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Energía Solar Fotovoltaica.

La electricidad es la forma más versátil de energía que tenemos. Permite que los ciudadanos de los países desarrollados dispongan de luz, refrigeración, control de la temperatura en sus casas, colegios y oficinas y acceso a los medios de comunicación por cable y radio. El acceso a la electricidad está directamente relacionado con la calidad de vida.

Para mejorar la calidad de vida en muchos países se requiere aumentar su consumo eléctrico desde unos pocos cientos a algunos miles de kWh por persona y año. ¿Cómo puede lograrse? Algunos opinan que la quema de combustibles fósiles y la energía nuclear son también soluciones para el s. XXI, sin embargo las plantas de combustibles fósiles provocan emisiones peligrosas para el medio ambiente, usan una fuente limitada, su coste tiende a crecer y no son modulares.por tanto deben desarrollarse las energías renovables, no contaminantes y ampliamente disponibles como la Energía Solar Fotovoltaica y la energía eólica. La energía eólica produce hoy mil veces más electricidad que la EFV, pero está muy localizada en sitios favorables mientras que la fotovoltaica es utilizable en la mayor parte del mundo.

Principio de funcionamiento.

La conversión fotovoltaica se basa en el efecto fotoeléctrico. Para llevar a cabo esta conversión se utilizan unos dispositivos denominados células solares, constituidos por materiales semiconductores en los que artificialmente se ha creado un campo eléctrico constante. El material más utilizado es el Silicio Estas células conectadas en serie o paralelo forman un panel solar encargado de suministrar la tensión y la corriente que se ajuste a la demanda.

La radiación solar.

Es la energía electromagnética emitida por los procesos de fusión del hidrógeno contenido en el sol; dicha energía no alcanza la superficie terrestre de modo constante, su cantidad varía durante el día, de estación a estación y depende de la nubosidad, del ángulo de incidencia y de la reflectancia de las superficies. La radiación que un metro cuadrado de una superficie horizontal recibe es conocida como radiación global y es el resultado de la suma de la radiación directa, de la radiación dispersa o difusa y de la radiación reflejada. Existen tres tipos de Radiación solar, difusa, directa y reflejada y a su vez la radiación global que es la suma de las tres. En la superficie de la tierra en el mejor de los casos llega 1000 W/m2, esta se mide mediante Kw/m2. La radiación directa es la que llega directamente del sol, mientras que la radiación difusa es el efecto generado cuando la radiación solar que alcanza la superficie de la atmósfera de la Tierra se dispersa de su dirección original a causa de moléculas en la atmósfera. Del total de luz removida por dispersión en la atmósfera (aproximadamente un 25% de la radiación incidente), cerca de dos tercios finalmente llegan a la tierra como radiación difusa y la reflejada, como su nombre indica, es aquella reflejada por la superficie terrestre. La cantidad de radiación depende del coeficiente de reflexión de la superficie, también llamado albedo. Las superficies horizontales no reciben ninguna radiación reflejada, porque no ven ninguna superficie terrestre y las superficies verticales son las que más radiación reflejada reciben. La radiación directa existe solo cuando el sol es visible. En invierno la radiación difusa es mucho mayor en porcentaje y en base anual, es equivalente al 55% de la global. En los cálculos de dimensionamiento de los sistemas solares fotovoltaicos a menudo es oportuno considerar la cantidad de radiación solar reflejada por las superficies contiguas a los módulos fotovoltaicos (albedo).

La intensidad de la radiación solar en la tierra depende del ángulo de inclinación de la misma radiación: menor es el ángulo que los rayos del sol forman con una superficie horizontal y mayor es el espesor de atmósfera que estos deben atravesar, con una consiguiente menor radiación que alcanza la superficie. Como hemos visto, una superficie recibe el máximo de los aportes cuando los rayos solares inciden perpendicularmente en esta. La posición del sol varía durante el día y durante las estaciones, por lo tanto también varía el ángulo con el cual los rayos solares entran en contacto con una superficie. Los aportes dependen de la orientación y de la inclinación de los módulos fotovoltaicos. Una superficie horizontal recibe la mayor cantidad de energía en verano, cuando la posición del sol es alta y los días son más largos, mientras que una superficie vertical expuesta al sur recibe más aportes en invierno que en verano, aproximadamente 1,5 veces más con respecto a una horizontal. La orientación mejor de una superficie vertical o inclinada que debe captar los aportes solares es por lo tanto la del Sur.

