¿QUÉ ES LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA?

• CONSISTE EN LA CONVERSIÓN DIRECTA DE LA LUZ SOLAR EN ELECTRICIDAD, MEDIANTE UN DISPOSITIVO ELECTRÓNICO DENOMINADO “CÉLULA SOLAR”.

• LA CONVERSIÓN DE LA ENERGÍA DE LA LUZ SOLAR EN ENERGÍA ELÉCTRICA ES UN FENÓMENO FÍSICO CONOCIDO COMO EFECTO FOTOVOLTAICO.

• PRESENTA CARACTERÍSTICAS PECULIARES ENTRE LAS QUE SE DESTACAN:

• ELEVADA CALIDAD ENERGÉTICA.

• PEQUEÑO O NULO IMPACTO ECOLÓGICO.

• INAGOTABLE.

• LA RADIACIÓN SOLAR ES CAPTADA POR LOS PANELES

FOTOVOLTAICOS GENERANDO ENERGÍA ELÉCTRICA

(EFECTO FOTOVOLTAICO) EN FORMA DE CORRIENTE

CONTINUA. EN LAS INSTALACIONES CONECTADAS A LA RED

ESTA ENERGÍA ES TRANSFORMADA EN CORRIENTE

ALTERNA MEDIANTE UN EQUIPO DENOMINADO INVERSOR, Y

VERTIDA A LA RED ELÉCTRICA DE DISTRIBUCIÓN EN EL

PUNTO DE CONEXIÓN ( NORMALMENTE LA ACOMETIDA

EXISTENTE ).

¿PARA QUE SIRVE?

• LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA PERMITE UN GRAN

NÚMERO DE APLICACIONES, YA QUE PUEDE SUMINISTRAR

ENERGÍA EN EMPLAZAMIENTOS AISLADOS DE LA RED (

VIVIENDAS AISLADAS, FAROS, POSTES SOS, BOMBEOS,

REPETIDORES DE TELECOMUNICACIONES, ETC), O

MEDIANTE INSTALACIONES CONECTADAS A LA RED

ELÉCTRICA, QUE PUEDEN SER DE PEQUEÑO TAMAÑO (

INSTALACIÓN EN VIVIENDA INDIVIDUAL ) O CENTRALES DE

GRAN TAMAÑO ( LA MAYOR INSTALADA EN LA UNIÓN

EUROPEA ES DE 5 MW ).

• CONTRIBUYE EFICAZMENTE A LA REDUCIÓN DE EMISIONES DE CO2.

• CADA KWh GENERADO CON ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA EVITA LA EMISIÓN A LA ATMÓSFERA DE APROXIMADAMENTE UN KILO DE CO2, EN EL CASO DE COMPARAR CON GENERACIÓN ELÉCTRICA CON CARBÓN.

• UNA VIVIENDA UNIFAMILIAR CON UNA POTENCIA INSTALADA EN SU TEJADO DE 5 KWh PUEDE EVITAR ANUALMENTE 1,9 T DE CO2

APLICACIONES

AISLADAS DE RED

SOLAR FOTOVOLTAICA

APLICACIONES

CONECTADAS A LA RED

¿CUÁNTO CUESTA?

EJEMPLO INSTALACIÓN FIJA DE P=4KWp • Instalación en vivienda unifamiliar .

• Vida útil 25 años.

• Instalación tipo:

• Potencia nominal 4 kwp.

• Régimen de funcionamiento 1250 h.

• Generación eléctrica neta: 5000 kwh/año.

• Precio de venta de electricidad:0,440381 €/kwh(en 2006).

• Inversión aproximada 26.800 € ( 6.700 €/kwp )

RESUMEN DE EJEMPLOS P = 4 KWP

FIJA

P = 6,12 KWP

SEGUIMIENTO

P = 120 KWP

SEGUIMIENTO

Potencia nominal ( kwp )

Vida útil ( años )

Régimen de funcionamiento ( h )

Generación eléctrica neta ( kwh )

Precio de venta de electricidad ( €/kwh )

4

25

1.250

5.000

0,440381

6,12

25

1.644

10.061

0,440381

120

25

1.250

150.000

0,440381

Inversión ( € )

Pago inicial titular ( 20% ) ( € )Préstamo

Bancario ( 80% ) ( € )

Pago anual del préstamo ( € )

( 10 años, i=Euribor+1

Ingresos anuales ( 1er año ) ( € )

Gastos de operación y mantenimiento

( 1er año ) ( € )

TIR a 25 años ( % )

26.800

5.360

21.440

2.578

2.201

150

7,11

47.124

9.425

37.699

4.648

4.431

238

9,58

756.000

151.200

604.800

74.566

66.057

1.982

8,29

Toneladas de CO2 /año evitadas:

Toneladas de CO2 evitadas durante la

vida útil de la instalación

1,9

47,5

3,7

93,5

55,8

1.395,0

¿HAY AYUDAS?

• SE DEBE CONSULTAR CON EL ÓRGANO COMPETENTE DE

CADA COMUNIDAD AUTÓNOMA, NORMALMENTE LA

DIRECCIÓN PROVINCIAL O GENERAL DE INDUSTRIA O

SIMILAR.

• En el PER ( Plan de Energías Renovables ) 2005 – 2010 se prevén

ayudas a la inversión a ( fondo perdido ), para instalaciones

fotovoltaicas aisladas de la red eléctrica.

• Para instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red se prevén

ayudas a la explotación, a través de la tarifa regulada establecida

en el real Decreto 436/2004. No se prevén ayudas a la inversión

para este tipo de instalaciones.

TARIFAS ESTABLECIDAS EN EL ARTÍCULO 33 DEL REAL DECRETO 436/2004:

POTENCIA TARIFA

P<100 KW; 575% de la tmr primeros 25 años. En 2006 0,440381 €/kwh

460% de la tmr a partir de entonces.

P>100 kW; 300% de la tmr primeros 25 años. En 2006 0,229764 €/kwh

240% de la tmr a partir de entonces.

La TMR ( Tarifa Media o de Referencia ) se publica anualmente para todo el sector eléctrico. Para 2006 es de 7,6588 c€/kwh.

Para instalaciones de P>100kW existe la posibilidad de vender la energía libremente en el mercado eléctrico ( OMEL es el operador del mercado eléctrico ), cobrando unas primas 250% de la TMR, incentivos (10% de la TMR ), y complementos suplementarios al precio de venta.

EL PRECIO POR KWH ENTREGADO A LAS COMPAÑIAS ELÉCTRICAS SE ENCUENTRA FIJADO POR EL MOMENTO 5,75 VECES EL PRECIO DE LA TARIFA MEDIA DE REFERENCIA O TMR.

PARA EL AÑO 2006 EN 0,076588 €/KWH, POR LO QUE HOY EL PRECIO DE LA ENERGÍA PRODUCIDA SERÍA DE 0,440381 €/KWH QUE COINCIDE CON LO COMENTADO ANTERIORMENTE.

TMR( Tarifa Media o de Referencia )

¿QUÉ ES EL CÓDIGO TÉCNICO DE

EDIFICACIÓN?

• ES EL MARCO NORMATIVO QUE ESTABLECE LAS

EXIGENCIAS QUE DEBEN CUMPLIR LOS EDIFICIOS EN

RELACIÓN CON LOS REQUISITOS BÁSICOS DE SEGURIDAD Y

HABITABILIDAD ESTABLECIDOS EN LA LEY DE ORDENACIÓN

DE LA EDIFICACIÓN ( LOE ).

• EN LA SECCIÓN HE5 DEL CTE SE REGULA LA

INCORPORACIÓN DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS A LOS

NUEVOS EDIFICIOS, SEGÚN EL USO DEL MISMO, SUPERFICIE

CONSTRUIDA Y ZONA CLIMÁTICA DONDE SE SITÚE.

EXIGENCIAS DEL CTE:

• a) limitar demanda energética.

• b) aumento rendimiento de las instalaciones térmicas.

• c) aumento eficiencia instalaciones de iluminación.

• d) incorporar la utilización de energía solar térmica.

• e) incorporar la utilización de energía solar fotovoltaica.

• FOTOCOPIA HE5 DEL CTE

( CÓDIGO TÉCNICO DE

EDIFICACIÓN )

EL SOL

• Es la estrella de nuestra galaxia más cercana a nosotros y la más importante.

