Para poder llegar a tener una mejor comprensión de lo que es y no es un sistema fotovoltaico, sus límites y capacidades. Hay que conocer su funcionamiento, sus componentes, así como los tipos de sistemas fotovoltaicos que existen y los usos prácticos que pueden tener para la solución de los problemas actuales de energía. Durante este documento, intentaremos dar una explicación para personas con pocos conocimientos sobre estos sistemas. Se advierte que el siguiente documento es algo extenso, ya que es una explicación un poco más amplia acerca de lo que es un sistema fotovoltaico. Existen varias maneras de aprovechar la energía solar, uno de los usos más antiguos es por medio de la agricultura, ya que uno de los factores para que se pueda llevar a cabo la fotosíntesis es la energía solar. Así como la iluminación de espacios, secar objetos, calentar objetos etc. Estos podrían llamarse usos pasivos, ya que simplemente se aprovecha la energía en estado puro (térmica y lumínica). Actualmente existen algunas formas de aprovechar la energía solar de manera activa, esta implica el aprovechar y transformar de manera más eficiente esta energía. Dos ejemplos de esto, son los paneles solares usados para calentar agua, ya que estos son mucho más eficientes para calentar agua en comparación con dejarla expuesta al sol. Otro uso parecido son las cocinas solares que concentran la radiación solar, para cocinar con ella. Esta tiene algunas desventajas, tales como la gran variabilidad con la que cuenta, ya que, esta energía tiene que ser aprovechada conforme se genera, o poco tiempo después. Ya que es complicado almacenar esta energía. Dentro de estos sistemas activos, se encuentran los sistemas fotovoltaicos, los cuales realizan una transformación de la radiación solar (energía solar) a energía eléctrica, utilizando el efecto fotovoltaico, el cual fue descubierto primero por el físico francés Alexandre Edmund Bequerel (1820 1891). Posteriormente fue descrito por el físico alemán Heinrich Rudolf Hertz (1987 1894) al observar que el arco que salta entre dos electrodos conectados a alta tensión alcanza mayor distancia al estar iluminado con luz ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad. Finalmente la
explicación teórica fue hecha por premio nobel de física Albert Einstein (1879 1955) El cual consiste principalmente en la emisión de electrones por un material cuando se hace incidir sobre él una radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general). Imagen descriptiva del efecto fotovoltaico. En la actualidad, existen 2 tecnologías distintas para poder aprovechar el efecto foto voltaico, para generar electricidad. La primera es la basada en celdas foto eléctrica, el cual está constituido por una sándwich de semiconductores de silicio (principalmente) de tipo n y p recubiertos por una película que evite la reflexión. La otra es la celda solar de película fina (thin film solar cell), el cual esta construido en base a un depósito de una o más capas delgadas de material foto voltaico en un sustrato. Cada tecnología cuenta con ventajas y desventajas distintas: Celdas foto Atributo eléctricas Mayor eficiencia por m2 Mayor capacidad de generación para áreas iguales Menor requerimiento de área del arreglo Mayor producción eléctrica al año por kw instalado Mayor confiabilidad y estabilidad Mejor desempeño en clima cálidos con nublados Película fina
Mejor desempeño en clima frio Eficiencia promedio 12 15% Requiere modificaciones en accesorios 7% Celdas Foto Eléctricas Película Fina Poli cristalino y mono cristalino (thin film solar cell) En la actualidad la tecnología más usada es la basada en celdas foto eléctricas, por el nivel de eficiencia, generación metro cuadrado y costo. Es por esto que nos enfocaremos en la tecnología basada en Celdas Foto Eléctrica. Los paneles foto voltaicos poli cristalinos y mono cristalinos están constituidos por una serie de celdas foto eléctricas, conectadas en serie, protegidas por una lámina de cristal templado, una protección trasera delgada, todo sostenido por una estructura de aluminio anodizado. Existen 2 pruebas para comparar el rendimiento de los paneles solares, bajo condiciones estándar controladas, la primera y más importante es SCT la que equivale a una radiación solar incidente de 1,000 W/m2 a 25 C en una masa de aire de 1.5, Esta emula condiciones normales en países como Alemania, la segunda conocida como NOCT que equivale a una radiación solar incidente de 800 W/m2 a 45 C en una masa de aire de 1.5.