Instalaciones aisladas.

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.

Ejemplo de utilización de un SFA en un sistema de bombeo de agua.

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.

Instalaciones conectadas a red

En cuanto a las instalaciones conectadas a la red se 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.

Ventajas

  • Al no producirse níngún 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).


    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

Generador fotovoltaico

Se conocen popularmente como paneles solares o placas solares. Son los encargados de transformar la energia del sol en energia electrica. Su orientación ideal es hacia el Sur geográfico y con una inclinación equivalente a la latitud del lugar donde se vaya a realizar la instalación.

 La célula solar, basada en una estructura p-n sobre un material semiconductor, cumple con dos requisitos:

  • Existencia de una estructura heterogénea que produzca un campo eléctrico interno.
  • Que  la radiación luminosa sea capaz de generar cargas libres al absorberse por el material. Es decir, que la energía necesaria para romper un enlace entre átomos y librar un electrón sea igual o inferior a la de los fotones de la radiación luminosa.

y es el dispositivo más importante hoy día para aprovechar el efecto fotovoltaico. El primer dispositivo más importante capaz de convertir con eficiencia (casi un 6%) la energía solar en energía eléctrica, fue desarrollado en 1.954 por D.M. Chapin, C.S.Fueller, G.L.Pearson de los Bell Telephon Laboratoriesen New Jersey; desde entonces células similares a aquella se vienen empleando para suministro de energía eléctrica en una serie de aplicaciones cada día creciente.

Regulador de carga

El sistema de regulación tiene básicamente dos funciones:

  • Evitar sobrecargas y descargas profundas de la batería, ya que esto puede provocar daños irreversibles en la misma. Si, una vez que se ha alcanzado la carga máxima, se intenta seguir introduciendo energía en la batería, se iniciarían procesos de gasificación o de calentamiento que acortarían sensiblemente la duración de la misma.

  • Impedir la descarga de la batería a través de los paneles en los periodos sin luz.

Inversor

La mayoría de los electrodomésticos convencionales necesitan para funcionar corriente alterna a 220V y 50hz de frecuencia. Puesto que los paneles como las baterías trabajan siempre en CC, es necesaria la presencia de un inversor que transforme la corriente continua en alterna.
Las principales características vienen determinadas por la tensión de entrada del inversor, que se debe adaptar a la del generador, la potencia máxima que puede proporcionar la forma de onda en la salida (sinusoidal pura o modificada, etc), la frecuencia de trabajo y la eficiencia, próximas al 85%.

Baterias

La función prioritaria de las baterías es la de acumular la energía que se produce para poder ser utilizada en la noche o durante periodos prolongados de mal tiempo.
Otra importante función de las baterías es la de proveer una intensidad de corriente superior a la que el generador fotovoltaico pueden entregar. Tal es el caso de un motor, que en el momento del arranque puede demandar una corriente de 4 a 6 veces su corriente nominal durante unos pocos segundos.
Las baterías de plomo-ácido se aplican ampliamente en los sistemas de generación fotovoltaicos. Dentro de la categoría plomo - ácido, las de plomo-antimonio, plomo-selenio y plomo-calcio son las más comunes.
La unidad de construcción básica de una batería es la celda de 2V.
Dentro de la celda, la tensión real de la batería depende de su estado de carga, si está cargando, descargando o en circuito abierto.
Se puede hacer una clasificación de las baterías en base a su capacidad de almacenamiento de energía (medido en Ah a la tensión nominal) y a su ciclo de vida (numero de veces en que la batería puede ser descargada y cargada a fondo antes de que se agote su vida útil).
La cantidad de energía que es capaz de almacenar una batería depende de su capacidad, que se mide en Amperios hora. Por ejemplo, suponiendo una descarga total una batería de 100Ah puede suministrar un amperio durante 100h o 2 amperios durante 50 h, o 5 A durante 20 h.
El número de días que la batería puede mantener el consumo de la instalación (autonomía) dependerá de su capacidad; cuantos más amperios hora pueda almacenar, mayor número de días.

