Energía fotovoltaica (página 2)

Las celdas solares comerciales se fabrican con lingotes
de silicio de alta pureza (material muy abundante en la
arena).  El lingote es rebanado en forma de placas delgadas
llamadas obleas.  El espesor típico usado es del
orden de 300 nm (0.3 mm).  Una fracción muy
pequeña de tal espesor (del orden de 0.5 nm) es impregnado
con átomos de fósforo.  A esta capa se le
conoce como tipo-n. 

El resto de la oblea es impregnado con átomos de
boro y se forma la capa conocida como tipo-p.  Estas capas
forman un campo eléctrico (voltaje interno
construído) dentro de la oblea y cerca de la superficie
que recibe la luz del sol.  Dicho voltaje es el responsable
de separar a las cargas fotogeneradas positivas (huecos) y
negativas (electrones).

La celda cuenta con dos terminales que se conectan a un
circuito externo para extraer la corriente eléctrica
producida.  La cara de la oblea expuesta a la luz, posee un
enrejado metálico muy fino (plata y/o aluminio), el cual
colecta los electrones fotogenerados.  Esta capa corresponde
a la terminal negativa.  Sobre este enrejado está
conectado uno de los conductores del circuito exterior.  La
otra cara cuenta con una capa metálica, usualmente de
aluminio.  Esta corresponde a la terminal positiva ya que en
ella se acumulan las cargas positivas.  Sobre esta capa
está conectado el otro conductor del circuito
exterior.  También la celda esta cubierta con una
película delgada anti reflejante para disminuir las
pérdidas por reflexión.

Figura.  Generación
eléctrica en una celda fotovoltaica

PANEL
SOLAR

Están formados por varias celdas
fotovoltaicas

Las células se montan en serie sobre paneles o
módulos solares para conseguir un voltaje adecuado a las
aplicaciones eléctricas; los paneles captan la
energía solar transformándola directamente en
eléctrica en forma de corriente continua, que se almacena
en acumuladores, para que pueda ser utilizada fuera de las horas
de luz.

Los módulos fotovoltaicos admiten tanto
radiación directa como difusa, pudiendo generar
energía eléctrica incluso en días
nublados.

En general las células tienen potencias nominales
próximas a 1Wp, lo que quiere decir que con una
radiación de 1000W/m2 proporcionan valores de
tensión de unos 0,5 V y una corriente de unos dos
amperios.

Para obtener potencias utilizables para aparatos de
mediana potencia, hay que unir un cierto número de
células con la finalidad de obtener la tensión y la
corriente requeridas.

Para tener más tensión hay que conectar
varias células en serie. Conectando 36 (dimensiones
normales, 7.6 cm de diámetro) se obtienen 18 V,
tensión suficiente para hacer funcionar equipos a 12V,
incluso con iluminaciones mucho menores de 1kW/m2.

La unidad básica de las instalaciones
fotovoltaicas es, pues, la placa fotovoltaica, que contiene entre
20 y 40 células solares; estas placas se conectan entre
sí en serie y/o paralelo para obtener el voltaje deseado
(12V, 14V, etc.).

Estas células interconectadas y montadas entre
dos láminas de vidrio que las protegen de la intemperie
constituyen lo que se denomina un módulo
fotovoltaico.

• ELEMENTOS

GENERADOR SOLAR: conjunto de paneles
fotovoltaicos que captan energía luminosa y la transforman
en corriente continúa a baja tensión.

ACUMULADOR: Almacena la energía producida
por el generador. Una vez almacenada existen dos
opciones:

• Sacar una línea de éste para la
  instalación (utilizar lámpara y elementos de
  consumo eléctrico).
• Transformar a través de un inversor la
  corriente continua en corriente alterna.

 REGULADOR DE CARGA: Su función es
evitar sobrecargas o descargas excesivas al acumulador, puesto
que los daños podrían ser irreversibles. Debe
asegurar que el sistema trabaje siempre en el punto de
máxima eficacia.

