ser en forma de energía potencial, bombeando el agua a depósitos elevados.
•Zonas protegidas: En parajes naturales, donde por motivos de protección ambiental se recomienda no instalar tendidos eléctricos aéreos, en ocasiones, resulta más rentable utilizar sistemas fotovoltaicos en lugar de tendidos subterráneos o grupos electrógenos que utilizan combustibles fósiles.
•Electrificación de viviendas aisladas: La distancia del punto de consumo a la red eléctrica puede hacer, en muchos casos, más rentable esta aplicación debido no solo al coste de instalar el tendido eléctrico sino también a la calidad del suministro eléctrico al evitarse cortes de electricidad, muy frecuentes en lugares aislados.
•Alumbrado de calles y carreteras :La posibilidad de utilizar sistemas de iluminación autónomos de fácil instalación y mínima obra civil hace que sea una solución adecuada en muchas ocasiones.
1.4.2 Sistemas conectados a la red eléctrica
En los lugares que disponen de electricidad, la conexión a red de los sistemas fotovoltaicos contribuyen a la reducción de emisiones de dióxido de carbono (CO 2 )a la atmósfera. Esta aplicación se ajusta muy bien a la curva de demanda de la electricidad. El momento en que más energía generan los paneles, cuando hay luz solar, es cuando más electricidad se demanda. En España, la electricidad generada con sistemas fotovoltaicos goza de una prima que mejora su rentabilidad económica. Al instalar un sistema fotovoltaico conectado a la red, se dispone de una minicentral eléctrica que inyecta kWh verdes a la red para que se consuman allí donde sean demandados, lo que elimina las pérdidas en transporte de electricidad.
Para que estas instalaciones sean técnicamente viables es necesario:
– La existencia de una línea de distribución eléctrica cercana con capacidad para admitir la energía producida por la instalación fotovoltaica.
– La determinación,,con la compañía distribuidora, del punto de conexión
–Proyectar un sistema que incluya equipos de generación y transformación de primera calidad, con las protecciones establecidas y debidamente verificados y garantizados por los fabricantes, de acuerdo a la legislación vigente.
–Una instalación realizada por un instalador especializado.
En las instalaciones conectadas a red, el tamaño de la instalación no depende del consumo de electricidad de la vivienda o edificio, lo que simplifica enormemente su diseño. Para dimensionar la instalación es necesario conocer la inversión inicial, el espacio disponible y la rentabilidad que se quiere obtener ya que el consumo de electricidad es independiente de la energía generada por los paneles fotovoltaicos. El usuario sigue comprando la electricidad que consume a la distribuidora al precio establecido y además es propietario de una instalación generadora de electricidad que puede facturar los kWh producidos a un precio superior.
Las principales aplicaciones de los sistemas conectados a la red eléctrica son:
• Tejados de viviendas: Son sistemas modulares de fácil instalación donde se aprovecha la superficie de tejado existente para sobreponer los módulos fotovoltaicos. El peso de los paneles sobre el tejado no supone una sobrecarga para la mayoría de los tejados existentes.
• Una instalación de unos 3 kWp que ocupa cerca de 30 m
de tejado, inyectaría a la red tanta energía como la consumida por la vivienda a lo largo del año.
Para ofrecer una solución más económica se están utilizando sistemas prefabricados ue reducen notablemente el tiempo de realización de la instalación y aumentan su fiabilidad. Una vez terminada la instalación, el sistema fotovoltaico es un elemento más de la vivienda, aportando una fuente adicionable producción de electricidad y un gran valor ecológico añadido.
Por sus características y la actual reglamentación en España, se prevé que sea
la aplicación más extendida en los próximos años.
* Integración en edificios: En esta aplicación es prioritario el nivel de integración del elemento fotovoltaico en la estructura del edificio. Por integración fotovoltaica debemos entender la sustitución de elementos arquitectónicos convencionales por nuevos elementos arquitectónicos que incluyen el elemento fotovoltaico, y que por lo tanto son generadores de energía.
Tanto para aplicaciones aisladas de la red eléctrica, como para las conectadas a ella es necesario cuidar la incorporación de los sistemas fotovoltaicos al entorno, rural o urbano. Pero es en las aplicaciones urbanas conectadas red, en las que se unen exigencias urbanísticas a las motivaciones medioambientales, donde la integración tiene más relevancia. La demanda de energía del sector terciario en la Unión Europea esta creciendo de forma significativa, por lo que la integración de sistemas fotovoltaicos en edificios, con aportaciones energéticas en las horas punta, contribuye reducir la producción diurna de energía convencional.