COMPOSICIÓN DE UN SISTEMAS FOTO VOLTAICOS Los sistemas de generación de energía eléctrica basados en paneles foto-voltaicos, difieren en cantidad y tipo de componentes, dependiendo del uso final y la potencia requerida. En el caso de los sistemas de co generación o conocidos como interconectados a la red, se componen de manera básica por: Arreglo de Paneles Solares Inversores Estructura de soporte para los paneles Medidor bi direccional ARREGLO DE PANELES FOTO VOLTAICOS Los paneles foto voltaicos, usualmente se construyen en ciertas potencias, la más común es la denominada de 100 W, 140 W, 200 W. 250 W, 300 W los cuales varían en cuanto al número de celdas en serie que lo constituyen, así mismo el tamaño físico de modulo. Estos dependiendo de la potencia requerida para el sistema, se conectan en serie o en paralelo dependiendo de los requerimientos de voltaje y amperaje. Conexión en paralelo de 4 paneles foto voltaicos
Conexión en serie de 4 paneles foto voltaicos INVERSOR O INVERSORES Estos arreglos de paneles, se conectan a su vez a un inversor el cual transforma la corriente directa generada por los paneles a corriente alterna, la cual será utilizada en el sitio o enviada a la red eléctrica de CFE. Existen 2 clases de ellos, los inversores centrales y los micro inversores, los primeros se conectan al arreglo de paneles, en el caso de los micro inversores se conectan directamente a cada panel, es decir un micro inversor por cada panel. Cada uno tiene ventajas y desventajas dependiendo de los requerimientos del sistema. Sistema FV de co-generación con inversor central
Sistema FV de co-generación con micros inversores El inversor funciona en base a un oscilador que controla a un transistor, el cual se utiliza para interrumpir la corriente entrante y generar una onda rectangular. Esta onda rectangular alimenta a un transformador que suaviza su forma, haciéndola parecer un poco más una onda sinodal y produciendo el voltaje de salida necesario. Las formas de onda de salida del voltaje de un inversor ideal debería ser sinusoidal. ESTRUCTURA DE MONTAJE El arreglo de paneles se monta sobre una estructura, la cual le da la orientación correcta, para poder obtener la mayor cantidad de energía, la orientación está dada por la parte del planeta en la que se encuentra el sitio. La estructura debe de estar diseñada para soportar un peso de hasta 23 kg de cada panel, además de poder resistir estar a la intemperie durante 25 años. Es por esto que los materiales más comunes serán el Acero galvanizado y el Aluminio anodizado, ya que ambos ofrecen buena resistencia al ambiente. MEDIDOR BI DIRECCIONAL El medidor bi direccional, es requerido, ya que si se conecta un sistema foto voltaica a un medidor normal (uni direccional), el monto del consumo aumentara, a diferencia de cuando se conecta a un
medidor bi direccional. Para obtener un medidor bi direccional es totalmente necesario hacer un contrato de co generación con CFE, ya que ellos tendrán que hacer ajustes y tomar en cuenta este sistema para su red total. Este contrato es gratuito y fácil de rellenar. GENERACIÓN DE UN SISTEMA FOTO VOLTAICO. Durante esta fase del documento, explicaremos de manera breve una metodología para calcular la posible generación de un sistema. Por lo que debemos definir algunos términos generales primero. Potencia Nominal (Wp): es la potencia en Watts con la que cuenta el sistema Horas Pico de Sol (HPS): es la cantidad hipotética de horas en las cuales la radiación solar incidente hará posible la generación de energía eléctrica Radiación solar incidente diaria (W/m2/d): es la cantidad de energía solar que podemos transformar a energía eléctrica. Generación (kwh): es la cantidad de energía entregada a la sitio y/o a la red Para poder obtener un estimado (aunque el grado de variabilidad es bastante alto), será el realizado en base a las HPS, para obtener este dato, debemos conocer la radiación solar incidente diaria, la cual podemos obtener de http://www.gcsolar.net/index.php/documentos-de-interes/clima en el caso de estar en alguna de las siguientes ciudades. Ciudad Guadalajara Zacatecas León Guanajuato Morelia Querétaro Monterrey Estado Jalisco Zacatecas Guanajuato Guanajuato Michoacán Querétaro Nuevo León Latitud 20.67 22.77 21.12 20.02 19.7 20.57 25.69 Longitud -103.35-102.58-101.68-101.26-101.19-100.39-100.31 Altitud Radiación solar diaria promedio m Promedio kwh/m2/d 1483 2019 1951 1883 1502 1929 1082 5.81 5.76 5.79 5.91 5.58 5.86 5.16
