CAPÍTULO I 1 ASPECTOS GENERALES 1.1 INTRODUCCION.

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1 CAPÍTULO I 1 ASPECTOS GENERALES 1.1 INTRODUCCION. La conversión directa de la energía solar en electricidad a través de células fotovoltaicas (módulos fotovoltaicos) se ha desarrollado durante los últimos años como una alternativa para el suministro eléctrico en numerosos países. Y en las ocasiones donde el abastecimiento eléctrico por red eléctrica convencional ya existe, la tendencia será que la energía solar fotovoltaicas (Energías Renovables) trabajen conjuntamente con ellas. Inicialmente, los sistemas de energía fotovoltaicos de conexión a la red eléctrica convencional se desarrollaron para centrales fotovoltaicas de gran tamaño, ya que se pensó que podrían en un futuro resolver en algunas zonas ciertos problemas existentes en la generación y distribución de energía eléctrica convencional. Tras examinar que dichas centrales trabajaban correctamente en varios países del mundo y en la medida que avanzó el mercado de la electrónica se comenzaron a diseñar sistemas de energía solar fotovoltaica de menor envergadura. Los sistemas más pequeños y manejables, se han configurado con la finalidad de ser instalados a modo de pequeñas centrales domésticas. Sistemas de energía solar fotovoltaica totalmente adaptables a viviendas dotadas de acometida convencional de suministro eléctrico. Por lo que se debe generar campañas con la finalidad de construir una base de mercado suficientemente amplia de dichos sistemas de energía solar fotovoltaica que aporte a la red eléctrica convencional, para que los costos de 1

2 fabricación desciendan de manera sustancial y su implementación sean más económicas. La política energética no es un oráculo, y las perspectivas no son previsiones sino reflexiones sobre la gama de futuros posibles. Teniendo esto último en cuenta, que las operaciones en diversos países como EEUU, Japón y Europa, que son los mayores consumidores de energía solar fotovoltaica es posible que se alcance al 2010 con más de de instalaciones de sistemas de energía solar fotovoltaica conectadas a la red eléctrica convencional y serán ampliadas a varios países. 1 1 Libro Blanco para una estrategia y un plan de acción comunitarios. Comisión Europea /* COM/97/0599 final */ 2

3 1.2 ANTECEDENTES. La Universidad Politécnica Salesiana, en su intención de promover el uso de nuevas técnicas de generación de energía eléctrica limpia, con posibilidad de conectarse a la red eléctrica convencional e incentivar el respeto por el medio ambiente dentro del aspecto ecológico, pretende promocionar la utilización y el aprovechamiento de energía solar fotovoltaica (energía renovable) en la Facultad de Ingenierías, y específicamente en la Carrera de Ingeniería Eléctrica. La decisión por parte de Universidad Politécnica Salesiana de realizar las instalaciones en esta Facultad, les permitirá conocer el funcionamiento de las instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red eléctrica, para que siendo esta la primera en realizarse en un centro educativo Universitario en el Ecuador, sirva para fomentar y tomar futuras medidas de inversión de generación de energía eléctrica limpia y de la conservación medioambiental a la vez que servirán de referencia ecológica para otras instituciones y la sociedad en general. En la actualidad el sistema eléctrico ecuatoriano se ha visto en la necesidad de buscar mecanismos de solución al problema energético y adoptar políticas medio ambientales. 1.3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. Uno de los requerimientos más importantes para el desarrollo integral del Ecuador, es que los institutos superiores como Universidades o Escuelas Politécnicas en especialidades técnicas, fomenten nuevas tecnologías ha implementar y fortalecer el buen desempeño de la sociedad. La quema de combustibles fósiles está provocando el cambio climático a nivel mundial por lo que es necesario educar a la sociedad sobre la existencia de nuevos sistemas tecnológicos que eviten la emisión de residuos tóxicos y gases, para evitar el efecto invernadero en la atmósfera y de esta manera no poner en riesgo a todo ser vivo. 3

4 De las reservas de combustibles fósiles (leña, carbón, petróleo, gas, etc..), al ritmo actual de consumo, sus reservas se agotarán en unos pocos años, sin olvidar los graves impactos medio ambientales que generan la obtención y transporte de estos combustibles. No existe en nuestro medio una institución u organismo que imparta conocimientos y promueva los avances tecnológicos en la área fotovoltaica y sus diversas aplicaciones. El desconocimiento de este tipo de tecnología por la mayor parte de la sociedad, provoca que se utilice medios convencionales que perjudican y afectan la salud de todos. En la legislación Ecuatoriana, aun no se han establecido leyes ni normativas reguladoras de sistemas de energía solar fotovoltaica que entregue energía eléctrica limpia a la red eléctrica convencional, que incentiven y soporten la implementación de este tipo de instalación. 1.4 JUSTIFICACIÓN. La Universidad Politécnica Salesiana en su avance por mejorar el nivel académico, se encuentra con la necesidad de fortalecer su presencia tecnológica en la sociedad. Todos los estudiantes, son potenciales transmisores de sus conocimientos hacia la sociedad garantizando su nivel académico a otro nivel, incentivando y promoviendo el uso de energías limpias hacia la comunidad a través de sus profesionales, siendo como punto de partida la creación de una legislación o normativa reguladora acorde a las necesidades del país. Este tipo de tecnología (energía solar fotovoltaica que entregue energía eléctrica limpia a la red eléctrica convencional) ayudará a la sociedad a 4

