Electricidad desde el Sol

De ninguna fuente de energía en el planeta se puede presumir que es inagotable, excepto de la radiación solar, recurso invaluable, sin costo, amable con los ecosistemas, constante. Ha sido tal el avance en cuestiones tecnológicas relacionadas con la generación mediante la energía del sol, que se proyecta como la opción más apropiada para reemplazar al petróleo y a otros hidrocarburos.

Por Gilberto Enríquez Harper.

Para diseñar un  sistema fotovoltaico se deben considerar los días nublados consecutivos por año en un sitio.

Actualmente, las energías renovables se encuentran en una buena posición con relación a las llamadas energías fósiles (carbón, petróleo, gas) para contribuir a satisfacer la demanda creciente en los sistemas eléctricos, y además de forma competitiva en términos económicos en la mayoría de los casos. A futuro, se espera que puedan jugar un papel importante en la sustitución de las energías fósiles no renovables, no sólo por su posible extinción, sino por la contaminación que producen.

Entre estas fuentes, la energía solar fotovoltaica es un recurso confiable y limpio de producción en pequeña y mediana escala. La tecnología fotovoltaica se define como aquélla usada para el aprovechamiento eléctrico de la energía solar, que se deriva de las llamadas celdas fotoeléctricas, por medio de las cuales la luz solar se transforma de manera directa en electricidad, aprovechando las propiedades de los materiales semiconductores.

En términos generales, un sistema fotovoltaico es como cualquier otro sistema de generación de energía eléctrica, sólo que el equipo usado es diferente del empleado en los sistemas convencionales de generación electromecánicos; sin embargo, los principios de operación e interconexión con otros sistemas eléctricos son los mismos y están guiados por normas y códigos bien establecidos.

Aun cuando un arreglo fotovoltaico produce potencia cuando se expone a la luz del sol, se requiere de algunas otras componentes para conducir, controlar, convertir, distribuir y almacenar en forma apropiada la energía producida. Las principales ventajas que ofrece un arreglo fotovoltaico son las siguientes:

• La energía proveniente del Sol es limpia y renovable; además, no tiene costo
• En muchos casos, reduce la dependencia energética
• Evita los costos de instalación y mantenimiento de redes eléctricas, particularmente cuando se trata de zonas aisladas
• Su instalación se hace con base en módulos, por lo que la potencia requerida se puede aumentar o distribuir, según se requiera
• Tienen un riesgo de falla y mantenimiento bajos; son, además, simples de instalar y silenciosos
• Es una tecnología en rápido desarrollo que tiende a reducir sus costos
• En el caso de instalaciones conectadas a la red se pueden obtener subvenciones

Hasta ahora, la mayoría de los sistemas fotovoltaicos existentes se han diseñado y construido para operar en forma aislada en aplicaciones remotas, como casas y ranchos en zonas rurales, donde el consumo de potencia es muy bajo. En realidad, esta tecnología inició su popularidad en años recientes y la causa ha sido principalmente de tipo económico, ya que el costo de kW/h producido con paneles fotovoltaicos es superior al producido con otras tecnologías convencionales (petróleo, gas, carbón, nuclear, etcétera).

En fechas recientes, ha habido un mejor desarrollo en la tecnología solar fotovoltaica, lo que ha permitido una mayor confiabilidad de estos sistemas y su abaratamiento en forma directa a través de una mejor eficiencia, aspecto que ante los problemas ambientales ha hecho que se tienda a incrementar el uso de esta tecnología.

La energía solar
La radiación solar no resulta un producto homogéneo; más bien, está constituido por un conjunto de radiaciones con distintas propiedades físicas que producen resultados distintos, según su estructura. Como expresiones de lo que se conoce como radiación, se tienen la luz y el calor. La caracterización de la radiación solar incidente en la tierra no resulta un problema sencillo de resolver, debido a estas razones, principalmente:

• La radiación solar es aleatoria, lo que hace imposible determinarla en una forma definitiva o exacta
• El movimiento relativo Sol-Tierra está regido por ecuaciones muy complejas que permiten determinar la posición relativa del Sol con respecto a cualquier punto de la superficie de la Tierra
• La Tierra orbita alrededor del Sol con dos movimientos diferentes que lleva a cabo al mismo tiempo:
• El movimiento de rotación alrededor de su eje (se le llama eje polar), que pasa por los dos polos y tiene una velocidad aproximada de una vuelta por día
• El movimiento de traslación alrededor del Sol, describiendo una órbita elíptica en la que éste ocupa uno de los focos. El plano que contiene esta órbita se llama Plano de la Elíptica y tarda un año en recorrerlo por completo

