UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA

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1 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA APLICACIÓN DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS MONOGRAFIA Que para obtener el título de: INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA PRESENTA: JOSÉ ANTONIO MORALES SÁNCHEZ DIRECTOR: DR. RENÉ CROCHE BELÍN XALAPA, VER. SEPTIEMBRE 2012

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3 AGRADECIMIENTOS Siendo esta la pagina más difícil de escribir de toda la monografía, al pensar en todos estos años transcurridos uno siente alegría por haber llegado hasta este instante. Quiero agradecer a mis padres Pedro e Irma, porque creyeron en mi y porque me sacaron adelante, dándome ejemplos dignos de superación y entrega, porque en gran parte gracias a ustedes, hoy puedo ver alcanzada mi meta, ya que siempre estuvieron impulsándome en los momentos más difíciles de mi carrera, y porque el orgullo que sienten por mi, fue lo que me hizo ir hasta el final. Por ustedes, por lo que valen, porque admiro su fortaleza y por lo que han hecho de mí. A mis hermanos Laura, Jenny, Pedro, Lourdes, Marcelo, Omar y Jonathan, gracias por haber fomentado en mí el deseo de superación y el anhelo de triunfo en la vida, por que siempre he contado con ustedes para todo, gracias a la confianza que nos tenemos, su ayuda, apoyo y amistad, son los mejores. Gracias a dios por dejarme llegar a este momento, por los triunfos y los momentos difíciles que me han enseñado a valorarte cada día más. A mis amigos que me apoyaban para estudiar en las materias que se me dificultaban; Carlos y Edgar. Nada bastarían para agradecerles su apoyo, su comprensión y sus consejos en los momentos difíciles. A todos, espero no defraudarlos y contar siempre con su valioso apoyo, sincero e incondicional.

4 RESUMEN La presente monografía trata de la importancia de las aplicaciones de la energía fotovoltaica en la creación de nuevas alternativas de vida. Se analiza la problemática asociada a instalaciones fotovoltaicas desde su diseño hasta que están en funcionamiento. Así pues, se realiza una pequeña descripción de los dispositivos involucrados en los sistemas fotovoltaicos: baterías, inversores, paneles solares, reguladores de carga, etc. En el caso de las aplicaciones, se desarrolla una gran descripción de cada una de ellas, pero en general se distinguen entre aplicaciones aisladas de la red de distribución eléctrica (electrificación rural, aplicaciones agrarias, telecomunicaciones, etc.) y aplicaciones conectadas a la red (centrales de producción de electricidad, instalaciones en edificios, etc.). Otro tema que se trata es que para poder aumentar la generación de electricidad en el futuro con estos sistemas tiene que superar algunos de los importantes inconvenientes que presenta, tales como: los elevados costos de fabricación, que no es gestionable y los elevados requerimientos de superficie. En cualquier caso, esta tecnología puede constituir una excelente solución para aplicaciones en lugares aislados o de difícil acceso. Finalmente una pequeña descripción sobre el mercado fotovoltaico donde se analiza la importancia que ha tomado este tipo de energía alternativa en los países más desarrollados.

5 TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN... 1 CAPITULO 1: GENERALIDADES JUSTIFICACION PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA OBJETIVO GENERAL COMO ALCANZAR EL OBJETIVO?... 7 CAPITULO 2: EL FENOMENO FOTOVOLTAICO CARACTERÍSTICAS DE LA TECNOLOGÍA CAPITULO 3: ESTADO DEL ARTE DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO CELDAS DE SILICIO CELDAS DE PELÍCULA DELGADA CAPITULO 4: EL SISTEMA FOTOVOLTAICO FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO FACTORES QUE AFECTAN EL RENDIMIENTO DE UN PANEL FOTOVOLTAICO Energía de la luz incidente Reflexión Efecto de la sombra Efecto de la orientación e inclinación Efecto de la temperatura CAPITULO 5: COMPONENTES DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO ARREGLO FOTOVOLTAICO Principios de operación SOPORTE SISTEMA DE ALMACENAMIENTO Factores que inciden en el desempeño de las baterías Tipos de baterías Componentes de las baterías plomo- acido Principios de operación: CONTROLADOR DE CARGA INVERSOR CAPITULO 6: TIPOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS SISTEMAS CONECTADOS A LA RED SISTEMAS AISLADOS Sistemas autónomos: Sistemas respaldados... 61

6 6.2.3 Sistemas híbridos CAPITULO 7: MERCADO FOTOVOLTAICO TENDENCIAS TECNOLÓGICAS Uso de moléculas orgánicas Experiencias previas Eficiencia y transparencia Aplicaciones futuras Tecnología verde APLICACIONES CONCLUSIONES ANEXOS REFERNCIAS BIBLIOGRAFICAS... 81

7 TABLA DE ILUSTRACIONES Ilustración 1 Potencia pico instalada en los últimos años. (Tomado de Vega, J.C. Convertidor integrado para sistemas fotovoltaicos. Morelos. 2009)... 5 Ilustración 2 Fuentes de energías. (Tomado de Vega, J.C. Convertidor integrado para sistemas fotovoltaicos. Morelos. 2009)... 5 Ilustración 3 Incidencia de los rayos. (Tomada de Sarmiento, P Energía solar aplicaciones e ingeniería) Ilustración 4 Celdas de película delgada. (Tomada de Sarmiento, P Energía solar aplicaciones e ingeniería) Ilustración 5 Diagrama esquemático del proceso de conversión de un sistema fotovoltaico típico Ilustración 6 Esquema representativo de un sistema fotovoltaico típico (Tomado de Paco, K. Tacna, Perú. 6 de julio del Tomada de: 25 Ilustración 7 Diagrama eléctrico de un sistema fotovoltaico típico. (Tomada de Agredano, J. Aplicaciones de sistemas fotovoltaicos. 1996) Ilustración 8 Esquema y operación de una celda fotovoltaica (Tomada de Agredano, J. Aplicaciones de sistemas fotovoltaicos. 1996) Ilustración 9 Posibles conexiones serie-paralelo de las celdas fotovoltaicas (Tomada de Agredano, J. Aplicaciones de sistemas fotovoltaicos. 1996) Ilustración 10 Variación de la producción. (Tomada de Agredano, J. Aplicaciones de sistemas fotovoltaicos. 1996) Ilustración 11 Variación estacional de la producción del arreglo fotovoltaico (Tomada de Agredano, J. Aplicaciones de sistemas fotovoltaicos. 1996) Ilustración 12 Composición de una celda de batería. típico (Tomado de Paco, K. Tacna, Perú. 6 de julio del Tomada de: 39 Ilustración 13 Onda cuadrada (Tomada de Agredano, J. Aplicaciones de sistemas fotovoltaicos. 1996) Ilustración 14 Onda cuadrada o senoidal modificada (Tomada de Agredano, J. Aplicaciones de sistemas fotovoltaicos. 1996) Ilustración 15 Onda de pulso de amplitud modulada (Tomada de Agredano, J. Aplicaciones de sistemas fotovoltaicos. 1996) Ilustración 16 Onda senoidal (Tomada de Agredano, J. Aplicaciones de sistemas fotovoltaicos. 1996) Ilustración 17 Sistemas híbridos 6 Esquema representativo de un sistema fotovoltaico típico. (Tomado de Paco, K. Tacna, Perú. 6 de julio del Tomada de: 63

8 Ilustración 18 Esquema de la estructura de un sistema solar fotovoltaico híbrido. (Tomado de Paco, K. Tacna, Perú. 6 de julio del Tomada de: 65 Ilustración 19 Avances en el mundo. (Tomada de Palazzesi A Los países que más energía solar usan: 67 Ilustración 20 Parámetros para una instalación... 80

9 INTRODUCCIÓN Actualmente es indispensable el uso de energía eléctrica ya que sin duda es la más utilizada en el mundo entero siendo el pilar del desarrollo industrial de todos los países, lo cual es esencial para del desarrollo social y tecnológico. Hasta hace pocos años la energía solo se obtenía de minerales fósiles extraídos de la tierra, la cantidad de estos minerales es finita de modo que si no se modera su uso en pocos años se habrán agotado dejando así sin recursos naturales a las siguientes generaciones, un ejemplo; el agotamiento de las reservas mundiales de petróleo, el cual es utilizado como fuente de energía directa, o bien para que a través de él se generen otras energías, este fenómeno irreversible ha sido denominado como Crisis Energética (Bartlett, 1978). El consumo de estas fuentes produce una contaminación atmosférica que da lugar a gases de efecto invernadero y un aumento de la contaminación. (García Pérez, 2008). A parte de la contaminación que se genera, también existe la dificultad para la instalación de la red de energía eléctrica en zonas rurales aisladas ya que representa dificultad de acceso y elevados costos. En la actualidad están en desarrollo y aplicación fuentes de energías alternativas con menores efectos contaminantes, posibilidad de renovación y mayor simplicidad de instalación, las cuales puedan reemplazar en algunos casos la energía eléctrica convencional. El uso de la energía alternativa y renovable ha estado creciendo a nivel mundial en los últimos años a razón de un 25% anual. Este crecimiento se ha visto impulsado debido a un mayor interés en tecnologías verdes, el incremento en los precios del petróleo, un mayor interés en la seguridad energética, entre otros. (Billinton y Roy, 2006). Debido al avance rápido de la tecnología en las áreas de la electrónica de potencia y los semiconductores, los sistemas fotovoltaicos se han estudiado con mucha atención y se han convertido en una opción para generar electricidad como fuente de energía limpia derivada del sol. 1

