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Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Técnica Industrial, Electrónica. 2010/2011 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA INSTALACION DE PANELES FOTOVOLTAICOS EN BOSAL S.A. Autor: David Blas Martínez Director: Miguel Ángel Torres. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 2 de 251 David Blas Martínez RESUMEN El presente proyecto tiene como objetivo el estudio y desarrollo de la energía solar, aplicada al campo de la fotovoltaica. El proyecto contará con dos partes bien diferenciadas. Una de ellas será la explicación a fondo de la propia energía solar fotovoltaica y la otra será la instalación de paneles fotovoltaicos en la cubierta de la nave industrial de Bosal Zaragoza. Se respetará al máximo el código técnico de la edificación (CTE) a la hora de realizar la parte correspondiente a la instalación de los paneles fotovoltaicos. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 3 de 251 David Blas Martínez INDICE DE CONTENIDOS RESUMEN 2 1. OBJETO Y ALCANCE 6 1.1. OBJETIVO DEL PROYECTO 6 1.2. ALCANCE DEL PROYECTO 6 2. INTRODUCCION 7 2.1. ANTECEDENTES 7 2.2. PRINCIPALES FUENTES DE ENERGIA NO RENOVABLE 8 2.3. FUENTES DE ENERGIA RENOVABLE 10 2.4. CONCEPTOS BASICOS DE LA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA 14 2.5. RAZONES DE ELECCION DE LA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA 21 2.6. EL CODIGO TECNICO DE LA EDIFICACION (CTE) 22 2.7. CONCLUSIONES 25 3. CONCEPTOS FUNDAMENTALES SOBRE ENERGIA SOLAR 28 3.1. EL SOL 28 3.2. LA NATURALEZA DE LA ENERGIA SOLAR 30 3.3. LA RADIACION SOLAR 32 3.3.1. La radiación solar terrestre 4. EL EFECTO FOTOELECTRICO 39 4.1. HISTORIA DEL EFECTO FOTOELECTRICO 39 4.2. GENERALIDADES 46 4.3. INTERPRETACION CUANTICA DEL EFECTO FOTOELECTRICO 51 4.4. LOS SEMICONDUCTORES 53 4.5. APLICACIONES DEL EFECTO FOTOVOLTAICO 60 5. TIPOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS 64 5.1. GENERALIDADES 64 5.2. SISTEMAS AISLADOS 64 5.3. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS A LA RED 67 6. COMPONENTES DE LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS 71 6.1. LA CELULA SOLAR 71 6.1.1. Configuración de la célula solar 6.1.2. El silicio 6.1.3. Características típicas de las células solares 6.1.4. Proceso de fabricación de células solares 6.1.5. Productores de células fotovoltaicas 6.1.6. ¿Cuántos voltios puede darnos una célula fotovoltaica? 6.1.7. Venta de células fotovoltaicas 6.2. EL PANEL FOTOVOLTAICO 97 6.2.1. Composición y geometría del panel 6.2.2. Características eléctricas 6.2.3. Producción por m² de placas fotovoltaicas 6.2.4. Placas fotovoltaicas de ultima generación 6.3. DIODOS DE PROTECCION PARA INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS 112 6.4. EL GENERADOR FOTOVOLTAICO 114 6.5. LAS ESTRUCTURAS SOPORTE 117 Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 4 de 251 David Blas Martínez 6.5.1. Tipos de estructuras 6.5.2. Requisitos 6.6. LOS CABLES DE CONEXIÓN 122 6.6.1. Norma AWG 6.7. EL INVERSOR 125 6.7.1. Tipos de inversores 6.7.2. Requisitos para el inversor en el sistema fotovoltaico (sacado del CTE) 6.8. LA BATERIA SOLAR 135 6.8.1. La batería de Níquel – Cadmio (Ni – Cd) 6.9. EL REGULADOR FOTOVOLTAICO 143 6.9.1. Regulación de la intensidad de carga de las baterías 6.9.2. Tipos de reguladores de carga 6.9.3. Principales diferencias entre el regulador en serie y paralelo. 6.9.4. Características principales de los reguladores de carga. 7. INSTALACIONES SOLARES FOTOVOLTAICAS CONECTADAS A RED 151 7.1. FACTURACION NETA Y TARIFA FOTOVOLTAICA 154 7.2. ELEMENTOS QUE COMPONEN LA INSTALACION 156 7.2.1. El generador fotovoltaico 7.2.2. El inversor 7.2.3. El cableado 7.2.4. La conexión a red 7.2.5. Protecciones 7.2.6. Puesta a tierra 7.2.7. Mantenimiento 7.2.8. Garantía 8. PERDIDAS EN UN SISTEMA FOTOVOLTAICO Y POTENCIA DEL GENERADOR FOTOVOLTAICO 183 8.1. PERDIDAS 183 8.1.1. Perdidas por temperatura 8.1.2. Perdidas por no cumplimiento de la potencia nominal 8.1.3. Perdidas por conexionado 8.1.4. Perdidas por sombreado del generador 8.1.5. Perdidas por polvo y suciedad 8.1.6. Perdidas angulares 8.1.7. Perdidas espectrales 8.1.8. Perdidas por el rendimiento del inversor 8.1.9. Perdidas por rendimiento de seguimiento del punto de máxima potencia del generador 8.1.10. Perdidas por caídas cómicas en el cableado 8.1.11. Perdidas por explotación y mantenimiento. 8.2. COMPARATIVA ENTRE LAS PERDIDAS EN SISTEMAS FOTOVOLTAICOS FIJOS Y CON SEGUIMIENTO 191 8.3. POTENCIA PRODUCIDA POR EL GENERADOR FOTOVOLTAICO IDEAL 193 8.4. CONCLUSIONES EN CUANTO A LA ESTIMACION DE ENERGIA GENERADA 195 9. LA SITUACION DEL SECTOR FOTOVOLTAICO 198 Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 5 de 251 David Blas Martínez 9.1. EL MERCADO FOTOVOLTAICO EN ESPAÑA 198 10. INSTALACION DE LA CUBIERTA DE PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS 205 10.1. RESUMEN 205 10.2. INTRODUCCION 205 10.3. DISEÑO DE LA CUBIERTA SOLAR FOTOVOLTAICA 216 10.4. DIMENSIONADO DEL CAMPO FOTOVOLTAICO 224 10.5. CONEXIONADO A LA RED ELECTRICA 229 10.6. CALCULO TEORICO DE LA ENERGIA GENERADA POR LA INSTALACION 235 10.7. RESULTADOS OBTENIDOS CON EL PROGRAMA PVSYST 237 10.8. MANTENIMIENTO DE LA INSTALACION 240 10.9. RESUMEN DEL PRESUPUESTO 242 10.10. ANALISIS DE LA SOSTENIBILIDAD DE LA INSTALACION 242 10.11. IMPACTO AMBIENTAL 244 10.12. IMPACTO SOCIAL 246 11. GLOSARIO DE TERMINOS 247 12. BIBLIOGRAFIA 250 Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 6 de 251 David Blas Martínez 1. OBJETO Y ALCANCE 1.1. OBJETIVO DEL PROYECTO El presente proyecto tiene por principal objetivo llevar a cabo el desarrollo de la energía solar fotovoltaica y la instalación de paneles fotovoltaicos en la cubierta de Bosal Zaragoza según la norma CTE. 1.2. ALCANCE DEL PROYECTO El alcance del proyecto abarca dos aspectos bien diferenciados: • En primer lugar, se presentara la energía solar fotovoltaica en sí misma: su principio de funcionamiento, efectos físicos, sus diferentes tipologías de instalación, su grado de desarrollo actual, sus perspectivas de futuro, etc. También se hablará de las instalaciones fotovoltaicas conectadas a red y los elementos que las integran entre muchas otras cosas. • En segundo lugar, se llevarán a cabo todos los apartados necesarios para desarrollar la instalación de paneles fotovoltaicos en la cubierta de Bosal Zaragoza con objeto de verter a la red la mayor cantidad de energía posible Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 7 de 251 David Blas Martínez 2. INTRODUCCIÓN 2.1. ANTECEDENTES La disponibilidad de energía en el mundo se ha convertido en un problema crucial, dado que la gran mayoría de los países, tanto los en via de desarrollo como los más industrializados, se ven afectados por las crecientes demandas requeridas para satisfacer sus metas económicas y sociales. A partir de los últimos años, se ha reconocido como inevitable que la oferta de energía debe sufrir una transición desde su actual dependencia de los hidrocarburos hacia las aplicaciones energéticas más diversificadas, lo que implica el aprovechamiento de la variedad de fuentes de energía renovables que se disponen. El Sol es una fuente inagotable de recursos para el hombre. Provee una energía limpia, abundante y disponible en la mayor parte de la superficie terrestre y puede por lo tanto, liberarlo de los problemas ambientales generados por los combustibles convencionales, como el petróleo, y de otras alternativas energéticas, como las centrales nucleares. Sin embargo, a pesar de los avances tecnológicos de las últimas décadas, el aprovechamiento de esta opción ha sido insignificante, comparándolo con el consumo global de energía en el mundo. Los problemas técnicos que se plantean para el aprovechamiento de la energía solar son los siguientes: • Gran dispersión de la energía solar sobre la superficie de la tierra. • Carácter incontrolable y variable en el tiempo de la intensidad de la radiación solar. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 8 de 251 David Blas Martínez 2.2. PRINCIPALES FUENTES DE ENERGIA NO RENOVABLE. Energía no renovable se refiere a aquellas fuentes de energía que se encuentran en la naturaleza en una cantidad limitada y una vez consumidas en su totalidad, no pueden sustituirse, ya que no existe sistema de producción o extracción viable. Dentro de las fuentes de energía no renovable, comúnmente se distingue principalmente entre tres tipos: a) Las fuentes de energía fósil b) Las fuentes de energía geotérmica c) La energía nuclear. a) Fuentes de energía fósil Se llama energía fósil a la que se obtiene de la combustión (oxidación) de ciertas substancias que, según la geología, se produjeron en el subsuelo a partir de la acumulación de grandes cantidades de residuos de seres vivos, hace millones de años. De entre estas sustancias combustibles destacan: Petróleo y sus derivados: El petróleo es una mezcla de una gran variedad de hidrocarburos (compuestos de carbono e hidrogeno) en fase liquida, mezclados con una variedad de impurezas. Por destilación y otros procesos, se obtienen las diversas gasolinas, el diesel, otros componentes pesados, etc. A nivel mundial ya no es un recurso abundante, y se encuentra muy sobreexplotado, por motivos energéticos y financieros. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 9 de 251 David Blas Martínez Gas natural: El gas natural está compuesto principalmente por metano y corresponde a la fracción más ligera de los hidrocarburos, por lo que se encuentra en los yacimientos en forma gaseosa. Carbón Mineral: El carbón mineral está compuesto principalmente por carbono, también de origen fósil, que se encuentra en grandes yacimientos en el subsuelo. A nivel mundial, el carbón es abundante, pero los problemas ecológicos que causa son aún más mayores que los inherentes al petróleo y sus derivados. b) Energía Geotérmica. La energía geotérmica consiste en extraer calor del magma incandescente de la Tierra, por medio de vapor. Mediante procesos térmicos, es posible general electricidad, en las plantas llamadas “geotermoelectricas”. El magma se encuentra cerca de la superficie terrestre en las zonas con gran actividad volcánica, y es donde es mas explotable. En algunos casos el vapor o el agua caliente brotan espontáneamente. En otros, es necesario inyectar agua en pozos y extraerla en forma de vapor. Es necesario saber que el aprovechamiento de la energía geotérmica no involucra una combustión. c) Energía Nuclear La energía nuclear se obtiene de la modificación de los núcleos de algunos átomos, muy pesados o muy ligeros. En esta modificación, cierta fracción de su masa se transforma en energía. La liberación de energía nuclear, por tanto, tampoco involucra combustiones, pero si produce otros subproductos agresivos al ambiente. Se distinguen, principalmente, dos procesos: Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 16 de 251 David Blas Martínez recordar que para realizar la transformación de energía solar en energía eléctrica se necesita de un sistema fotovoltaico apropiado para cada caso. Por ello el coste real de utilizar la energía solar no es otro que el coste de instalar y mantener adecuadamente el sistema fotovoltaico. En la célula fotovoltaica comienza la generación de corriente continua, tan pronto como la luz del sol incide sobre su superficie. Estas células se basan en las propiedades de los materiales semiconductores como el silicio. La mencionada generación eléctrica tiene lugar sin que sea necesaria la intervención de ningún tipo de componente mecánico o móvil, ni de ningún proceso o tipo químico o termodinámico, por lo que las células disfrutan de una vida útil muy prolongada, de hasta más de 30 años. Figura 2. Imagen de una célula fotovoltaica Muy generalmente, al incidir la luz del sol sobre la superficie de la célula fotovoltaica, los fotones de luz van a transmitir su energía a los electrones del semiconductor para que así puedan circular dentro del sólido. La tecnología fotovoltaica consigue que parte de estos electrones salgan al exterior del material semiconductor generándose así una corriente eléctrica capaz de circular por un circuito externo. Las células solares se unen eléctricamente unas con otras, y, tras realizar un posterior encapsulado y enmarcado sobre el conjunto con objeto Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 17 de 251 David Blas Martínez de proporcionar la necesaria resistencia a la intemperie, se llega a la obtención de los conocidos paneles o módulos fotovoltaicos. Los módulos se pueden conectar a su vez entre sí, en lo que se denomina sistemas de energía solar, formando un número conveniente de ramas o cadenas. De este modo es posible realizar, tanto pequeños equipos de baja potencia (con solo unos pocos watios) como instalaciones de mayor tamaño (Centrales de varios megawatios). El rendimiento de un panel fotovoltaico depende de algunas variables externas como la radiación solar, la temperatura de funcionamiento y la orientación de este panel frente al sol y, además, de la calidad con la que esté fabricado el panel y parámetros de mantenimiento como la suciedad, envejecimiento, etc. Los sistemas de energía solar fotovoltaica se sustentan en una tecnología de vanguardia, tomando como base en conglomerado industrial que, en el caso de España, está a la cabeza mundial en el campo de fabricación tanto de los paneles como del resto de componentes y de las aplicaciones. Figura 3. Estructura y diferentes partes de un modulo fotovoltaico El silicio se emplea como materia prima en aproximadamente el 90% de los módulos fotovoltaicos, tanto para paneles fabricados con la tecnología cristalina, como de forma esporádica en los receptores de lámina delgada basados en el silicio amorfo. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 18 de 251 David Blas Martínez El uso del silicio cristalino se encuentra más extendido ya que, a pesar de que su proceso de elaboración sea más costoso y complicado, se obtiene una mucho mayor eficiencia. Un aspecto a tener en cuenta sobre la utilización de tecnologías de Silicio es la obtención de la materia prima. Para la fabricación de los paneles fotovoltaicos, es el silicio que la industria electrónica no utiliza, el que sirve como materia prima para producir silicio cristalino de grado solar. De este modo, el desarrollo de la industria fotovoltaica viene condicionado por la industria de la electrónica, ya que la materia prima que emplea ésta es un subproducto de menor pureza a un coste sensiblemente inferior. Hay que considerar al panel fotovoltaico como un elemente de producción de energía, ya que, a lo largo de su vida útil, produce muchas mas energi de la que consume, y, además, la obtiene a partir de una fuente inagotable y no contaminante. Los principales consumos energéticos se producen en la fabricación del modulo y de la estructura de montaje, considerándose que resulta favorable su balance energético con un periodo de recuperación de la energía consumida o “pay-back” que actualmente es de 3 a 5 años. Un sistema fotovoltaico de conexión a red, es aquel que aprovecha la energía del sol para transformarla en energía eléctrica que cede a la red eléctrica convencional para que pueda ser consumida por cualquier usuario conectado a ella y responde al siguiente esquema. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 19 de 251 David Blas Martínez Figura 4. Esquema de un sistema fotovoltaico conectado a red. El generador fotovoltaico formado por una serie de paneles conectados entre si, se encarga de transformar la energía del sol en energía eléctrica. Sin embargo, dado que esta energía se produce en forma de corriente continua tiene que ser transformada en corriente alterna para acoplarse a la red convencional. Para los sistemas conectados a la red de distribución eléctrica, el elemento fundamental es el inversor, que es el encargado de esa conversión de la corriente continua en alterna; debe contar con unas características que le conviertan en idóneo de cara a no generar inconvenientes a la red. Para ello deberá cumplir una serie de condiciones técnicas para evitar averías al tiempo que debe garantizar que su funcionamiento no disminuya la seguridad ni provoque alteraciones en la red eléctrica superiores a las admitidas. En España, el Real Decreto 436/2004, de 12 de Marzo, permite que cualquier interesado pueda convertirse en productor de electricidad en régimen especial a partir de la energía del sol. Esto supone que el ciudadano, las empresas u otras entidades que lo deseen podrán disponer Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 20 de 251 David Blas Martínez de su instalación solar fotovoltaica conectada a la red. Con ello se da luz verde a que iniciativas particulares, apoyándose en las primas sobre la tarifa de venta recogidas en el Real Decreto y aprovechando la energía del sol, pueden contribuir a una producción de energía de manera más limpia, impulsando el desarrollo sostenible. Conceptualmente la energía solar fotovoltaica como energía de fuente renovable, representa una formula energética radicalmente mas respetuosa con el medio ambiente que cualquier energía convencional. Es también importante destacar que la reducción de dióxido de carbono en sistemas fotovoltaicos es muy significativa. Por ejemplo, con un sistema de 5 kW, que equivale a una superficie aproximada de 40m², se evita la emisión de 15 a 25 kg diarios de dióxido de carbono, que, en caso de utilizar otra fuente de producción para la electricidad, serian producidos como consecuencia de los métodos de generación de energía eléctrica menos ecológicos, ya sean centrales por turbina de gas, centrales de ciclo combinado, etc. Para la energía solar fotovoltaica el impacto medioambiental principal se produce en los procesos de extracción de la materia prima. En cualquier caso dicho impacto es escaso, dado que, como he dicho antes, casi un 90% de las células se fabrican a partir de silicio, y este material es obtenido a partir de la arena y por tanto muy abundante en la naturaleza. Durante la fase de producción de electricidad, las cargas ambientales son completamente despreciables, y por otra parte, después de transcurrida la vida útil del panel, pueden establecerse vías claras de reutilización o retirada tanto de panel como del resto de elementos del sistema fotovoltaico. El principal impacto en la fase de producción es el efecto visual sobre el paisaje. No obstante, es susceptible de ser reducido de modo sencillo en la mayoría de instalaciones con una adecuada integración en el paisaje o edificios. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 21 de 251 David Blas Martínez Desde un punto de vista biótico, no existen afecciones importantes ni sobre la calidad del aire, ni sobre los suelos, flora y fauna, no provocándose ruidos ni afectándose tampoco a la hidrología existente. 2.5. RAZONES DE ELECCIÓN DE LA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA Se sabe que la energía media anual que incide sobre cada metro cuadrado de tierra plana en nuestra latitud es de unos 5kWh. El valor medio por día de esa energía es de unos 0,2 kWh/m². El problema que existe es que la Tierra describe una trayectoria alrededor del Sol que hace que la inclinación con la que inciden los rayos solares sobre la superficie terráquea varíe a lo largo del día y cada día del año. En una determinada latitud como la de España, la inclinación del Sol sobre una superficie horizontal va a ir variando entre los 0º y los 20º en invierno, y los 0º y 60º en verano. Lógicamente, las células solares trabajaran con el máximo potencial, y con ello generando una mayor corriente electricam, cuando reciben los rayos solares perpendicularmente. De este modo se hace necesario optimizar las instalaciones, de manera que se considere en su diseño que el ángulo de los paneles deba poder adoptar una inclinación variable entre los 60º y los 20º en verano, y, adicionalmente, garantizar que la orientación en el eje este-oeste sea siempre la adecuada, de forma que al amanecer los paneles esperen a la salida del sol orientados hacia el este y sigan su recorrido para acabar la jornada diurna orientados al oeste en el ocaso. Las razones para escoger la energía solar fotovoltaica en lugar de otras energias limpias son: a) SIMPLICIDAD Los sistemas fotovoltaicos van a generar la electricidad directamente a partir de la luz del Sol. En cierta medida, se pueden llegar a adquirir como si fueran un kit e, incluso en el caso más Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 22 de 251 David Blas Martínez complejo de sistemas de conexión a la red, requieren un mínimo mantenimiento. Si se trata de sistemas aislados será necesario disponer de un sistema de almacenamiento mediante baterías, que pueden gozar de una larga duración. b) MODULARIDAD Un sistema fotovoltaico siempre va a poderse ampliar con nuevos elementos. c) DURACION Los módulos fotovoltaicos se fabrican de manera que puedan resistir todo tipo de fenómenos meteorológicos adversos. Los fabricantes garantizan los paneles por periodos de 20 a 40 años, incluyendo en la mencionada garantía incluso la producción y rendimiento del modulo. d) SEGURIDAD En un sistema fotovoltaico no existe ningún riesgo potencial que pueda afectar a personas o materiales. No existen elementos inflamables y no atraen los rayos. Los inversores, que conectan el sistema fotovoltaico con la red eléctrica, funcionan con chips que los hacen muy fiables. 2.6. EL CODIGO TÉCNICO DE LA EDIFICACIÓN (CTE) Con la publicación del Real Decreto 314/2006 de 17 de Marzo, por el que se aprueba el Código Técnico de la Edificación, desde el Ministerio de Vivienda se definen, con una necesidad de obligado cumplimiento para el proyectista, tanto el objetivo del requisito básico “Ahorro de energía”, como las exigencias básicas que se establecen en el artículo 15 de la Parte I del Código Técnico de la Edificación (CTE) con los siguientes criterios: a) El objetivo del requisito básico “Ahorro de energía” consiste en conseguir un uso racional de la energía necesaria para la utilización en edificios, reduciendo a limites sostenibles su Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 23 de 251 David Blas Martínez consumo y conseguir asimismo que una parte de este consumo proceda de fuentes de energía renovable, como consecuencia de las características de su proyecto, construcción, uso y mantenimiento. b) Para satisfacer este objetivo, los edificios se proyectarán, construirán, utilizarán y mantendrán de forma que se cumplan las exigencias básicas que se establecen en los apartados siguientes. c) El documento Básico “DB HE Ahorro de energía” especifica los parámetros objetivos y procedimientos cuyo cumplimiento asegura la satisfacción de las exigencias básicas y la superación de los niveles mínimos de calidad propios del requisito básico de ahorro de energía. Estos criterios de “Ahorro de energía” se plasman en las denominadas “Exigencias Básicas”: 1) Exigencia Básica HE 1: Limitación de demanda energética. 2) Exigencia Básica HE 2: Rendimiento de las instalaciones térmicas. 3) Exigencia Básica HE 3: Eficiencia energética de las instalaciones de iluminación. 4) Exigencia Básica HE 4: contribución solar mínima de agua caliente sanitaria. 5) Exigencia Básica HE 5: Contribución fotovoltaica mínima de energía eléctrica. Para el tema abordado en este proyecto, realmente nos interesa la Exigencia Básica HE 5, no obstante, voy a citar resumidamente cada una de ellas. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 24 de 251 David Blas Martínez Exigencia básica HE 1: Limitación de demanda energética: Los edificios dispondrán de una envolvente de características tales que limite adecuadamente la demanda energética necesaria para alcanzar el bienestar térmico en función del clima de la localidad, del uso del edificio y del régimen de verano y de invierno, así como por sus características de aislamiento e inercia, permeabilidad al aire y exposición a la radiación solar, reduciendo el riesgo de aparición de humedades de condensación superficiales e intersticiales que puedan perjudicar sus características y tratando adecuadamente los puentes térmicos para limitar las pérdidas o ganancias de calor y evitar problemas higrotérmicos en los mismos. Exigencia básica HE 2: Rendimiento de las instalaciones térmicas: Los edificios dispondrán de instalaciones térmicas apropiadas destinadas a proporcionar el bienestar térmico de sus ocupantes, regulando el rendimiento de las mismas y de sus equipos. Esta exigencia se desarrolla actualmente en el vigente Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios, RITE, y su aplicación quedará definida en el proyecto del edificio. Exigencia básica HE 3: Eficiencia energética de las instalaciones de iluminación: Los edificios dispondrán de instalaciones de iluminación adecuadas a las necesidades de sus usuarios y a la vez eficaces energéticamente disponiendo de un sistema de control que permita ajustar el encendido a la ocupación real de la zona, así como de un sistema de regulación que optimice el aprovechamiento de la luz natural, en las zonas que reúnan unas determinadas condiciones. Exigencia básica HE 4: Contribución solar mínima de agua caliente sanitaria: En los edificios, con previsión de demanda de agua caliente sanitaria o de climatización de piscina cubierta, en los que así se establezca en este CTE, una parte de las necesidades energéticas Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 25 de 251 David Blas Martínez térmicas derivadas de esa demanda se cubrirá mediante la incorporación en los mismos de sistemas de captación, almacenamiento y utilización de energía solar de baja temperatura, adecuada a la radiación solar global de su emplazamiento y a la demanda de agua caliente del edificio. Los valores derivados de esta exigencia básica tendrán la consideración de mínimos, sin perjuicio de valores que puedan ser establecidos por las administraciones competentes y que contribuyan a la sostenibilidad, atendiendo a las características propias de su localización y ámbito territorial. Exigencia básica HE 5: Contribución fotovoltaica mínima de energía eléctrica: En los edificios que así se establezca en este CTE se incorporarán sistemas de captación y transformación de energía solar en energía eléctrica por procedimientos fotovoltaicos para uso propio o suministro a la red. Los valores derivados de esta exigencia básica tendrán la consideración de mínimos, sin perjuicio de valores más estrictos que puedan ser establecidos por las administraciones competentes y que contribuyan a la sostenibilidad, atendiendo a las características propias de su localización y ámbito territorial. Se adjunta como anexo (ANEXO B) la documentación correspondiente a la exigencia básica HE 5, donde se explica a fondo en qué consiste dicha norma. 2.7. CONCLUSIONES Como resumen podemos destacar cinco características importantes de la energía solar fotovoltaica: a) La energía solar fotovoltaica implica la utilización de recursos naturales ilimitados. En este caso, el único recurso natural a utilizar será la energía solar, que se transforma de modo directo en energía eléctrica. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 32 de 251 David Blas Martínez 3.3. LA RADIACION SOLAR Radiación solar es el conjunto de radiaciones electromagnéticas emitidas por el Sol. El Sol se comporta prácticamente como un cuerpo negro el cual emite energía siguiendo la ley de Planck a una temperatura de unos 6000 K. La radiación solar se distribuye desde el infrarrojo hasta el ultravioleta. No toda la radiación alcanza la superficie de la Tierra, porque las ondas ultravioletas más cortas, son absorbidas por los gases de la atmósfera fundamentalmente por el ozono. La magnitud que mide la radiación solar que llega a la Tierra es la irradiancia, que mide la energía que, por unidad de tiempo y área, alcanza a la Tierra. Su unidad es el W/m² (vatio por metro cuadrado). 3.3.1. LA RADIACION SOLAR TERRESTRE Para alcanzar la superficie terrestre la radiación solar debe atravesar la atmosfera donde experimenta diversos fenómenos de reflexión, absorción y difusión que disminuyen la intensidad final de la radiación. Figura 6. Fenómenos que experimenta la radiación solar La radiación que llega directamente del sol es la denominada radiación directa y la que previamente es absorbida y difundida por la Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 33 de 251 David Blas Martínez atmosfera (muy significativa por ejemplo en días nublados) es la radiación difusa. La radiación solar, tanto directa como difusa, se refleja en todas las superficies en las que incide dando lugar a la radiación reflejada o albedo. La reflexión dependerá de las características y naturaleza de la superficie reflectora. La radiación solar global es la suma de los tres tipos antes citados, directa, difusa y reflejada (albedo), y es la que podemos aprovechar para su transformación gracias al efecto fotovoltaico (explicado más adelante). Las proporciones de radiación directa, dispersa y albedo recibida por una superficie determinada dependen: - De las condiciones meteorológicas (de hecho, en un dia nublado la radiación es prácticamente dispersa en su totalidad; en un día despejado con clima seco predomina, en cambio, la componente directa, que puede llegar hasta el 90% de la radiación total) - De la inclinación de la superficie respecto al plano horizontal (una superficie horizontal recibe la máxima radiación dispersa – si no hay alrededor objetos a una altura superior a la de la superficie – y la mínima reflejada). - De la presencia de superficies reflectantes (debido a que las superficies claras son las más reflectantes, la radiación reflejada aumenta en invierno por efecto de la nieve y disminuye en verano por efecto de la absorción de la hierba o del terreno). En función de lugar, además, varia la relación entre la radiación dispersa y la total, ya que al aumentar la inclinación de la superficie de captación, disminuye la componente dispersa y aumenta la componente Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 34 de 251 David Blas Martínez reflejada. Por ello, la inclinación que permite maximizar la energía recogida puede ser diferente dependiendo del lugar. La posición optima, en la práctica, se obtiene cuando la superficie está orientada al sur, con ángulo de inclinación igual a la latitud del lugar: la orientación al sur, de hecho, maximiza la radiación solar captada recibida durante el día y si la inclinación es igual a la latitud hace que sean mínimas, durante el año, las variaciones de energía solar captadas debidas a la oscilación de 23,5º de la dirección de los rayos solares respecto a la perpendicular a la superficie de recogida. En la figura 7 se muestran las trayectorias estacionales del sol para un plano situado a 40º latitud Norte. La radiación directa será mayor cuando la incidencia de los rayos solares sea perpendicular a la superficie. Figura 7. Trayectorias estacionales para un punto situado a 40º latitud Norte Si llamamos Id a la radiación directa, Is a la radiación dispersa e Ir al albedo, entonces resulta que la radiación solar total (It) que cae sobra una superficie es: It = Id + Is + Ir Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 35 de 251 David Blas Martínez Como se ha visto anteriormente, esto implica que los valores de radiación solar total sobre cada punto serán variables. No obstante este valor también depende de la ubicación concreta de la superficie y de la distancia al sol, es decir, del día del año. En la figura 8, se muestran, en Kwh/m²/dia los valores de radiación solar sobre superficie con la inclinación más favorable en el mes más desfavorable para la superficie terrestre. Figura 8. Energía solar incidente, en kWh, por m2 y día, sobre superficie perpendicular a la radiación solar en el mes más desfavorable. En general, los datos de irradiación solar de que se dispone son en el mejor de los casos valores de irradiación global horaria sobre la superficie horizontal. Para estimar la irradiación global sobre superficies inclinadas es necesaria la utilización de modelos matemáticos complejos. En este caso es necesario en primer lugar descomponer la irradiación global horizontal en sus componentes directa y difusa, para lo que se utilizan métodos matemáticos basados en ajustes de tipo polinómico. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 36 de 251 David Blas Martínez Una vez se tienen estos valores de irradiación directa y difusa horizontal es posible calcular la irradiación directa sobre una superficie inclinada por métodos geométricos. Para ello, es imprescindible conocer con exactitud la hora solar en la ubicación a estudiar. Si el estudio se realiza sobre un sistema con seguimiento solar será necesario integrar los valores para cada instante, según evoluciona la hora solar. La irradiación reflejada se obtiene generalmente mediante la aplicación de un coeficiente de albedo sobre la irradiación global horizontal, al que normalmente se asignan valores del 20%. A continuación se muestra una tabla con los principales datos de irradiación de los principales municipios en España. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 37 de 251 David Blas Martínez Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 38 de 251 David Blas Martínez Tabla 1. Datos de irradiación de los principales municipios de España. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 39 de 251 David Blas Martínez 4. EL EFECTO FOTOELECTRICO 4.1. HISTORIA DEL EFECTO FOTOELECTRICO Edmund Becquerel: En 1839 Edmund Becquerel, físico francés, descubre el efecto fotoeléctrico: en una celda electrolítica compuesta de 2 electrodos metálicos sumergidos en una solución conductora, la generación de energía aumentaba al exponer la solución a la luz. Se observó una fuerza electromotriz (un voltaje) que se originaba al iluminar electrodos de platino u oro inmersos en una solución alcalina o ácida. Aunque Becquerel fue el primero en describir el efecto fotoeléctrico en 1839, cuando tan solo tenía 19 años, su descubrimiento permaneció como inexplorado durante medio siglo. Willoughby Smith: En el año 1873, el ingeniero británico Willoughby Smith descubrió que el Selenio mostraba un cambio en su resistencia eléctrica cuando era sometida a una fuente de luz. W.G. Adams y R.E. Day: Observaron en 1877 el efecto en una pequeña barra de selenio en cuyos extremos habían fundido electrodos de platino. Construyeron la primera celda de Selenio. Durante los siguientes 30 años la primera aplicación práctica la constituyo el medidor de luz para fotografía y como sensor de luz en instrumentos ópticos. Heinrich Hertz: Las primeras observaciones del efecto fotoeléctrico fueron llevadas a cabo por Heinrich Hertz en 1887 en sus experimentos sobre la producción y recepción de ondas electromagnéticas. Su receptor consistía en una bobina en la que se podía producir una chispa como producto de la recepción de ondas electromagnéticas. Para observar mejor la chispa Hertz Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 40 de 251 David Blas Martínez encerró su receptor en una caja negra. Sin embargo la longitud máxima de la chispa se reducía en este caso comparada con las observaciones de chispas anteriores. En efecto la absorción de luz ultravioleta facilitaba el salto de los electrones y la intensidad de la chispa eléctrica producida en el receptor. Hertz realizó celdas fotovoltaicas que convertían la luz en electricidad con un 1% al 2% de eficiencia, y publicó un artículo con sus resultados sin intentar explicar el fenómeno observado. J.J. Thompson: En 1889, el físico británico Joseph John Thomson investigaba los rayos catódicos. Influenciado por los trabajos de James Clerk Maxwell, Thomson dedujo que los rayos catódicos consistían de un flujo de partículas cargadas negativamente a los que llamó corpúsculos y ahora conocemos como electrones. Thomson utilizaba una placa metálica encerrada en un tubo de vacío como cátodo exponiendo este a luz de diferente longitud de onda. Thomson pensaba que el campo electromagnético de frecuencia variable producía resonancias con el campo eléctrico atómico y que si estas alcanzaban una amplitud suficiente podía producirse la emisión de un "corpúsculo" subatómico de carga eléctrica y por lo tanto el paso de la corriente eléctrica. La intensidad de esta corriente eléctrica variaba con la intensidad de la luz. Incrementos mayores de la intensidad de la luz producían incrementos mayores de la corriente. La radiación de mayor frecuencia producía la emisión de partículas con mayor energía cinética. Von Lenard: En 1902 Philipp von Lenard realizó observaciones del efecto fotoeléctrico en las que se ponía de manifiesto la variación de energía de los electrones con la frecuencia de la luz incidente. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 41 de 251 David Blas Martínez La energía cinética de los electrones podía medirse a partir de la diferencia de potencial necesaria para frenarlos en un tubo de rayos catódicos. La radiación ultravioleta requería por ejemplo potenciales de frenado mayores que la radiación de mayor longitud de onda. Los experimentos de Lenard arrojaban datos únicamente cualitativos dadas las dificultades del equipo instrumental con el cual trabajaba. Albert Einstein: En 1905 Albert Einstein propuso una descripción matemática de este fenómeno que parecía funcionar correctamente y en la que la emisión de electrones era producida por la absorción de cuantos de luz que más tarde serían llamados fotones. En un artículo titulado "Un punto de vista heurístico sobre la producción y transformación de la luz" mostró como la idea de partículas discretas de luz podía explicar el efecto fotoeléctrico y la presencia de una frecuencia característica para cada material por debajo de la cual no se producía ningún efecto. Por esta explicación del efecto fotoeléctrico Einstein recibiría el Premio Nobel de Física en 1921. El trabajo de Einstein predecía que la energía con la que los electrones escapaban del material aumentaba linealmente con la frecuencia de la luz incidente. Sorprendentemente este aspecto no había sido observado en experiencias anteriores sobre el efecto fotoeléctrico. La demostración experimental de este aspecto fue llevada a cabo en 1915 por el físico estadounidense Robert Andrews Millikan. La dualidad onda – corpúsculo: El efecto fotoeléctrico fue uno de los primeros efectos físicos que puso de manifiesto la dualidad onda-corpúsculo característica de la mecánica cuántica. La luz se comporta como ondas pudiendo producir interferencias y difracción como en el experimento de la doble rendija de Thomas Young, pero intercambia energía de forma discreta en paquetes de Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 48 de 251 David Blas Martínez electrones de valencia. Así, 4 serán utilizados para llevar a cabo los enlaces químicos con átomos adyacentes de silicio, mientras que el quinto podrá separarse del átomo de fósforo mediante una estimulación aportada por una fuente externa de energía térmica, con lo que pasará a disfrutar de libertad de movimiento en el interior del retículo del cristal. En sentido contrario, si la sustitución del átomo de silicio se realizase con átomos de boro, que sólo tiene 3 electrones de valencia, se llegaría a una situación en la que sería necesario un electrón adicional para completar los enlaces químicos con los átomos adyacentes de silicio. Este electrón que falta es denominado “hueco”, y produce un efecto opuesto, como si se tratase de un electrón ‘positivo’. En la siguiente figura se muestra gráficamente la situación descrita; en la primera imagen se puede observar cuál es la estructura del retículo cristalino del silicio puro, en la segunda cómo es la variación de la estructura cuando se realiza una combinación con átomos de fósforo y en la última imagen aparece el retículo cristalino en el caso del enlace con átomos de boro. Figura 10. Combinación del átomo de silicio con fosforo y boro Por lo tanto, en el caso de que se produzca el enlace con fósforo, los portadores de cargas libres poseen potencial negativo y el material es llamado semiconductor de “tipo n”. Mientras, en el caso en que la mencionada sustitución de átomos de silicio se produzca con átomos de Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 49 de 251 David Blas Martínez boro, los portadores de carga son positivos y el material es llamado semiconductor de “tipo p”. Uniendo una barra de material de tipo n con una barra de material tipo p se realiza la unión de dos de estos materiales “tipo-p” y “tipo-n”, constituyendo lo que se denomina diodo ó enlace “p-n”. Figura 11. Unión de un material “tipo-p” con un material “tipo-n”. Los electrones que se encuentren en estado libre dentro de la zona de material ‘tipo-n’ detectarán que existe colindante una región en la que no existen electrones libres y, esto hará que se genere un flujo de estos electrones portadores hacia la otra zona, como consecuencia del intento de restablecer el equilibrio. Del mismo modo, los huecos existentes en la ‘zona-p’ detectarán una región en la que no existen huecos y se producirá, por tanto, un flujo de cargas positivas en sentido contrario al flujo de electrones. Debido al avance de este proceso de difusión de electrones y huecos, en la ‘zona-p’ se generará un exceso de cargas con potencial negativo mientras en la ‘zona-n’ se producirá un exceso de cargas positivas. Por tanto, en el área de unión de los dos materiales se origina un campo eléctrico que se hace cada vez mayor a medida que huecos y electrones se siguen difundiendo hacia lados opuestos. Este proceso no terminará hasta que el potencial eléctrico de este campo alcance un valor que impida la posterior difusión de electrones y huecos. Una vez se haya alcanzado este valor de equilibrio, se habrá creado en el diodo p-n un campo eléctrico permanente sin la ayuda de campos Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 50 de 251 David Blas Martínez eléctricos o elementos externos. Este potencial eléctrico permite explicar el por qué del efecto fotovoltaico. Figura 12. Zona de carga espacial que se crea cuando se juntan dos materiales, uno “tipo p” y otro “tipo n”. Supongamos que un fotón (partícula que constituye un rayo solar) incide sobre la región de tipo p del material. Si el fotón incidente posee una energía térmica mayor que la energía mínima necesaria para romper un enlace del retículo del silicio (bandgap) será absorbido y con ello se creará una nueva pareja electrón-hueco. El efecto de la creación de esta nueva pareja será que el electrón liberado se trasladará hacia la ‘zona-n’ a causa del potencial eléctrico. En cambio, si el fotón incidiese sobre la zona-n, se generaría también una nueva pareja pero en este caso el hueco creado se moverá hacia la ‘zona-p’. Este flujo va a tener como consecuencia la acumulación de cargas positivas en la ‘zona-p’ y de cargas negativas en la ‘zona-n’, dando origen a un campo eléctrico opuesto al creado por el mecanismo de difusión. Evidentemente, cuanto mayor sea el número de fotones que incide sobre la unión, mayor será el número de los campos que pasen a anularse Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 51 de 251 David Blas Martínez el uno con el otro, hasta llegar que se alcance un valor umbral en el que ya no haya un campo interno que separe cada pareja electrón-hueco. Esta es la condición que determina la tensión a circuito abierto de la célula fotovoltaica. Si se colocasen unos electrodos (contactos metálicos) sobre la superficie de la célula se puede utilizar el potencial creado, haciendo circular la corriente de electrones. 4.3. INTERPRETACIÓN CUÁNTICA DEL EFECTO FOTOELÉCTRICO. La electricidad no es otra cosa que un flujo de electrones, partículas de carga negativa que rodean al núcleo atómico. La energía con la que cuentan los fotones de luz es una característica que viene dada por la longitud de onda de la luz. Si un fotón aporta su energía a un electrón, y éste pasa a tener mayor energía que la que le mantiene vinculado al núcleo del átomo, es decir, si el fotón incidente tiene mayor energía que la que une al electrón con el átomo, entonces el electrón puede ser extraído del material. Si, por el contrario, la energía del fotón es demasiado pequeña, el electrón será incapaz de escapar de la superficie del material. Los cambios que se producen en la intensidad de la luz no van a afectar a la energía de los fotones incidentes, pero sí a su número y, con ello, la energía de los electrones emitidos no depende de la intensidad de la luz incidente. Los electrones se regirán por un principio de “todo o nada” en el sentido de que: • Si el valor de la energía del fotón supera el valor de la función de trabajo (la energía que une al electrón y al núcleo), la energía de un fotón es utilizada para liberar un electrón de su enlace atómico, y el fotón es absorbido. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 52 de 251 David Blas Martínez • Si este valor es menor, la energía del fotón es repelida. Siempre que el fotón es absorbido, parte de la energía se utiliza para liberar al electrón del núcleo del átomo y el resto (el excedente) contribuye a dotar de energía cinética a la partícula libre. Finalmente para que, con independencia de que exista un potencial eléctrico, se genere una corriente eléctrica en el material fotoeléctrico produzca ante la incidencia de luz solar, es necesario que exista un circuito eléctrico por el que discurra el flujo de electrones liberados. Para poder llevar a cabo un análisis cuantitativo del efecto fotoeléctrico, utilizando el método derivado por Albert Einstein es necesario partir de las siguientes ecuaciones: Energía de un fotón absorbido = Energía necesaria para liberar 1 electrón + energía cinética del electrón emitido. Algebraicamente: Esta expresión puede escribirse como: Donde: • h es la constante de Plank. • f0 es la frecuencia de corte o frecuencia mínima de los fotones para que tenga lugar el efecto fotoeléctrico. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 53 de 251 David Blas Martínez • ϕ es la función de trabajo, o mínima energía necesaria para liberar un electrón de su enlace con el átomo. • Ek es la máxima energía cinética de los electrones que se observa experimentalmente. Si la energía del fotón (hf) no es mayor que la función de trabajo (j), ningún electrón será emitido. En algunos materiales esta ecuación describe el comportamiento del efecto fotoeléctrico de un modo aproximado. La explicación es que existen materiales en los que parte de la energía del fotón es absorbida o emitida como radiación y, adicionalmente, algunos electrones emitidos pueden ser absorbidos por otros átomos de la red cristalina, con huecos libres, produciendo una pérdida de energía en forma de calor. 4.4. LOS SEMICONDUCTORES El factor clave para el desarrollo de la conversión fotovoltaica ha sido el semiconductor. Un semiconductor es un elemento material cuya conductividad eléctrica puede considerarse situada entre las de un aislante y la de un conductor, considerados en orden creciente Los semiconductores más conocidos son el silicio (Si) y el germanio (Ge). Debido a que, como veremos más adelante, el comportamiento del silicio es más estable que el germanio frente a todas las perturbaciones exteriores que pueden variar su respuesta normal, será el primero (Si) el elemento semiconductor más utilizado en la fabricación de los componentes electrónicos de estado sólido. A él nos referiremos normalmente, teniendo en cuenta que el proceso del germanio es absolutamente similar. Como todos los demás, el átomo de silicio tiene tantas cargas positivas en el núcleo, como electrones en las órbitas que le rodean. (En el Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 54 de 251 David Blas Martínez caso del silicio este número es de 14). El interés del semiconductor se centra en su capacidad de dar lugar a la aparición de una corriente, es decir, que haya un movimiento de electrones. Como es de todos conocido, un electrón se siente más ligado al núcleo cuanto mayor sea su cercanía entre ambos. Por tanto los electrones que tienen menor fuerza de atracción por parte del núcleo y pueden ser liberados de la misma, son los electrones que se encuentran en las órbitas exteriores. Estos electrones pueden, según lo dicho anteriormente, quedar libres al inyectarles una pequeña energía. En la figura 1 se puede observar el modelo completo del átomo de silicio y en la figura 2 se observa la representación simplificada. Figura 13. Representación de un átomo de silicio completo y su esquema simplificado. (La zona sombreada de la figura 2, representa de una forma simplificada a la zona sombreada de la figura 1). Semiconductor intrínseco: Cuando el silicio se encuentra formado por átomos del tipo explicado en el apartado anterior, se dice que se encuentra en estado puro o más usualmente que es un semiconductor intrínseco. Una barra de silicio puro está formada por un conjunto de átomos en lazados unos con otros según una determinada estructura geométrica que se conoce como red cristalina. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 55 de 251 David Blas Martínez Si en estas condiciones inyectamos energía desde el exterior, algunos de esos electrones de las órbitas externas dejarán de estar enlazados y podrán moverse. Lógicamente si un electrón se desprende del átomo, este ya no está completo, decimos que está cargado positivamente, pues tiene una carga negativa menos, o que ha aparecido un hueco. Asociamos entonces el hueco a una carga positiva o al sitio que ocupaba el electrón. El átomo siempre tendrá la tendencia a estar en su estado normal, con todas sus cargas, por lo tanto en nuestro caso, intentará atraer un electrón de otro átomo para rellenar el hueco que tiene. Toda inyección de energía exterior produce pues un proceso continuo que podemos concretar en dos puntos: • Electrones que se quedan libres y se desplazan de un átomo a otro a lo largo de la barra del material semiconductor de silicio. • Aparición y desaparición de huecos en los diversos átomos del semiconductor. Queda así claro que el único movimiento real existente dentro de un semiconductor es el de electrones. Lo que sucede es que al aparecer y desaparecer huecos, "cargas positivas", en puntos diferentes del semiconductor, parece que estos se mueven dando lugar a una corriente de cargas positivas. Este hecho, movimiento de huecos, es absolutamente falso. Los huecos no se mueven, sólo parece que lo hacen. Ahora bien, para facilitar el estudio de los semiconductores hablaremos de corriente de huecos (cargas positivas). Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 56 de 251 David Blas Martínez Semiconductor dopado o extrínsecos: Si aplicamos una tensión al cristal de silicio, el positivo de la pila intentará atraer los electrones y el negativo los huecos favoreciendo así la aparición de una corriente a través del circuito. Ahora bien, esta corriente que aparece es de muy pequeño valor, pues son pocos los electrones que podemos arrancar de los enlaces entre los átomos de silicio. Para aumentar el valor de dicha corriente tenemos dos posibilidades: • Aplicar una tensión de valor superior. • Introducir previamente en el semiconductor electrones o huecos desde el exterior. Figura 14. Sentido de movimiento de un electrón y un hueco en el silicio. La primera solución no es factible pues, aún aumentando mucho el valor de la tensión aplicada, la corriente que aparece no es de suficiente valor. La solución elegida es la segunda. En este segundo caso se dice que el semiconductor está "dopado". Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 57 de 251 David Blas Martínez El dopaje consiste en sustituir algunos átomos de silicio por átomos de otros elementos. A estos últimos se les conoce con el nombre de impurezas. Dependiendo del tipo de impureza con el que se dope al semiconductor puro o intrínseco aparecen dos clases de semiconductores: • Semiconductor tipo P • Semiconductor tipo N Semiconductor tipo P: Si en una red cristalina de silicio (átomos de silicio enlazados entre sí) (figura 15) sustituimos uno de sus átomos (que como sabemos tiene 4 electrones en su capa exterior) por un átomo de otro elemento que contenga tres electrones en su capa exterior (figura 16), resulta que estos tres electrones llenarán los huecos que dejaron los electrones del átomo de silicio, pero como son cuatro, quedará un hueco por ocupar. Figura 15. Enlace covalente de átomo de silicio, obsérvese que cada átomo comparte cada uno de sus electrones con otros cuatro átomos O sea que ahora la sustitución de un átomo por otros provoca la aparición de huecos en el cristal de silicio. Por tanto ahora los "portadores mayoritarios" serán los huecos y los electrones los portadores minoritarios. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 64 de 251 David Blas Martínez 5. TIPOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS 5.1. GENERALIDADES Se define como sistema fotovoltaico el conjunto de componentes mecánicos, eléctricos y electrónicos que concurren para captar y transformar la energía solar disponible, transformándola en utilizable como energía eléctrica. Estos sistemas, independientemente de su utilización y del tamaño de potencia, se pueden dividir en dos categorías: • aislados (stand alone ) • conectados a la red (grid connected ) La estructura física de un sistema fotovoltaico (aislado o conectado a la red) puede ser muy diferente, pero normalmente se pueden distinguir tres elementos fundamentales: el campo fotovoltaico, sistema de acondicionamiento de la potencia y el sistema de adquisición de datos. 5.2. SISTEMAS AISLADOS Los sistemas aislados se utilizan normalmente para proporcionar electricidad a los usuarios con consumos de energía muy bajos para los cuales no compensa pagar el coste de la conexión a la red, y para los que sería muy difícil conectarlos debido a su posición poco accesible. Los sistemas aislados, por el hecho de no estar conectados a la red eléctrica, normalmente están equipados con sistemas de acumulación de la energía producida. La acumulación es necesaria porque el campo fotovoltaico puede proporcionar energía sólo en las horas diurnas, mientras que a menudo la mayor demanda por parte del usuario se concentra en las horas de la tarde y de la noche. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 65 de 251 David Blas Martínez Durante la fase de insolación es, por tanto, necesario prever una acumulación de la energía no inmediatamente utilizada, que es proporcionada a la carga cuando la energía disponible es reducida e incluso nula. Una configuración de este tipo implica que el campo fotovoltaico debe estar dimensionado de forma que permita, durante las horas de insolación, la alimentación de la carga y de la recarga de las baterías de acumulación. Los principales componentes que forman un sistema fotovoltaico aislado son: módulos fotovoltaicos, regulador de carga, inversor y sistema de acumulación (baterías de acumulación). En este tipo de sistemas, la energía producida por los módulos fotovoltaicos es almacenada en baterías de acumulación. La carga es alimentada a través del regulador de carga, por la energía acumulada en las baterías. Figura 20. Esquema de un sistema fotovoltaico aislado. El regulador de carga sirve fundamentalmente para preservar los acumuladores de un exceso de carga por el generador fotovoltaico y de la Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 66 de 251 David Blas Martínez descarga por el exceso de uso. Ambas condiciones son nocivas para la correcta funcionalidad y la duración de los acumuladores. Ya que normalmente la potencia requerida por el usuario no es proporcional a la radiación solar (y, por consiguiente, a la producción eléctrica de un sistema fotovoltaico) una parte de la energía producida por el campo fotovoltaico tiene que ser almacenada para poder ser reutilizada cuando el usuario la necesite. Este es la finalidad del sistema de acumulación. Un sistema de acumulación está formado por un conjunto de acumuladores recargables, dimensionado de forma que garantice la suficiente autonomía de alimentación de la carga eléctrica. Las baterías que se utilizan con esta finalidad son acumuladores de tipo estacionario y sólo en casos muy especiales es posible utilizar baterías tipo automoción. Las baterías para uso fotovoltaico tienen que cumplir los siguientes requisitos: • Bajo valor de auto descarga. • Larga vida útil • Manutención casi nula • Elevado número de ciclos de carga-descarga La tecnología actual permite usar baterías de plomo ácido de larga duración (más de 6 años), con exigencias de mantenimiento casi nulas. En cuanto al inversor, su finalidad en los sistemas aislados es la de transformar corriente continua (CC) producida por el campo fotovoltaico, en Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 67 de 251 David Blas Martínez corriente alterna (CA), necesaria para la alimentación directa de los usuarios. En este caso, el inversor tiene que estar dimensionado para poder alimentar directamente la carga que se le quiere conectar. Es evidente que, de todos modos, el inversor en este tipo de instalaciones (sistemas aislados) no es un componente indispensable. De hecho, es posible incluso alimentar directamente con corriente continua de baja tensión la carga. 5.3. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS A LA RED. Los sistemas conectados en red, en cambio, normalmente no tienen sistemas de acumulación, ya que la energía producida durante las horas de insolación es canalizada a la red eléctrica; al contrario, durante las horas de insolación escasa o nula, la carga viene alimentada por la red. Un sistema de este tipo, desde el punto de vista de la continuidad de servicio, resulta más fiable que uno no conectado a la red que, en caso de avería, no tiene posibilidad de alimentación alternativa. En este caso, se pueden obtener sistemas de alta fiabilidad integrando el sistema aislado con una fuente energética tradicional, por ejemplo, diesel (sistema híbrido diesel-fotovoltaico). La tarea de los sistemas conectados a la red es, por tanto, la de introducir en la red la mayor cantidad posible de energía. En los sistemas conectador a red es necesario conectar con las líneas de distribución, cumpliendo con los requisitos demandados por la compañía eléctrica. También se incluirá un sistema de medición, mediante el que el propietario, una vez que dispone del Régimen Especial de Producción de Energía (REPE), factura la producción que ha generado. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 68 de 251 David Blas Martínez Es necesario tener en cuenta que en el caso de considerar sistemas sin acumulación conectados en red, es la red misma la que desempeña la tarea de acumulador, de capacidad infinita. La carga la representa, en cambio, el usuario conectado a la red, como sucede en cualquier otro sistema “grid connected”. Las principales componentes que forman un sistema fotovoltaico conectado a la red son: • Módulos fotovoltaicos. • Inversor para la conexión a red. • Dispositivo de intercambio con la red eléctrica • Contador de energía bidireccional. El inversor es uno de los componentes más importantes en los sistemas conectados a red, ya que maximiza la producción de corriente del dispositivo fotovoltaico y optimiza el paso de energía entre el módulo y la carga. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 69 de 251 David Blas Martínez Figura 21. Esquema de un sistema fotovoltaico conectado a la red mediante un solo inversor. El inversor, es un dispositivo que transforma la energía continua producida por los módulos (12V, 24V, 48V,..) en energía alterna (generalmente 220V), para alimentar el sistema y/o introducirla en la red, con la que trabaja en régimen de intercambio. Los inversores para la conexión a la red eléctrica están equipados generalmente con un dispositivo electrónico que permite extraer la máxima potencia, paso por paso, del generador fotovoltaico. Este dispositivo sigue el punto de máxima potencia (MPPT) y tiene justamente la función de adaptar las características de producción del campo fotovoltaico a las exigencias de la carga. El dispositivo de intercambio con la red sirve para que la energía eléctrica introducida en la red tenga todas las características requeridas por la misma. Finalmente, el contador de energía mide la energía producida por el sistema fotovoltaico durante su periodo de funcionamiento. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 70 de 251 David Blas Martínez Figura 22. Esquema de sistema conectado a red con conexión y contaje. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 71 de 251 David Blas Martínez 6. COMPONENTES DE LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS. 6.1. LA CELULA SOLAR 6.1.1. Configuración de la célula solar Al dopar un cristal, además de aumentar su conductividad, se le convierte en receptor de huecos o electrones, lo cual tiene su aplicación en las uniones p-n que se utilizan en las células fotovoltaicas, ya que los pares electrón-hueco inducidos por la radiación debe evitarse que vuelvan a recombinarse, para lo cual es útil su separación mediante el potencial creado en estas uniones. El cristal de tipo n puede absorber mas electrones aunque excedan de los necesarios para enlazar los átomos debido a que no hay neutralidad eléctrica; los de tipo p absorben huecos. Así pues, entre los terminales abiertos de una unión p-n se obtiene una fuerza electromotriz fotovoltaica. Entre los extremos del diodo formado por la unión p-n se crea un potencial fotovoltaico que varía en magnitud para cada semiconductor que crece logarítmicamente con la intensidad de la radiación. En una célula solar la luz incide generalmente sobre una lámina de tipo n de un grosor muy fino y penetra suficientemente en el cristal como para crear pares electrón-hueco en las proximidades de la unión con el cristal de tipo p. Por lo tanto, el grosor de la lámina superior influye en el rendimiento y deberá ser menor, por lo general, que 1 µm. Así, al irradiar la célula, la lámina de tipo n recogerá los electrones, mientras que la de tipo p recogerá los huecos de los pares creados estableciéndose entonces la diferencia de potencial dentro del cristal. Obtenemos corriente eléctrica con un circuito que una eléctricamente las láminas tipo p y n. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 72 de 251 David Blas Martínez De este modo, los electrones de la lámina de tipo n pueden moverse hacia la lámina de tipo p. De aquí encontramos varias dificultades para obtener un buen rendimiento de las células: • El semiconductor ofrece una resistencia al paso de la corriente cuando va desde las proximidades entre las zonas de tipo n y tipo p hasta los puntos en que la corriente entra en el circuito externo. • Habrá más corriente cuanto mayor sea el contacto de las láminas con el conductor, sin embargo, la lámina superior debe ofrecer la mayor superficie posible a la radiación. • El conductor deberá ser un material con la menor resistencia posible, lo cual exige usar metales muy caros como oro o platino. En el proceso por el cual un electrón absorbe un fotón pueden considerarse varios casos: • Que el fotón sea suficientemente energético como para que la energía absorbida por el electrón baste para moverlo a la banda de conducción, en cuyo caso sólo se aprovechará la energía suficiente para saltar el gap y se perderá el resto en forma de calor, disminuyendo el rendimiento del dispositivo fotovoltaico. Para evitar esta pérdida de eficiencia pueden tomarse varias medidas que se citaran más adelante. • La parte del espectro de longitud de onda suficientemente larga, relativamente al gap del semiconductor en consideración, no se aprovechará ya que los fotones no Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 73 de 251 David Blas Martínez tendrán suficiente energía corno para mover los electrones a la banda de conducción. De cualquier forma, la estructura más conveniente es la de una película delgada en la cara de la célula sobre la que incide la luz y en la capa del tipo opuesto se ha de procurar que la longitud de difusión de los portadores minoritarios sea lo mayor posible. La eficiencia también mejora haciendo grande 1a vida media de los portadores minoritarios en los materiales tipo p y tipo n o también haciendo que los materiales utilizados tengan, tanto altas movilidades de electrones como de huecos. En cuanto a las pérdidas de rendimiento, podemos decir que existen limitaciones físicas absolutas: • Absorción incompleta de la radiación por la célula. • Utilización de una parte únicamente de la energía del fotón para crear pares electrón-hueco. • Pérdidas dadas por el "Factor de voltaje" (relación entre la tensión a circuito abierto de la célula y la diferencia entre la potencia de conducción del electrón y la de valencia.) • Pérdidas dadas por el "Factor Curvo" (relación entre la tensión a circuito abierto de la célula y la tensión ideal de la unión p-n). Estas limitaciones absolutas pueden minimizarse utilizando el material semiconductor adecuado esto es, con parámetros óptimos en cuanto a lo que se refiere a: Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 80 de 251 David Blas Martínez • A partir del proceso de implantación de iones con templamiento térmico del Silicio se han obtenido eficiencias entre 14 y 16%. • Produciendo el templamiento en células fotovoltaicas de Silicio policristalino con iones implantados por medio de láser se obtienen eficiencias superiores al 14%. • Bombardeando con un haz de Oxido de Indio-Estaño ( ITO) Silicio tipo p de cristal simple, se han obtenida eficiencias entre 13 y 15%. El óxido de Indio-Estaño depositado pulverizado sobre silicio tipo n ha dado eficiencias del 12 % para Silicio simple y 10 % para Silicio policristalino. • Células de Silicio con Fósforo difundido hasta una profundidad. de 0'5 µ a una concentración de alto nivel muestran rendimientos entre 11 y 14%. El silicio amorfo: Las células fotovoltaicas de silicio amorfo son una de las tecnologías más mejoradas dentro de la tecnología fotovoltaica. El punto más importante que podemos rescatar en ellas es el aprovechamiento que se hace del silicio durante su diseño. Con las placas monocristalinas, compuestas por un cristal entero, y policristalinas, compuestas por varios cristales pequeños, por lo general durante su confección se pierde casi la mitad del silicio en forma de polvo al cortar las placas, lo cual no ocurre con las células fotovoltaicas de silicio amorfo. La nueva tecnología de silicio amorfo consiste en una tecnología de lámina delgada que es creada depositando silicio sobre un sustrato de vidrio de un gas reactivo, como por ejemplo puede ser el silano (SiH4). Podemos agrupar a las células Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 81 de 251 David Blas Martínez fotovoltaicas de silicio amorfo dentro de las tecnologías de lámina delgada. Este tipo de célula solar es posible de ser aplicada como película a sustratos de bajo costo como el cristal o el plástico. Lógicamente aquí será como si imprimiésemos los paneles solares, pudiendo adaptarlos a superficies económicas. Una de las principales consecuencias que se desprenden de esto es que los costos de los paneles solares tendrían que bajar. Lógicamente que un contenedor del panel que sea de plástico será mucho más barato que hacer un panel solar tradicional, sin embargo en la realidad los precios de las células fotovoltaicas de silicio amorfo realmente no se reducen mucho . Esto es debido a que la tecnología que permite utilizar silicio amorfo es de por sí muy cara, por lo cual lo que se reduce en costos de la utilización de sustratos como por ejemplo el plástico se compensa en la impresión de la película de silicio. Lógicamente para que los costos de las células fotovoltaicas de silicio amorfo se reduzcan y las mismas puedan competir en el mercado con las células mono y policristalinas lo que tendrá que ocurrir es que la tecnología se vuelva más barato en su producción. Por lo general se cree que el silicio en su versión líquida es estable, sin embargo en la mezcla que contiene el silicio, los cristales del mismo tienden a bajar, por lo que se necesita una sustancia que amalgame los cristales en