Área: Ár ea: Ener gía Sol ar: Térmi ca y Fotov Fot ovol oltai taica ca
La Energ Energía ía Solar Fotov oltaica ol taica
1.1.- Intr odu cció n La electricidad es una de las formas de energía más versátil y que mejor se adapta a cada necesidad. Su utilización está tan extendida que hoy difícilmente podría concebirse una sociedad tecnológicamente avanzada que no hiciese uso de ella.
Miles de diferentes aparatos están diseñados para funcionar alimentados con energía eléctrica, bien en forma de corriente continua de pequeña tensión, o de corriente alterna a tensiones mayores. Por ello resulta muy interesante la posibilidad de producir electricidad mediante una fuente energética segura y no contaminante, como es la energía solar. Proceso Fotovoltaico Energía Solar
Generador Fotovoltaico
Energía Eléctrica
Fuente: ASIF
Un área de aproximadamente el tamaño del desierto del Sahara seria suficiente para producir, a través de paneles fotovoltaicos, la cantidad de energía para el consumo actual del mundo.
Existen dos conjuntos de procedimientos para lograr la conversión de energía solar en eléctrica, según empleen o no la energía cinética como forma intermedia del proceso de conversión.
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Área: Energía Sol ar: Térmi ca y Fotovoltaica El primer grupo está formado por los sistemas de conversión termodinámica y el segundo grupo lo constituyen los sistemas directos, que no requieren partes móviles y están basados en las interacciones físicas entre los fotones de la radiación incidente y los electrones de los materiales sobre los que inciden, que son a los que nos vamos a referir en estos módulos.
El efecto fotovoltaico, del cual se conocen sus bases teóricas desde principios del siglo XX, solo ha podido ser evaluado en la práctica a partir de 1954, cuando se logró producir la primera celda fotovoltaica en New Jersey, EE.UU.
1839: se considera este año como el punto de partida, pues fue Edmund Bequerel, un físico francés, quien descubrió el efecto fotovoltaico cuando experimentaba con dos electrodos metálicos en una solución conductora, y apreció un aumento de la generación eléctrica con la luz. Aunque fue en 1904 que Albert Einstein lo explicó en su fundamento científico.
1.1.- ¿Cómo fun cion a el efecto fot ovol taico? La luz está formada por un gran número de entidades físicas llamadas fotones, los cuáles participan tanto de las propiedades de los corpúsculos materiales como de las ondas. Los fotones son capaces de interactuar con los electrones de los cuerpos sobre los que inciden.
Mencionaremos dos tipos de interacción: el efecto fotoeléctrico externo y el efecto fotovoltaico.
El efecto fotoeléctrico externo, descubierto por Hertz en 1887, consiste en un desprendimiento de electrones de la superficie de los metales al chocar con dicha superficie fotones de suficiente energía, dando lugar a una corriente eléctrica denominada fotoeléctrica. Las cédulas fotoeléctricas se basan en este efecto.
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Área: Energía Sol ar: Térmi ca y Fotovoltaica Mucho más interesante, desde el punto de vista práctico de la obtención de energía eléctrica directa a partir de la radiación solar, es el efecto fotovoltaico, cuyas aplicaciones serán objeto de explicación en los siguientes módulos.
No profundizaremos aquí en los fundamentos físicos teóricos del fenómeno del efecto fotovoltaico (nos remitimos al Módulo 3), limitándonos a unas explicaciones sencillas sobre el comportamiento de ciertos materiales llamados semiconductores, los cuales bajo ciertas circunstancias, son capaces de crear una fuerza electromotriz.
Semiconductor Elemento que se comporta como conductor o como aislante, dependiendo del campo eléctrico en el que se encuentre.
Existen dos tipos de semiconductores: los denominados de tipo N y los de tipo P. A los primeros se les puede forzar, mediante la adición de pequeñas cantidades de impurezas apropiadas, a tener un exceso de electrones en determinadas posiciones y, a los segundos, un defecto de ellos, o lo que es equivalente, un exceso de “huecos” (lugares vacíos dejados por los electrones al emigrar éstos a otras posiciones).
Al ponerse en contacto un cuerpo cristalino semiconductor de tipo N con otro de tipo P se crea una unión P-N, la cual posee unas propiedades especiales. Tanto los electrones en exceso del semiconductor N como los huecos del P tienden a difundirse a través de la superficie común de separación, penetrando un poco al otro lado de dicha frontera.
Como cada semiconductor es globalmente un cuerpo eléctricamente neutro, esta difusión de electrones y huecos, debida a la diferente concentración de unos y otros en cada lado de la superficie, hará que el semiconductor N se cargue positivamente y el P negativamente, estableciéndose así una diferencia de potencial de algunas décimas de voltio, la cual da lugar a un campo eléctrico que restablece el equilibrio, evitando que continúe el flujo de los portadores de carga.