• Es una estrella de tipo medio, tiene un radio de 700.000 km y su masa es tan enorme que equivale a la que tendrían juntos 300.000 planetas iguales a la tierra.

• La energía que el sol produce e irradia son las reacciones nucleares que se realizan en su seno. La mayor parte de la energía irradiada es transportada en forma de ondas electromagnéticas (fotones) en una amplia gama de longitudes de onda diferentes.

La velocidad de propagación de estas ondas es de 300.000 km/s tardando solamente 8 minutos en recorrer los 150 millones de kilómetros que hay entre el sol y la tierra.

EL SOL NUESTRA FUENTE DE

ENERGIA • ES UNA ESTRELLA CUYA SUPERFICIE SE ENCUENTRA A UNA

TEMPERATURA DE 5500 ºC Y DEBIDO A COMPLEJAS REACCIONES

QUE PRODUCEN PÉRDIDA DE MASA, ÉSTA SE CONVIERTE EN

ENERGÍA. DICHA ENERGÍA LIBERADA, SE TRANSMITE AL EXTERIOR

MEDIANTE LA DENOMINADA RADIACIÓN SOLAR.

• SI EXAMINAMOS EL ESPECTRO DE LA RADIACIÓN SOLAR, OBSEVAMOS QUE LA MAYORÍA DE LA ENERGÍA EMITIDA POR EL SOL SE ENCUENTRA EN LA PARTE VISIBLE DE DICHO ESPECTRO Y ÉSTA REPRESENTA EL 47% DE LA TOTAL.

• LAS RADIACIONES ULTRAVIOLETAS SON MUY ENÉRGICAS PERO POCO ABUNDANTES ( 7% DEL TOTAL ).

• LAS RADIACIONES INFRARROJAS SON MUY ABUNDANTES

( 46 % DEL TOTAL ) PERO MUCHO MENOS ENÉRGICAS QUE LAS ANTERIORES.

POR LO ANTERIORMENTE EXPUESTO SE DICE QUE PODEMOS CONVERTIR LUZ EN ELECTRICIDAD MEDIANTE LAS CÉLULAS SOLARES.

LA RADIACIÓN SOLAR RECIBIDA FUERA DE LA ATMÓSFERA TERRESTRE ES DE 1353 W/m2, MEDIDA SOBRE UNA SUPERFICIE PERPENDICULAR A LA DE SU PROPAGACIÓN. A ESTE VALOR SE LE DENOMINA CONSTANTE SOLAR. LA QUE RECIBIMOS EN LA TIERRA ES MENOR Y SE DEBE A:

a) Gases atmosféricos ( nitrógeno, oxígeno, ozono, etc. )

b) Vapor de agua.

c) Polvo.

ESTO HACE QUE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE SÓLO SE RECIBAN UNOS 1000W/m2 VALOR QUE SÓLO SE ALCANZA EN DÍAS CLAROS.

TIPOS DE RADIACIÓN

• RADIACIÓN DIRECTA:

ES LA RADIACIÓN RECIBIDA DEL SOL SIN QUE SUFRA DESVIACIÓN ALGUNA EN SU CAMINO A TRAVÉS DE LA ATMÓSFERA.

• RADIACIÓN DIFUSA:

ES LA RADIACIÓN SOLAR QUE SUFRE CAMBIOS EN SU DIRECCIÓN, PRINCIPALMENTE DEBIDOS A LA REFLEXIÓN Y DIFUSIÓN EN LA ATMÓSFERA. LA RADIACIÓN SOLAR VIAJA EN LÍNEA RECTA, PERO LOS GASES Y PARTÍCULAS EN LA ATMÓSFERA PUEDEN DESVIAR ESTA ENERGÍA, LO QUE SE LLAMA DISPERSIÓN. ESTO EXPLICA COMO UN ÁREA CON SOMBRA O PIEZA SIN LUZ SOLAR ESTÉ ILUMINADA, LE LLEGA LUZ DIFUSA O RADIACIÓN DIFUSA.

• ALBEDO:

ES LA RADIACIÓN DIRECTA Y DIFUSA QUE SE REFLEJA EN EL SUELO U OTRAS SUPERFICIES PRÓXIMAS.

EL ALBEDO ES VARIABLE DE UN LUGAR A OTRO Y DE UN INSTANTE A OTRO.

MASA DE AIRE

• ES UNA MEDIDA DE LA DISTANCIA QUE RECORRE LA RADIACIÓN A

TRAVÉS DE LA ATMÓSFERA Y QUE, LOGICAMENTE VARÍA EN

FUNCIÓN DEL ÁNGULO DE INCIDENCIA.

AM = 1/cos θ

Donde: AM = AIR MASS ( Masa de aire ).

θ = Ángulo entre el rayo vector del sol y la perpendicular a la superficie del

lugar.

Capítulo 1

HISTORIA Y FUNDAMENTO DE LA CÉLULAS SOLARES

FOTOVOLTAICAS

• Parece ser que los fenómenos fotoeléctricos tienen el principio de su descubrimiento en 1808, por

mediación de Hallwachs, pero fue Hertz quien enunció los principios básicos que lo regían.

• En 1887 este último observó que la chispa saltaba mas fácilmente entre dos esferas de diferente

potencial cuando sus superficies eran fuertemente iluminadas por la luz de otra descarga, y

posteriormente comprobó que una lámina de zinc cargada negativamente y conectada a un

electroscopio, perdía rápidamente su carga al ser iluminada por un arco voltaico. De todo ello

dedujo Hertz que, bajo la acción de la luz, el zinc y en general todos los metales emiten cargas

negativas.

• Los resultados experimentales que se obtuvieron fueron los siguientes:

– El efecto fotoeléctrico es instantáneo, es decir, aparece con la radiación sin retraso sensible ( el tiempo

transcurrido es del orden de 3X10-9 segundos ).

– El número de fotoelectrones emitidos, es decir, la intensidad de la corriente producida, es proporcional a la

radiación recibida.

– Sobre la velocidad de la emisión no influye para nada la intensidad luminosa, ni su estado de polarización,

pero sí su frecuencia o longitud de onda.

– Para cada metal existe una frecuencia mínima de radiación luminosa, por debajo de la cual no se presenta

el efecto fotoeléctrico.

• Las células fotoeléctricas son dispositivos basados en la acción de radiaciones luminosas sobre

ciertas superficies metálicas. El efecto de éstas puede ser de tres tipos:

– Efecto fotoemisivo: provoca en el metal un arranque de electrones con liberación de los mismos.

– Efecto fotoconductivo: modifica la conductividad eléctrica del metal.

– Efecto fotovoltaico: crea una fuerza electromotriz en el metal. Aquí se integran las células fotovoltaicas,

que convierten la energía solar en eléctrica.

En 1954 fue cuando se construyó la primera célula que aprovechase el efecto fotovoltaico con

un rendimiento rentable siendo construida por la compañía Bell Telephone de New Jersey.

Fue a principios de los años 70 cuando se obtuvieron en los laboratorios unos rendimientos en

torno al 20% trabajando con células monocristalinas de arseniuro de galio ( GaAs ).Si esta

células se fabrican a escala industrial su rendimiento es algo menor.

También se han realizado muchos experimentos con células de dos capas: una de sulfuro de

cadmio ( SCd ) y otra de sulfuro de cobre ( SCu2 ), las cuales tienen la ventaja de utilizar

poco material activo pero tienen un rendimiento muy bajo para utilizar a escala industrial.

La comercialización de las células solares fotovoltaicas comenzó con las de silicio

monocristalino y que todavía tienen hoy el primer puesto.

Con el tiempo aparecieron las compuestas por material policristalino, que tienen menor

rendimiento y una fabricación más económica, pueden ser fabricadas en forma cuadrada y

así aprovechar casi totalmente el área rectangular que presenta el panel solar. Ya se

empiezan a vender células de silicio amorfo para dispositivos de baja potencia como relojes,

calculadoras, etc.

Han aparecido tecnologías más sofisticadas, como pueden ser las películas delgadas de

semiconductores, o las combinaciones de varios conductores para optimizar la respuesta a la

acción solar.