Las aplicaciones de integración en edificios más frecuentes :
–Recubrimiento de fachadas
–Muros cortina
–Parasoles en fachada
–Pérgolas
–Cubiertas planas acristaladas
–Lucernarios en cubiertas
–Lamas en ventanas
–Tejas
Para conseguir una mejor integración del elemento fotovoltaico en los edificios es necesario tenerlo en cuenta desde el inicio del diseño del edificio. De esta manera se podrá conseguir mejorar el aspecto exterior y el coste del edificio al poderse sustituir elementos convencionales por los elementos fotovoltaicos .A veces es necesario sacrificar parte del rendimiento energético por mantener la estética del edificio.
1.5 Ventajas fundamentales:
- No consume combustible
- No produce polución ni contaminación ambiental
- Es silencioso
- Tiene una vida útil superior a 20 años
- Es resistente a condiciones climáticas extremas: (granizo, viento, temperatura y humedad)
- No posee partes mecánicas, por lo tanto no requiere mantenimiento, excepto limpieza del panel
- Permite aumentar la potencia instalada mediante la incorporación de nuevos módulos.
1.6 Componentes del sistema:
Corriente continua 12V:
- Paneles o módulos de celdas fotovoltaicas
- El soporte para los mismos
- Regulador de carga de baterías y el Banco de baterías
Corriente alterna 110/220V:
Es necesario instalar además entre las baterías y el consumo un Inversor de corriente de capacidad adecuada (el Inversor convierte la corriente continua o DC del modulo o generador solar en corriente alterna o AC. Dicha corriente alterna es utilizada típicamente por la mayoría de los equipos eléctricos domésticos).
2 - Composición Física y Fabricación de Dispositivos Fotovoltaicos
2.1 Efecto fotovoltaico
Los módulos se componen de celdas solares de silicio (o fotovoltaicas). Estas son semiconductoras eléctricas debido a que el silicio es un material de características intermedias entre un conductor y un aislante.
Presentado normalmente como arena, mediante métodos adecuados, se obtiene el silicio en su forma pura. El cristal de silicio puro no posee electrones libres y por lo tanto resulta un mal conductor eléctrico. Para cambiar esto se le agregan porcentajes de otros elementos. Este proceso se denomina dopado. Mediante el dopado de silicio con fósforo se obtiene un material con electrones libres o material con portadores de carga negativa (silicio tipo N). Realizando el mismo proceso, pero agregando Boro en lugar de fósforo, se obtiene un material de características inversas; esto es déficit de electrones o material con cargas positivas libres o huecos (silicio tipo P). Cada celda solar se compone de una delgada capa de material tipo N y otra de mayor espesor de material tipo P ( Ver gráfico Fig.2 ).
Ambas capas separadas son eléctricamente neutras, pero al ser unidas, justamente en la unión (P-N), se genera un campo eléctrico debido a los electrones libres del silicio tipo N que ocupan los huecos de la estructura del silicio tipo P.
GRAFICO (Fig. 2)
Al incidir la luz sobre la celda fotovoltaica, los fotones que la integran chocan con los electrones de la estructura del silicio dándoles energía y transformándolos en conductores. Debido al campo eléctrico generado en la unión (P-N), los electrones son orientados, fluyendo de la capa "P" a la capa "N". Mediante un conductor externo, se conecta la capa negativa a la positiva, generándose así un flujo de electrones (corriente eléctrica) en la conexión. Mientras la luz siga incidiendo en la celda, el flujo de electrones se mantendrá. La intensidad de la corriente generada, variará proporcionalmente según la intensidad de luz incidente. Cada módulo fotovoltaico se conforma de una determinada cantidad de celdas conectadas en serie. Como vimos anteriormente, al unirse la capa negativa de una celda a la positiva de la siguiente, los electrones fluyen a través de los conductores de una celda a la otra. Este flujo se repite hasta llegar a la última celda del módulo, de la cual fluyen hacia el acumulador o batería. Cada electrón que abandona el módulo es reemplazado por otro que regresa del acumulador> o batería. El cable de la interconexión entre módulo y batería contiene el flujo, de manera tal que cuando un electrón abandona la última celda del módulo y se dirige hacia la batería, otro electrón ingresa a la primera celda desde la batería. Es por esto que se considera inagotable a un dispositivo fotovoltaico. Produce energía eléctrica como respuesta a la energía lumínica que ingresa en el mismo. Cabe aclarar que una celda fotovoltaica no puede almacenar energía eléctrica.
