Javier TRESPALACIOS
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Entender la energía fotovoltaica El sol es una fuente inagotable de energía1, él nos puede suministrar calor y electricidad; para aprovechar esta fuente de energía renovable2 y no contaminante, hay tecnologías como los paneles solares fotovoltaicos (FV).
1. Que es la energía fotovoltaica (FV) La energía solar fotovoltaica es la que se obtiene por medio de la transformación de la energía del sol en energía eléctrica, este fenómeno de transformación se conoce como efecto fotovoltaico o fotoeléctrico. La palabra fotovoltaica significa foto = luz y voltaica = electricidad que quiere decir convertir la luz en electricidad.
Imagen 1: esquema de un sistema fotovoltaico el cual está formado por una célula que unidas a varias forman un módulo y el conjunto de módulos forma un arreglo y el grupo de arreglos forman un sistema fotovoltaico (CEMAER, 2010)
Energía solar: esta puede ser térmica para producir calor utilizado para la calefacción, calentar agua y otros; la energía solar fotovoltaica sirve para producir electricidad. 2 Energía renovable: energía que puede obtenerse de fuentes naturales inagotables, ya que contienen una inmensa cantidad de energía o pueden regenerarse naturalmente; la energía eólica, la energía solar y la energía geotérmica son ejemplos de energías renovables no contaminantes (energías verdes), debido a que su utilización supone una mínima huella ambiental. 1
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Capitulo: Entender la energía fotovoltaica
El elemento principal para la producción de energía eléctrica fotovoltaica es el panel o modulo o placas solares, el cual está compuesto por varias células o celdas solares fotovoltaicas cuadradas que tienen un tamaño aproximado de 12cm x 12cm; la mayoría de los paneles constan de 48 células; es importante mencionar que el conjunto de módulos solares forma un arreglo y el conjunto de arreglos forman un sistema solar fotovoltaico.
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2. Las células en los módulos fotovoltaicos La mayoría de las células o celdas fotovoltaicas que se comercializan en el mundo están hechas de una lámina delgada de un material semiconductor3 cómo el silicio4 que absorben la energía de la luz solar que cae sobre ellas y las transforma en electricidad. Los tipos de silicio más utilizados son Policristalino, Monocristalino y Amorfo: Descripción
Monocristalino Tiene una estructura cristalina uniforme, que les da un color homogéneo, por lo general son azules.
Eficiencia
15 – 18%
Policristalino Se fabrica en moldes rectangulares, teniendo una estructura cristalina no uniforme; son más económicas que los monocristalinos. 12 – 15%
Amorfo No tiene una estructura cristalina, se puede depositar cómo una capa muy fina en muchos tipos de soportes, hasta flexibles. 5 – 7%
Célula y composición panel fotovoltaico
Tabla 1: tipos de células solares, imágenes google
Numero de celdas
Dimensiones [mm]
Superficie [m2]
Peso [Kg]
36
705 x 655 x 35
0,46
6
60
1’675 x 1’001 x 31
1,7
19
Ejemplo de marca (país) MicroSun Solar5 MS1210 (India) SolarWord6 SW 250 260 poly (Alemania)
Semiconductor: Es un elemento que funciona como un conductor o como un aislante dependiendo de algunos factores, como el campo eléctrico o magnético, la radiación, la presión o la temperatura del ambiente en el que se encuentre. 4 Silicio: las células fotovoltaicas o solares están constituido de materiales semiconductores como el silicio SI, siendo este uno de los más abundantes en la corteza terrestre después del oxígeno. Es un componente mineral de la arena. 5 MicroSun Solar MS1210: http://microsunsolar.com/wp-content/uploads/2016/05/MS1210.pdf) 3
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Capitulo: 2. Las células en los módulos fotovoltaicos
Los paneles solares fotovoltaicos Mono cristalino y Policristalino se pueden conseguir en una variedad de dimensión, por lo general el estándar es 165 x 99 cm; algunos ejemplos:
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Yingli Solar7 Panda Bifacial 72CF (China) SunPower8 X21 335 96 1’558 x 1046 x 46 1,63 21 (USA) Tabla 2: diferentes tipos de paneles fotovoltaicos, con varias celdas, dimensiones y fabricantes 72
1’981 x 998 x 32
1,96
28
Viendo la tabla anterior aparecen por ejemplo fabricantes en India, Alemania, China y USA.
