Estudio y diseño en la optimización de energía solar fotovoltaica para una vivienda unifinaliar

8/3/2019 Estudio y diseo en la optimizacin de energa solar fotovoltaica para una vivienda unifinaliar

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PROJECTE FI DE CARRERA

TTOL: ESTUDIO Y DISEO EN LA OPTIMIZACIN SOLAR FOTOVOLTICAPARA UNA VIVIENDA UNIFAMILIAR

AUTOR: CRISTINA VALOS NAVARRO

TITULACI: INGENIERIA TNICA INDUSTRIAL

ESPECIALITAT: QUMICA INDUSTRIAL

DIRECTOR: MANUEL LOPEZ MEMBRILLADEPARTAMENT: 717

DATA: Junio 2007


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TTOL: ESTUDIO Y DISEO EN LA OPTIMIZACIN DE ENERGA SOLARFOTOVOLTAICA PARA UNA VIVIENDA UNIFAMILIAR

COGNOMS: VALOS NAVARRO NOM: CRISTINA

TITULACI: INGENIERIA TNICA INDUSTRIAL

ESPECIALITAT: QUMICA INDUSTRIAL PLA: 95

DIRECTOR: MANUEL LOPEZ MEMBRILLA

DEPARTAMENT: 717

QUALIFICACI DEL PFC

TRIBUNAL

PRESIDENT SECRETARI VOCAL

Noms: Montserrat Ruiz Planas M. Antonia Majo Roca Salvador Cuellar Segarra

DATA DE LECTURA:

Aquest Projecte t en compte aspectes mediambientals: S No


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PROJECTE FI DE CARRERA

RESUM (mxim 50 lnies)El presente proyecto tiene por objeto llevar a cabo el diseo de una cubierta

solar fotovoltaica conectada a la red elctrica e integrada en una vivienda

unifamiliar, localizada en la calle Andru Planes de Vilanova i la Geltr.Para conseguir el objetivo de este estudio se ha estudiado en profundidad los

trminos relacionados con las energas renovables y ms extensamente la

energa solar fotovoltaica.

Para llegar a entender los trminos relacionados con la energa solar

fotovoltaica se ha estudiado todo lo relacionado con la radiacin solar y con la

energa solar.

El fin perseguido, como objetivo final del proyecto, es disear una cubierta solarfotovoltaica que genere el mximo de energa elctrica posible con objeto de

volcarla a la Red Elctrica y obtener el consecuente beneficio econmico por

su venta tal y como establece el RD 436/2004, en el que se definen las

condiciones de explotacin de plantas de generacin de energa elctrica

mediante placas fotovoltaicas. Adems claro est, del correspondiente

beneficio ambiental y social por el ahorro de emisiones contaminantes y la

mejora en la imagen del edificio que la implantacin del sistema solar

fotovoltaico supone, sin suponer ningn impacto ambiental.

En el desarrollo del proyecto se estudia el diseo e integracin arquitectnica

con objeto de alcanzar el dimensionado ptimo de la instalacin fotovoltaica,

atendiendo no slo a las necesidades energticas del edificio, sino tambin a

criterios estticos, arquitectnicos y de sostenibilidad.

En el diseo propuesto se ha evaluado la cantidad de energa elctrica

generada, la inversin inicial, el tiempo de amortizacin y el beneficio

econmico resultante de la venta de la energa producida.

Por ltimo se evala la sostenibilidad econmica, medioambiental y social de la

instalacin.

Paraules clau (mxim 10):

Energa renovable Energa Solar Radiacin Solar Potencia Pico

Hora Solar Pico Energa SolarFotovoltaica Panel Fotovoltaico Inversor


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AGRADECIMIENTOS

La realizacin de este proyecto ha contado con la colaboracin de muchas personas que de una

u otra manera han ayudado a alcanzar el resultado final.

Quiero agradecer de forma especial a Manuel Lpez Membrilla, tutor de este proyecto, por toda

su dedicacin, paciencia y comprensin a lo largo de todo el proceso de creacin del proyecto.

Gracias a todas las empresas del sector que me han ayudado, en especial Javier Snchez, de

Censolar, por todo el soporte tcnico que me ha facilitado durante todo este tiempo.

Gracias a mi familia, a mi chico y a mis amigos por su apoyo y comprensin a lo largo deltiempo que he estado trabajando en este proyecto.

Y por ltimo gracias a todos aquellos que en mayor o menor medida han vivido de cerca la

elaboracin de este proyecto y han ayudado a que sea posible.


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ndice

NDICE

I. ESTUDIO Y ANLISIS TCNICO SOBRE LA ENERGASOLAR________________________________________8

1. Objeto del proyecto___________________________________9

2. Introduccin energas renovables_________________10

2.1 Las energas renovables......................................................10

2.2 Los recursos energticos......................................................122.2.1 El carbn.................................................................122.2.2 El petrleo...............................................................13

2.2.3 El gas natural...........................................................142.2.4 La energa nuclear...................................................142.2.5 El sol........................................................................152.2.6 El viento...................................................................162.2.7 La biomasa..............................................................172.2.8 La energa hidrulica...............................................18

2.3 Impacto ambiental de las diferentes fuentes energticas.....192.3.1 El efecto invernadero y el cambio climtico............202.3.2 La lluvia cida..........................................................22

3. Radiacin solar_________________________________23

3.1 Ondas electromagnticas......................................................23

3.2 Datos importantes del sol.....................................................25

3.3 Descripcin de los componentes de la radiacin.................25

3.4 Descripcin del movimiento solar diario...............................29

3.5 Posicin del sol i intensidad de la radiacin.........................29

3.6 Parmetros principales de la posicin del sol.......................29

3.7 Descripcin del movimiento solar anual...............................32

3.8 Descripcin de la evolucin de las sombras.........................34

3.9 Distancia mnima entre captadores......................................35

3.10 Medidores de radiacin........................................................36


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ndice

3.11 El efecto fotovoltaico.............................................................37

4. Energa solar___________________________________39

4.1 Introduccin..........................................................................39

4.2 Que se pude obtener con la energa solar...........................40

4.3 Energa solar fotovoltaica.....................................................40

4.3.1 Desarrollo de la energa solar fotovoltaica...............404.3.1.1 Introduccin..................................................404.3.1.2 Desarrollo actual en Espaa........................41

4.3.2 Tecnologa y aplicaciones de la energa solarfotovoltaica..............................................................43

4.3.2.1 Caractersticas y conceptos bsicos............43

4.3.3 Usos y aplicaciones de la energa solarfotovoltaica..............................................................46

4.3.3.1 Sistemas aislados de la red elctrica...........464.3.3.2 Sistemas conectados a la red elctrica........504.3.3.3 Otras aplicaciones........................................54

4.3.4 Ventajas e inconvenientes de las instalacionesfotovoltaicas............................................................55

5. Instalacin fotovoltaica___________________________57

5.1 La clula solar.....................................................................57

5.1.1 El silicio cristalino.....................................................57

5.1.2 Otros materiales.......................................................59

5.2 Los mdulos fotovoltaicos...................................................59

5.2.1 Cubierta exterior.......................................................60

5.2.2 Capas encapsulantes...............................................60

5.2.3 Proteccin posterior.................................................60

5.2.4 Marco de soporte.....................................................61

5.2.5 Parmetros de un mdulo fotovoltaico....................625.2.5.1 Curva de intensidad......................................62

5.2.5.2 Intensidad de circuito...................................625.2.5.3 Tensin de circuito abierto...........................63


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ndice

5.2.5.4 Intensidad de mxima potencia...................63

5.3 Las conexiones de los mdulos solares............................65

5.3.1 Conexiones en serie................................................655.3.2 Conexiones en paralelo...........................................66

5.3.3 Conexin mixta.........................................................67

5.4 Las estructuras de soporte y los elementos para fijar losmdulos fotovoltaicos........................................................68

5.5 Los acumuladores de energa elctrica.............................69

5.6 Mantenimiento y medidas de seguridad de una

batera...............................................................................71

5.7 Regulador de carga de los acumuladoreselectroqumicos.................................................................72

5.8 Convertidores de energa elctrica corriente continuaen alterna..........................................................................72

II. CASO PRCTICO____________________________75

1. Diseo de la instalacin__________________________76

1.1 Situacin y definicin de la vivienda.......................................76

1.2 Desarrollo de la instalacin Fotovoltaica..........................81

1.2.1 Instalacin fotovoltaica..............................................811.2.1.1. Paneles solares............................................811.2.1.2 Inversores ....................................................831.2.1.3 Estructura soporte........................................85

1.2.2 Dimensionado del campo fotovoltaico......................871.2.2.1. Orientacin...................................................901.2.2.2. Inclinacin.....................................................901.2.2.3. Clculo de sombras......................................921.2.2.4. Nmero total de paneles..............................92

1.2.3 Conexionado a la red elctrica................................931.2.3.1 Dimensionado del inversor............................931.2.3.2 Caractersticas de la interconexin...............95


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ndice

1.2.4 Clculo de la energa generada porla instalacin............................................................97

1.2.5 Mantenimiento de la instalacin.............................981.2.5.1 Mantenimiento a cargo del usuario.............991.2.5.2 Mantenimiento a cargo del servicio

tcnico.........................................................99

2. Presupuesto__________________________________101

3. Anlisis de la sostenibilad de la instalacin________102

3.1 Impacto econmico...............................................................1028.1.1 Tarifa de venta de la energa generada.................1028.1.2 Amortizacin inversin..........................................103

3.2 Impacto econmico..............................................................105

3.3 Impacto social......................................................................106

4. Normativa aplicable_____________________________107

III. CONCLUSIN______________________________108

IV. BIBLIOGRAFA_____________________________111

V. ANEXO___________________________________113


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I. ESTUDIO Y ANLISIS TCNICOSOBRE LA ENERGA SOLAR


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I. ESTUDIO Y ANLISIS TCNICO SOBRE LA ENERGA SOLAR1.Objeto del estudio

1. OBJETO DEL ESTUDIOEste estudio tiene como ttulo; Estudio y diseo en la optimizacin de energa solar

fotovoltaica para una vivienda unifamiliar.