2.2 Tipos de Celdas:
Existen tres tipos de celdas; dependiendo su diferenciación según el método de fabricación.
- Silicio Monocristalino:
Estas celdas se obtienen a partir de barras cilíndricas de silicio Monocristalino producidas en hornos especiales.
Las celdas se obtienen por cortado de las barras en forma de obleas cuadradas delgadas (0,4-0,5 mm de espesor). Su eficiencia en conversión de luz solar en electricidad es superior al 12%.
En este caso el silicio que compone las células de los módulos es un único cristal. La red cristalina es la misma en todo el mate-rial y tiene muy pocas imperfecciones. El proceso de cristalización es complicado y costoso, pero, sin embargo, es el que proporciona la mayor eficiencia de conversión de luz en energía eléctrica.
- Silicio Policristalino:
Estas celdas se obtienen a partir de bloques de silicio obtenidos por fusión de trozos de silicio puro en moldes especiales. En los moldes, el silicio se enfría lentamente, solidificándose. En este proceso, los átomos no se organizan en un único cristal. Se forma una estructura policristalina con superficies de separación entre los cristales, por tanto, el proceso de cristalización no es tan cuidadoso y la red cristalina no es la misma en todo el material. Este proceso es más barato que el anterior pero se obtienen rendimientos ligeramente inferiores.
Su eficiencia en conversión de luz solar en electricidad es algo menor a las de silicio Monocristalino.
- Silicio Amorfo:
Estas celdas se obtienen mediante la deposición de capas muy delgadas de silicio sobre superficies de vidrio o metal.
Su eficiencia en conversión de luz solar en electricidad varía entre un 5 y un 7%.
• 2.3 Aspectos tecnicos de fabricación
En primer lugar, para generar electricidad solar fotovoltaica se necesita un generador fotovoltaico, es decir un conjunto de módulos conectados entre ellos junto con el cableado, y (en su caso) los soportes de la instalación.
En segundo lugar, para transformar la electricidad (corriente continua) producida por un generador solar fotovoltaico en electricidad con las mismas características que la de la red convencional (corriente alterna a 220 voltios y frecuencia de 50 hz) se necesita un inversor. Existen diferentes tipos de inversores, pero se considera recomendable escogerlo en función del tamaño de la instalación que se ha realizado o se pretende realizar. El inversor se instala entre el generador fotovoltaico y el punto de conexión a la red. En el mercado también se encuentran inversores incorporados a los módulos fotovoltaicos, formando un único sistema compacto que se puede conectar directamente a las cargas (es decir, conectándolos a cualquier enchufe inyectan corriente en él). Hoy por hoy pueden no resultar todavía recomendables toda vez que es necesario garantizar la calidad de la corriente alterna producida para conectarla a la red general y por los posible inconvenientes que te pueden plantear en los trámites legales y administrativos para conseguir facturar la energía limpia vertida a la red eléctrica.
La prima que se reciba vendrá determinada por el valor del inversor y no por la potencia instalada en paneles solares fotovoltaicos.
Una vez la electricidad solar ha sido transformada por el inversor,
TODA LA ENERGÍA PRODUCIDA SE INYECTA A LA RED, CON LAS VENTAJAS ECONÓMICAS Y MEDIOAMBIENTALES QUE ESTO SUPONE.
El generador fotovoltaico necesita dos contadores ubicados entre el inversor y la red; uno para cuantificar la energía que se genera e inyecta en la Red para su posterior remuneración, y el otro para cuantificar también el pequeño consumo (Ø 2kW) del inversor fotovoltaico en ausencia de radiación solar así como garantía para la compañía eléctrica de posibles consumos que el titular de la instalación pudiera hacer. El suministro de electricidad al edificio se realizaría desde la red, con su propio contador, siendo una instalación totalmente independiente y en paralelo con la instalación fotovoltaica.
Si el sistema fotovoltaico está instalado tal como requieren las normativas vigentes en cuanto a conexión a red, es decir en paralelo al contador de consumo eléctrico del edificio, toda la electricidad producida por el sistema fotovoltaico se vende a la red, mientras que se sigue consumiendo electricidad de la red con normalidad, como antes.
