Las celdas solares comerciales se fabrican con lingotes de silicio de alta pureza (material muy abundante en la arena). El lingote es rebanado en forma de placas delgadas llamadas obleas. El espesor típico usado es del orden de 300 nm (0.3 mm). Una fracción muy pequeña de tal espesor (del orden de 0.5 nm) es impregnado con átomos de fósforo. A esta capa se le conoce como tipo-n.
El resto de la oblea es impregnado con átomos de boro y se forma la capa conocida como tipo-p. Estas capas forman un campo eléctrico (voltaje interno construído) dentro de la oblea y cerca de la superficie que recibe la luz del sol. Dicho voltaje es el responsable de separar a las cargas fotogeneradas positivas (huecos) y negativas (electrones).
La celda cuenta con dos terminales que se conectan a un circuito externo para extraer la corriente eléctrica producida. La cara de la oblea expuesta a la luz, posee un enrejado metálico muy fino (plata y/o aluminio), el cual colecta los electrones fotogenerados. Esta capa corresponde a la terminal negativa. Sobre este enrejado está conectado uno de los conductores del circuito exterior. La otra cara cuenta con una capa metálica, usualmente de aluminio. Esta corresponde a la terminal positiva ya que en ella se acumulan las cargas positivas. Sobre esta capa está conectado el otro conductor del circuito exterior. También la celda esta cubierta con una película delgada anti reflejante para disminuir las pérdidas por reflexión.
Figura. Generación eléctrica en una celda fotovoltaica
PANEL SOLAR
Están formados por varias celdas fotovoltaicas
Las células se montan en serie sobre paneles o módulos solares para conseguir un voltaje adecuado a las aplicaciones eléctricas; los paneles captan la energía solar transformándola directamente en eléctrica en forma de corriente continua, que se almacena en acumuladores, para que pueda ser utilizada fuera de las horas de luz.
Los módulos fotovoltaicos admiten tanto radiación directa como difusa, pudiendo generar energía eléctrica incluso en días nublados.
En general las células tienen potencias nominales próximas a 1Wp, lo que quiere decir que con una radiación de 1000W/m2 proporcionan valores de tensión de unos 0,5 V y una corriente de unos dos amperios.
Para obtener potencias utilizables para aparatos de mediana potencia, hay que unir un cierto número de células con la finalidad de obtener la tensión y la corriente requeridas.
Para tener más tensión hay que conectar varias células en serie. Conectando 36 (dimensiones normales, 7.6 cm de diámetro) se obtienen 18 V, tensión suficiente para hacer funcionar equipos a 12V, incluso con iluminaciones mucho menores de 1kW/m2.
La unidad básica de las instalaciones fotovoltaicas es, pues, la placa fotovoltaica, que contiene entre 20 y 40 células solares; estas placas se conectan entre sí en serie y/o paralelo para obtener el voltaje deseado (12V, 14V, etc.).
Estas células interconectadas y montadas entre dos láminas de vidrio que las protegen de la intemperie constituyen lo que se denomina un módulo fotovoltaico.
- ELEMENTOS
GENERADOR SOLAR: conjunto de paneles fotovoltaicos que captan energía luminosa y la transforman en corriente continúa a baja tensión.
ACUMULADOR: Almacena la energía producida por el generador. Una vez almacenada existen dos opciones:
- Sacar una línea de éste para la instalación (utilizar lámpara y elementos de consumo eléctrico).
- Transformar a través de un inversor la corriente continua en corriente alterna.
REGULADOR DE CARGA: Su función es evitar sobrecargas o descargas excesivas al acumulador, puesto que los daños podrían ser irreversibles. Debe asegurar que el sistema trabaje siempre en el punto de máxima eficacia.
INVERSOR (opcional): Se encarga de transformar la corriente continua producida por el campo fotovoltaico en corriente alterna, la cual alimentará directamente a los usuarios.
Un sistema fotovoltaico no tiene porque constar siempre de estos elementos, pudiendo prescindir de uno o más de éstos, teniendo en cuenta el tipo y tamaño de las cargas a alimentar, además de la naturaleza de los recursos energéticos en el lugar de instalación.
Tipos de Sistemas Fotovoltaicos
- Sistemas autónomos o Remotos
Los sistemas autónomos son el mercado que estimuló la producción industrial de módulos Fotovoltaicos y dio credibilidad a la energía, al demostrar que pese a su costo, son la opción más económica en algunas aplicaciones terrestres.