Se trata de analizar una vivienda unifamiliar en la cual viven cuatro personas. Se ha estudiado la

viabilidad de utilizar la energa fotovoltaica.

La vivienda est ubicada en Vilanova i la Geltr, provincia de Barcelona, concretamente en el

barrio de San Juan.

EL objetivo particular que se pretende con este proyecto es:

Estudio de la energa solar fotovoltaica.

Estudio climatolgico de la comarca del Garraf, concretamente en Vilanova i la Geltr.

Dimensionar y seleccionar los componentes de una instalacin solar fotovoltaica para

una casa unifamiliar en funcin de los m2 de tejado que dispone la casa unifamiliar

seleccionada. La instalacin fotovoltaica a estudiar estar conectada a la red elctrica

para vender la energa elctrica generada y de este modo obtener un beneficio

econmico.

Evaluar resultados obtenidos segn el punto de vista econmico, medio ambiental y

social.

Estudiar subvenciones y ayudas en el sector de las energas renovables.


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I. ESTUDIO Y ANLISIS TCNICO SOBRE LA ENERGA SOLAR2.Introduccin

2. INTRODUCCIN

2.1 LAS ENERGIAS RENOVABLES

Descontando la energa nuclear, las fuentes de energa propias ms importantes de las que se

dispone en nuestro pas de manera significativa, son las energas renovables. La energa

hidrulica por ejemplo, marc el desarrollo industrial de Catalua a principios del siglo XX.

As mismo, la intensidad del crecimiento industrial, demogrfico y del propio desarrollo social,

unido a la falta de tecnologa para usarlas dejo en un segundo papel a las energas renovables

realzndose el uso de las fuentes fsiles.

No fue hasta los aos ochenta, como consecuencia de la segunda crisis del petrleo y de la

evidencia de la volatidad de la dependencia de las energas fsiles con reservas finitas que se

vuelve a poner mpetu y esfuerzo en las energas renovables.

Es este esfuerzo cobra ms fuerza con la toma de conciencia a la necesidad de la preservacin

del entorno y de evolucionar hacia modelos econmicamente y ambientalmente sostenibles.

As, la necesidad de utilizar al mximo las fuentes de energas renovables es un hecho queactualmente es indiscutible y que esta aceptado de manera generalizada por la sociedad

espaola.

En Espaa ms del 69% del consumo de energa primaria proviene de recursos fsiles. Por otro

lado, los recursos fsiles disponibles estn muy lejos de llegar a satisfacer las necesidades

energticas y en la actualidad la dependencia exterior de estos combustibles supera el 97%. Esta

escasead de recursos fsiles contrasta con una gran disponibilidad de recursos naturales.

Catalua es una zona privilegiada por lo que hace a presencia de recursos renovables como es el

sol, el viento, el agua y la biomasa, y sus posibilidades de sacarle el mximo rendimiento

podran satisfacer una parte importante del consumo de energa primaria.

El consumo de energas renovables en Catalua en el ao 2005 aport el balance de energa

primaria equivalente a ms de 622.000 toneladas de petrleo. Ms de la mitad de esta

aportacin, concretamente el 62,7% corresponde a la energa hidrulica. sta es la fuente de

energa renovable que ms madura.


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La segunda fuente, por orden de importancia, proviene de la valoracin energtica de los

residuos slidos urbanos. Este hecho no es de extraar ya que Catalua es pionera en Espaa en

la instrumentacin de los sistemas del tratamiento finalista de los residuos slidos urbanos que

incorporan la valoracin energtica como parte del proceso de recuperacin del valor de estos

residuos.

Todo y que el conjunto de las energas renovables acoge diferentes tecnologas con diferentes

grados de madurez y de penetracin en el mercado, existe un importante punto de unin entre

todas estas tecnologas; su contribucin de garantizar un sistema energtico eficiente, respetuoso

con el medio ambiente y un elevado grado de aprovechamiento de los recursos disponibles a

nuestro alcance.

Segn datos recientes, el 85% de toda la energa que se consume en el mundo proviene dequemar combustibles fsiles. Es decir, la mayor parte de la energa que se consume es energa

no renovable a corto plazo; se agota a medida que se hace servir. A ms, el consumo mundial de

energa aumenta un 2% de media cada ao.

Este crecimiento y el aparentemente imparable aumento del consumo de energa, se hace

evidente con la explotacin de los recursos fsiles del planeta. Nunca se haban explotado los

recursos naturales a un ritmo tan intensivo y extensivo como ahora.

La constatacin de este fenmeno ha hecho que nazca los temores sobre el agotamiento de los

recursos naturales, por ello el mundo cientfico ha alertado sobre algunas de las consecuencias

de las actuaciones del ser humano sobre el medio ambiente, muchas de ellas relacionadas

directamente con el elevado consumo de energa de la sociedad moderna.

Actualmente el parque fotovoltaico cataln cuenta con una capacidad instalada del orden de los

1200KWp, repartida en un 55% en instalaciones de electrificacin aislada y un 45% en

instalaciones conectadas a la red. En los prximos aos, se prev un crecimiento importante

sobre todo en las instalaciones conectadas a la red, dado que esta fuente se ha revelado como

una herramienta de concienciacin muy potente, con una gran capacidad de aceptacin por parte

de la poblacin. Este factor prev una implantacin importante sobre las instalaciones de uso

pblico en especial:

- Sector docente

- Sector turstico

- Sector deportivo

- Grandes superficies comerciales


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- Gasolineras

- Zonas industriales

Por otro lado, las energas renovables son las que provienen de las fuentes energticas que se

renuevan en un periodo suficientemente corto en la escala humana. La energa solar, porejemplo, se renueva inmediatamente, porque el sol emite radiacin continuamente. La energa

hidrulica que se obtiene, proviene del agua evaporada de los mares, ros o deshielos, que

tardan das o semanas en generarse. Cuando obtenemos energa de la biomasa, quemando

madera por ejemplo, esta se renueva con el tiempo que tarda un rbol en volver a crecer.

Las ventajas principales de las energas renovables son que el impacto ambiental que provoca el

hecho de aprovecharlas es menor que en el caso de las convencionales y que hacen disminuir la

dependencia de los recursos energticos convencionales concentrados en unos pocos pases.

2.2 LOS RECURSOS ENERGTICOS

2.2.1 EL CARBN

Histricamente el carbn fue la fuente de energa que impuls la primera fase de la

industrializacin, pero cuando se inicio el siglo XX, el petrleo fue substituyendo al carbn en

los pases industrializados. Las razones principales de este cambio fue el encarecimiento de los

precios del carbn, influido por la mano de obra que se necesitaba para extraerlo y la facilidad

de manipulacin del petrleo delante de los problemas relacionados con la limpieza y la

incomodidad del uso de los carbones. A ms, el contenido energtico de los combustibles

derivados del petrleo es ms grande que la del carbn.

En el 2000, el carbn representaba el 26,7% de la produccin mundial de la energa, con unas

reservas suficientes para ms de 200 aos. Los usos ms habituales del carbn son laproduccin de electricidad, la siderrgica y la calefaccin.

En la historia mas reciente, el consumo mundial del carbn aumenta en los periodos de crisis

petroleras. El problema ms difcil de resolver con el carbn es que genera una tasa de CO2 muy

alta por unidad de energa, aunque hay tecnologas modernas de combustin de carbn que

permiten mejorar no slo las emisiones de CO2 , sino tambin los de otros componentes de los

humos, como ahora los sulfuros, los xidos de nitrgeno y las cenizas.


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Fig.1.Grfico de las reservas probadas de carbn en el ao 2004(miles de millones de toneladas).

2.2.2 EL PETRLEO

Durante muchos aos, el petrleo slo se utilizaba para conseguir luz y calor a travs de hacer

una combustin directa. Es hacia finales del siglo XIX cuando la sociedad comienza a utilizar la

mquina de vapor y el motor de explosin. Desde entonces, el petrleo y sus derivados hanpasado a ser el principal combustible de la mayora de los transportes pblicos.

Despus de la Segunda Guerra Mundial, el petrleo se convierte en la fuente energtica ms

utilizada, desbancando al carbn, con un crecimiento muy importante: del 1950 hasta el 1970, la

produccin mundial de petrleo se multiplic casi por cinco.

La variacin de los precios del petrleo, gobernados por la Organizacin de Pases Exportadores

de Petrleo (OPEP), ha provocado varias crisis energticas. Los precios se dan habitualmente

por barril, que equivale a 156 litros.