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Área: Energía Sol ar: Térmi ca y Fotovoltaica Sin embargo, si incide luz sobre la zona de unión, los fotones de la misma liberarán electrones adicionales y al mismo tiempo dejarán huecos en su lugar.
Estos pares electrón - hueco, por efecto del campo eléctrico, adquieren movimiento (energía) y pueden ser recogidos mediante un conductor: aparece una corriente eléctrica. Notemos que la energía eléctrica proviene, pues, de los fotones de la luz, por lo que la corriente cesa en cuanto ésta se suprime.
Elementos normalmente usados para la obtención de electricidad fotovoltaica son el silicio (el cual existe en un 26% de la capa de la Tierra), el selenio y el galio, aunque también
comienzan
a
utilizarse
otros
materiales
diversos
monocristalinos,
policristalinos e incluso amorfos; en la actualidad incluso se están probando materiales orgánicos.
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2.- Descripc ión y aplicaciones Un sistema fotovoltaico (FV) es una disposición basada en módulos fotovoltaicos cuyo propósito fundamental es producir energía eléctrica. Dichos módulos convierten la luz del Sol en energía eléctrica.
La energía solar fotovoltaica está indicada para un muchas aplicaciones donde se requiere generar electricidad, bien sea para satisfacer las necesidades energéticas de aquellos que no disponen de la red eléctrica (sistemas fotovoltaicos autónomos), o bien, para generar energía a la red eléctrica (sistemas conectados a la red).
La energía solar fotovoltaica fomenta al desarrollo de zonas rurales aisladas (electrificación rural), pero también se utiliza en aplicaciones tecnológicamente más sofisticadas y exigentes, como pueden ser el abastecimiento energético a los repetidores de telefonía móvil.
Se puede realizar una primera clasificación de los sistemas fotovoltaicos en función de si están o no conectados a la red eléctrica convencional (Abella, 2005):
a) Sistemas fotovoltaicos autónomos: son aquellos que están aislados de la red eléctrica.
b) Sistemas fotovoltaicos conectados a la red: son aquellos que están directamente conectados a la red eléctrica.
Una de las principales características de los generadores FV, que los diferencia de otras fuentes de energía renovable, es que solo generan electricidad cuando reciben la luz del Sol (irradiancia solar) y, obviamente, el total de energía que producen es directamente proporcional a la irradiancia solar que reciben en su superficie.
Está claro que en gran número de aplicaciones el consumo energético se produce independientemente de la radiación solar (un claro ejemplo es el caso del sistema de iluminación, donde justo lo que buscamos es tener energía durante la noche).
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Área: Energía Sol ar: Térmi ca y Fotovoltaica En este tipo de instalaciones es necesario incorporar un sistema de almacenamiento energético o de acumulación, en los sistemas FV la energía producida por los módulos FV se almacena en baterías. En otras instalaciones, como las dedicadas al bombeo de agua o los sistemas conectados a la red, no se necesitan baterías: en el primer caso la energía se acumula en forma de energía hidráulica; en el segundo se vierte la energía en la propia red eléctrica.
En general, y de acuerdo con lo planteado por Abella (2005), un sistema fotovoltaico estará formado por:
Un generador fotovoltaico. Una batería de acumulación. Un regulador de carga. Un inversor. El consumo.
El generador FV es el que transforma la energía del Sol en energía eléctrica. Está constituido por varios módulos fotovoltaicos conectados en serie y/o paralelo, y a su vez, cada módulo fotovoltaico está formado por células fotovoltaicas.
La potencia que puede suministrar una única célula FV es normalmente del orden de 3 W. Este valor, insuficiente para la mayoría de las aplicaciones, hace que el fabricante las integre en módulos FV. La potencia que suministra un módulo FV estará en consonancia con el número de células que agrupe.
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Área: Energía Sol ar: Térmi ca y Fotovoltaica Un valor normal para módulos de 36 células en serie va entre los 50 y 100 W, en función del área de cada una de las células. Normalmente esta potencia resulta insuficiente para una determinada aplicación, por lo que entonces el instalador conectará los módulos necesarios, en serie y en paralelo, hasta conseguir la potencia necesaria.
La energía generada por la instalación se acumula, en caso de ser necesario, en un sistema de baterías (ya hemos comentado que los sistemas conectados a la red no usan baterías).
Así, la energía generada durante las horas de sol se utiliza durante la noche, o en situaciones en los que no se tiene suficiente radiación solar para producir la energía necesaria. La batería es un equipo que va a estar cargándose y descargándose periódicamente (p. e., en una instalación de iluminación nocturna la batería se carga en el día y se descarga por la noche).
