Resumen—En el siguiente documento se presentará información básica en cuanto la energía renovable respecta, para después poder brindar información detallada sobre la Energía solar en la aplicación de Paneles Fotovoltaicos tiene que ver, se dará un análisis basado en información ya estudiada y comprobada para este tipo de aplicación de la energía solar; se pretenderá brindar un resumen puntual sobre las principales características, rentabilidad, costos y estado actual de este tipo de herramientas como generadoras de energía renovable.
Palabras Claves— Energía renovable, mix energético, recursos renovables.
Abstract— In the following document will be present basic information about renewable energy is concerned, to then provide detailed information about solar energy in the application of Photovoltaic Panels have to see, will be given a summary based on information examined and tested before for this type of application of solar energy; It will be sought to provide a timely summary of the main features, performance, cost and current status of these tools as generating renewable energy.
Keywords— Renewable energy, Energy mix, renewable resources
Las energías renovables son aquellas que se producen de forma continua y son inagotables a escala humana; se renuevan continuamente, a diferencia de los combustibles fósiles, de los que existen unas determinadas cantidades o reservas, agotables en un plazo más o menos determinado. El aprovechamiento y buen uso de los recursos naturales durante los últimos años en la aplicación de producción de energías renovables, son temas de trato común y directo de tal manera que en la actualidad es imposible hablar de energía sin dejar de tomar en cuenta a este tipo de producción energética; las diversas fuentes renovables y naturales con las que cuenta el planeta hacen que las posibilidades de producir energía sean muchas; en evidencia de lo antes dicho se puede acotar el amplio en incremental desarrollo que en diversos países se ha visto en los últimos años en cuanto a la preocupación de construir y producir nuevas formas de producción de una energía sustentable y con beneficios tanto en conservación del medio ambiente y productividad respecta; de aquí surge la importancia de entender y conocer los diferentes tipos de energías que poseemos y las diferentes maneras en que estas pueden ser usadas. [9] [18] [1] En un gran punto en el que nos centraremos la energía solar debe ser considerada una de las más importantes dentro de este campo. ya que al ser esta proveniente del sol hace que su producción se haga de una manera natural, el hecho clave de esto está en saber utilizar de una manera adecuada esta energía, para lo que es indispensable conocer los diferentes tipos de elementos o dispositivos capaces de convertir esta energía en otra que sea de nuestro provecho. La aplicación consecuente de paneles fotovoltaicos a diferentes sistemas de producción de energía hace que la sustentabilidad y rentabilidad en la producción de energía eléctrica tenga un beneficio increíblemente alto visto desde diferentes puntos. El conocimiento y análisis de los diferentes componentes de estos tipos de sistemas de generación ofrece una oportunidad muy grande en diferentes ámbitos como el laboral, social y económico no solo personal, sino que también social. Es importante siempre estar actualizados en el conocimiento de los avances tecnológicos y las diversas utilidades que nos pueden brindar, recordando siempre que algo que proteja o busque proteger a la naturaleza será siempre algo importante e indispensable en el desarrollo de cada persona y cada ser. [9] [18] [21]
A. Energía renovable Las energías renovables son las que proviene de fuentes que utilizan recursos que están presentes de forma natural en el medio y que son considerables como inagotables o se pueden renovar: [1]
El viento (energía eólica)
Los mares y océanos (energía mareomotriz)
Ríos (energía hidráulica)
Materiales orgánicos (biomasa)
El sol (energía solar)
Para nuestro análisis nos basaremos en el estudio principalmente de la energía solar y lo que podemos llegar a producir con esta. B. Energía solar. Es una de las energías más sustentables; ya que esta al provenir directamente del sol se transforma en un recurso inagotable que puede llegar a ser usada en cualquier lugar y de diversas formas según convenga; se dice que el sol podría suministrar y abastecer todas las necesidades energéticas del planeta. [1] [3] Métodos para la captura de la energía solar:
Métodos directos: aquí la transformación del flujo luminoso emitido desde el sol se realiza una sola vez para ser utilizable por el ser humano. [2] [10]
Métodos indirectos: aquí se producen dos o más transformaciones para que se logre generar una energía utilizable. [2] [9]