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Fig.2. Grfico de las reservas probadas de petrleo (Recorrido. Unidad La energa)

2.2.3 EL GAS NATURAL

El aumento del precio del petrleo ha hecho posible la rentabilidad econmica del gas natural a

pesar de las dificultades tcnicas del tratamiento (licuefaccin, barcos metaneros, instalaciones,

etc...) y del transporte (red de gaseoductos).

El hecho de descubrir importantes reservas de gas natural (Mar del Norte, Rusia)ha sido la causa

que la generacin y el consumo de combustibles gaseosos se desarrolle, dentro del sector

energtico, con ms expansin. La aplicacin de tecnologas de alto rendimiento, como ahora

los ciclos combinados, el uso reciente que se hace en los sectores que producen fro y en el

transporte, y el impacto ambiental relativamente benigno, han ayudado a este desarrollo.

A mas, las reservas probadas de gas natural ultrapasan las del petrleo y, actualmente, se llega a

ms de 60 aos.

2.2.4 LA ENERGA NUCLEAR

La energa nuclear se produce en una reaccin, gracias a la que, ciertos ncleos de elementos

qumicos pesados se separan en dos fragmentos por el impacto de otra partcula (un neutrn).

En este proceso, se libera una gran cantidad de energa en forma de calor.


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El combustible que se hace servir habitualmente es el uranio enriquecido, que se encapsula en

pastillas hechas con material cermico y que, a ms, se introducen en unas varillas. Estas

varillas, agrupadas en paquetes, reciben el nombre de elementos de combustible.

A medida que se van produciendo reacciones de fisin, la presencia de uranio enriquecido en elcombustible es menor y hace falta cambiar estos elementos, que llevan unos 10 aos sumergidos

en agua por tal de reducirse la actividad radioactiva.

Las centrales nucleares, de tecnologa compleja, aprovechan el calor que se genera para

producir vapor y, gracias a accionar una turbina, se crea energa elctrica.

Fig.3.Esquema de reaccin

Fig.4.Esquema de composicin

de un elemento de combustible

2.2.5 EL SOL

Se trata de la principal fuente de energa que nos llega a la Tierra. Se puede aprovechar de

muchas maneras diferentes, pero principalmente hay dos directas: la trmica y la fotovoltaica.

Entre las diversas fuentes de energas renovables, la radiacin solar es la principal y la ms

abundante. Histricamente, alrededor del mundo, el Sol ha sido una de las fuentes de energas

principales utilizada por los hombres para producir calor, sea de manera directa, indirecta,

natural o artificial. Esta es la llamada energa solar trmica. Ms recientemente, a partir de los

programas espaciales de los aos cincuenta, se ha desarrollado otra tecnologa solar, la energa

solar fotovoltaica, que transforma la radiacin solar en electricidad.


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Actualmente en Catalua, funcionan ms de 38.000m2 de captadores solares trmicos por

ACS(agua caliente sanitaria)de calefaccin y climatizacin de piscinas y en Espaa hay mas de

400.000.

En Espaa hay una potencia fotovoltaica instalada de ms de 12MWp. En el ao 2005 sefabricaron en el mundo mdulos fotovoltaicos con una potencia total superior a los 287 MW,

hecho que supone un aumento del 43% respecto al ao 2000 y la potencia histrica total

fabricada super los 1.250 GWp.

La vida estimada del sol es, como mnimo, de 8.000 millones de aos ms. La energa solar

llega prcticamente a todos los sitios.

Esta energa no genera contaminantes en el uso que se hace de ella.i) Problemtica

- La energa solar llega a la Tierra con poca densidad y de forma discontinua.

- Algunos equipos para aprovechar la energa solar se fabrican con carcter

comercial desde hace slo dos dcadas, por tanto, todava son muy caros y en

algunos casos tecnolgicamente inmaduros (Convertidores cc/ca).

- Les hace falta otra fuente de energa de soporte si se quiere garantizar el

suministro continuo y el nivel de consumo actual.

ii) Tendencia actual

- Aumento de las ventas con carcter exponencial (40% anual en fotovoltaica.

- Se realizan muchas instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red elctrica.

- La energa solar fotovoltaica es la base de electrificacin rural.

- Muchos equipamientos pblicos incorporan energa solar como ejemplo

demostrativo.

- Aparecen nuevos regulaciones que normalizan el sector de la energa solar.

2.2.6 EL VIENTO

El viento es la fuente de energa renovables que ms rpido esta creciendo en potencia instalada

y en rentabilidad econmica.

Actualmente en Catalua funcionan siete parques elicos, que hacen un total de una potencia

instalada de 71.4 MW. El ms importante es el de Colladetes (El Perell) con una potencia de

27 MW, pero hay muchos proyectos en estudio y en tramitacin.


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Por ejemplo, en Navarra hay ya 718 MW y en Galicia 1.257MW instalados. Espaa es el tercer

pas elico del mundo, con una potencia instalada de 2.2269 MW a finales del 2004 y con

previsiones en el plan de fomento de 9000 MW en el 2010.

A finales del 2000, en el mundo ya haban en funcionamiento 18.100 MW instalados con uncrecimiento medio de 25% respecto a la ltima dcada en potencia anual instalada.

Actualmente en Europa hay pronsticos para llegar al 2010 con 60 GW elicos instalados,

subministrando el 10% de electricidad mundial.

i) Problemtica

- La energa del viento no es homognea en todo el territorio; hace falta

aprovecharla en lugares ventilados (sierras, litorales, etc...) y transportar la

energa elctrica producida a los centros de consumo por medio de las redeselctricas.

- Hay mucha presin por parte de los grupos conservacionistas sobre le impacto

visual y sobre la fauna y respeto a las infraestructuras que hace falta hacer.


- Aumento de la potencia instalada anual con carcter exponencial, aumento de

la competitividad entre empresas y aparicin de grupos inversores.

- Aumento de la potencia de los aerogeneradores por sobre de los 2,5 MW en

parques elicos dentro del mar. Hoy en da ya hay prototipos de mquinas de 5

MW.

- Se est potenciando mucho en Asia, la India y en Amrica del Sur.

- Aparecen normativas que obligan a las compaas elctricas a producir una

parte de la energa con viento o a pagar un buen precio a los que generan.

2.2.7 LA BIOMASA

La biomasa se compone de materia orgnica originada por la fijacin de la energa solar

mediante la fotosntesis (materia vegetal y residuos de industrias alimenticias, urbanas,

ganaderas o de la limpieza de los bosques).

Se puede aprovechar mediante diversos procesos; fermentaciones, combustiones,

gasificaciones, etc..


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Actualmente en Catalua ya funcionan varias plantas de produccin de compuestos, algunos

digestores de biogs, una central de combustin de residuos de madera, una planta gasificadora

de cscara de frutos secos y diferentes proyectos de biocombustibles, que totalizan un

aprovechamiento de 300.000 Tep. en el ao 2004.

Los recursos estn en todos los lugares y son muy diversos.

En general, no se generan contaminantes permanentes en el uso que se hace, ya que las

emisiones vuelven a ser fijadas por las plantas de la prxima recogida y a menudo supone la

solucin de problema de eliminacin de residuos.

i) Problemtica

- Es una forma de energa poco densa y variada, por tanto difcil de estandarizar.- La sociedad industrial tiene un sentimiento de menosprecio hacia los residuos y

los relaciona con procesos sucios y contaminantes.

- Los cultivos energticos compiten en tierras y agua con los cultivos

alimenticios.


- Aumento progresivo de las instalaciones que utilizan residuos, sobretodo en

zonas con pocos recursos energticos convencionales.

- Mejora de algunas tecnologas.

- Aparicin de normativas que obligan a tratar residuos y que promueven la

valorizacin energtica.

2.2. 8 LA ENERGA HIDRULICA

Los pequeos saltos hidrulicos son conocidos como energa mini hidrulica (potencia menor a

10 MW) y micro hidrulica (potencia menor a 100 KW).

La energa hidrulica es una de las formas ms econmica y limpia de producir energa

elctrica.

En Catalua hay 259 centrales en funcionamiento, con una potencia total instalada de 214,9

MW. En Espaa hay 1.575 MW repartidos en mas de 1.000 centrales.


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No se generan contaminantes en el uso que se hace, pero hay que tener en cuenta el impacto

sobre la cama del ro.

i) Problemtica

- Es una forma de energa poco densa.- Las obras de construccin pueden mal meter al ro

- Siempre han de mantener un cabal biolgico mnimo en el ro.

- Las centrales y las obras civiles que las acompaan pueden padecer los efectos

de las riadas.


- Aumento progresivo de las instalaciones, sobretodo la rehabilitacin de

antiguas concesiones.

- Modernizacin y automatizacin de las centrales que pueden ser telegestionadas.

- Aparicin de empresas que disean centrales de aprovechamiento de las olas y

las mareas.

2.3 IMPACTO AMBIENTAL DE LAS DIFERENTES FUENTES

ENERGTICAS

Todo uso de energa es, por lgica, una explotacin de los recursos naturales. Si esta

explotacin se hace por encima de las capacidades, que es el caso de los recursos almacenados

en la Tierra, tal como se hace actualmente con los combustibles fsiles, aparecen dos fenmenos

problemticos:

1. Se agotaran los recursos a medio camino, en funcin de las reservas y del ritmo

de consumo, porque se ha de tener en cuenta que el agotamiento se hace

primero que los yacimientos ms rentables o fciles de explotar y eso comporta

un aumento de costes.

