La luz solar se convierte directamente en electricidad con módulos que constan de muchas celdas solares fotovoltaicas. Estas celdas solares suelen ser fabricados a partir de películas finas o láminas. Son dispositivos de material semiconductor capaz de convertir la energía solar incidente en corriente continua, con eficiencias que varían desde 3 a 31%, dependiendo de la tecnología, el espectro de la luz, la temperatura de diseño, y el material de la celda solar, véase el cuadro de abajo:
Las características del material semiconductor definen la eficiencia de conversión de energía eléctrica en las celdas solares. La brecha de energía material, la calidad de fabricación del material de las celdas, y la tecnología empleada en el proceso de fabricación suman una eficacia final. Por lo general, la eficiencia de conversión de una célula solar comercial (es decir,la relación entre la energía eléctrica generada y la potencia de la radiación incidente en el semiconductor) es de 10 a 15%. Por ejemplo, al mediodía, con cielo despejado, un módulo fotovoltaico puede generar un promedio de 100 W/m2.
Una celda solar puede entenderse simplemente como una batería de muy baja tensión (alrededor de 0,6 V) que se recarga continuamente a una velocidad proporcional a la iluminación incidente. La conexión en serie-paralelo de celdas permite el diseño de paneles solares con altas corrientes y voltajes (llegando hasta kilovoltios). Con el fin de implementar un sistema completo de energía eléctrica, es necesario incluir equipos electrónicos acondicionados de potencia, almacenamiento de energía y control sobre dispositivos de protección. Estos sistemas pueden ser de dos tipos:
Sistemas que interactúan con la red eléctrica comercial que poseen un respaldo adicional de baterías, que constituye además una fuente de almacenamiento de energía.
Sistemas que interactúan con la red y no poseen el respaldo de las anteriores, pero que exigen la no interrupción de suministro por parte de la red comercial.
Los sistemas del primer tipo tienen las ventajas de poder satisfacer la demanda energética en ausencia de luz solar, de poder alimentar cargas con altas corrientes de arranque (caso de motores) y ofrecer tensiones de salida constantes. Pero tienen el inconveniente del alto costo inicial de las instalaciones, del mayor espacio empleado para las mismas, además de la dependencia en el rendimiento de las baterías. Ver tabla de abajo:
Dimensionado de los Paneles
El tamaño del generador fotovoltaico debe asegurar que la energía producida durante el peor mes pueda, como mínimo, igualar a la demandada por la carga. Por lo que para dimensionar tanto los módulos como las baterías de un sistema fotovoltaico autónomo, es necesario conocer las cargas a conectar (televisores, radios, etc.), la potencia nominal de cada una (P), el número de aparatos de determinado tipo (n) y las horas diarias de funcionamiento (t). El consumo diario (Cd), medido en Wh/día, para cada tipo de carga se calcula entonces de la siguiente forma:
Cd = P x n x t ....................................(1)
Para sistemas fotovoltaicos domésticos, en que el generador se coloca en cerca de la vivienda, se calculan por aparte las cargas en CC y en CA, ya que solo las de CA se conectan al inversor. En el caso en estudio, en que se pretende alimentar varias viviendas a partir de una central fotovoltaica, se considera que toda la energía producida deberá convertirse en corriente alterna en el inversor para ser luego transmitida a las viviendas.
La suma de los consumos diarios de todas las cargas, calculados a partir de la ecuación (1), constituye el consumo energético teórico Et en Wh. A parir de este valor debe calcularse el consumo energético real, E (Wh), que considera los diversos factores de pérdida en la instalación fotovoltaica de acuerdo con la siguiente ecuación:
E = Et / R t .........................(2)
Donde el parámetro R es el rendimiento global de la instalación fotovoltaica
definido como:
R = (1 – Kb – Kc – Kv)x(1 – (Ka x N/ Pd) ……………….(3)
Donde
kb: Coeficiente de pérdidas debidas al rendimiento del acumulador:
0,05 en sistemas que no se producen descargas intensas
0,1 en sistemas con descargas profundas
kc: Coeficiente de pérdidas en el inversor:
0,005 para inversores de salida senoidal pura, en condiciones óptimas.
