Energía solar fotovoltaica en edificios

Energías alternativas. Fuentes energéticas. Sistemas fotovoltaicos. Células fotovoltaicas. Energía fotovoltaica en España

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ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

EN EDIFICIOS

INDICE

Introducción ................................................................................................. pgna. 2

Energia fotovoltaica ..................................................................................... pgna. 5

Componentes de sistemas fotovoltaicos ......................................... pgna. 5

Células solares fotovoltaicas .......................................................... pgna. 7

Fundamentos físicos y características de las células solares .......... pgna. 7

Principales células solares actuales ................................................. pgna. 11

La energia fotovoltaica en España .................................................. pgna. 15

Ejemplo practico ......................................................................................... pgna. 16

Bibliografía ................................................................................................. pgna. 26

INTRODUCCIÓN

La energía, como problemática, ha sido percibida desde distintos puntos de vista dependiendo del momento histórico. Desde los inicios del siglo hasta principios de los años setenta, el crecimiento económico de los países industrializados se fundamentó en la disponibilidad de una fuente de energía barata y abundante: el petróleo. A partir de la Segunda Guerra Mundial, tanto la producción mundial de petróleo como la demanda industrial de energía se han duplicado cada diez años. Las previsiones sobre la evolución del consumo de energía en el mundo, muestran un crecimiento similar en los próximos años.

Aunque al final de los sesenta nacieron voces críticas de que el crecimiento energético no se podía mantener indefinidamente, no fue hasta la primera Crisis del Pe­tróleo que la sociedad empezó a concienciarse del problema de la limitación de las re­servas de combustibles fósiles, de las cuales sólo hay para 50 años de petróleo y 200 años de carbón si se mantiene el ritmo de consumo actual.

Las únicas posibilidades de mantener un crecimiento económico sostenible, ga­rantizando un suministro energético a largo plazo, son el incremento de la eficiencia y la búsqueda de energías alternativas al petróleo...

Energía Renovable

Entre las opciones de sustituir progresivamente la utilización exhaustiva y ma­siva del petróleo, se encuentra el aprovechamiento de los recursos energéticos renova­bles: La energía solar, eólica, hidráulica, geotérmica y de los océanos.

Las energías renovables son inagotables, limpias y se pueden utilizar en forma autogestionada (ya que se pueden aprovechar en el mismo lugar en el que se producen), además pueden complementarse entre sí, lo cual favorece la integración entre ellas.

Las grandes potencias han acordado aumentar a un 12% el consumo de ener­gías renovables para el año 2010. Esto representaría un fuerte incremento con respecto al 5,4% actual. Aunque esto es perfectamente posible - desde un punto de vista tanto tec­nológico como legislativo y político - se encuentra con un obstáculo: la dificultad para integrar las energías renovables en los sistemas energéticos existentes y la falta de in­fraestructura que permita el desarrollo de esta industria. Además, se hace difícil competir con los precios de las formas energéticas actuales, porque el ahorro de las renovables es muy a largo plazo. Y aparentemente, eso no interesa mucho...

El aprovechamiento por el hombre de las fuentes de energía renovable es muy antiguo. Desde muchos siglos antes de nuestra era, ya se utilizaban el sol, el viento y el agua y su empleo continuó durante toda la historia hasta la llegada de la Revolución In­dustrial, en la que, debido al bajo precio del petróleo, fueron abandonadas. Sin embargo hoy, debido al incremento de los costos de los combustibles fósiles y los problemas me­dioambientales derivados de su explotación, presenciamos un renacer de las energías renovables.

La energía solar representa el modelo más característico de fuente renovable. A pesar de sus recursos ilimitados, sin embargo, al tomarse directamente de la radiación solar, el aprovechamiento energético no alcanza rendimientos equiparables a los de otras fuentes.

El Sol

El sol es una esfera de gas luminoso de 1.392.000 Km de diámetro que posee una masa 330.000 veces superior a la de la tierra. La energía que manifiesta proviene de las reacciones nucleares de conversión de hidrógeno en helio que tienen lugar en su nú­cleo a temperaturas cercanas a los catorce millones de grados. Esta materia gaseosa ca­liente es capaz de irradiar una temperatura efectiva de 6000°C. Se encuentra a una dis­tancia de 149.490.000 kilómetros de la tierra y su constante solar - es decir, la intensidad media de radiación medida fuera de la atmósfera en un plano normal - es de aproxima­damente 1.94 cal/min.cm3.

La intensidad de la radiación solar que llega a la superficie de la tierra, se re­duce por varios factores variables, entre ellos, la absorción de la radiación por los gases de la atmósfera (dióxido de carbono, ozono, etc.), el vapor de agua, la difusión atmosférica por las partículas de polvo, por las moléculas y gotitas de agua, por reflexión de las nubes y por la inclinación del plano receptor de la radiación con respecto a la posición normal de la radiación. La intensi­dad de la radiación medida en la superficie de la tierra varia entre 1.6 y 0.

El sol es una estrella relativamente joven en su estado de evolución. Ha estado en el cielo desde hace unos cinco mil millones de años aproximadamente y se calcula que todavía no ha llegado ni a la mitad de su existencia. El sol es la fuente de vida, además del origen de las demás formas de energía que el hombre ha utilizado desde los albores de la historia. Podría satisfacer todas nuestras necesidades si aprendiéramos a aprovechar de manera racional la enorme cantidad de energía que derrama sobre el planeta. En un día de sol de verano, la energía que llega al tejado de una casa de tipo medio sería más que suficiente para satisfacer las necesidades de energía de esa casa por 24 horas. La distribución espectral de la radiación en la superficie de la tierra ha sido extensamente estudiada. Incluso se ha propuesto una serie de curvas a modo de patrón, para diferentes masas de aire. Sin embargo, tales conocimientos teóricos no son aplicados y usados en la práctica de una manera tan exhaustiva como lo teórico. Nada sacamos con estudiar un fenómeno a fondo y plantear miles de teorías que permi­tan comprenderlo mejor, si no sabemos aterrizar esto en la realidad y aplicarlo para me­jorar nuestra vida. Es por esto que es imprescindible que el hombre comience a idear maneras de lograr que esa energía sea aprovechada y no se desperdicie. No sería racional no intentar aprovechar, por todos los medios técnicamente posibles las grandes alternativas tecnológicas que se nos van abriendo, esta fuente energética gratuita, limpia e inagotable, que puede liberarnos definitivamente de la dependencia del petróleo o de otras alternativas tanto poco seguras como, en la mayoría de los casos, altamente contaminante.