2. Se liberan los compuestos qumicos que se haban fijado en el proceso de

formacin de los recursos, es el caso del carbn, el gas, el petrleo y el carbono

en formo de CO2.


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2.3.1 EL EFECTO INVERNADERO Y EL CAMBIO CLIMTICO

Se trata de un fenmeno natural que se produce porque la atmsfera no tiene el mismo

comportamiento con todas las radiaciones.

La radiacin solar (de altas frecuencias porque proviene de una fuente de alta temperatura)

puede atravesar la atmsfera con relativa facilidad y se puede decir que el aire que nos envuelve

es transparente al sol.

La radiacin terrestre (de bajas frecuencias, a causa de la baja temperatura de la Tierra) tiene

dificultad para atravesar la atmsfera de vuelta hacia el espacio en funcin de la concentracin

de determinantes gases que la componen (principalmente CO2). A medida que aumenta la

concentracin de estos gases, se puede decir que la atmsfera es ms opaca a la radiacinsaliente.

Fig.5. Esquema radicacin terrestre

De esta manera, si la radiacin solar continua llegando a la Tierra, pero esta no puede eliminar

el calor que le sobra, el resultado es un aumento de la temperatura.

Fig.6 AUNA 200


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Fig.7. Informe naciones unidas

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2.3.2 LA LLUVIA CIDA

Cada vez que se quema un combustible fsil (sobretodo carbn) se emite a la atmsfera una

cantidad importante de dixido de sulfuro SO2, as como diferentes xidos de nitrgeno NOx.

Cuando este gas se mezcla con el vapor de agua que esta en suspensin en la atmsfera

(formando parte de las nubes), reacciona dando como resultado un cido.

De esta manera, cuando llueve, el agua que cae contiene cido sulfrico en disolucin (lluvia

cida) y eso provoca varios problemas;

- Se acidifican los lagos interiores ( muerte de peces y algas.

- Se acidifican los bosques (muerte de rboles).

Con la informacin que facilita el modelo RAINS (modelo de simulacin de lluvia cida), se

puede llegar a calcular que reduciendo a una dcima parte la actual emisin de xidos de

sulfuro, se mantendran los niveles de degradacin de los ecosistemas por debajo el 5%.

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I. ESTUDIO Y ANLISIS TCNICO SOBRE LA ENERGA SOLAR3. Radiacin solar

3. RADIACIN SOLAR

3.1 ONDAS ELECTROMAGNTICAS

La energa solar llega a la tierra en forma de ondas electromagnticas que se desplazan por el

espacio en todas las direcciones sin ningn soporte material, este efecto es al que llamamos

radiacin y es la referencia a un fenmeno fsico vibratorio que se representa en forma de ondas.

La cantidad de energa de estas ondas es proporcional a su frecuencia (ritmo de oscilacin) tal y

como expresa en la ecuacin de Planc:

En que:

A: es la constante de Planc y tiene un valor de 6,62x10-34 J x s

n: es la frecuencia vibratoria expresada en s-1

La frecuencia de las vibraciones ondulatorias es la cantidad de veces que se repite la forma de la

onda completa en la unidad de tiempo. Su unidad es Hertz (HZ) o tambin la inversa del

tiempo(s-1.

Fig.8. Representacin longitud de onda

E = A x n


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Otro parmetro caracterstico de las radiaciones es la longitud de onda, que es la distancia que

hay entre dos puntos iguales de una onda.

Por tanto cuanto ms pequea sea la longitud de onda, ms grande ser la frecuencia (valor de

n) y se puede transportar ms energa.

Fig.9. Representacin de tipos de ondas

En funcin de su frecuencia, las radiaciones tienen mas o menos capacidad de penetracin en

los materiales. La luz visible (con longitud de onda de entre 0.4 y 0.7 m) no puede atravesar

paredes, pero pueden actuar los rayos gamma (de longitud de onda diez mil veces ms pequea)

hace falta blindar las centrales nucleares con paredes de hormign y de plomo de un metro de

grosor.

Fig.10.Espectro electromagntico.

Fig.11. Colores del espectro visible y sus extremos.


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3.2 DATOS IMPORTANTES DEL SOL

El Sol es la estrella, alrededor de la cual gira el sistema de planetas que incluye a la Tierra. El

Sol es el astro ms cercano a nuestro planeta y, por tanto, la principal fuente de luz y de calor.

Algunos datos interesantes del Sol:

- Radio del Sol: 700.000 Km. (109 veces la Tierra

- Masa de sol: 300.000 veces la masa de la Tierra

- Edad aproximada del Sol: 5.000 millones de aos

- Vida aproximada del Sol: 8.000 millones de aos ms

La energa que irradia el sol, procede de reacciones nucleares de fusin en que, los

tomos de hidrgeno se fusionan y forman tomos de Helio. ste es un proceso quelibera mucha energa en todas las direcciones posibles.

La superficie del Sol se llama fotosfera y, para nosotros, es la parte visible.

La distancia entre el Sol y la Tierra es de 150 millones de Km. y, dado que la luz viaja a una

velocidad de 300.000 Km/s, las radiaciones que emite el Sol tardan ocho minutos en llegar a

nuestro planeta.

Se ha calculado que la potencia de radiacin del Sol es de 4x1023 KW, aproximadamente unas

200x1012 veces la potencia de todas las centrales que actualmente hay funcionando en el mundo.

3.3 DESCRIPCIN DE LOS COMPONENTES DE LA RADIACIN

La constante solar es la potencia de radiacin solar que recibe una unidad de superficie(m2),

sobre un plano tangente a la esfera imaginaria que forma la capa externa de la atmsfera.

El valor de esta constante es : 1.353 W/ m2

Aunque este valor recibe el nombre de constante solar no es un valor fijo sino que varia

aproximadamente 3% en funcin de las variaciones de la distancia Sol-Tierra.


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Aproximadamente, el ojo humano percibe la mitad de la radiacin solar que incide en la

atmsfera terrestre a travs de la banda de frecuencias de la luz visible. El resto pertenece a

bandas que nuestros ojos no pueden captar, principalmente la infrarroja (la radiacin asociada a

procesos trmicos) y una pequea componente de luz ultravioleta que presenta longitudes de

onda un poco ms pequea que la visible.

Fig.12.Caractersticas y distribucin de la radiacin que incide en la atmsfera extraterrestre

Fig.13.Distribucin de la radiacin solar estratosfrica Fig.14.Variacin del valor de la constantesolar durante el ao

La radiacin solar, al incidir y atravesar la atmsfera de la Tierra, experimenta todo un

seguimiento de procesos de interaccin con la materia (gases, polvo en suspensin, vapor de

agua, etc..) que de hecho, forman la atmsfera. En toda interaccin entre energa radiante y un

cuerpo, se dan los siguientes fenmenos fsicos:

a) Reflexin. Una parte de la radiacin no penetra sino que se desva hacia la

exterior.

b) Transmisin. Una parte de la radiacin atraviesa el cuerpo y puede sufrir

ms o menos cambios de direccin y/o velocidad.

c) Absorcin. Una parte de la radiacin es absorbida y produce un

calentamiento del cuerpo

Banda Ultravioleta Visible Infrarrojo

Longitud de onda (m) 0,01-0,38 0,38-0,78 0,78-1,00

Porcentaje energtico 5% 49% 46%

Potencia de radicacin (W/ m2) 54 662 620


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Cuanto ms nubloso sea el da, ms importante es la radiacin difusa y como ms claro sea, msradiacin directa

Tambin se ha de tener en cuenta que del total de radiacin que llega, una parte la reflecta el

suelo y la pueden reabsorber los objetos ms cercanos.

Hay que terne en cuenta que si se plantea hacer una instalacin solar de gran altitud (refugios de

montaa, repetidores de comunicacin, etc..) a medida que se gana altitud, disminuye el grosor

de la atmsfera que atraviesa la radiacin y, por tanto, aumenta la energa disponible. En lasiguiente tabla se muestra este efecto:

Fig.15. Tabla altitud-Intensidad

Altitud sobre el nivel del mar (m) 0 900 1500 2250 3000

Intensidad de la radiacin (W/ m2) 950 1050 1100 1150 1190

A partir de los fenmenos de reflexin y de

absorcin que padece la radiacin en incidir a la

atmsfera, se puede deducir que slo se podra

aprovechar una parte de la energa disponible anivel del mar. Este valor depende bsicamente de

las condiciones climatolgicas y de posicin del sol

respecto de la Tierra.

De la energa solar que atraviesa la atmsfera y que

incide, por tanto, sobre la corteza de la Tierra, una

parte principal llega en forma directa, es decir,

que no padece cambios de direccin. El resto deenerga llega de forma difusa o dispersa. Esta

ltima corresponde a los rayos que desvan las

gotas de agua en suspensin (nubes).


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En la siguiente tabla se observa como pueden quedar distribuidas las diferentes porciones de

radiacin que inciden en un emplazamiento en funcin de las condiciones climatolgicas:

Fig.16. Tabla radiacin-condiciones climatolgicas

Otra manera de apreciar como mengua la radiacin que produce el efecto atmosfrico y como se

distribuye durante las diversas bandas de radiacin a las dos zonas, segn el siguiente grfico:

Fig.17.Grfico bandas de radiacin

A pesar de la acentuada variabilidad por posibles valores de la radiacin incidente en un lugar yun momento determinado sobre la Tierra, la industria ha encontrado un valor de referencia para

probar equipos, etc.