10 CAPITULO 1: GENERALIDADES El fenómeno fotovoltaico fue descubierto en 1839 y las primeras celdas solares de selenio fueron desarrolladas en Sin embargo, no fue sino hasta 1950 que se desarrollaron las celdas de silicio mono cristalino que actualmente dominan la industria fotovoltaica. Las primeras celdas de este tipo tenían una eficiencia de conversión de solo 1%; ya para 1954 se había logrado incrementar la eficiencia al 6% en condiciones normales de operación, mientras en el laboratorio se lograron eficiencias cercanas al 15%. Las primeras aplicaciones prácticas se hicieron en satélites artificiales. En 1958 fueron utilizadas para energizar el transmisor de respaldo del Vaguard l, con una potencia de cinco mili Watts. Desde entonces las celdas fotovoltaicas han proporcionado energía a prácticamente todos los satélites artificiales, incluye el Skylab que cuenta con un sistema de generación de más de 20 watt. Aun cuando fueron desarrolladas en el contexto de los programas espaciales, ya para finales de la década de los setenta las celdas fotovoltaicas comenzaban a ser utilizadas en aplicaciones terrestres como energización de pequeñas instalaciones (varios Watts de potencia) en sistemas de telecomunicación, televisión rural, y otras. En la actualidad las instalaciones con capacidades de uno a diez watt están siendo lugar común alrededor del mundo para aplicaciones agroindustriales como el bombeo de agua, refrigeración, preservación de productos perecederos, o desalación de agua. En 1982 se construyó la primera planta fotovoltaica de potencia, con una potencia de 1Mega watt, en el estado de California en los Estados Unidos. Esta planta genera suficiente electricidad para satisfacer las necesidades de 300 a 400 casas-habitación en su zona de servicio. Tiempo después en el mismo estado, se instaló otra planta fotovoltaica de potencia con una capacidad de 6.5 Mega watts, que produce cerca de 14 millones de watts hora al año, energía eléctrica suficiente para abastecer las necesidades de más de 2,300 casas típicas en el área. Para 1975 las ventas totales de una de las compañías más grandes del ramo ascendían a 78 kilo watts, con un precio promedio de US$ 45 por watts; en 1983 las ventas de esa misma compañía fueron ya de 15,500 Kilo watts, con un precio promedio de US$9 por watts. Actualmente el mercado fotovoltaico ha sobrepasado los 50 Mega watts anuales, y para plantas fotovoltaicas de 2

11 potencia (compras al mayoreo) se cotizan precios menores de US$1 por watts. La disminución en los costos de las celdas fotovoltaicas ha sido dramática en los últimos años lo cual, aunado a las políticas de incentivos fiscales establecidas en los Estados Unidos, y en particular en el estado de california, ha hecho posible la instalación de las primeras plantas de potencia. Sin embargo, es poco probable que con la tecnología actual de celdas de silicio mono cristalino, desarrolladas en el contexto del programa espacial en donde el costo era menos importante que otros factores tales como la confiabilidad y el peso, los costos de las instalaciones de potencia lleguen a ser lo suficientemente bajos como para competir en condiciones normales con las plantas de potencia convencionales. Los esfuerzos para el desarrollo de la tecnología Fotovoltaica se siguen realizando en todas las latitudes como es el caso de la planta de 1Mega watt que se encuentra operando en Toledo España. En Estados Unidos actualmente esta en operación una planta Fotovoltaica de 2 Mega watts que es operada por la municipalidad de Sacramento en el estado de California que se encuentra operando en los terrenos que pertenecieron a una planta Nuclear que fue clausurada. En el ámbito nacional, el Centro de Investigación y Estudios Avanzados del IPN se considera como la institución líder en lo que a desarrollo de sistemas se refiere, contando el la actualidad con una planta piloto para producir módulos con una capacidad de 20 kw/año. En el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) se realizan trabajos a nivel de sistemas para la integración de grandes plantas fotovoltaicas de potencia. A la fecha el IIE ha desarrollado las especificaciones técnicas para pequeños sistemas fotovoltaicos de electrificación rural. La utilización de sistemas fotovoltaicos para la generación de electricidad se asocia en gran medida a sus ventajas medioambientales, y así es percibida habitualmente por la opinión pública y por las instituciones de las sociedades más industrializadas. Junto a la propia evolución tecnológica de equipos y sistemas, existen otros factores que favorecen el crecimiento de las energías renovables en su conjunto, como son las restricciones en las tasas de emisión de dióxido de carbono y otros contaminantes a la atmosfera, derivadas, en parte, de la generación eléctrica con combustibles 3

12 convencionales, o los riesgos de operación y del tratamiento de residuos de las centrales nucleares. Hay otra vertiente en la aplicación de la energía solar fotovoltaica, que se usa tanto como para la protección del medio ambiente como el desarrollo rural y el acceso a la electricidad de personas que actualmente no disponen de ella (según el Banco Mundial son cerca de dos mil millones de personas en todo el mundo). La instalación de sistemas fotovoltaicos en estos lugares no tendría como objetivo modificar el origen de la electricidad que transporta la red convencional, sino complementar la actuación de ésta mediante sistemas autónomos, para alcanzar las zonas donde, por diversos motivos (económicos, sociales, políticos), no ha llegado la red, ni se espera en un futuro cercano. 1.1 JUSTIFICACION El uso de sistemas fotovoltaicos para la generación de electricidad es una práctica cada vez más común en el todo el mundo. En los últimos 30 años, el gran avance que se ha tenido en este campo permitió la reducción del 95% en el costo de los módulos fotovoltaicos, al mismo tiempo que aumentó su eficiencia en un 200%. Algo que nos puede servir como referencia para darnos cuenta de la magnitud de penetración de esta tecnología en los últimos años son los más de 2000 mega watts de potencia pico instaladas en todo el mundo, con una tasa de crecimiento anual del 16% solo superada por la energía eólica, figura 1 y 2. En general, los generadores fotovoltaicos ya sean conectados a la red o aislados aportan beneficios importantes tanto a los sistemas de distribución y la constante reducción de su costo, pese a estas ventajas existen barreras de naturaleza no tecnológica que frenan su crecimiento como son: Difícil instalación Alto costo de mantenimiento Falta de conciencia en los consumidores 4

13 Opciones de financiamiento inadecuadas en proyectos que involucran energías renovables. Alto costo en tecnologías disponibles para energías renovables, en comparación con las disponibles para fuentes de energía convencional, entre otros MUNDO EU Ilustración 1 Potencia pico instalada en los últimos años. (Tomado de Vega, J.C. Convertidor integrado para sistemas fotovoltaicos. Morelos. 2009) FUENTES DE ENERGIA FUENTES DE ENERGIA Ilustración 2 Fuentes de energías. (Tomado de Vega, J.C. Convertidor integrado para sistemas fotovoltaicos. Morelos. 2009) 5

14 1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Al hablar de la crisis energética nos damos cuenta del problema que nos afecta a todos, como es el aumento de los costos de la energía eléctrica, la disminución de la producción mundial de petróleo, el riesgo de accidentes nucleares, etc. Es por esto que desde hace un tiempo se ha desarrollado el interés por buscar alternativas que permitan reducir o anular estos problemas, y para esto, por ejemplo para la reducción de estos problemas es utilizando de forma eficiente y consiente la energía, a través de diversos dispositivos eléctricos y electrónicos, así como aplicando medidas de ahorro, por ejemplo, apagando luces que no se utilizan, desconectando aparatos durante la noche, etc. Una segunda opción para reducir estos problemas es utilizar algún tipo de energía alternativa disponible en forma natural, por ejemplo, solar, eólica, mareomotriz, geotérmica, etc., convirtiéndola en energía eléctrica. Pues bien, el problema que se plantea está dado por la necesidad que existe por obtener un mayor conocimiento de los sistemas fotovoltaicos, y que más personas sepan cuales son sus componentes, así como sus diferentes aplicaciones y beneficios, por lo que es necesario buscar una forma alternativa de abastecimiento técnicamente factible y económicamente viable que permita reducir el consumo y los costos por este concepto, y es por esto que se decidió hacer esta monografía. 1.3 OBJETIVO GENERAL El objetivo general de este trabajo es realizar una documentación en la que se de una descripción general sobre las aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos, su uso práctico y una perspectiva sobre esta tecnología. 6

15 1.4 COMO ALCANZAR EL OBJETIVO? Para lograr lo propuesto en esta monografía, se realizará un extenso análisis teórico, para lo cual se estudiaran los distintos factores involucrados en el diseño de este sistema. Se empleara una amplia bibliografía existente sobre teoría de confiabilidad de sistemas para plantear las herramientas de análisis para sistemas de generación eléctrica y establecer las especificaciones básicas de calidad técnica del conjunto de baterías-regulador, para lo que se realizará lo siguiente: 1. Análisis bibliográfico sobre la calidad técnica de componentes e instalaciones. 2. Revisión y actualización de las especificaciones técnicas existentes. 3. Descripción de los siguientes equipos: inversor, baterías y regulador. 4. Estudio económico del sistema. 5. Paneles solares fotovoltaicos, tecnologías de fabricación, posición y orientación del sol. Así al término del estudio será posible conocer: El diseño de un sistema fotovoltaico. Costos asociados a la implementación de un sistema solar fotovoltaico. La importancia que tiene la aplicación de este tipo de energía renovable. 7

16 CAPITULO 2: EL FENOMENO FOTOVOLTAICO Las celdas solares fotovoltaicas son dispositivos que convierten la luz solar directamente en electricidad, sin necesidad de equipos mecánicos. Las celdas solares están hechas de delgadas capas de material semiconductor, el cual produce electricidad cuando se expone a la luz solar. Las capas de semiconductor, usualmente de silicio, están unidas a contactos de metal para completar el circuito eléctrico, y encapsuladas en vidrio de plástico. Una celda fotovoltaica, es un dispositivo electrónico que permite transformar la energía luminosa (fotones) en energía eléctrica (electrones) mediante el efecto fotoeléctrico. A su vez el efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material cuando se le ilumina con radiación electromagnética, estos electrones libres, al ser capturados generan una corriente eléctrica. La unión de celdas fotovoltaicas da origen a un panel fotovoltaico, el que consiste en una red de celdas solares conectadas en serie para aumentar la tensión de salida continua hasta el valor deseado. También se conectan en paralelo con el propósito de aumentar la corriente de salida del sistema. Al incidir la luz sobre la celda fotovoltaica, los fotones que la integran chocan con los electrones de la estructura del silicio dándoles energía y transformándolos en conductores. Debido al campo eléctrico generado en la unión Protón-Neutrón (P-N), los electrones son orientados, fluyendo de la capa "P" a la capa "N". Mediante un conductor externo, se conecta la capa negativa a la positiva, generándose así un flujo de electrones (corriente eléctrica) en la conexión. Mientras la luz siga incidiendo en la celda, el flujo de electrones se mantendrá. La intensidad de la corriente generada, variará proporcionalmente según la intensidad de luz incidente. Cada módulo fotovoltaico se conforma de una determinada cantidad de celdas conectadas en serie. Como vimos anteriormente, al unirse la capa negativa de una celda a la positiva de la siguiente, los electrones fluyen a través de los conductores de una celda a la otra. Este flujo se repite hasta llegar a la última celda del módulo, de la cual fluyen hacia el acumulador o batería. Cada electrón que abandona el módulo es reemplazado por otro que regresa del acumulador o batería. El cable de la interconexión entre módulo y batería contiene el flujo, de manera tal que cuando un electrón abandona la última celda del módulo y 8