El llamado eje polar, o eje de rotación terrestre, sobre el que gira la tierra mantiene una dirección aproximadamente constante, formando un ángulo de 23.45 grados con el plano de la elíptica, denominado oblicuidad de la elíptica; es decir, la recta que une los centros de la Tierra y el Sol, y que cambia entre 23.45 y -23.45 grados. A este ángulo se le conoce como declinación solar.

La oblicuidad de la elíptica permite explicar básicamente dos cosas: el distinto calentamiento de la tierra en función de su posición en la órbita (es decir, las estaciones del año: primavera, verano, otoño e invierno) y la duración del día y de la noche a lo largo del año.

La declinación solar se anula en los equinoccios de primavera (22/23 sept.) y de otoño (20/21 marzo). En estos días, el Sol se encuentra en el ecuador y la duración del día es igual a la de la noche en toda la Tierra; además, las posiciones de salida y puesta del Sol coinciden con el Este y con el Oeste, respectivamente.

Figura 1. Trayectorias solares

Además de variar el tiempo que está sobre el horizonte, el Sol varía la altura que es capaz de alcanzar al mediodía. Para simplificar este problema, se asume que la Tierra se encuentra fija y el Sol está dando vueltas, de manera que un observador vería que el Sol sigue unas trayectorias como las mostradas en la figura 1.

La posición del Sol queda determinada por medio de dos ángulos: la altura y el azimut. La altura se define como el ángulo que forman el Sol, el observador y el horizonte, en tanto que el azimut es el ángulo que forma la proyección de la línea Sol-observador con dirección Sur.

En los aspectos relacionados con la energía solar, el uso de los ángulos de altura o elevación, y el azimut puede ser relevante para saber si un árbol o un edificio van a hacer sombra sobre el equipo solar en algún momento del año.

Montaje apropiado de colectores
Siempre se tiene un número de opciones para montaje. En la mayoría de los casos, no se cuenta con muchas opciones pues si el techo de las casas da al Suroeste y su paso es de 45 grados, éste se aplicará al montaje, a menos que se haga con paneles orientables, los cuales tienen un precio elevado.

Las mejores posiciones son las que están orientadas hacia el Sur. Para la altura, la mejor apuesta es orientar los paneles a la altura del Sol en la mitad de los equinoccios o alrededor del 20 de marzo y el 20 de septiembre; este ángulo depende de la latitud. Cuando se requiere más potencia, se debe instalar una mayor área de superficie, lo que es más económico y confiable que instalar paneles orientables.

Irradancia e insolación
Es necesario tener conocimiento de los conceptos básicos de la energía solar, como la irradiancia y la insolación, para poder comprender el funcionamiento y rendimiento de los sistemas fotovoltaicos. En particular, la insolación es un parámetro clave para el dimensionamiento de los sistemas fotovoltaicos.

El recurso solar de un sitio específico se puede caracterizar en términos de la irradiancia y la insolación. La irradiancia es la intensidad de la luz solar; sus unidades más comunes son watts por m² (W/m²) o kilowatt por metro cuadrado (kW/metro cuadrado). La superficie captadora en este caso es el arreglo fotovoltaico, que recibe más irradiancia cuando se orienta directamente hacia el Sol y no hay obstáculos que proyecten sombras, como nubes y árboles. En un día despejado, la irradiancia sobre una superficie perpendicular al Sol alcanza un máximo de entre 1 y 1.2 kW/metro cuadrado al mediodía.

La insolación es la cantidad de energía solar recibida durante un intervalo de tiempo; sus unidades son kilowatts hora por metro cuadrado (kW/h/metro cuadrado). Para dimensionar el sistema fotovoltaico, es necesario conocer la insolación diaria promedio, de preferencia si es para cada mes del año. El valor de la insolación diaria promedio se expresa por lo general en Horas Solares Pico (HSP). No se deben confundir las HSP con las llamadas “horas luz”, que corresponden a la duración del día.