El sol al ser capaz de energía en todas las direcciones puede llegar a producir valores cercanos a los 390 sextillones de KW de potencia. [2] [9] Tecnologías para el aprovechamiento de la energía solar: [5]
Fotovoltaicas: aquí mediante la utilización de celdas fotoeléctricas diseñadas para reaccionar directamente en presencia de luz se logra convertir la energía solar en energía eléctrica. [5] [6]
Termosolares: funcionan básicamente por el calentamiento que produce el sol en fluidos que pueden llegar a temperaturas de 500 °C. [5] [2]
C. Energía solar fotovoltaica Unos de los principales avances en esta generación de energía ha sido el aumento en la capacidad de producciones de este recurso. [5] [18] Una importante ventaja de la tecnología fotovoltaica está en la larga vida útil de la que dispones (mínimo 20 años dependiendo del fabricante). [21] [10] Se forman de células fotovoltaicas que generan energía a partir del flujo del sol. Al conjunto de estas células se las conocen como paneles fotovoltaicos que consecuentemente está formado diferentes módulos. [21] [10] Las principales ventajas de los paneles fotovoltaicos están anunciadas a continuación: estos sistemas no producen vibraciones, no emiten ruidos y no hay emisión de contaminantes durante su trabajo. Gracias a esto se pueden instalar en casi cualquier lugar. [3] [9] El principal componente de las celdas es el silicio cristalino que es un elemento que se encuentra en casi cualquier lugar del planeta de aquí su gran potencia para ser usado. [3] [2] Los elementos de la construcción de los sistemas fotovoltaicos cumplen cada uno diversas funciones específicas como en el caso de los controladores que son usados para anulas las cargas en exceso en caso de que exista aislamiento en tiempos nublados; por otro lado, los inversores que se usan para la cambiar la corriente de la energía generada y finalmente entre otros las baterías que son hechas para almacenar la energía generada que luego será consumida. [2] [18] Más adelante se detallarán cada uno de los componentes de estos sistemas. Al momento de analizar este tipo de energía solar con la ayuda de paneles fotovoltaicos es una excelente solución para llevar energía eléctrica a lugares de difícil acceso, ya que es una instalación en pequeña escala la misma no requiere grandes inversiones en líneas de transmisión. [2] [5]
Fig. 1. Paneles fotovoltaicos. [2] Efecto fotovoltaico Se produce al momento en que los fotones transmiten energía a los electrones del semiconductor mediante la inducción de un flujo de luz; existen electrones que sobrepasan los límites del potencial, los mismos que producirán una corriente eléctrica. Una vez que han recorridos el circuito externo estos vuelven al semiconductor. [5] [10]
El campo eléctrico producido se debe a la unión p-n en la célula; dicho campo tiene dirección de p a n. El electrón que produce el contacto es extraído desde el metal gracias a que las cargas positivas se dirigen hacia el terminal del lado p. [18] [19] La célula funciona como generador fotovoltaico debido a la carga negativa que por característica tienen los electrones la cual se dirigirá al terminal n lo que facilitará el mantenimiento de la circulación de electrones a través del circuito externo. Por lo que debe quedar claro que el material semiconductor en ningún momento almacenara energía. [5] [10] [19] D. Sistemas fotovoltaicos autónomos y conectados a la red. Los tipos de sistemas fotovoltaicos autónomos son ideales para lugares vulnerables, rurales y zonas que por su ubicación geográfica se encuentran considerablemente aisladas. Al ser un sistema autónomo se diferencia de los sistemas conectados a la red en el hecho de estar conectados a baterías para poder guardar la energía que será usada diariamente. [12] [15]
Fig. 3. Esquema básico de una instalación FV autónomo. [15] El tipo sistemas conectados a la red se forman de manera general de un generador que estará conectado a un inversor que funcionará en paralelo a la red eléctrica principal. [17] El generador fotovoltaico como ya se mencionó retiene la radiación solar y es capaz de convertirla en energía del tipo eléctrico, para estos sistemas ya no existe conexión a baterías por lo que la energía ya no se guardará; sino que, será utilizada o enviada de manera directa para ser consumida o ser distribuida en una red eléctrica. Para que esto pueda cumplirse la corriente directa se transformara en energía alterna mediante la acción del inversor; este último es construido para poder realizar esta función en específico. [7] [17] En la construcción de los sistemas fotovoltaicos conectados a la red se pueden distinguir componentes importantes en su estructura: [5] [14]
Módulos fotovoltaicos.?