3. Tipos de instalaciones fotovoltaicas Las instalaciones de este tipo tienen dos formas, las cuales se derivan otras; lo anterior es importante porque cambian los componentes del sistema, estas son: 1. Instalaciones aisladas o autónomas: se utiliza en zonas que no tienen acceso a una red pública de electricidad, también puede ser utilizada en casas donde desean ser completamente autónomas de una red pública de electricidad. 2. Instalaciones conectadas a la red: donde lo que se produce pude ser inyectado a la red eléctrica; se puede dar como ejemplo un campo o huerto solar. 3. Hibridas: estas pueden ser una mezcla de los dos tipos anteriores, en la cual tienen un sistema fotovoltaico para sus necesidades y está conectada a la red pública para recibir electricidad cuando el sistema fotovoltaico no cubra todo, también para verter el excedente de electricidad producido.
4. los principales componentes de una instalación fotovoltaica
Imagen 2: esquema de un sistema fotovoltaico autónomo y otro conectado a la red (López, s.d.)
SolarWord SW 250 - 260 poly: https://us.sunpower.com/sites/sunpower/files/uploads/resources/ds-x21-series-335327-residential-ac-modules_1.pdf 7 Yingli Solar 7 Panda Bifacial 72CF: http://www.yinglisolar.com/en/products/monocrystalline/panda-bifacial-72cf/ 8 SunPower X21 335: https://us.sunpower.com/sites/sunpower/files/uploads/resources/ds-x21-series-335-327residential-ac-modules_1.pdf 6
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Capitulo: 3. Tipos de instalaciones fotovoltaicas
Los principales componentes de un sistema fotovoltaico según su utilización son:
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1. Modulo o Paneles solares fotovoltaico: es el encargado de transformar la energía solar en energía eléctrica; los paneles fotovoltaicos proveen corriente continua9 CC por lo general de 12Voltios10 (V). 2. Regulador de corriente: se coloca en los sistemas autónomos y va entre el modulo fotovoltaico y las baterías; su trabajo es controlar el flujo de energía durante la carga y la descarga de las baterías. 3. Baterías o acumuladores: se coloca en los sistemas autónomos, son los encargados de almacenar la energía producida por los paneles fotovoltaicos; ellos producen corriente continua CC. 4. Inversor: se coloca en los dos tipos de sistemas, son los encargados de convertir la corriente continua CC y transformarla en corriente alterna11 CA, la cual es la que utilizan los aparatos eléctricos y lo que transportan las líneas eléctricas. 5. Sistema de conexión a la red: se coloca solo en los sistemas conectados a la red, en este equipo están los contadores de energía que se vierten a la red.
5. Recurso solar El principal elemento para la producción de energía fotovoltaica es el sol; el valor importante a tomar es la radiación, en algunas páginas internacionales se pueden ver los valores de todos los lugares del mundo como en Global Solar Atlas 12 (página del Banco Mundial); también los países ponen a disposición sus valores de radiación solar13, como por ejemplo la página del IDEAM 14 en Colombia propone un atlas.