También se han desarrollado en España células bifaciales, las cuales aprovechan la radiación

por las dos caras y se han hecho experimentos con dispositivos concentradores ( lentes de

Fresnel ) para que se incremente la intensidad de radiación incidente sobre la superficie de la

célula.

Las primeras aplicaciones de la electricidad fotovoltaica se realizaron en los vehículos espaciales.

• Principios físicos:

La materia está constituida por átomos, los cuales a su vez están formados por dos partes: el núcleo dotado con carga eléctrica positiva , y los electrones, que giran alrededor en diferentes bandas de energía, con carga eléctrica negativa.

A los electrones de la última capa se le llaman electrones de valencia y tienen la facilidad de interrelacionarse con otros similares, formando una red cristalina.

Haciendo una división podemos decir que existen tres tipos de materiales, eléctricamente hablando y son:

-Conductores: Disponen de electrones de valencia poco ligados al núcleo y que pueden moverse con facilidad dentro de la red cristalina respondiendo a un pequeño agente externo.

-Semiconductores: Sus electrones de valencia están más ligados a sus núcleos que en los conductores, pero basta suministrar una pequeña cantidad de energía para que se comporten igual que éstos, li8berando sus electrones más externos.

-Aislantes: Presentan una configuración muy estable, la cual es difícil modificar, ya que los electrones de valencia están fuertemente ligados al núcleo.

Los materiales usados para las células fotovoltaicas son semiconductores, generalmente silicio. Los fotones de la luz solar suministran la energía suficiente a los electrones de valencia para que rompan los enlaces y queden libres para circular por el semiconductor.

• Al lugar dejado por la ausencia del electrón se le llama hueco y dispone de carga eléctrica

positiva ( igual a la que tenía el electrón pero de signo contrario ). Estos huecos también se

desplazan, ya que el electrón liberado es susceptible de caer en un hueco próximo,

produciéndose entonces un movimiento de estas “ ausencias de electrones “. A l hecho de que

los electrones ocupen huecos dejados por otros electrones se le denomina recombinación.

• Estos electrones libres y estos huecos creados en los puntos donde hay luz tienden a difundirse hacia las zonas oscuras, con lo cual pierden su actividad. Sin embargo. Al moverse ambas partículas en el mismo sentido, no producen corriente eléctrica, y antes o después se recombinan restableciendo el enlace roto. No obstante, si en algún lugar próximo a la región donde estas parejas de electrones y huecos han sido creados se formara un campo eléctrico en el interior del semiconductor, este campo separaría a los electrones de los huecos, haciendo que cada uno circule en dirección opuesta y, por consiguiente, dando lugar a una corriente eléctrica en el sentido del citado campo eléctrico.

• Existen varias formas de crear un campo eléctrico de este tipo en el interior del semiconductor, pero todas ellas están basadas en el concepto de potencial de contacto y la afinidad que diferentes sólidos tienen por los electrones.

• En las células solares convencionales este campo eléctrico se consigue mediante la unión de dos regiones de un cristal de silicio, que han sido tratadas químicamente de modo diverso.

Una de las regiones, la denominada n, ha sido dopada ( impurificada ) con fósforo que tiene cinco electrones de valencia uno más que el silicio.

La otra región, denominada p, ha sido dopada con boro que tiene tres electrones de valencia uno menos que el silicio.

La unión p-n así formada presenta una diferencia de potencial Vc que hace que los electrones tengan menos energía en la zona n que en la zona p. Consecuentemente, un campo eléctrico dirigido de la zona n hacia la zona p tiende a enviar los electrones hacia la zona n y los huecos hacia la zona p.

• La constitución de una célula de silicio convencional parte de una barra cristalina de silicio

dopado con boro, que se corta en discos de un espesor de 0.3 mm. Una de sus caras se dopa

fuertemente con fósforo, mediante difusión a alta temperatura en una atmósfera gaseosa rica en

el mismo, de forma que este elemento penetre en el silicio más concentrado que el boro que este

contenía, hasta una profundidad aproximada de 0.3 micras. Encima de esta capa se deposita

una rejilla metálica conductora y en la parte posterior una capa continua. Ambas sirven para

facilitar la toma de contactos eléctricos con las dos regiones.

Cuando inciden fotones sobre la capa superior de la célula, algunos enlaces se rompen generándose pares electrón – hueco.

Si esta generación se produce a una distancia de la unión menor que lo que se denomina longitud de difusión, antes o después estos portadores serán separados por el fuerte campo eléctrico que existe en la unión, moviéndose el electrón hacia la zona n y el hueco hacia la zona p y dando lugar, por consiguiente, a una corriente desde la zona n a la zona p.

Si la longitud de difusión es muy corta, esto significa que, en un corto recorrido, el electrón y el hueco se recombinarán y la energía luminosa que fue absorbida para crear el par se recupera en forma de calor, lo cual en nuestro no es deseable.

De este modo, los fotones absorbidos en las zonas posteriores de la célula solar ( que son los de mayor longitud de onda ) tendrán pocas posibilidades de alcanzar la unión si la longitud de difusión no es lo suficientemente grande. Para que ésta última lo sea es necesario que el cristal de silicio sea estructural y constitucionalmente muy puro, es decir, que sea monocristal y que tenga una mínima concentración de impurezas distintas de las añadidas intencionadamente ( boro y fósforo ). Esto se debe a que la mayor parte de las impurezas, así como los defectos estructurales, catalizan con gran eficacia el proceso de recombinación del par electrón – hueco en su trayectoria hacia la unión p – n.

La corriente eléctrica producida, al ser empleada en un trabajo útil, desarrolla una caída de tensión que hace que la zona p sea más negativa. Como esta zona era la de menor energía potencial de electrones ( es decir, la de mayor potencial o más positiva ),el efecto de la carga exterior es reducir el potencial de la zona p,o sea, reducir el campo separaor que aparece en la unión.

La corriente dada por la célula solar para una iluminación determinada varía en función de la caída de tensión producida en el exterior, de acuerdo con lo que se muestra en la figura.

• La corriente suministrada es casi constante, hasta que se llega a un valor de tensión para el cual

el campo de la unión decrece sensiblemente. Entonces la corriente tiende a cero rapidamente.

• La potencia máxima que puede dar una célula corresponde a una tensión algo inferior a la de

circuito abierto VCA.

• La máxima intensidad ICC que puede suministrar la célula se produce cuando no existe ninguna

tensión exterior, pero en ese caso no suministra potencia en absoluto. El valor de la intensidad

máxima Imax está también algo más bajo que la intensidad de cortocircuito ICC.

RENDIMIENTO DE LAS CÉLULAS SOLARES:

El rendimiento se define como el cociente entre la potencia eléctrica máxima que puede producir una célula fotovoltaica y la potencia luminosa que incide sobre la superficie.

El rendimiento obtenido en laboratorio sobre células de silicio monocristalino es del

22 – 24 %, pero una vez que se pasa a su fabricación masiva éste baja a un valor aproximado del

15 %, lo que quire decir que, de cada 100 vatios que recibimos del sol, tan sólo 15 % se aprovechan para nuestro uso.

El hecho de este rendimiento tan bajo se debe fundamentalmente a los siguientes factores:

a) Energía de los fotones incidentes.

Ocurre en gran medida que los fotones que contienen la luz solar no disponen de la energía suficiente como para romper el enlace covalente y crear el par electrón – hueco. También se puede dar el caso de que el fotón incidente tenga más energía de la necesaria, en ese caso ese exceso de energía se disipa en forma de calor.

Un 50 % de la energía incidente en nuestra célula se pierde.

b) Pérdidas por recombinación.

El hecho de que parte de los electrones liberados por los fotones ocupen de nuevo huecos vecinos ( recombinación ), hace que la tensión de vacío disminuya desde aproximadamente 1.1 V ( tensión teórica ), hasta un máximo de 0.6 V en circuito abierto, debido a factores y proceso de fabricación de la célula solar. Las pérdidas se elevan por esto a un 15 %.

c) Pérdidas por reflexión.

Si dispusiéramos la oblea de silicio tal y como queda después de haberse producido el

corte en la barra de silicio monocristalino, la cantidad de luz reflejada sería del 30 %. Se han

experimentado diferentes recubrimientos que reducen este valor aproximadamente al 10 %.

d) Pérdidas por los contactos eléctricos.