Sin embargo existen obstáculos para su plena utilización y es el superarlos lo que debe orientar los esfuerzos futuros del hombre. Una política energética basada en el sol conllevaría, en sí misma, problemas, ya que el sol tiene características que dificultan su utilización energética. El ejemplo más claro, es el hecho de que se trata de una energía que está en constantes fluctuaciones, más o menos bruscas. Así, por ejemplo, la radiación solar es menor en el invierno, que es la época en que, precisamente, más la necesitamos. Por esto se debe esforzarse por avanzar en el desarrollo y perfeccionamiento de los procesos de captación, acumulación y distribución de la energía solar, para conseguir las condiciones que la hagan efectivamente competitiva a escala planetaria.

Si recogemos de manera adecuada la radiación solar, podemos obtener básicamente dos resultados: calor y electricidad. El calor se logra mediante los colectores térmicos y la electricidad a través de los llamados módulos fotovoltaicos. Estos dos procesos no tienen nada que ver entre sí, ni en cuanto a su tecnología, ni en cuanto a su aplicación. En este trabajo estudiaremos la energía solar fotovoltaica.

ENERGIA FOTOVOLTAICA

Los sistemas de producción de electricidad denominados sistemas fotovoltaicos posibilitan la transformación de la energía que contiene la radiación solar en energía eléctrica. Estos sistemas se caracterizan por un grado de autonomía respecto al clima, lugar geográfico y otras condiciones que pocas fuentes energéticas pueden alcanzar. Las localizaciones geográficas caracterizadas por recibir un alto nivel de radiación solar son las más propicias para su utilización.

Frente a las energías convencionales, la energía solar fotovoltaica presenta la característica de ser una fuente ilimitada de energía, por tratarse de energía renovable. Se caracteriza además por su ubicuidad, pudiendo ser aprovechada en cualquier parte de la superficie del planeta, aunque, obviamente no con la misma intensidad en todos los lugares ni en todo momento. Esta ubicuidad posibilita un amplio rango de aplicaciones limitado apenas por la potencia necesaria.

Las investigaciones iniciales en el campo de la energía fotovoltaica se enfocaron al desarrollo de productos para aplicaciones espaciales, siendo su primera utilización exitosa en la fabricación de satélites artificiales. Sus características principales las hicieron ideales para el suministro de energía en el espacio exterior.

Componentes de sistemas fotovoltaicos

Los componentes de un sistema fotovoltaico dependen del tipo de aplicación que se considere y de las características de la instalación. Para el caso de un sistema autónomo, los componentes necesarios para que funcione correctamente y tenga una elevada fiabilidad son: Placas fotovoltaicas, acumuladores eléctricos, regulador de carga e inversor. En cambio, las instalaciones conectadas a la red de distribución eléctrica, que suele ser el caso de los edificios, se caracterizan por no incorporar acumuladores, ya que la energía que se envía a la red no necesita acumularse.

El principal elemento de una instalación fotovoltaica son las placas solares. Un conjunto de paneles fotovoltaicos que puedan captar el sol es la parte de la instalación a la que se le llama generador. Estas placas son las que producen electricidad en forma de corriente continua. La utilización de acumuladores está motivada por el hecho de que la intensidad solar varía a lo largo del día y del año y así varía también la producción de electricidad del sistema. Sin embargo, las necesidades de energía eléctrica no varían en ese mismo orden, y por tanto, se necesita acumular energía de manera constante para cuando se tenga disponible. Con este fin se utilizan generalmente acumuladores eléctricos, ya que es el sistema más económico y eficiente de que se dispone. Esto es un factor importante ya que siempre existe el riesgo de quedarse sin energía después de varios días de mal tiempo.

En el caso de las instalaciones fotovoltaicas autónomas, existe un regulador de carga que protege a los acumuladores de carga contra la sobrecarga y la descarga. Si se da sobrecarga, pone las placas en cortocircuito de manera tal que la corriente se vaya hacia los acumuladores; en cuanto a la descarga excesiva corta automáticamente el suministro cuando la cantidad de energía eléctrica del acumulador se pone por debajo de un nivel mínimo de seguridad. Un buen sistema regulador permite aprovecha al máximo la energía (permitiendo que el sistema trabaje siempre en su punto máximo de eficiencia), proteger las baterías y alargar la vida de un sistema. Además, las instalaciones fotovoltaicas autónomas tienen convertidores que permite trasformar la corriente continua en corriente alterna.

Otra parte importante es el inversor. La mayoría de los electrodomésticos convencionales necesitan, para funcionar, corriente alterna a 220V y 50 hz. de frecuencia. Para poder disponer de este tipo de corriente hay que añadir a la instalación un inversor que permita transformar la corriente continua a corriente alterna (de 12 ó 24 V a 220V y 50Hz de frecuencia), que es lo que, como ya dijimos, permite que funcionen los equipos en la casa que son para lo cual se necesita la energía.

Los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica no tienen ni reguladores ni acumuladores ya que como se ha dicho antes la energía eléctrica obtenida es enviada a la red general. Se utilizan onduladores de corriente que permiten adecuar la corriente alterna a la de la red.

Pero el componente más importante de un sistema fotovoltaico es la célula solar, que es el componente que transforma la radiación solar en energía eléctrica. Pasamos a continuación a describirla.