Acapulco 16.86-99.89 409 6.14 Toluca Cuernavaca Ciudad de México Pachuca Puebla alapa Oaxaca Guerrero Estado de México Morelos 19.28 18.93-99.65-99.21 1928 1535 5.46 5.94 Distrito Federal Hidalgo Puebla Veracruz Oaxaca 19.43 20.1 19.05 19.55 17.07-99.13-98.74-98.2-96.92-96.72 1928 1324 1795 530 1005 5.46 5.16 5.4 4.6 5.26 Mérida Yucatán 20.97-89.62 34 5.3 Datos obtenidos de https://eosweb.larc.nasa.gov/sse/retscreen/ Para este ejemplo, utilizaremos el caso de la Ciudad de México (5.46 kwh/m2/d), para poder calcular las HPS debemos utilizar la siguiente formula: = ó 1,000 2 ( ( ) 2 ) Por lo que para obtener las HPS para la ciudad de México: = (5.46 / 2/ )(1000) 1000 2 = 5.46 Esto quiere decir que en la ciudad de México tenemos 5.46 Horas posibles para generar electricidad, ahora bien, es lo equivalente a tener prendido un generador durante 5.46 horas diarias. Por lo que podemos realizar el siguiente cálculo para un solo panel de 250 Watts. Por lo que
HPS Potencia Generación Generación Generación Ciudad de Nominal del diaria Mensual Anual México Panel (Wp) (1 día) (30.5 días) (365 días) 5.46 HPS 250 Wp 1,365 Wh 41,632.5 Wh 498,225 Wh 1.365 kwh 41.6325 kwh 498.225 kwh Este estimado no toma en cuenta factores, a favor como el hecho de que los paneles comienzan a generar desde 800 W/m2 ni factores en contra, como el calentamiento de los paneles, y las pérdidas del inversor y sistema en general. Utilizando un simulador certificado para esto, podemos obtener que un panel genérico genere alrededor de 370 kwh/año en la ciudad de México VENTAJAS DE LOS SISTEMAS FOTO VOLTAICOS Los SFV cuenta con ventajas muy claras del tipo ecológico y económico, las cuales enumeramos a continuación: Ventajas Ecológicas Ventajas Económicas Dejar de producir aproximadamente 1 tonelada Dependiendo del sistema y tarifa, recuperar la de Gases de efecto invernadero (GEI) por cada inversión en un plazo de 3 a 10 años. kwh. Reducir el consumo de combustibles fósiles a Para usuarios de tarifa DAC cambiar a tarifa nivel nacional DAC, pagando 300% menos por kwh Utilizar un sistema de energía renovable Obtener energía gratis después del año de recuperación
Depreciación acelerada lo que reduce el costo total del SFV SISTEMAS DE CREDITO PARA OBTENER UN SISTEMA FOTOVOLTAICO Actualmente en México, existen diversas formas de obtener un sistema foto voltaico, así como para obtener beneficios extras. Algunos de ellos son los programas PAEEEM y PEEF de Fide los cuales están orientados a personas físicas y morales con o sin actividad empresarial, así como los créditos para sistemas foto voltaicos de CI Banco. Los cuales ofrecen facilidades en cuanto a tasas de interés, tiempos de pago, facilidades de aprobación. A continuación enumeramos algunas características: Programa Características Institución que la otorga Tecnologías que cubre Programa PAEEEM Programa PEEF CI Panel Solar FIDE FIDE CI Banco SFV SFV Iluminación LED S Iluminación LED S Motores eléctricos Motores eléctricos eficientes eficientes Y más Y más SFV Monto máximo $ 350,000 M.N. Tasa de interés 14% + IVA anual Dependiendo del 15% + IVA 4 años proyecto 6 a 60 meses Plazo Enganche Tipo de cobro $200,000 M.N. NO 35% del valor total En el recibo de CFE Transferencia
Bancaria Régimen de pequeños contribuyentes A quien va dirigido Usuarios de casa Personas habitación con tarifa Persona Física con Actividad empresarial DAC Persona Moral Un Sistema Foto Voltaico, dependiendo de la escala y uso final, puede estar constituido principalmente de las siguientes maneras: Tipo de sistema Componentes Características Interconectados a la red Paneles Foto voltaicos Permite generar electricidad para el uso en el sitio sin soporte Inversor y/o enviarlo a la red para disminuir el consumo (C.A.) Estructura total. Medidor Bi direccional Interconectados a la red con Paneles Foto voltaicos Permite generar electricidad y almacenar una parte soporte Inversor de ellas, para su posterior utilización (sistema de (C.A.) Estructura soporte), además de enviar energía a la red de Baterías CFE para disminuir el consumo total. Controladores Ya que está conectado a la red, la cantidad de Medidor Bi direccional baterías es menor que en un sistema aislado, disminuyendo el coste Aislados Panel Foto voltaicos Genera energía para almacenarlo en baterías, y con soporte Inversor consumirlo por equipos comunes de Corriente (C.A.) Estructura Alterna. Baterías Útil en sitios donde no existe cobertura de la red de Controladores CFE Aislados Panel Foto voltaico Genera energía para almacenarla en baterías y con soporte Estructura consumirla con equipos de corriente directa. (C.C.) Baterías Muy utilizada en luminarias y equipos
Controladores especializados Aislados Panel Foto voltaico Genera energía para el consumo instantáneo de sin soporte Inversor equipos de corriente alterna (C.A.) Estructura (sistemas de bombeo) Aislados Panel Foto voltaico Genera energía para el consumo instantáneo de sin soporte Estructura equipos de corriente directa (C.C.) (calculadoras y equipos de bombeo) Si llegara a tener alguna duda al respecto, puede ponerse en contacto con nosotros a través de contacto@gcsolar.net o al +52 (55) 6284 8619. O visítenos en www.gcsolar.net. GC Solar cuenta con alianzas estratégicas para ayudarle a diseñar, instalar y poner en marcha sistemas fotovoltaicos y soluciones en energías alternativas, iluminación eficiente, refrigeración comercial.