Sistemas con seguimiento

Un seguidor solar es una máquina con una parte fija y otra móvil que dispone una superficie de captación solar lo mas perpendicular al sol posible a lo largo del día y dentro de sus rangos de movimiento. Al orientar los paneles fotovoltaicos de forma perpendicular al sol se incrementa la energía recibida.

Tipos de seguidores:

Según su rango de movimiento

Un eje

Dos ejes

Se denominan de esta forma a los ejes con un grado de libertad de movimiento.

Ventajas:

-Menor coste.

-Simplicidad.

-Posibilidad de adaptación a cubiertas.

Inconvenientes:

-Seguimiento solar impreciso.

-Menor energía captada.

Se tratan de seguidores solares con dos grados de libertad, capaces de realizar por tanto un seguimiento más preciso.

Ventajas:

-Seguimiento solar más preciso.

-Incrementos de la producción de hasta un 35% respecto a un sistema fijo.

-Generalmente dificultan el robo de módulos fotovoltaicos.

Inconvenientes:

-Mayor coste.

Según su algoritmo de seguimiento

Por punto luminoso

Con programación astronómica

Este tipo de seguidores poseen un sensor que les indica cuál es el punto del cielo más luminoso y a cuál deben apuntar.

Ventajas:

-Facilidad para implementar el algoritmo de seguimiento.

-Pequeñas ganancias de producción en días nublados.

Inconvenientes:

-Poca fiabilidad.

Se trata de seguidores que mediante un programa y de acuerdo con las ecuaciones solares conocen en qué punto debería estar el Sol a cada hora y apuntan a dicha posición.

Ventajas:

-Robustez.

-Fiabilidad del sistema.

Inconvenientes:

-Dificultad para implementar el algoritmo de seguimiento.

Sistemas de concentración.

El funcionamiento de la CPV se basa en células solares fabricadas con materiales semiconductores compuestos, como el arseniuro de galio, que aprovechan la radiación solar con una eficiencia de un 40%, el doble que las convencionales. No obstante, como los materiales que precisa son muy caros, se instalan células muy pequeñas (entre dos milímetros cuadrados y dos centímetros cuadrados). Para contrarrestar este reducido tamaño, se utilizan diversos medios, como espejos, lentes, prismas, etc. que concentran los rayos solares sobre las células y los amplían hasta mil veces. La tecnología fotovoltaica de concentración (CPV) aprovecha la radiación solar con una eficiencia de un 40%, el doble que las células solares convencionales.

La CPV es un ejemplo más de la gran cantidad de aplicaciones prácticas que tiene la investigación espacial. Esta tecnología se emplea desde hace años en los paneles de los satélites y las naves espaciales, donde se requieren placas que obtengan el máximo de energía solar en la mínima superficie posible. Estados Unidos (EE.UU.) fue la pionera en la creación de estas células, si bien a partir de la década de los 80 su empuje fue decreciendo hasta centrarse básicamente en la industria aeroespacial.

En la actualidad, el creciente desarrollo de las energías renovables está devolviendo el interés por esta tecnología. Sus defensores aseguran que, con el avance tecnológico y un marco legal adecuado, la CPV podrá ser competitiva en pocos años. Por ejemplo, CPV Today, una iniciativa creada para generalizar este sistema, prevé que las nuevas células de tercera generación alcancen una eficiencia del 50% antes de 2015, lo que contribuirá a descender su coste en un 62%.

A la hora de comercializar estas placas, si bien se pueden usar de forma individual como las fotovoltaicas convencionales, con una potencia de unos pocos kilovatios (KW), sus impulsores creen que hoy en día su principal salida económica es la utilización a escala industrial. En este caso, la idea sería construir plantas con gran cantidad de paneles solares, y lograr así potencias por encima de los 100 megavatios (MW). De esta manera, se podría suministrar la energía producida a la red eléctrica, o utilizarla para producir hidrógeno, una de las grandes esperanzas de las energías limpias.

Campo de concentración solar en Almería.