Los procesos de carga y descarga de la batería necesitan ser controlados, y por ello se utiliza un regulador de carga. Este dispositivo es el que protege la batería contra sobrecargas o contra sobredescargas fuertes que podrían ser perjudiciales, reduciendo su vida útil. El modo de operación es simple: cuando el regulador “sabe” que la batería está sobrecargada, separa el generador FV, y cuando detecta que la batería está siendo sobredescargada, aísla los puntos de consumo.
Las células producen corriente continua, que se retiene en las baterías. Cuando se usa electricidad de las baterías también es en forma de corriente continua. Cuando se necesite dar servicio a consumos que pueden ser en corriente alterna (la mayoría de las necesidades que normalmente estamos habituados a utilizar) es imprescindible disponer de un inversor , que tiene como misión transformar la corriente continua en corriente alterna, a ser posible con el máximo rendimiento.
Las necesidades, es decir, consumos o cargas que la instalación fotovoltaica ha de satisfacer (lámparas, electrodomésticos, TV, motores, etc.), pueden ser en corriente continua (DC) o en corriente alterna (AC).
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Área: Energía Sol ar: Térmi ca y Fotovoltaica Se puede considerar a los consumos como una parte fundamental del sistema fotovoltaico, ya que éstos son los que nos van a determinar su tamaño.
Normalmente en los sistemas FV los consumos se conocen con exactitud, como en el ejemplo de los sistemas de telecomunicaciones; pero en otras situaciones puede ser muy complicado determinar el consumo de una instalación, como en el caso de una instalación de electrificación rural, donde el consumo viene estimado por el tiempo de uso de las cargas por parte de los usuarios.
Existe un problema asociado a la dificultad de estimar el comportamiento del usuario con su instalación. Este es el caso en que preguntáramos a un usuario de una vivienda fotovoltaica cuántas horas al día va a tener la luz de una habitación encendida. Con esto tendríamos suficiente si, una vez que el usuario hace uso de la instalación, efectivamente mantuviera encendida la lámpara el número de horas que había estimado, cosa que a veces ocurre y en otras ocasiones no, entre otras causas por el propio desconocimiento de éste antes de utilizar la instalación (puede ser el caso de personas que nunca habían usado la energía eléctrica), y por el cambio de usos que la instalación FV pueda generar en su comportamiento (antes de tener de luz se acostaban al oscurecer y ahora, al disponer de luz, pueden estar despiertos más horas en otras circunstancias).
Por ejemplo, dos sistemas FV diseñados por igual pueden operar bien o mal en función del uso que se les de, y por tanto siempre es conveniente informar al propietario acerca de cómo usar el sistema que se le está proporcionando.
Puede resultar muy molesto que el regulador le corte el consumo (p.e., en medio del partido de su equipo de fútbol emitido en la TV) sin comprender lo que ha sucedido. Normalmente, si se aprende a usar su sistema, pueda autorregularse en el uso del mismo y tener más elevada su satisfacción con su sistema, unido a que aumenta la vida operativa de la instalación.
Los consumos en DC de bajo voltaje (bajo voltaje es de 12 a 48 V) pueden usarse directamente conectados al sistema de baterías, a través de un regulador de carga.
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Área: Energía Sol ar: Térmi ca y Fotovoltaica La mejora al usar aparatos en DC viene dada porque son más eficientes energéticamente, pero por otra parte el usuario descubre un precio más alto que sus equivalentes AC, además de la dificultad de encontrarlos.
El motivo está en que un consumo de varios KW. necesitaría intensidades muy altas, lo que nos trae pérdidas importantes en el cableado, o el uso de secciones de conductores de gran tamaño.
Por lo general, los aparatos AC se localizan fácilmente (recordamos que consumen más energía que los mismos en DC), pero es cierto que lo habitual es usar solo aparatos AC. Para usar estos aparatos es necesario instalar un inversor, que necesita dimensionarse a fin de poder dar servicio en los picos de consumo (p.e., el arranque de motores o el uso de luminarias con reactancias).
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3.- Resumen
La energía fotovoltaica es una forma de producir electricidad gracias a la energía procedente del sol y las propiedades de unos elementos llamados semiconductores.
Con este tipo de tecnología se pueden realizar varias aplicaciones, que son los sistemas aislados y los sistemas conectados a la red eléctrica.
Para que podamos tener electricidad gracias a Sol tenemos que disponer de módulos fotovoltaicos, acumuladores si queremos disponer de electricidad cuando no tengamos luz e inversores si queremos consumir la electricidad en corriente alterna.
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