INVERSOR (opcional): Se encarga de transformar la
corriente continua producida por el campo fotovoltaico en
corriente alterna, la cual alimentará directamente a los
usuarios.

Un sistema fotovoltaico no tiene porque constar siempre
de estos elementos, pudiendo prescindir de uno o más de
éstos, teniendo en cuenta el tipo y tamaño de las
cargas a alimentar, además de la naturaleza de los
recursos energéticos en el lugar de
instalación.

Tipos de Sistemas
Fotovoltaicos

• Sistemas autónomos o
  Remotos

Los sistemas autónomos son el mercado que
estimuló la producción industrial de módulos
Fotovoltaicos y dio credibilidad a la energía, al
demostrar que pese a su costo, son la opción más
económica en algunas aplicaciones terrestres.

La energía generada a partir de la
conversión fotovoltaica se utiliza para cubrir
pequeños consumos eléctricos en el mismo lugar
donde se produce la demanda.

• Es el caso de aplicaciones como la
  electrificación de:
  viviendas alejadas de la red eléctrica convencional,
  básicamente electrificación rural;
• servicios y alumbrado público:
  iluminación pública mediante farolas
  autónomas de parques, calles, monumentos, paradas de
  autobuses, refugios de montaña, alumbrado de vallas
  publicitarias, etc.

Con la alimentación fotovoltaica de luminarias se
evita la realización de zanjas, canalizaciones, necesidad
de adquirir derechos de paso, conexión a red
eléctrica, etc.

• Aplicaciones agrícolas y de ganado: bombeo de
  agua, sistemas de riego, iluminación de invernaderos y
  granjas, suministro a sistemas de ordeño,
  refrigeración, depuración de aguas,
  etc.;
• Señalización y comunicaciones:
  navegación aérea (señales de altura,
  señalización de pistas) y marítima (faros,
  boyas), señalización de carreteras, vías
  de ferrocarril, repetidores y reemisores de radio y
  televisión y telefonía, cabinas
  telefónicas aisladas con recepción a
  través de satélite o de repetidores, sistemas
  remotos de control y medida, estaciones de tomas de datos,
  equipos sismológicos, estaciones metereológicas,
  dispositivos de señalización y alarma, etc. El
  balizamiento es una de las aplicaciones más extendida,
  lo que demuestra la alta fiabilidad de estos
  equipos.

Por su parte, en las instalaciones repetidoras, su
ubicación generalmente en zonas de difícil acceso
obligaban a frecuentes visitas para hacer el cambio de
acumuladores y la vida media de éstos se veía
limitada al trabajar con ciclos de descarga muy
acentuados.

Aplicaciones de sistemas fotovoltaicos
autónomos en Electrificación Rural

Telecomunicaciones y medición
remota de señales

.

Aplicaciones marinas y
señalización

• Sistemas conectados a la red

En cuanto a las instalaciones conectadas a la red e
pueden encontrar dos casos: centrales fotovoltaicas, (en las que
la energía eléctrica generada se entrega
directamente a la red eléctrica, como en otra central
convencional de generación eléctrica) y sistemas
fotovoltaicos en edificios o industrias, conectados a la red
eléctrica, en los que una parte de la energía
generada se invierte en el mismo autoconsumo del edificio,
mientras que la energía excedente se entrega a la red
eléctrica.

También es posible entregar toda la
energía a la red; el usuario recibirá entonces la
energía eléctrica de la red, de la misma manera que
cualquier otro abonado al suministro.

Tipos de sistemas conectados a la red

• Generadores dispersos.- Son generadores de
  baja capacidad (1-10KW) instalados en inmuebles residenciales ,
  comerciales o institucionales.

• Estaciones Centrales.- Son plantas de gran
  capacidad (de hasta varios MW) Operadas por la
  compañía suministradora. La interconexión
  con la red siempre es trifásica debido al rango de
  potencia.