17 se dirige hacia la batería, otro electrón ingresa a la primera celda desde la batería. Es por esto que se considera inagotable a un dispositivo fotovoltaico. Produce energía eléctrica como respuesta a la energía lumínica que ingresa en el mismo. Cabe aclarar que una celda fotovoltaica no puede almacenar energía eléctrica. Las celdas fotovoltaicas (FV) individuales tienen una producción eléctrica limitada, la cual puede ser utilizada para operar equipos pequeños tales como juguetes, relojes, celulares, calculadoras de bolsillos, etc. Para incrementar la salida (voltaje y amperaje) de una fuente fotovoltaica, las celdas individuales se unen eléctricamente en diferentes formas. El módulo fotovoltaico es el conjunto más básico de celdas fotovoltaicas, el cual puede incluir desde menos de una docena hasta cerca de 100 celdas. El panel fotovoltaico comprende grupos de módulos, mientras que el arreglo FV es la combinación de paneles en arreglos serie y/o paralelo. Finalmente, el campo de arreglos fotovoltaicos está compuesto de arreglos fotovoltaicos. La forma más popular de arreglo fotovoltaico está hecha de paneles planos y puede responder a la luz difusa de todo el cielo (esto es, puede producir electricidad aun en días nublados). Los paneles fotovoltaicos planos pueden estar fijos en un soporte o moverse para seguir la trayectoria del sol. Los paneles movibles aprovechan en todo momento los rayos perpendiculares del sol, pero tienen partes móviles que consumen energía e incrementan los requerimientos de mantenimiento. A diferencia de los generadores eléctricos convencionales que producen corriente alterna (CA), los paneles fotovoltaicos producen corriente directa (CD), la cual es una forma de electricidad utilizable para muchas aplicaciones. Sin embargo, algunos tipos de motores y aparatos eléctricos solo funcionan con corriente alterna. Entonces, un sistema completo de generación eléctrica que utiliza módulos fotovoltaicos como fuente de poder, puede contener, además de los arreglos fotovoltaicos, uno o más de los siguientes elementos: dispositivos de almacenamiento de electricidad; equipo de acondicionamiento de la energía eléctrica, incluyendo dispositivos para limitar la corriente y el voltaje, para maximizar la potencia de salida, para convertir corriente directa en corriente alterna, para acondicionar la electricidad producida a las características de la red eléctrica en caso de que el sistema se encuentre interconectado, y para garantizar la seguridad de los equipos y personas. 9

18 Fotones Flujo de electrones Ilustración 3 Incidencia de los rayos. (Tomada de Sarmiento, P Energía solar aplicaciones e ingeniería) En sistemas de generación eléctricas el termino fiabilidad se aplica a la función de suministro de energía bajo demanda, para su distribución a los puntos de consumo. De acuerdo con ello, pueden destacarse ya algunos factores que perjudican dicho suministro y que, por tanto, reducen su fiabilidad: Fuente de energía insuficiente Demanda de energía excesiva Fallo en la instalación En el primer caso, un sistema sin averías capaz de operar normalmente, esta impedido para generar la energía requerida por carecer de la fuente de energía en cantidad suficiente. La escasez de combustible es un factor clave en la utilización de tecnologías solares, donde la disponibilidad inmediata de la fuente de energía, en este caso solar para satisfacer el consumo eléctrico demandado tiene una influencia práctica indiscutible. El segundo factor mencionado, el exceso de demanda, presentan unas consecuencias similares a una fuente de energía insuficiente, ya que, en realidad, ambos conducen a una deficiencia en el suministro. En el caso de suministro eléctrico descentralizado se emplean sistemas de almacenamiento de energía limitados, y en ellos un exceso de demanda es un hecho muy grave que debe limitarse de forma estricta. Para disminuir esta 10

19 carencia se han realizado esfuerzos para estimar perfiles de consumo, a partir de datos reales. El funcionamiento de una instalación en un momento preciso es la ausencia de averías o disfunciones técnicas. Los niveles de radiación y de consumo van a influir sobre la operación del sistema y el tiempo de vida de sus componentes, en especial de la batería. El objetivo final del sistema de generación eléctrica es el cumplimiento de su función de suministro durante el mayor tiempo posible, en determinadas condiciones de seguridad como la capacidad de un componente o sistema (con una fiabilidad y un mantenimiento determinado) para desarrollar su función en un instante preciso o durante un periodo de tiempo determinado. La revisión de sistemas fotovoltaicos en operación real muestra cómo las diferencias en el suministro eléctrico no están provocadas por fallos perceptibles por el generador, sino que se atribuyen al resto de elementos del sistema como las baterías, regulador, inversor, equipos de consumo y fusibles. La propia constitución de los módulos, con ausencia de elementos móviles garantiza una elevada fiabilidad. 2.1 CARACTERÍSTICAS DE LA TECNOLOGÍA Durante el proceso de fabricación de los módulos, así como en las fases de transporte, instalación y operación, pueden aparecer defectos que afectan al estado físico de los módulos fotovoltaicos y que, directa e indirecta, perjudiquen su funcionamiento eléctrico. Los dispositivos fotovoltaicos son únicos en muchos sentidos, teniendo las siguientes características principales: No tienen partes móviles que se desgasten. Inversor senoidal de 550 W o 900 W Opcionalmente con Regulador Fotovoltaico integrado Alta capacidad de sobrecarga Protección óptima de la batería 11

20 Detección automática de consumidor en modo standby No tienen fluidos o gases que puedan fugarse o derramarse. No consumen combustible para operar. Tienen una respuesta rápida, alcanzando plena producción eléctrica instantáneamente. No producen contaminación al generar electricidad. Requieren poco mantenimiento si están correctamente fabricados e instalados. Pueden fabricarse de silicio, el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre. Son silenciosos. Tienen una vida útil superior a los 20 años. Es resistente a condiciones climáticas extremas: (granizo, viento, temperatura y humedad). No posee partes mecánicas, por lo tanto no requiere mantenimiento, excepto limpieza del panel. Permite aumentar la potencia instalada mediante la incorporación de nuevos módulos. Son modulares, por lo que permiten un amplio rango de aplicación solar-eléctricas tales como: _Pequeña escala, para aplicaciones remotas o uso residencial. _Escala intermedia, como potencia suplementaria para comercios y comunidades. _Gran escala, para plantas de potencia centralizadas. Tienen una eficiencia de conversión de luz solar a electricidad relativamente alta. Tienen amplio rango de capacidad de generación, de micro Watts a mega Watts. Tienen alta relación de potencia a peso. Se prestan para instalaciones locales, esto es, potencia descentralizada o dispersa. Por el lado negativo, los sistemas fotovoltaicos: No son aún económicamente competitivos para la mayoría de las aplicaciones, especialmente en aplicaciones de escala intermedia y grande. 12

21 Su manufactura involucra el manejo de sustancias que pueden ser nocivas para el ambiente en caso de descargas accidentales. Las tecnologías de producción están controladas por los países industrializados. 13

22 CAPITULO 3: FOTOVOLTAICO ESTADO DEL ARTE DEL SISTEMA La comunidad fotovoltaica previó la necesidad de desarrollar estándares técnicos y procedimientos de aseguramiento de la calidad para todos los componentes fotovoltaicos, como consecuencia de la experiencia en electrificación. Diversas instituciones del campo de la investigación y la energía han elaborado normativas nacionales, debido a la necesidad inmediata de estándares para su industria y programas de electrificación, y a la ausencia de textos publicados por las organizaciones internacionales. En general, son bastante homogéneos en lo relativo al modulo fotovoltaico, observándose importantes divergencias en los requisitos contractuales del resto de componentes del sistema. La estandarización de sistemas y componentes fotovoltaicos por partes de comités internacionales es un proceso aún incompleto. Únicamente en el caso de los módulos fotovoltaicos de silicio cristalino puede considerarse terminado, no solo en el sentido de la existencia de la normativa, sino por su aceptación general y su aplicación real en programas de electrificación rural. La tecnología fotovoltaica se ha desarrollado principalmente en las siguientes tecnologías: celdas solares de silicio y celdas solares de película delgada. Las primeras han alcanzado la etapa comercial, en tanto las segundas están todavía en etapa de desarrollo. 3.1 CELDAS DE SILICIO Cabe destacar que existen diferencias importantes en la evolución y tiempo de vida de los módulos fotovoltaicos en función del tipo de tecnología. Por su implantación en el mercado se consideran aquí módulos tanto de silicio (mono y policristalino) como silicio amorfo. En términos globales de producción de módulos (en potencia), la tecnología del silicio amorfo aporta únicamente el 5% del total, frente al 55% del silicio policristalino y el 37% del monocristalino. 14

23 Actualmente se producen tres tipos de celdas solares de silicio (SI): a) mono cristalino; b) poli cristalino; c) amorfo. a) Celdas de silicio mono cristalino. Estas celdas se obtienen a partir de barras cilíndricas de silicio monocristalino producidas en hornos especiales. Las celdas se obtienen por cortado de las barras en forma de obleas cuadradas delgadas (0,4-0,5 mm de espesor). Su eficiencia en conversión de luz solar en electricidad es superior al 12%. En este caso el silicio que compone las células de los módulos es un único cristal. La red cristalina es la misma en todo el mate-rial y tiene muy pocas imperfecciones. El proceso de cristalización es complicado y costoso, pero, sin embargo, es el que proporciona la mayor eficiencia de conversión de luz en energía eléctrica. Se producen a partir de la Quartzita, un material que es 90% o más óxido de silicio. Este material se refina para eliminar las impurezas. La refinación incluye procesos de calentamiento a elevadas temperaturas, reacciones con vapores químicos, destilaciones y depositación de vapores químicos. En total, este complejo proceso eleva el costo del silicio a casi US$ 70 por Kg. Aproximadamente 80% de este costo ocurre en la última etapa del proceso, en la cual se obtiene silicio de alta pureza. Esta clase de silicio es un material poli cristalino: esto es, está constituido por numerosos granos de silicio mono cristalino empacados al azar. El silicio mono cristalino para la fabricación de celdas solares se obtiene cuando el silicio poli cristalino producido en la forma descrita, se funde y se deja solidificar en forma tal que los átomos de silicio se arreglan en una red perfecta. Conforme crece el silicio mono cristalino se agrega sustancias adecuadas, conocidas como dopantes para hacer que el material base se comporte eléctricamente de la manera necesaria para la operación de la celda solar. De esta forma se obtienen lingotes de silicio mono cristalino, usualmente de geometría cilíndrica circular, con diámetros típicos alrededor de 8 cm y lingotes muchos mayores. Estos lingotes se cortan para producir obleas de unos 0.5 milímetros de espesor. Desafortunadamente en esta operación se pierde casi la mitad del material mono cristalino. Las obleas se pulen para disminuir los defectos de la superficie. Las obleas forman la capa base de la celda solar típica. Para completar la celda, la cara superior de la oblea se 15