Para el diseño de los sistemas fotovoltaicos, lo relevante es el conocimiento de las HSP y no las horas luz. La insolación diaria promedio varía entre 3 y 7 HSP, dependiendo del lugar.

Imagen 2. Ángulos para obtener la posición solar

Figura 3. Elementos del balance radiactivo Tierra-atmósfera

Factores que afectan el recurso solar
La irradiancia y la insolación son afectadas principalmente por factores atmosféricos, la latitud del sitio, la estación o época del año, y la inclinación de la superficie captadora, o sea el panel fotovoltaico. Los elementos de un balance radiactivo Tierra-atmósfera se indican en forma general en la figura 3, mostrando valores porcentuales de radiación infrarroja y radiación solar.

Para diseñar un sistema fotovoltaico, se debe tomar en consideración el número de días nublados consecutivos que se pueden tener en un sitio durante un año para, de esta manera, determinar en forma más precisa la capacidad del banco de baterías que requiere el sistema. Es importante hacer notar que la irradiancia es un parámetro fundamental en el dimensionamiento de un proyecto fotovoltaico, ya que su tamaño y la conexión entre paneles dependen en mucho del valor de la irradiancia en el sitio de la instalación.

Otro factor que afecta la incidencia de la radiación sobre un captador solar o panel fotovoltaico es el movimiento aparente del Sol a lo largo del día y durante el año. Este movimiento repercute en la “altura aparente” del Sol y consecuentemente en la duración del día. En el verano, los días son más largos que en el invierno. Debido a esta variación, la insolación recibida sobre la superficie de la Tierra cambia anualmente.

Para determinados estudios específicos, se debe disponer de información puntual de los niveles de insolación en un sitio en particular. La posición es otro factor que influye de manera significativa en el aprovechamiento de la irradiancia. Básicamente, existen dos tipos: la posición de un arreglo fijo, que está dada por su orientación y el ángulo de inclinación, y que corresponde a los llamados sistemas solares pasivos, en donde el único movimiento es el relativo del Sol con respecto a la Tierra; el otro arreglo se conoce como orientable o seguidor solar, en donde los captadores tienen mecanismos mediante los cuales “van siguiendo” la posición del Sol, haciendo más eficiente el aprovechamiento de la radiación solar. En un arreglo fijo, para obtener la mayor insolación anual total sobre un arreglo fotovoltaico, la inclinación en grados debe ser igual a la latitud del lugar y la mayor orientación se debe hacer hacia el sur verdadero.

Instalación de paneles fotovoltaicos

En ciertos casos, es recomendable seleccionar una inclinación distinta de la latitud para que la insolación sobre el arreglo coincida mejor con el patrón de demanda de energía del proyecto. Para evitar la acumulación de polvo, el ángulo de inclinación no debe ser menor a 10 grados. Para los fines de orientación se puede usar el sur magnético que indica una brújula. Puede haber una pequeña diferencia entre el sur magnético y el sur verdadero debido a la inclinación magnética del sitio. Esto no representa un problema, a menos que sobrepase los 15 grados. En Latinoamérica, esto ocurre sólo en el extremo Este de Brasil.

La mayoría de los arreglos fotovoltaicos pequeños usados en zonas rurales en forma aislada, domésticos aislados o domésticos, y comerciales en edificios se instala sobre estructuras fijas, ya que esta forma resulta la solución más económica.

Sistemas seguidores
Los seguidores permiten que el arreglo fotovoltaico se mantenga orientado hacia el Sol el mayor número de horas posible durante todo el día y a lo largo del año, de manera que la insolación y, en consecuencia, la energía producida por el arreglo pueden aumentar de 15 a 30 por ciento, dependiendo de la latitud del lugar y de la época del año.

Sistemas activos solares
Los sistemas pasivos solares sólo tienen como parte móvil el Sol (visto desde la Tierra). A diferencia de esto, los llamados sistemas activos solares se apoyan en equipo complicado y sensores. Su aplicación principal es para calefacción de agua. Entre estos, se encuentran los sistemas de seguimiento solar que emplean elementos seguidores del movimiento del Sol que favorecen e incrementan la captación solar.