La energía generada a partir de la conversión fotovoltaica se utiliza para cubrir pequeños consumos eléctricos en el mismo lugar donde se produce la demanda.
- Es el caso de aplicaciones como la electrificación de: viviendas alejadas de la red eléctrica convencional, básicamente electrificación rural;
- servicios y alumbrado público: iluminación pública mediante farolas autónomas de parques, calles, monumentos, paradas de autobuses, refugios de montaña, alumbrado de vallas publicitarias, etc.
Con la alimentación fotovoltaica de luminarias se evita la realización de zanjas, canalizaciones, necesidad de adquirir derechos de paso, conexión a red eléctrica, etc.
- Aplicaciones agrícolas y de ganado: bombeo de agua, sistemas de riego, iluminación de invernaderos y granjas, suministro a sistemas de ordeño, refrigeración, depuración de aguas, etc.;
- Señalización y comunicaciones: navegación aérea (señales de altura, señalización de pistas) y marítima (faros, boyas), señalización de carreteras, vías de ferrocarril, repetidores y reemisores de radio y televisión y telefonía, cabinas telefónicas aisladas con recepción a través de satélite o de repetidores, sistemas remotos de control y medida, estaciones de tomas de datos, equipos sismológicos, estaciones metereológicas, dispositivos de señalización y alarma, etc. El balizamiento es una de las aplicaciones más extendida, lo que demuestra la alta fiabilidad de estos equipos.
Por su parte, en las instalaciones repetidoras, su ubicación generalmente en zonas de difícil acceso obligaban a frecuentes visitas para hacer el cambio de acumuladores y la vida media de éstos se veía limitada al trabajar con ciclos de descarga muy acentuados.
Aplicaciones de sistemas fotovoltaicos autónomos en Electrificación Rural
Telecomunicaciones y medición remota de señales
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Aplicaciones marinas y señalización
- Sistemas conectados a la red
En cuanto a las instalaciones conectadas a la red e pueden encontrar dos casos: centrales fotovoltaicas, (en las que la energía eléctrica generada se entrega directamente a la red eléctrica, como en otra central convencional de generación eléctrica) y sistemas fotovoltaicos en edificios o industrias, conectados a la red eléctrica, en los que una parte de la energía generada se invierte en el mismo autoconsumo del edificio, mientras que la energía excedente se entrega a la red eléctrica.
También es posible entregar toda la energía a la red; el usuario recibirá entonces la energía eléctrica de la red, de la misma manera que cualquier otro abonado al suministro.
Tipos de sistemas conectados a la red
- Generadores dispersos.- Son generadores de baja capacidad (1-10KW) instalados en inmuebles residenciales , comerciales o institucionales.
- Estaciones Centrales.- Son plantas de gran capacidad (de hasta varios MW) Operadas por la compañía suministradora. La interconexión con la red siempre es trifásica debido al rango de potencia.
- Estaciones de apoyo a la red.- Son similares a una estación central, su objetivo es proporcionar alivio térmico a subestaciones y o líneas de distribución que se encuentren cerca del límite de su capacidad.
Producción de energía solar fotovoltaica
Alemania es en la actualidad el segundo productor mundial de energía solar fotovoltaica tras Japón, con cerca de 5 millones de metros cuadrados de colectores de sol, aunque sólo representa el 0,03% de su producción energética total. La venta de paneles fotovoltaicos ha crecido en el mundo al ritmo anual del 20% en la década de los noventa. En la UE el crecimiento medio anual es del 30%, y Alemania tiene el 80% de la potencia instalada.
El crecimiento actual de las instalaciones solares fotovoltaicas está limitado en 2006 por la falta de materia prima en el mercado (silicio de calidad solar) al estar copadas las fuentes actuales. Diversos planes se han establecido para nuevas factorías de este material en todo el mundo, incluyendo en mayo de 2006 la posibilidad de que se instale una en España con la colaboración de los principales actores del mercado. La inyección en red de la Energía solar fotovoltaica, está probada por el Gobierno Español con el 575 % del valor del kilowatiohora normal. Lo que corresponde con unos 0,44 euros por cada kwh que se inyecte en red.
Actualmente, el acceso a la red eléctrica en España requiere una serie de permisos de la administración y la autorización de la compañía eléctrica distribuidora de la zona. Esta tiene la obligación de dar punto de enganche o conexión a la red eléctrica, pero en la práctica el papeleo y la reticencia de las eléctricas están frenando el impulso de las energías renovables.