5 implementar nuevas formas de producción de energía eléctrica limpia, creando nuevos generadores de energía eléctrica de bajas potencias, aportando a un déficit de energía, mejorando el nivel de vida y evitando contaminación al medio ambiente. A futuro la aplicación de una legislación o normativa que regule la venta de la energía eléctrica limpia generada a través sistemas fotovoltaicos a las compañías de distribución de energía eléctricas, abre una nueva realidad en el campo de la producción de energía eléctrica, que fomenta de forma activa la participación de todos los ciudadanos en la protección del medio ambiente, puesto que la energía eléctrica limpia proveniente del sol no produce residuos tóxicos ni gases de efecto invernadero, así como permite el reparto democrático de sus beneficios económicos entre toda la sociedad. 1.5 ALCANCE. Estudio sobre un sistema de energía solar fotovoltaica que entregue energía eléctrica limpia a la red eléctrica convencional. Diseño de un sistema de energía solar fotovoltaico que entregue energía eléctrica limpia a la red eléctrica convencional. 1.6 OBJETIVOS OBJETIVOS GENERALES Determinar los fundamentos técnicos que se deben aplicar en un sistema de energía solar fotovoltaica que entregue energía eléctrica limpia a la red eléctrica convencional como respaldo de energía eléctrica. Estipular bases de solución de abastecimiento de energía eléctrica con la implementación de sistemas fotovoltaicos conectado a al red eléctrica convencional en instituciones publicas y privadas. 5

6 Elaborar un diseño de un sistema fotovoltaico que entregue energía eléctrica limpia a la red eléctrica convencional; para ser implementado por la Universidad Politécnica Salesiana y este promueva a sus estudiantes y sociedad de los nuevos avances tecnológicos en la área de generación de energía eléctrica OBJETIVOS ESPECIFICOS. Fijar las especificaciones técnicas que aseguren la suficiente calidad y beneficio para el usuario a la vez que se garantice y se fomente el desarrollo de este tipo de tecnología. Hacer de este estudio, un medio de consulta para estudiantes y público en general sobre los sistemas de energía solar fotovoltaica que entregue energía eléctrica limpia la red eléctrica convencional como respaldo de la energía eléctrica convencional. Difundir el uso de la energía solar fotovoltaica permitiendo la introducción y promoción de esta alternativa energética en instalaciones de uso público y privado. Propiciar la creación de nuevas fuentes de negocio como generadores de energía eléctrica limpia al sistema de energía eléctrica convencional. Demostrar, que con el uso de energías limpias como la Energía Solar Fotovoltaica evitamos la emisión de gases contaminantes, consiguiéndose de esta manera un lugar de vida más limpio y ecológico. Promover el diseño y construcción de recursos didácticos usando tecnología fotovoltaica con los cuales se pueden demostrar las 6

7 actuales aplicaciones y posibilidades de estas tecnologías por parte de la Universidad Politécnica Salesiana. 1.7 FUNDAMENTOS TEORICOS. La energía solar es la fuente principal de vida en la Tierra: dirige los ciclos biofísicos, geofísicos y químicos que mantienen la vida en el planeta, los ciclos del oxígeno, del agua, del carbono y del clima. El Sol nos suministra alimentos mediante la fotosíntesis, y como es la energía del sol la que induce el movimiento del viento y del agua y el crecimiento de las plantas, la energía solar es el origen de la mayoría de fuentes de energía renovables, tanto de la energía eólica, hidroeléctrica, biomasa, de las olas y corrientes marinas, como de la energía solar propiamente dicha 2. La energía solar se puede aprovechar pasivamente (energía solar pasiva), es decir sin la utilización de ningún dispositivo o aparato intermedio, mediante la adecuada ubicación, diseño y orientación de los edificios, empleando correctamente las propiedades fisicoquímicas de los materiales y los elementos arquitectónicos de los mismos: aislamientos, tipo de cubiertas, protecciones, etc. Mediante la aplicación de criterios de arquitectura bioclimática se puede reducir significativamente, e incluso eliminar, la necesidad de climatizar (calentar y enfriar) los edificios, así como la necesidad de iluminarlos durante el día. Y también se puede aprovechar activamente (energía solar activa), captando energía térmica (calor) (ver Imagen 1) o generando electricidad. El aprovechamiento térmico de la energía solar para calentar agua (incluso para calefacción) es posible gracias a los captadores solares de agua; una instalación de 4 m 2 de captadores y 300 litros de acumulación da agua caliente para toda una familia (en función de la localidad, consumo, hábitos, etc.). Incluso, 2 HANS Rau, energía solar, aplicaciones prácticas; marcombo boixareu editores Barcelona Mexico, p.1. 7