Corriente continua CC: también es llamada corriente directa y conocida con la sigla DC; esta corriente fluye de forma constante en una dirección, como la que fluye en una linterna o en cualquier otro aparato con baterías; en ella se encuentran características que la tensión y la intensidad de la corriente es la misma; este invento se le atribuye a Thomas Edison en el siglo XIX, el mismo que invento la bombilla. 10 Voltios: es una magnitud de voltaje o también llamada tensión o diferencia de potencial; se podría definir como la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos; en un enchufe de pared de los de 2 agujeros, podríamos decir teóricamente que en uno de ellos tenemos 230V y en otro 0V, por lo tanto, el voltaje o diferencia de potencial es de 230-0 = 230V. Esto no quiere decir que circule corriente ni fluya energía de algún tipo, simplemente están ahí hasta que se conecte algo. 11 Corriente alterna CA: también es conocida con la sigla AC; es un tipo de corriente eléctrica, en la que la dirección del flujo de electrones va y viene a intervalos regulares o en ciclos. La corriente que fluye por las líneas eléctricas y la electricidad disponible normalmente en las casas procedente de los enchufes de la pared es corriente alterna; es importante mencionar que este tipo de corriente fue descubierta a finales del siglo XIX por Nikola Tesla, trabajó en el desarrollo de la corriente alterna buscando sobre todo poder transportar mayores cantidades de energía eléctrica y a mayor distancia, algo que es muy limitado con la corriente continua. 12 Global Solar Atlas: http://globalsolaratlas.info/ 13 Radiación solar: Esta energía liberada del Sol se transmite al exterior mediante la radiación solar. 14 IDEAM (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales) atlas solar: http://atlas.ideam.gov.co/visorAtlasRadiacion.html
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Capitulo: 5. Recurso solar
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Imagen 3: valores de radiación solar en el mundo, Global Solar Atlas (World Bank Group, s.d.) En la imagen anterior podemos ver que para una ciudad como Barranquilla el valor de radiación solar anual sobre 1m2 es de 2’137 kWh/m2 por año; también podemos obtener información como el valor de la inclinación óptima15 la cual es de 14°. Un elemento importante para tener el mejor rendimiento de un sistema fotovoltaico es el ángulo para recibir el sol, lo mejor es que la inclinación este lo más perpendicular a la radiación emitida por el sol; por tener una mala alineación se puede perder entre el 10% y 25% de la energía que podría producir el sistema (Cherix, 2013); el mejor ángulo lo llamamos inclinación óptima. Otros factores que ayudarían a tener un sistema poco eficiente, sería el mal tiempo, las nubes o las sombras que producirían los propios paneles sobre los otros paneles o lo arboles cercanos y/o edificio y/o otros obstáculos.
La estimación de la producción eléctrica anual de un sistema solar fotovoltaico se puede calcular conociendo los siguientes valores: • • • •
Radiación solar global del lugar: Rsolar Superficie disponible: S Eficiencia panel solar fotovoltaico, si es mono cristalino o policristalino: fv Rendimiento general (estimación de rendimientos de los componentes eléctricos del sistema como inversor, otros): RP
Inclinación óptima para paneles solares: la cual busca conseguir la mejor captación de luz y sacar el máximo rendimiento de los paneles solares, es importante que se encuentren bien orientados y con el grado de inclinación más adecuado a la temporada de uso más importante. 15
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Capitulo: 6. Calculo simple de un sistema fotovoltaico
6. Calculo simple de un sistema fotovoltaico
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La ecuación es la siguiente (Cherix, 2013): Efv = Rsolar * S * fv * RP
[1]
Este tipo de valores se utilizan para un anteproyecto, para conocer la viabilidad, hacer las cotizaciones iniciales o la rentabilidad del proyecto. •
Ejemplo de cálculo: estimaremos la producción anual de un proyecto a realizar en la ciudad de Orbe en Suiza, sobre un techo plano (horizontal) de 46,4m2 y diremos que utilizaremos el 80%, esto quiere decir que nos queda un disponible del techo 37,1m2; por información la inclinación optima es de 35° según Global Solar Atlas16. En la página de Swissolar podemos ver que en el lugar del proyecto se presenta una radiación de 1’200 kWh/m2 por año.