Inversor para la conexión a la red.?
Dispositivo de intercambio con la red eléctrica.
Contador de energía bidireccional.
Cabe mencionar en este punto que las células solares brindan cantidades de voltaje y corriente demasiado bajos en comparación a los que generalmente son requeridos por los artefactos convencionales. [20] [13]
Fig. 4. Esquema básico de una instalación FV conectado a la red. [14] Como un punto a favor se puede decir que los paneles solares fácilmente pueden ser acoplados a techos o a partes de la fachada de las edificaciones en los que serán usados. [15] El hecho de que la energía sea consumida en el mismo lugar en el que será usada presenta diversas ventajas de estos sistemas: [5]
Se pueden disminuir las pérdidas de energía en cuanto a transmisión y distribución de la misma. [14]
Su instalación es sencilla y fácil; ya que, solo necesita de un lugar en la que pueda estar expuesta de manera directa al sol, idealmente se la realiza en techos de edificaciones. [14]
Presentan inversiones de forma sustentable u progresiva en sistemas modulares. [14]
Pueden en el caso de los sistemas fotovoltaicos con conexiones a la red ser desarrollados para centrales fotovoltaicas de gran generación. [14]
Las conexiones principales de estos sistemas son conectadas desde potencias en KW hasta centrales eléctricas solares de MW. [13] [17]
La energía que estos sistemas pueden suministrar depende únicamente de la potencia conectada por el cliente y de la radiación que se abastece sobre la superficie de los módulos. [5] [15]
E. Sistemas fotovoltaicos sin conexión a la red de distribución Este tipo de sistemas se usa básicamente en lugares en los que se hace imposible acceder a una red de distribución de energía solar por diversos factores. Aquí los paneles fotovoltaicos tienen conexión directa en los domicilios donde serán usados. [17]
Potencia de una célula solar. Una de las desventajas de las células solares es la baja potencia que estas proporcionan en su tamaño estándar, esto se soluciona conectando o asociando varias de estas para poder alcanzar la potencia que el sistema fotovoltaico requiera consumir. [17] [14] Las diferentes conexiones en las que deben estas las células son las siguientes:
Conexión serie: aquí se aumenta la tensión en los terminales de la célula equivalente.
Conexión Paralelo: se aumenta la intensidad de todo el conjunto de la conexión. [13]
Fig. 5. Instalación de un panel solar [20] A continuación, se describirá cada componente que será necesario al momento de la instalación de este sistema y sus respectivas formas de conexión. [15] Panel Fotovoltaico Cumple la función de transformar la energía solar en energía eléctrica a través de las celadas fotovoltaicas que en su constitución constan principalmente de silicio que es un material que reacciona con la luz. [17] [12] Agrupación y conexión de los paneles Según nuestras necesidades o las características de construcción de los paneles podemos utilizar un solo panel o un conjunto de estos que deberán ser montados en un soporte y estar conectados entre sí eléctricamente [13] Cuando se requiera una potencia alta se usará necesariamente una conexión en conjunto de paneles. [17][4] La forma en que se conectan estos paneles solares se debe realizar desde la parte trasera de estos mediante una caja que ya está preparada para este tipo de funciones; esta caja de conexión, está formada por diodos de protección que permiten el paso de la corriente en un sentido; las funciones principales de esto serán: [2] [15]
Impedir la descarga de las baterías debido a los paneles.