8 ampliando la superficie de colectores solares, se puede obtener energía para calefacción, distribuyéndola por suelo radiante. También hay captadores solares de aire (para calefacción), cocinas solares, plantas desalinizadoras solares, y otras aplicaciones térmicas. Por otro lado, se puede generar electricidad a partir de la energía solar térmica, mediante las llamadas centrales de torre o mediante colectores cilindro-parabólicos; en estas instalaciones se calienta un fluido, que transporta el calor y genera electricidad mediante una turbina y un alternador. Imagen1. Calentadores de agua por energía solar térmica. 3 Sin embargo, la tecnología más utilizada para el aprovechamiento eléctrico de la energía solar es la que se deriva de las células fotovoltaicas (módulos fotovoltaicos). Se puede aprovechar la energía solar mediante células fotovoltaicas, la radiación solar se transforma directamente en electricidad, aprovechando las propiedades de los materiales semiconductores. El material base para la fabricación de las células fotovoltaicas es el silicio, que se obtiene a partir de la arena. 4 3 Imagen cortesía de TEAN Ingeniería Eléctrica, centro de exhibición oficinas de TEAN 4 j. AGUILAR peris, j. m. AGUILAR civera, diccionario de energia solar, editorial alhambra, p. 35 8

9 Las células fotovoltaicas, por lo general de color negro o azul oscuro, se asocian en grupos y se protegen de la intemperie formando módulos fotovoltaicos. Los módulos fotovoltaicos tienen el aspecto de un vidrio de entre 0,5 y 1 m² de superficie, del mismo color que las células; de hecho, a menudo los módulos se protegen con una lámina de vidrio. (ver Imagen2). Imagen2. Tipo de paneles fotovoltaicos, monocristalinos (azul) y amorfos (negro) 5 En el mercado se encuentra una gran cantidad y variedad de tipos de módulos fotovoltaicos: grandes o pequeños; rígidos o flexibles ( y enrollables); en forma de placa, de teja o de ventana; con soporte incorporado o no; con soporte orientable mecánicamente o no ( a través de sensores se orienta hacia donde se percibe mayor radiación solar); de distintas tonalidades (negro, azul, pardo, amarillento, etc.)... Naturalmente, los precios de los mismos también son muy diversos de acuerdo a la pureza con que se realizan las células fotovoltaicas. Para su caracterización, los módulos se miden en unas condiciones determinadas: 1 kw/m2 de iluminación solar y 25 ºC de temperatura de las células fotovoltaicas. La máxima potencia generada en estas condiciones por cada módulo fotovoltaico se mide en Wp (vatios pico). 6 5 Imagen cortesía de TEAN Ingeniería Eléctrica, centro de exhibición oficinas de TEAN 6 Condiciones estándares de medida. 9

10 La tecnología fotovoltaica convierte directamente la radiación procedente del sol en electricidad. La energía que nos regala el Sol es limpia, renovable y tan abundante que la cantidad que recibe la Tierra en 30 minutos es equivalente a toda la energía eléctrica consumida por la humanidad en un año. Una instalación de tecnología fotovoltaica se caracteriza por su simplicidad, silencio, larga duración, requiere muy poco mantenimiento, una elevada fiabilidad, y no produce daños al medio ambiente. A diferencia de los combustibles fósiles y la energía nuclear, la energía solar fotovoltaica no contamina. No obstante, ninguna fuente de energía es absolutamente inocua. En el caso de la energía solar fotovoltaica, aunque su uso no origina ningún impacto, la fabricación de las células requiere un elevado consumo energético, recuperado en un par de años de funcionamiento, y el uso de elementos tóxicos, por lo que los fabricantes deben reducir el consumo de esos compuestos, reutilizarlos y reciclarlos siempre que sea posible, y evitar el vertido incontrolado de sus residuos. A pesar de esto, considerando el ciclo de vida completo de la tecnología solar fotovoltaica (desde la extracción de la materia prima hasta el final de su vida útil) el impacto sobre la naturaleza es incomparablemente menor que las tecnologías basadas en combustibles fósiles o nucleares. Las instalaciones de energía solar fotovoltaica básicamente se distinguen en dos tipos de aplicaciones de la energía solar fotovoltaica: Sistemas de energía solar fotovoltaica aislados. Sistemas energía solar fotovoltaica conectados a la red eléctrica convencional. 10

11 En el primer caso las posibilidades de aplicación son enormes: desde viviendas o equipamientos aislados (ver Imagen3) y/o independientes, hasta centrales eléctricas rurales., telecomunicaciones, bombeo de agua, protección catódica, señalizaciones, equipos de sonido, sistemas de iluminación, ordenadores o teléfonos portátiles, cámaras, calculadoras, etc. (ver Imagen4) Imagen3. Electrificación viviendas rurales con paneles fotovoltaicos amorfos 7 Imagen4. Sistema fotovoltaico de bombeo de agua rural 8 7 Imagen cortesía de TEAN Ingeniería Eléctrica, proyecto realizado en el Oriente Ecuatoriano. 8 Imagen cortesía de TEAN Ingeniería Eléctrica, proyecto realizado en el Oriente Ecuatoriano. 11