Células solares fotovoltaicas

La célula solar fotovoltaica es un dispositivo capaz de convertir directamente energía luminosa en energía eléctrica sin que medie ningún ciclo o proceso térmico ni mecánico

En 1954 se desarrolla la primera célula solar, realizada en silicio monocristalino, capaz de convertir energía con una cierta eficiencia. A partir de ahí las células solares de silicio se utilizaron como fuente de energía en vehículos espaciales y para usos especiales en la superficie de la tierra.

La conversión fotovoltaica proporciona una energía de alta calidad, como es la eléctrica, y por un proceso muy sencillo y probado. La dificultad básica, única que impide utilizar masivamente esta fuente de energía, es el coste actual de las células solares unido a la baja densidad de energía de la radiación solar. Casi toda la investigación sobre el efecto fotovoltaico en curso en el mundo tiene por objeto reducir el coste de las células solares hasta hacer que la energía solar fotovoltaica sea competitiva como las demás fuentes de energía en unos veinte años. A la vista del desarrollo de los programas de investigación y atendiendo a posibles motivaciones de tipo político, social o estratégico el plazo podría verse apreciablemente reducido.

Fundamentos físicos y características de las células solares

Los materiales

Ciertos materiales, denominados semiconductores tienen sus electrones de valencia ligados a los átomos con energías muy semejantes a las de los fotones que constituyen la luz solar. Cuando ésta incide sobre el semiconductor sus fotones rompen los enlaces y los electrones de valencia quedan libres para circular por el semiconductor. Algo análogo ocurre también con el enlace roto, llamado “huecos”, que saltando de un átomo a otro puede también moverse con cierta libertad.

Estos electrones libres (negativos) y estos huecos (positivos), creados en los puntos donde hay iluminación, tienden a difundirse hacia las regiones oscuras y por lo tanto con menos densidad de ellos. Sin embargo, al moverse ambas partículas en el mismo sentido no dan lugar a 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 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 recombinan restableciendo el enlace roto. No obstante, si en algún lugar próximo a la región donde estas parejas de electrones y huecos han sido creadas, se crea un campo eléctrico en el interior del semiconductor, este campo separa a los electrones de los huecos, haciendo que cada uno circule en dirección opuesta y por consiguiente dando lugar a una corriente eléctrica neta en el sentido del citado campo eléctrico.

Formas de crear un campo eléctrico en un sólido

Existen varios métodos para establecer un campo eléctrico en el interior de un sólido. Todos ellos están ligados al concepto de potencial de contacto que aparece cuando se unen dos materiales con distinta afinidad electrónica. Es natural que puedan existir, por tanto, infinidad de pares de materiales distintos capaces de proporcionar un potencial de contacto. Además, dado que es la diferente afinidad electrónica lo que determina la aparición del potencial de contacto, se podrá tener un campo eléctrico aún con un solo material con tal que dos regiones contiguas de una muestra hayan sido tratadas o contaminadas debidamente para tener distinta afinidad. Se dirá en éste ultimo caso que se tiene una “homounión” y “heterounión”, en el caso de materiales diferentes. Cuando una heterounion esta constituida por un metal y un semiconductor se llama barrera Schottky.

En las células solares convencionales, el campo eléctrico separador se logra en la zona de transición, o unión de dos regiones de un cristal de silicio que habían sido tratadas químicamente de manera desigual: una fue impurifica con fósforo (región n) y otra con boro (región p). Con ello aparecía un campo eléctrico dirigido de la zona n hacia la p que tiende a enviar a los elementos hacia la zona n y los huecos hacia la zona p. Todo esto se puede observar en la figura 4.

Estructura de una célula solar

En la figura 4 puede apreciarse la constitución concreta de una célula solar de silicio convencional. Una barra cristalina de silicio, dopado con boro, se corta en discos de un espesor aproximado de 0,3 mm. Una de sus caras se dopa fuertemente con fósforo mediante difusión a alta temperatura desde una atmósfera gaseosa rica en fósforo, de manera que este elemento penetra en el silicio con mayor concentración que la del boro que este contenía hasta una profundidad de 0,3 micras aproximadamente. Encima de esta capa se deposita una rejilla metálica y en la parte posterior de la celula una capa continua. Ambas capas sirven para facilitar la toma de contactos eléctricos en ambas regiones.

Modo de funcionamiento

Cuando la luz incide sobre la cara superior de la célula algunos enlaces son rotos, generándose pares electrón-hueco. Si esta generación se produce a una distancia de la unión menor de lo que se denomina longitud de difusión, en promedio, 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, dando lugar por consiguiente, a una corriente desde la zona n a la zona p. Si un electrón y un hueco se encuentran antes de atravesar la unión se recombinan, perdiéndose en forma de calor la energía luminosa que habían absorbido.

Uno de los factores que más limitan la eficaz conversión de energía luminosa en eléctrica es el que se deriva de la falta de adaptación entre la energía de los fotones del espectro solar y la energía necesaria para romper el enlace de un electrón en un material dado (figura 5). Así los fotones con energía inferior a la necesaria para romper un enlace no serán absorbidos y se perderán. Los muy energéticos gastaran parte de su energía en romper el enlace de un electrón (es decir en crear un par electrón-hueco) y el resto en ceder energía cinética a ese hueco y electrón. La energía cinética se perderá rápidamente en forma de calor a causa de las colisiones de estos portadores con los átomos del material. La energía recuperable del par electrón-hueco generado será, como máximo, igual a la energía potencial debido al campo creado en la unión.

Dado que el espectro solar es bastante ancho y la mayor parte de los fotones tienen energías comprendidas entre los 3,1 eV y los 0,7 eV no es posible conseguir rendimientos muy altos con un solo material. La figura 6 muestra los máximos rendimientos obtenibles con distintos materiales semiconductores atendiendo a este efecto y suponiendo que no hay precombinación.