Valor estndar de referencia de la radiacin solar: 1000 W/m2 .

Condiciones climatolgicas Radiacin global (W/m2) Porcentaje de difusin (%)

Cielo claro 750-1000 10/20Parcialmente nublado 200-500 20/90


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3.4 DESCRIPCIN DEL MOVIMIENTO SOLAR DIARIO

La tierra hace una rotacin completa sobre si misma cada veinticuatro horas (aproximadamente)

este hecho implica que, desde cualquier emplazamiento, un observador tiene la sensacin que l

est esttico y es el universo el que gira a su alrededor.

Por tanto, todo y que sea la Tierra la que gira, nos hemos acostumbrado a decir que es el

sol el que sale por la maana por el este, sube hasta la mxima altura al medio da y se

pone por la tarde por el oeste.

3.5 POSICIN DEL SOL E INTENSIDAD DE LA RADIACIN

La radiacin solar es la fuerza constante antes de entrar en la atmsfera en cambio, una vez

traspasada la franja de aire que nos rodea, la radiacin medida a nivel del mar desciende

fuertemente en funcin, principalmente, de dos parmetros: el espesor de la atmsfera

atravesada y la climatologa reinante.

Por lo que hace a la climatologa, no se pueden hacer predicciones fiables que nos permitan

evaluar la radiacin incidente para cualquier poca del ao; en cambio, a travs del estudio de lageometra solar se puede conocer con gran exactitud la posicin del sol cualquier da del ao y

en cualquier momento del da, con lo que se puede evaluar los ngulos de incidencia de la

radiacin y, por lo tanto, el comportamiento de las sombras proyectadas por objetos, que junto

con las medidas de radiacin efectuadas, se obtiene la base de los clculos solares.

3.6 PARMETROS PRINCIPALES DE LA POSICIN DEL SOL

- LATITUD (F): es un el ngulo que forma la vertical del punto geogrfico que se va a estudiar

de la superficie terrestre (emplazamiento) y el plano de ecuador.

El dato de la latitud es bsica para poder conocer, a travs de unas complejas expresiones

matemticas o bien de unas tablas el resto de datos referentes a la posicin del sol.


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Fig.18. Representacin Latitud

- LONGITUD (L): es el ngulo que forman la vertical del punto geogrfico a estudiar de la

superficie terrestre (emplazamiento) y una proyeccin vertical a un punto geogrfico situado a

igual latitud pero sobre un eje de referencia llamado meridiano de Greenwich.

Fig.19. Representacin Longitud

- NORTE MAGNTICO (Nm): es la direccin indicada por la parte magnetizada de un brjula

debido a la atraccin que hace el polo magntico (concentracin de la masa) del planeta.

- NORTE GEOGRFICO (N): es la direccin que indicara una brjula si la concentracin de

masa del planeta fuera simtrica (indica la direccin des del punto de observacin y el extremo

superior geomtrico del planeta)

- DECLINACIN MAGNTICA: es el ngulo que forma la direccin que indica la brjula y el

norte geogrfico. Debido a la deriva de los continentes la concentracin de masa de la tierra va

variando de manera que cada ao la declinacin varia. Los mapas de los servicios cartogrficos

nacionales suelen dar la referencia de la declinacin magntica absoluta de la ltima fecha que

se midi y un valor de variacin anual a partir de la fecha indicada.

La declinacin, por definicin, es propia de cada lugar.


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En el grfico siguiente se muestra la declinacin magntica de Catalunya segn Institut

Cartogrfic de Catalunya.

Valor medio de la declinacin

magntica, el julio del 2006

=-053.25

Valor anual. 9.32

-AZIMUT (A): es el ngulo que forma la proyeccin de los rayos solares sobre el planotangente a la superficie terrestre y al sur geogrfico.

La azimut 0 corresponde al momento en el que el sol se encuentra sobre el sur geogrfico

indicando el medioda -12:00- hora solar.

Fig.20. Representacin Azimut


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- ALTURA SOLAR (h): es el ngulo que forman los rayos horizontales cuando llegan a la

superficie de la Tierra.

Fig.21. Representacin altura solar

La altura solar va variando durante el da. El sol sale muy bajo, sobre el horizonte, consigue la

altura mxima al medio da para volver a esconde4rse por la tarde por el Oeste. De la misma

manera, cada da del ao el sol llega a una altura mxima diferente. El valor ms alto es la

latitud 42N, el da del solsticio del verano, cerca de los 71 y el ms bajo, el da del solsticio del

invierno, cerca a los 25.

.

3.7 DESCRIPCIN DEL MOVIMINETO SOLAR ANUAL

La tierra gira alrededor del sol formando una eclptica en la cual el sol es el foco, con una

separacin mxima, el 4 de julio (afelio) y una distancia mnima, el 31 de diciembre (perihelio),

mientras que la distancia mediana entre los dos astros es de 149.600.000 km.


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Por otro lado, la Tierra gira sobre el eje imaginario que est inclinado 2330 respecto al plano

de la eclptica (rbita terrestre al rededor del sol), es decir, el eje de la Tierra no es perpendicular

a su rbita.

Como consecuencia de esta inclinacin en cada punto de la rbita terrestre, la geometra de la

situacin de un emplazamiento respecto a los rayos solares es diferente. Este hecho hace que los

rayos solares atraviesen un espesor de la atmsfera ms grande (invierno) o ms pequea

(verano) dando paso a las estaciones metereolgicas, que son opuestas en fechas a los dos

hemisferios, debido a que la radiacin solar incide con ngulos diferentes .

Fig.22 Representacin rayos solares


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Fig.23. Representacin rayos solares

Fig.24 La distancia 1-2 es mucho ms grande que la 2-3

3.8 DESCRIPCIN DE LA EVOLUCIN DE LAS SOMBRAS

Para conseguir el mximo provecho de un sistema de energa solar, se habr que tener en cuenta

de la incidencia de posibles sombras sobre captadores.

Los captadores trmicos no son especialmente crticos a las sombras y por regla general no

quedan inoperantes aunque se encuentren parcialmente sombreados (15-30%), aunque este

hecho, evidentemente produce una disminucin importante de la produccin, sobretodo si tiene

lugar durante las horas centrales del da (mxima insolacin).


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DIAGRAMA DE SOMBRAS

El diagrama de sombras es una representacin grfica del rea sombreada por un objeto en el

decurso de las horas centrales del da (horas con ms radiacin). La importancia de este

diagrama radica en que nos permite tomar una decisin sobre la ubicacin de los captadores sin

sorpresas posteriores (captadores a la sombra) o bien evaluar la energa disponible en caso que

no sea posible encontrar una localizacin sin sombras.

3.9 DISTANCIA MNIMA ENTRE CAPTADORES

Una de las principales aplicaciones del clculo de sombras que proyecta un objeto es la de

conocer si una lnea de captadores solares har o no sombra a otra que se encuentra detrs suyo,o dicho de otra manera, calcular la distancia mnima de la colocacin entre bateras e captadores

para evitar que los de delante tapen a los de detrs.

Este caso se ilustra en el siguiente dibujo:

Fig.25 Clculo de sombras

Tal y como se observa en el dibujo, la distancia mnima es la suma de dos longitudes (a i b), que

corresponden a la ocupacin del primer captador, m.


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3.10 MEDIDORES DE RADIACIN

Para medir la radiacin total que una superficie recibe en un determinado nmero de das (o

meses) se hacen servir unos aparatos llamados piranmetros, los cuales detectan la intensidad de

la radiacin incidente en cada momento y que, acoplados a un ordenador, acumulan estos datosen el transcurso del tiempo en que se toman las medidas.

Un piranmetro colocado sobre una superficie perfectamente horizontal, libre de obstculos a su

alrededor que le pudieran proyectar sombras, recibe la radiacin total (directa ms difusa) de

toda la bveda celeste, y permite evaluar la energa disponible a la zona donde se encuentra

ubicado.

Fig.26.Piranmetro para medir radiacin solar

Otro elemento (de menos precisin) utilizado en la medicin de la radiacin de la radiacin

solar son las llamadas clulas calibradas. Se trata de clulas fotovoltaicas que un laboratorio

acreditado han puesto en prueba, iluminndolas con sol artificial y estableciendo una relacin

proporcional entre radiacin recibida y produccin elctrica. Todo y que es de menor precisin,

el bajo coste de las clulas las hace ideales para utilizarlas como comprobadores del buen

funcionamiento de las instalaciones de manera que, colocando una de estas clulas, se puede

contrastar la produccin de las instalaciones con la radiacin (aproximada) recibida.

Fig.27. Estacin metereolgica Fig.28.Clulas calibradas

Obviamente los datos de radiacin obtenidas a partir

de los piranmetros han de ser de gran fiabilidad, ya

que una vez recopiladas a lo largo de los aos, y

despus de un intenso proceso matemtico y

estadstico, dan juego a las llamadas tablas de radiacin

solar.