El hecho de dotar a la célula solar de unos contactos que canalicen los electrones

liberados hacia el circuito exterior, hace que parte de su superficie de captación se vea tapada

por estos contactos eléctricos de la rejilla, que no son transparentes y, en definitiva, restan

iluminación. Las pérdidas por este concepto pueden evaluarse, como media, en un 8 %, ya que

dependen del diseño de la célula.

e) Pérdidas por resistencia serie.

Es debida al efecto Joule que se produce al circular la corriente eléctrica través del silicio,

produciendo un calentamiento. Representa sobre el conjunto un 2 – 3 %.

VISTO LO ANTERIOR SE PUEDE DECIR QUE EL RENDIMIENTO REAL DE LA CÉLULA SOLAR

FOTOVOLTAICA SUELE SER DEL 15 %.

Capítulo 2

CÉLULAS Y PANELES FOTOVOLTAICOS

• La célula fotovoltaica es aquel dispositivo capaz de convertir la luz en electricidad de una forma directa e inmediata.

Una célula fotovoltaica está formada por materiales semiconductores que, con la unión

p – n, pueden generar una barrera de potencial para producir el efecto fotovoltaico. El tamaño de cada célula está entre unos pocos centímetros cuadrados hasta 100 cm2 o más, variando su forma desde la circular hasta la cuadrada o una forma derivada de las formas anteriores.

Las células las conectamos en serie para que los electrones expulsados de una sean recogidos por la otra, para obtener una energía adicional que ayude a lograr una diferencia de potencial al circuito exterior, entre 6 y 24 V.

TIPOS:

Células de silicio policristalino.

Son aquellas obtenidas a partir de procesos que no necesitan un control exhaustivo de la temperatura en la solidificación del material de silicio, ni tampoco un crecimiento controlado de su red cristalina. Se les da el nombre de policristalinas, ya que la solidificación no se hace en un solo cristal sino en múltiples.

Células de sulfuro de cadmio ( SCd ) y sulfuro de cobre ( SCu2 ).

Son células compuestas por dos capas: una de sulfuro de cadmio y otra de sulfuro de cobre. La ventaja de este sistema radica en que se utiliza muy poco material activo en un proceso fácil de fabricación.

Rendimiento muy bajo, en el laboratorio no superan el 10 %.

Otro problema que presentan este tipo de células es la degradación que se produce con el paso del tiempo.

Células de arseniuro de galio.

Son quizá estas células fotovoltaicas las más indicadas para la fabricación de paneles, ya que su rendimiento teórico alcanza límites cercanos al 27 – 28 % en su versión monocristalina.

El problema es que es raro y poco abundante. Su tecnología está poco avanzada y sus costos son muy elevados.

Una característica interesante es su elevado coeficiente de absorción.

Puede trabajar a temperaturas altas con menores pérdidas que el silicio monocristalino.

Células bifaciales.

Esta tecnología de fabricación consiste en crear una doble unión ( normalmente n+ –p –p+

) de tal forma que la célula sea activa tanto en la cara frontal como en la cara posterior.

Este procedimiento permite captar la radiación frontal y la reflejada en el suelo (albedo ),

que es transformada en electricidad en la cara posterior de la célula fotovoltaica. La energía

producida por el albedo es menor que la que produce la radiación directa, pudiendo llegar su

valor al 30 % de la energía total.

Presentan mejor rendimiento que las monofaciales,pero su coste de producción es

bastante más elevado.

Células de silicio amorfo.

Presenta la ventaja de que el espesor del material a utilizar, puede llegar a ser 50 veces

más fino que el equivalente fabricado en silicio monocristalino.

Destaca por su elevada velocidad de recombinación producida por la gran cantidad de

imperfecciones en la red cristalina. Este efecto se ve compensado en parte por la adición de

hidrógeno ( en proporciones cercanas al 50 % ), que hace disminuir la velocidad de

recombinación de los portadores.

Presenta un alto coeficiente de absorción, lo que le permite la utilización de espesores de

material activo muy pequeños.

Se empiezan a vender para dispositivos de baja potencia como relojes, calculadoras, etc.

Células de silicio monocristalino.

Son las células más usadas. Puede deberse a que el silicio es el material más abundante

en la tierra después del oxígeno.

El precio de las células se debe a que el silicio no se encuentra en estado puro y existen

ciertos elementos de difícil eliminación. Por otra parte, se ha de fundir y hacerse crecer para

formar un monocristal, etapa en la cual se ha de invertir mucho tiempo y mucha energía.

Una célula solar de silicio monocristalino no es otra cosa que un diodo de unión p – n

que se hace especialmente sensible a la iluminación, generando la corriente eléctrica.

En la figura se observa el circuito equivalente, donde se aprecia el generador de corriente,

el diodo, un pequeño efecto capacitivo ( expresado por un condensador ) y dos resistencias

típicas de la fabricación, una en serie y otra en paralelo, que están formadas por los propios

materiales utilizados.

• PARÁMETROS DE UNA CÉLULA SOLAR.

La curva Intensidad-Tensión (I-V) que define el comportamiento de una célula

fotovoltaica está representada en la figura.

En la figura se pueden ver las medidas típicas que definen una célula. Son:

Intensidad en cortocircuito ICC.

Es aquella que se produce a tensión cero y puede ser medida directamente con un amperímetro conectado a la salida de la célula solar. Su valor varía en función de la superficie y de la radiación luminosa a la que la célula es expuesta.

Normalmente para células de 100 mm de diámetro, su valor está próximo a los 2.5 amperios para una radiación de 100 mW/cm2.

Tensión de circuito abierto VCA.

.

Es la tensión que podemos medir al no existir una carga conectada y representa la tensión máxima que puede dar una célula. Su medida se realiza conectando un voltímetro entre bornas, y su valor oscila, según el tipo de construcción interior de la célula, alrededor de los 0.5 V.

Potencia de pico WP.

Es la potencia máxima que puede suministrar una célula y se define por el punto de la curva I-V donde el producto de la intensidad producida y la tensión es máxima. Todos los restantes puntos de la curva generan valores inferiores de dicho producto.

Valores de corriente y voltaje en tres casos de conexión.

Factor de forma FF.

Se define mediante la expresión:

IP V P

FF=

Icc V ca

El factor de forma siempre será un valor más pequeño que la unidad y la célula solar será

mejor cuanto más se aproxime a dicha cifra. Normalmente en las células comerciales este

valor está comprendido entre el 0.7 y el 0.8.

Al ser evaluado con el de otro tipo de célula nos da una idea de la calidad de dicho

dispositivo, comparativamente hablando.

Eficiencia de conversión, rendimiento.

Otro parámetro que define la calidad de una célula fotovoltaica es el rendimiento o

eficiencia de conversión (η ), representado por la siguiente fórmula:

Wp

η = Wr

donde Wp ( potencia pico ) es igual al producto de la intensidad pico ( Ip ) por la tensión

pico ( Vp ), y Wr la potencia de radiación incidente sobre la superficie de la célula solar.

Para conocer el funcionamiento de una célula solar debemos tener en cuenta dos conceptos

fundamentales:

a) La tensión en bornas de una unión p-n varía en función de la temperatura, pero a una

determinada temperatura esta tensión es constante. A más temperatura menos tensión.

b) La corriente suministrada por una célula solar a un circuito exterior es proporcional a la

intensidad de la radiación y a la superficie de la célula. A menos radiación menor intensidad.

A medida que aumenta la temperatura a la que se encuentra la célula, disminuye el

rendimiento y a temperaturas más bajas rendimientos mayores.

PROCESO DE FABRICACIÓN DE LAS CÉLULAS MONOCRISTALINAS.

El silicio se obtiene de la sílice ( óxido de silicio) y se purifica hasta el extremo de llegar al 99,9999 %. Ëste se funde en un crisol con una pequeña porción de boro, hasta que se forme una masa a 1400 ºC. Cuando toda la mezcla está en estado líquido pondremos en su interior una varilla en cuyo extremo hay un cristal germen de silicio, sobre el cual se irán poniendo nuevos átomos del material procedentes del líquido, quedando perfectamente ordenados según la superficie del cristal.