Los materiales con banda prohibida de 1,5 eV serian los mejores, visto el espectro solar. Pero dado que el rendimiento no depende sólo de eso, sino también de las tecnologías de fabricación del material y de la célula, una célula de silicio real es hoy más eficiente que una de CdTe.

Rendimiento de conversión

El rendimiento de conversión , de una célula solar se define como:

El rendimiento teórico máximo alcanzable es del 95% habida cuenta de que el espectro solar proviene de un gas de fotones a 6000ºC que trabaja frente a una temperatura de 300ºC. Dicho valor es inalcanzable en la practica si se emplea una célula de un solo material semiconductor. La radiación solar no es monocromática, sino que presenta una distribución espectral bastante amplia. En la superficie de la tierra se extiende aproximadamente desde el ultravioleta (3500 Å) hasta el infrarrojo próximo(2 m). La suma de las potencias correspondientes a cada una de esas frecuencias es lo que llamamos potencia solar incidente, Pin. Pero no todas las frecuencias son aprovechables por un determinado material fotovoltaico, porque éste es transparente por encima de una longitud de onda.

En los materiales muy absorbentes, la corriente generada es grande, pero la tensión de circuito abierto es baja, por serlo la banda prohibida del semiconductor. Solo dividiendo el espectro solar en varios bloques de frecuencia y poniendo una célula espectralmente adaptada en cada bloque puede superarse el límite del 25% que puede considerarse como barrera infranqueable para sistemas con una sola célula de banda prohibida constante.

Efecto de la resistencia serie

Una célula solar ideal genera energía eléctrica que puede ser suministrada íntegramente a una carga. Una célula real, por el contrario, poseerá una cierta resistencia serie en la que se perderá parte de la potencia. La resistencia serie modifica la forma de la curva V-I de manera que Pmax resulta reducida respecto a la misma célula con Rs=0. la figura 7 muestra una curva para varios valores de Rs.

El efecto negativo de la resistencia serie se hace muy importante en células que reciben luz concentrada puesto que la potencia disipada en una resistencia vale I2R.

Reflexión de la luz

Un elemento que afecta a la absorción de la luz por las células, aparte de las propiedades ópticas intrínsecas del material, es la reflexión en la superficie de la célula por causa de la discontinuidad del índice de refracción en la interfase.

El índice de refracción de los semiconductores es bastante elevado, de 3,5 a 4,5, lo cual produce una reflexión muy importante de la luz en la superficie. Con ello se reduce el rendimiento de la célula, puesto que solo se absorbe un 60%-70% de la luz incidente. Este problema se resuelve generalmente depositando capas delgadas antirreflexivas transparentes, con espesores ópticos del orden de un cuarto de la longitud de onda de la luz, que permiten fácilmente alcanzar absorciones del 90%.

Principales células solares actuales

Atendiendo al coste y rendimiento de las células fotovoltaicas, solamente las de silicio hechas por homounión y las de heterounión y capa delgada policristalina de Cu2S/CdS son hoy susceptibles de aplicación para conversión de energía en paneles planos, es decir, sin concentración. Por ello revisaremos el estado actual de las células solares que tienen el silicio como material de base, las células de Cu2S/CdS de capa delgada y otras que también utilizan CdS en heterounión. Finalmente, haremos mención de las células basadas en AsGa puesto que en ellas se han dado los mayores rendimientos obtenidos.

Células solares de silicio

Son las más antiguas y tienen la ventaja de utilizar un material estable, muy abundante y que puede calificarse sin duda como el sólido mas estudiado y mejor conocido.

-Silicio monocristalino. Casi todas las células empleadas en sistemas tanto terrestres como espaciales son células solares de silicio monocristalino de unión pn (homounión) de unas 300 micras de espesor, circulares y con diámetros de 5 a 10 centímetros. Se utiliza en su realización material de alta pureza. A veces se cortan las obleas circulares para tener células cuadradas que proporcionen módulos más compactos.

Se han conseguido células de silicio con un 19% de rendimiento; se trataba de células texturizadas, con coeficiente de reflexión del 3%. Las obleas comerciales de este tipo, sin embargo, presentan los rendimientos de un 12-15%. La principal limitación que impide alcanzar el valor teórico del 23% es sin duda el bajo valor de la tensión de circuito abierto que esta afectado muy posiblemente por efecto de alto dopado en el emisor. Las células solares de silicio presentan la estructura de la figura 3.

El silicio, pese a no ser un material ideal desde el punto de vista fotovoltaico por la anchura de la banda prohibida y por su baja absorción, esta recibiendo una gran atención investigadora dirigida a abaratar el coste de las células a través de la reducción del coste del material. Esa reducción puede conseguirse por dos caminos, uno consistente en reducir la calidad del silicio hasta el nivel justo que precisan las células solares y otro consistente en aprovechar el 100% del silicio purificado, evitando el corte de barras de monocristal y, por ultimo, esta el crecimiento de monocristal en lingotes paralelepipédicos que, aun teniendo, aprovechan mejor el material y la superficie de panel que las células circulares convencionales

Células con los rendimientos citados son muy adecuadas para trabajar en concentración. Existe una cierta variedad de células solares de silicio para aplicaciones de concentración que poseen estructuras algo mas complicadas que las células convencionales aunque eso se ve compensado por un aumento del rendimiento que es el valor importante en células de concentración.

-Silicio policristalino. Hasta muy recientemente el silicio policristalino estaba asociado a materiales en película constituidos por cristales individuales de pequeño tamaño (<100 m). En este camino hay trabajos que pretenden obtener granos columnares de silicio lo mayores posibles ("100 m) sobre substratos baratos. A causa de la baja absorción del silicio son precisas capas de por lo menos 50 micras de grueso. Los substratos (acero, vidrio metalizado, etc..) no han dado buenos resultados. Utilizando como base monocristales de silicio de 200 micras y construyendo por epitaxia de Cl3Hsi unas 30 micras se ha obtenido 6,2% de rendimiento. Aunque se están empleado varias técnicas para la deposición de la capa y varios sustratos, silicio monocristalino grado solar, acero inoxidable, aluminio, Ti con B2O3 y SiO2, carbono, carburo de silicio, no se han alcanzado rendimientos superiores al 5% en homouniones.

