Generación de energía solar fotovoltaica

Luis Jutglar Banyeras

• Editorial: Marcombo
• Año: 2013
• ISBN:
  9788426720375
• Edición: 1
• Categoría: Tecnología e ingeniería
• Categoría: Recursos de energía renovable

A pesar que el coste del kWp instalado, sigue siendo muy elevado, disfrutan de una serie de ventajas los hace muy atractivos: Su eficiencia es prácticamente independiente de la potencia instalada. El nivel tecnológico necesario para su instalación es muy simple. Requieren una infraestructura muy simple, comparada con otros sistemas de generación eléctrica. No tienen elementos mecánicos ni partes móviles, excepto si se trata de paneles orientables. Su mantenimiento, excepto el de los acumuladores de electricidad, es casi nulo. No son ruidosos, no requieren refrigeración ni emiten gases. Consumen una energía gratuita, inagotable y que es respetuosa con el medioambiente. Son totalmente autónomos, pueden instalarse en puntos de difícil acceso y en lugares remotos. En el mercado se encuentran paneles que pueden sustituir elementos arquitectónicos en cubiertas y fachadas, cumpliendo dos funciones: actuar como cerramiento y generar energía. Este libro se ha escrito con el deseo que pueda servir de introducción al cálculo de instalaciones autónomas e instalaciones conectadas a la red, prestando especial atención al aspecto pedagógico de la materia tratada. También se ha tenido en cuenta, al tratar las aplicaciones prácticas, la documentación oficial publicada por el IDAE y el Gobierno (Pliegos de Condiciones Técnicas y Código Técnico de la Edificación.

1. INTRODUCCIÓN

1.1 Interés de la energía fotovoltaica

Es conveniente distinguir los conceptos fuente energética y vector energético. El primero se refiere a aquello que puede utilizarse para obtener energía, mientras que el segundo se aplica a aquello que puede utilizarse para transportar la energía de un punto a otro. Así el petróleo, el agua en un embalse, el Sol, etc. son fuentes energéticas; mientras la electricidad, el aire comprimido, el vapor de agua, etc. son vectores energéticos.

Los generadores de electricidad fotovoltaicos presentan dos grandes ventajas:

• Utiliza una fuente energética inagotable, que es la energía solar, que además no contamina, es silenciosa, no tiene emisiones, los residuos son mínimos (ácido de las baterías, elementos obsoletos por envejecimiento, etc.), es gratuita, etc.
• Generan un vector energético excelente: se transmite mediante un sistema muy simple (el cable eléctrico), permite transportar una gran cantidad de energía a grandes distancias con pérdidas mínimas, es extraordinariamente versátil puesto que puede aplicarse a la producción de en trabajo mecánico, calor, procesos químicos, iluminación, etc.

Por otra parte, la evolución de la humanidad está conduciendo a una demanda creciente de energía y es necesario, creemos que cada vez lo será más, tener presentes todas las posibilidades que la naturaleza y la técnica nos ofrecen.

1.2 Generación de electricidad a partir de la energía solar

Existen dos métodos principales para generar electricidad a partir de la energía radiada por el Sol, que pueden clasificarse en dos grandes grupos: conversión indirecta pasando a través de la producción de calor y la conversión directa.

Dentro del primer grupo se incluyen sistemas que funcionan como una central térmica convencional en la que el calor aportado es de origen solar. En líneas generales el calor es generado por colectores de alta temperatura, la suficiente para generar vapor recalentado, este vapor mueve un grupo turboalternador, pasa por un condensador y regresa al generador de calor. El calor solar alimenta un ciclo Rankine convencional. También se incluyen los ensayos realizados con motores térmicos, que funcionan siguiendo un ciclo de gas, como por ejemplo el ciclo Stirling o análogo.

Los sistemas de conversión directa se basan en la utilización de células fotoeléctricas, que es el objeto de este libro, las cuales son capaces de convertir una fracción de la radiación solar incidente en energía eléctrica en corriente continua, lo cual limita el rendimiento del sistema.

A fin de tener una orientación aproximada sobre la capacidad de los sistemas fotovoltaicos, en la tabla 1 se ofrece un listado de sus características medias, para los tipos de células más utilizados.

Tabla 1. Perspectiva de las características medias de las células de silicio.

1.3 Aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos

Los sistemas fotovoltaicos disfrutan de unas ventajas que pueden hacerlos muy atractivos y que resumiremos a continuación:

• Su eficiencia es prácticamente independiente de la potencia instalada.
• El nivel tecnológico necesario para su instalación es muy simple.
• Requieren una infraestructura muy simple, comparada con otros sistemas de generación eléctrica.
• No tienen elementos mecánicos ni partes móviles, excepto si se trata de paneles orientables.
• Su mantenimiento, excepto el de los acumuladores de electricidad, es casi nulo.
• No son ruidosos, no requieren refrigeración ni emiten gases.
• Consumen una energía gratuita, inagotable y que es respetuosa con el medioambiente.
• Son totalmente autónomos, pueden instalarse en puntos de difícil acceso y en lugares remotos.
• En el mercado se encuentran paneles que pueden sustituir elementos arquitectónicos en cubiertas y fachadas, cumpliendo dos funciones: actuar como cerramiento y generar energía.