Para estos colectores existen tres tipos de soportes:

• Colocación sobre soporte estático. Soporte sencillo sin movimiento, es el sistema más común en las instalaciones
• Sistema de seguimiento solar de un eje. Estos soportes tienen capacidad para hacer un cierto seguimiento solar, la rotación del soporte se hace por medio de un sólo eje, ya sea horizontal, vertical u oblicuo. El tipo de seguimiento es sencillo y relativamente económico, pero limitado, ya que sólo puede seguir la inclinación o el azimut del Sol, pero no ambos simultáneamente
• Sistema de seguimiento solar de dos ejes. Con este sistema es posible hacer un seguimiento total del Sol en altitud y azimut, con lo que se consigue que la radiación solar siempre incida en forma perpendicular, obteniendo la mayor captación posible. Los sistemas básicos de regulación del seguimiento del Sol por dos ejes son los siguientes:
• Sistemas mecánicos. El seguimiento se realiza por medio de un motor y un sistema de engranes que se ajustan de acuerdo con las variaciones de la inclinación del Sol durante el año
• Con dispositivos de ajuste automático. En este caso, el ajuste se hace por medio de sensores que detectan cuando la radiación no incide en forma perpendicular sobre el panel fotovoltaico, consiguiéndose la posición por medio de motores
• Dispositivos sin motor. En estos sistemas, por medio de la dilatación de ciertos gases, la evaporación y el equilibrio entre éstos permite un seguimiento del Sol. Con estos sistemas se estima un aumento de entre 30 y 40 por ciento de la captación solar

Seguidor solar

Diagrama de una fotocelda de silicio cristalino

Celda solar o fotovoltaica

Fundamentos de la tecnología fotovoltaica
Es posible convertir directamente energía solar en energía eléctrica mediante un proceso fotovoltaico. La fotovoltaica es una tecnología basada en semiconductores que convierte energía proveniente de la luz solar directamente en corriente eléctrica, la cual se puede usar de forma inmediata o almacenarse en una batería, por ejemplo, para su uso posterior. El efecto fotovoltaico es la generación de una fuerza electromotriz (f.e.m.), como resultado de la absorción de la radiación ionizante.

Principio básico de trabajo de una celda solar

Los dispositivos para conversión de la energía que se usan para transformar la luz solar en electricidad por efecto fotovoltaico son conocidos como celdas fotovoltaicas o celdas solares; es decir que una celda solar es un transductor que convierte la energía radiante del Sol directamente en electricidad. Básicamente, es un diodo semiconductor capaz de desarrollar un voltaje de 0.5 a 1 V y una densidad de corriente de 20 a 40 mA/cm², dependiendo de los materiales usados y de las condiciones de luz solar.

El efecto fotovoltaico se puede observar de forma natural en una variedad de materiales, pero los que tienen un mejor desempeño en la luz solar son los semiconductores. Cuando los fotones de la luz del Sol son absorbidos en un semiconductor, se crean electrones libres (y agujeros) con energías más altas que los electrones que proporcionan la vinculación en la base de cristal.

Una vez que estos pares de huecos o agujeros de electrones libres son creados, debe haber un campo eléctrico para inducir estos electrones de energías más altas a fluir fuera del semiconductor, de modo que desarrollen un trabajo útil. En una celda solar típica, esto se puede hacer mediante el uso de uniones p-n. Es sabido que si un campo eléctrico existe a través de una unión p-n, dicho campo recoge a los electrones en una dirección y a los agujeros en otra.

Las celdas fotovoltaicas están hechas de materiales semiconductores, usualmente silicio. Para las celdas solares se tiene una especie de obleas delgadas de semiconductor, especialmente tratadas para formar un campo eléctrico positivo de un lado y negativo del otro.

La corriente producida por la celda fotovoltaica es una corriente directa (C.D.), la cual se puede convertir, cuando es necesario, en corriente alterna (C.A.) con la ayuda de un equipo apropiado (inversor). La principal diferencia entre la energía fotovoltaica y otros tipos de energía solar es que el fotovoltaico utiliza el Sol directamente en la forma de luz solar, en tanto que otras tecnologías solares usan el calor del astro. Las celdas fotovoltaicas tienen un mantenimiento bajo y larga vida; no tienen partes móviles y sus componentes son de electrónica del estado sólido. Esto hace posible usar los sistemas fotovoltaicos en sitios remotos, donde los recursos son escasos.