Esta varilla tiene un movimiento rotativo y lentamente ascendente, de tal forma que se va solidificando un tocho metálico de un diámetro que corresponde a la velocidad de ascenso y giro que se ha impreso a la varilla. Esta es la razón por la cual la mayoría de las células solares tienen forma circular, y en caso de querer hacerlas cuadradas tenemos que cortar los cuatro trozos laterales. ESTE MÉTODO SE LLAMA MÉTODO Czchralsky. Estos lingotes suelen tener una longitud de un metro y diáqmetros comprendidos entre 20 y 200 milímetros. El tiempo invertido en la produción de estos lingotes puede llegar a ser de 8 horas.

Una vez obtenido el tocho de silicio monocristalino, se trocea en finas obleas de 0.3 milímetros de espesor que posteriormente se convertirán en células solares

La siguiente fase consiste en restablecer los efectos perniciosos que se han producido por efecto del corte. Esto se realiza introduciendo las obleas en baños químicos que restauran la capa superficial dañada.

Después de los procesos descritos, la célula rechaza aproximadamente el 33 % de la

radiación que pueda llegarle dado su aspecto metálico, para evitarlo se procede a la aplicación

de una capa antirreflectante que disminuya el valor rechazado a un valor del 10 – 12 %.

Otro método cada vez más utilizado consiste en la creación de pequeñas pirámides

en la superficie del material, que realizan una función de rebote del rayo incidente, de

forma que gran parte de la radiación penetre dentro del semiconductor.

Este método se denomina texturizado y se crea mediante reacciones químicas en la

superficie de la célula.

Presenta grandes ventajas de costo,además de poderse realizar tanto antes del dopado

de f´ósforo como después.

La célula solar se ha de proveer de contactos eléctricos capaces de recolectar los

electrones que se liberan por acción de los fotones que contiene la luz.

Cuantos más contactos se pongan mayor cantidad de electrones

serán capturados pero menor iluminación llegará a la superficie activa,

debido a que estos contactos no son transparentes. Se debe llegar a un compromiso entre las

dos exigencias.

Los electrodos suelen ser una aleación de diversos metales, como son: la plata, titanio,

paladio, cobre, aluminio, etc. Variando en función del tipo de célula solar que se fabrique.

El procedimiento que se suele utilizar para los contactos es el serigráfico debido a su bajo costo de producción, así como la facilidad de su automatización.

Para la fabricación de módulos se suelen utilizar células cuadradas de 10 X 10 cm.

• EL MÓDULO FOTOVOLTAICO.

Las células se agrupan en lo que se denomina módulo o panel fotovoltaico que es un

conjunto de células conectadas convenientemente.

Normalmente se habla de paneles de 6,12, 24 y más voltios, si

bien es cierto que la tensión está por encima de las mencionadas.

Oscilando las potencias de los más usados entre los 2.5 y los 80 W.

Las células que integran un panel fotovoltaico deben estar comprendidas en un rango muy

estrecho en cuanto a sus parámetros eléctricos, para evitar descompensaciones que se

producirían en el interior del módulo si unas generaran más corrientes que las vecinas.

La intensidad radiante estándard es de 1000 W / m2, o intensidad de un Sol y a ala

temperatura de 25 ºC, simulándose en el laboratorio con unos focos adecuados, por lo que

las condiciones reales de trabajo pueden variar mucho, si las comparamos con las del

laboratorio. Por eso tendremos que tener en cuenta las variaciones que vamos a sufrir

para corregir los cálculos en nuestro panel solar específico.

La intensidad eléctrica será proporcional a la intensidad incidente, y aunque el

voltaje también variará respecto a ese elemento, lo hará de forma exponencial.

En cuestión de temperatura tenemos lo siguiente:

• En paneles de silicio, el voltaje disminuye a razón de 2,3 x 10-3 voltios por

célula y por cada 1 ºC que se incremente la temperatura por encima de los 25

ºC. Del mismo modo, la intensidad aumenta 15 x 10-6 A por cada cm2 de área

celular y 1 ºC que sobrepase los 25 ºC.

• Los paneles de película delgada tienen unas variaciones de -2,8 x 10-3 V / célula

y 1,3 x 10-5 A / cm2por cada 1 ºC de aumento que pase de 25 ºC,

respectivamente.

• Si llevamos los datos a la práctica, la potencia del panel disminuye el 0,5 % por

cada grado de aumento de la temperatura de la célula por encima de los 25 ºC.

No obstante diremos que la temperatura de la célula no va a

ser la temperatura del ambiente en ese instante y en ese

lugar, y la relación entre estos términos será:

Δtº=0,034I – 4

Siendo I la radiación solar incidente. Así si estamos en un lugar donde la radiación solar es de 600W / m2 y tª = 27 ºC,

tendremos las células a 43 ºC, y la potencia del panel será el 9% menor de la

estándar.

Para hacer cálculos aproximados evitando realizar estas operaciones,

supondremos que la temperatura media de trabajo de la célula será de 20 ºC

superior a la temperatura ambiente, por lo que el rendimiento del panel solar

bajará a un 90%.

La potencia nominal pico es la proporcionada por una radiación de un Sol a 25 ºC, ya que a esa radiación tendremos un pico máximo en las medidas reales de la intensidad radiante. Generalmente la intensidad recibida es inferior a la radiación de un Sol, por lo que también será inferior la potencia generada, siendo las potencias nominales de 5, 10, 20, 35,40,60, 80 incluso 100 y 120 W.

Los paneles de 6 voltios tienen 18 células y los de 12 voltios

tienen 36 células, siendo éstos los más utilizados.

UNIÓN DE PANELES SOLARES:

Para obtener la tensión y la intensidad deseadas, tenemos la posibilidad de instalar los

paneles en serie, en paralelo o de forma mixta, de forma que podamos sumar voltajes o

intensidades, según la instalación realizada, la cual vendrá explicada en las instrucciones de

fabricante, y así cumplir además con la condición de que todos tengan la misma curva

característica para que no se descompensen, e incluso agrupar paneles compuestos para formar

grupos mayores.

- En serie se suman tensiones.

- En paralelo se suman intensidades.

- En conexión mixta se suman tensiones e intensidades.

Partes de un módulo fotovoltaico:

• Cubierta exterior.

• Capa encapsulante anterior.

• Células fotovoltaicas.

• Capa encapsulante posterior.

• Protección posterior.

• Marco soporte.

• Contactos eléctricos de salida.

• CUBIERTA EXTERIOR:

– Función protectora, ya que es la que debe sufrir la acción de los agentes atmosféricos.

– Se suele utilizar vidrio templado, ya que presenta una buena protección contra los impactos

a la vez que tiene una excelente transmisión a la radiación solar.

– El cristal debe ser sumamente liso en su parte exterior y capaz de no retener suciedad, en la

posterior, que está en contacto con el encapsulante, es rugoso con el fin de mejorar la

penetración de la radiación y la adherencia con éste, el cual embute a las células.

• CAPAS ENCAPSULANTES:

- Son las encargadas de proteger las células solares y los contactos de

interconexión. Los materiales utilizados ( siliconas, polivinilo butiral, EVA o Etil –

Vinilo – Acetileno, etc.) deben presentar una excelente transmisión a la radiación

solar y una nula degradación frente a las radiaciones ultravioletas.Debe proteger y

amortiguar las posibles vibraciones e impactos que se puedan producir, así como

actuar de adhesivo entre la cubierta posterior e inferior.

• PROTECCIÓN POSTERIOR:

- Su misión proteger contra los agentes atmosféricos evitando la humedad. Algunos

fabricantes utilizan cristal, pero se suelen utilizar materiales acrílicos, siliconas, etc.

• MARCO SOPORTE:

- Es la parte que presta mayor rigidez mecánica al conjunto y permiten su inserción en

estructuras que agruparán a más módulos.

- Los marcos soporte deberán llevar los taladros necesarios para su anclaje a un bastidor.

• CONTACTOS ELÉCTRICOS:

- Permiten acceder a la energía producida por el conjunto de células.

PARTES DE UNA INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA

Capítulo 3

ACUMULADORES

El acumulador o batería es un dispositivo capaz de transformar una energía potencial

química en energía eléctrica. Se compone esencialmente de dos electrodos sumergidos en un

electrolito donde se producen las reacciones químicas debidas a las carga y las descarga.