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3.11 EL EFECTO FOTOVOLTAICO

Los materiales semiconductores (el silicio entre ellos) tienen la particularidad de presentar un

comportamiento diferente delante la electricidad (flujo de cargas) en funcin de si son i no son

excitados por una fuente energtica externa.

Cuando un fotn (partcula de luz radiante) impacta contra un electrn del ltimo orbital de un

tomo de silicio, le proporciona la energa con la que viajaba (energa cintica).

Si la energa adquirida por un electrn supera la fuerza de atraccin del ncleo (energa de

valencia) este sale de su rbita, queda libre del tomo y, por tanto, puede viajar por el material.

En este momento, se dice que el silicio se ha hecho conductor.

Para poder crear un campo elctrico que impulse los electrones a salir de la clula solar, se crea

una unin P-N, es decir que una zona del material tiene exceso de electrones y otra zona tiene

falta de ellos. Normalmente, en el proceso de fabricacin de la clulas fotovoltaicas, se parte de

silicio del tipo P y se hace a travs de una ligera contaminacin con fsforo que es ms

negativo; el fsforo penetra ligeramente en el silicio, formando la capa llamada N. Este proceso

recibe el nombre de dopaje.

La unin P-N crea un campo elctrico (0.5V) de forma que, al liberar un electrn, se le impulsaa travs del material hasta los conductos de plata, de baja resistividad, serigrafa en la superficie

de la clula.

Fig.29.Seccin figurada de una clula fotovoltaica de silicio cristalino


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A continuacin, se muestra una figura (Fig.30) con la respuesta de los diferentes materiales

semiconductores y las diversas frecuencias que enva el sol.

Fig.30.

En la siguiente figura (Fig.31), se muestra un esquema de cmo se producen las liberaciones de

electrones en las diferentes zonas de la clula solar fotovoltaica y de cmo estos viajan por el

material.

Fig.31

En que:

W es el espesor de la clula solar (habitualmente 0.3mm)

F son fotones de luz

IL es la intensidad de corriente generado y es la suma de la generacin

En la capa P-N y en la unin.


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I. ESTUDIO Y ANLISIS TCNICO SOBRE LA ENERGA SOLAR4. La energa solar

4. LA ENERGA SOLAR

4.1 INTRODUCCIN

El Sol, fuente de vida y origen de las dems formas de energa que el hombre ha utilizado desdelos albores de la Historia, puede satisfacer todas nuestras necesidades, si se aprende cmo

aprovechar de forma racional la luz que continuamente derrama sobre el planeta. Ha brillado en

el cielo desde hace unos cinco mil millones de aos, y se calcula que todava no ha llegado ni a

la mitad de su existencia.

Durante el presente ao, el Sol arrojar sobre la Tierra cuatro mil veces ms energa que la que

se va a consumir.

Espaa, por su privilegiada situacin y climatologa, se ve particularmente favorecida respecto

al resto de los pases de Europa, ya que sobre cada metro cuadrado de su suelo inciden al ao

unos 1.500 kilovatios-hora de energa, cifra similar a la de muchas regiones de Amrica Central

y del Sur. Esta energa puede aprovecharse directamente, o bien ser convertida en otras formas

tiles como, por ejemplo, en electricidad.

No sera racional no intentar aprovechar, por todos los medios tcnicamente posibles, esta

fuente energtica gratuita, limpia e inagotable, que puede liberarnos definitivamente de la

dependencia del petrleo o de otras alternativas poco seguras, contaminantes o, simplemente,

agotable.

Fig.32. Reflejo sol en una cubierta

Es preciso, no obstante, sealar que existen algunos

problemas que se deben afrontar y superar. Aparte

de las dificultades que una poltica energtica solar

avanzada conllevara por s misma, hay que teneren cuenta que esta energa est sometida a

continuas fluctuaciones y a variaciones ms o

menos bruscas. As, por ejemplo, la radiacin solar

es menor en invierno, precisamente cuando ms se

suele necesitar.


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Es de vital importancia proseguir con el desarrollo de la incipiente tecnologa de captacin,

acumulacin y distribucin de la energa solar, para conseguir las condiciones que la hagan

definitivamente competitiva, a escala planetaria.

4.2 QU SE PUEDE OBTENER CON LA ENERGA SOLAR?

Bsicamente, recogiendo de forma adecuada la radiacin solar, se puede obtener calor y

electricidad.

El calor se logra mediante los captadores o colectores trmicos, y la electricidad, a travs de los

llamados mdulos fotovoltaicos. Ambos procesos nada tienen que ver entre s, ni en cuanto a su

tecnologa ni en su aplicacin.

4.3 ENERGA SOLAR FOTOVOLTAICA

4.3.1.DESARROLLO DE LA ENERGA SOLAR FOTOVOLTAICA

4.3.1.1. INTRODUCCION

La energa solar elctrica, o fotovoltaica que es como ms comnmente se la conoce, es una

energa limpia y renovables, de fcil instalacin y mantenimiento.

La energa solar fotovoltaica slo representa el 0,001 por ciento del suministro de energa

elctrica que satisface las necesidades de consumo en todo el mundo, se prev un rpido y

significativo crecimiento de su implantacin, basado en el actual desarrollo de la tecnologa y el

compromiso medioambiental de los pases ms desarrollados. El sector fotovoltaico se sustenta

en una tecnologa de vanguardia y una industria puntera que en los ltimos aos est teniendo

un crecimiento anual medio superior al 30%.

En el medio plazo, se estima que habr una reduccin importante de costes debido a una mejora

de la eficiencia de las tecnologas actuales, a la optimizacin de los procesos de fabricacin, a la

aplicacin de economas de escala y al desarrollo de nuevas tecnologas. En el ao 2010 se

prev que los costes sern menores en un 30% para instalaciones aisladas y un 40% en

instalaciones conectadas a la red.


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Aunque tradicionalmente el uso de la energa solar fotovoltaica ha sido en aplicaciones aisladas

de la red elctrica, desde hace unos aos la incorporacin de esta tecnologa al entorno urbano

est facilitando su difusin y desarrollo. Es necesario tener en cuenta que la generacin elctrica

fotovoltaica es la nica que puede producir, a partir de una fuente renovable, electricidad all

donde se consume.

4.3.1.2. DESARROLLO ACTUAL EN ESPAA

Tanto la produccin industrial como la investigacin relacionada con la generacin elctrica

fotovoltaica que se desarrolla en Espaa ocupan un destacado lugar en el panorama mundial.

Espaa hoy es el primer pas europeo productor de clulas y paneles fotovoltaicos, con ms del

10% de la produccin mundial, contando con tres grandes fabricantes: ATERSA, BP SOLAR eISOFOTN.

La produccin de paneles fotovoltaicos en Espaa dispone de las ms avanzadas tecnologas y

los fabricantes espaoles tienen instalaciones y procesos productivos que sitan a nuestro pas

en el tercer puesto a escala mundial, despus de Estados Unidos y Japn.

Para conseguir unas elevadas prestaciones en todo el sistema industrial fotovoltaico es necesaria

una intensa y continuada actividad de I+D, tanto en las propias industrias como en los centrosde investigacin.

La industria fotovoltaica est concentrando su actividad de I+D en:

- El desarrollo de paneles fotovoltaicos con mayores niveles de eficiencia y

menor coste de fabricacin.

- La mejora de la eficiencia de los dispositivos de electrnica de potencia, de

transformacin y las protecciones.

El nivel de implantacin de la Energa Solar Fotovoltaica en Espaa, en el ao 2004 es poco

ms de 12 MWp (aproximadamente 2,8 MWp pertenecen a instalaciones conectadas a red y el

resto a instalaciones aisladas), cuando en pases como Alemania la potencia instalada es de

cinco veces ms elevada.


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Segn datos del Instituto para la Diversificacin y Ahorro de la Energa (IDAE), la potencia

solar fotovoltaica instalada a finales del ao 2004 en las diferentes Comunidades Autnomas

era:

Fig.33. Datos del Instituto para la Diversificacin y Ahorro de la Energa (IDAE)

La industria fotovoltaica espaola proporciona empleo directo a ms de 1.200 personas. De las

cuales 700 tienen sus puestos de trabajo en procesos de fabricacin (un 15% corresponden a

titulados superiores) y 500 en las fases de comercializacin y desarrollo de proyectos. A su vez,

proporciona empleo indirecto a ms de 5.000 personas.

MWp instalados

Andaluca 3,7

Aragn 0,16

Asturias 0,13

Baleares 0,73

Canarias 0,85

Cantabria 0,03

Castilla Len 0,78

Castilla la Mancha 1,22

Catalua 1,72Comunidad Valenciana 0,67

Extremadura 0,27

Galicia 0,12

La Rioja 0,04

Madrid 0,79

Murcia 0,07

Navarra 0,32

Pas Vasco 0,15

No regionalizable 0,6

TOTAL 12,1


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4.3.2. TECNOLOGA Y APLICACIONES DE LA ENERGA SOLAR FOTOVOLTAICA

4.3.2.1. CARACTERSTICAS Y CONCEPTOS BSICOS

Los sistemas fotovoltaicos, basndose en las propiedades de los materiales semiconductores,

transforman energa que irradia el Sol en energa elctrica, sin mediacin de reacciones

qumicas, ciclos termodinmicos, o procesos ,mecnicos que requieran partes mviles.