Otra solución, basada también en silicio policristalino está acaparando gran atención a causa del alto rendimiento de sus células, en el margen comprendido entre 10 y 14%. Estas células no son de capa delgada, sino de unas 400 micras de espesor, que provienen de cortar en placas de 400 micras bloques de silicio policristalino enfriados en colada, que poseen granos de hasta varios milímetros. Los módulos realizados con estas células solares muestran un rendimiento total del 8,1% aunque se han logrado células solares con 16% de rendimiento.

-Silicio amorfo(a-Si). El silicio puede también obtenerse en forma amorfa, es decir, en una forma en que los átomos realizan enlaces entre sí sin constituir una red ordenada. tambien puede presentarse hidrogenado Para aplicaciones fotovoltaicas el mejor material es el obtenido por crecimiento en descarga gaseosa. Muestra una banda prohibida de 1,55 eV, siendo el coeficiente de absorción unas 10 veces mayor que el silicio monocristalino en un buen tramo del espectro visible. En teoría se podrían conseguir hasta rendimientos del 15%. Utilizando barreras Schottky se ha llegado al 5,5%, aunque la degradación de las barreras puede ser un problema.

Células solares de sulfuro de cadmio

El sulfuro de cadmio es un semiconductor que posee una banda prohibida muy ancha, de unos 2,5 eV, por lo que es muy poco absorbente. Sin embargo, y dada la posibilidad de obtener películas delgadas policristalinas por evaporación al vacío, este semiconductor es muy adecuado para actuar como material ventana en gran numero de heterouniones en las que invariablemente el otro material deberá actuar como absorbente de los fotones, así se han realizado células de heterounion con sulfuro de cadmio como material ventana y sulfuro de cobre (II) o telurio de cadmio entre otros como materiales absorbentes.

De todas estas combinaciones, la primera, constituida por el sulfuro de cobre es la más antigua, puesto que ya se realizaron células de SCd/S2Cu en 1954. la importancia de esta heterounion reside en el hecho de existir un proceso de fabricación extraordinariamente sencillo, conocido como “método clevite” que ha sido hasta hace muy poco el único método empleado para producir estas células, y con el que se han conseguido rendimientos del 9,3%. El método clevite, pese a ser muy simple, da lugar a inestabilidades en la célula a causa de las variaciones en la estequiometria del sulfuro de cobre. Por ello se vienen ensayando nuevos métodos de deposición del absorbente, es decir, del sulfuro de cobre.

Células de AsGa

El arseniuro de galio con una banda prohibida de 1,43 eV a temperatura ambiente, un coeficiente de absorción alto y una tecnología muy desarrollada (aunque menos que la del silicio) es un material adecuado para realizar células solares de un alto rendimiento. La teoría prevé rendimientos de hasta el 26%. Unos de los inconvenientes de las células de AsGa es el coste del monocristal que es por lo menos 10 veces mayor que el del silicio. Esta circunstancia confina a las células monocristalinas de AsGa a aplicaciones de concentración. En esta aplicación se ha conseguido el máximo rendimiento jamás alcanzado de 23,8%.

Las células de AsGa con heterosuperficie son muy atractivas porque combinadas con células de Si o Ge en sistemas de concentración con división de espectro permiten alcanzar conversiones del 30-35% de rendimiento. Se han realizado células monocristalinas delgadas de 20 micras en AsGa que permiten el abaratamiento aunque solo se han logrado rendimientos del 13%.

La energía fotovoltaica en España

En España, el mercado potencial para las aplicaciones fotovoltaicas en las regiones aisladas esta considerado como el más prometedor de la comunidad europea. España ha puesto ya en servicio centenares de sistemas fotovoltaicos autónomos conectados a la red eléctrica con una capacidad total de mas de 5 MWp, entre los cuales se cuenta con una central fotovoltaica de 1 MWp.

Las investigaciones más recientes se han concentrado en la concepción de sistemas fotovoltaicos interconectados a la red eléctrica y los análisis de proyectos de demostración. El problema de la integración arquitectónica comienza a ser objeto de profundos estudios.

La industria española esta presente en el campo fotovoltaico gracias a empresas que comienzan a ofrecer módulos adaptados a su integración en los tejados y las fachadas de los edificios.

EJEMPLO PRÁCTICO

Para mostrar como se planifica el diseño de una instalación fotovoltaica, realizaremos como ejemplo práctico un pequeño estudio sobre la instalación que se acoplaría a un edificio unifamiliar aislado situado en la provincia de Álava, cuyos propietarios, en su empeño de vivir en coherencia con sus ideales ecologistas, desean reducir las emisiones contaminantes, haciendo el mayor uso posible de cuantas energías alternativas se pongan a su disposición. De acuerdo con ésto, encontraremos una vivienda de clase media con calefacción y cocina a gas natural (también bastante acorde con los criterios ecologistas).

En primer lugar hemos de realizar un análisis sobre el tipo de edificio, la frecuencia de uso que se le va a dar, la instalación eléctrica que va a poseer, el consumo que va a realizar, y las expectativas, tanto económicas como energéticas, que deseamos alcanzar.

Para simplificar nuestro estudio, vamos a suponer, que en el ideal diseño de nuestra instalación, el factor económico no va a ser determinante, de modo que no escatimaremos en gastos a fin de lograr optimizar el rendimiento y producción energética. Nuestro objetivo será el conseguir una total autonomía energética que nos permita autoabastecernos durante todo el año, incluso, llegando a inyectar en la red nacional nuestros excesos energéticos con la consiguiente remuneración económica. Hemos de recordar que la Legislación Española contempla en uno de sus decretos la obligación de las compañías eléctricas, que operan el estado, de comprar la energía eléctrica producida por particulares privados mediante la utilización de tejados solares, al precio de 66 pts/KWh.