24 recubre con una capa de otro material (fósforo) y se calienta sin fundir. Esto permite que los átomos de fósforo se difundan en el silicio, formando una capa de aproximadamente 1.2 micrómetros de espesor con propiedades eléctricas diferentes a las del material base. Finalmente, la cara superior de la oblea recibe un tratamiento para que refleje muy poco la luz solar. Así, mientras el silicio sin tratamiento refleja más del 30% de la luz incidente, los tratamientos anti reflejantes pueden reducir la reflexión a menos del 3%. Para que la celda así construida pueda ser colocada en un circuito eléctrico, se le deben poner contactos eléctricos. Los contactos en la cara superior usualmente tienen un diseño de red, con muchos, dedos conductores delgados esparcidos hacia todas las partes de la superficie de la celda, que recolectan la electricidad producida. Estas redes metálicas pueden colocarse mediante métodos de impresión o máscaras. La colocación del contacto en la cara posterior de la oblea no es tan compleja: el contacto puede ser simplemente una hoja de metal. b) Celdas de silicio policristalino. Estas celdas se obtienen a partir de bloques de silicio obtenidos por fusión de trozos de silicio puro en moldes especiales. En los moldes, el silicio se enfría lentamente, solidificándose. En este proceso, los átomos no se organizan en un único cristal. Se forma una estructura policristalina con superficies de separación entre los cristales, por tanto, el proceso de cristalización no es tan cuidadoso y la red cristalina no es la misma en todo el material. Este proceso es más barato que el anterior pero se obtienen rendimientos ligeramente inferiores. Su eficiencia en conversión de luz solar en electricidad es algo menor a las de silicio Monocristalino. Como se describió anteriormente, el silicio policristalino esta constituido por numerosos gramos de Si monocristalino y se obtiene como paso intermedio en la producción de este. El tamaño y la calidad de los granos determina su efecto en el comportamiento de la celda solar: entre más grandes y perfectos son los granos, su comportamiento eléctrico se asemeja más al de una celda hecha de silicio monocristalino. El silicio policristalino es más fácil y barato de producir que el monocristalino, pero tiene menor eficiencia. En consecuencia, para integrar un sistema se necesitan más celdas de silicio policristalino para producir la misma potencia. 16

25 Existen al menos cuatro procesos básicos para obtener silicio policristalino, cada uno de los cuales tiene distintas variantes. Las diferencias en los procesos de fabricación se traducen esencialmente en diferencias en costo de las celdas. Los distintos procesos se encuentran en diversas etapas de desarrollo. Los detalles de fabricación se conocen poco ya que la tecnología está siendo desarrollada principalmente con capital privado. c) Celdas de silicio amorfo. Estas celdas se obtienen mediante la deposición de capas muy delgadas de silicio sobre superficies de vidrio o metal. Su eficiencia en conversión de luz solar en electricidad varía entre un 5 y un 7%. Hasta hace relativamente poco, se pensaba que el silicio amorfo era totalmente inapropiado para usos fotovoltaicos, ya que sus propiedades estructurales y eléctricas se parecen más a las del vidrio (un aislante) que a las del silicio cristalino u otros materiales semiconductores. El silicio amorfo, aunque todavía no bien entendido en muchos aspectos, puede perfectamente ser utilizado en la manufactura de celdas solares. En realidad, más de la mitad de la producción mundial de celdas fotovoltaicas es de este tipo de celdas que se emplean para productos de consumo, y se esta convirtiendo en uno de los candidatos más fuertes para la generación futura de potencia eléctrica fotovoltaica. El silicio amorfo absorbe la luz casi 40 veces más que el silicio cristalino. Esto permite que las celdas solares de silicio amorfo sean muy delgadas, lo que es ventajoso económicamente, ya que se utiliza menos material y la depositación tiende a ser más fácil. Más aun, las celdas hechas de silicio amorfo tienen voltajes de salida más altos que las hechas con silicio cristalino, pero las eficiencias de conversión de luz solar a electricidad son normalmente menores. En casi todos los procesos de fabricación, un gas de la aleación siliciohidrógeno se descompone y se deposita como una película delgada de silicio amorfo sobre un substrato limpio. Se utilizan también substancias como el boro y el fósforo para dopar el silicio y darle el comportamiento eléctrico adecuado. En los procesos de fabricación, la temperatura debe controlarse cuidadosamente. Existen al menos tres procesos para depositar el silicio amorfo sobre un substrato. Las técnicas de fabricación se desarrollan rápidamente, aun cuando la 17

26 física de estas celdas todavía no es bien entendida. Aun así, algunas compañías japonesas han demostrado que es posible penetrar el mercado con ciertos productos específicos. 3.2 CELDAS DE PELÍCULA DELGADA Se construyen en base a microestructuras CIGS (Cobre Indio Galio Selenio), o CIS en caso de no incluir al Galio, alojadas sobre un soporte flexible y liviano, aptas para ser instaladas sobre techos, fachadas de edificios, ventanas, teléfonos móviles, ordenadores portátiles y automóviles. La Figura 4 muestra dos tipos de láminas de esta tecnología. Respecto a la energía consumida durante su fabricación, las temperaturas son mucho más bajas, al igual que el impacto ambiental. Según un estudio de Nanosolar, empresa especializada en el desarrollo de este tipo de tecnología, indica que un kilo de CIGS integrado en una celda solar produce cinco veces más electricidad que un kilo de uranio enriquecido integrado en una central nuclear. El desarrollo de tecnologías fotovoltaicas de película delgada es una estrategia importante para alcanzar la meta de celdas solares de bajo costo. En la actualidad se investigan varios materiales, algunos de los cuales muestran muy buen comportamiento para aplicaciones fotovoltaicas. La meta de la investigación actual es obtener delgadas películas policristalinas fabricadas mediante procesos de bajo costo que minimizan los costos de manufactura. Los materiales más prometedores para aplicaciones fotovoltaicas incluyen: compuestos de elementos como el selenio, el telurio, el fósforo, el tungsteno, el arsénico, el indio y el cadmio. A últimas fechas se ha avanzado substancialmente en el desarrollo de celdas solares de películas delgadas con algunos de estos materiales, pero aún no se entienden bien muchos de los factores que afectan su comportamiento. Todavía se requiere mucha investigación para entender la química de estas celdas y los mecanismos fotovoltaicos de las diferentes estructuras con objeto de optimizar sus propiedades. Dadas las buenas propiedades que han mostrado estas nuevas tecnologías de película delgada, a más largo plazo se les concede un buen potencial como materiales eficientes y de bajo costo para fabricar celdas solares, compatibles con procesos de manufactura de bajo costo. 18

27 La tecnología de celdas solares de película delgada considera un ahorro notable en los costos de producción, que junto a su reducida masa, apropiada para aplicaciones sobre materiales flexibles y livianos, incluso en materiales de origen textil, representan grandes ventajas de la tecnología. La aparición de paneles de película delgada de Ga y As para aplicaciones espaciales, con eficiencia de masas de aire cero sobre el 37%, se encuentran en estado de desarrollo para aplicaciones de elevada potencia. Esta tecnología representa un pequeño segmento del mercado fotovoltaico terrestre, siendo aproximadamente un 90% del mercado espacial. Ilustración 4 Celdas de película delgada. (Tomada de Sarmiento, P Energía solar aplicaciones e ingeniería) 19

28 CAPITULO 4: EL SISTEMA FOTOVOLTAICO Un sistema fotovoltaico es el conjunto de dispositivos cuya función es transformar la energía solar directamente en energía eléctrica, acondicionando esta ultima a los requerimientos de una aplicación determinada. Consta principalmente de los siguientes elementos: 1) arreglos de módulos de celdas solares 2) estructura y cimientos del arreglo 3) reguladores de voltaje y otros controles, típicamente un controlador de carga de batería, un inversor de corriente CD/CA o un rectificador CA/CD 4) baterías de almacenamiento eléctrico y recinto para ellas 5) instrumentos 6) cables e interruptores 7) red eléctrica circundante 8) cercado de seguridad, sin incluir las cargas eléctricas. Un sistema fotovoltaico no siempre consta de la totalidad de los elementos arriba mencionados. Puede prescindir de uno o más de éstos, dependiendo del tipo y tamaño de las cargas a alimentar, el tiempo, hora y época de operación y la naturaleza de los recursos energéticos disponibles en el lugar de instalación. Los sistemas fotovoltaicos pueden ser aplicados tanto en la superficie terrestre como en el espacio. En el espacio son una forma muy confiable para alimentar de energía a los satélites o sondas espaciales, ya que los niveles de radiación son más elevados por la carencia de obstáculos como la atmósfera. Por otro lado, las aplicaciones en tierra van desde una simple celda para energizar calculadoras o relojes, hasta complejos sistemas de captación de la energía solar, también llamados parques solares. Las instalaciones pueden ser de dos tipos: conectadas a la red eléctrica, o bien, aisladas de la red eléctrica. Éstas serán descritas más adelante. La utilización de sistemas auxiliares, como, baterías, inversores o reguladores, han permitido ampliar el campo de aplicación de estos sistemas, ya que como se sabe, los paneles fotovoltaicos entregan por sí solos 20