Hay que tener en cuenta que los sistemas fotovoltaicos conectados a la red no requieren ningún sistema de acumulación de energía (baterías), a diferencia de los sistemas aislados, con lo cual son más baratos, y fiables, puesto que toda la energía producida se inyecta en la Red se evita que se pierda la energía generada cuando los acumuladores estén completamente llenos, y principalmente, nos ahorramos su mantenimiento, además de evitar los problemas derivados del uso de baterías (conservación, descargas limitadas, eliminación posterior...)
Con un sistema conectado a red, el usuario no percibe ningún cambio en el servicio eléctrico que recibe, manteniendo las mismas ventajas (seguridad de suministro) e inconvenientes (riesgo de eventuales cortes de luz), pero sabiendo que cada kW que produzca el generador fotovoltaica es uno menos que generaran las centrales contaminantes.
2.4 Proceso de Fabricación de los módulos fotovoltaicos:
El módulo fotovoltaico está compuesto por celdas individuales conectadas en serie. Este tipo de conexión permite adicionar tensiones (voltajes). La tensión nominal del módulo será igual al producto del número de celdas que lo componen por la tensión de cada celda (aprox. 0,5 Volts). Generalmente se producen módulos formados por 30, 32, 33 y 36 celdas en serie, según la aplicación requerida.
Se busca otorgarle al módulo rigidez en su estructura, aislación eléctrica y resistencia a los agentes climáticos. Por esto, las celdas conectadas en serie son encapsuladas en un plástico elástico (Etilvinilacelato) que hace las veces de aislante eléctrico, un vidrio templado de bajo contenido de hierro, en la cara que mira al sol, y una lámina plástica multicapa (Poliéster) en la cara posterior. En algunos casos el vidrio es reemplazado por una lámina de material plástico transparente.
El módulo tiene un marco que se compone de aluminio o de poliuretano y cajas de conexiones a las cuales llegan las terminales positivo y negativo de la serie de celdas. En las borneras de las cajas se conectan los cables que vinculan el módulo al sistema.
Etapas del proceso de fabricación del módulo:
- Prueba eléctrica y clasificación de las celdas - Interconexión eléctrica de las celdas entre sí - Ensamble del conjunto. Colocación de las celdas soldadas entre capas de plástico encapsulante y láminas de vidrio y plástico. - Laminación del módulo. El conjunto se procesa en una máquina semiautomática a alto vacío que, por un proceso d calentamiento y presión mecánica, conforma el laminado. - Curado. El laminado es procesado en un horno de temperatura controlada en el cual se completa la polimerización de plástico encapsulante y se logra la perfecta adhesión de los distintos componentes. El conjunto, después del curado forma una sola pieza -Enmarcado. Se coloca primero un sellador elástico en todo el perímetro del laminado y luego los perfiles de aluminio que forman el marco. Se usan máquinas neumáticas para lograr la presión adecuada. Los marcos de poliuretano se colocan utilizando máquinas de inyección.
- Colocación de terminales, borneras, diodos y cajas de conexiones
- Prueba final
2.5 Ensayo de los módulos:
Sobre los módulos debe medirse y observarse:
- Características eléctricas operativas
- Aislación eléctrica (a 3000 Volt de C.C.)
- Aspectos físicos, defectos de terminación, etc.
- Resistencia al impacto
- Resistencia a la tracción de las conexiones
- Resistencia a la niebla salina y a la humedad ambiente
- Comportamiento a temperaturas elevadas por tiempos prolongados (100 grados centígrados durante 20 días)
- Estabilidad al ciclado térmico
3 Rentabilidad economica
3.1 Recursos Financieros
La demanda social a favor de la energía fotovoltaica se ha traducido en el establecimiento de normativas y ayudas que priman el vertido a la red de toda la electricidad generada con sistemas fotovoltaicos, y que subvencionan a la inversión en este tipo de instalaciones.
En las instalaciones conectadas a red, se reciben retornos económicos por el esfuerzo financiero realizado en la inversión, al vender a la compañía distribuidora los kWh producidos al precio del mercado más una prima, por ser un kWh de generación solar fotovoltaica.
El análisis económico en estos casos se puede realizar con los
métodos de análisis de inversiones, siendo uno de las más utilizados, y el que se empleará en este capítulo, el de los años de recuperación de la inversión realizada. Se considera que un titular de una instalación fotovoltaica querrá recuperar su inversión en diez años o menos, ya que periodos de recuperación superiores, son disuasorios incluso para las personas con alta conciencia medioambiental. En las instalaciones aisladas, al no poder vender el kWh a terceros, sino que la electricidad limpia generada es para consumo propio, no existe la posibilidad de un flujo de caja a lo largo de la vida de la instalación. Los retornos no son directamente económicos sino que provienen de la satisfacción y utilidad de consumir la electricidad generada.