En general, el costo de la energía fotovoltaica es relativamente alto, sin importar que existan ciertas aplicaciones para las que la tecnología fotovoltaica es más barata. En ciertos casos, esta tecnología es preferida sobre otras debido a sus beneficios de mínimo impacto ambiental para generar electricidad, sin producción de ruido. Los sistemas fotovoltaicos se pueden combinar con otros tipos de sistemas eléctricos para satisfacer la demanda; por ejemplo: eólico, hidráulico o diesel.

Se ha desarrollado una investigación sustancial y esfuerzos para implementar en todo el mundo amplias bases para mejorar la viabilidad de la generación de energía eléctrica fotovoltaica. Asimismo, se ha incrementado el uso de unidades fotovoltaicas de pequeña potencia (en tamaños que varían desde unos pocos watts hasta unos pocos kW) para uso local.

Construcción del modulo

Módulos fotovoltaicos

Un módulo fotovoltaico, también llamado panel solar, es un conjunto de celdas interconectadas eléctricamente y protegidas contra la intemperie. Por lo general, tienen una cubierta frontal de vidrio templado y un marco de aluminio templado que facilita su transporte e instalación. Debido a que no tienen partes móviles, son muy confiables y duraderos. Algunos fabricantes los garantizan hasta por 25 años por defectos de fábrica y reducción de eficiencia. Otra característica importante es que requieren mínimo mantenimiento.

Los fabricantes ofrecen módulos de distintos tamaños o potencia nominal; pueden estar en el rango de 10 a 300 W, siendo un valor común 50 W de potencia nominal que tiene un área de aproximadamente 0.5 m².

El comportamiento eléctrico de los módulos fotovoltaicos está dado por las curvas de corriente contra voltaje (curva I-V), que especifican la corriente que produce el módulo en un rango de voltaje. Es importante notar que la potencia que entrega el módulo se reduce cuando no opera a voltaje óptimo. Si esto ocurre, la potencia que entrega se reduce. Una forma más sencilla de especificar las características de los módulos es definiendo la potencia, el voltaje y la corriente nominal en condiciones estándar de prueba (CEP).

La potencia nominal corresponde a la potencia máxima (Pmp). La corriente y el voltaje que corresponden con Pmp se denominan corriente y voltaje nominal del módulo Imp y Vmp, respectivamente. En la mayoría de los módulos, el voltaje nominal Vmp es del orden de 17 volts, aun cuando puede haber otros valores mayores.

En los sistemas fotovoltaicos independientes o aislados, los módulos operan al voltaje de la batería que se encuentra en forma típica entre 12 y 14 volts. Otros parámetros importantes por especificar son la corriente de cortocircuito (Icc) y el voltaje de circuito abierto (Voc).

Efecto de la irradiancia y la temperatura
Normalmente, en la parte posterior, todo módulo fotovoltaico tiene una placa del fabricante que indica datos, como el modelo y las especificaciones eléctricas. Los datos de placa de los paneles solares o módulos solares son verificables en condiciones estándar de prueba. En condiciones reales, durante su operación, la irradiancia  y la temperatura rara vez corresponden con las condiciones estándar de prueba; por lo tanto, no se obtienen los datos de la placa. La irradiancia afecta la corriente y la potencia del módulo de forma proporcional, pero no al voltaje de manera apreciable.

Los módulos que se comercializan cuentan con diodos de paso, llamados también diodos antirretorno, los cuales se encuentran dentro de la caja de conexiones. Sirven para que, por ejemplo, cuando un módulo esté bajo condiciones de sombra, se convierta en una carga eléctrica para el sistema fotovoltaico.

Los arreglos fotovoltaicos se pueden instalar de diversas formas para las aplicaciones que se requieran, tanto en zonas rurales como en urbanas. En general, se pueden instalar sobre el terreno en bases diseñadas ex profeso, sobre techos y muros, en postes y, eventualmente, en andadores, persianas, etcétera.

Dependiendo de los requerimientos funcionales y operacionales del sistema, las componentes específicas requeridas pueden incluir componentes primarias, como inversores de C.D. en C.A., bancos de baterías, controladores para el sistema y el banco de baterías; fuentes auxiliares y, en algunas ocasiones, cargas específicas. En adición, se requieren otros equipos y elementos, como conectores, dispositivos de desconexión y algunos otros equipos necesarios para el proceso.

Sistema interconectado a la red eléctrica

Diagrama típico de una instalación fotovoltaica aislada

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