0,1 para condiciones de trabajo lejos de las óptimas
kv: Coeficiente de pérdidas varias (transmisión, efecto Joule, etc.)
El intervalo de valores de este parámetro que se toma como referencia es
kV = (0,05 - 0,15 )
ka: Coeficiente de autodescarga diaria de las baterías, los valores típicos son 0,002 para baterías de baja autodescarga (Ni-Cd) 0,005 para baterías estacionarias de plomo ácido (las más usuales) 0,012 para baterías de alta autodescarga (SLI)
N: Días de autonomía de la instalación10 4-10 días como valores de referencia
Pd: Profundidad de descarga diaria de la batería: No deberá exceder el 80% de la capacidad nominal del acumulador11
Ahora, es necesario conocer la radiación solar diaria (H), medida en KWh/m2/día para cada mes del año en función de la localización geográfica e inclinación de los paneles y en base a datos estadísticos históricos de la zona. Un concepto importante necesario para realizar el dimensionamiento de la cantidad de paneles necesarios en la instalación es el número de horas pico solares, HPS, que se refiere al número de horas diarias de luz solar equivalentes referidas a una irradiancia constante I=1kWh/m2, a la cual se mide siempre la potencia de los paneles. Este un método para estandarizar la curva diaria de irradiancia solar, tal como se muestra en la figura :
El área del rectángulo, definida a partir de las horas pico solares, es igual al área bajo la curva horaria de irradiancia real. (pegas curvita de irradiancia) La irradiación H (kWh/m2), es igual al producto de la irradiancia de referencia, I, y las horas pico solares, HPS. Como I=1kWh/m2, se tiene entonces que los valores numéricos de la irradiación y las horas pico solares son iguales.
H (kW – h / m2) = I ( kW / m2) x HPS (h) …………..(4)
La cantidad de energía producida por un panel a lo largo de todo el día, es equivalente a la energía que se produciría en las horas de pico solar si el panel opera a su potencia máxima o nominal (Wp). Dicha potencia es el principal parámetro que describe el funcionamiento del panel y la especificación más importante en el dimensionamiento del generador fotovoltaico.
El número de paneles necesario (Np) se calcula empleando el número de horas pico solares del peor mes del año y la potencia pico del panel escogido:
Np = E / (0,9 x Wp x HPS ) ……………..(5)
Pérdidas :
Las principales pérdidas que pueden generarse en el generador fotovoltaico son debidas a sombras, temperatura de las celdas superior a los 25°C, elementos desparejos, pérdidas en cables, o diferencias significativas entre el voltaje de operación y el del punto de máxima potencia. Estas pérdidas pueden compensarse inicialmente mediante una instalación cuidadosa, que permita una adecuada ventilación de los módulos y cables. Debe buscarse además, que las características eléctricas de los módulos empleados permitan una adecuada recarga de las baterías en las condiciones climáticas particulares del lugar en que se instalan. Con el fin de disminuir las pérdidas, deben considerarse los siguientes requerimientos:
• El generador fotovoltaico debe estar totalmente libre de sombras durante por lo menos 8 horas diarias, centradas al mediodía, y a lo largo de todo el año.
• El voltaje del punto de máxima potencia del generador fotovoltaico, a una temperatura ambiente igual a la máxima anual del lugar y a una irradiancia de 800 W/m2, debe estar comprendido en el rango de 14,5 a 15 V. Este último requisito, asegura que la corriente del generador FV sea mayor que la corriente en el punto de máxima potencia la mayor parte del tiempo; siempre que se cumplan los requisitos sobre las caídas de tensión en los cables y en el regulador de carga. Si el rango de voltajes de operación del generador se encuentra generalmente por debajo de estos límites, es posible que las baterías no se recarguen adecuadamente.