Comenzaremos, como ya se ha comentado, realizando un listado de los diferentes consumos que se producirán en la vivienda, así como el tiempo que funcionarán de media al día.

Aparato

Potencia (W)

Horas (h)

Energía (Wh)

Corriente alterna

Iluminación cocina

40

2

80

Iluminación sala

40

2

80

Iluminación baño

20

0,5

10

Iluminación habitaciones

2"20

0,5

20

Iluminación exterior

20

0,5

10

Televisión

60

4

240

Lavadora

300

1(Sólo laborables)

214

Frigorífico

200

6

1200

Microondas

640

0,25

160

PC

250

1,4

350

Pequeños electrodomésticos

100

1

100

Total 2464

Corriente continua

Bomba de riego

920

1

920

Total 920

Observamos como en la lavadora al funcionar sólo los días laborables, no podemos considerar que su consumo energético diario sea el nominal multiplicado por el número de horas diarias de funcionamiento. Deberemos de realizar la siguiente operación con la que anularemos el error que la no consideración de esta cuestión conllevaría:

Realizaríamos la misma operación con cuantos consumos no funcionasen todos los días, no lo hiciesen siempre del mismo modo, o si sólo hubiese consumo ciertos días de la semana (por ejemplo en una vivienda para los fines de semana).

Hemos también de separar, como se ve en la tabla, los consumos en corriente alterna y los que se realizan en corriente continua. Deberemos realizar esta distinción porque ambas corrientes no seguirán los mismos procesos de tratamiento en las diferentes unidades que constituyen la instalación. Los paneles solares producen directamente corriente continua, de modo que para ciertos consumos será necesario transformarla en alterna mientras que para otros no.

El siguiente paso será realizar una estimación sobre la carga de consumo diario, la cual denominaremos , y la mediremos en amperios hora (Ah). Esta carga de consumo ha de ser igual a la capacidad generada diariamente por el campo de paneles fotovoltaicos, la cual denominaremos como , y mediremos con la misma unidad (Ah). De modo que:

Aseguraremos de este modo el abastecimiento eléctrico de la vivienda, cuyos módulos solares producen al menos la energía consumida.

Para calcular la carga de consumo diaria habremos primero de calcular la energía de consumo diaria . En esta energía se sumarán la energía consumida en forma de corriente continua () y la consumida en forma de corriente alterna (). En nuestro caso estas energías consumidas ya las hemos incluido en la tabla de la página anterior. Nos hemos valido para ello de las siguientes fórmulas:

Como la corriente alterna habrá tenido que sufrir un proceso de transformación en el convertidor que la adecúe a las características del consumo, habremos de aplicarle una constante que asuma las pérdidas del proceso, cuyo rendimiento consideraremos del 85%.

Con todo lo anteriormente comentado aplicamos la siguiente fórmula:

Consideramos esta energía de consumo diaria un 20% superior a la calculada, para compensar las distintas pérdidas en las distintos componentes.

Ahora si podremos calcular la carga de consumo diaria la cual hallaremos mediante la siguiente ecuación:

Donde es la tensión a la que trabajan nuestras baterías, es decir, la tensión de suministro de los acumuladores a los consumos. Este dato dependerá del tipo de baterías que vayamos a utilizar, y del modo de instalación de las mismas. En nuestro caso hemos optado por una batería sin mantenimiento de plomo-calcio tipo 6 FS - 110 Ah, como la que se muestra a continuación por ser la que mejor se adecua a nuestras necesidades.

Con las expresiones anteriores se tiene en cuenta que los módulos cargan las baterías todos los días de la semana, mientras que la energía se consume de modo diferente cada día, pudiendo llegar a no consumirse algunos días. Esto se puede estimar así, sólo en computo semanal, pues las baterías no admitirían descargas grandes el día del consumo para ser recargadas luego por los paneles durante periodos superiores a la semana, ya que implicaría que permaneciesen descargadas demasiado tiempo, lo cual limita la vida útil de cualquier batería.

Pasaremos ahora a determinar el número de paneles necesarios para cubrir nuestra demanda. Al número total de paneles lo definiremos como: .

Este es el punto en el que la ubicación de nuestra vivienda se hace determinante. Como ya hemos dicho, localizaremos la nuestra en la provincia de Álava. Deberemos dirigirnos a las tablas del factor I que se encuentran en el anexo que se incluye al final de este trabajo. Elegiremos en la provincia de Álava el factor más bajo que haya para nuestra inclinación de los módulos. Teniendo en cuenta que debido a nuestra latitud la inclinación óptima de paneles para uso anual en toda la península es de 60º, deducimos que nuestro I es igual a 4822. Por supuesto, ni que decir tiene, que deberemos orientar los paneles hacia el sur, poniendo especial atención en este detalle, que produciría una caída del 2% de la producción por cada grado de desorientación del sur, bien hacia el este o hacia el oeste. Si deseamos maximizar aún más el rendimiento de nuestra instalación podemos realizar un estudio sobre las inclinaciones que en los tres meses con menos radiación del año más aumentan el H.S.P.. En cualquier caso siempre se puede utilizar una estructura orientable que dirija los paneles perpendicularmente al sol. Hemos de comentar que, aunque como se ha dicho, en instalaciones anuales la inclinación de los paneles ronda los 60º, en las épocas de verano es recomendable inclinaciones de hasta los 30º.

Deberemos con el anterior dato (I) hallar el factor H.S.P., ésto es, horas sol pico. Este factor mide el número de horas de sol con una intensidad de radiación de 1000W/m incidiendo perpendicularmente sobre la superficie del módulo que tendría un día imaginario en el que el panel recibiera la misma energía que un día real. Su cálculo se realiza mediante la operación:

Con este dato podremos determinar la energía capaz de captar el campo de paneles, la cual denominaremos , y deduciremos del siguiente modo.