Las condiciones de funcionamiento de un mdulo fotovoltaico dependen de variables externas

tales como la radiacin solar y la temperatura de funcionamiento. Para poder efectuar el diseo

de una instalacin solar fotovoltaica se necesita saber la radiacin del lugar. Para ello se ha de

disponer de las tablas de radiacin solar actualizadas de nuestra provincia (los institutos de

energa elaboran anualmente un atlas de radiacin).

Fig.34. Irradiacin media diaria en Espaa segn zonas climticas.


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La cantidad de energa recibida del Sol (radiacin solar) y la demanda diaria de energa sern

los factores que nos marcarn el diseo de los sistemas fotovoltaicos. Como norma general esta

energa nos ser dada en KJ/m2.

La eleccin de los datos de radiacin solar depender directamente de la situacin de la

instalacin, as como de las condiciones meteorolgicas predominantes y particulares de cada

lugar. Para cada provincia utilizaremos una tabla de radiacin solar mensual interceptada por

una superficie inclinada.

El proceso de transformacin de energa solar en energa elctrica se produce un elemento

semiconductor que se denomina clula fotovoltaica. Cuando la luz del Sol incide sobre una

clula fotovoltaica, los fotones de la luz solar transmiten su energa a los electrones del

semiconductor para que as puedan circular dentro del slido. La tecnologa fotovoltaicaconsigue que parte de estos electrones salgan al exterior del material semiconductor

generndose as una corriente elctrica capaz de circular por un circuito externo.

Fig.35. Representacin efecto fotovoltaico

La conexin de clulas fotovoltaicas y su posterior encapsulado y enmarcado da como resultadola obtencin de los conocidos paneles o mdulos fotovoltaicos de utilizacin domstica e

industrial como elementos generadores elctricos de corriente continua.


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Teniendo en cuenta que la unidad de potencia elctrica es el vatio (W) y sus mltiplos el

Kilovatio (KW=1000W) y el megavatio (1MW=1.000.000W), la potencia de un mdulo

fotovoltaico se expresa en vatios pico (Wp), refirindose a la potencia suministrada a una

temperatura de 25C y una radiacin solar (irradiancia) de 1000W/m2.

Por otro lado, la energa producida por los sistemas fotovoltaicos es el resultado de multiplicar

su potencia nominal por el nmero de horas pico, dado que no todas las horas de Sol son de

intensidad considerada como pico, es decir 1000W/m2 y se mide de igual forma que en el resto

de sistemas energticos, en vatios hora (Wh) y sus mltiplos en Kilovatios hora (1KWh=1.000

Wh) y megavatios (1MWh=1.000.000 Wh).

El nmero de horas pico de un da concreto se obtendr dividiendo toda la energa de ese da (en

Wh/m

2

) entre 1000W/m

2

. para tener una idea, la suma total de la energa que produce el soldurante un da slo equivale en Espaa a una 5 horas solares pico durante el verano y entre 2 y 4

durante el invierno, segn la zona.

4.3.3. USOS Y APLICACIONES DE LA ENERGA SOLAR FOTOVOLTAICA

Hay dos formas de utilizar la energa elctrica generada a partir del efecto fotovoltaico:

- En instalaciones aisladas de la red elctrica.

- En instalaciones conectadas a la red elctrica convencional.

Mientras que en las primeras la energa generada se almacena en bateras para as

disponer de su uso cuando sea preciso, en las segundas toda la energa generada se enva

a la red elctrica convencional para su distribucin donde sea demandad.

4.3.3.1. SISTEMAS AISLADOS DE LA RED ELCTRICA

Estos sistemas se emplean sobre todo en aquellos lugares en los que no se tiene acceso a la red

elctrica y resulta ms econmico instalar un sistema fotovoltaico que tender una lnea entre la

red y el punto de consumo.

Como los paneles slo producen energa en las horas de Sol y la energa se necesita durante las

24 horas del da, es necesario un sistema de acumulacin.

Durante las horas de luz solar hay que producir ms energa de la que se consume, para

acumulada y posteriormente poder utilizada cuando no se est generando.

La cantidad de energa que se necesita acumular se calcula en funcin de las condiciones

climticas de la zona y el consumo de electricidad. De tal manera que en una zona donde haya


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muchos das soleados al ao habr que acumular poca energa. Si el periodo sin luz no es

suficientemente largo, hay que acumular ms energa.

El nmero de paneles a instalar debe calcularse teniendo en cuenta:

- La demanda energtica en los meses ms desfavorables.

- Las condiciones tcnicas ptimas de orientacin e inclinacin, dependiendo del

lugar de la instalacin.

Para optimizar el sistema es necesario calcular correctamente la demanda con el fin de no

sobredimensionar la instalacin.

Conviene utilizar electrodomsticos e iluminacin de bajo consumo, para que de esta manera el

sistema sea ms econmico. Actualmente existe una gran variedad de productos de bajo

consumo.

1)ELEMENTOS

Bsicamente estos sistemas fotovoltaicos constan de los siguientes

elementos:

Generador fotovoltaico: Transforma la energa del Sol en energa elctrica y carga las bateras.

Regulador de carga: Controla la carga de la batera evitando que se produzcan sobrecargas odescargas excesivas, que disminuyen la vida til del acumulador. Puede incorporar un sistema

de seguimiento del punto de mxima potencia, que es un dispositivo que aumenta el

rendimiento de la instalacin.

Sistemas de acumulacin. Bateras: Acumulan la energa entregada por los paneles. Cuando hay

consumo, la electricidad la proporciona directamente la batera y no los paneles.

Inversor-Ondulador: La corriente que entrega la batera es corriente continua y la mayora de loselectrodomsticos que se comercializan, funcionan con corriente alterna. Por este motivo se

utilizan onduladores que convierten la corriente continua en alterna.


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Fig.36.Esquema sistema solar fotovoltaico aislado

2)MANTENIMIENTO

El generador fotovoltaico se estima que tiene una vida til superior a 30 aos, siendo la parte

ms fiable de la instalacin. La experiencia indica que los paneles nunca dejan de producir

electricidad, aunque se rendimiento pueda disminuir ligeramente con el tiempo.

Por otro lado las bateras con un correcto mantenimiento tienen una vida aproximada de diez

aos.

Las operaciones de mantenimiento son:

- Los paneles que forman el generador apenas requieren mantenimiento, basta

limpiarlos con algn producto no abrasivo cuando se detecte suciedad.

- El regulador de carga no requiere mantenimiento, pero s necesita ser revisado

para comprobar su buen funcionamiento.- En las bateras se debe controlar que el nivel de agua del electrolito est dentro

de unos lmites aceptables. Para reponerlo se utiliza agua desmineralizada o

destilada. Adems se debe revisar mensualmente en cada uno de los elementos

y mantener los bornes de conexin libres de sulfato. La medida de la densidad

del electrolito puede avisar de posibles averas.


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Actualmente existen bateras sin mantenimiento o de electrolito gelificado que no necesitan

reposicin de agua.

- El ondulador no necesita mantenimiento especial, nicamente debe ser

revisado para comprobar su buen funcionamiento.

-

3)APLICACIONES

Las principales aplicaciones de los sistemas aislados de la red elctrica son:

Aplicaciones Espaciales: Desde los orgenes de la aventura espacial los satlites y naves

espaciales han utilizado paneles solares, fotovoltaicos para alimentar sus equipos electrnicos.

Sector de gran consumo: Calculadoras, relojes, etc.

Telecomunicaciones: Existen multitud de equipos de telecomunicaciones situados en zonas de

difcil acceso, alejados de la red elctrica, alimentados por energa solar fotovoltaica. En estos

casos, normalmente, la solucin solar es la ms econmica y fiable. Son ejemplos

caractersticos: repetidores de televisin, equipos de radio, antenas de telefona mvil, etc.. .

Sealizacin: La sealizacin martima terrestre es una de las grandes aplicaciones de los

sistemas fotovoltaicos. As son numerosos los ejemplos en baliza miento de aeropuertos,

sealizacin de carretas y puertos, etc..

Bombeo: Al estar los pozos alejados de la red elctrica, el bombeo con energa fotovoltaica es

una solucin muy adecuada. Estas instalaciones se adaptan muy bien a las necesidades ya que

en los meses ms soleados, que es normalmente cuando ms agua se necesita, es cuando ms

energa se produce.

Zonas protegidas: En parajes naturales, donde por motivos de proteccin ambiental se

recomienda no instalar tendidos elctricos areos, en ocasiones, resulta ms rentable utilizarsistemas fotovoltaicos en lugar de tendidos subterrneos o grupos electrgenos que utilizan

combustibles fsiles.

Electrificacin de viviendas aisladas: La distancia del punto de consumo a la red elctrica puede

hacer, en muchos casos, ms rentable esta aplicacin debido no solo al coste del instalar el

tendido elctrico sino tambin a la calidad del suministro elctrico al evitarse cortes de

electricidad, muy frecuentes en lugares aislados.


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Alumbrado de calles y carreteras: La posibilidad de utilizar sistemas de iluminacin autnomos

de fcil instalacin y mnima obra civil hace que sea una solucin adecuada en muchas

ocasiones.

Sistemas centralizados para poblaciones rurales aisladas: Cuando hay que electrificar una

pequea poblacin rural aislada, la solucin ms idnea es instalar un sistema centralizado que

gestione y distribuya la energa de los habitantes de la pequea poblacin.