12 Sin embargo, y valorando muy positivamente las posibilidades que ofrecen los Sistemas de energía solar fotovoltaica aislados, sobre todo por su contribución a la solidaridad, se considera que donde la energía solar fotovoltaica puede ofrecer un diferencial significativo en el Mundo (donde los niveles de electrificación son próximos al nivel de saturación) es en los sistemas de energía solar fotovoltaicos conectados a la red eléctrica convencional. Por las características de la tecnología fotovoltaica, la instalación de un gran número de sistemas descentralizados y distribuidos en los mismos puntos de consumo representa una gran ventaja frente a la misma potencia en pocas instalaciones grandes, pues se suprimirían las pérdidas de energía en el transporte. Una de las opciones de instalación es en los edificios (tejado, terraza, fachada, etc.) incorporando un generador fotovoltaico en estas superficies, e incluso los paneles solares se utilizan como material de construcción de manera que se diseñan y optimizan los edificios para aprovechar al máximo el rendimiento solar. Los abanicos de utilización de la energía solar fotovoltaico es tan amplio y son tantas las posibilidades y los beneficios medioambientales, sociales y económicos que es incomprensible la falta de apoyo real por parte del Gobierno a todas estas opciones. Así mismo, la energía producida se mide en kwh siendo 1kWh la energía que produciría 1kWp en condiciones de máxima potencia durante 1 hora. 9 Varios módulos fotovoltaicos, junto con los cables eléctricos que los unen y con los elementos de soporte y fijación propios de esta instalación, constituyen lo que se conoce como un generador fotovoltaico. La electricidad producida por un generador fotovoltaico es en corriente continua 10, y sus características instantáneas (intensidad y tensión) varían con 9 Condiciones estándares de medida. 10 j. AGUILAR peris, j. m. AGUILAR civera, diccionario de energia solar, editorial alhambra, p

13 la irradiancia (intensidad energética) de la radiación solar que ilumina las células, y con la temperatura ambiente. Mediante diferentes equipos electrónicos como inversores (son equipos electrónicos que transforman la corriente continua generada por los módulos fotovoltaicos en alterna), la electricidad generada con fuente solar o energía solar de los módulos fotovoltaicos se puede transformar en corriente alterna, con las mismas características que la electricidad de la red convencional. ( ver imagen 5 ). Imagen5. Sistema fotovoltaico para electrificación de escuelas rurales con inversores CC/CA 11 Por otro lado, la tecnología fotovoltaica tiene el valor añadido de generar puestos de trabajo y emplear recursos autóctonos, disminuyendo la dependencia energética del exterior, y de utilizar una fuente de energía inagotable: el Sol. Una instalación solar fotovoltaica puede situarse casi en cualquier lugar y en instalaciones de diferente tamaño. Se trata de una tecnología renovable de generación de electricidad fácilmente instalable y cuya producción puede distribuirse directamente en los puntos de consumo de nuestros pueblos y ciudades, donde y cuando se consume la mayoría de la electricidad del país. De 11 Imagen cortesía de TEAN Ingeniería Eléctrica, proyecto realizado en el Oriente Ecuatoriano. 13

14 esta forma, cualquier edificación puede convertirse en una pequeña central generadora de electricidad. (ver Imagen 6) Imagen6. Pequeña central fotovoltaica generadora de electricidad 12 La generación descentralizada de energía tiene además otros efectos beneficiosos. El más importante es que acerca al ciudadano al uso racional de la energía, despertando hábitos de consumo más respetuosos con el medio ambiente. El usuario de energía solar se convierte en productor de energía, lo que le ayuda a tomar conciencia energética. Aunque existen diferencias regionales y estacionales significativas, el Ecuador tiene la bondad de estar estratégicamente ubicado en la línea ecuatorial perpendicular al sol y aprovechar la irradiación solar en parámetros considerables. 12 Imagen cortesía de TEAN Ingeniería Eléctrica, proyecto realizado en Santa Cruz - Galapagos. 14

15 1.8 CONCEPTOS DE LA ENERGIA FOTOVOLTAICA EL RECURSO SOLAR. El sol es una fuente inagotable de energía debido a las reacciones nucleares que ocurren en su centro. Una gran parte de esta energía llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética, en la luz solar que podemos percibir está el espectro que abarca desde 0.2 hasta 2.6 µm. 13 A medida que la radiación atraviesa la atmósfera terrestre sufre atenuación por los procesos de absorción, reflexión y refracción. Tales procesos se verifican cuando los rayos de luz chocan con las nubes o con el vapor de agua existente en la atmósfera. La radiación que llega a la superficie terrestre se puede clasificar en directa y difusa LA RADIACIÓN DIRECTA. Es aquella que se recibe en la superficie terrestre sin que esta haya sufrido ninguno de los procesos antes mencionados al pasar por la atmósfera LA RADIACIÓN DIFUSA. Es la que se recibe después de haber cambiado su dirección por los procesos de refracción y reflexión que ocurren en la atmósfera. Un captador de la energía solar "percibe" la radiación como si viniera de la bóveda celeste. En un día nublado, la radiación solar recibida en un captador es sólo difusa, ya que la radiación directa es obstruida por las nubes. 13 HANS Rau, energía solar, aplicaciones prácticas; marcombo boixareu editores Barcelona México, pag18 15