Las eléctricas buscan motivos técnicos como la saturación de la red para controlar sus intereses en otras fuentes energéticas y con la intención de bloquear la iniciativa de los pequeños productores de energía solar fotovoltaica. Esta situación provoca una grave contradicción entre los objetivos de la Unión Europea para impulsar las energías limpias y la realidad de una escasa liberalización en España del sector energético que impide el despegue y la libre competitividad de las energías renovables.
Centrales de energía solar fotovoltaica
Central solar
La mayor central de energía solar del mundo hasta el año 2004 se encontraba en la ciudad de Espenhain, cerca de Leipzig. Con 33.500 paneles solares modulares monocristalinos y una capacidad de producción de 5 megavatios, la central es suficiente para abastecer a 1800 hogares. La inversión ascendió a 20 millones de euros, según Shell Solar y Geosol, las firmas constructoras. Actualmente la empresa alemana SAG Solarstrom, que opera en España con el nombre TAU Solar, ha construido la mayor huerta solar del mundo en Erlasee (Alemania). Esta sustituye a la central de Espenhain. La nueva central de Erlasee cuenta en su totalidad con una capacidad de producción de 12 megavatios.
El mayor fabricante europeo de productos fotovoltaicos es la compañía alemana RWE SCHOTT Solar con sede en Alzenau (Baviera). Esta compañía posee la planta de producción fotovoltaica más moderna y completamente integrada del mundo. En 2003 la compañía generó ventas netas de 123 millones de euros y tiene más de 800 empleados.
Además Friburgo de Brisgovia es la sede de ISES (Sociedad Internacional de Energía Solar).
LA INVERSIÓN EN ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
ES UNA INVERSIÓN INTERESANTE
- Rentable
Una inversión que pone en valor un espacio no productivo, como la cubierta de su nave o un terreno que no rinde.
Ofrece una rentabilidad de entre el 10% y el 15%.
- Segura
Una inversión que genera ingresos recurrentes, previsibles y garantizados por la ley sin ningún esfuerzo de gestión por su parte.
- Sencilla
Una inversión que no necesita apenas mantenimiento, sin emisiones ni consumos, que funcionará en silencio durante más de 25 años.
- Sostenible
Cada kWh producido con la instalación evita la generación del mismo kWh con centrales contaminantes. No se generan emisiones de CO2, Nox, Sox.
APLICACIONES
Tradicionalmente este tipo de energía se utilizaba para el suministro de energía eléctrica en lugares donde no era rentable la instalación de líneas eléctricas. Con el tiempo su uso se ha ido diversificando hasta el punto que actualmente resultan de gran interés las instalaciones solares en conexión con la red eléctrica.
La energía fotovoltaica tiene muchísimas aplicaciones, en sectores como las telecomunicaciones, automoción, náuticos, parquímetros. También podemos encontrar instalaciones fotovoltaicas en lugares como carreteras, ferrocarriles, plataformas petrolíferas o incluso en puentes, gaseoductos y oleoductos. Tiene tantas aplicaciones como pueda tener la electricidad. La única limitación existente es el coste del equipo o el tamaño del campo de paneles.
Algunos usos:
- Electrificación de viviendas rurales
- Suministro de agua a poblaciones
- Bombeo de agua / riegos
- Naves ganaderas
- Pastores eléctricos
- Telecomunicaciones: repetidores de señal, telefonía móvil y rural
- Tratamiento de aguas: desalinización, cloración
- Señalizaciones (marítima, ferroviaria, terrestre y aérea) y alumbrado público
- Conexión a la red
- Protección catódica
- Sistemas de telecontrol vía satélite, detección de incendios
IMPACTO MEDIOAMBIENTAL
La energía solar fotovoltaica es, al igual que el resto de energías renovables, inagotable, limpia, respetuosa con el medio ambiente y sentando las bases de un autoabastecimiento. Al igual que el resto de las energías limpias, contribuye a la reducción de emisión de gases de efecto invernadero y especialmente de CO2, ayudando a cumplir los compromisos adquiridos por el Protocolo de Kioto y a proteger nuestro planeta del cambio climático.
Ventajas
MEDIO AMBIENTALES
- Al no producirse ningún tipo de combustión, no se generan contaminantes atmosféricos en el punto de utilización, ni se producen efectos como la lluvia ácida, efecto invernadero por CO2, etc.