La capacidad del acumulador se mide en amperios / hora ( A h ),para un determinado

tiempo de descarga. Si este tiempo es muy corto la capacidad de la batería disminuye, mientras

que si el tiempo de la descarga aumenta haciéndose ésta lenta, la capacidad de la batería

aumenta.

Se define la capacidad como la cantidad de electricidad que puede obtenerse

durante una descarga completa del acumulador plenamente cargado.

Esta capacidad es el producto de la intensidad de descarga por el tiempo que esta

actúa, calculada hasta que se alcanza la tensión final.

Si tenemos un acumulador de 180 Ah medido a 10 horas de descarga, significa que

el acumulador puede darnos 18 A durante 10 horas.

La misión principal del acumulador dentro de un sistema solar fotovoltaico consiste

en suministrar energía tal y como es demandada por la carga independientemente de la

producción eléctrica del panel en ese preciso momento.

Cumple por otra una misión de fiabilidad ya que también tiene el trabajo de poder

alimentar a la carga durante varios días, cuando la producción del paneles baja debido a

las condiciones meteorológicas adversas.

Al acumulador que ha de ser usado para aplicaciones solares se le debe exigir el cumplimiento de unas condiciones básicas, como son:

- Aceptar todas las corrientes de carga que suministre el panel.

- Mantenimiento nulo o mínimo.

- Fácil transporte o instalación.

- Baja autodescarga.

- Rendimiento elevado.

- Larga vida.

Existen diferentes tipos pero fundamentalmente se pueden hacer dos grandes grupos:

- Las de Níquel – Cadmio

- Las de plomo ácido

Las primeras presentan unas cualidades excepcionales, pero debido a su elevado precio se usan con menos frecuencia.

Las baterías de plomo – ácido en sus diferentes versiones son las más usadas para las aplicaciones solares, adaptándose a cualquier corriente de carga y teniendo un precio razonable.

COMPONENTES Y FUNCIONAMIENTO DE UN ACUMULADOR Profundidad de descarga.

Se denomina profundidad de descarga al valor de la carga, en tanto por ciento con respecto a la total, que se ha sacado del acumulador en una descarga. Por ejemplo si a una batería de 200 Ah se le ha sometido a una descarga de 80 Ah, esto da como resultado una profundidad de descarga del 40 % sobre la capacidad total.

Refiriéndonos a los de plomo-ácido se pueden dividir en dos tipos:

- Descarga superficial.

- Descarga profunda.

Al primer grupo pertenecen aquellas que su descarga rutinaria se encuentra entre el 10 y el 15 % y esporádicamente pueden descargarse a valores más profundos ( 40 – 50 % ).

Al segundo grupo pertenecen las que permiten sin deterioro muy apreciable descargas de hasta el 80 % de su capacidad, fijando su descarga media en un 20 – 25 % en su uso diario.

El voltaje de la batería nos va a determinar el voltaje de funcionamiento de los

paneles solares, y ellos se tendrán que adaptar a esas condiciones, y no al revés. El voltaje nominal de una batería suele ser de 12 V, dependiendo del estado de carga en el que se encuentre, por lo que su estado de trabajo estará entre los 11 y los 15 voltios. Por eso unimos 36 células, ya que según la temperatura que tengamos, obtendremos en torno a los 17 voltios, siendo necesarios 14,5 voltios para cargarla, y aunque parezca un valor alto, si se calienta la célula, el voltaje capaz de dar bajará, pero seguirá aportando un voltaje suficiente como para trabajar adecuadamente. Si no lo hacemos así puede que el panel no desempeñe su papel. Esto dará una pérdida de potencia con respecto a la máxima, pero tan sólo representa el 10 % para calcular la potencia real de trabajo.

No existe el acumulador ideal, si tenemos una autodescarga baja no soporta grandes

descargas, y si tenemos uno capaz de admitir profundidades de descarga grandes, nos va a

resultar muy caro.

Al hablar del tiempo de descarga del acumulador, o de la capacidad del mismo,

hablaremos de un tiempo de descarga de 100 horas, ya que es el tiempo de autonomía

mínima.

EL ACUMULADOR DE NÍQUEL – CADMIO

Las acumuladores de níquel-cadmio ( Ni-Cd ) o alcalinos son bastante más caros pero

también son más fiables y resistentes. Se diferencian de los de plomo por los cuatro motivos

siguientes:

a) Tiene una resistencia interna más baja, presenta una disponibilidad muy grande para

soportar descargas elevadas y esto hace que su capacidad pueda ser menor para realizar el

mismo trabajo que un acumulador de plomo. Si en una aplicación fotovoltaica se necesitase,

con una batería de plomo, una capacidad de 200 Ah, de los cuales se descargarían 120 Ah

( 60 % ), su equivalente en níquel –cadmio necesitaría una capacidad total de unos 140 Ah,

puesto que podría soportar descargas de hasta el 85-90 % de su capacidad total.

b) La tensión por elemento en descarga se mantiene mucho más estable, y tan sólo al

final de la descarga ( 85-90 % ) cae hacia valores más bajos que el nominal.

c) Presenta una vida mucho más larga que los de plomo, a igualdad de ciclos de trabajo.

d) Puede resistir temperaturas más bajas que el de plomo e incluso la congelación de su

electrolito, ya que una vez que éste se deshiele, la batería podrá trabajar normalmente otra vez.

Como ejemplo, se puede decir, que a una temperatura de -20 ºC, la capacidad disponible es

del 75 %, comparada con el 50 % de una de plomo.

La batería de Ni - Cd presenta además otras características, puede soportar el

cortocircuito sin que la batería se deteriore. También puede soportar la falta de agua de su

electrolito, dejando sólo de funcionar temporalmente hasta que se le añada.

El mantenimiento puede llegar a espaciarse hasta 10 años si su construcción y las

características son las adecuadas.

La autodescarga se sitúa entre el 0,1 y 0,2 % diario, lo que representa del 3 al 6 %

mensual.

Ausencia de gases corrosivos en la carga de los acumuladores.

El inconveniente grave es que su precio puede suponer hasta tres veces más que

su equivalente en plomo.

ACUMULADOR DE PLOMO – ANTIMONIO ( Pb – Sb )

Se encuadran dentro del tipo de ciclo profundo, por lo que deben ser usados en

aquellas aplicaciones en que la descarga pueda llegar a límites bajos de una forma

obligatoria y, en general, donde el ciclo diario supere el 15 % de la capacidad de la batería.

No obstante , ofrecen un buen funcionamiento en todos los casos, presentan una vida elevada y

en algunos modelos se incorpora una gran reserva de electrolito que hace su mantenimiento

menos constante.

ACUMULADOR PLATINO – ANTIMONIO ( Pt – Sb )

Este acumulador con placas tubulares es el que más se utiliza en las instalaciones

medias y grandes, ya que admite descargas altas, aunque la vida útil será mayor cuanto menor

sea la profundidad de descarga a la que le sometamos. Lo mejor para el acumulador es que

mantengamos la descarga al 30 % o menos de sus posibilidades, aunque hay ocasiones en

las que se llega al 80 %, por lo que también se les denomina a estas baterías de ciclo

profundo.

Se entregan en celdas de propileno translúcido, cada uno de ellos con una tensión de dos

voltios, los cuales estarán unidos en serie hasta llegar a los doce o veinticuatro voltios. Todas las

conexiones necesarias se realizarán mediante atornillado.

ACUMULADOR PLOMO – CALCIO ( Pb – Ca )

Es el constituido por una aleación en las placas de plomo – calcio. Presentan en algunos

de sus modelos la ventaja de no tener mantenimiento hecho importante en aquellas instalaciones

de difícil acceso.

Se venden en tipo monobloc de 12 voltios. El ciclo de descarga diario no debe superar el

10 % y en emergencia el 50 % como máximo. La autodescarga es más baja que en las de plomo

– antimonio.

DATOS PARA UN DISEÑO ADECUADO DEL ACUMULADOR INTEGRADO EN UN

SISTEMA FOTOVOLTAICO

• Tensión de funcionamiento.

• Descarga máxima al final de los días de autonomía.

• Temperatura media de funcionamiento.

• Temperatura mínima.

• Días consecutivos en los que se pueden producir bajas temperaturas.