16 La energía de la radiación solar que se recibe en una superficie determinada en un instante dado se le conoce como Irradiancia y se mide en unidades de W/m 2. La irradiancia es un valor distinto para cada instante, es decir se espera que en un día despejado la irrandiancia a las 10:00 A.M. será diferente y menor a la que se obtiene a las 1:00 P.M., esto se debe al movimiento de rotación de la tierra (movimiento sobre su propio eje). Cuando es de noche, se tiene una irradiancia de 0 Watts por metro cuadrado (W/m 2 ), porque simplemente a esa parte de la Tierra el sol no la puede "ver". Otro concepto importante es el de Insolación, éste corresponde a la integración de la irradiancia en un período determinado. En otras palabras es la energía radiante que incide en una superficie de área conocida en un intervalo de tiempo dado. Este término tiene unidades de energía por área, comúnmente Watts-hora por metro cuadrado (W-h/m 2 ). Generalmente se reporta este valor como una acumulación de energía horaria, diaria, estacional o anual. La insolación también se expresa en términos de horas solares pico. Una hora de energía es equivalente a la energía recibida durante una hora, a una irradiancia promedio de 1,000 W/m 2 (Fig. 1). La energía útil que produce el arreglo fotovoltaico es directamente proporcional a la insolación que recibe. Fig. 1. Irradiancia y horas solares pico (insolación) durante un día soleado. 16

17 1.8.4 LA TRAYECTORIA SOLAR. Además de las condiciones atmosféricas hay otro parámetro que afecta radicalmente a la incidencia de la radiación sobre un captador solar, este es el movimiento aparente del sol a lo largo del día y a lo largo del año, ver Fig. 2. Se dice "aparente" porque en realidad la Tierra es la que está girando y no el Sol. La Tierra tiene dos tipos de movimientos: uno alrededor de su propio eje (llamado movimiento rotacional) el cual da lugar al día y la noche y el otro; es alrededor del sol (llamado movimiento de traslación) siguiendo una trayectoria elíptica, el cual da lugar a las estaciones del año. PRIMEROS MESES DEL AÑO MEDIADOS DEL AÑO Mediodía O Mediodía O S N S N E E Fig. 2. Movimiento aparente del sol en la bóveda celeste en función de la hora del día y la época del año. Un arreglo fotovoltaico recibe la máxima insolación cuando se mantiene apuntando directamente al sol. Esto requeriría el ajuste de dos ángulos del arreglo: el azimut para seguir el movimiento diario del sol de este a oeste, y el ángulo de elevación para seguir el movimiento anual de la trayectoria solar en la dirección norte-sur. 17

18 1.8.5 DATOS DE INSOLACIÓN. La insolación es un parámetro clave en el diseño de sistemas solares. Los factores principales que afectan la insolación sobre una superficie captadora son las condiciones climáticas y el ángulo de la superficie captadora con respecto a la posición del sol. En lugares donde los días nublados son relativamente más frecuentes, la insolación promedio es menor. Cuando la latitud del lugar sobrepasa los 15 o, los días de invierno son apreciablemente más cortos que los días de verano. Esto resulta en una mayor insolación promedio en el verano. Debido a que la insolación depende del ángulo del arreglo con respecto a la posición del sol, se usa la insolación horizontal para referirse al potencial solar del lugar. A partir de la insolación horizontal se puede estimar la insolación a un azimut y elevación determinado. Existen tablas y mapas de insolación horizontal para diferentes regiones y épocas del año provenientes de varias fuentes. El ANEXO 1 contiene información de insolación para diferentes regiones del Ecuador EFECTO FOTOVOLTAICO. Cuando algunos metales se ponen bajo iluminación se crea una fuerza electromotriz o una diferencia de voltaje. Si se le conecta una carga, se produce una corriente. Esta corriente producida es proporcional al flujo luminoso que reciben. Este fenómeno se conoce como efecto fotovoltaico. En un captador solar el efecto fotovoltaico se presenta como una diferencia de voltaje en sus terminales cuando está bajo iluminación. Si a las terminales del captador se le conecta un aparato eléctrico, por ejemplo, una lámpara, entonces la lámpara se debe encender debido a la corriente eléctrica que pasa a través de él. A la unidad mínima en donde se lleva a cabo el efecto fotovoltaico se le llama celda solar. En la Fig. 3 se muestra este efecto. 18

19 Fig. 3. Representación física del efecto fotovoltaico en una celda solar MATERIALES DE FABRICACIÓN. El efecto fotovoltaico se puede llevar a cabo en materiales sólidos, líquidos o gaseosos; pero es en sólidos y especialmente en los materiales semiconductores, en donde se han encontrado eficiencias aceptables de conversión de energía luminosa a eléctrica. Existen diferentes materiales semiconductores con los cuales se pueden elaborar celdas solares, pero el que se utiliza comúnmente es el silicio en sus diferentes formas de fabricación SILICIO MONOCRISTALINO. Las celdas están hechas de un solo cristal de silicio de muy alta pureza. La eficiencia de estos módulos ha llegado hasta el 17%. Los módulos con estas celdas son los más maduros del mercado, proporcionando con esto confiabilidad en el dispositivo de tal manera que algunos fabricantes los garantizan hasta por 25 años. 19