Donde será la potencia pico del generador, ésto es, la potencia máxima que puede generar un módulo en las condiciones estándar de radiación incidente (25º, 1000w/m,incidiendo perpendicularmente), y será igual a:

Siendo la tensión pico del módulo y la intensidad pico del módulo. Ambos parámetros, como es lógico, dependerán del tipo de módulo utilizado. En nuestro caso hemos utilizado el módulo fotovoltaico M-63-L, que se muestra en la siguiente página, y que suministra un voltaje pico de 14,8 voltios, y una intensidad pico de 2,4 amperios. Según la fórmula anteriormente expuesta deducimos que su potencia pico es de 35 vatios.

Antes de pasar a aplicar todos estos datos en la ecuación de la energía generada, hemos de tener en cuenta los diferentes modos de conexión de los módulos solares:

En paralelo: los módulos colocados en paralelo mantienen la tensión del módulo y multiplican la intensidad por el número de módulos. Al número de módulos en paralelo le denominaremos .

En serie: los módulos colocados en serie multiplican la tensión por el número de módulos y mantienen la intensidad del módulo. Al número de módulos en serie le denominaremos .

Podemos pues combinar ambos tipos de conexiones para obtener a nuestro antojo el voltaje e intensidad deseados partiendo de los que los módulos nos dan. Del mismo modo que realizamos esta operación con los paneles solares, la realizaremos en adelante con las baterías. Es sencillo comprender ahora que el anteriormente mencionado número total de módulos , es el producto de los módulos en paralelo por los módulos en serie.

Podremos, tras este breve inciso, entender ahora la siguiente ecuación, más completa que la anterior:

Teniendo en cuenta esta última ecuación, la siguiente que se extrae de lo anteriormente comentado: , y que relaciona la energía

generada con la carga generada multiplicada por la tensión pico del generador, y recordando que llegamos a la ecuación:

Aunando algunas de las ecuaciones hasta ahora comentadas, deducimos:

Donde es la tensión nominal del módulo, generalmente 12 voltios.

Podemos deducir ya que:

Pasaremos a continuación a determinar el tamaño del acumulador. La elección del tipo de acumulador (batería) se realiza en función de la capacidad que deseamos sea capaz de almacenar, y en función de la tensión de trabajo a la que deseamos que funcione. A la capacidad de la batería la denominaremos .

El número de días de autonomía tiene en cuenta los periodos de muy baja insolación con días nublados (5-10 días, en caso de que sea una vivienda que sólo se usa los fines de semana como máximo 3)

El factor es la profundidad de descarga máxima admisible en tanto por uno para no entrar en procesos irreversibles y disminuir la vida útil del sistema de acumulación. Es función del tipo de batería, y en caso de no ser indicada por el fabricante nos podemos guiar por la siguiente tabla:

Tipo de batería

Estacionaria Plomo/ácido

0,6

Arranque Plomo/ácido

0,4

Sin mantenimiento Plomo/Calcio

0,5

Alcalina Cadmio/Niquel

1

Tenemos también que tener en cuenta que en la última ecuación deberemos de aplicar la carga de consumo diaria calculada sin tener en cuenta que hay consumos que no funcionan todos los días. Aunque no es nuestro caso, podríamos descontar de la carga de consumo diaria la parte de la misma que puede realizarse en horas de sol, con lo que lograríamos abaratar los costes del sistema de acumulación, que, de lo contrario, debería de ser más voluminoso y consiguientemente más caro.

De modo análogo a como ya hiciéramos con los módulos fotovoltaicos, realizaremos ahora el cálculo del número de baterías necesarias y el modo de conexión de las mismas.

Para evitar que se produzcan ciclos de descarga diarios mayores que los admitidos por el fabricante, al objeto de que la batería tenga una vida útil aceptable, debe comprobarse que la capacidad determinada sea superior a la mínima necesaria para que la batería no se descargue a diario más de la profundidad admisible según el tipo de acumulador. Esto es:

Donde es la profundidad de descarga diaria admisible en tanto por uno, y que si carecemos de los datos indicados por el fabricante podemos extraer de la siguiente tabla:

Tipo de batería

Estacionaria Plomo/ácido

0,2

Arranque Plomo/ácido

0,2

Sin mantenimiento Plomo/Calcio

0,15

Alcalina Cadmio/Niquel

1

En caso de que por cualquier extraña circunstancia nos veamos obligados a sobrepasar este umbral, es preferible utilizar la corriente de la red eléctrica normal para suplir el exceso de consumo, a fin de no acortar la vida de nuestras baterías. Esta cuestión está facilitada en nuestro caso, por el hecho de estar nuestra vivienda conectada a la red como se verá más adelante.

Pasaremos a continuación a determinar las características de tensión y corriente del regulador. El regulador de carga es un equipo que limita la tensión de salida de los paneles fotovoltaicos a unos valores adecuados para la carga de los acumuladores, evitando de este modo la presencia de condiciones de sobrecarga. Existen reguladores en paralelo y en serie, y dentro de estos dos tipos podemos encontrar una amplia gama de modelos con diferentes características y peculiaridades. Hemos de tener en cuenta que este es un punto de vital importancia en la instalación. Regular los procesos de carga aportando la intensidad óptima en función de su estado de carga, y evitar sobrecargas prolongadas, son cuestiones que tienen aquí su punto de control.

La tensión de trabajo del regulador coincidirá con la tensión de trabajo del generador fotovoltaico y del conjunto de baterías de acumulación.