3.2 Primas para Instalaciones conectadas a la red electrica
Las primas aplicables a la electricidad generada por los sistemas fotovoltaicos
varían según la potencia de las instalaciones:
•Las instalaciones de menos de 5 kWp de potencia reciben una prima de 0,360607 Euros/kWh sobre el valor de subasta de la electricidad en la red. Sumándole el precio medio del kWh del mercado,se puede vender la electricidad vertida a la red a 0,396668 Euros/kWh.
•Las instalaciones de más de 5 kWp de potencia reciben una prima de 0,180304 Euros/kWh sobre el valor de subasta de la electricidad en la red. Sumándole el precio medio de la energía determinado por el mercado,el precio de venta de la electricidad vertida a la red es de 0,216364 Euros/kWh.
•La prima la pagan en último término todos los consumidores de electricidad en España,que pagan un porcentaje infinitesimal de su facturación eléctrica para este propósito.
Para el cálculo de la prima,se considera como potencia de la instalación fotovoltaica o potencia nominal,la suma de las potencias de los onduladores instalados. Así mismo para fomentar estas aplicaciones las Administraciones Públicas establecen ayudas a fondo perdido a la inversión inicial.
3.3 Instalaciones conectadas a la red con potencia inferior a 5 kWp
Normalmente, estas instalaciones aprovechan las estructuras de las viviendas y edificios, colocando sobre ellos paneles fotovoltaicos, que vierten a la red toda la electricidad producida.
El cálculo de la superficie de paneles a instalar puede seguir dos criterios distintos: Instalaciones a medida, ocupando la máxima estructura disponible, siempre que reúnan las adecuadas condiciones técnicas y de orientación. Instalaciones estándar, propuestas por los diferentes instaladores, a fin de minimizar el precio específico de la instalación.
Para la segunda alternativa, que es la más común, se plantea el análisis económico siguiente:
Para una instalación de una potencia instalada total de 3 kWp, Inversión inicial 22.500 Euros Producción anual de electricidad 3.600 kWh
(con insolación equivalente de 1.200 horas pico y 4.500 kWh con 1.500 horas pico)
3.4 Instalación conectada a la red de potencia superior a 5 kWp
La incorporación de instalaciones fotovoltaicas de potencia superior a 5 kWp, en edificios hoteles, oficinas, complejos deportivos, etc.,suponen aportaciones de electricidad en las horas punta, que en muchos casos coincide con la punta de demanda de esos mismos edificios. A estas instalaciones les corresponde un precio de venta de electricidad de 0,22 Euros/kWh.
Aunque por su tamaño se puede conseguir un precio total instalado inferior al de las instalaciones menores de 5 kWp ,el menor valor de la prima hace que las rentabilidades disminuyan considerablemente. Se pueden considerar tres tipos de instalaciones de más de 5kWp:
•Instalaciones medias entre 5 y 100 kWp, integradas y condicionadas por el diseño arquitectónico del edificio. Su coste de inversión se estima
alrededor de 7 Euros/W instalado.(En el coste total del edificio, existirá un ahorro debido a la sustitución de elementos arquitectónicos convencionales por elementos fotovoltaicos integrados).
•Instalaciones grandes entre 100 kWp y 1 MWp, no integradas en Edificios, de valor típico 300 kWp. El coste de la instalación es de 6 Euros/W instalado.
•Centrales de mayor potencia,plantas de varios megavatios,cuyo módulo de diseño es de 1 MWp,con costes del orden de 4,8 Euros/W instalado para una central de 3 MWp.
4 - Curvas Características de las Celdas Fotovoltaicas
4.1 Curva de corriente vs tensión (curva I-V)
La representación típica de la característica de salida de un dispositivo fotovoltaico (celda, módulo, sistema) se denomina curva corriente tensión.
La corriente de salida se mantiene prácticamente constante dentro del rango de tensión de operación y, por lo tanto el dispositivo se puede considerar como una fuente de corriente constante en este rango
La corriente y tensión a la cual opera el dispositivo fotovoltaico están determinadas por la radiación solar incidente, por la temperatura ambiente, y por las características de la carga conectadas al mismo.