20 SILICIO POLICRISTALINO. Su nombre indica que estas celdas están formadas por varios cristales de silicio. Esta tecnología fue desarrollada buscando disminuir los costos de fabricación. Dichas celdas presentan eficiencias de conversión un poco inferiores a las monocristalinas pero se ha encontrado que pueden obtenerse hasta un orden de 15%. La garantía del producto puede ser hasta por 20 años dependiendo del fabricante SILICIO AMORFO. La palabra amorfo significa carencia de estructura. La estructura cristalina de estas celdas no tiene un patrón ordenado característico del silicio cristalino. La tecnología de estos módulos ha estado cambiando aceleradamente en los últimos años. En la actualidad su eficiencia ha subido hasta establecerse en el rango de 5 a 10% y promete incrementarse. La garantía del producto puede ser hasta por 10 años dependiendo del fabricante. 1.9 CONCEPTOS DE ELECTRICIDAD. La materia está constituida por átomos, los cuales a su vez están formados por dos partes bien diferenciadas: el núcleo, dotado de una carga eléctrica positiva y los electrones, con carga eléctrica negativa que compensa la del núcleo, formando de esta manera un conjunto completamente estable, es decir eléctricamente neutro. Los electrones más externos se conocen como electrones de valencia. Los semiconductores son utilizados en la fabricación de las celdas solares porque la energía que liga a los electrones de valencia al núcleo es similar a la energía que poseen los fotones que constituyen a la luz solar. Por lo tanto, cuando la luz solar incide sobre el semiconductor (generalmente silicio), sus fotones suministran la cantidad de energía necesaria a los electrones de valencia para que se rompan los enlaces y queden libres para circular por el 20

21 material. Por cada electrón que se libera, aparece un hueco. Dichos huecos se comportan como partículas con carga positiva (+). Estos portadores fotogenerados son forzados a separarse por medio de un campo eléctrico interno, construido para ese fin, que obliga a los electrones a acumularse en una superficie del dispositivo, y a los huecos, en la otra superficie. La acumulación de cargas en las superficies del dispositivo da como resultado un voltaje eléctrico medible externamente. La unidad de medición es el volt. Este voltaje es fotogenerado mediante el efecto fotovoltaico. Si se establece un circuito eléctrico externo entre las dos superficies, los electrones acumulados fluirán a través de él regresando a su posición inicial. Este flujo de electrones forma lo que se llama una corriente fotogenerada o fotovoltaica. Corriente, voltaje, potencia eléctrica y energía eléctrica son algunos de los conceptos eléctricos fundamentales que se deben de tener en mente cuando se trata con sistemas fotovoltaicos. La corriente eléctrica que circula en el material se define como el número de electrones que fluyen a través de él en un segundo. La corriente I se mide en amperes. El voltaje eléctrico V, es el esfuerzo que debe realizar una fuerza externa sobre los electrones dentro del material, para producir la corriente y se mide en volts. La potencia eléctrica, es aquella que se genera o se consume en un instante dado, se especifica por el voltaje que obliga a los electrones a producir la corriente eléctrica continua y se expresa como: P = V I Siendo su unidad de potencia el Watt (1 Watt = 1 volt x 1 amper). Y en cuanto a la energía eléctrica, E, es la potencia generada o consumida en un periodo de tiempo t y se define como: E = P t Si el tiempo de consumo esta dado en horas, entonces las unidades para la energía producida serán: Watt-hora. Otra unidad utilizada es el Joule. 1 Joule = 1 Watt por segundo, 1 kw-h = x10 6 J

22 CONTACTOS METÁLICOS SUPERFICIALES. 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 construido) 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). 14 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 antireflejante para disminuir las pérdidas por reflexión. 14 V.C. PLESKOV y Yu. Ya. Gurevich, Semiconductor Photoelectrochemistry, Consultants Bureau, New York,

23 Fig. 4. Generación eléctrica en una celda fotovoltaica MÓDULO FOTOVOLTAICO. Una celda solar expuesta a la luz genera electricidad; es decir, en las terminales eléctricas externas del dispositivo aparece un voltaje que puede ser medido con un voltímetro CORRIENTE A CORTO CIRCUITO ICC (ISC). En sus signos de ingles: Es la máxima corriente generada por el módulo solar y se mide cuando se conecta un circuito exterior a la celda con resistencia nula. La unidad de medición es el amperio. Su valor depende del área superficial y de la radiación luminosa. 23