29 corriente continua, lo cual imposibilita su utilización directa en sistemas que funcionen en base a corriente alterna. Actualmente muchos gobiernos están impulsando y motivando a la población para la utilización de sistemas no convencionales en base a energías renovables. Algunos de estos países son: Alemania, Japón, EEUU, España, Grecia, Italia, Francia, etc., los cuales subvencionan las instalaciones con el objetivo de diversificar la matriz de generación y así evitar la dependencia de los sistemas convencionales de generación eléctrica, como por ejemplo: hidroeléctricas o en base a combustibles fósiles. Además de contar con apoyo para la instalación del sistema, para las instalaciones conectadas a la red eléctrica y que tienen la posibilidad de vender parte de la energía generada, los costos pagados por este concepto suelen ser más elevados que por los de generación convencional. A continuación se listan una serie de aplicaciones, sin necesidad de estar limitadas a ésta. Centrales conectadas a la red eléctrica con subvención a la producción (para los países que cuenta con ésta opción). Estaciones repetidoras de microondas y de radio. Electrificación de zonas alejadas de la red eléctrica. Sistemas de comunicaciones de emergencia. Sistemas de monitoreo remoto. Faros, boyas y balizas de navegación marítima. Bombeo para sistemas de riego y agua potable en áreas rurales. Balizamiento para protección aeronáutica. Sistemas de desalinización. Señalización ferroviaria. Fuente de energía para naves espaciales. Parquímetros, etc. Las instalaciones fotovoltaicas se pueden dividir en dos tipos, según el objetivo que a estas se les designe. El primer tipo corresponde a las instalaciones aisladas de la red eléctrica, las cuales cumplen la función de satisfacer total o parcialmente los requerimientos de energía eléctrica de viviendas o localidades que no cuentan con la prestación de servicio eléctrico de alguna compañía. El segundo tipo corresponde a las instalaciones conectadas a la red eléctrica y tienen por objetivo reducir el consumo de 21

30 energía eléctrica convencional (de la red), optando por satisfacer la demanda por medio del sistema fotovoltaico y si es posible, entregar a la red eléctrica parte de la energía generada y que no es ocupada en el lugar de la instalación. 4.1 FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO En un sistema típico, el proceso de funcionamiento es el siguiente: la luz solar incide sobre la superficie del arreglo fotovoltaico, donde es transformada en energía eléctrica de corriente directa por las celdas solares; esta energía es recogida y conducida hasta un controlador de carga, el cual tiene la función de enviar toda o parte de esta energía hasta el banco de baterías, en donde es almacenada, cuidando que no se excedan los limites de sobrecarga y sobre descarga; en algunos diseños, parte de esta energía es enviada directamente a las cargas. La energía almacenada es utilizada para abastecer las cargas durante la noche o en días de baja insolación, o cuando el arreglo fotovoltaico es incapaz de satisfacer la demanda por sí solo. El nivel de energía proporcionado por un panel fotovoltaico depende de lo siguiente: Tipo de panel y área del mismo Nivel de radiación e insolación Longitud de onda de la luz solar Una celda fotovoltaica común de silicio monocristalino de 100 cm2 de superficie, puede producir aproximadamente 1.5 Watt de energía, a 0.5 volt (CC) y 3 amperes de corriente bajo condiciones óptimas (luz solar en pleno verano a una radiación de 1000W/m2). La energía entregada por la celda es casi directamente proporcional al nivel de radiación solar. El nivel de potencia de salida por panel es denominado potencia pico, la cual corresponde a la potencia máxima entregable por el conjunto de celdas bajo las siguientes condiciones estándares de prueba (STC: Standard Test Conditions): 22

31 Radiación de 1000 W/m2 Temperatura de celda de 25º C (no corresponde a la temperatura ambiente). Masa de aire (AM=1,5). Bajo estas condiciones es posible medir los siguientes parámetros: Corriente de corto circuito (Isc): corresponde a la máxima corriente en amperes generada por cada panel, al conectar una carga de resistencia cero en sus terminales de salida. Su valor depende de la superficie del panel y de la radiación solar. Voltaje de circuito abierto (Voc): corresponde al voltaje máximo que genera un panel solar y medido en los terminales de salida cuando no existe carga conectada, es decir, a circuito abierto. Una característica importante a tener en cuenta de los paneles fotovoltaicos es que el voltaje de salida no depende de su tamaño, ya que frente a cambios en los niveles de radiación incidente tiende a mantener una tensión constante de salida. En cambio la corriente, es casi directamente proporcional a la radiación solar y al tamaño del panel. Una forma práctica de aumentar la potencia de salida del panel, consiste en instalar sistemas de seguimiento del sol, con el propósito de mantener lo más perpendicular posible el panel frente al sol, o concentrando la luz solar mediante lentes o espejos. El empleo de concentradores debe estar dentro de ciertos límites, ya que un aumento considerable de la temperatura provoca una reducción del voltaje de salida y por ende una reducción de potencia, no así la corriente, que se mantiene relativamente estable. Si las cargas a alimentar son de corriente directa, esto puede hacerse directamente desde el arreglo fotovoltaico o desde la batería; si, en cambio, las cargas son de corriente alterna, la energía proveniente del arreglo y las baterías, limitada por el controlador, es enviada a un inversor de corriente, el cual la convierte a corriente alterna. Cuando la energía almacenada en las baterías es insuficiente para alimentar las cargas, se puede recurrir al uso de un generador alimentado por combustible, que sirve como respaldo; éste funciona tanto para alimentar 23

32 cargas como para proteger a las baterías de una descarga excesiva. La opción de utilizarlo o no depende de factores económicos. El proceso anteriormente descrito se esquematiza en el diagrama de la figura 5 Los correspondientes diagramas de bloques y eléctrico se presentan en las figuras 6 y 7. En las siguientes secciones se describen con mayor detalle los distintos elementos. CD ARREGLO FOTOVOLTAICO. Captura los rayos solares que inciden en su superficie y los transforma en energía eléctrica de CD. UNIDAD DE CONTROL. Además de un regulador de voltaje para el cargado de las baterías consta de una serie de interruptores para la desconexión de los distintos componentes del sistema. CD CA CD INVERSOR. Transforma la energía de corriente directa en energía de corriente alterna. BATERIA. Almacena la energía producida por el arreglo para suministrarla en caso necesario. Carga de CA CA CD Carga de CD Ilustración 5 Diagrama esquemático del proceso de conversión de un sistema fotovoltaico típico 24

33 Ilustración 6 Esquema representativo de un sistema fotovoltaico típico (Tomado de Paco, K. Tacna, Perú. 6 de julio del Tomada de: Ilustración 7 Diagrama eléctrico de un sistema fotovoltaico típico. (Tomada de Agredano, J. Aplicaciones de sistemas fotovoltaicos. 1996). 25

34 4.2 FACTORES QUE AFECTAN EL RENDIMIENTO DE UN PANEL FOTOVOLTAICO Energía de la luz incidente Para producir el movimiento de los electrones y generar flujo de corriente, es necesario que el nivel de radiación que incide sobre el panel (fotones) posea una cantidad de energía entre ciertos límites. Debido a que la luz incidente tiene distintas longitudes de onda, cerca del 50% de la radiación recibida no esta dentro del margen aceptado por los paneles solares disponibles comercialmente y se pierde, ya sea por poca o demasiada energía. Por otro lado la corriente es directamente proporcional a la radiación incidente y aceptada por el panel, por lo que un bajo nivel de energía radiante provocará que la corriente generada también sea baja, la Figura muestra las curvas IV para distintos niveles de radiación Reflexión Este tipo de perdidas se produce en la superficie del panel, debido a la reflexión de los rayos incidentes. Para disminuir este tipo de pérdidas, en el proceso de fabricación se están utilizando capas antirreflejo y superficies rugosas Efecto de la sombra El efecto de sombras sobre los paneles solares, afecta notoriamente el rendimiento de estos, es por esto que se debe procurar al momento de diseñar una instalación fotovoltaica, situar los paneles en lugares donde no sufran este tipo de interferencias. Este efecto es más notorio en instalaciones de paneles conectados en serie, ya que si un panel es sombreado no generará los mismos niveles de energía que los que se encuentran descubiertos, por lo cual consumirá energía, en vez de gener 26

35 4.2.4 Efecto de la orientación e inclinación Los paneles solares trabajarán en forma óptima cuando su orientación sea directa hacia el sol, es decir, que el panel se sitúe perpendicularmente hacia el sol. En instalaciones fijas, es imposible mantener el panel perpendicular al sol, por lo cual, el sistema se debe diseñar de tal forma que su instalación permita aprovechar la mayor cantidad de luz posible y en los periodos de mayor radiación. Para las instalaciones con sistema de seguimiento, este problema tiene menor incidencia, ya que el panel tiende a mantener la perpendicularidad hacia el sol Efecto de la temperatura La temperatura es un parámetro que afecta directamente la generación de energía en un panel fotovoltaico. Al aumentar la temperatura, la corriente también tiende a aumentar, pero el voltaje cae notablemente, lo que provoca una disminución de la potencia entregada por el panel, en cambio, al disminuir la temperatura el voltaje tiende a aumentar, pero la corriente disminuye, aumentando en una fracción el nivel de potencia entregada. Se estima que la potencia nominal se reduce aproximadamente un 0.5% por cada grado por sobre de 25 C. 27

36 CAPITULO 5: COMPONENTES DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO 5.1 ARREGLO FOTOVOLTAICO Como se ha dicho en varias ocasiones, el panel solar es el encargado de transformar la energía proveniente del sol (fotones), en energía eléctrica (electrones). La tecnología más utilizada en la construcción de paneles solares es la de Silicio Cristalino. Para instalaciones que demanden una gran cantidad de energía, se debe realizar una interconexión de paneles a fin de lograr la potencia requerida. Este es el elemento principal del sistema, ya que es el encargado de transformar la energía solar y eléctrica. Está constituido por celdas fotovoltaicas, conocidas también como celdas solares Principios de operación La celda solar o fotovoltaica está formada por materiales de silicio, alterados con pequeñas cantidades de fósforo y boro, para formar una barrera potencial, que facilita la producción de corriente eléctrica. Durante la incidencia de los rayos solares sobre la superficie de la celda, se produce un movimiento de electrones libres; si no fuese por la barrera potencial, estos electrones se recombinarían localmente y no podría producirse la corriente eléctrica. Una rejilla metálica en la superficie de la celda, recoge los electrones libres que se generan, lo que permite hacerlos fluir por un circuito eléctrico externo. En dicho circuito pueden alimentar cargas o resistencias, efectuando trabajo útil. El circuito de cierra conectado a la parte posterior de la celda; en este 28

