Tema 4. Energía solar fotovoltaica
instalaciones aisladas y conectadas a la red
Objetivos: En este tema se estudiará una segunda aplicación de la energía solar. En este caso su objetivo es la producción de electricidad.
Esta electricidad puede tener dos finalidades, su uso en el mismo lugar de producción, en este caso hablamos de instalación aisladas de la red eléctrica, o su inyección en las líneas de red eléctrica, en cuyo caso hablamos de instalación conectadas a red.
Para ver cómo funcionan, sus principales elementos y el resto de características el tema consta de los siguientes apartados:
- Definición y conceptos
- Materiales de las células fotovoltaicas
- El módulo fotovoltaico
- La instalación fotovoltaica
- Aplicaciones
- ¿Cuánto cuesta una instalación?
Definición y conceptos
La energía solar fotovoltaica está basada en una tecnología de vanguardia sustentada en una industria, que en el caso español está a la cabeza del campo de la fabricación y de las aplicaciones.
La energía solar fotovoltaica se basa en la aplicación de las tecnologías de semiconductores y consiste en la conversión directa de la energía del sol en electricidad. Su potencialidad se ha desarrollado en gran manera durante los últimos veinte años, cuando se ha conseguido la reducción de costes de producción de electricidad por este método en más de veinte veces, desarrollándose sistemas de gran fiabilidad y creándose un mercado creciente a lo largo del mundo.
Originalmente orientada al suministro eléctrico en zonas de difícil acceso para la red de distribución y con pequeños consumos, está evolucionando hacia instalaciones aisladas de mayor tamaño y sobre todo a instalaciones conectadas a red, asociadas a un usuario cuya actividad principal no es energética.
Básicamente una instalación fotovoltaica está compuesta por un generador fotovoltaico y un sistema de acumulación de energía en las instalaciones aisladas, acumulándose la electricidad generada en corriente continua, pudiendo ser utilizada después como tal o conectando un inversor que convierte la corriente continua en alterna. La experiencia indica que este tipo de instalaciones tienen elevados periodos de vida útil, entre 20 y 30 años.
La unidad de medida de la potencia de las instalaciones fotovoltaicas es el Watio pico (Wp): la potencia máxima que es capaz de proporcionar o consumir un equipo. En un módulo fotovoltaico, indica la potencia que dará el panel en las mejores condiciones de inclinación, temperatura, limpieza de la atmósfera, impedancia del consumidor, etc...
La unidad de medida de energía de estas instalaciones es el Kilowatio hora (kWh): equivale a la energía desarrollada por una potencia de un (kW) durante una hora, equivalente a 3,6 millones de julios.
Materiales de las células fotovoltaicas
Actualmente, el silicio está presente como materia prima en el 87% de los módulos fotovoltaicos, tanto en la tecnología cristalina (mono o policristalina), como en forma de silicio amorfo (eficiencia 5-7%).
El primer tipo se encuentra más generalizado ya que, aunque su proceso de elaboración sea más complicado y caro, presenta mejores resultados en térmicos de eficiencia, con valores máximos entorno al 19% para el monocristalino y el 15% para el policristalino.
Actualmente se encuentra en experimentación materiales para aplicar en forma de capa delgada como el Teluro de Cadmio (CdTe) cuya eficiencia es del 10% por célula, o el diseleniuro de indio-cobre (CIS) con eficiencias en torno al 11%.
Un aspecto importante a tener en cuenta sobre la utilización de tecnologías de silicio es la obtención de la materia prima. Hasta ahora, el silicio utilizado como materia prima, es el desestimado por la industria electrónica, con él se produce el silicio cristalino de grado solar. Esta situación ha hecho que la industria fotovoltaica haya sufrido una gran dependencia de la industria electrónica. Esta relación se está superando, y en los últimos meses se han abierto algunas fábricas de producción de silicio grado solar. Esta circunstancia ha provocado un aumento en el precio de la materia prima, que a su vez ha producido un freno en la aceleración en el crecimiento del sector.
Se prevé que las tecnologías fotovoltaicas evolucionen en el futuro inmediato hacia una reducción de costes en la producción de materia primas, por mejora de eficiencia de células y optimización de los procesos de producción.
Uno de los retos más significativos de esta energía lo constituye el aumento de la eficiencia de las células fotovoltaicas y el alcance de desarrollo comercial de tecnologías actualmente en proceso experimental (CdTe y CIS). Igualmente, ya se prevé un elevado desarrollo de los sistemas de concentración que permiten conseguir niveles de eficiencia sensiblemente superiores.
La ventaja de estos sistemas es que necesitan menos cantidad de silicio, por tanto, se produce un gran ahorro en la materia prima de los paneles solares. Este ahorro es importante por razones económicas (el coste del silicio es la parte más cara de la instalación) y por cuestiones de disponibilidad de materia prima.
