1. Introducción. Sistemas fotovoltaicos

Transcripción

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2 1. Introducción. Sistemas fotovoltaicos La energía solar fotovoltaica es una energía renovable, en la que a partir de la irradiación solar se obtiene energía eléctrica. Para conseguirlo, se requiere un material que absorba la luz del Sol y sea capaz de transformar la energía radiante absorbida en energía eléctrica, esto es lo que son capaces de hacer las células fotovoltaicas. Planta fotovoltaica Paneles fotovoltaicos instalados para autoconsumo 2

3 Existen tres tipos diferentes de sistemas fotovoltaicos, en función del uso que se vaya a dar a la energía eléctrica generada: 1. Conectados a red: Los sistemas conectados a red producen energía a gran escala y la derivan a las redes de distribución. Estos sistemas a su vez pueden dividirse en función de la implantación de los mismos: ubicados en la arquitectura de edificios (cubiertas, ventanas o fachadas) o bien ubicados sobre suelo (suelen superar los 100 kw de potencia). Los cuales también se dividen en: Sistemas estáticos, normalmente empleados en terrenos pequeños Sistemas de seguimiento, donde se va buscando la máxima eficiencia de la irradiación solar haciendo girar los paneles FV. 2. Autónomos: Los sistemas fotovoltaicos autónomos sirven para abastecer necesidades de potencia de uso profesional, de pequeño consumo (100 W o 200 W), o de electrificación rural. Otra diferencia a este respecto es que en estos sistemas hay que instalar un acumulador de energía 3. De bombeo: En este caso la energía eléctrica producida se emplea para accionar una motobomba que eleva y transporta agua desde un acuífero hasta un depósito o una red de distribución. 3

4 4 PLANTAS FOTOVOLTAICAS

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6 2. Ventajas de los sistemas fotovoltaicos El consumo de energía, incluyendo el transporte, es en la actualidad la principal fuente de emisiones de gases de efecto invernadero y de contaminantes acidificantes. Según la Agencia Europea de Medio Ambiente (AEMA), la emisión de estos últimos contaminantes se ha reducido de un modo significativo gracias a la adopción de combustibles más limpios y al tratamiento de los gases de combustión. Pero mientras no disminuya el protagonismo de los combustibles fósiles en la cesta energética, los gases de efecto invernadero que provocan el cambio climático parecen estar abocados a aumentar. Una mayor eficiencia energética y un incremento del uso de las energías renovables son vistos como parte de la solución. Por ello es importante destacar que las plantas FV son un ejemplo de aseguramiento de nuestra subsistencia energética, al trabajar con el Sol como fuente de energía y minimizando así el efecto de los gases invernadero, y por tanto la destrucción de la capa de Ozono. La energía solar FV no produce ningún tipo de emisiones nocivas durante su funcionamiento, aunque la fabricación de los paneles fotovoltaicos presenta un cierto impacto medioambiental. Aún así, las emisiones de gases efecto invernadero desde su fabricación y montaje son menores (46 g/kwh) que en una planta de gas ciclo combinado (500 g/kwh), una planta de gasoil (893 g/kwh), una planta de carbón (950 g/kwh) o una planta geotérmica (100 g/kwh). Se prevé que en un futuro próximo las emisiones de la energía fotovoltaica se vea reducido a 15 g/ kwh. 5

7 Para contribuir a esta disminución de gases contaminantes las empresas están trabajando intensamente sobre el reciclaje de algunos de los elementos que forman parte de las plantas FVs, como pueden ser los módulos fotovoltaicos, los semicondutores y el vidrio. El proceso de reciclaje de los módulos fotovoltaicos permite la reutilización para la fabricación de nuevos módulos, así como mejoras en el coste de fabricación, ya que el silicio representa el 70% del coste de la célula solar. Según los estudios, se tardan entre 6 meses y 1.4 años en recuperar la energía empleada para fabricar e instalar las plantas FVs. Una vez instaladas éstas, producirán energía limpia durante más del 95% de su vida útil. Otra de las ventajas del uso de las plantas FVs es su reducido coste de mantenimiento, teniendo en cuenta que la vida útil de los equipos es de unos 30 años. Gracias a los avances tecnológicos, la sofisticación y la economía de escala, el coste de la energía solar fotovoltaica se ha reducido de forma constante desde que se fabricaron las primeras células solares comerciales, aumentando a su vez la eficiencia, y logrando que su coste medio de generación eléctrica sea ya competitivo con las fuentes de energía convencionales en un creciente número de regiones geográficas, alcanzando la paridad de red (momento en el que una fuente de generación de energía puede producir electricidad a un coste inferior o igual al precio generalista de compra de la electricidad directamente de la red). 6

8 3. Plantas fotovoltaicas Las plantas Fv están formadas por los siguientes equipos: 1. Paneles fotovoltaicos: son los encargados de captar la irradiación solar. 2. Inversores: transforman la energía eléctrica generada de CC (corriente continua) a AC (corriente alterna). 3. Seguidores solares: buscan el máximo aprovechamiento del recurso solar durante todo el día. 4. Cableado: trasladan la energía generada a posteriores redes de distribución y transporte. Esquema general de una planta fotovoltaica 7