4.3.3.2. SISTEMAS CONECTADOS A LA RED ELCTRICA

En los ncleos de poblacin que disponen del fluido elctrico, la conexin a la red de los

sistemas fotovoltaicos es una solucin idnea para contribuir a la reduccin de emisiones de

dixido de carbono (CO2) a la atmsfera. Esta aplicacin se ajusta muy bien a la curva dedemanda de la electricidad. El momento en que ms energa generan los paneles, cuando hay

luz solar, es cuando ms electricidad se demanda.

En Espaa, la electricidad generada con sistemas fotovoltaicos goza de una prima que mejora su

rentabilidad econmica.

Al instalar un sistema fotovoltaico conectado a la red, se dispone de una minicentral elctrica

que inyecta KWh verdes a la red para que se consuman all donde sean demandados.

Para que estas instalaciones sea tcnicamente variables es necesario.

- La existencia de una lnea de distribucin elctrica cercana con capacidad para

admitir la energa producida por la instalacin fotovoltaica.

- La determinacin, con la compaa distribuidora, del punto de conexin.

- Proyectar un sistema que incluya equipos de generacin y transformacin de

primera calidad, con las protecciones establecidas y debidamente verificados y

garantizados por los fabricantes, de acuerdo a la legislacin vigente.

- Una instalacin realizada por un instalador cualificado

En las instalaciones conectadas a red, el tamao de la instalacin no depende del consumo de

electricidad de la vivienda o edificio, simplificando enormemente su diseo. Para dimensionar

la instalacin es necesario conocer la inversin inicial, el espacio disponible y la rentabilidad

que se quiere obtener.

Es importante recordar que el consumo de electricidad es independiente de la energa generada

por los paneles fotovoltaicos. El usuario sigue comprando la electricidad que consume a la


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distribuidora al precio establecido y adems es propietario de una instalacin generadora de

electricidad que puede facturar los KWh producidos a un precio superior.

1)ELEMENTOS

Los elementos que componen la instalacin son:

Generador fotovoltaico: Transforma la energa del Sol en energa elctrica, que se enva a la red.

Cuadro de protecciones: Contiene alarmas, desconectadores, protecciones, etc.

Inversor-Ondulador: Transforma la corriente continua producida por los paneles en corriente

alterna de las mismas caractersticas que la de la red elctrica.

Contadores: Un contador principal mide la energa producida (kWh) y enviada a la red para que

pueda ser facturada a la compaa a los precios autorizados. Un contador secundario mide los

pequeos consumos de los equipos fotovoltaicos (kWh) para descontados de la energa

producida.

Fig.37. Esquema sistema solar fotovoltaico conectado a la red elctrica


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2)MATENIMIENTO

El mantenimiento se reduce a la limpieza de los paneles, cuando se detecte suciedad, y a la

comprobacin visual del funcionamiento del inversor. La vida media de la instalacin se estima

superior a treinta aos.

3)APLICACIONES

Las principales aplicaciones de los sistemas conectados a la red elctrica son:

Tejados de viviendas: Son sistemas modulares de fcil instalacin donde se aprovecha la

superficie de tejado existente para sobreponer los mdulos fotovoltaicos.

Una instalacin de unos 3 kWp que ocupa cerca de 30 m2 de tejado, inyectara a la red tanta

energa como la consumida por la vivienda a lo largo del ao.

Para ofrecer una solucin ms econmica se estn utilizando sistemas prefabricados que

reducen notablemente el tiempo de realizacin de la instalacin. Una vez terminada la

instalacin, el sistema fotovoltaico es un elemento ms de la vivienda, aportando una fuente

adicional e produccin de electricidad y un gran valor ecolgico aadido.

Por sus caractersticas y la actual reglamentacin en Espaa, se prev que sea la aplicacin ms

extendida en los prximos aos.

Plantas de produccin: Existen algunos ejemplos de plantas de produccin, aunque la mayora

han sido proyectos de demostracin. Las plantas de produccin de electricidad son aplicaciones

de carcter industrial que pueden instalarse en zonas rurales no aprovechadas para otros usos o

sobrepuestas en grandes cubiertas de reas urbanas (aparcamientos, zonas comerciales, reas

deportivas, etc.. ).

Para aumentar la capacidad de produccin de una planta fotovoltaica de produccin elctrica

hasta en un 25% se suelen utilizar sistemas de seguimiento del Sol.

Integracin en edificios: En esta aplicacin es prioritario el nivel de integracin del elemento

fotovoltaico en la estructura del edificio. Por integracin fotovoltaica debemos entender la

sustitucin de elementos arquitectnicos convencionales por nuevos elementos arquitectnicos

que incluyen el elemento fotovoltaico, y que por lo tanto son generadores de energa. Tanto para

aplicaciones aisladas de la red elctrica, como para las conectadas a ella es necesario cuidar la


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incorporacin de los sistemas fotovoltaicos al entorno, rural o urbano. Pero es en las

aplicaciones urbanas conectadas a red, en las que se unen exigencias urbansticas a las

motivaciones medioambientales, donde la integracin tiene ms relevancia. La demanda de

energa del sector terciario en la Unin Europea esta creciendo de forma significativa, por lo que

la integracin de sistemas fotovoltaicos en edificios, con aportaciones energticas en las horas

punta, contribuye a reducir la produccin diurna de energa convencional.

Fig.38. Grfico radiacin solar diaria

Las aplicaciones de integracin en edificios ms frecuentes son:

- Recubrimiento de fachadas

- Muros cortina

- Parasoles en fachada

- Prgolas

- Cubiertas planas acristaladas

- Lucernarios en cubiertas

- Lamas en ventanas

- Tejas


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Fig.39. Grfico radiacin solar segn la inclinacin y la orientacin

Para conseguir una mejor integracin del elemento fotovoltaico en los edificios es necesario

tenerla en cuenta desde el inicio del diseo del edificio. De esta manera se podr conseguir

mejorar el aspecto exterior y el coste del edificio al poderse sustituir elementos convencionales

por los elementos fotovoltaicos. A veces es necesario sacrificar parte del rendimiento energtico

por mantener la esttica del edificio.

Para aplicaciones arquitectnicas se utiliza frecuentemente el encapsulado de clulas

convencionales en cristal - cristal.

Dichos mdulos cristal - cristal son muy apropiados para este tipo de aplicaciones, pues adems

de cubrir totalmente los requerimientos tcnicos y estticos del diseo, permiten ciertos niveles

de semitransparencia que ayudan a aumentar la luminosidad del interior del edificio.

4.3.3.3. OTRAS APLICACIONES

Las posibilidades que ofrece el efecto fotovoltaico (generar electricidad a partir de la radiacin

solar) ha abierto un mundo de nuevas aplicaciones. Hay un gran nmero de ingenios domsticos

que funcionan a partir de la aplicacin de clulas fotovoltaicas para suministrar la energa que

les hace falta para funcionar.


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La aplicacin ms conocida de las clulas solares es sin duda el uso que se hace como fuente

energtica para los satlites de comunicacin. Tambin hay un mercado muy importante en

aplicaciones cuotidianas, como ahora las calculadoras, los relojes, los accesorios de camping,

los juguetes...,etc.

Uno de los usos de los mdulos fotovoltaicos no muy conocido, pero si muy utilizado, son las

farolas solares. En realidad, una farola solar es una instalacin solar completa, de pequea

escala, integrada en el soporte que presta una farola para iluminar la va pblica.

4.3.4 VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LAS INSTALACIONES

FOTOVOLTAICAS.

Las instalaciones de generacin de energa elctrica fotovoltaica presentan las siguientes

ventajas:

Sonsistemas modulares, lo que facilita su flexibilidad para adaptarse a diferentes tipos

de aplicaciones, y su instalacin es relativamente sencilla.

Tienen una larga duracin. La vida til de una planta fotovoltaica, la define la vida

til de sus componentes, principalmente el generador o mdulo fotovoltaico, que

constituye ms del 50% del valor de la instalacin. Los mdulos tienen una vida

esperada de ms de 40 aos. Realmente no se tienen datos para saber con exactitud la

vida real de un generador conectado a red porque no se tiene suficiente perspectiva,

existen mdulos de instalaciones aisladas de red que llevan funcionando ms de 30

aos sin problemas.

En cuanto a las instalaciones conectadas a red, la instalacin europea ms antigua es la del

Laboratorio de energa, Ecologa y Economa (LEEE) de Lugano, Suiza, que empez a

funcionar hace veinte aos. Los expertos de LEEE aseguran, que esta instalacin, pionera en

todos los aspectos, puede estar en funcionamiento, al menos, diez aos ms. La vida til de los

restantes elementos que componen la planta FV, inversores y medidores, as como los

elementos auxiliares, cableado, canalizaciones, cajas de conexin, etc., es la vida til tpica


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todo equipo electrnico y material elctrico, la cual es compatible con la larga vida til del

generador FV, con el adecuado mantenimiento.

No requieren apenas mantenimiento. El mantenimiento es escaso, y no solo es

conveniente hacerlo en las horas nocturnas para tener una disponibilidad diurna

mxima, sino que es necesario, para evitar que existan tensiones en los generadores.

Ofrecen una elevada fiabilidad. Las instalacio

Estudio y diseño en la optimización de energía solar fotovoltaica para una vivienda unifinaliar

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