Sistemas Fotovoltaicos: panorama actual mexicano

El nuevo sexenio maneja una gran disyuntiva en el manejo de las energías renovables como cumplimiento de una llamada Reforma Energética proyectada en el sexenio anterior, así como el Código de Red; por ello, resulta importante conocer por qué el uso de esas fuentes no son un simple número y compromiso, sino un requerimiento de inclusión de México en la lista de países con el uso adecuado de los portadores energéticos

Por José Ordoñez López

Las energías renovables –como la eólica, solar, hidráulica y geotérmica– muestran un crecimiento imparable y tienen el respaldo de la comunidad internacional. No son una cuestión de moda o un fenómeno temporal.

México se ha tomado con seriedad este tema, como parte de la profunda transformación que está viviendo el mercado eléctrico del país, situándose en el top 10 de los países más atractivos para invertir en energías renovables, según varios estudios y rankings publicados. Pero, ¿qué podemos esperar para los próximos años?

En primer lugar, y para entender en qué situación se encuentra México, debemos hacer referencia a los objetivos establecidos por el gobierno en materia de energías limpias y su grado de cumplimiento: la energía generada en el país procedente de fuentes limpias debe ser el 35 por ciento en 2024 y el 50 por ciento en 2050.

Entre los mecanismos para impulsar el desarrollo de las energías renovables en el país se encuentra el mercado de Certificados de Energías Limpias (CELs). Este último con base en la obligación de grandes consumidores para tener un nivel mínimo de consumo procedente de energías limpias, desde el 5 por ciento, en 2018, hasta el 13.9 por ciento en 2022. Ahora cabe la pregunta: ¿existe infraestructura para lograrlo?

Un importante reto tiene que ver con los precios de la electricidad en el mercado. La reducción de los precios de la electricidad es uno de los objetivos de la Reforma Energética; por tanto, niveles de precios excesivamente bajos pueden dejar de hacer atractivos los proyectos de energía renovable en comparación con otras tecnologías y fuentes de energía, por ejemplo, las plantas de ciclo combinado de gas.

Actualmente existen varias limitaciones en la red de transmisión del país. El desarrollo de una red eléctrica sólida y confiable será crucial para ser capaces de desarrollar todas las centrales de generación previstas. Se requiere una importante inversión en infraestructura eléctrica, que incluye más kilómetros de líneas de transmisión, carreteras, etc. Debe señalarse que el Sistema Eléctrico Nacional (SEN) está formado por el Sistema Interconectado Nacional (SIN) más todos los Sistemas Eléctricos Aislados (SEA) que conforman las fuentes de energía renovable, entre otros.

Por otro lado, es complejo definir los principales elementos a considerar a la hora de diseñar un sistema FV, pero se resumirán los que pueden variar en función de tres factores principales:

Estructura de soporte (se puede utilizar estructura fija o con seguimiento solar)

Tipo de tecnología de módulo fotovoltaico, ya sea por la tecnología del semiconductor empleado (silicio cristalino vs diversas tecnologías de paca fina) o por el tamaño (60 o 72 células)

Inversor: elemento encargado de la conversión de la energía de corriente directa CD a corriente alterna CA, cuyas potencias pueden variar desde los 240 W hasta el orden de los MW (con un valor típico de 500 kW en inversores de gran tamaño)

Estructura de soporte en sistemas FV
Este tema va muy relacionado con la restricción de espacio y tipo de terreno, así como la región de ubicación. En sus inicios se dio gran importancia a los seguimientos en dos ejes, pero en la actualidad está en desuso debido al elevado costo de la instalación, mantenimiento y necesidad de grandes superficies.

Las estructuras fijas se basan en la idea de que el módulo se instalará en una posición asentada durante todo el año; es decir, si para obtener una máxima producción del módulo es preciso buscar la radiación directa, entonces hay que ponerlo en una posición fija que en la media anual proporcione su máxima producción.

Figura 1. Célula fotovoltaica

Tipo de tecnología del módulo
Las tecnologías FV están divididas en dos categorías principales: wafer based silicon y thin film technologies. La primera es conocida como paneles de silicio o silicio cristalino (ver Figura 1) y las conocidas como capa fina se suelen denominar dependiendo del material usado en su fabricación.