Tendremos también que determinar la intensidad máxima que deben de poder aguantar los relés que acompañan al regulador tanto en su entrada como en su salida. A la intensidad que deberá soportar el relé que interrumpe o permite el paso de la corriente desde los paneles fotovoltaicos a la batería, le denominaremos: , y será igual a:

Por otro lado la intensidad que debe aguantar el relé de paso de la corriente de la batería a los consumos, la representaremos como: . Y ha de ser igual a la suma de intensidades de todos los consumos que pudieran funcionar simultáneamente. Esto es:

El cálculo de las diferentes intensidades de cada consumo lo hemos hallado mediante el estudio de la gráfica que a continuación se muestra.

Extraemos de ella la máxima potencia consumida a lo largo del día, y mediante la siguiente operación deducimos la intensidad:

El factor que se incluye en el divisor de la ecuación tiene la función de representar el rendimiento del inversor, del cual hablaremos a continuación.

Es interesante comentar que en casos en los que se disponga de un reducido presupuesto para la implantación de la instalación fotovoltaica, podemos desdoblar los módulos y las dos líneas anteriormente comentadas (módulos-baterías, baterías-consumos), en otras dos nuevas líneas, reduciendo de este modo el tamaño y por tanto el coste de los relés.

El inversor será el elemento que transforme la corriente continua que producen los módulos fotovoltaicos en corriente alterna para todos los consumos que así lo necesitasen. Para determinar el tamaño del inversor a utilizar deberemos de estimar la potencia que se va a demandar simultáneamente al inversor. La potencia nominal de salida del inversor deberá ser mayor que la potencia de funcionamiento simultáneo de los consumos:

Los inversores pueden tener un consumo apreciable aunque no estén suministrando energía, consumo que habría que contemplar en el cálculo de la instalación. Por este motivo, los fabricantes, han desarrollado inversores con una etapa de control que mantiene desactivado el sistema de conversión de corriente, mientras no haya ningún consumo conectado. El mismo inversor detectará una demanda de energía autoactivando su etapa de potencia. Estos inversores son los denominados automáticos, y la energía que consumen es mínima cuando se encuentra en estado de stan-by. Incorporan además un potenciómetro de ajuste de la sensibilidad por el que se regula la potencia mínima de la carga a conectar para que arranque la etapa de potencia.

Si el inversor incorpora desconexión a la salida debido a una baja tensión de entrada, puede conectarse directamente a la batería.

Calcularemos ahora la sección del cableado de nuestra instalación. En general para todas las líneas que trabajen a 220V deberemos de cumplir el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (R.E.B.T.). Para el resto de consumos que pudieran trabajar a tensiones de12 o 24 voltios, deberemos de elegir la sección que nos produzca una caída de tensión inferior al 3%. La tabla que a continuación se muestra recoge los valores de caídas de tensión admisibles para las diferentes líneas en términos porcentuales y de valor absoluto según la tensión nominal de trabajo.

Línea

Tensión de trabajo

nominal

% de caída de tensión

admisible

Valor en voltios de caída admisible

Módulos-Regulador

12

5

0,6

24

8

1,92

36

10

3,6

48

10

4,8

Regulador-Batería

12

0,5

0,06

24

0,5

0,12

48

1,5

0,72

Batería-Inversor

12

0,5

0,06

24

1

0,24

48

2

0,96

Batería-Consumos CC

12

3

0,36

24

3

0,72

En general para líneas de cobre podemos hallar la sección del conductor aplicando la siguiente expresión:

Donde es la longitud del conductor, la caída de tensión admisible, e la intensidad máxima que puede circular por el conductor; En el caso de la linea módulos-regulador , y en el caso de la linea batería-inversor . Donde es la potencia nominal del inversor, la tensión de entrada del inversor, y el rendimiento del inversor a la potencia nominal.

Con todo lo anteriormente comentado ya tendríamos perfilado un diseño para nuestra instalación. Es el momento de comentar que, con el fin de asegurar el suministro, todo nuestro diseño ha sido calculado en todos sus puntos para las condiciones más desfavorables, y que éstas no serán realmente las condiciones que se darán durante todo el año. De hecho hemos de tener en cuenta que el consumo se puede doblar y casi triplicar en los meses más soleados del año. En estas condiciones podremos vender nuestra energía solar sobrante a la red eléctrica, que como ya comentamos al comenzar este estudio, tiene la obligación de comprárnosla. Realmente hoy día en España, con la legislación vigente y debido al escaso desarrollo de este tipo de energía y a los elevados costos que estas instalaciones conllevan, es más rentable inyectar en la red toda nuestra producción eléctrica para recomprarla de nuevo, y ahorrarnos de este modo toda la instalación de los sistemas de acumulación. En estos casos un contador entre el inversor y la red cuantificará la energía remunerada, mientras que otro contador cuantificará el suministro al edificio por la otra instalación que poseeremos independientemente de la anterior y en paralelo.

Hasta el momento no hemos hecho mención al tema de la seguridad en la instalación, la cual es fundamental, más aún cuando, como en nuestro caso, existen puntos de contacto entre nuestra instalación y la red eléctrica normal. Algunos de los factores a tener en cuenta serán:

-No descuidar, aunque apenas vayamos ya a usarla, el conjunto de la instalación de corriente alterna de la instalación convencional.

-La protección frente a contactos indirectos en el lado DC.

-La protección frente a sobreintensidades en el lado DC.

-La protección frente a sobreintensidades e origen atmosférico.

-No deteriorar la calidad de suministro de la red.

En las grandes instalaciones estos puntos, así como otras atenciones que durante el trabajo se han comentado, están controladas y dirigidas por soportes informáticos, y cada vez más, empiezan a emplearse sistemas electrónicos similares en las pequeñas instalaciones.

BIBLIOGRAFÍA

Energía solar fotovoltaica, serie: mundo electrónico. Ed. marcombo

Energías renovables. Mario Ortega Rodríguez. Ed: paraninfo

Energía solar. Ed: ente vasco de la energia

Revista “era solar

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Figura 1. Sistema fotovoltaico autónomo y paralelo a la red en Pirmasens

(Alemania).