• Estaciones de apoyo a la red.- Son similares a
  una estación central, su objetivo es proporcionar alivio
  térmico a subestaciones y o líneas de
  distribución que se encuentren cerca del límite
  de su capacidad.

Producción de energía
solar fotovoltaica

Alemania es en la actualidad el segundo productor
mundial de energía solar fotovoltaica tras Japón,
con cerca de 5 millones de metros cuadrados de colectores de sol,
aunque sólo representa el 0,03% de su producción
energética total. La venta de paneles fotovoltaicos ha
crecido en el mundo al ritmo anual del 20% en la década de
los noventa. En la UE el crecimiento medio anual es del 30%, y
Alemania tiene el 80% de la potencia instalada.

El crecimiento actual de las instalaciones solares
fotovoltaicas está limitado en 2006 por la falta de
materia prima en el mercado (silicio de calidad solar) al estar
copadas las fuentes actuales. Diversos planes se han establecido
para nuevas factorías de este material en todo el mundo,
incluyendo en mayo de 2006 la posibilidad de que se instale una
en España con la colaboración de los principales
actores del mercado. La inyección en red de la
Energía solar fotovoltaica, está probada por el
Gobierno Español con el 575 % del valor del
kilowatiohora normal. Lo que corresponde con unos 0,44 euros por
cada kwh que se inyecte en red.

Actualmente, el acceso a la red eléctrica en
España requiere una serie de permisos de la
administración y la autorización de la
compañía eléctrica distribuidora de la zona.
Esta tiene la obligación de dar punto de enganche o
conexión a la red eléctrica, pero en la
práctica el papeleo y la reticencia de las
eléctricas están frenando el impulso de las
energías renovables.

Las eléctricas buscan motivos técnicos
como la saturación de la red para controlar sus intereses
en otras fuentes energéticas y con la intención de
bloquear la iniciativa de los pequeños productores de
energía solar fotovoltaica. Esta situación provoca
una grave contradicción entre los objetivos de la
Unión Europea para impulsar las energías limpias y
la realidad de una escasa liberalización en España
del sector energético que impide el despegue y la libre
competitividad de las energías renovables.

Centrales de
energía solar fotovoltaica

Central solar

La mayor central de energía solar del mundo hasta
el año 2004 se encontraba en la ciudad de Espenhain, cerca
de Leipzig. Con 33.500 paneles solares modulares monocristalinos
y una capacidad de producción de 5 megavatios, la central
es suficiente para abastecer a 1800 hogares. La inversión
ascendió a 20 millones de euros, según Shell Solar
y Geosol, las firmas constructoras. Actualmente la empresa
alemana SAG Solarstrom, que opera en España con el nombre
TAU Solar, ha construido la mayor huerta solar del mundo en
Erlasee (Alemania). Esta sustituye a la central de Espenhain. La
nueva central de Erlasee cuenta en su totalidad con una capacidad
de producción de 12 megavatios.

El mayor fabricante europeo de productos fotovoltaicos
es la compañía alemana RWE SCHOTT Solar con
sede en Alzenau (Baviera). Esta compañía posee la
planta de producción fotovoltaica más moderna y
completamente integrada del mundo. En 2003 la
compañía generó ventas netas de 123 millones
de euros y tiene más de 800 empleados.

Además Friburgo de Brisgovia es la sede de ISES
(Sociedad Internacional de Energía Solar).

LA
INVERSIÓN EN ENERGÍA SOLAR
FOTOVOLTAICA

ES UNA INVERSIÓN
INTERESANTE

• Rentable

Una inversión que pone en valor un espacio no
productivo, como la cubierta de su nave o un terreno que no
rinde.

Ofrece una rentabilidad de entre el 10% y el
15%.

• Segura

Una inversión que genera ingresos recurrentes,
previsibles y garantizados por la ley sin ningún esfuerzo
de gestión por su parte.