Imagen 4: valores superficie techo y radiación solar en Suiza (Canton de Vaud, s.d.) (Swissolar, 2015)
También se utilizarán paneles fotovoltaicos policristalino, que tienen un rendimiento de 15%; para el rendimiento global de los equipos el valor es de 90%.
ECasa_Orbe = 1’200 * 37,1 * 15% * 90% = 6’010 kWh por año Si continuamos más lejos en el proyecto, tenemos la información de que la casa en Orbe tiene un consumo anual de 4’000 kWh, podríamos decir que tenemos un buen potencial, ya que podríamos cubriría todas nuestras necesidades eléctricas anuales, y tendríamos 2’010 kWh anuales disponibles para vender, nuestro proyecto vendería el 33% de lo producido.
Global Solar Atlas en Orbe: http://globalsolaratlas.info/?c=46.681479,7.498169,8&s=46.781255,6.60141&m=sg:opta&e=1 16
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Capitulo: 6. Calculo simple de un sistema fotovoltaico
Procedemos a calcular la energía eléctrica que produciremos por año, utilizando la ecuación [1]:
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Se puede conocer la superficie necesaria para estimar una autonomía también el número de paneles fotovoltaicos, utilizando algunos de los que están en la tabla 2, por ejemplo el SolarWord SW 250 - 260 poly de fabricación alemana, el cual tiene una superficie de 1,7m2; utilizamos la ecuación [1], para estimar la superficie necesaria: S100%_FV = 4’000 / (1’200 * 15% * 90%) = 24,7m2 El valor obtenido lo dividimos por la superficie 1,7m2 del panel (ver tabla 2) y nos da que necesitamos 15 paneles fotovoltaicos para tener una autonomía eléctrica.
Resumen El sol es una fuente inagotable de energía gratis y abúndate que debemos aprovechar con tecnologías como los paneles fotovoltaicos.
Referencias Bibliográficas Canton de Vaud. (s.f.). Geo datos. Recuperado el 2014, de Guichet cartographique cantonal: http://www.geo.vd.ch/theme/localisation_thm CEMAER. (Diciembre de 2010). La Diferencia Entre Célula, Módulo, Arreglo Y Sistema Solar. Recuperado el Enero de 2015, de Energías Renovables: http://www.gstriatum.com/energiasolar/blog/2010/12/30/la-diferencia-entre-celulamodulo-arreglo-y-sistema-solar/ Cherix, G. (2013). De l’écologie urbaine à la ville durable, enjeux énergétiques. Curso. Lausanne, Suiza: Universidad de Lausanne. López, J. C. (s.f.). Aplicación a casa Estándar. Obtenido de Universidad de Castilla-La Mancha Escuela de Ingenieros Industriales: http://edii.uclm.es/~arodenas/Solar/Aplicaci%A2n%20a%20casa%20est%A0ndar.htm Swissolar. (2015). Graphiques. Obtenido de Swissolar: https://www.swissolar.ch/fr/lenergiesolaire/faits-et-chiffres/graphiques/ Villar, P. D. (2010). Energía solar fotovoltaica. Ediciones Roble S.L. World Bank Group. (s.f.). GTI (Global Tilted Irradiation). Recuperado el Enero de 2015, de Global Solar Atlas: http://globalsolaratlas.info ***
ETO es Energía para TOdos, es un proyecto que busca que cualquier persona sin formación técnica pueda conocer fácilmente la energía y hacer estimaciones energéticas; esto ayudara a la innovación, y a la generación de propuestas que sirvan para un desarrollo económico en una región.
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Capitulo: Resumen
¿Que es ETO?
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Javier Trespalacios; Ingeniero Mecánico, Master en Energía Renovables; visitar https://j3palacios.wordpress.com/ ETO: Versión V01: 12.03.2015
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Capitulo: ¿Que es ETO?
JT@: jtrespalacios@bluewin.ch y javier.trespalacios@ecotechsy.ch Derechos reservados de Javier Trespalacios17 y Ecotechsy (http://ecotechsy.ch/) Versión18
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