Actualmente se aplican principalmente a:

• Electrificación autónoma de viviendas situadas en zona aisladas o de baja cobertura eléctrica.
• Dispositivos y aparatos que demandan poca potencia y están situados en puntos de difícil acceso, como balizas y boyas, repetidores de telecomunicación, etc.
• Dispositivos y aparatos que demandan poca potencia, en los que el precio del sistema fotovoltaico compensa el coste de la conexión a la red, como teléfonos de auxilio en autopistas, iluminación exterior de jardines, etc.
• Instalaciones de mediana y gran potencia conectadas a la red.
• Edificios con paneles integrados en su estructura y conectados a la red.
• Pequeños aparatos de bajo consumo como calculadoras de bolsillo, juguetes, relojes, accesorios para camping, etc.
• Bombeo de agua e instalaciones cuya demanda energética es similar. La energía solar se consume cuando se produce y los excedentes pueden almacenarse fácilmente.

1.4 Clasificación de instalaciones fotovoltaicas

Atendiendo a su relación con la red eléctrica nacional, se clasifican en:

• Autónomas, también llamadas en isla. No tienen ningún tipo de conexión con la red pública y, en consecuencia, no se ven obligadas a suministrar una corriente de características determinadas. Normalmente son instalaciones de potencia modesta, dedicadas al sector doméstico, señalización terrestre y marítima, telecomunicaciones y, en general, puntos de demanda de electricidad situados en zonas no electrificadas.
• Conectadas. Están conectadas a la red pública a la cual vierten la energía generada. Son instalaciones de potencia considerable, que pueden clasificarse en dos grandes grupos: edificios solares, en los que los paneles se instalan en la fachada y cubierta de los mismos, y las llamadas granjas solares, que consisten en grandes superficies de terreno cubiertas de paneles fotovoltaicos.
• Otros tipos. No son muy frecuentes, pero pueden existir otros dos tipos: paralelo y asistido. En el primero la demanda eléctrica del consumidor está alimentada por la red pública y por el equipo fotovoltaico propio, mientras que el segundo la red pública solo aporta electricidad cuando la generación propia es insuficiente.

Atendiendo al servicio que prestan, dado que suelen tener características específicas, pueden distinguirse las categorías siguientes:

• Individuales.
• Colectivas.
• Señalización y telecomunicaciones.
• Bombeo de agua.
• Pequeños aparatos y dispositivos.
• Instalaciones móviles.

Atendiendo al seguimiento del Sol, las superficies receptoras pueden agruparse en:

• Fijas sobre una estructura de soporte independiente. Los paneles se instalan sobre soportes, con una orientación e inclinación fija, situados normalmente en la cubierta de un edificio, pared, suelo, etc.
• Fijas e integradas en un edificio o construcción. Los paneles se integran en los cerramientos del edificio de tal forma que pueden sustituir elementos de construcción tales como, tejas o acabado final de fachadas. También pueden instalarse integradas en construcciones o estructuras tales como sombreado de aparcamientos al aire libre, tejadillos de gasolineras, cubiertas de almacenes, etc.
• Orientables. Los paneles se instalan sobre soportes que se mueven siguiendo la posición del Sol a lo largo del día. Existen tres tipos seguimiento: el panel gira alrededor de un eje paralelo al plano horizontal siguiendo al Sol en su movimiento en altitud, el panel gira alrededor de un eje paralelo al eje de la Tierra y que sigue al Sol en su movimiento de Este a Oeste, el panel puede girar alrededor de los dos ejes anteriores de manera que su superficie siempre se mantiene perpendicular a los rayos solares.

2. EL SISTEMA SOL - TIERRA

2.1 Introducción

El Sol es una estrella que emite energía electromagnética y la Tierra es un planeta que gira a su alrededor siguiendo una órbita aproximadamente elíptica que recibe una pequeñísima fracción del total. Esta ínfima fracción viaja por el espacio, llega a la Tierra, atraviesa la atmósfera, finalmente incide sobre la superficie terrestre con una cierta inclinación e intensidad y puede ser captada por un módulo fotovoltaico o cualquier otro dispositivo.

En su viaje desde el Sol hasta la superficie captadora ocurren una serie de fenómenos que atenúan su intensidad. Este capítulo se dedicará exponer las ecuaciones, tablas y métodos de cálculo que permiten averiguar la energía solar recibida por una superficie situada bajo la capa atmosférica.

2.2 Movimiento de la Tierra alrededor del Sol

Respecto del Sol, la Tierra está animada de un movimiento complejo, que es el resultado de tres movimientos simples: traslación, rotación y nutación.

• Traslación. La Tierra se mueve alrededor del sol describiendo aproximadamente una elipse con el Sol situado cerca de uno de sus polos. El plano que contiene esta elipse se denomina plano de la eclíptica. El año viene definido por el tiempo que tarda la Tierra en dar una vuelta completa alrededor del Sol.
• Rotación. La Tierra gira sobre sí misma, alrededor de un eje ficticio que pasa aproximadamente por los polos magnéticos. Dicho eje forma un ángulo de 23^o 27’ con la normal al plano de la eclíptica. La duración del día viene definida por el tiempo que tarda la Tierra en efectuar un giro completo.
• Nutación. El eje de giro de la Tierra experimenta un ligero movimiento de oscilación alrededor de una posición central definida por el ángulo anterior.

En el recorrido de la Tierra alrededor del Sol se identifican cuatro puntos característicos, que definen las estaciones meteorológicas del año (ver figura 1), que son los siguientes:

• Afelio. Es el punto de la órbita en que la Tierra está más alejada del Sol. Para el hemisferio Norte es el denominado solsticio de verano e indica el comienzo del verano. Para el hemisferio Sur indica el comienzo del invierno.
• Perihelio. Es el punto de la órbita en que la Tierra está más cerca del Sol. Para el hemisferio Norte es el denominado solsticio de invierno e indica el comienzo de esta estación, mientras que en el hemisferio Sur ocurre lo contrario, empieza el verano.

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