- El Silicio, elemento base para la fabricación de las células fotovoltaicas, es muy abundante, no siendo necesario explotar yacimientos de forma intensiva.
- Al ser una energía fundamentalmente de ámbito local, evita pistas, cables, postes, no se requieren grandes tendidos eléctricos, y su impacto visual es reducido. Tampoco tiene unos requerimientos de suelo necesario excesivamente grandes (1kWp puede ocupar entre 10 y 15 m2).
- Prácticamente se produce la energía con ausencia total de ruidos.
- Además, no precisa ningún suministro exterior (combustible) ni presencia relevante de otros tipos de recursos (agua, viento).
- Es inagotable.
SOCIO-ECONÓMICAS
- Su instalación es simple
- Requiere poco mantenimiento
- Tienen una vida larga (los paneles solares duran aproximadamente 30 años)
- Resiste condiciones climáticas extremas: granizo, viento, temperatura, humedad.
- No existe una dependencia de los países productores de combustibles.
- Instalación en zonas rurales → desarrollo tecnologías propias.
- Se utiliza en lugar de bajo consumo y en casas ubicadas en parajes rurales donde no llega la red eléctrica general
- Venta de excedentes de electricidad a una compañía eléctrica.
- Tolera aumentar la potencia mediante la incorporación de nuevos módulos fotovoltaicos.
Inconvenientes
- Impacto en el proceso de fabricación de las placas:Extracción del Silicio, fabricación de las células
- Explotaciones conectadas a red: Necesidad de grandes extensiones de terreno Impacto visual
Barreras para su desarrollo
- De carácter administrativo y legislativo:Falta de normativa sobre la conexión a la red.
- De carácter inversor: Inversiones iniciales elevadas.
- De carácter tecnológico: Necesidad de nuevos desarrollos tecnológicos
- De carácter social: Falta de información
PRODUCTORES MUNDIALES DE ENERGÍA FOTOVOLTAICA
- JAPÓN: Actualmente, es el principal país productor de energía fotovoltaica a nivel mundial, el segundo puesto lo ocupa ALEMANIA.
- ESPAÑA: Es uno de los países europeos con niveles más altos de radiación solar y tiene un elevado mercado potencial interior en sistemas conectados a la red. Pero, por contra, en la implantación de energía solar se encuentra por detrás de países nórdicos como Suecia, Holanda o Alemania.
- En España inciden 1.500 kilowatios/hora/m2 que se pueden aprovechar directamente (calor) o se pueden convertir en otra fuente de energía (electricidad).
- La producción mundial de módulos fotovoltaicos viene creciendo desde el año 2000 en un 30% anual y actualmente España es considerada, junto con Estados Unidos, Israel y Australia, como uno de los grandes inversores mundiales en el desarrollo de la energía solar para producir electricidad.
Ejemplos de Aplicaciones y de lugares en donde se usa la energía fotovoltaica:
- En España 14 municipios tienen ordenanzas que obliga a que los edificios de nueva construcción o rehabilitados incluyan sistemas de energía solar térmica. Esta normativa pionera fue inicialmente impulsada por el ayuntamiento de Barcelona. El objetivo de esta normativa es que en edificios de nueva construcción y en edificios en rehabilitaciones integrales al menos un 60 % de la energía para agua caliente sanitaria de las viviendas sea solar en edificios de nueva construcción y en rehabilitaciones integrales.
- En Barcelona, por ejemplo, antes de la entrada en vigor de la ordenanza había tan sólo 1.650 m2 de paneles solares mientras que a finales del 2003 estos superaban los 14.000 m2. En la Ciudad Condal, el ahorro energético que supone la energía solar se calcula que es equivalente al consumo de agua caliente de 20.000 personas al año. Sin embargo, en España, han detectado que un 40 % de las corporaciones locales desconocen la existencia de este instrumento legal para promocionar la energía solar.
- En Sevilla han dado un nuevo paso al poner en marcha una ordenanza para la gestión local de la energía que incluye también la promoción de la energía solar fotovoltaica y una visión más amplia que incluye la eficiencia. Sevilla ha visualizado su apuesta solar en un árbol fotovoltaico de 5 KWp que enviará a la red eléctrica unos 8.000 kWh/año y supondrá un ahorro de unos 7.529 kg/año de CO2.
- SISTEMAS DE BOMBEO SOLAR
Los sistemas de bombeo alimentados por paneles solares fotovoltaicos pueden proporcionar agua mediante su conexión a bombas, tanto de corriente continua como de corriente alterna. Ofrecen importantes ventajas, así como una fiabilidad eléctrica muy elevada, llegando a un funcionamiento plenamente automatizado.