España, país destacado.

Además de EE.UU., Alemania y España son los países más avanzados del mundo en este ámbito. Por ejemplo, en 2006 se creaba el Instituto de Sistemas Fotovoltaicos de Concentración (ISFOC). Con sede en Puertollano (Ciudad Real), se trata de un centro de I+D pionero en el mundo que ha puesto en marcha, según sus responsables, una instalación piloto de CPV de tres MW de potencia.

El ISFOC es además un ejemplo de las ventajas de la colaboración, ya que participan varias empresas (Concentrix, Isofotón, SolFocus, Arima, Renovalia CPV, Emcore y Sol3G), universidades (Universidad Politécnica de Madrid, Universidad de Castilla-La Mancha y la de Jaén) e instituciones (Ministerio de Ciencia e Innovación y Junta de Castilla-La Mancha).

Por su parte, según los responsables del ISFOC, hay varias plantas en España que ya funcionan conectadas a la red con una potencia total de unos 15 MW. En estas plantas se prueban las diversas tecnologías posibles, con una concentración basada tanto en células de silicio como en células de alta eficiencia. Por ejemplo, la empresa Guascor Fotón, con la ayuda financiera del Instituto para la Diversificación y el Ahorro de la Energía (IDAE), ponía en marcha la primera instalación comercial de este tipo en Europa. Con un panel de concentradores de 200 metros cuadrados, está conectada a la red de Iberdrola y utiliza células de silicio.

Fuera de España, aunque con participación española, el proyecto NACIR es otra iniciativa interesante en el campo de la CPV. Su objetivo es utilizar esta tecnología en los países del norte de África, que cuentan con unas inmejorables condiciones para aprovechar la luz solar. El proyecto, puesto en marcha este año, tiene una duración prevista de cuatro años y cuenta con un presupuesto de más de siete millones de euros, financiados en parte por la Comisión Europea. Entre sus principales retos destaca la instalación en Marruecos de un sistema de CVP conectado a la red eléctrica, un sistema autónomo de bombeo de agua y riego en Egipto, y la creación de una base de datos que permita aumentar su eficiencia y disminuir sus costes.

El proyecto NACIR también surge gracias a la colaboración a tres bandas: universidad-empresa-institución, ya que participan el Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid, el ISFOC, el Instituto Fraunhoffer de Energía Solar de Alemania, las empresas Concentrix Solar (Alemania) e Isofotón (España), la Oficina Nacional de Electricidad de Marruecos (ONE) y el Ministerio de Recursos Hídricos de Egipto. Además del NACIR, los responsables de ISFOC explican que esperan concretar a lo largo de 2009 diversos proyectos de colaboración en Oriente Medio, Asia y EE.UU.

Inconvenientes de la fotovoltaica de concentración

Los impulsores de la CPV reconocen que hoy por hoy esta tecnología aún se encuentra en un estado precomercial. Asimismo, la tecnología actual presenta una serie de peculiaridades que limitan su generalización. Por ejemplo, las células sólo funcionan adecuadamente en días despejados y con radiación directa, lo que reduce su uso óptimo a lugares muy soleados y ubicados en el ecuador del planeta. Por ejemplo, desde el ISFOC explican que uno de los criterios para elegir Puertollano como banco de pruebas fue su elevada cantidad de radiación directa.

No obstante, el inconveniente de la falta de sol se evita con el uso de seguidores solares a dos ejes de gran precisión, aunque lógicamente encarece el producto final. Además, si bien hay seguidores de concentración para su ubicación en tejados, sus impulsores no consideran que sea la opción más interesante para esta tecnología. Por otra parte, las pérdidas de eficiencia al concentrar hasta mil veces la luz del sol sobre el concentrador también son importantes, aunque menores que otras tecnologías solares, como la de lámina delgada.

En cuanto a los costes de la CPV, los responsables del ISFOC aseguran que en la actualidad son similares a los de la energía fotovoltaica convencional, si bien estiman que, a corto plazo, el desarrollo tecnológico y el crecimiento del mercado, unido a una normativa adecuada, permitirán situar el coste de generación eléctrica de la CPV por debajo de la fotovoltaica convencional.

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