Debido a la necesidad de evitar descargas excesivas, debe limitarse la máxima profundidad de descarga (PDmax) a un valor específico, generalmente está entre 0,3 y 0,6 de la capacidad nominal. Al alcanzar este límite debe interrumpirse el suministro de energía a las cargas. La capacidad disponible Cu, es menor que la capacidad nominal Cb (carga total que podría extraerse de la batería). Y se tiene que:
Cu = Cb x Pdmax ……………….(6)
La profundidad de descarga de la batería en un ciclo diario se denomina PDd.
Dimensionamiento de las baterías :
Los ensayos de ciclado para baterías, en condiciones representativas de su operación en sistemas fotovoltaicos, son lentos y difíciles. Aunque se han realizados intentos de llevar a cabo estos ensayos, no existen aún procedimientos ampliamente aceptados y es probable que esta situación se mantenga en años venideros. Debido a esto, la solución más práctica consiste en confiar en normas existentes y bien establecidas para usos convencionales de las baterías. Esto implica utilizar valores correspondientes a una descarga en 20 horas y el número de ciclos correspondientes a una profundidad de descarga de 50. La primera etapa en el dimensionado de las baterías, consiste en asegurar que la producción de energía excederá la demanda durante el peor mes. Para lograr esto, la capacidad útil de la batería (capacidad nominal multiplicada por la máxima profundidad de descarga) debe permitir entre 3 y 5 días de autonomía (días que el sistema puede suministrar energía en ausencia de radiación solar usando solo las baterías). La ecuación (7) permite calcular la capacidad del banco de baterías C (kAh), a partir del consumo energético real E, calculado en la ecuación (2); los días de autonomía N; la tensión nominal del acumulador V (usualmente 12 V); y la profundidad de descarga permitida Pd.
C = (E x N ) / ( V x Pd) ………………(7)
Con este dato, puede calcularse el número de baterías que se requieren (Nb) en base a la capacidad de la batería elegida (Qbat) en kWh.
N = C / Cbat …………………(8)
Una vez confirmado que la producción de energía excederá la demanda durante el peor mes y que el banco de baterías brinda los días de autonomía necesarios, el dimensionado de la batería deberá regirse por las siguientes reglas:
*La máxima profundidad de descarga, PdMAX, (referida a la capacidad nominal de la batería en 20-horas) no debe exceder los valores propuestos en la tabla correspondiente (ver tabla de baterías, arriba).
*La capacidad útil de la batería, Cu, (la capacidad nominal en 20 horas, como se definió anteriormente, multiplicada por la máxima profundidad de descarga) deberá permitir entre tres y cinco días de autonomía.
*La capacidad útil de la batería, Cu, debe también tomar en cuenta las condiciones meteorológicas locales. Cuanto más grande sea la cantidad de días nublados esperados, más grande deberá ser el valor de Cu.
Costos:
No obstante que los costos de operación y mantenimiento de los sistemas fotovoltaicos son bajos , se hizo mención de los altos costos iniciales como parte de las desventajas, y esto trae una consecuencia seria: El precio de la potencia entregada excede al de otras tecnologías de generación eléctrica, no obstante muchos países (EE UU entre ellos) vienen introduciendo subsidios, en aras de hacer más competitiva a la producción de energía eléctrica por esta vía. El cuadro de abajo resulta bastante ilustrativo para entender la realidad en este aspecto.
Con las debidas gracias por la atención brindada, nos vemos el próximo año con un nuevo tema. Un próspero 2011 para todos los lectores.
REFERENCIAS:
INTEGRATION OF ALTERNATIVE SOURCES OF ENERGY - Felix A. Farret & M. Godoy Simoes – 2006 - IEEE PRESS - John Wiley & Sons, Inc.
DISEÑO DE UNA INSTALACIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA – Diego Oñate Arresti – 2006 - http://www.diegoonate.es/
ENERGÍA SOLAR - Prof. Francisco M. Gonzales Longatt – 2008 - http://www.giaelec.org/fglongatt/SistGD.html
Está bonito tu artìculo, felicitaciones y muchos éxitos profesionales , que te mereces para el 2011.
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