• Tipo de regulador usado.

• Facilidad de acceso de montaje y mantenimiento del acumulador en el lugar de la

instalación.

PROCESO DE CARGA Y DESCARGA DE UNA BATERÍA.

La profundidad de descarga de un ciclo diario es del 5 ó 10 % de la capacidad total

( en viviendas ), pero en un ciclo autónomo vendrá dado por el tipo de batería, no debiendo

sobrepasar nunca el 80 % en las de Ni – Cd y en las estacionarias de plomo – antimonio,

siendo del 40 % en las no estacionarias para uso fotovoltaico, como pueden ser las de

plomo – calcio, y llegando al 20 % si instalamos una de coche, cosa que jamás se

recomienda.

NIVEL Ó ESTADO DE CARGA.

Si la batería se descarga su voltaje disminuye. Cuando la batería se carga, éste

aumentará, de tal forma que una batería de 12 V nos dará 13 V. Para saber la medida del

voltaje de manera fiable, con las curvas de tensión – profundidad de carga que nos da el

fabricante, desconectaremos la batería para evitar cargas o descargas, y así medir con el

voltímetro.

Otra forma de lograrlo se hace midiendo la intensidad relativa del electrolito con la

ayuda de un densímetro y llevando el valor al gráfico correspondiente. En baterías

cargadas tendremos un valor similar a 1,3 y 1,05 para baterías descargadas. Antes de

llegar a 0 se alcanza el valor inferior límite a partir del cual no puede recuperarse si se

sigue descargando. En las baterías de 12 V el voltaje inferior límite es aproximadamente de

11 V.

VELOCIDAD DE CARGA / DESCARGA.

Si una batería se está cargando, la diferencia de potencial es superior a la que

tendría si la desconectamos la corriente de carga, gracias a la resistencia interna de la

batería. Si se está descargando, la tensión en bornes será inferior gracias a su resistencia

interna. Vemos que la resistencia interna tiene un papel primordial, ya que la caída de

tensión interna es el producto de la intensidad por la resistencia interna, por lo que el

régimen de carga – descarga va a depender de la intensidad ( caída de tensión interna ).

TEMPERATURA DE LA BATERÍA.

El voltaje final recomendado para que la batería llegue al estado de plena carga será

mayor cuanto más baja sea la temperatura, ya que ésta impedirá que se realice la reacción

química adecuadamente, por lo que va a absorber más energía para acabar el proceso.

Dato importante, ya que según el lugar en el que estemos, tendremos que corregir el

voltaje aplicado en función de la temperatura media que tenga que soportar.

MONTAJE DE LOS ACUMULADORES

• El rendimiento de los acumuladores depende de forma importante de la temperatura ambiente,

estando en su punto óptimo a 20º C, reduciéndose la capacidad de la batería al hacerlo la

temperatura ambiente. No se aconsejan temperaturas inferiores a 15º C ni superiores a 30º C.

• No deben estar expuestos a la acción degradante de los agentes atmosféricos, por eso

pondremos los acumuladores en un cuarto que cumpla las siguientes premisas:

- Tan cerca como se pueda de los paneles.

- Lugar seco y algo ventilado ( evitando acumulaciones de hidrógeno y oxígeno ),

instalando los respiraderos en la parte superior del local.

- Local aislado térmicamente para evitar incrementos y decrementos de temperatura.

- Facilidad de acceso para e montaje y mantenimiento, instalando las baterías sobre una

estructura aislante del suelo y resistente al electrolito, siendo adecuados los aislantes de

madera, si son instalaciones grandes pondremos las baterías en bancadas o estanterías.

Capítulo 4

REGULADORES DE CARGA

La misión del regulador es evitar, que debido a una tensión excesiva proporcionada por el panel, éste pueda en algún momento sobrecargar el acumulador, con el consiguiente perjuicio que pueda ocasionar a la vida de la batería.

De no existir un sistema regulador , se produciría un exceso de corriente que sería capaz de hacer hervir el electrolito con la consiguiente pérdida de agua y deterioro del grupo acumulador, al no estar limitada la tensión.

El control de estado de la batería se realiza mediante la medida de la tensión en bornas, usando los datos proporcionados por los diferentes fabricantes, ya que existe una relación entre estos dos parámetros.

Cuando está totalmente cargada para mantenerla se le aplica una corriente llamada de flotación.

Existen dos tipos: - shunt o paralelo

- serie

Regulador shunt.

Se colocan en paralelo con el grupo solar y el sistema de baterías. Detectan la tensión de los bornes de la batería, y cuando ese potencial alcanza un valor establecido de antemano, crean una vía de baja resistencia a través del grupo solar, derivando la corriente y aportándola de las batería s.

Un diodo serie, situado entre el regulador en derivación y la batería, impide que la corriente del acumulador retorne a través del regulador o del grupo solar.

Los reguladores del tipo shunt han de disipar toda la corriente de salida del grupo solar

cuando el sistema de baterías alcanza el estado de plena carga. Sólo se utilizan en sistemas

solares pequeños.

Regulador serie.

Es un regulador de carga que no disipa virtualmente nada de energía.

Estos aparatos se basan en el concepto de la regulación en serie, en la que el grupo solar

se desconecta de las baterías cundo se logra un estado de plena carga. Este equipo es

equivalente a un interruptor que se abre o se cierra según el estado de carga de las baterías.

Para elegir el sistema de regulación tendremos en cuenta:

• Protección de la batería contra sobrecarga.

• Protección de la batería contra descargas excesivas mediante desconexión automática de la

carga.

• Reconexión automática o manual.

• Sistema de alarma por baja carga de la batería.

• Desconectador manual de alarma, que se conecte automáticamente al subir de nuevo la carga

de la batería por encima de un valor prefijado.

• Se recomienda que lleve contador de amperios – hora por el campo de paneles.

• Se recomienda que lleve contador de amperios – hora consumidos por la carga.

• Debe producir desconexión de la carga cuando la tensión en bornes sea la correspondiente al

70% de la profundidad máxima de descarga admisible y el aviso acústico al 50%.

• Dimensionaremos la instalación de tal forma que el factor de seguridad se corresponda con un

10% como mínimo entre la potencia máxima producida y la del regulador.

• Utilizaremos el mínimo número posible de reguladores.

El número de reguladores lo hallaremos con la ecuación:

Módulos fotovoltaicos autorregulados

Existen en el mercado paneles solares autorregulados. Este hecho presenta múltiples

ventajas en costo y fiabilidad, ya que sólo trabajan los dos elementos más robustos: el panel y la

batería.

La curva de carga de un módulo fotovoltaico autorregulado tiene que cumplir el requisito

básico de lograr un grado elevado de carga en la batería, disminuyendo entonces la corriente

producida hasta un mínimo de mantenimiento. De esta forma, se consigue una carga adecuada

sin producir evaporación del electrolito. Para conseguir lo anteriormente descrito es necesario

que la relación voltaje – corriente sea inversa, es decir, que una demanda de tensión en la batería

que se produzca entre el 90 % y el 100 % de su estado de carga, haga trabajar el punto de

trabajo del panel solar fuera del codo de su característica ( véase gráfico adjunto ) y, en

consecuencia, se genere una corriente eléctrica cada vez menor que haga mantener

automáticamente el nivel de carga idóneo.

Capítulo 5

CONVERTIDORES

Son los aparatos que transforman la corriente continua en corriente alterna para poder utilizarlas en los aparatos domésticos.

CONVERTIDORES CC – CC ( en inglés DC – DC )

Reciben corriente continua a un determinado voltaje y la transforman también a corriente continua pero a un voltaje distinto.

CC →CA →CC PERO DE UN VALOR DISTINTO

Características de un convertidor CC – CC: tensiones nominales de entrada y salida, rendimiento, sobrecarga admisible, la resistencia a cortocircuito y, por tanto, la potencia.

CONVERTIDORES CC – CA ( en inglés DC – CA )

Transforman la corriente continua en alterna. Permiten transformar la corriente continua

de 12 ó 24 voltios, producidos por un panel solar y almacenados en una batería, en corriente

alterna de 220 voltios, que es lo que se utiliza generalmente en las casas.