Los valores trascendentes de esta curva son:
Corriente de cortocircuito (Icc) : Máxima corriente que puede entregar un dispositivo bajo condiciones determinadas de radiación y temperatura correspondiendo a tensión nula y consecuentemente a potencia nula.
Tensión de circuito abierto (Vca) : Máxima tensión que puede entregar un dispositivo bajo condiciones determinadas de radiación y temperatura correspondiendo a circulación de corriente nula y consecuentemente a potencia nula.
Potencia Pico (Pmp) Es el máximo valor de potencia que puede entregar el dispositivo. Corresponde al punto de la curva en el cual el producto Vx I es máximo.
Corriente a máxima potencia (Imp) : Corriente que entrega el dispositivo a potencia máxima bajo condiciones determinadas de radiación y temperatura. Se la utiliza como corriente nominal del mismo.
Tensión a máxima potencia (Vmp): tensión que entrega el dispositivo a potencia máxima bajo condiciones determinadas de radiación y Temp. Se la utiliza como tensión nominal del mismo .
4.2 Efecto de factores ambientales sobre la característica de salida del dispositivo.
Efecto de la intensidad de radiación solar
El resultado de un cambio en la intensidad de radiación es una variación en la corriente de salida para cualquier valor de tensión
La corriente varía con la radiación en forma directamente proporcional.
La tensión se mantiene prácticamente constante.
Efecto de la temperatura
El principal efecto provocado por el aumento de la temperatura del módulo es una reducción de la tensión en forma directamente proporcional. Existe un efecto secundario dado por un pequeño incremento de la corriente para valores bajos de tensión.
Es por ello que para lugares con temperaturas ambientes muy altas son aptos módulos que poseen mayor cantidad de celdas en serie para que los mismos tengan la suficiente tensión de salida para cargar baterías.
4.3 Combinaciones de celdas y curvas resultantes
La tensión en el punto de máxima potencia de salida para una celda es de aproximadamente 0,5 Volts a pleno sol.
La corriente que entrega una celda es proporcional a la superficie de la misma y a la intensidad de la luz. Es por ello que para lograr módulos con corrientes de salida menores se utilizan en su fabricación tercios, cuartos, medios, etc. de celdas.
Un módulo fotovoltaico es un conjunto de celdas conectadas en serie( se suman sus tensiones) que forman una unidad con suficiente tensión para poder cargar una batería de 12 volts de tensión nominal (Esta batería necesita entre 14 y 15 Volts para poder cargarse plenamente). Para lograr esta tensión se necesitan entre 30 y 36 celdas de silicio Monocristalino conectadas en serie.
4.4 Interacción del dispositivo fotovoltaico con la carga
La curva I-V corregida para las condiciones ambientales reinantes, es solo parte de la información necesaria para saber cual será la característica de salida de un módulo. La otra información imprescindible es la característica operativa de la carga a conectar. Es la carga la que determina el punto de trabajo en la curva I-V
Potencia máxima de salida durante el día
La característica I - V del módulo varía con las condiciones ambientales (radiación, temperatura) Ello quiere decir que habrá una familia de curvas I-V que nos mostrarán las características de salida del módulo durante el día y una época del año.
La curva de potencia máxima de un módulo en función de la hora del día tiene la forma indicada en la siguiente grafica
La cantidad de energía que el módulo es capaz de entregar durante el día esta representada por el área comprendida bajo la curva de la grafica anterior y se mide en Watts hora/día.
Se observa que no es posible hablar de un valor constante de energía entregada por el módulo en Watts hora ya que varía dependiendo de la hora del día. Será necesario entonces trabajar con valores de cantidad de energía diarios entregados. (Watts hora/día).
Interacción con una carga resistiva
En el ejemplo más simple, si se conectan los bornes de un módulo a los de una lámpara incandescente (que se comporta como una resistencia eléctrica) el punto de operación del módulo será el de la intersección de su curva característica con una recta que representa gráficamente la expresión I = V / R Siendo R la resistencia de la carga a conectar.
Interacción con una batería
Una batería tiene una tensión que depende de su estado de carga, antigüedad, temperatura, régimen de carga y descarga, etc. Esta tensión se la impone a todos los elementos que están conectados a ella, incluyendo el módulo fotovoltaico. .
Es incorrecto pensar que un módulo que tiene una tensión máxima de salida de 20 volts llevará a una batería de 12 volts a 20 volts y la dañará . Es la batería la que determina el punto de operación del módulo.
