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 artículo, 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.
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.
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)
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.
Curvas Características de las Celdas Fotovoltaicas
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 .
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.
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.
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 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.
Más información sobre placas solares fotovoltaicas
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 artículo, 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.
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.
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)
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.
Curvas Características de las Celdas Fotovoltaicas
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 .
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.
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.
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 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.
Más información sobre placas solares fotovoltaicas