37 punto, los electrones terminan su recorrido al recombinarse en el material. Este proceso se describe esquemáticamente en la fig. 8. La celda es generalmente de forma circular, con diámetro aproximado de 10 cm ó 4pulg. Su espesor total depende en gran medida del material del que está hecha, y puede variar de 1 a 100micrometros. También hay celdas de geometría cuadrada u octagonal y de tamaños mayores o menores. CARGA CONTACTOS ELECTRICOS PLACA NEGATIVA PLACA POSITIVA FLUJO DE CORRIENTE BARRERA POTENCIAL Ilustración 8 Esquema y operación de una celda fotovoltaica (Tomada de Agredano, J. Aplicaciones de sistemas fotovoltaicos. 1996). Una celda típica produce potencias pequeñas, entre 1 y 2 watts, con un equivalente aproximado de 0.5 volts y 2 amperes en corriente directa. Esta potencia puede ser utilizada para energizar cargas pequeñas, tales como juguetes, relojes, calculadoras, celulares, etc. Para obtener mayor potencia es necesario interconectar varias celdas, ya sea como hileras de éstas en serie, para aumentar el voltaje, o como grupos de celdas en paralelo, para incrementar la corriente. Lo más común es la combinación de ambos tipos de 29

38 conexiones, ya sea como grupo de hileras o como hileras de grupos, como se esquematiza en la fig. 9. Hilera de celdas Grupos de celdas Grupo de hileras Hilera de grupos Ilustración 9 Posibles conexiones serie-paralelo de las celdas fotovoltaicas (Tomada de Agredano, J. Aplicaciones de sistemas fotovoltaicos. 1996). Una cantidad de celdas en serie y/o en paralelo, cubiertas con una tapa de vidrio o plástico transparente en la parte superior, y una capa de plástico o 30

39 potencia w metal en la parte inferior, todo esto dentro de un armazón para dar solidez al conjunto, constituye la unidad denominada módulo fotovoltaico. Los módulos comerciales son construidos con distinta cantidad de celdas; los hay de 30 o más celdas. Los de 30 a 36 celdas se utilizan para cargar baterías de ciclo profundo con controlador de carga; los módulos de 36 celdas son utilizados en la industria porque su voltaje pequeño permite salvar la disminución del voltaje de salida cuando operan a altas temperaturas; los módulos de 44 celdas se utilizan cuando se requiere de altos voltajes. Las potencias de los módulos están en el rengo de unos cuantos watts hasta alrededor de 100 watts, según el fabricante. El módulo fotovoltaico puede ser utilizado individualmente para proporcionar pequeñas cantidades de energía, cargar baterías u otros requerimientos de baja potencia. Para requerimientos de mayor capacidad, los módulos se pueden agrupar e interconectar eléctricamente para formar un panel. Un arreglo fotovoltaico es la combinación de paneles en disposición serie y/o paralelo; por lo regular está montado sobre una estructura que lo posiciona a una altura, orientación e inclinación dadas. Al conjunto de arreglos se le denomina campo de arreglos, utilizado para grandes potencias. La desventaja del módulo fotovoltaico está en que no es una fuente de corriente ni voltaje constante: su rendimiento de potencia máxima varía con el nivel de radiación solar y con la temperatura, así como con el tamaño de la carga que debe ser energizada. Si esta última es de una alta demanda pico por un tiempo muy corto, como el arranque de un motor, el módulo no es capaz de alimentarla por sí solo. Estos fenómenos se ejemplifican en las siguientes figuras 10 y variación en la producción del arreglo a lo largo del día hora de día Valores Y Ilustración 10 Variación de la producción. (Tomada de Agredano, J. Aplicaciones de sistemas fotovoltaicos. 1996). 31

40 Ilustración 11 Variación estacional de la producción del arreglo fotovoltaico (Tomada de Agredano, J. Aplicaciones de sistemas fotovoltaicos. 1996). 5.2 SOPORTE La estructura de soporte sirve para dar al panel fotovoltaico el montaje deseado lo cual incluye la inclinación y orientación requerida para la aplicación en cuestión. Un arreglo o panel puede estar fijo a una inclinación óptima, o bien, contar con un sistema de seguimiento del sol, en uno o dos ejes. En el caso de sistemas fijos se trata de una estructura metálica o de madera con una base firme que sostiene al panel, orientándolo hacia el sur (para aplicaciones en el hemisferio norte), con una inclinación dada. El panel móvil puede ser manual o automático. En el primer caso, los cambios de inclinación y/u orientación se efectúan en cada época del año. En el segundo caso se utilizan mecanismos de seguimiento continuo del movimiento diario del sol, de modo que la incidencia de los rayos solares sea siempre en forma perpendicular a la superficie del arreglo. Tales mecanismos 32

41 pueden alimentarse con la misma energía eléctrica proveniente del arreglo fotovoltaico. Cuando se dice que es de seguimiento en un eje, se refiere a que el mecanismo reproduce la dirección este-oeste de la trayectoria del sol a lo largo del día. Cuando es de seguimiento en dos ejes, cuenta además con un mecanismo de rotación norte-sur, o sur-norte, que le permite ajustarse a las variantes estacionales de la trayectoria solar. Este tipo de mecanismo de tracción permite alcanzar un máximo aprovechamiento de la energía solar, pero añaden complejidad y costo al sistema. 5.3 SISTEMA DE ALMACENAMIENTO Un arreglo fotovoltaico genera energía de corriente directa, la cual puede ser utilizada directamente en múltiples aplicaciones (bombeo de agua, alimentación de un motor, etc.). Sin embargo, hay ocasiones en que es necesario disponer de la energía en periodos de tiempo en los cuales la radiación solar es nula o insuficiente. Para permitir la operación de las cargas durante horas de la noche o cuando la energía proporcionada por el módulo fotovoltaico es insuficiente se utiliza una o varias baterías. Este elemento del sistema adecuadamente dimensionado, puede almacenar el exceso de energía eléctrica generada durante periodos de alta insolación, y suministrarla cuando sea necesario durante periodos de baja o nula insolación. La batería es un dispositivo que almacena energía eléctrica de corriente directa transformándola en energía química y viceversa. También actúan como amortiguador de variaciones de corta duración, entre la salida del arreglo y la carga. Con lo anterior compensa las limitaciones del mismo y facilita el suministro a todas las demandas, incluyendo las de potencia pico. La influencia de las baterías sobre el funcionamiento a largo plazo de las instalaciones fotovoltaicas es crucial. Su tiempo de vida real presenta grandes diferencias en función de sus propias características de fabricación pero, también, de las condiciones de funcionamiento que experimenta sobre el terreno. En este sentido, si bien la batería puede fallar por causas aleatorias de muy diverso origen: rotura de la caja, cortocircuito, fallo del 33

42 regulador con descarga total, falta de agua, etc., en realidad predomina la pérdida de capacidad por degradación con el tiempo de uso. A pesar de la práctica común de extender la vida de la batería hasta que ya no suministra energía alguna, se establece aquí un límite del 80% como óptimo para la reposición de batería. Al igual que en el módulo, al alcanzar este umbral no se produce el fallo del sistema, pero sí debe ponerse en marcha la adquisición de una nueva batería para evitar que el suministro eléctrico se vea realmente perjudicado. Puesto que actualmente el recambio de batería se produce en muchos casos en niveles de capacidad muy bajos, como se expuso anteriormente, se puede establecer de forma transitoria otro límite, en el 50% de la capacidad nominal, como valor de cambio. Tanto en un caso como en otro, puesto que no se produce una parada permanente en el sistema por una capacidad media-baja de batería, la percepción de este problema es complicada. Es una tarea a incluir en el mantenimiento preventivo avanzado. La tasa de fallo de la batería es bastante superior a la del modulo cristalino, ya que en números genéricos, señalan valores de 20 años de operación en módulos frente a 2-3 años en baterías, si bien existen diferencias importantes dependiendo del tipo de batería, para las condiciones de operación normales. En general, las baterías de arranque clásicas presentan tiempos de vida bastante menor que la batería tubular estacionaria, con una relación que podría estimarse de 1 a 3, al menos en la información suministrada por los fabricantes. En un análisis más avanzado debe tenerse en cuenta otros aspectos. En una instalación fotovoltaica completa, la energía máxima realmente disponible en la batería (o capacidad útil) viene marcada por dos factores: capacidad de la batería y profundidad máxima de descarga permitida por el regulador. Pero esta profundidad de descarga no sólo determina la energía extraíble en cada descarga de batería, sino que también influye en su degradación y, por tanto, en su tiempo de vida. La relación entre la profundidad de descarga máxima a la que se somete una batería y el número de ciclos de vida que soporta es una forma habitualmente incluida en las especificaciones de los fabricantes, la gráfica de esta relación es una curva exponencial. 34

43 5.3.1 Factores que inciden en el desempeño de las baterías Puesto que la profundidad de descarga máxima es una de los múltiples factores que intervienen en la operación de la batería, no se realiza el análisis sobre tiempos de vida absolutos en operación, sino únicamente una comparación entre unas condiciones de referencia y otras condiciones cualesquiera a estudiar. Se establece un punto de referencia en el llamado tiempo de servicio de la batería de referencia. El tiempo de servicio es un dato normalmente asociado a baterías que se mantienen casi permanentemente en flotación y que con frecuencia se suministra en la información técnica. Este parámetro representa, el tiempo de vida para una profundidad de descarga muy baja. A partir de los valores de referencia se define un factor de corrección de la batería que representa la inversa de la relación entre el tiempo de vida de una batería cualquiera en condiciones reales de operación, respecto a una batería de referencia en condiciones de máxima duración. Son varios los factores que influyen en el funcionamiento y rendimiento de las baterías de un sistema fotovoltaico, y, por ende, en el resto del sistema, como son: a) el tamaño del arreglo y de la batería, también determinantes en el costo del sistema; b) la temperatura de operación de la batería, relacionada con el lugar e instalación de la misma; c) la profundidad de descarga de la batería, que es función del perfil de la carga; d) las variaciones diarias y estacionales de la radiación solar; e) la corriente de descarga y la tensión al final de la misma; f) el tiempo que permanece descargada; g) Su edad. 35