La batería varía su rango de tensión entre 12 y 14 volts.
Dado que la salida del módulo fotovoltaico se ve influenciada por las variaciones de radiación y de temperatura a lo largo del día, esto se traducirá en una corriente variable que ingresa a la batería.
Interacción con un motor de corriente continua
Un motor de corriente continua tiene también una curva I-V.
La intersección de ella con la curva I-V del módulo determina el punto de operación.
Cuando se conecta un motor directamente al sistema fotovoltaico, sin batería ni controles de por medio se disminuyen los componentes involucrados y por lo tanto aumenta la confiabilidad.
Pero como muestra la grafica anterior , no se aprovechará la energía generada en las primeras horas de la mañana y al atardecer.
5 - Conformación de los Sistemas de Generación
5.1 Autosufiencia del sistema
La electricidad generada por el sistema fotovoltaico depende fundamentalmente del tipo y cantidad de módulos instalados, de su orientación e inclinación, y de la radiación solar que les llegue, así como de la bondad técnica de la instalación. La potencia nominal (en vatios pico o kilovatios pico) de los módulos nos indica la energía que producirían al mediodía de un día soleado, más o menos. En esas condiciones, un módulo de 40 Wp de potencia nominal produciría 40 Wh (vatios-hora) de energía si durante una hora recibe esa radiación máxima; el resto del día, en que la radiación es menor, la potencia real (y por tanto la energía producida) será menor. Hay que tener en cuenta que la generación de electricidad solar se produce durante el día, que coincide con las horas punta de consumo en muchos edificios, y que se obtiene en el propio lugar de consumo, disminuyendo las pérdidas en concepto de transporte y distribución de energía.
A menudo se plantea acercarse a la autosuficiencia, y lo primero es recordar que el Real Decreto 1663/2000 establece los requisitos administrativos y técnicos en los que un sistema solar fotovoltaico se puede conectar a la red de baja tensión. Toda la energía producida se vierte a la red eléctrica independientemente del consumo que se tenga, ya que este consumo se realiza a través de la conexión convencional que se tuviera antes de la instalación de los paneles. De esta manera es más favorable desde el punto de vista económico y medioambiental.
Un caso distinto son los sistemas aislados (donde la autosuficiencia es una necesidad). Se considera que para producir el equivalente al consumo de energía doméstico de una familia se suele requerir una potencia fotovoltaica instalada de entre menos de 1 kWp y 3 ó 4 kWp, en función del uso de la energía que se haga (hábitos de consumo más o menos despilfarradores) y de la eficiencia energética de los aparatos eléctricos utilizados: iluminación, electrodomésticos, etc.
Este tipo de instalaciones requieren de un sistema de acumulación ya que el consumo, evidentemente, no siempre coincide con los momentos de irradiación solar. Además, es necesario prever dicha acumulación para hacer frente a periodos de condiciones climáticas desfaborables.
Los aparatos de consumo deben ser de alta eficiencia existiendo en el mercado electrodomésticos especialmente diseñados para trabajar en este tipo de instalaciones y alimentados generalmente en corriente continua 12 Vdc ó 24 Vdc.
El primer paso en el diseño de una instalación para electrificación rural es el de estimar el consumo diario medio de la instalación, para ello debemos tener en cuenta la potencia consumida y el tiempo de funcionamiento de cada aparato ó lámpara. El consumo obtenido lo incrementamos en un 20 % para compensar las pérdidas en la instalación.
La capacidad total del acumulador la calcularemos multiplicando el consumo diario medio obtenido, teniendo en cuenta las pérdidas, por el número de días consecutivos que es previsible que la irradiación solar sea nula ó insuficiente. Este número dependerá principalmente de la zona y el tipo de clima, existiendo tablas en las que podemos obtener dichos valores.
Una vez tenemos la capacidad necesaria para la batería de acumuladores, dividimos por la tensión de suministro y obtendremos el valor de la acumulación en amperios-hora que es la unidad utilizada para referirnos a capacidades de acumulación.
5.2 Directamente conectados a una carga
Es el sistema mas simple en el cual el generador fotovoltaico se conecta directamente a la carga, normalmente un motor de corriente continua. Se utiliza fundamentalmente en bombeo de agua. Al no existir baterías ni componentes electrónicos aumenta la confiabilidad pero resulta difícil mantener una performance eficiente a lo largo del día.