Un convertidor CC – CA lleva acoplados unos transistores y tiristores capaces de cortar

en un segundo, muchas veces, la corriente que recibe, lo cual simula el comportamiento de la

energía alterna típica.

Según el tipo de onda producida tenemos convertidores: - de onda cuadrada

- de onda modificada

- de onda senoidal ( es el mejor)

La corriente alterna tiene forma senoidal, y el convertidor perfecto será también

senoidal, pero es más caro y no siempre es necesario, por lo que muchas veces

utilizaremos uno de onda cuadrada, que es mucho más económico.

Datos que hemos de exigir a un convertidor:

• Resistir potencias puras punta, como la producida por un motor de un frigorífico. Los de onda

cuadrada no soportan muy bien estas subidas.

• Tienen que tener una eficacia razonable, por lo que tendremos que ver si el aparato va a trabajar

a una potencia pequeña o a una fracción de la misma, ya que el rendimiento del convertidor baja

mucho. El rendimiento del mismo debe ser del 70% trabajando a una potencia del 21% de la

nominal y del 85% cuando trabaje a una potencia superior a la del 40% de la nominal.

• El voltaje debe de ser estable con independencia de la potencia que nos pidan en cada instante. Se puede admitir una variación del 5% en convertidores senoidales y del 10% en convertidores de onda cuadrada.

Pero si tenemos acumuladores, la tensión real de entrada no sería mayor del 125% ni menos del 85% de la tensión nominal de entrada del convertidor.

• Tendrá una baja distorsión armónica, lo que se refiere a la calidad de onda. Los parásitos de dicha onda tienen que ser eliminados totalmente con ayuda de los filtros electrónicos, aunque perdamos algo de potencia útil. La variación en la frecuencia de salida será del 3% de la nominal.

• Tiene que ser capaz de instalarse en paralelo, para un posible crecimiento de la instalación.

• Tiene que tener un arranque automático, para poder conectarse y desconectarse cuando pidan mayor o menor energía eléctrica en una red.

• Tiene que ser seguro por lo que tendría que tener todo lo necesario para evitar cortocircuito, sobrecarga, inversión en la polaridad….

• Tiene que incluir las señales luminosas necesarias par indicarnos un cortocircuito.

• Tendrá toda la documentación que acredite el correcto funcionamiento del mismo: • Tensión de trabajo de entrada y salida.

• Potencia nominal.

• Frecuencia nominal y factor de distorsión

• Forma de onda.

• Rango de temperaturas admisibles.

• Rendimiento en función de la potencia demandada.

• Sobrecarga que resiste.

• Resistente a cortocircuito.

• Factor de potencia.

OTROS DISPOSITIVOS QUE SE PUEDEN

CONECTAR

• ALARMAS.

Si la batería se descarga demasiado, tendremos que poner un aparato que nos avise o desconecte la

batería de los elementos de consumo, hasta que llegue a un buen nivel de carga. Si queremos que nos avise,

podremos hacer que nos avise con sonidos, luces, señales de radio… Si tenemos un equipo grande, podemos

conseguir que se vallan desconectando aparatos,según prioridades, mientras vaya alcanzando ciertos valores

peligrosos, aunque no siempre realicen bien la desconexión, por lo que será conveniente en estos casos instalar

relés más grandes, mandados por desconectores.

• SISTEMAS DE ILUMINACIÓN.

Utilizaremos reactancias electrónicas o balastos que, con ayuda de un transistor que funcione a altas

frecuencias, produzca una descarga en un tubo fluorescente, haciendo que éste se encienda. Tiene una eficacia

luminosa mayor que las bombillas convencionales. Deben estar protegidos contra la inversión de polaridad y

funcionamiento en vacío, fabricándose para una basta gama de frecuencias, siendo los mejores los de 4 hilos,

dos para cada extremo del tubo. No obstante también hay balastos para lámparas de sodio a baja presión que al

tener mucha potencia luminosa, son muy apropiados para el alumbrado de exteriores.

La lámparas y fluorescentes de alto voltaje son más caras pero tienen la ventaja de que pueden

combinarse sus tonos lumínicos para dar un resultado agradable a la vista. También se empiezan a vender

lámparas de inducción que funcionan según un campo magnético inducido por la corriente que circula a través de

una bobina, haciendo que un gas que lleva se ilumine. Su vida es de unas 60.000 horas y no tiene electrodos, y

tiene una eficacia similar a la de los tubos fluorescentes.

• BOMBAS DE AGUA

Actualmente se fabrican bombas de agua que funcionan a 12 y 24 voltios, y están

diseñadas para trabajar con paneles solares ( con o sin baterías ), pero también se pueden utilizar

bombas de corriente alterna adaptables con convertidores especiales y dando muy buenos

rendimientos. También hay bombas sumergibles que pueden usarse en pequeñas instalaciones (

que funcionan con corriente continua ) pero no dan buenos resultados si se utilizan en exceso, no

debiéndose sumergir más de 5 metros.

• VISUALIZADORES ELECTRÓNICOS.

Suelen ir acoplados a otros equipos para conocer los voltios, amperios, intensidad

radiante…., pero en la mayoría de los casos con un voltímetro y un amperímetro capaces de medir

en el circuito primario paneles – regulador y en el secundario batería y carga de consumo nos

sobrará, aunque también nos puede resultar útil un contador amperios / hora que mide los

amperios por hora que circulan por una línea eléctrica. Pero si se corta la alimentación de estos

aparatos perderemos datos en los instantes en los que nos haya sucedido, por lo que llevarán una

pila para conservar en memoria los valores obtenidos.

• ELEMENTOS DE PROTECCIÓN ( FUSIBLES ).

Se utilizan para proteger los elementos de la instalación contra cortocircuitos,

sobreintensidades…, llevando cada aparato su propio fusible.

• TEMPORIZADORES Y DESCONECTADORES HORARIOS.

Son elementos muy utilizados en corriente alterna, aunque también hay de corriente

continua. Pueden conectar y desconectar entre media hora y 24 horas. Se pueden utilizar en

lugares en donde necesiten luz a partir de ciertas horas del día.

Instalación con un temporizador horario

SEPARACIÓN ENTRE PANELES

• La distancia d entre filas de paneles para todo el año se calcula con ayuda de la siguiente fórmula:

sen α

d = R (cos α + )

sen β

Siendo:

R. Longitud del panel

α. Inclinación del panel

β. Altura mínima del sol a lo largo del año, al mediodía solar, que es :

β = 90º - latitud del lugar – 23,5º

INSTRUMENTOS DE MEDIDA DE LA RADIACIÓN INCIDENTE

• PIRANÓMETRO:

Mide la radiación total ( directa + difusa ). Cuando están instalados sobre

superficies horizontales, correctamente nivelados y libres de obstáculos

que pudieran arrojar sombra sobre ellos, reciben la radiación de toda la

bóveda celeste, dando la medida en unidades “estándar” o específicas

según la marca del aparato. Si se montan perfectamente acoplados a la

superficie de un colector, nos sirven para saber, con gran exactitud, la

energía que éste recibe. También nos permite hacer las correciones de

posición necesarias para un mejor aprovechamiento del sistema.

• PIRHELIÓMETRO:

Tiene interés más bien en medidas de carácter científico que técnico,

puesto que para cálculos de sistemas de energía solar existen datos

suficientes acerca de la intensidad y espectro de la radiación solar directa.

Ésta es aplicable a los colectores o paneles parabólicos o paraboloides con

mecanismos de seguimiento.

CÁLCULO E INSTALACIÓN

DE UN SISTEMA

FOTOVOLTAICO

P = F / S = 0,11 v 2 ; F = 0,11 v 2 S

F es la fuerza del viento en Kp

V es la velocidad del aire en m / s

S es la superficie receptora en m 2

P es la presión del viento en Kp / m2

Supongamos que disponemos de una superficie de 1 m2 , si aplicamos los datos

anteriores:

200 km / h = 55,5 m / s

F = 0,11 x ( 55,5 )2 x 1 F = 338,8 Kp

ANEXO C:

TABLAS

TABLA 9

Factor de corrección k para superficies

inclinadas. Representa el cociente entre energía

incidente en un día sobre una superficie

orientada hacia el Ecuador e inclinada un

determinado ángulo y otra horizontal.

Damos los datos de la latitud

correspondiente a nuestra zona geográfica.