Los principales consumos energéticos se producen en la fabricación del módulo, siendo favorable su balance energético con un periodo de recuperación energético de aproximadamente 2 años, y que se espera que disminuya a niveles mucho más bajos, entorno a 0,5 años en los próximos años.
El módulo fotovoltaico
Los paneles fotovoltaicos producen electricidad gracias al llamado efecto fotovoltaico, es decir el efecto por el que se transforma la energía luminosa en energía eléctrica. La luz solar está compuesta por fotones, o partículas energéticas. Estos fotones, de diferentes energías según las diferentes longitudes de onda del espectro solar, inciden sobre una célula FV y pueden ser reflejados, absorbidos, o pueden pasar a su través. Únicamente los fotones absorbidos generan electricidad.
Cuando un fotón es absorbido, la energía del fotón se transfiere a un electrón de un átomo de la célula de silicio. Con esta nueva energía, el electrón es capaz de escapar de esta célula. El hueco que deja este electrón produce un movimiento de cargas en las células de silicio dentro del panel, es decir corriente eléctrica. Estos electrones se recogen por la malla de contactos que se encuentra situada en el módulo.
El módulo fotovoltaico consiste en la conexión eléctrica de células fotovoltaicas en serie-paralelo hasta obtener los valores de voltaje y corriente deseados. El conjunto así definido es encapsulado de forma que quede protegido de los agentes atmosféricos, dándole a la vez rigidez mecánica y aislándole eléctricamente del exterior.
Tradicionalmente los módulos fotovoltaicos más utilizados en aplicaciones autónomas de pequeña potencia estaban constituidos por 33 ó 36 células de silicio monocristalino o policristalino, asociadas en serie. No obstante en la actualidad, con la amplia gama de aplicaciones fotovoltaicos existentes y el incremento de nuevas aplicaciones como la integración de sistemas fotovoltaicos en edificios, el tamaño y características de los módulos presenta una gran variación, pudiendo encontrarse desde el módulo convencional con cubierta frontal semitransparente, encapsulado en Tedlar y con 36 células conectadas en serie, hasta módulos semitransparentes coloreados especialmente diseñados para su integración en edificios, o módulos que incorporan un pequeño inversor en la caja de conexiones generando electricidad por tanto en corriente alterna.
Elementos que forman el módulo fotovoltaico:
- Cubierta frontal: normalmente formada por cristal con bajo contenido en hierro, con elevada transmisión de luz en longitudes de onda aprovechables por la célula solar, baja reflexión para aprovechar al máximo la energía solar incidente e impermeable al agua.
- Encapsulante: Se utiliza para dar adhesión entre las células solares, la superficie frontal y la posterior del módulo. Deberá ser impermeable al agua. El más utilizado es el EVA (Etilén-vinil-acetato).
- Cubierta posterior: debe ser impermeable y con baja resistencia térmica. Normalmente se utiliza una película de Tedlar (fabricado de polivinilo fluoruro. El contenido de flúor produce una mayor unión química que con polímeros normales, incrementando considerablemente la resistencia y la durabilidad) adosada en toda la superficie del módulo.
- Células fotovoltaicas y sus conectores: Dispositivos formados por metales sensibles a la luz que desprenden electrones cuando los fotones inciden sobre ellos. Convierten energía luminosa en energía eléctrica. Las cintas de interconexión eléctrica suelen ser de aluminio o acero inoxidable.
- Caja de conexión: externa al módulo, adherida con silicona a la parte posterior del módulo, cuenta con dos bornes de salida, positivo y negativo, que permiten el conexionado entre módulos.
Los bordes del bloque, así laminado, se protegen con una junta de neopreno, y todo el conjunto va incrustado en un marco de aluminio adherido normalmente con silicona, que le proporciona resistencia mecánica y está preparado para permitir su instalación y ensamblaje en cualquier estructura.
La instalación fotovoltaica
Varios módulos fotovoltaicos interconectados forman un grupo fotovoltaico mientras que varios grupos fotovoltaicos interconectados forman el campo fotovoltaico.
Es frecuente que las células o módulos interconectados no operen en las mismas condiciones de irradiancia y/o temperatura; esto ocurre por ejemplo, cuando alguna sombra cubre parte del módulo o del campo. También debido a la dispersión en los parámetros de fabricación.
Los dos efectos principales que producen esta dispersión es una reducción de la potencia máxima del generador fotovoltaico, cuando se da un sombreado parcial. Una célula sombreada invierte así su polaridad convirtiéndose en una carga que disipará la energía por las células conectadas a ella en serie.
Existen elementos de seguridad (diodos) que evitan estos problemas ocasionados por iluminación no uniforme impidiendo que todos las células se descarguen a través de una sola.
Otros elementos de las instalaciones fotovoltaicas son:
- Protecciones: además de los diodos, se utilizan protecciones contra sobretensiones, conexión a tierra. El cableado debe estar aislado de la intemperie y resistir la humedad.