5.3 Sistema módulo batería
Se puede utilizar un módulo fotovoltaico para reponer simplemente la autodescarga de una batería que se utilice para el arranque de un motor, por ejemplo. Para ello pueden utilizarse los módulos de silicio amorfo o Monocristalino.
Otra importante aplicación en la que el sistema fotovoltaico se conecta en forma directa a la batería es en sistemas de electrificación rural de pequeña potencia.
En estos casos se utilizan uno o dos módulos de silicio Monocristalino de 30 celdas cada uno conectados en paralelo para lograr la potencia deseada
5.4 Sistema fotovoltaico, batería y regulador
Es la configuración utilizada con módulos de 33 o 36 celdas en la cual se conecta el generador fotovoltaico a una batería a través de un regulador para que esta no se sobrecargue. Las baterías alimentan cargas en corriente continua.
5.5 Batería, inversor
Cuando se necesite energía en corriente alterna se podrá incluir un inversor. La potencia generada en el sistema fotovoltaico podrá ser transformada íntegramente en corriente alterna o podrán alimentarse simultáneamente cargas de corriente continua (C.C.) y de corriente alterna (C.A.)
5.6 Reguladores de carga de baterías
Existen diversos tipos de reguladores de carga.
El diseño mas simple es aquel que involucra una sola etapa de control. El regulador monitorea constantemente la tensión de batería.
Cuando dicha tensión alcanza un valor para el cual se considera que la batería se encuentra cargada (aproximadamente 14.1 Volts para una batería de plomo ácido de 12 Volts nominales) el regulador interrumpe el proceso de carga. Esto puede lograrlo abriendo el circuito entre los módulos fotovoltaicos y la batería ( control tipo serie ) o cortocircuitando los módulos fotovoltaicos (control tipo shunt). Cuando el consumo hace que la batería comience a descargarse y por lo tanto a bajar su tensión, el regulador reconecta el generador a la batería y vuelve a comenzar el ciclo.
En el caso de reguladores de carga cuya etapa de control opera en dos pasos, la tensión de carga a fondo de la batería puede ser algo mayor a 14,1 Volts.
El regulador queda definido especificando su nivel de tensión (que coincidirá con el valor de tensión del sistema) y la corriente máxima que deberá manejar.
Para ilustrarlo con un ejemplo sencillo, se supone que se tiene que alimentar una vivienda rural con consumo en 12 Vcc. y para ello se utilizan dos módulos fotovoltaicos.
La corriente máxima de estos módulos es Imp = 2,75 A y la corriente de cortocircuito Icc. = 3 A.
Al estar los módulos en paralelo la corriente total máxima que deberá controlar el regulador será
I total = 2 x 3 A =6 A
Se considera la corriente de cortocircuito para contemplar la peor situación.
El regulador a elegir, por lo tanto, deberá estar diseñado para trabajar en una tensión de 15 Volts (tensión de trabajo de los módulos) y manejar una corriente de 6 A.
5.7 Baterías
La función prioritaria de las baterías en un sistema de generación fotovoltaico es la de acumular la energía que se produce durante las horas de luminosidad para poder ser utilizada en la noche o durante periodos prolongados de mal tiempo.
Otra importante función de las baterías es la de proveer una intensidad de corriente superior a la que el dispositivo fotovoltaico puede entregar. Tal es el caso de un motor, que en el momento del arranque puede demandar una corriente de 4 a 6 veces su corriente nominal durante unos pocos segundos.
5.8 Interacción entre módulos fotovoltaicos y baterías
Normalmente el banco de baterías y los módulos fotovoltaicos trabajan conjuntamente para alimentar las cargas.
La siguiente figura muestra cómo se distribuye la entrega de energía a la carga a lo largo del día. Durante la noche toda la energía demandada por la carga la provee el banco de baterías.
En horas tempranas de la mañana los módulos comienzan a generar, pero si la corriente que entregan es menor que la que la carga exige, la batería deberá contribuir en el aporte. A partir de una determinada hora de la mañana la energía generada por los módulos fotovoltaicos superada la energía promedio demandada. Los módulos no solo atenderán la demanda sino que además, todo exceso se almacenara en la batería que empezara a cargarse y a recuperarse de su descarga de la noche anterior.
Finalmente durante la tarde, la corriente generada decrece y cualquier diferencia con la demanda la entrega a la batería. En la noche, la generación es nula y todo el consumo lo afronta la batería.
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