• Sencilla

Una inversión que no necesita apenas
mantenimiento, sin emisiones ni consumos, que funcionará
en silencio durante más de 25 años.

• Sostenible

Cada kWh producido con la instalación evita la
generación del mismo kWh con centrales contaminantes. No
se generan emisiones de CO2, Nox, Sox.

APLICACIONES

Tradicionalmente este tipo de energía se
utilizaba para el suministro de energía eléctrica
en lugares donde no era rentable la instalación de
líneas eléctricas. Con el tiempo su uso se ha ido
diversificando hasta el punto que actualmente resultan de gran
interés las instalaciones solares en conexión con
la red eléctrica.

La energía fotovoltaica tiene muchísimas
aplicaciones, en sectores como las telecomunicaciones,
automoción, náuticos, parquímetros.
También podemos encontrar instalaciones fotovoltaicas en
lugares como carreteras, ferrocarriles, plataformas
petrolíferas o incluso en puentes, gaseoductos y
oleoductos. Tiene tantas aplicaciones como pueda tener la
electricidad. La única limitación existente es el
coste del equipo o el tamaño del campo de
paneles.

Algunos usos:

• Electrificación de viviendas
  rurales
• Suministro de agua a poblaciones
• Bombeo de agua / riegos
• Naves ganaderas
• Pastores eléctricos
• Telecomunicaciones: repetidores de señal,
  telefonía móvil y rural
• Tratamiento de aguas: desalinización,
  cloración
• Señalizaciones (marítima,
  ferroviaria, terrestre y aérea) y alumbrado
  público
• Conexión a la red
• Protección catódica
• Sistemas de telecontrol vía satélite,
  detección de incendios

IMPACTO
MEDIOAMBIENTAL

La energía solar fotovoltaica es, al igual que el
resto de energías renovables, inagotable, limpia,
respetuosa con el medio ambiente y sentando las bases de un
autoabastecimiento. Al igual que el resto de las energías
limpias, contribuye a la reducción de emisión de
gases de efecto invernadero y especialmente de CO2, ayudando a
cumplir los compromisos adquiridos por el Protocolo de Kioto y a
proteger nuestro planeta del cambio climático.

Ventajas

MEDIO AMBIENTALES

• Al no producirse ningún tipo de
  combustión, no se generan contaminantes
  atmosféricos en el punto de utilización, ni se
  producen efectos como la lluvia ácida, efecto
  invernadero por CO2, etc.

• El Silicio, elemento base para la fabricación
  de las células fotovoltaicas, es muy abundante, no
  siendo necesario explotar yacimientos de forma
  intensiva.

• Al ser una energía fundamentalmente de
  ámbito local, evita pistas, cables, postes, no se
  requieren grandes tendidos eléctricos, y su impacto
  visual es reducido. Tampoco tiene unos requerimientos de suelo
  necesario excesivamente grandes (1kWp puede ocupar entre 10 y
  15 m2).

• Prácticamente se produce la energía con
  ausencia total de ruidos.

• Además, no precisa ningún suministro
  exterior (combustible) ni presencia relevante de otros tipos de
  recursos (agua, viento).
• Es inagotable.

SOCIO-ECONÓMICAS

• Su instalación es simple
• Requiere poco mantenimiento
• Tienen una vida larga (los paneles solares duran
  aproximadamente 30 años)
• Resiste condiciones climáticas extremas:
  granizo, viento, temperatura, humedad.
• No existe una dependencia de los países
  productores de combustibles.
• Instalación en zonas rurales → desarrollo
  tecnologías propias.
• Se utiliza en lugar de bajo consumo y en casas
  ubicadas en parajes rurales donde no llega la red
  eléctrica general
• Venta de excedentes de electricidad a una
  compañía eléctrica.
• Tolera aumentar la potencia mediante la
  incorporación de nuevos módulos
  fotovoltaicos.