la superficie de manera que estos puedan generar el efecto fotovoltaico. Por esta razón el balance químico del silicio utilizado en las células fotovoltaicas de silicio amorfo es realmente complicado. Figura 25. Célula fotovoltaica de silicio amorfo Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 82 de 251 David Blas Martínez Características En otras versiones, como en las células monocristalinas, donde lo único que hay que hacer es cortar el material esto resulta mucho más fácil y económico. Las células fotovoltaicas de silicio amorfo tienen sin embargo una ventaja en relación a otro tipo de células fotovoltaicas. Estas absorben más la radiación solar, pudiendo producir mayor energía a través del efecto fotovoltaico. Si tomamos que el rendimiento de los paneles solares normales es de un 10%, podríamos decir comparativamente que con las células fotovoltaicas de silicio amorfo podríamos llegar a aproximadamente a un 18%. Aunque esta cifra pueda parecer pequeña, esto es realmente un gran avance en el diseño de placas fotovoltaicas, las cuales tienen tanto conflicto a nivel de la eficiencia. Otra ventaja importante de este tipo de sistema es la reducción del espacio. Las láminas de silicio amorfo son realmente muy delgadas, y si encontramos un sustrato sobre el cual aplicarlas que resulta cómodo podremos llegar a obtener un panel solar realmente versátil. Por otro lado con este sistema el peso de los paneles se reducirá de sobremanera. De por sí la lámina tiene muy poco peso, y si elegimos un soporte como el de plástico encontraremos que los paneles serán extremamente fáciles de trasladar. Esto es muy importante debido a que por lo general las distancias que se deben cubrir entre los lugares donde los paneles son fabricados y su destino final son realmente grandes, y el hecho de que los mismos sean muy pesados dificulta de sobremanera el traslado. Otra gran ventaja de las células fotovoltaicas de silicio amorfo es su gran adaptabilidad. Ya que estas funcionan como si las imprimiésemos sobre un sustrato, podemos llegar a utilizarlas sobre sustratos curvos. Podemos ver que debido a sus características solamente el silicio amorfo nos da la posibilidad de tener paneles curvos o también de aplicarlos a rincones o lugares inaccesibles. Con los paneles monocristalinos tradicionales la estructura será bastante rígida y no tendremos más opción que dedicarle un lugar espacioso al panel. Como Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 83 de 251 David Blas Martínez vemos, las células fotovoltaicas de silicio amorfo nos ofrecen muchas ventajas. El precio de las mismas sigue siendo hoy en día un tema controversial, pero será cuestión de esperar un poco más los avances de la tecnología para que la producción de estas células se vuelva más masificada. Sin embargo quienes puedan realizar esta inversión ahora podrán disfrutar de todos los beneficios de estas células y a su vez incentivar la venta y producción de las mismas, lo cual a la larga bajará los precios de venta. El arseniuro de Galio (GaAS): Otro de los materiales, con los que comúnmente se fabrican las células fotovoltaicas es el arseniuro de Galio. El Arseniuro de galio (GaAs) es un compuesto de galio y arsénico. Es un importante semiconductor y se usa para fabricar dispositivos como circuitos integrados a frecuencias de microondas, diodos de emisión infrarroja, diodos láser y células fotovoltaicas. La masa efectiva de la carga eléctrica del GaAs tipo N dopado es menor que en el silicio del mismo tipo, por lo que los electrones en GaAs se aceleran a mayores velocidades, tardando menos en cruzar el canal del transistor. Esto es muy útil en altas frecuencias, ya que se alcanzará una frecuencia máxima de operación mayor. Esta posibilidad y necesidad de trabajar con circuitos que permitan actuar a mayores frecuencias tiene su origen en las industrias de defensa y espacial, en el uso de radares, comunicaciones seguras y sensores. Tras el desarrollo por parte de programas federales, pronto el GaAs se extendió a los nuevos mercados comerciales, como redes de área local inalámbricas (WLAN), sistemas de comunicación personal (PCS), transmisión en directo por satélite (DBS), transmisión y recepción por el consumidor, sistemas de posicionamiento global (GPS) y comunicaciones móviles. Todos estos mercados requerían trabajar a frecuencias altas y poco ocupadas que no podían alcanzarse con silicio ni germanio. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 84 de 251 David Blas Martínez Además, esto ha afectado a la filosofía de fabricación de semiconductores, empleándose ahora métodos estadísticos para controlar la uniformidad y asegurar la mejor calidad posible sin afectar gravemente al coste. Todo esto posibilitó también la creación de nuevas técnicas de transmisión digital a mayor potencia de radiofrecuencia y amplificadores de baja tensión/bajo voltaje para maximizar el tiempo de operación y de espera en dispositivos alimentados por baterías. El arseniuro de Galio VS Silicio y Germanio: Las propiedades físicas y químicas del GaAs complican su uso en la fabricación de transistores al ser un compuesto binario con una conductividad térmica menor y un mayor coeficiente de expansión térmica (CET o CTE), mientras que el silicio y el germanio son semiconductores elementales. Además, los fallos en dispositivos basados en GaAs son más difíciles de entender que aquellos en el silicio y pueden resultar más caros, al ser su uso mucho más reciente. Pero comparando la relación calidad y precio, el valor añadido del GaAs compensa los costos de fabricación, además de que los mercados indicados están en continuo crecimiento, que demandan esta tecnología que permita mayores frecuencias, lo que ayudará a abaratar costos. La ventaja del arseniuro de galio sobre el silicio de grado solar es que ofrece casi el doble de eficiencia. La gran desventaja, que explica su poca utilización, es el precio. Figura 27. Fragmento de Galio. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 85 de 251 David Blas Martínez 6.1.3. Características típicas de las células solares. Las características que cumplen todas las células solares en mayor o menos medida son: • Superficie activa • Material antirreflectante • Forma geométrica y dimensiones • Eficiencia de la conversión. Superficie activa: Se define como superficie activa la parte del área total de la celula fotovoltaica que interviene en el proceso de conversión. En las primeras células que se fabricaban, era bastante común que la conexión a uno de los materiales semiconductores se realizase con diminutos trazos metálicos en la parte frontal (el área expuesta al sol). Este proceso trae consigo una disminución del área activa de la célula. En la actualidad hay modelos de célula que se construyen de modo que el conexionado entre la zona p y la zona n del semiconductor se realiza en la parte posterior de la célula. Gracias a este proceso de fabricación se consigue incrementar el área activa de la célula, sin necesidad de aumentar la superficie total de la misma. Material antirreflectante: De no ser tratada, la superficie del material semiconductor que está expuesta a la luz incidente tiende a reflejar una porción de la misma, disminuyendo la cantidad de energía luminosa que puede llegar al par semiconductor. Para evitar esta perdida, el fabricante deposita una finísima capa de material antirreflectante. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 86 de 251 David Blas Martínez Forma geométrica y dimensiones: El método de fabricación determina la forma geométrica de la célula fotovoltaica. Los primeros modelos que se realizaron tenían forma circular. Actualmente las células que se fabrican poseen forma cuadrada, ya sea con los vértices redondeados o con esquinas a 90º. En los modelos de mercado, generalmente, una celula tiene un grosor que varia entre los 0,25 y los 0,35 mm y una forma generalmente cuadrada, con una superficie aproximadamente igual a 12 x 12 cm². La eficiencia de la conversión: Es la relación entre la energía eléctrica generada y la energía luminosa utilizada para obtenerla. Esta relación es dada en forma porcentual, como se muestra a continuación: El símbolo es la letra griega nu, que es usualmente utilizada para expresar eficiencias. En la actualidad, las células fotovoltaicas producidas en escala industrial tienen una eficiencia de conversión que oscila entre un 12 y un 18 %. El valor teórico máximo para la eficiencia de una célula fotovoltaica que responde solamente a un rango reducido del espectro luminoso, es de alrededor del 25 al 28 %, dependiendo del material semiconductor. Las células fotovoltaicas que utilizan semiconductores monocristalinos tienen una eficiencia mayor a las que emplean el semiconductor policristalino, debido a que las imperfecciones en la estructura de este último disminuyen el número de pares de carga que quedan libres para conducir la corriente. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 87 de 251 David Blas Martínez 6.1.4. Proceso de fabricación de células solares. El aumento en el consumo de la energía, va también ligado a un agotamiento en los combustibles fósiles, provocando por ende un aumento de precios en la generación con hidrocarburos tales como el gas natural, el petróleo, la electricidad, etcétera. Junto a esto no se ha calculado el alto nivel de dependencia energética que se tienen en la generación termoeléctrica, por eso es necesario pensar y analizar profundamente el uso inmediato de fuentes de energías renovables como lo es en este caso la energía solar. Una celda solar es un dispositivo, que es el encargado de convertir la energía de la luz del sol en energía eléctrica en forma directa, sin la necesidad de piezas móviles o algún tipo de combustión. En una fábrica de célula fotovoltaica, se emplean muchos reactivos que junto a las máquinas especiales de ensamblado permiten que hoy las utilicemos en los paneles solares y que sean las partes más importantes de los módulos. Figura 28. Fabricación de células fotovoltaicas El procedimiento que posee una fábrica de célula fotovoltaica, podemos dividirla en varias fases: Siendo la primera obviamente la obtención del silicio, a partir de las rocas ricas en cuarzo, mediante el proceso de reducción con carbono, se obtiene el silicio con una pureza aproximada de 99 %. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 88 de 251 David Blas Martínez En las fábricas de células fotovoltaicas, se purifica el silicio, de manera que los diferentes procesos químicos, den como resultado los compuestos libres de impurezas. Cabe destacar que además son estas fábricas las encargadas de ensamblar las piezas para dar como resultado los paneles que conocemos hoy en día. Son tres los procedimientos más importantes para la purificación, y la obtención del silicio grado solar, que proporcionan un producto casi tan eficaz como el del grado semiconductor pero a un menor costo. Continuando con el trabajo que se realiza en la fábrica de célula fotovoltaica, tenemos la segunda fase que es en donde se cristaliza el silicio. Una vez fundido el silicio, se inicia la cristalización, a partir de una semilla. Dicha semilla es extraída del silicio fundido, este es solidificado de forma cristalina, resultando un mono cristal. En la tercera etapa, el silicio así obtenido tiene formas de lingotes, también se plantean otros métodos capaces de producir directamente el silicio en láminas. La obtención de las obleas, tienen un proceso de corte de gran importancia, en la que los empleados trabajan con máquinas cortadoras para láminas a partir de los lingotes. Los cortes deben ser cuidadosos, ya que se puede perder mucho material. Ya en la cuarta fase de la fábrica de célula fotovoltaica, se mejoran los cortes de los lingotes, y se perfeccionan las superficies, y se le retiran los restos mediante el procedimiento llamado decapado. Se texturiza la oblea, para las presentaciones monocristalinos, porque las policristalinas no admiten este tipo de procesos. Entonces se aprovechan las propiedades cristalinas para la obtención de superficies que absorban la radiación solar incidente, después de esto se pasa a la formación de la unión mediante deposición de distintos materiales, y su integración en la estructura del silicio cristalino. Por último en la fase final de la fábrica de célula fotovoltaica, se da paso a la formación de los contactos metálicos de la célula, en forma de Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 89 de 251 David Blas Martínez rejilla en la cara iluminada por el sol y continúo en la cara posterior. La formación de los contactos en la cara iluminada se realiza mediante técnicas serigráficas, empleando la más recientemente tecnología láser para obtener contactos de mejor calidad y rendimiento. Es en esta etapa en la que se puede añadir una capa antirreflexiva, sobre las células fotovoltaicas, a fin de mejorar las posibilidades de la absorción de la radiación solar. El contacto metálico de la cara sobre la cual incide la radiación solar suele tener forma de rejilla, de modo que permita el paso de la luz y la extracción de corriente simultáneamente. La otra cara está totalmente cubierta por el metal. De esta manera se ha explicado la forma más conocida de cómo trabaja una convencional fabrica de células fotovoltaicas, pero en la actualidad ya están fabricando células fotovoltaicas que tienen la capacidad de ensamblarse solas, es decir que se pueden desarmar y volver a armarse rápidamente, con solamente agregarles una solución. 6.1.5. Productores de células fotovoltaicas. Debido al gran negocio que hoy en día significan las celdas fotovoltaicas, podemos ver una expansión de la fabricación de estos productos en el mercado. Hoy en día podemos encontrar productores de celdas fotovoltaicas en muchísimos de los países desarrollados, en especial en las grandes ciudades. Pero, ¿cómo fueron los orígenes de esta tecnología. ¿Cuáles son sus antecedentes? Hay que decir que las celdas fotovoltaicas nacieron de la mente del físico francés Edmund Becquerel Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 96 de 251 David Blas Martínez A este propósito igualmente, existen varios consejos que nos dan en los lugares de venta de celdas fotovoltaicas. Uno de ellos es que podamos planificar de manera exhaustiva la colocación del panel, o sea cuál será la orientación y al inclinación de los paneles. Científicos en tecnologías solares afirman que la eficiencia de las celdas fotovoltaicas se reduce ampliamente si estas no están colocadas de manera correcta, por eso será fundamental poder realizar una buena planificación de la colocación de los paneles para aumentar su eficiencia. Dentro de la venta de celdas fotovoltaicas podemos encontrar diferentes precios de acuerdo al material semiconductor que estemos utilizando. Las monocristalinas son las más caras, sin embargo estas están hechas con una sola plancha de material semiconductor. Esto favorece de manera importante la captación de energía solar y nos permite obtener los máximos beneficios del efecto fotovoltaico. Por otro lado, las celdas policristalinas reúnen partes de diferentes cristales de manera de la absorción de los rayos solares disminuye de manera considerable, sin embargo también estas son más accesibles. Por lo general los locales de venta de celdas fotovoltaicas cuentan con estas dos opciones de manera que el cliente pueda decidir de acuerdo a sus posibilidades económicas. Por lo general los locales de venta de celdas fotovoltaicas suelen tener en cuenta el hecho de que comprar este tipo de productos no significa solamente comprar las celdas, sino que existen muchísimos “accesorios”, que aunque sean denominados con este nombre son igualmente importantes que las celdas para que el circuito funcione. Con esto nos referimos a las baterías, el regulador, el inversor, el soporte, etc. Por esta razón ya sea que acudamos a un local de venta de celdas fotovoltaicas o las compremos a través de internet, por lo general el vendedor nos va a poder proveer sin problemas de todos los demás accesorios. Lógicamente cada accesorio por separado tiene un precio reducido comparado con las celdas que vamos a comprar. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 97 de 251 David Blas Martínez Sin embargo tendremos que calcular la cantidad de accesorios que necesitamos, debido a que si estos son muchos, el presupuesto se nos incrementará bastante. Hasta hace algún tiempo la venta de celdas fotovoltaicas solamente quedaba de manera exclusiva para los grandes clientes con planes de colocar grandes instalaciones en campos. Sin embargo hoy en día la venta de celdas fotovoltaicas se está adaptando cada vez más a las necesidades del hogar. Una de las evidencias más fehacientes de ello son los kits de celdas paneles solares. Estos vienen con todas las herramientas necesarias para su instalación. Comprando este paquete podemos ser nosotros mismos quienes instalemos el sistema sin necesidad de recurrir a un instalador. Esta es una muestra de cómo la venta de celdas fotovoltaicas se ha adaptado a las necesidades cotidianas, haciendo que hoy en día podamos disfrutar de este sistema en nuestra casa con los menores esfuerzos. Incluso se han pensado estrategias como la colocación de las celdas en los techos, como para que la dinámica del hogar no se vea para nada perturbada por este sistema. 