9 4. El Inversor en las Plantas fotovoltaicas En las plantas fotovoltaicas (FV) es necesario disponer de un inversor que transforme la energía eléctrica generada en el panel FV de corriente continua (CC) a la corriente alterna (AC), y de esta manera poder ser inyectados en la red eléctrica o usados en instalaciones eléctricas aisladas. El inversor realiza la conversión de continua a alterna cumpliendo con determinados requisitos de tensión eficaz, frecuencia, distorsión armónica de las ondas de tensión y corriente, eficiencia y rendimiento, seguridad eléctrica, etc. A grandes rasgos, los inversores pueden agruparse en tres categorías: 1. Inversores simples: usados en sistemas fotovoltaicos aislados en donde los inversores toman la corriente directa de baterías cargadas por los paneles solares y/o de otras fuentes, como turbinas, generadores de energía, etc. 2. Inversores de Red: Los inversores de red están diseñados para apagarse automáticamente cuando el suministro de la red disminuye, esto por razones de seguridad. 8

10 3. Inversores con batería de apoyo: Estos son inversores especiales que están diseñador para tomar la energía de las baterías, administrar la carga de las baterías y exportar Existen tres opciones en el mercado de inversores de conexión a red: A) Inversores con transformador de salida en baja frecuencia: la salida del inversor se conecta a la red a través de un transformador. B) Inversores sin transformador: este transformador no existe y la conexión se realiza directamente con la red. C) Inversores con transformador de alta frecuencia: realiza tres pasos de conversión: un primer inversor prepara la señal para su paso por un transformador de alta frecuencia; éste, a su vez entrega la señal a un rectificador; esta señal rectificada requiere una nueva inversión (esta vez sólo cada medio ciclo) para convertirse en sinusoide. 9

11 La principal ventaja de este diseño radica en la disminución de tamaño que se logra con un transformador de alta frecuencia. Sin embargo, la composición del equipo y el control son más complejos, y las conversiones adicionales que introduce pueden influir negativamente en el rendimiento. Debe tenerse en cuenta que a la salida del rectificador existe componente de continúa que no es bloqueada por el transformador y, en caso de fallo del correspondiente control del inversor, puede ser inyectada indebidamente en la red. La normativa vigente en España obliga al uso de un transformador de aislamiento o elemento equivalente para cumplir tres objetivos: 1. Aislar la instalación generadora para evitar la transferencia de defectos entre la red y la instalación. 2. Proporcionar seguridad personal. 3. Evitar la inyección de corriente continua en la red. Por otra parte, la salida de un inversor puede ser monofásica o trifásica. En general, un inversor monofásico no supera la potencia de 5kW, y son poco comunes los inversores trifásicos de potencia inferior a 10 kw. El proceso de trabajo de un inversor sería el siguiente: 1. Se genera la energía a bajas tensiones ( V) y en corriente continua. 2. Se transforma con un inversor en corriente alterna. 3. En plantas de potencia inferior a 100 kw se inyecta la energía directamente a la red de distribución en baja tensión (400 V en trifásico o 230 V en monofásico). 4. Y para potencias superiores a los 100 kw se utiliza un transformador para elevar la energía a media tensión (15 ó 25 kv) y se inyecta en las redes de transporte para su posterior suministro. 10

12 Un inversor suele estar compuesto por los siguientes bloques: Filtro de entrada: atenúa el rizado que produce la conmutación en la corriente de entrada. Convertidor CC/CC: adecúa (eleva o reduce) la tensión de salida del generador a la tensión necesaria para el puente de conmutación. Puede realizar las funciones de búsqueda del punto de máxima potencia. Puente inversor: realiza el troceado de la señal continua para convertirla en alterna. Filtro de salida: elimina o atenúa los armónicos no deseados. Transformador: adecua el valor de tensión de salida del puente al de la red y proporciona aislamiento galvánico entre la parte CC y AC. Control: realiza la supervisión de la entrada y salida del convertidor CC/CC y del puente inversor y entrega las consignas correspondientes para localizar y seguir el MPP del generador, y para obtener una señal sinusoidal con bajo contenido en armónicos en la salida del inversor. Los inversores más avanzados y eficientes aportan las siguientes características: 1. Tratan de simular una onda senoidal en la entrada del transformador, en vez de depender de éste para suavizar la onda. Es posible producir una llamada "onda senoidal modificada", la cual se genera a partir de tres puntos: uno positivo, uno negativo y uno de tierra. 2. Utilizan la modulación por ancho de pulsos con una frecuencia portadora mucho más alta para aproximarse más a la onda seno o modulaciones por vectores de espacio mejorando la distorsión armónica de salida. También se puede predistorsionar la onda para mejorar el factor de potencia. 11

13 3. Los inversores de alta potencia, en lugar de transistores utilizan un dispositivo de conmutación llamado IGBT (Insulated Gate Bipolar transistor ó Transistor Bipolar de Puerta Aislada). Agradecimientos: Renovetec agradece la participación de Sara Flores del Prado en la elaboración de este texto. 12

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