Inconvenientes

• Impacto en el proceso de fabricación de las
  placas:Extracción del Silicio, fabricación de las
  células
• Explotaciones conectadas a red: Necesidad de grandes
  extensiones de terreno Impacto visual

Barreras para su desarrollo

• De carácter administrativo y legislativo:Falta
  de normativa sobre la conexión a la red.
• De carácter inversor: Inversiones iniciales
  elevadas.
• De carácter tecnológico: Necesidad de
  nuevos desarrollos tecnológicos
• De carácter social: Falta de
  información

PRODUCTORES
MUNDIALES DE ENERGÍA FOTOVOLTAICA

• JAPÓN: Actualmente, es el
  principal país productor de energía fotovoltaica
  a nivel mundial, el segundo puesto lo ocupa
  ALEMANIA.
• ESPAÑA: Es uno de los
  países europeos con niveles más altos de
  radiación solar y tiene un elevado mercado potencial
  interior en sistemas conectados a la red. Pero, por contra, en
  la implantación de energía solar se encuentra por
  detrás de países nórdicos como Suecia,
  Holanda o Alemania.
• En España inciden 1.500 kilowatios/hora/m2 que
  se pueden aprovechar directamente (calor) o se pueden convertir
  en otra fuente de energía (electricidad).
• La producción mundial de módulos
  fotovoltaicos  viene creciendo desde el año 2000 en
  un 30% anual y actualmente España es considerada, junto
  con Estados Unidos, Israel y Australia, como uno de los grandes
  inversores mundiales en el desarrollo de la energía
  solar para producir electricidad.

Ejemplos de Aplicaciones y de lugares en donde se usa
la energía fotovoltaica:

• En España 14 municipios tienen ordenanzas que
  obliga a que los edificios de nueva construcción o
  rehabilitados incluyan sistemas de energía solar
  térmica. Esta normativa pionera fue inicialmente
  impulsada por el ayuntamiento de Barcelona. El objetivo de esta
  normativa es que en edificios de nueva construcción y en
  edificios en rehabilitaciones integrales al menos un 60 % de la
  energía para agua caliente sanitaria de las viviendas
  sea solar en edificios de nueva construcción y en
  rehabilitaciones integrales.
• En Barcelona, por ejemplo, antes de la entrada en
  vigor de la ordenanza había tan sólo 1.650 m2 de
  paneles solares mientras que a finales del 2003 estos superaban
  los 14.000 m2. En la Ciudad Condal, el ahorro energético
  que supone la energía solar se calcula que es
  equivalente al consumo de agua caliente de 20.000 personas al
  año. Sin embargo, en España, han detectado que un
  40 % de las corporaciones locales desconocen la existencia de
  este instrumento legal para promocionar la energía
  solar.
• En Sevilla han dado un nuevo paso al poner en marcha
  una ordenanza para la gestión local de la energía
  que incluye también la promoción de la
  energía solar fotovoltaica y una visión
  más amplia que incluye la eficiencia. Sevilla ha
  visualizado su apuesta solar en un árbol fotovoltaico de
  5 KWp que enviará a la red eléctrica unos 8.000
  kWh/año y supondrá un ahorro de unos 7.529
  kg/año de CO2.
• SISTEMAS DE BOMBEO SOLAR

Los sistemas de bombeo alimentados por paneles solares
fotovoltaicos pueden proporcionar agua mediante su
conexión a bombas, tanto de corriente continua como de
corriente alterna. Ofrecen importantes ventajas, así como
una fiabilidad eléctrica muy elevada, llegando a un
funcionamiento plenamente automatizado.

Entre estas ventajas destaca el hecho de que los
sistemas de bombeo pueden prescindir de la batería. Como
el incremento de las necesidades hídricas coincide con las
épocas de mayor radiación solar, suelen ser
especialmente útiles en las demandas de cantidades
medianas de agua.