El silicio cristalino (c-Si) son las formas cristalinas de silicio, ya sea silicio multicristalino (multi-Si), que consiste en pequeños cristales, o silicio monocristalino (mono-Si), un cristal continuo. El silicio cristalino es el material dominante utilizado en la tecnología fotovoltaica para la producción de células solares. Estas células se ensamblan en paneles solares como parte de un sistema fotovoltaico para generar energía a partir de la luz solar (ver Figura 2).

La dependencia de la potencia de un módulo fotovoltaico respecto a la temperatura se debe a las características propias del material semiconductor utilizado en su construcción. Este vínculo es lineal y se conoce como coeficiente de temperatura, cuyas unidades son (% / °C) y es un valor negativo, es decir, mientras mayor es la temperatura mayor es la caída de potencia del módulo fotovoltaico. Este coeficiente depende del material semiconductor seleccionado, y por ello la importancia de este tema al determinar qué tipo de celdas fotovoltaicas seleccionar.

Diversos fabricantes en sus tablas manejan que el coeficiente de temperatura en módulos cristalinos (tanto mono como policristalino) es mínimo (-0.42 por ciento / °C). La diferencia sustancial está en los conocidos por capa fina (que tienen -30 por ciento / °C), lo cual es un factor de eficiencia del sistema fotovoltaico.

Figura 2. Sistema fotovoltaico

Inversor
El inversor de conexión a red es un equipo de electrónica cuya misión principal es convertir la potencia y energía generada en modo de corriente continua por el panel solar en potencia y energía sincronizada con la red de corriente alterna.

De la configuración en serie y paralelo de los módulos fotovoltaicos tenemos un generador equivalente que proporcionará la tensión y la corriente del inversor. Lo que hace el inversor de conexión a la red es iterar hasta encontrar el punto de máxima potencia (MPP) en lo que se conoce como Maximum Power Point Tracking (MPPT) (ver figura 3).

Figura 3. Curva U-I

En la figura se ilustran datos para una celda, y el sistema de generación solar no es más que la combinación de celdas en serie paralelo. El inversor que realizará lecturas será el mismo, con la diferencia del rango de tensión e intensidad en función de esa configuración. Por tanto, el inversor de conexión a la red busca la máxima área del sistema de generación en cada momento. Todo esto variará en función de la irradiación solar y la temperatura, siendo la búsqueda del MPP en tiempo real cada instante.

Esta función del inversor de conexión a la red y su algoritmo de búsqueda va a determinar la eficiencia del mismo. De igual forma, pueden existir casos donde el inversor reciba una orden concreta y fuerce el punto a una tensión determinada para tener una potencia a la salida (ver figura 3, punto B), conocido como punto de potencia máxima.

El inversor conectado a la red de forma continua “lee” a la red que se van a conectar determinados parámetros y sincroniza con ella, convirtiendo la energía de corriente continua en corriente alterna y definida por los parámetros del sistema.

La eficiencia de los sistemas fotovoltaicos no es una utopía, es una realidad demostrada. En muchas ocasiones culpamos a las tecnologías cuando la verdad han sido causas ajenas a estas lo que hace ineficiente la solución. Documentarnos y conocer los elementos básicos para una selección es fundamental para tomar una decisión que sea una solución eficiente.

Principales ventajas de las plantas fotovoltaicas (FV):

  • Generación distribuida donde se requiera
  • No emisión de materiales contaminantes
  • Ahorro de combustibles fósiles
  • Fiabilidad de las plantas (vida útil superior a los 20 años)
  • Costos de mantenimiento y operación reducidos (comparado con otros sistemas de generación)
  • Modularidad de los sistemas (para aumentar la potencia de la planta basta con el incremento en el número de paneles, previo estudio)

La electricidad anual generada por sistemas fotovoltaicos depende de diversos factores, entre ellos:

  • Radiación solar en la región de estudio
  • Evaluación de la inclinación y orientación de los paneles
  • Presencia de sombras, ya sea por la naturaleza, región o edificaciones
  • Rendimientos técnicos de los componentes de la planta (principalmente módulos e inversores)

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José Ordoñez López
Egresado de Ingeniería Eléctrica y Máster en Ciencias por el Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría ISPJAE, La Habana, Cuba. Trabaja en temas de protección contra descargas eléctricas y sobretensiones. Ha dictado clases en el Instituto Superior Politécnico ISPJAE, Universidad Panamericana, Universidad La Salle, Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Ciudad de México. Actualmente es director de Ingeniería y Soluciones Integrales.

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