Entre estas ventajas destaca el hecho de que los sistemas de bombeo pueden prescindir de la batería. Como el incremento de las necesidades hídricas coincide con las épocas de mayor radiación solar, suelen ser especialmente útiles en las demandas de cantidades medianas de agua.
Existen diversos tipos de modelos de sistemas de bombeo fotovoltaicos, siendo el más conocido de todos el de accionamiento directo. Otro sistema muy empleado es el método tradicional de extracción de agua mediante bomba de corriente alterna.
A partir de estos elementos, la energía generada por los módulos fotovoltaicos pasa directamente a un inversor, éste transforma la tensión continua en alterna, inyectando la energía producida en la red eléctrica comercial.
Preguntas Frecuentes:
¿No sacaría más beneficio si consumo directamente la energía que generan las placas y vendo la que me sobra?
Respuesta: No. La energía que producen los paneles fotovoltaicos se vende a un precio primado my superior al que pagamos a la Compañía eléctrica, por lo tanto, es más ventajoso venderla toda a ese precio y comprar a la Compañía eléctrica toda la electricidad que consumimos.
¿Podría funcionar un colector solar térmico en la Luna, dónde no existe atmósfera?
Respuesta: Si por qué el efecto invernadero se produce dentro del colector, de hecho recibiría más radiación al no haber atmósfera.
¿Qué pasa cuando no hace sol?
Cuando está nublado, no hay radiación solar directa, pero hay luz difusa, y las células producirán electricidad, aunque con menor rendimiento. De noche, las células no producen, pero tampoco consumen nada.
¿Qué pasa si los módulos están sucios?
El polvo y la suciedad dificultan que la radiación alcance la célula de silicio, reduciendo la producción eléctrica. En cualquier caso, los módulos siempre se montan con un cierto grado de inclinación, y la propia agua de lluvia limpiará los módulos periódicamente.
¿El granizo puede dañar los módulos?
Las células están protegidas por vidrio templado, parecido al de los automóviles. Siempre se puede, además, contratar un seguro.
¿Un rayo puede inutilizar los módulos?
La estructura del módulo tiene protección mediante conexión a tierra.
¿Se necesita mucho mantenimiento?
Los sistemas fotovoltaicos sin seguimiento solar no tienen partes móviles, por lo que el desgaste es mínimo. Una inspección visual anual y los controles de seguridad de las conexiones eléctricas obligatorios son suficientes.
¿Qué diferencia a la energía solar fotovoltaica de la térmica?
La energía solar térmica genera calor para ACS y de calefacción, sustituyendo a otras fuentes de energía primaria, como el gas natural o el gas-oil. Las instalaciones son menos fiables y su mantenimiento es más complejo, ya que incluyen tuberías, válvulas, calderas, etc. Su vida útil es menor que la de los sistemas fotovoltaicos.
CONCLUSIONES
La producción de energía fotovoltaica se realiza de manera limpia, directa y elegante por ende esta tiende a proyectarse como una de las mejores alternativas a nivel mundial para obtener energía eléctrica.
Sabiendo que la generación de energía fotovoltaica trae consigo un sinnúmero de ventajas creemos que todos los países deberían implementar este nuevo sistema ya que gracias a ello se contribuye con la naturaleza y este es además muy rentable en cuanto a lo económico.
Finalmente en nuestro medio se podría implementar este sistema tratando de incentivar a profesionales y a estudiantes que se dirijan hacia este campo ya que a la larga será uno de las tecnologías más comunes y necesarias a ser utilizadas.
BIBLIOGRAFÍA
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- Fernández Salgado. GUÍA COMPLETA DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA Y TERMOELÉCTRICA.
- Javier Martín Jiménez.sistemas solares fotovoltaicos. Año 2008.
- Anne Labouret y Michel Villoz ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. MANUAL PRÁCTICO Año 2008.
- Terry Galloway. LA CASA SOLAR. Guía de diseño, construcción y mantenimiento
- CIEMAT. Fundamentos, dimensionado y aplicaciones de la energía solar fotovoltaica. (1999).
- KNOPF, Hannes. Analysis, Simulation, and Evaluation of Maximum Power Point Tracking (MPPT) Methods for a solar Powered Vehicle. Portland State University. (1999).
Autor:
Andrés Villa Loja
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