24 VOLTAJE A CIRCUITO ABIERTO VCA (VOC). Es el voltaje máximo que genera un módulo solar. Su unidad de medición es el volt. Este voltaje se mide cuando no existe un circuito externo conectado a la celda. Las celdas se agrupan en lo que se denomina el módulo solar o fotovoltaico. Este conjunto de celdas deben estar convenientemente conectadas, de tal forma que reúnan las condiciones óptimas para su integración en sistemas de generación de energía, siendo compatibles con las necesidades y los equipos estándares existentes en el mercado. Las celdas se pueden conectar en serie o en paralelo. Comercialmente, las celdas solares se conectan en serie, se agrupan, se enlaminan y se empaquetan entre hojas de plástico y vidrio, formando la unidad del módulo solar. El módulo tiene un marco (usualmente de aluminio) que le da rigidez y facilidad en el manejo y transportación. Además, en éste se encuentran las cajas de conexiones eléctricas para conectar el cableado exterior. El número de celdas que contienen los módulos depende de la aplicación para la que se necesita. Es costumbre configurar el número de celdas conectadas en serie para tener módulos que sirvan para cargar acumuladores (o baterías) de 12 volts. Se pueden encontrar generalmente módulos de 36 celdas conectadas en serie. Estos módulos proporcionan un voltaje de salida que sirve para cargar baterías a 12 volts, incluyendo las pérdidas de voltaje en los circuitos eléctricos así como en los sistemas de control y manejo de energía. El comportamiento eléctrico de los módulos está dado por las curvas de corriente contra voltaje (curva I, V) o potencia contra voltaje (curva P, V) que los caracteriza. La curva de potencia se genera multiplicando la corriente y el voltaje en cada punto de la curva IV. La Fig. 6 muestran curvas I, V y P, V para un módulo fotovoltaico típico. Bajo condiciones estándares de prueba (irradiancia de 1kW/m 2 y temperatura de celda de 24

25 25 C), cada modelo de módulo tiene una curva IV (o PV) característica. En la curva de potencia contra voltaje, la potencia máxima (Pp) es la capacidad nominal o tamaño del módulo. La corriente y el voltaje en el numeral de máxima potencia (Ip y Vp) corresponden a la corriente nominal y voltaje nominal del módulo, respectivamente. Otros parámetros de importancia son la corriente de corto circuito (Icc) y el voltaje de circuito abierto (Vca). Es importante notar que cuando el módulo opera lejos del numeral de máxima potencia, la potencia entregada se reduce significativamente. La potencia máxima o tamaño de los módulos comerciales varía entre 25 y 300 Watts. El voltaje nominal de la mayoría de los módulos fluctúa entre los 16 y 17.5 voltios. Cada módulo tiene en su parte posterior una placa del fabricante con el modelo y las especificaciones eléctricas. Por ejemplo, la placa en la parte posterior del módulo de la Fig. 5 se muestra en la Tabla1. 4 Iso=3.6A Pmp=53W 50 3 Imp=3.08A CURVA IV 40 CORRIENTE (A) 2 1 CURVA PV POTENCIA (W) Vmp=17.2V VOLTAJE (V) Fig. 5. Curva IV y PV para un módulo fotovoltaico típico a 1,000 W/m2 y 25 C 25

26 Modelo Pp Vp Ip Vca Icc Xxxxx 53 W 16.2 V 3.08 A 20.5 V 3.6 A Condiciones 1000 W/m2 25 C Tabla 1. Placa característica del fabricante de un módulo fotovoltaico El funcionamiento del módulo fotovoltaico se ve afectado por la intensidad de la radiación y de la temperatura. La Fig. 6 muestra el comportamiento de la corriente producida en función del voltaje para diferentes intensidades de la radiación solar. Se presenta un aumento proporcional de la corriente producida con el aumento de la intensidad. También se debe observar que el voltaje a circuito abierto Vca, no cambió, lo cual demuestra su estabilidad frente a los cambios de iluminación. En la Fig. 7 se muestra el efecto que produce la temperatura sobre la producción de corriente en el módulo. Esta vez, el efecto se manifiesta en el voltaje del módulo. La potencia nominal se reduce aproximadamente 0.5% por cada grado centígrado por encima de 25 C W/m W/m CORRIENTE (A) W/m 200 W/m VOLTAJE (V) Fig. 6. Dependencia de la corriente producida en función del voltaje para diferentes intensidades de radiación (temperatura constante de 25 C). 26

27 4 3 CORRIENTE (A) ºC 55 ºC 25 ºC 15 ºC VOLTAJE (V) Fig. 7. Dependencia de la corriente producida en función del voltaje para diferentes temperaturas de operación (irradiancia constante 1,000W/m²) El módulo FV es el componente más confiable del sistema. Es la calidad de la instalación, especialmente de las interconexiones entre los módulos, la que determina la confiabilidad del arreglo FV en su conjunto. Finalmente, la potencia nominal del arreglo es la suma de la potencia nominal de cada módulo ARREGLOS FOTOVOLTAICOS. Un arreglo FV es un conjunto de módulos conectados eléctricamente en serie o paralelo. Las características eléctricas del arreglo son análogas a la de módulos individuales, con la potencia, corriente y voltaje modificados de acuerdo al número de módulos conectados en serie y en paralelo INCREMENTANDO EL VOLTAJE. Los módulos solares se conectan en serie para obtener voltajes de salida más grandes. El voltaje de salida, Vs, de módulos conectados en serie esta dado por la suma de los voltajes generados por cada módulo. 27