6.2. EL PANEL FOTOVOLTAICO. 6.2.1. Composición y geometría del panel. Las células solares constituyen un producto intermedio: proporcionan valores de tensión y corriente limitados en comparación a los requeridos normalmente por los aparatos de los usuarios; son extremadamente frágiles, eléctricamente no aisladas y sin un soporte mecánico. Se ensamblan de la manera adecuada para formar una única estructura: el panel fotovoltaico, que es una estructura sólida y manejable. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 98 de 251 David Blas Martínez Figura 31. Panel fotovoltaico. El número de celdas en un panel, y por lo tanto su voltaje de salida, depende de la estructura cristalina del semiconductor usado. El fabricante, teniendo en cuenta este factor, así como el comportamiento anticipado para el caso más desfavorable, decide en el número mínimo que garantiza la carga efectiva del banco de baterías. Las células están ensambladas entre un estrato superior de cristal y un estrato inferior de material plástico (tedlar). El producto preparado de esta manera se coloca en un horno de alta temperatura, con vacío de alto grado. El resultado es un bloque único laminado en el que las células están “ahogadas” en el material plástico fundido. Luego se añaden los marcos, normalmente de aluminio; de esta manera se confiere una resistencia mecánica adecuada y se garantizan muchos años de funcionamiento. En la parte trasera del módulo se añade una caja de unión en la que se ponen los diodos de by-pass (protección) y los contactos eléctricos. Cuando la forma geométrica de las celdas es un cuadrado, la superficie del panel será la mínima para un número dado de celdas, ya que el espacio entre ellas es prácticamente nulo. Esto permite la realización de Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 99 de 251 David Blas Martínez un panel de menor tamaño, lo que abarata algo el costo del mismo y el de su transporte. Un panel de menor tamaño minimiza la superficie requerida para satisfacer la carga del sistema, reduciendo la superficie expuesta al viento. Los paneles modernos tienen celdas cuadradas (o con esquinas redondeadas), los más antiguos tienen celdas circulares. Los detalles del ensamblado mecánico de un panel varían con cada fabricante. A pesar de ello existen puntos comunes para todas las realizaciones. Para proteger las celdas, éstas son firmemente adheridas a una superficie de sostén. Esta, a su vez, pasa a formar una estructura “sándwich”, con dos capas plásticas de protección, una en la parte superior (translúcida y con protección a los rayos ultra-violetas) y otra en la parte inferior. El frente del panel (zona expuesta a la luz solar), tiene un vidrio templado (resistente al impacto) que protege a las celdas de los agentes meteorológicos (lluvia, granizo, nieve, polvo) y los golpes. El vidrio usado tiene un bajo contenido de plomo, para no reducir la transmitividad de la luz a través del mismo. La parte posterior tiene una capa dieléctrica (aisladora) y una cubierta de protección. Un marco de aluminio sirve para dar rigidez mecánica al conjunto, facilitando a su vez el montaje del panel al soporte. El marco exterior es de aluminio para evitar su deterioro por oxidación. Varios agujeros, ubicados en distintas partes de su perímetro, hacen innecesario el uso de máquinas de perforar, evitando el riesgo de dañar, accidentalmente, el panel fotovoltaico. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 100 de 251 David Blas Martínez Figura 32. Dimensiones de un panel fotovoltaico. En la parte trasera del panel se encuentran los contactos eléctricos. Las versiones más modernas tienen una caja de plástico, con tapa removible y agujeros laterales para la entrada y salida de los cables de conexión. Tanto la tapa como los agujeros laterales están diseñados para brindar protección ambiental y permitir un mejor anclado mecánico para los cables de conexión. Dentro de la caja se hallan dos bornes de salida. El terminal positivo tiene el símbolo (+), o una marca de color rojo; el negativo tiene el símbolo (-), o una marca de color negro. 6.2.2. Características eléctricas. Potencia máxima de salida: La potencia máxima de salida de un panel FV es, sin duda alguna, la característica más importante del mismo. Salvo en casos de muy bajo consumo, la implementación de un sistema FV requiere el uso de paneles con potencias de salidas de 30 o más watts. Paneles con potencias por debajo de 30W no ofrecen una solución práctica, ya que la diferencia en Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 101 de 251 David Blas Martínez costo no es suficiente para justificar el mayor número de paneles requeridos. Numerosas compañías ofrecen paneles con una potencia de salida en exceso de 40 W, y recientemente, han aparecido paneles de 100W. Curvas I – V: Si los valores de potencia luminosa y la orientación del panel permanecen constantes, la corriente de salida de un panel fotovoltaico. varía con el valor del voltaje en la carga y su temperatura de trabajo. Esto se debe a las características intrínsecas de los materiales semiconductores. La siguiente figura muestra la relación entre la corriente y el voltaje de salida para un panel FV (curva I-V), para cuatro temperaturas de trabajo, cuando el nivel de radiación permanece constante. Figura 33. Curva de potencia de un panel fotovoltaico. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 102 de 251 David Blas Martínez Si bien se ha seleccionado un panel en particular para esta ilustración, los restantes tienen un comportamiento similar, ya que utilizan celdas de silicio. Puede observarse que el valor máximo para el voltaje de salida corresponde a un valor de corriente nulo (voltaje a circuito abierto), mientras que el valor máximo para la corriente corresponde a un voltaje de salida nulo (salida cortocircuitada). Todas las curvas tienen una zona donde el valor de la corriente permanece prácticamente constante para valores crecientes del voltaje de salida, hasta que alcanzan una zona de transición. A partir de esta zona, pequeños aumentos en el voltaje de salida ocasionan bruscas disminuciones en el valor de la corriente de salida. El comienzo de la zona de transición se alcanza para menores valores del voltaje de salida cuando la temperatura de trabajo se incrementa. Figura 34. Curvas I – V dependiendo de la irradiancia. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 103 de 251 David Blas Martínez Intensidad: La intensidad de corriente que genera el panel fotovoltaico aumenta con la radiación, permaneciendo el voltaje aproximadamente constante. En la figura 34 puede observarse, para unas condiciones de temperatura constante, como las curvas I – V de un panel fotovoltaico varían por incidencia de la relación. En las curvas puede apreciarse como la incidencia de la radiación afecta mucho más a la intensidad. En este sentido tiene mucha importancia la colocación de los paneles (su orientación e inclinación respecto a la horizontal), ya que los valores de la radiación varían a lo largo del día en función de la inclinación del sol respecto del horizonte. Efecto de la temperatura: El aumento de temperatura en las células supone un incremento en la corriente, pero al mismo tiempo una disminución mucho mayor, en proporción, de la tensión. Esto implica que tanto la corriente de cortocircuito como el voltaje a circuito abierto, se ven afectados por la temperatura de trabajo, pero el tipo de variación, así como su magnitud porcentual, son distintos para estos dos parámetros. Si tomamos como referencia los valores a 25°C, la corriente de cortocircuito aumenta moderadamente (+ 1,6% a 50°C; + 3,3% a 75°C), mientras que el voltaj e a circuito abierto disminuye sensiblemente (aproximadamente 8% a 50ºC pero cerca de un 15% a 75ºC). Es por ello que los fabricantes tratan de ofrecer un voltaje de circuito abierto elevado a 25°C, de manera que el incremento en la temperatura de trabajo no impida el proceso de carga de las baterías. Cuando la temperatura de trabajo es menor que 25°C, el voltaje de circuito abierto crece, y la corriente de cortocircuito disminuye. El efecto global es que la potencia del panel disminuye al aumentar la temperatura de trabajo del mismo. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 104 de 251 David Blas Martínez Una radiación de 1000W/m² es capaz de calentar un panel unos 25º por encima de la temperatura del aire circundante, o que reduce la tensión, y por tanto la potencia en un factor superior al 10 – 12%. Por ello es importante colocar los paneles en un lugar en el que estén bien aireados. Temperatura de trabajo del panel: La temperatura de trabajo que alcanza un panel FV obedece una relación lineal dada por la expresión: Donde: • es la temperatura de trabajo del panel • es la máxima temperatura ambiente. • es el valor de la radiación solar en W/m². • es un coeficiente que varía entre 0,02 y 0,04 ºC.m² /W, dependiendo de la velocidad promedio del viento. Cuando ésta es muy baja (velocidad del viento), o inexistente, el enfriamiento del panel es pobre o nulo, y k toma valores cercanos o iguales al máximo (0,04). Si la velocidad promedia del viento produce un enfriamiento efectivo del panel, el valor de k será el mínimo (0,02). El valor de R varía entre 80 y 100 W/m². Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 105 de 251 David Blas Martínez Para localizaciones con alto valor de insolación diaria se usa el valor máximo. Si existen nubes pasajeras que reducen el valor de irradiación, el valor de R se reduce a 80mW/cm2. El producto k R representa el incremento de temperatura que sufre el panel sobre la máxima temperatura ambiente. El primer paso en el cálculo de la potencia de salida de un panel FV trabajando a una temperatura mayor que los 25°C, es determinar los valores de radiaciones solares y ambientales para la zona en que éste será usado. Como un ejemplo para el cálculo de la temperatura de panel, considero las siguientes condiciones: • Radiacion solar: 1200 W/m² • Maxima temperatura de verano: 35ºC • Baja velocidad promedia del viento durante esa estación: k = 0,03. Reemplazando estos valores en la expresión anterior tendremos que para este caso de ejemplo: Máxima potencia de salida: Para cada condición de trabajo se puede calcular la potencia de salida del panel multiplicando los valores correspondientes al voltaje y la corriente para ese punto de la curva I-V. En particular, la potencia de salida es nula para dos puntos de trabajo: circuito abierto y cortocircuito, ya que la corriente o el voltaje de salida es nulo. Por lo tanto, si la salida de un panel es cortocircuitada, éste no sufre daño alguno. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 112 de 251 David Blas Martínez Para que nuestra electricidad sea aprovechable por nuestra casa, necesitamos que la corriente pase de ser continua a alterna. Por esta razón es que conectamos las placas fotovoltaicas de última generación a un inversor. Si no lo hiciéramos, no podríamos encender una lámpara. 6.3. DIODOS DE PROTECCION PARA INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS. Hay veces en la que los paneles no resultan ser tan eficientes o efectivos como nosotros deseamos y estos desperfectos pueden deberse a celdas o células solares defectuosas que pueden venir así de fabricación o haber sufrido alguna quemadura durante la exposición en el panel. Los diodos de protección para instalación solar fotovoltaica cumplen la función de proteger a las celdas de sufrir recalentamientos durante el normal funcionamiento. Muchas veces las células compuestas por dos láminas de silicio o dos finas y delgadas capas de arseniuro de galio rompen con la eficiencia esperada debido a que una de sus celdas se recalienta. A veces en algunos espacios ubicados en determinadas zonas geográficas, el sol es demasiado potente o persistente durante todo el día. Por lo general, los paneles solares no resisten tanta exposición a grandes temperaturas y pueden dañarse debido a este motivo. Para esto, la instalación de diodos de protección para instalación solar fotovoltaica es clave. Los técnicos que pueden darnos respuestas frente a estos problemas comentan que por lo general este tipo de inconvenientes suele darse en países donde el sol es muy fuerte y el nivel de desarrollo es relativamente bajo. La suma y la combinatoria de paneles de baja o mediana calidad con un sol excesivo no resisten el funcionamiento esperado. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 113 de 251 David Blas Martínez Por lo general, las buenas celdas resisten todo tipo de inclemencias climáticas y no presentan problemas para el funcionamiento correcto del panel. Pero en los casos en lo que se utilizan paneles de baja calidad en ciertas ocasiones se hace necesario instalar diodos de protección para instalación solar fotovoltaica Figura 37. Diodo de protección para las placas solares fotovoltaicas. ¿Cómo funcionan los diodos de protección para una instalación solar fotovoltaica? Los diodos son componentes electrónicos que permiten el flujo de corriente en una sola dirección. En los sistemas fotovoltaicos se emplean de dos formas: como diodos de bloqueo y como diodos de bypass. Figura 38. Esquema de conexión de diodos de protección. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 114 de 251 David Blas Martínez Los diodos de bloqueo impiden que la batería se descargue por medio de los paneles fotovoltaicos en ausencia de luz solar. Evitan además que el flujo de corriente se invierta entre bloques de paneles conectados en paralelo, cuando se produce una sombra en un panel o en más. Los diodos de bypass protegen individualmente a cada panel de posibles daños ocasionados por sombras parciales. Deben ser utilizados en disposiciones en las que los módulos están conectados en serie. No suelen ser necesarios en sistemas que funcionan a 24 V o menos. Mientras que los diodos de bloqueo impiden que un grupo de paneles en serie absorba flujo de corriente de otro grupo conectado a él en paralelo, los diodos de bypass impiden que cada módulo individualmente absorba corriente de otro de los módulos del grupo, si en uno o más se produce una sombra. 6.4. EL GENERADOR FOTOVOLTAICO. Un conjunto de módulos o paneles fotovoltaicos conectados eléctricamente en serie, forman lo que se denomina “ramal”. Más ramales conectados en paralelo, para obtener la potencia deseada, constituyen el generador fotovoltaico. Figura 39. Esquema de un generador fotovoltaico. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 115 de 251 David Blas Martínez Así el sistema eléctrico puede proporcionar las características de tensión y de potencia necesarias para las diferentes aplicaciones. Los paneles fotovoltaicos que forman el generador, están montados sobre una estructura mecánica, capaz de sujetarlos, orientada para optimizar la radiación solar. Esta estructura de sustentación puede ser fija o móvil, de manera que busque con su movimiento incrementar la irradiación incidente sobre el conjunto de paneles. La cantidad de energía producida por un generador fotovoltaico varía en función de la insolación y de la latitud del lugar. Además si la estructura es móvil la energía generada podrá incrementarse sensiblemente. La producción de energía eléctrica fotovoltaica, al depender de la luz del sol, no es constante, sino que está condicionada por la alternancia del día y de la noche, por los ciclos de las estaciones y por la variación de las condiciones meteorológicas. Además, el generador fotovoltaico proporciona corriente eléctrica continua y este es un factor a tener en cuenta si lo que se pretende es suministrar electricidad a aparatos que consumen corriente alterna o conectar la instalación fotovoltaica a la red de distribución. Es decir, que para cada aplicación, el generado tendrá que ser dimensionado teniendo en cuenta los siguientes aspectos: • Carga eléctrica demandada. • Potencia de pico. • Posibilidad de conexión a la red eléctrica. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 116 de 251 David Blas Martínez • Latitud del lugar y radiación solar media anual del mismo. • Características arquitectónicas específicas del edificio o terreno. • Características eléctricas específicas de la carga. Para fines prácticos, podemos decir que hay dos grandes grupos de generadores: los autónomos, que constituyen una fuente de energía eléctrica independiente de la red general de electricidad y que por lo tanto precisan de algún sistema de almacenamiento de energía eléctrica; y los no autónomos, que operan en conjunto con dicha red y que pueden prescindir del sistema de almacenamiento. Los generadores fotovoltaicos autónomos se compones de tres subsistemas: el panel fotovoltaico, donde la energía solar se convierte en corriente continua, el regulador-conversor electrónico y el subsistema de almacenamiento, que generalmente son baterías electroquímicas. El acoplamiento de estos tres subsistemas se hace en función del tipo de consumo que vaya a satisfacer el generador fotovoltaico Otra característica importante de los generadores fotovoltaicos es su carácter modular. Por modularidad se entiende la posibilidad de ampliar la potencia pico instalada por acoplamiento de nuevos paneles. Así, el sistema se adapta a la demanda sin la necesidad de adquirir un nuevo generador. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 117 de 251 David Blas Martínez Figura 40. Imagen de un generador fotovoltaico 6.5. LAS ESTRUCTURAS SOPORTE Uno de los elementos más importantes en una instalación fotovoltaica, para asegurar un óptimo aprovechamiento de la radiación solar es la estructura soporte, encargada de sustentar los módulos solares, proporcionándole la inclinación más adecuada para que los módulos reciban la mayor cantidad de radiación a lo largo del año. Las estructuras soporte de los módulos fotovoltaicos se diseñan teniendo en cuenta las directrices del Código Técnico de Edificación, con criterios que tienen en cuenta tanto las cargas propias como las sobrecargas derivadas de fenómenos meteorológicos como la nieve y el viento. Como los paneles solares deben mirar al sol sin interferencia de obstáculos en los alrededores, los paneles generalmente están colocados en una posición alta, sobre un techo o un poste. Cuando los paneles se colocan sobre un techo hay varias soluciones. Primeramente el panel puede ser montado sobre una estructura inclinada ya existente, si la orientación de la caída del techo es cercana a la óptima. El techo debe ser lo suficientemente fuerte para soportar el peso extra de los paneles, y, o más importante, el peso extra del viento. Las penetraciones para cables deben ser impermeables. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 118 de 251 David Blas Martínez En segundo lugar existe la posibilidad de integrar paneles al techo. Esto significa que los paneles actuarán como parte del tejado y que los materiales del techo como las tejas se ahorran. Los paneles ya son bastante fuertes a prueba de agua, entonces para qué desperdiciar materiales de construcción. Otra ventaja es que la carga del viento se disminuye cuando los paneles están colocados en el techo más que sobre el techo. En tercer lugar, los paneles pueden colocarse en un techo plano sobre un marco que lo soporte. El marco está hecho de metal y fijado al techo (con pernos grandes) o se hacen lo suficientemente pesados utilizando concreto. La ventaja es que se puede escoger cualquier dirección e inclinación pero, claro, el marco aumenta los costos del sistema. Estos marcos también se utilizan en instalaciones en áreas planas sobre el suelo. Si no hay un techo adecuado disponible será necesario elevar el panel a cierta nivel a modo de evitar las sombras; esto puede hacerse con postes. Esto sólo se logra con paneles pequeños utilizando construcciones parecidas a la de los postes de alumbrado público. También se utilizan los postes para evitar potenciales daños en los paneles por causa, por ejemplo, de ganado o niños que juegan en los alrededores. Los módulos FV sobre marcos o postes pueden equiparse con mecanismos de tracción que ajustan los paneles de tal manera que estén siempre mirando al sol. Estos sistemas son muy costosos y complicados, generando numerosos desperfectos, y por lo tanto no se utilizan comúnmente. Para sistemas más grandes podría ser atractivo utilizar los mecanismos de tracción, pero, para sistemas pequeños, las inversiones no pueden justificarse por un mayor rendimiento. Bajo todas circunstancias los paneles deben colocarse de tal manera que queden a la mano para realizar trabajos de limpieza y mantenimiento. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 119 de 251 David Blas Martínez Figura 41. Diferentes tipo de estructuras soporte. 6.5.1. Tipos de estructuras Estructuras fijas: Puede optarse por ubicar los paneles en una estructura fija, con una orientación e inclinación optima. • La orientación ideal es SUR Debido al cambio de posición del sol durante el año, la inclinación ideal de los colectores varía en función de la latitud en la cual nos encontremos. Normalmente se utilizan 30º sur en fotovoltaica, pero la inclinación puede variar en función de la aplicación, criterios de uso e integración arquitectónica, en ± 10º. Estructuras con seguimiento solar: Para aumentar la producción eléctrica del sistema se puede dotar al panel (conjunto de módulos) fotovoltaico de movimiento, de modo que siga la trayectoria del sol desde el amanecer hasta el atardecer. a) Podemos disponer de un sistema que, con la inclinación optima gire en un eje para seguir el movimiento del sol desde el Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 120 de 251 David Blas Martínez amanecer hasta el ocaso, en este caso tendremos un sistema de seguimiento polar en un eje. b) Podemos disponer de un sistema que, con la orientación optima (dirección sur), haga variar la inclinación del panel para que los rayos solares incidan cada día de modo perpendicular a su superficie. En ese caso tendremos un sistema de seguimiento acimutal en un eje. c) Podemos disponer de un sistema que busque que en cada momento la inclinación y orientación sea la que maximice la irradiación, haciendo que la superficie de los paneles se encuentre siempre perpendicular a los rayos solares. En ese caso, se trata de un sistema de seguimiento de dos ejes. Con un sistema de seguimiento de dos ejes el sistema solar se mantiene perpendicular a la trayectoria de los rayos solares, ya que su inclinación es variable respecto a la horizontal, y gira alrededor de un eje vertical. Se puede conseguir del orden de un 40% más de producción eléctrica que en un sistema convencional estático, dependiendo de las condiciones particulares de la ubicación. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 121 de 251 David Blas Martínez Figura 42. Estructura móvil (izda.) y fija (dcha.) 6.5.2. Requisitos La estructura soporte de módulos ha de resistir, con los módulos instalados, las sobrecargas del viento y nieve, de acuerdo con lo indicado en la normativa básica de la edificación NBE-AE-88. El diseño y la construcción de la estructura y el sistema de fijación de módulos, permitirá las necesarias dilataciones térmicas, sin transmitir cargas que puedan afectar a la integridad de los módulos, siguiendo las indicaciones del fabricante. La estructura se protegerá superficialmente contra la acción de los agentes ambientales. La realización de taladros en la estructura se llevará a cabo antes de proceder, en su caso, al galvanizado o protección de la estructura. Los puntos de sujeción para el módulo fotovoltaico serán suficientes en número, teniendo en cuenta el área de apoyo y posición relativa, de forma que no se produzcan flexiones en los módulos superiores a las permitidas por el fabricante y los métodos homologados para el modelo de módulo. La tornillería realizada en acero inoxidable cumplirá la norma MV – 106. En el caso de ser la estructura galvanizada se admitirán tornillos Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 128 de 251 David Blas Martínez ventajas, la gran mayoría de inversores usados actualmente en aplicaciones con fuentes de energía distribuida, como la fotovoltaica, son inversores autoconmutados. Los inversores autoconmutados se dividen en inversores en fuente de corriente (CSI) y en inversores en fuente de tensión (VSI). Los inversores CSI disponen de una fuente de corriente aproximadamente constante en la entrada de continua, mientras que en los inversores VSI la fuente de entrada constante es de tensión. En el caso de sistemas fotovoltaicos, la salida en corriente continua del equipo solar es la fuente de tensión del inversor, por lo que los inversores empleados en estas aplicaciones son VSI. En un principio, se usaba un único inversor para realizar la conversión de todo el sistema, pero la tendencia giró hacia concepciones modulares, en las que pequeños inversores se conectan en serie hasta obtener la potencia deseada. Esta tendencia responde a la línea actual de conexión modular de paneles: al conectar grandes sistemas, la eficiencia total puede ser incrementada mediante el uso de pequeños inversores encadenados, evitando el desacoplamiento de los módulos y reduciendo el cableado en la parte de continua. Todo parece indicar que las tendencias futuras seguirán marcadas por este concepto modular, especialmente en el Mercado de los sistemas fotovoltaicos integrados, gracias a que permite una fácil expansión del sistema, funcionamiento independiente y sencilla instalación. Otra nueva tendencia, en particular entre los inversores fotovoltaicos con tensiones altas de entrada, es la de prescindir de transformador en la entrada del convertidor. Los inversores sin transformador son ventajosos gracias a sus altas eficiencias, además de beneficios adicionales, como la reducción de coste, tamaño, peso y complejidad. Sin embargo, la falta de transformador, y por lo tanto de aislamiento entre inversor y paneles, debe tenerse en cuenta. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 129 de 251 David Blas Martínez Desde hace 25 años, las nuevas tecnologías basadas en convertidores multinivel se han ido abriendo paso en el campo de las aplicaciones fotovoltaicas con conexión a la red, y actualmente se presentan en el área de las aplicaciones de media y alta tensión como una alternativa de peso a los convertidores de dos niveles tradicionales. La tecnología multinivel se basa en la síntesis de la tensión alterna de salida a partir de la obtención de varios niveles de tensión del bus de continua. Cuanto mayor es el número de niveles de tensión de entrada continua, más escalonada es la forma de onda de la tensión de salida, de modo que tiende cada vez más a una onda senoidal, minimizándose así la distorsión armónica. La primera patente en topologías multinivel apareció en 1975. En ella, figura el primer inversor en cascada que conecta en serie módulos de inversores en puente completo y con fuentes de tensión independientes para generar una tensión de salida alterna escalonada. A través de la manipulación del inversor en cascada con diodos bloqueando las fuentes, surge el inversor multinivel Diode-Clamped. La topología Diode-Clamped adquirió también el nombre de Neutral-Point-Clamped (NPC), al ser utilizada por primera vez en un inversor de tres niveles en el que el nivel medio de tensión se definió como el punto neutro. Gracias a que el inversor NPC permite doblar el nivel de tensión aplicada, esta topología prevaleció en la década de los 80. Pese a que la topología en cascada fue inventada antes, sus aplicaciones no tuvieron éxito hasta mediados de los 90. Gracias a la gran demanda de inversores de media tensión y alta potencia, esta topología ha despertado un gran interés. La siguiente topología multinivel en aparecer en la lista de patentes estadounidenses fue la definida como Flying Capacitor, o Capacitor- Clamped, que surgió en la década de los 90 y que también presenta múltiples ventajas. Hoy en día, los inversores multinivel ofrecen múltiples ventajas respecto a los inversores convencionales de dos niveles, y su uso está ampliamente extendido en aplicaciones de alta potencia con niveles medios Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 130 de 251 David Blas Martínez de tensión. Pese a que los inversores multinivel marcan una clara tendencia de futuro y ya existen múltiples aplicaciones con motores y turbinas eólicas, su uso aún no está implantado en el campo de las energías fotovoltaicas. La proliferación de sistemas fotovoltaicos con conexión a la red hace cada vez más presente el efecto nocivo que producen ciertos fenómenos en las redes y los equipos. Un caso claro es el del cada vez más importante efecto “islanding”. Este efecto se produce cuando, al desconectarse intencionadamente la red eléctrica de los equipos, el inversor no detecta esta caída y continúa alimentando a las cargas con la energía que recibe de los paneles, con lo que se crea un sistema aislado susceptible crear daños en las cargas y personas. Actualmente los inversores tradicionales de dos niveles son los únicos fabricados para aplicaciones estrictamente fotovoltaicas. En el campo de las fuentes de energía distribuida, los inversores multinivel, en especial los de tres niveles, se han presentado como una buena solución de rendimiento y coste en la generación de energía eólica. El éxito de los inversores de tres niveles para soluciones eólicas de media tensión ha fomentado el estudio para su aplicación en sistemas fotovoltaicos con conexión a la red. Gracias al continuo aumento de los niveles de potencia en los equipos fotovoltaicos, cada vez se tiende más hacia la conexión en serie de paneles solares con niveles medios de tensión. Las topologías de tres niveles son especialmente interesantes en este tipo de sistemas, ya que permiten incrementar el nivel de potencia usando dispositivos de baja tensión. Al igual que en el caso de los sistemas eólicos, las características requeridas en los sistemas fotovoltaicos son bajo coste, buena regulación de línea y alta eficiencia. Las principales ventajas que presenta un inversor de tres niveles frente al inversor de dos niveles convencionales son las siguientes: Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 131 de 251 David Blas Martínez • Permiten trabajar con niveles medios de tensión utilizando dispositivos de baja tensión, ya que estos dispositivos sólo están sometidos a la mitad de la tensión que reciben por la entrada de corriente continua. • Permiten trabajar con niveles mayores de potencia, ya que los dispositivos están sometidos a menos estrés. • Reducen la distorsión armónica de las formas de onda en la parte de alterna, con lo que los filtros de salida son menores, y la respuesta dinámica más rápida. No obstante, la experiencia práctica revela ciertas dificultades técnicas que complican su aplicación en convertidores de alta potencia. Las principales limitaciones que presenta son que al aumentar el número de niveles se incrementa la complejidad del control y que introduce problemas de desequilibrio en las tensiones de los condensadores del bus de continua. A continuación se muestra una pequeña tabla con los principales inversores del mercado para aplicaciones fotovoltaicas con conexión directa a la red. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 132 de 251 David Blas Martínez Tabla 2. Principales inversores del mercado de conexión directa a red. 6.7.2. Requisitos para el inversor en el sistema fotovoltaico (sacado del CTE) Las características básicas de los inversores serán las siguientes: • Su principio de funcionamiento será autoconmutado con fuente de corriente (VSI). • Dispondrá de sistema de seguimiento automático del punto de máxima potencia del generador. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 133 de 251 David Blas Martínez • No funcionará en isla o modo aislado. Desde el punto de vista de la seguridad, los inversores cumplirán con las directivas comunitarias de Seguridad Eléctrica y compatibilidad electromagnética (ambas serán certificadas por el fabricante) incorporando protecciones frente a: - Cortocircuitos en alterna - Tensión de red fuera de rango. - Frecuencia de red fuera de rango. - Sobretensiones mediante varistores o similares. - Perturbaciones presentes en la red como microcortes, pulsos, defectos de ciclos, ausencia y retorno de red, etc. Cada inversor dispondrá de las señalizaciones necesarias para su correcta operación e incorporará los controles automáticos imprescindibles que aseguren su adecuada supervisión y manejo. En lo que respecta a su manejo, cada inversor incorporará, al menos, los controles manuales siguientes: - Encendido y apagado general del inversor. - Conexión y desconexión del inversor a la interfaz AC. Las características de rendimiento de los inversores empleados en sistemas fotovoltaicos serán las siguientes, de acuerdo con el Pliego de Condiciones Técnicas para Sistemas Solares Fotovoltaicos del I.D.A.E.: Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 134 de 251 David Blas Martínez • El inversor seguirá entregando potencia a la red de forma continuada en condiciones de irradiancia solar de un 10 % superiores a las CEM. Además soportara picos de un 30 % superior a las CEM durante periodos de hasta 10 segundos. • Los valores de eficiencia al 50 y 100% de la potencia de salida nominal deberán ser superiores al 92% y 94%, respectivamente (valores medidos incluyendo el transformador de salida, si lo hubiere). • El autoconsumo de los equipos (pérdidas en vacio) en “stand-by" o “modo nocturno” deberá ser inferior a un 2% de su potencia de salida nominal. • El factor de potencia de la potencia generada deberá ser superior a 0,98, entre el 25 y el 100% de la potencia nominal. • El inversor deberá inyectar en red, para potencias mayores del 10 % de su potencia nominal. • Los inversores tendrán un grado de protección mínima IP 20 para inversores en el interior de edificios y lugares inaccesibles, IP 30 para inversores en el interior de edificios y lugares accesibles y de IP 65 para inversores instalados a la intemperie. En cualquier caso se cumplirá la legislación vigente. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 135 de 251 David Blas Martínez • Los inversores estarán garantizados para operación en las siguientes condiciones ambientales: entre 0° C y 40 °C de temperatura y 0% a 85% de humedad relativa. 6.8. LA BATERIA SOLAR. Dentro de los distintos tipos de baterías eléctricas, destaca el acumulador de Pb – Acido, que presenta numerosas aplicaciones. En el mercado, su interés se reducirá a dos de ellas: • Las baterías para automóviles. • Las baterías para sistemas fotovoltaicos (baterías solares). Como la diferencia en el costo de estas dos versiones es apreciable, existe siempre la tentación de usar la batería más económica (automóvil) en un sistema fotovoltaico. Para apreciar porqué una batería solar representa la solución más adecuada, puntualizaremos las diferencias entre las dos. El modelo de batería usado en los automotores está diseñado para sostener corrientes elevadas (200 a 350 A) por muy breves instantes (segundos) durante el arranque del motor. El resto del tiempo la batería está siendo cargada o permanece inactiva La batería de un sistema solar, por el contrario, debe ser capaz de sostener corrientes moderadas (una decena de amperes), durante horas. Además, en muchas aplicaciones, deberá permanecer activa sin recibir carga alguna (servicio nocturno). Normalmente, los períodos de reposo son nulos, ya que está siendo cargada o descargada. Diferentes requerimientos de uso sólo pueden satisfacerse con diseños distintos. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 136 de 251 David Blas Martínez Figura 47. La batería de Pb – Ácido Las placas de una batería de Pb-ácido para automotor están hechas con plomo esponjoso. Esta técnica de fabricación hace posible el obtener un máximo de superficie activa con un mínimo de peso. La reducción en la cantidad de plomo contribuye, en forma substancial, a abaratar su costo. El incremento de la superficie activa disminuye la densidad de corriente (A/cm2), permitiendo alcanzar niveles muy altos para la corriente de carga, por breves instantes. Las baterías de automotor llamadas de “mantenimiento nulo” tienen electrodos con aleación de calcio lo que contribuye a minimizar la gasificación durante la carga. Esto hace que se reduzca la pérdida de agua en el electrolito. El agregado de esta aleación disminuye, asimismo, las pérdidas por autodescarga, permitiendo la retención de la carga durante largos períodos de inactividad. Los electrodos de una batería solar tienen una aleación de antimonio, la que permite adherir una mayor cantidad de material activo. Vimos en el capítulo anterior que el envejecimiento de una batería se produce por la pérdida de éste cuando la batería es descargada. Celdas con mayor cantidad de material activo tienen una más larga duración y Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 137 de 251 David Blas Martínez profundidad de descarga. El incremento del material activo aumenta el costo y el peso de la batería. Una batería solar de 6 V, con volumen muy similar a la de 12 V en un automotor, pesa más de 30 Kg La presencia del antimonio incrementa las pérdidas por autodescarga. Si una batería solar permanece en almacenamiento, debe ser cargada con frecuencia. Como la presencia del antimonio incrementa la gasificación, la corriente de carga en un sistema FV debe tener un régimen variable. Dos características identifican a una batería solar: la mayor profundidad de descarga (PD) y un alto valor para el ciclaje. La batería de automotor está diseñada para soportar una leve PD. Para ilustrar este aspecto, asumiremos que en invierno la corriente de arranque alcanza 350A y dura 3 segundos. Durante el arranque la batería habrá entregado 0,29Ah (350 x 3/3.600). Como la capacidad típica de estas baterías es de 80Ah, los 0,29Ah representan una PD de sólo 0,36%. Tomaría tres arranques consecutivos para que la PD llegase al 1%. La batería solar permite una PD máxima del 80%, cientos de veces, a niveles de corriente moderados. Es por ello que a estas baterías se las denomina de ciclo profundo (BCP). Se considera que una BCP ha completado todos los ciclos de carga y descarga cuando, al ser cargada nuevamente, la máxima energía que puede almacenar se reduce al 80% de su valor inicial. El número de ciclos de carga/descarga depende de la PD. Cuando ésta disminuye, el número de ciclos aumenta. Para una dada PD, la batería más robusta proporciona el mayor número de ciclos. Las versiones con mayor aceptación son las de 6 y 12V nominales. Baterías de 6V, con una capacidad de unos 200Ah, son utilizadas en sistemas de mediana capacidad de reserva, donde pasan a formar parte de un banco de baterías con conexión serie o serie-paralelo, a fin de satisfacer los valores de voltaje y corriente del sistema. Esta versión ofrece el mejor compromiso entre peso (facilidad de manejo) y número de Ah de reserva. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 144 de 251 David Blas Martínez tensión, temperatura, intensidad de carga y descarga, y la capacidad del acumulador. 6.9.1. Regulación de la intensidad de carga de las baterías Igualación: El regulador de carga permite automáticamente la igualación de cargas de los acumuladores tras un periodo de tiempo en el que el estado de carga ha sido bajo, reduciendo al máximo la gasificación del electrolito en caso contrario. Carga profunda: Tras la igualación, el regulador de carga permite la entrada de corriente de carga a los acumuladores sin interrupción, hasta que se alcanza el nivel máximo de carga, es entonces cuando interrumpiendo la carga, el sistema de control del regulador pasa a la siguiente fase de flotación. Cuando se alcanza el punto máximo de carga, la batería ha alcanzado un nivel de carga próximo al 90 % de su capacidad total, en la siguiente fase de flotación se completa el 100 % de la capacidad total de carga de la batería. Carga final y flotación: La carga final de la batería se hace en una zona denominada banda de flotación dinámica (BFD).El BFD es el rango de tensión cuyos valores se fijan entre la capacidad total de carga y la tensión nominal de la batería. Una vez alcanzado el voltaje total de carga de la batería, el regulador de corriente inyecta una corriente mínima al sistema, denominada corriente de flotación, tal que permita mantener la batería a plena carga, y en caso de que el sistema consuma energía, se compensa la autodescarga de las baterías. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 145 de 251 David Blas Martínez Figura 49. Fases de carga de una batería o acumulador 6.9.2. Tipos de reguladores de carga La elección de un regulador de carga, está más condicionada a los parámetros eléctricos de nuestro sistema, los detalles de diseño y las opciones ofrecidas por el fabricante. Existen dos tipos de reguladores: a) Reguladores lineales • Operan con corriente continua en la entrada • Equivalen a una resistencia con valor de ajuste automático • Basan su funcionamiento en la caída de tensión en elementos disipativos. • Tienen un bajo rendimiento b) Reguladores conmutados • Incorporan un conmutador que interrumpe la corriente en la fuente primaria a intervalos de duración variable. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 146 de 251 David Blas Martínez • Tienen alto rendimiento. Figura 50. Regulador de carga lineal. Los reguladores lineales se agrupan en dos categorías, control en serie y control en paralelo. Esta clasificación está relacionada con el paso que toma la corriente de carga, respecto al banco de baterías. En un control en paralelo, cuando el voltaje de la batería alcanza un valor predeterminado (batería cargada), la corriente de los paneles es desviada a un circuito que está en paralelo con las baterías, dicho circuito consta de una resistencia fija (dummy load), la cual disipa en forma de calor la energía eléctrica proporcionada por el bloque de generación. Cuando el voltaje de carga de las baterías baja por debajo de un valor mínimo establecido por el fabricante, el proceso de carga se restablece nuevamente. Tanto en el control en paralelo como en el control en serie, el máximo valor de la corriente de carga está determinado por la diferencia entre el voltaje de salida de los paneles y el de las baterías. En el control en paralelo la corriente de carga existe o se anula completamente. En el control en serie, dependiendo del diseño, se tiene un proceso similar o de valor variable. Existen diferentes criterios para el diseño de los controles en serie, dependiendo del control optimo de corriente de carga. Sin embargo en todos ellos existen dos características comunes: Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 147 de 251 David Blas Martínez • Alternan periodos activos de cargas con periodos de inactividad. • La acción del circuito de control depende del estado de carga del banco de baterías. Durante el periodo activo, algunos modelos usan un voltaje de carga constante, mientras que en otros, el voltaje está· limitado por la diferencia de voltaje existente entre los paneles y las baterías. La configuración del regulador en serie, suele utilizarse cuando se trata de una carga grande, mientras que la configuración en paralelo suele ser utilizada cuando la carga es pequeña; en este caso, el circuito está protegido frente cortocircuitos. Figura 51. Regulador de carga en serie (izda.) y regulador de carga en paralelo (dcha.) 6.9.3. Principales diferencias entre el regulador en serie y paralelo. • El regulador en paralelo impide que las variaciones de corriente de carga de la batería aparezcan en el generador fotovoltaico. • La energía disipada en forma de calor en el regulador en serie aumenta en proporción directa con la carga de la batería, mientras que en el regulador en paralelo disminuye al aumentar la carga. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 148 de 251 David Blas Martínez • El regulador en paralelo incorpora un elemento más, Rs, que evita la rotura del generador en caso, de que falte la carga, además de disipar calor. Por lo que para una entrada y salida determinada con carga idéntica, la potencia la potencia entregada por el generador fotovoltaico es mayor que el caso del regulador de carga en serie. • El regulador en paralelo tiene mayor rendimiento que el regulador en serie. • A medida que el voltaje de la batería es cercano al estado de flotación del regulador, la corriente de carga disminuye hasta anularse al abrirse el interruptor en serie. Cuando esto ocurre, el voltaje de la batería baja alcanzando el mínimo de su diseño, y el interruptor se cierra, repitiéndose la secuencia de cargaflotación- descarga. Cuando la disminución de voltaje es despreciable (batería cargada) el control permanece abierto. El valor del voltaje de flotación, dependiendo del modelo del regulador, y de los detalles de la batería, puede ser fijo o ajustarse externamente. Esta última opción puede ser útil si se tiene instrumental de medida adecuado para el ajuste y se conoce en detalle las características de la batería o conjunto de baterías. 6.9.4. Características principales de los reguladores de carga. Indicadores de estado: 1) Desconexión del consumo por baja tensión de batería La tensión de desconexión del consumo es la tensión de la batería a partir de la cual se desconectan las cargas del consumo. La desconexión del consumo por bajo voltaje indica que la descarga en la batería esta próxima al 70 %, de su capacidad nominal, esto ocurre para evitar una sobrecarga puntual de corta duración. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 149 de 251 David Blas Martínez 2) Alarma por baja tensión de batería La alarma por baja tensión de la batería indica una situación de descarga considerable. Esta alarma está en función del valor de la tensión de desconexión de consumo que por norma general ser· de 0.05 volt=elem. Si la tensión de la batería disminuye por debajo del valor para el que se dispara la alarma durante más tiempo del determinado, entonces el consumo se desconecta, el regulador entra en fase de igualación y el consumo no se restaurara hasta que la batería alcance media carga. Protecciones típicas: 1) Contra sobrecarga temporizada en consumo. 2) Contra sobretensiones en paneles, baterías y consumo. 3) Contra desconexión de la batería. Indicadores de estado y señalizadores habituales: 1) Indicadores de tensión en batería. 2) Indicadores de fase de carga 3) Indicadores de sobrecarga/cortocircuito. Parámetros para el diseño: 1) Tensión nominal: la del sistema (12, 24, 48 V). 2) Intensidad del regulador: la intensidad nominal de un regulador ha de ser mayor que la recibida en total del campo de paneles fotovoltaicos. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 150 de 251 David Blas Martínez Parámetros que determinan la operación: 1) Intensidad máxima de carga o generación: Es la máximo intensidad procedente del campo de paneles FV, que el regulador es capaz de admitir. 2) Intensidad máxima de consumo: Es la máxima corriente que puede pasar del sistema de regulación y control al consumo 3) Voltaje final de carga: Voltaje de la batería por encima del cual se interrumpe la conexión entre el generador fotovoltaico y la batería, o reduce gradualmente la corriente media entregada por el generador fotovoltaico. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 151 de 251 David Blas Martínez 7. INSTALACIONES SOLARES FOTOVOLTAICAS CONECTADAS A RED Más de un 90% de los generadores fotovoltaicos están conectados a la red de distribución eléctrica y vierten a ella su producción energética. Esto evita que instalaciones que necesiten baterías y constituyen una aplicación más directa y eficiente de la tecnología. Ya hay cientos de miles de sistemas fotovoltaicos conectados a la red que demuestran que la conexión a red es técnicamente factible y muy fiable. En países como Alemania, Japón o EE.UU., un número cada vez más de personas y empresas están interesadas en instalar un sistema fotovoltaico y conectado a la red. Las motivaciones para dar un paso semejante son diversas algunos lo hacen para ganar dinero con la venta de la electricidad solar; otros para ahorrar electricidad en los picos de demanda o para dar estabilidad al consumo si el suministro que reciben es inestable; muchos otros justifican en todo o parte la inversión por conciencia ambiental. En todos los casos existe la motivación de contribuir a desarrollo de esta tecnología limpia Las instalaciones de energía solar para producción de electricidad (energía fotovoltaica) conectadas a la red son una solución interesante ya que suponen importantes ventajas como: • La ausencia de combustibles con muy bajos costes de mantenimiento y escasos riesgos de averías. • Los beneficios medioambientales propios de una fuente de energía no contaminante e inagotable. Además, este tipo de instalaciones evita la emisión de contaminantes a la atmósfera, tales como SO2, CO2, CO, PB, etc., ya que introducen en la red eléctrica energía limpia generada con radiación solar y evitan la generación de electricidad Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 152 de 251 David Blas Martínez mediante otras formas contaminantes y de efecto invernadero. • El acceso a ayudas públicas en forma de créditos ventajosos y subvenciones a fondo perdido (también a nivel nacional y según Comunidad Autónoma). • La existencia de legislación específica para su desarrollo, que define los derechos de conexión y venta a la red de la energía generada, estableciendo incentivos en forma de primas sobre el precio del kWh durante toda la vida de la instalación. Según la legislación vigente, la energía generada será remunerada con u 575% sobre el precio base del kWh.. La vida media de los paneles fotovoltaicos es de 25 a 30 años, si bien después de este tiempo siguen siendo operativos con un rendimiento inferior. Este será entonces el periodo de vida útil de la instalación fotovoltaica. Las principales aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica convencional son las siguientes: • Sistemas sobreexpuestos en tejados de edificios: 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. Energía solar fotovoltaica Instalación de paneles fotovoltaicos en Bosal Zaragoza Página 153 de 251 David Blas Martínez Figura 52. Paneles fotovoltaicos en edificio • Plantas de producción: Son aplicaciones de carácter industrial que pueden instalarse en zonas rurales no aprovechadas para otros usos o sobrepuestas en grandes cubiertas de áreas urbanas (aparcamientos, zonas comerciales, áreas deportivas, etc.…). Figura 53. Explotación fotovoltaica. • Integración en edificios: Esta aplicación tiene como principal característica ser un sistema fotovoltaico integrado en la construcción, de modo que los paneles solares quedan tanto estructural como estéticamente integrados en la cubierta del edificio. Figura 54. Paneles solares integrados en un edificio.