Que haya una inversión en el flujo entre bloques debido a sombras en estos.
Proteger y garantizar el funcionamiento de los paneles debido a sombras o efectos externos. [14]
El regulador Se usan para crear un sistema de regulación entre las baterías y los paneles; este regulador se usa para evitar los efectos que pueden producir la descarga y sobrecarga de la batería. Gracias a este regulador podemos alargar la vida útil del sistema. [17] En un resumen el regulador trabaja en la función de garantizar y asegurar la carga del acumulador y evitar las sobrecargas. [17] Al momento de realizar el análisis del dimensionado de la instalación solar se deberá tener en cuenta la protección y garantía del suministro de energía en condiciones inesperadas respecto al sol. [14] En cuanto a normas de seguridad se deberá siempre asegurar tanto la instalación como a las personas que vayan a hacer uso de las mismas. Por lo que los sistemas de seguridad deberán ser indispensables. [17] [3] Las baterías Una batería es un elemento que es capaz de convertir la energía química en energía eléctrica; su funcionamiento en una instalación fotovoltaica será el siguiente: Las baterías usaran la energía producida por los paneles solares para recargarse a través del regulador de carga; se deberá tener muy en cuenta capacidad tiene la batería por efecto de fabricación para poder elegir el acumulador acorde al funcionamiento del sistema en conjunto. [15] [13] Funciones de la batería en las instalaciones fotovoltaicas:
Almacenar energía durante periodos definidos en la fabricación de la batería.
Proporcionar una potencia instantánea de valor elevado.?
Fijar y mantener la tensión a la que debe trabajar la instalación. [14] [12]
F. Tipos de plantas fotovoltaicas Plantas fijas En este tipo de plantas el panel deberá permanecer estático este se debe a que el seguidor no permite que el modulo fotovoltaico no se ubicado directamente al sol. Para las plantas fijas uno de los aspectos de vital importancia será la inclinación de panel; esta, deberá estar de acuerdo a la altitud en donde este el panel para que así, pueda ser aprovechado durante todo el año. Debido a valores en los costos se recomienda usa una instalación convencional siguiendo los requerimientos para su implementación. [13] Plantas con seguidores Estas plantas se usan principalmente para obtener un seguimiento muy exacto del sol mediante uno o dos seguidores; esto hará que se logren altos rendimientos. Este tipo de tecnología es muy adecuada para lugares en los que la radiación es variable entre media y alta, lo que hace que su mercado sea amplio debido a que se la considera una energía distributiva; además de que, sus costos se consideran relativamente bajos. [17] [12] G. Costos del uso de energía solar fotovoltaica La principal aplicación actual de estos sistemas se da par a lugares alejados de una red eléctrica y esto se debe a que son viables y rentables, se usan principalmente en electrificación, telefonía, bombeo de agua y protección catódica entre otros; de acuerdo al valor de los componentes de estos sistemas su costo puede oscilar entre 3.500 a 7.000 dólares por cada kW instalado. [20] [7] Estos costos dependen principalmente de los costos por instalación y valor de los paneles, los cuales deberán amortizarse a lo largo de los años de uso; entre los principales elementos tenemos:
Sistema de captación: incluida su instalación, vendrá dado en función de su potencia. [13]
Sistema de regulación: estará determinado de acuerdo al número de módulos fotovoltaicos. [13]
Sistemas de acumulación: estos varían en función de la magnitud física de la instalación. [12]
Acumuladores modulares: para este caso varía en función de la capacidad de acumulación que por defecto de fabricación tengan los mismos. [13]
Inversores: el coste varía linealmente con la potencia de salida. [12]