28 V... T = V1 + V2 + V3 + V n Una forma fácil de entender el concepto de sistemas conectados en serie, es mediante la analogía presentada en la Fig. 8a entre un sistema hidráulico y un eléctrico. Como se puede observar en el sistema hidráulico el agua que cae desde dos veces la altura de 6 metros produce una caída de agua con dos veces la presión a la misma tasa de flujo, 2 L/s. La cual se puede comparar con los 12 voltios que el sistema eléctrico Fig. 8b alcanza al pasar una corriente de 2 amperios por dos módulos conectados en serie. La corriente se compara con el flujo ya que ambas permanecen constantes en el circuito, y el voltaje es análogo al papel de la presión en el sistema hidráulico. Fig. 8a. Analogía de una conexión en serie sistema hidráulico Fig. 8a. Analogía de una conexión en serie sistema eléctrico. Incrementando la corriente: Los módulos solares o paneles se conectan en paralelo para obtener corrientes generadas más grandes. El voltaje del conjunto es el mismo que el de un módulo (o un panel); pero la corriente de salida, Is, es la suma de cada unidad conectada en paralelo. I... T = I1 + I 2 + I3 + I n 28

29 De manera similar al sistema conectado en serie, los sistemas conectados en paralelo también pueden ser comparados en un sistema hidráulico. En el sistema hidráulico Fig. 9a el agua que cae de la misma altura, da la misma presión que cada bomba individual, pero el flujo es igual al total de los flujos de toda la bomba. Entonces en el sistema eléctrico Fig. 9b, el voltaje permanece constante y la corriente de salida de los dos módulos es sumada, produciendo 4 amperes de corriente a 6 voltios. Fig. 9a. Analogía de una conexión en paralelo sistema hidráulico. Fig. 9b. Analogía de una conexión en paralelo sistema eléctrico. Para evitar el flujo de corriente en la dirección opuesta se utilizan diodos de bloqueo. Y los diodos de paso, proporcionan un camino de alivio para evitar que circule corriente por un panel o un módulo sombreado (sombra de nubes o de objetos). Un módulo sombreado no genera energía, por lo cual, los demás módulos lo verán como un punto de resistencia. En consecuencia, fluirá corriente hacia él convirtiéndose en un punto caliente del arreglo. Aumentará su temperatura y se degradará aceleradamente. En la Fig. 10 se muestra un ejemplo de módulos conectados en serie y en paralelo. En ella también se muestra la posición de los diodos de paso y el diodo de bloqueo. 29

30 DIODOS DE PASO - V1 + - V2 + - V3 + - V4 + I=I1 - V1 + - V2 + - V3 + - V4 + I=I1+I2 - V1 + CONEXION SERIE - V2 + - V=VI+V2+V3+V4 V3 + - V4 + I=I1+I2+I3 DIODOS DE BLOQUEO CONEXION PARALELO Fig. 10. La conexión de módulos fotovoltaicos INCLINACIÓN DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO. La máxima energía se obtiene cuando los rayos solares llegan perpendiculares a la superficie del captador. En el caso de arreglos fotovoltaicos la perpendicularidad entre las superficies de los módulos y los rayos solares solo se puede conseguir si las estructuras de montaje del arreglo se mueven siguiendo al Sol. Existen estructuras de soporte del arreglo que ajustan automáticamente el azimut y/o la elevación. Estas estructuras de montaje se llaman seguidores. Generalmente el ángulo de elevación del arreglo es fijo. En algunos casos se usan seguidores azimutales. Dependiendo de la latitud del lugar, los seguidores azimutales pueden incrementar la insolación promedio anual en un 15-25%. 15 En el caso de que no se tenga un seguidor solar, el arreglo se monta en una estructura fija como se muestra en la Fig. 11. Este montaje tiene la ventaja de ser muy sencillo. Debido a que el ángulo de elevación del Sol cambia durante el año, se debe tener un criterio de selección del ángulo óptimo del arreglo 15 R.G. Barry y R.J. Chorley, Atmósfera, tiempo y clima, Omega. Barcelona 1978 p

31 que garantice la máxima producción de energía eléctrica. En el hemisferio Norte el Sol se declina hacia el Sur, por lo cual se requiere que los arreglos fijos se coloquen inclinados (respecto de la horizontal) viendo hacia el Sur. Fig. 11. Orientación de una estructura fija para maximizar la captación de radiación solar a lo largo del año REGLA DE MANO. La inclinación del arreglo se selecciona para satisfacer la demanda de energía durante todo el año. Si se desea acumular la máxima cantidad de energía al año, la inclinación del arreglo deberá de ser igual al valor de la latitud del lugar. Se ha visto que la energía que entrega un módulo o arreglo fotovoltaico depende de la irradiancia y la temperatura. Es posible estimar la energía eléctrica (en kwh/día) que se espera de un arreglo de cierta potencia nominal utilizando las siguientes aproximaciones: Los módulos fotovoltaicos instalados en una estructura anclada al suelo trabajan aproximadamente 55 C durante el día, 30 C por encima de las condiciones estándares de prueba (25 C). Esto significa que la capacidad real 31

32 del arreglo es aproximadamente 15% menor que su potencia nominal. Es decir, su capacidad real es 85% de la capacidad nominal. La energía eléctrica (kwh) esperada es el producto de la capacidad real del arreglo (en kw) por la insolación (en horas solares pico) al ángulo de elevación del arreglo. La energía solar fotovoltaica generada varía con la época del año, de acuerdo a los cambios en los niveles de insolación. Si se usa un seguidor azimutal, la energía disponible se aumenta entre un 15 y 25%. 32