44 5.3.2 Tipos de baterías Existen dos tipos principales de baterías usados en sistemas fotovoltaicos: baterías de plomo-ácido y baterías de níquel-cadmio, términos dados por el electrolito líquido o cautivo. El elemento utilizado para reforzar al plomo es el que determina el tipo de baterías de plomo-ácido: plomo-antimonio, plomocalcio o híbridos plomo-calcio/plomo- antimonio. Las más utilizadas en sistemas fotovoltaicos son las de plomo-antimonio; las de plomo-calcio pueden utilizarse cuando no se esperan descargadas profundas y, aunque su costo inicial es más bajo, tienen una vida útil menor que las de plomoantimonio. La diferencia entre las baterías de plomo-ácido y las de níquel-cadmio, es que estas últimas soportan más los ciclos extremos de carga y descarga; es decir, su límite de profundidad de descarga es mayor, además de tener vida más larga, durabilidad y capacidad de soportar condiciones extremas. Sin embargo, su costo es alto en comparación con el de las baterías de plomoácido, su temperatura de operación es limitada y tiene baja eficiencia de energía. Aunque actualmente ya se están fabricando especialmente para su uso en sistemas fotovoltaicos, son las de tipo plomo-ácido las que se siguen utilizando para tal efecto. 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 2 Volts. Dentro de la celda, la tensión real de la batería depende de su estado de carga, si está cargando, descargando o en circuito abierto. En general, la tensión de una celda varía entre 1,75 Volts y 2,5 Volts, siendo el promedio alrededor de 2 Volts, tensión que se suele llamar nominal de la celda. Cuando las celdas de 2 Volts se conectan en serie (positivo a negativo) las tensiones de las celdas se suman, obteniéndose de esta manera, baterías de 4, 6,12 Volts, etc. Si las baterías están conectadas en paralelo (positivo a positivo y negativo a negativo) las tensiones no cambian, pero se sumaran sus capacidades de corriente. Solo se deben conectar en paralelo baterías de igual tensión y capacidad. Se puede hacer una clasificación de las baterías en base a su capacidad de almacenamiento de energía (medido en 36

45 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 capacidad de almacenaje de energía de una batería depende de la velocidad de descarga. La capacidad nominal que la caracteriza corresponde a un tiempo de descarga de 10 horas. Cuanto mayor es el tiempo de descarga, mayor es la cantidad de energía que la batería entrega. Un tiempo de descarga típico en sistemas fotovoltaicos es 100 hs. Por ejemplo, una batería que posee una capacidad de 80 Ah en 10 hs (capacidad nominal) tendrá 100 Ah de capacidad en 100 hs. Dentro de las baterías de plomo - ácido, las denominadas estacionarias de bajo contenido de antimonio son una buena opción en sistemas fotovoltaicos. Ellas poseen unos 2500 ciclos de vida cuando la profundidad de descarga es de un 20 % (es decir que la batería estará con un 80 % de su carga) y unos 1200 ciclos cuando la profundidad de descarga es del 50 % (batería con 50 % de su carga). Las baterías estacionarias poseen además, una baja autodescarga (3 % mensual aproximadamente contra un 20 % de una batería de plomo - ácido convencional) y un reducido mantenimiento. Dentro de estas características se encuadran también las baterías de plomo-calcio y plomoselenio, que poseen una baja resistencia interna, valores despreciables de gasificación y una baja autodescarga. En baterías plomo-ácido su mantenimiento debe controlarse el nivel del líquido una vez al año. Además se debe evitar que los bornes de conexión se sulfaten. Hay que instalar la batería en lugares suficientemente sombreados y ventilados. Baterías selladas Gelificadas. Estas baterías incorporan un electrolito del tipo gel con consistencia que puede variar desde un estado muy denso al de consistencia similar a una jalea. No se derraman, pueden montarse en casi cualquier posición y no admiten descargas profundas. Electrolito absorbido. El electrolito se encuentra absorbido en una fibra de vidrio microporoso o en un entramado de fibra polimérica. Al igual que las anteriores no se derraman, admiten cualquier posición y admiten 37

46 descargas moderadas. Tanto estas baterías como las Gelificadas no requieren mantenimiento en forma de agregado de agua, no desarrollan gases evitando el riesgo de explosión, pero ambas requieren descargas poco profundas durante su vida de servicio. Níquel Cadmio. Las principales características son: 1) El electrolito es alcalino. 2) Admiten descargas profundas de hasta el 90% de la capacidad nominal. 3) Bajo coeficiente de autodescarga. 4) Alto rendimiento ante variaciones extremas de temperatura. 5) La tensión nominal por elemento es de 1,2 Volts. 6) Alto rendimiento de absorción de carga (mayor al 80 %). 7) Muy alto costo comparado con las baterías ácidas. Al igual que las baterías de plomo - ácido, estas se pueden conseguir en las dos versiones, standard y selladas, utilizando la mas conveniente según la necesidad de mantenimiento admisible para la aplicación prevista. Dado su alto costo, no se justifica su utilización en aplicaciones rurales Componentes de las baterías plomo- acido Estas baterías están constituidas por placas positivas y negativas sumergidas en un electrólito. Las placas se colocan alternando una positiva y una negativa, con separadores de material aislante entre ellas.cada agrupación de placas positivas y negativas se denomina elemento o celda; su voltaje a circuito abierto es de aproximadamente 2.1 volt. El tamaño de la celda determina la capacidad de la batería: entre mayor es la celda, más materiales reactivos contiene y mayor capacidad eléctrica tiene en Amperes- 38

47 Hora. Cada batería o acumulador contiene tantas celdas como sea el voltaje deseado: por ejemplo, seis celdas para obtener 12 volts o tres celdas para obtener 6 volts, conectadas en serie, de manera que el voltaje total de la batería sea igual a la suma de los voltajes de todas y cada una de las celdas. La fig. 12 muestra esquemáticamente la estructura de una celda electroquímica. Una batería está constituida principalmente por las siguientes partes: 1. Rejillas: son estructuras fabricadas generalmente con aleaciones de plomo, utilizadas para conducir corriente eléctrica y servir de soporte al material activo. 2. Placas: son rejillas impregnadas del material activo (positivo o negativo), el cual es una pasta hecha a base de diversos elementos químicos. 3. Separadores: hojas de material microporoso utilizados para evitar cortocircuitos entre las placas. 4. Electrolito: solución de ácido sulfúrico y agua desmineralizada que actúa como conductor de la corriente eléctrica. 5. Caja y tapa: estructuras fabricadas generalmente en polipropileno para albergar los componentes internos de la batería. Diseñadas para resistir temperaturas extremas de calor y frío y el ataque del ácido sulfúrico. Ilustración 12 Composición de una celda de batería. típico (Tomado de Paco, K. Tacna, Perú. 6 de julio del Tomada de: 39

48 Las celdas están sumergidas en el electrólito, que es una mezcla de ácido sulfúrico y agua. En él se producen las reacciones químicas con el material activo de las placas; también es portador de la corriente eléctrica entre las placas positivas y las negativas a través de los separadores. Las celdas y el electrólito están contenidos dentro de la caja, que es un recipiente rectangular diseñado para soportar temperaturas extremas y la acción del ácido. Están formadas por un depósito de ácido sulfúrico y dentro de él una serie de placas de plomo dispuestas alternadamente. Para evitar la combadura de las placas positivas, se dispone una negativa adicional, de forma que siempre haya una placa negativa exterior. Generalmente, en su fabricación, las placas positivas están recubiertas o impregnadas de dióxido de plomo ( ), y las negativas están formadas por plomo esponjoso. Este estado inicial corresponde a la batería cargada, así que el electrolito agregado inicialmente debe corresponder a la batería con carga completa (densidad g/ml). Según el número de placas, la corriente (intensidad) suministrada será mayor o menor. Debajo de las placas se deja un espacio para que se depositen eventuales desprendimientos de los materiales que forman las placas. Para que no haya contacto eléctrico directo entre placas positivas y negativas, se disponen separadores aislantes que deben ser resistentes al ácido y permitir la libre circulación del electrolito Principios de operación: Cuando las placas positivas y negativas se sumergen en el electrólito, se desarrolla un voltaje debido a la acción química entre los materiales activos y el electrólito. Si se establece un circuito con una carga conectada a las terminales de la batería, se activa la acción química y el flujo de corriente eléctrica. Dicha corriente fluye en forma de electrones en el circuito externo, y en forma de iones entre las placas dentro de la batería. La representación de la reacción química es la siguiente, en donde los materiales activos son el dióxido de plomo en la placa positiva, y el plomo esponjoso en la negativa: 40

49 Descarga Carga Esta formula representa una reacción ideal de capacidad entregada a una muy baja razón de descarga, pero en la practica las reacciones durante la misma no llegan a completarse. Durante el proceso de carga inicial el sulfato de plomo, es reducido a plomo metal en el polo negativo, mientras que en el ánodo se forma óxido de plomo (PbO 2 ). Por lo tanto se trata de un proceso de dismutación. No se libera hidrógeno, ya que la reducción de los protones a hidrógeno elemental está cinéticamente impedida en una superficie de plomo, característica favorable que se refuerza incorporando a los electrodos pequeñas cantidades de plata. El desprendimiento de hidrógeno provocaría la lenta degradación del electrodo, ayudando a que se desmoronasen mecánicamente partes del mismo, alteraciones irreversibles que acortan la duración del acumulador. Sólo si se supera la tensión de carga recomendada se libera hidrógeno, se consume el agua del electrolito y se acorta la vida de las placas, con el consiguiente peligro de explosión por la combustibilidad del hidrógeno. Durante la descarga se invierten los procesos de la carga. El óxido de plomo es reducido a sulfato de plomo mientras que el plomo elemental es oxidado para dar igualmente sulfato de plomo. Los electrones intercambiados se aprovechan en forma de corriente eléctrica por un circuito externo. En la descarga baja la concentración del ácido sulfúrico porque se crea sulfato de plomo y aumenta la cantidad de agua liberada en la reacción. Como el ácido sulfúrico concentrado tiene una densidad superior al ácido sulfúrico diluido, la densidad del ácido puede servir de indicador para el estado de carga del dispositivo. No obstante, este proceso no se puede repetir indefinidamente porque, cuando el sulfato de plomo forma cristales muy grandes, ya no responden bien a los procesos indicados, con lo que se pierde la característica esencial de la reversibilidad. Se dice entonces que el acumulador se ha sulfatado y es necesario sustituirlo por otro nuevo. Los cristales grandes también se forman si se deja caer por debajo de 1.8 V la tensión de cada celda. 41