- Estructura de soporte: Pueden ser fijas y con seguimiento. En el primer caso en el campo fotovoltaico la separación de filas debe de ser 3 veces mayor que la altura de cada panel. Los sistemas móviles siguen la trayectoria del sol en 1 o 2 ejes, es decir movimiento este-oeste según el momento del día y norte-sur siguiendo la posición del sol que cambia con la época del año. Este desplazamiento hace que las células reciban en todo momento la máxima luz solar posible, por lo tanto maximizan la eficiencia de la instalación. Se aumenta la producción de electricidad en aproximadamente un 30%.
- Regulador: en instalaciones aisladas de la red. Es el elemento electrónico que regula los procesos de carga y descarga de las baterías, de modo que no se produzcan sobrecargas o descargas extremas.
- Inversor: En instalaciones conectadas a la red. Es un elemento fundamental en este tipo de instalaciones. Se encarga de transformar la corriente continua producida por los paneles en corriente alterna, necesaria para inyectar a la red eléctrica. También es necesario su uso en instalaciones autónomas o aisladas, siempre que los puntos de consumo de electricidad funcionen con corriente alterna.
- Acumuladores (baterías): en el caso de las instalaciones aisladas de la red, la energía generada durante las horas de radiación debe ser almacenada para su aprovechamiento durante las horas de baja o nula insolación, por ello la fiabilidad de una instalación fotovoltaica aislada de la red depende en gran medida de la fiabilidad y rendimiento del sistema de acumulación. El 90% del mercado corresponde a las baterías de Plomo-Ácido que siempre que con un mantenimiento cuidadoso, son las que mejor se adaptan a estos sistemas de generación.
Fuente IDAE
Aplicaciones
Sistemas aislados: normalmente su aprovechamiento se suele realizar en aquellos lugares donde la distancia a las redes electricas es muy alta. También se pueden emplear para sistemas autónomos. Las aplicaciones típicas de los sistemas aislados son:
- Sistemas de iluminación exterior: en sistemas no conectados a la red eléctrica, como indicadores en carreteras, indicadores de seguridad en autopistas, iluminación de paradas de autobús, linternas portátiles. Cada punto de luz tiene su propio generador, batería y control.
- Telecomunicaciones: es uno de los mercados históricos de la energía solar fotovoltaica. El tiempo de fallos en estos sistemas resulta terriblemente caro, por tanto la fiabilidad es crítica. Por otro lado, la modularidad y flexibilidad de los sistemas fotovoltaicos hacen que se pueda utilizar para alimentar desde el más pequeño de los sistemas de telemetría hasta el mayor de los repetidores de microondas, situados a veces en lugares muy inaccesibles. Ejemplos: repetidores de microondas, radio, televisión o telefonía móvil.
- Sistemas de bombeo de agua: El bombeo de agua mediante energía solar proporciona una atractiva solución para suministro de agua para granjas, riego o agua potable. Este sistema no requiere baterías, no necesita combustible, son de bajo mantenimiento. El agua se extrae en relación con el sol que hay, y se acumula en una balsa o similar para usarse cuando se necesite.
- Sistemas autónomos para viviendas: Uno de los mercados con más demanda actual es el suministro de energía para viviendas (iluminación y electrodomésticos). Casas aisladas o pueblos enteros pueden generar su propia electricidad, sin necesidad de un mantenimiento sofisticado o suministros regulares de combustible y cubriendo todas las necesidades eléctricas que una vivienda habitual posee (iluminación, electrodomésticos, radio, TV, vídeo, microondas, ordenadores o herramientas).
Sistemas conectados a la red eléctrica: Estos sistemas producen electricidad en continua, gracias al inversor se transforma en corriente alterna y se inyecta a la red eléctrica. Pueden instalarse en cualquier lugar donde exista conexión con una empresa de suministro eléctrico (Iberdrola, Unión Fenosa, Endesa, etc). La red está obligada a aceptar esta electricidad producida, por lo que se genera electricidad siempre que haya sol.
Su desarrollo en España en los últimos años ha sido espectacular, es especial gracias a las llamadas “huertas solares”. En este caso se agrupa un conjunto determinado de instalaciones, normalmente cada una con una potencia de 5 kWp, en un mismo terreno. Cada instalación funciona de manera independiente pero comparten servicios comunes como mantenimiento, seguros, etc.
Estas instalaciones venden la electricidad producida al mercado eléctrico por lo que reciben, además del precio de la electricidad una prima, que tiene como objetivo pagar el coste extra que cuesta producir con energías limpias frente a la producción de energía con fuentes convencionales, que al no tener internalizados sus costes, tienen costes de producción menores.
En la actualidad, las instalaciones de hasta 5 kW cobran 44,04 cE/kWh con un TIR (Tasa Interna de Rendimiento) del proyecto, medio del 7,6% en el caso de las instalaciones fijas y un 8% en instalaciones con seguimiento.
¿Cuánto cuesta una instalación?
Fuente IDAE, 2007
¿Cuánto cuesta una instalación solar fotovoltaica conectada a red?
Fuente IDAE, 2007