H. Impacto al medio ambiente en la utilización de la energía solar fotovoltaica. Al ser esta energía proveniente de una fuente natural los impactos negativos se reducen hasta un mínimo, el único impacto que tiene estos se relacionan a la contaminación visual. [17] [20] En lo que se refiere a centrales fotovoltaicas estas debido a sus grandes dimensiones es importante tener en cuenta el impacto paisajístico que pueden ocasionar, esto se debe a la gran dimensión en los terrenos que estas pueden llegar a ocupar y a los tendidos de redes eléctricas que se requieren para su funcionamiento. [15] [13] La principal ventaja de la energía fotovoltaica es que su uso no provoca ningún tipo de emisión contaminante por lo que no representa ningún peligro ambiental como las provocada por las tecnologías convencionales; además también, la contaminación en cuanto a la producción de ruidos es nula. Los módulos usados en estos sistemas son reciclables, y las materias primas en su gran mayoría pueden llegar a ser utilizadas. Al ser esta la sustitución de los combustibles fósiles tendríamos un gran avance en cuanto a la reducción de la emisión de los gases de invernadero y sus efectos en el cambio climático actual. [12] [14]
I. Situación actual de la tecnología fotovoltaica. Hace ya más de 50 años desde la fabricación de la primera célula esta tecnología ha ido evolucionando hasta hoy en dia alcanzar rendimientos del 30%, siendo en la actualidad la tecnología del silicio monocristalino la más usada en la producción de los mismos. [19] Hoy en día se trabaja en el desarrollo de estas tecnologías en la búsqueda de la reducción de costos que aún siguen siendo relativamente elevados; además de que, se busca principalmente el aumento de la eficiencia de los módulos fotovoltaicos que reducirían en consecuencia el valor por producción cada kW/h. [16] Aunque en algunos países desarrollados se ha procurado implementar de mayor forma estos sistemas conectados a redes eléctricas, todavía estos se presentan en un porcentaje mínimo en lugares que no tienen acceso a la energía eléctrica esto debido a su ubicación o la capacidad económica que pueden llegar a tener. [16]
En la realización de este trabajo investigativo como estudiantes hemos podido apreciar de una manera diferente las diferentes aplicaciones y utilidades energéticas como ambientales de las tecnologías fotovoltaicas, hoy en día el uso de estos recursos debe ser una de las principales preocupación tanto como ayuda en el medio ambiente como también en la manera en que estos al no estar explotados en su totalidad pueden representar una gran ventana de producción de energías, empleos, empresas y diversos campos que pueden llegar a tener un gran impacto tanto en nosotros como profesionales y en los usuarios de estos sistemas. Los sistemas fotovoltaicos, aunque no se han estudiado como para tener un uso masivo continuamente presentan avances que no son más que ventajas para todos los seres en general. La importancia de tener energías limpias y libres de contaminación hoy en día debe ser unos les mas importantes puntos de discusión de las sociedades; quedara solo en nosotros los profesionales y los usuarios ser lo precursores de estas tecnologías para poder mejoras y mantener la calidad de energía y por qué no de vida de cada uno de nosotros. In the achievement of this research work like students we could have appreciated in a different way the different applications and energy utilities like environmental of the photovoltaic technologies, nowadays the use of these resources must be one of main worry so much as it helps in the way environment as also in the way in which these, on not having been exploited in its entirety, can represent a big window of production of energies, work places, companies and diverse fields that can go so far as to have a big impact so much in us like professionals and in the users of these systems. The photovoltaic systems, although they have not been studied as to have a massive use continuously they present advances that are only advantages for all the beings in general. The importance of having clean and free contamination energies nowadays must be some they more important points of discussion of the societies; it will remain alone in us the professionals and the users to be the precursors of these technologies to be able you improve and to maintain the energy quality and why not of life of each of us.
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Universidad Politécnica Salesiana.
Autor:
Mora John.
jmoral1[arroba]est.ups.edu.ec Sanmartín Pablo.
psanmartin[arroba]est.ups.edu.ec