50 5.4 CONTROLADOR DE CARGA Este es el cerebro del sistema fotovoltaico; no se trata de un simple dispositivo con una función en particular, sino de todo un sistema con múltiples funciones, que variarán de acuerdo al tipo de sistema fotovoltaico. Su objetivo es el proteger a las baterías y otros dispositivos, contra sobrecargas y descargas excesivas que podrían causar daños irreversibles o acortar su vida útil; todo esto, sin alterar el suministro constante de energía a las cargas. Sus funciones principales son las siguientes: a) Proveer de un dispositivo de desconexión entre la batería y el arreglo fotovoltaico u otra fuente de energía, que se accione cuando el voltaje de la batería haya alcanzado un nivel alto predeterminado. b) Proporcionar un dispositivo de desconexión entre la batería y las cargas que se accione cuando la primera alcance el nivel mínimo permitido de voltaje. c) Regular el voltaje de la batería durante el proceso de carga de la misma, para mantener un nivel de carga constante, a pesar de las variaciones en la producción de energía. d) En el caso de sistemas fotovoltaicos respaldados, debe accionar automáticamente el encendido del generador de respaldo, cuando el arreglo no sea capaz de satisfacer la demanda de energía por sí solo, y/o la batería esté alcanzando niveles críticos de descarga. Si el encendido del generador se hace manualmente, al menos debe tener un sistema de alarmas. e) Si se trata de sistemas híbridos, debe ser capaz de coordinar la operación de los distintos conjuntos generadores de energía, ya sea en operación simultánea o alternada. Las funciones mencionadas en los primeros dos incisos se consideran como de protección en casos extremos, pues si se cuenta con un sistema de regulación de voltaje como el mencionado en el tercer inciso, es difícil que se llegue a dichas situaciones, aunque siempre es importante contar con ellas. Dispositivo encargado de proteger a la batería frente a sobrecargas y sobredescargas profundas también es conocido como regulador de carga. El regulador de tensión controla constantemente el estado de carga de las baterías y regula la intensidad de carga de las mismas para alargar su vida útil. También genera alarmas en función del estado de dicha carga. Los 42

51 reguladores actuales introducen microcontroladores para la correcta gestión de un sistema fotovoltaico. Su programación elaborada permite un control capaz de adaptarse a las distintas situaciones de forma automática, permitiendo la modificación manual de sus parámetros de funcionamiento para instalaciones especiales. Incluso los hay que memorizan datos que permiten conocer cual ha sido la evolución de la instalación durante un tiempo determinado. Para ello, consideran los valores de tensión, temperatura, intensidad de carga y descarga, y capacidad del acumulador. Existen diversos tipos de reguladores de carga. El diseño mas simple es aquel que involucra una sola etapa de control. El regulador monitorea constantemente la tensión de batería. Cuando dicha tensión alcanza un valor para el cual se considera que la batería se encuentra cargada (aproximadamente 14.1 Volts para una batería de plomo ácido de 12 Volts nominales) el regulador interrumpe el proceso de carga. Esto puede lograrlo abriendo el circuito entre los módulos fotovoltaicos y la batería (control tipo serie) o cortocircuitando los módulos fotovoltaicos (control tipo shunt). Cuando el consumo hace que la batería comience a descargarse y por lo tanto a bajar su tensión, el regulador reconecta el generador a la batería y vuelve a comenzar el ciclo. En el caso de reguladores de carga cuya etapa de control opera en dos pasos, la tensión de carga a fondo de la batería puede ser algo mayor a 14,1 Volts. El regulador queda definido especificando su nivel de tensión (que coincidirá con el valor de tensión del sistema) y la corriente máxima que deberá manejar. Para ilustrarlo con un ejemplo sencillo, se supone que se tiene que alimentar una vivienda rural con consumo en 12 Vcc. y para ello se utilizan dos módulos fotovoltaicos. La corriente máxima de estos módulos es Imp = 2,75 A y la corriente de cortocircuito Icc. = 3 A. Al estar los módulos en paralelo la corriente total máxima que deberá controlar el regulador será I total = 2 x 3 A =6 A., se considera la corriente de cortocircuito para contemplar la peor situación. El regulador a elegir, por lo tanto, deberá estar diseñado para trabajar en una tensión de 15 Volts (tensión de trabajo de los módulos) y manejar una corriente de 6 A. Igualación; Esta respuesta del regulador permite la realización automática de cargas de 43

52 igualación de los acumuladores tras un período de tiempo en el que el estado de carga ha sido bajo, reduciendo al máximo el gaseo en caso contrario. Carga profunda; Tras la igualación, el sistema de regulación permite la entrada de corriente de carga a los acumuladores sin interrupción hasta alcanzar el punto de tensión final de carga. Alcanzado dicho punto el sistema de regulación interrumpe la carga y el sistema de control pasa a la segunda fase, la flotación. Cuando se alcanza la tensión final de carga, la batería ha alcanzado un nivel de carga próximo al 90% de su capacidad, en la siguiente fase se completará la carga. Carga flotación; La carga final del acumulador se realiza estableciendo una zona de actuación del sistema de regulación dentro de lo que denominamos Banda de Flotación Dinámica. La BFD es un rango de tensión cuyos valores máximos y mínimos se fijan entre la tensión final de carga y la tensión nominal + 10% aproximadamente. Una vez alcanzado el valor de voltaje de plena carga de la batería, el regulador inyecta una corriente pequeña para mantenerla a plena carga, esto es, inyecta la corriente de flotación. Esta corriente se encarga por tanto de mantener la batería a plena carga y cuando no se consuma energía se emplea en compensar la autodescarga de las baterías. Indicadores de estado: desconexión del consumo por baja tensión de baterías, alarmas de señalización. Desconexión del consumo por baja tensión de batería; La desconexión de la salida de consumo por baja tensión de batería indica una situación de descarga del acumulador próxima al 70% de su capacidad 44

53 nominal. Si la tensión de la batería disminuye por debajo del valor de tensión de maniobra de desconexión de consumo durante más de un tiempo establecido, se desconecta el consumo. Esto es para evitar que una sobrecarga puntual de corta duración desactive el consumo. Tensión de desconexión del consumo: tensión de la batería a partir de la cual se desconectan las cargas de consumo. Alarma por baja tensión de batería; La alarma por baja tensión de batería indica una situación de descarga considerable. A partir de este nivel de descarga las condiciones del acumulador comienzan a ser comprometidas desde el punto de vista de la descarga y del mantenimiento de la tensión de salida frente a intensidades elevadas. Esta alarma está en función del valor de la tensión de desconexión de consumo (siempre se encontrará 0,05 volt/elem., por encima). En el regulador DSD, Si la tensión de la batería disminuye por debajo del valor de la alarma durante más de 10segundos aprox. se desconecta el consumo. El regulador entra entonces en la fase de igualación y el consumo no se restaurará hasta que la batería no alcance media carga. Además, incluye una señal acústica para señalizar la batería baja. Protecciones típicas; o Contra sobrecarga temporizada en consumo. o Contra sobretensiones en paneles, baterías y consumo. o Contra desconexión de batería. Indicadores de estado/ señalizadores habituales; o Indicadores de tensión en batería. o Indicadores de fase de carga. o Indicadores de sobrecarga / cortocircuito. Parámetros a calcular, dimensionamiento; 45

54 o Tensión nominal: la del sistema (12, 24, 48) o Intensidad del regulador: la intensidad nominal de un regulador ha de ser mayor que la recibida en total del campo de paneles fotovoltaicos. Parámetros importantes que determinan su operación; o Intensidad Máxima de Carga o de generación: Máxima intensidad de corriente procedente del campo de paneles que el regulador es capaz de admitir. o Intensidad máxima de consumo: Máxima corriente que puede pasar del sistema de regulación y control al consumo. o Voltaje final de carga: Voltaje de la batería por encima del cual se interrumpe la conexión entre el generador fotovoltaico y la batería, o reduce gradualmente la corriente media entregada por el generador fotovoltaico (I flotación). Vale aproximadamente 14.1 para una batería de plomo ácido de tensión nominal 12V. 5.5 INVERSOR Cuando se desea alimentar cargas de corriente alterna, es necesario utilizar inversor de corriente. Su función en un sistema de generación fotovoltaica es cambiar la electricidad de corriente directa (CD) producida por los módulos, usualmente almacenada en las baterías, en electricidad de corriente alterna (CA). El inversor ideal debe cumplir con algunos requisitos como son: capacidad de sobretensión, regulación de voltaje de salida, mínima distorsión armónica, alta eficiencia y facilidad de reparación. La transformación se hace invirtiendo o ciclando la polaridad de la corriente de entrada 120 veces por segundo para completar 60 ciclos en ese tiempo. Esta corriente ciclada pasa a través de uno de los lados de la bobina de un transformador (primario), e induce un flujo alterno en el otro lado (secundario), primero en un sentido y luego en el otro. 46

55 Si el número de vueltas en el secundario es mayor que en el primario, el voltaje en el secundario se incrementa. Esta es la razón por la que pueden tomar electricidad de bajo voltaje, 12 a 48 volts de corriente directa, y reponerla a un voltaje más alto, de 117 a 230 volts de corriente alterna. En algunos inversores, el voltaje de corriente alterna atraviesa algunos filtros para afinar la forma de onda de la potencia de corriente alterna, y eliminar así los picos y frecuencias indeseadas cuando ocurre la inversión original abruptamente. Existen varios tipos de inversores, separados en dos grupos principales para aplicaciones fotovoltaicas. En el primer grupo, los inversores síncronos o conmutados en línea, que solo se utilizan en sistemas fotovoltaicos conectados a la red de distribución. El segundo grupo es para aplicaciones en sistemas fotovoltaicos independientes y puede ser de dos tipos: mecánicos o no mecánicos. Los primeros utilizan un motor de CD para operar un generador que produce energía de corriente alterna; aunque resultan económicos sólo son aplicables a cargas pequeñas. Su funcionamiento básico es el descrito anteriormente, sólo que no utiliza filtros que afinen la forma de onda de salida. Por su simplicidad resulta muy económico, pero su uso está limitado por su poco control sobre el voltaje de salida, por su poca capacidad de sobretensión y por la cantidad de frecuencias indeseadas que producen. En las figuras 13 a 16 se muestran las diferentes formas de onda producidas por este tipo de inversores: onda cuadrada, onda senoidal modificada, onda de pulso de amplitud modulada y onda senoidal. 47

56 Amperes Ilustración 13 Onda cuadrada (Tomada de Agredano, J. Aplicaciones de sistemas fotovoltaicos. 1996). Amperes Tiempo Ilustración 14 Onda cuadrada o senoidal modificada (Tomada de Agredano, J. Aplicaciones de sistemas fotovoltaicos. 1996). 48

57 Amperes Tiempo Ilustración 15 Onda de pulso de amplitud modulada (Tomada de Agredano, J. Aplicaciones de sistemas fotovoltaicos. 1996). Aperes Tiempo Ilustración 16 Onda senoidal (Tomada de Agredano, J. Aplicaciones de sistemas fotovoltaicos. 1996). 49