Existen diversos tipos de modelos de sistemas de bombeo
fotovoltaicos, siendo el más conocido de todos el de
accionamiento directo. Otro sistema muy empleado es el
método tradicional de extracción de agua mediante
bomba de corriente alterna.

A partir de estos elementos, la energía generada
por los módulos fotovoltaicos pasa directamente a un
inversor, éste transforma la tensión continua en
alterna, inyectando la energía producida en la red
eléctrica comercial.

Preguntas Frecuentes:

¿No sacaría más beneficio
si consumo directamente la energía que generan las placas
y vendo la que me sobra?

Respuesta: No. La energía que producen los
paneles fotovoltaicos se vende a un precio primado my superior al
que pagamos a la Compañía eléctrica, por lo
tanto, es más ventajoso venderla toda a ese precio y
comprar a la Compañía eléctrica toda la
electricidad que consumimos.

¿Podría funcionar un colector
solar térmico en la Luna, dónde no existe
atmósfera?

Respuesta: Si por qué el efecto invernadero se
produce dentro del colector, de hecho recibiría más
radiación al no haber atmósfera.

¿Qué pasa cuando no hace
sol?

Cuando está nublado, no hay radiación
solar directa, pero hay luz difusa, y las células
producirán electricidad, aunque con menor rendimiento. De
noche, las células no producen, pero tampoco consumen
nada.

¿Qué pasa si los módulos
están sucios?

El polvo y la suciedad dificultan que la
radiación alcance la célula de silicio, reduciendo
la producción eléctrica. En cualquier caso, los
módulos siempre se montan con un cierto grado de
inclinación, y la propia agua de lluvia limpiará
los módulos periódicamente.

¿El granizo puede dañar los
módulos?

Las células están protegidas por vidrio
templado, parecido al de los automóviles. Siempre se
puede, además, contratar un seguro.

¿Un rayo puede inutilizar los
módulos?

La estructura del módulo tiene protección
mediante conexión a tierra.

¿Se necesita mucho
mantenimiento?

Los sistemas fotovoltaicos sin seguimiento solar no
tienen partes móviles, por lo que el desgaste es
mínimo. Una inspección visual anual y los controles
de seguridad de las conexiones eléctricas obligatorios son
suficientes.

¿Qué diferencia a la energía
solar fotovoltaica de la térmica?

La energía solar térmica genera calor para
ACS y de calefacción, sustituyendo a otras fuentes de
energía primaria, como el gas natural o el gas-oil. Las
instalaciones son menos fiables y su mantenimiento es más
complejo, ya que incluyen tuberías, válvulas,
calderas, etc. Su vida útil es menor que la de los
sistemas fotovoltaicos.

CONCLUSIONES

La producción de energía
fotovoltaica se realiza de manera limpia,
directa y elegante por ende esta tiende a proyectarse como una de
las mejores alternativas a nivel mundial para obtener
energía eléctrica.

Sabiendo que la generación de energía
fotovoltaica trae consigo un sinnúmero de ventajas creemos
que todos los países deberían implementar este
nuevo sistema ya que gracias a ello se contribuye con la
naturaleza y este es además muy rentable en cuanto a lo
económico.

Finalmente en nuestro medio se podría implementar
este sistema tratando de incentivar a profesionales y a
estudiantes que se dirijan hacia este campo ya que a la larga
será uno de las tecnologías más comunes y
necesarias a ser utilizadas.

BIBLIOGRAFÍA

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  2008.
• Fernández Salgado.
  GUÍA COMPLETA DE LA ENERGÍA SOLAR
  FOTOVOLTAICA Y
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• Javier Martín Jiménez.sistemas solares
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  FOTOVOLTAICA. MANUAL PRÁCTICO Año
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• CIEMAT. Fundamentos, dimensionado y aplicaciones de
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  of Maximum Power Point Tracking (MPPT) Methods for a solar
  Powered Vehicle. Portland State University. (1999).

Autor:

Andrés Villa Loja