Energía solar fotovoltaica, ¿qué es? Ventajas e inconvenientes
Energía solar fotovoltaica, hay muchos interrogantes en torno a esta energía limpia, pero, ¿exactamente qué es? La energía solar fotovoltaica es la energía procedente del Sol que se convierte en energía eléctrica de forma directa, sin ninguna conversión energética intermedia.
Se produce mediante generadores fotovoltaicos compuestos por módulos fotovoltaicos conectados entre sí que su vez están compuestos por unidades básicas denominadas células solares o fotovoltaicas.
El conjunto de módulos fotovoltaicos que componen un generador en una instalación de energía solar fotovoltaica forma una superficie plana que tiene que ser expuesta a la luz del Sol para producir energía eléctrica.
La inclinación y la orientación adecuadas de dicha superficie en instalaciones de energía solar fotovoltaica son fundamentales para conseguir una conversión eficiente de energía solar en energía eléctrica, es por ello que en las etapas iniciales de los proyecto desarrollados por ZELSIA se realiza un estudio de viabilidad técnica en el que se comprueba entre otros aspectos, el acceso solar que tiene la cubierta o zona donde se quiere ejecutar la instalación. Mediante este estudio realiza una simulación de las posibles sombras que se pueden arrojar sobre los paneles a lo largo del año; ya que estas sombras provocan bajadas del rendimiento de la instalación así como problemas de funcionamiento debido a la generación de puntos calientes en las mismas.
Los efectos de punto caliente en la energía solar fotovoltaica, problema muy habitual en muchas instalaciones con un mal diseño de base, provoca el calentamiento localizado en la célula o células sombreadas del módulo. Si en un módulo fotovoltaico con varias células en serie, se produce el sombreado de una célula, esta tiende a funcionar como un receptor (está polarizada inversamente), por lo que disipa potencia provocando su sobrecalentamiento y destrucción.
Las condiciones de funcionamiento de una célula solar en aplicaciones terrestres son variables, con valores de irradiancia que normalmente van de 0 a 1.000 W/m2 bajo temperaturas de trabajo que pueden alcanzar 50 ºC por encima de la temperatura ambiente. Es por ello que es importante conocer y aplicar a los estudios técnicos cómo afectan estas condiciones de trabajo al comportamiento de la célula solar, al rendimiento energético en la generación posterior y por tanto al periodo de retorno de la inversión.
Reglamentación y estado actual de la energía solar fotovoltaica.
En la actualidad existen vías favorables para la eliminación de barreras normativas y por tanto para el desarrollo de instalaciones fotovoltaicas para todos los consumidores que vienen de la mano del Real Decreto-ley 15/2018, de 5 de octubre, de medidas urgentes para la transición energética y la protección de los consumidores. Según esta normativa se impulsa la energía solar fotovoltaica ya que mediante esta el conocido “impuesto al Sol” ha sido eliminado y sustituido por reglamentación que contempla entre otros los siguientes aspectos:
- Está permitido el derecho al autoconsumo compartido por parte de un consumidor (vivienda particular) o varios consumidores (como por ejemplo comunidades de vecinos, centros de empresas…)
- Ya no existen peajes ni cargos adicionales para el autoconsumo de energía eléctrica, por lo que el autoconsumidor no tiene cargos por el consumo de la energía generada y consumida en su propia instalación.
- Existen medidas para “garantizar a los consumidores el acceso a alternativas más baratas y respetuosas» que contemplan entre otras medidas de tipo fiscal.
En ZELSIA, con gran capacidad de adaptación a reglamentación, hemos realizado instalaciones fotovoltaicas tanto en el sector residencial como en el industrial y turístico dentro de la legalidad normativa en épocas no favorables y por tanto en épocas favorables como la actual.
En lo que respecta a la viabilidad económica de la instalación también estamos en un momento idóneo ya que actualmente se ha llegado al concepto de “paridad de red”, este término es la clave que ha hecho que una instalación fotovoltaica sea competitiva económicamente y amortizable en torno a los 5 años. La paridad de red representa el cruce entre la curva ascendente del coste de la electricidad y la curva descendente del coste de los equipos ya que actualmente los paneles fotovoltaicos cuestan un 20% de lo que costaban hace 10 años. Ese punto de cruce entre las dos curvas es el punto de inflexión a partir del cual generar tu propia electricidad es más barato que comprarla.
¿Cómo funciona la energía solar fotovoltaica? Célula solar y elección del módulo fotovoltaico más adecuado.
El módulo o panel fotovoltaico está compuesto por un conjunto de células solares agrupadas.
La razón de esta agrupación es que una célula solar típica con una superficie de 100 cm2 produce 1,5 W aproximadamente, con una tensión de 0,5 V y una corriente de 3 A. Estos valores de tensión y corriente no son adecuados para casi ninguna aplicación y es necesario por tanto agrupar varias células para conseguir niveles de tensión y corriente útiles.
La mayoría de los módulos fotovoltaicos tienen entre 36 y 96 células conectadas en serie y/o en paralelo. Por otro lado el módulo proporciona al conjunto de células una protección frente a los agentes atmosféricos, un aislamiento eléctrico adecuado y una consistencia mecánica que permita su manipulación práctica.
Tipología y elección de los paneles solares fotovoltaicos en una instalación de energía solar fotovoltaica.
La tipología de paneles fotovoltaicos y por tanto de células solares que se utilizan en la mayoría de las aplicaciones para generación eléctrica residencial y terciaria, en la actualidad se clasifican en función del material y la tecnología utilizados en su construcción.
- Silicio monocristalino: son las que más rendimiento tienen (entre el 15% y el 18 %), pero también las que tienen un coste más elevado.
- Silicio policristalino: tienen un menor coste que el silicio monocristalino, pero también un rendimiento algo menor (entre el 12% y el 14%).
La elección de una u otra tipología en una instalación de energía solar fotovoltaica depende de la superficie disponible para la instalación de las placas fotovoltáicas ya que un menor rendimiento es directamente proporcional a una mayor superficie de placas para una misma potencia. Por tanto en instalaciones donde la superficie disponible para la instalación es un hándicap se suelen utilizar módulos fotovoltaicos monocristalinos. En el caso contrario, si la superficie disponible y por tanto el acceso solar de la cubierta o zona de instalación no es un factor limitante, se utilizan paneles policristalinos.
Los fabricantes clasifican e identifican a los módulos fotovoltaicos por su potencia máxima o de pico que es la que puede generar el módulo en unas condiciones concretas de laboratorio y en las que el equipo trabaja en el punto de máxima potencia. Estas condiciones se cumplen en contadas ocasiones por lo que la potencia real que se genera es inferior a la potencia pico y es un factor a tener en cuenta para el buen dimensionamiento de la instalación.
Otro aspecto a tener en cuenta para el correcto diseño es que durante la vida útil de un módulo fotovoltaico (que se cifra en torno a 25 años), debido al envejecimiento se produce una disminución de la potencia máxima generada, que la mayoría de los fabricantes indican en sus hojas de datos donde suelen garantizar un valor del 90 % de la potencia durante los primeros 10 años y de un 80 % de potencia durante 25 años.
El generador fotovoltaico
El generador fotovoltaico es el conjunto de todos los módulos fotovoltaicos de un sistema y se divide en ramas que están entre sí en paralelo. A su vez cada rama tiene paneles conectados eléctricamente en serie.
En un generador fotovoltaico los parámetros eléctricos de los módulos pueden presentar variaciones. Estas variaciones se producen por las diferencias propias del proceso de fabricación que hace que los módulos no sean exactamente iguales, así como por las condiciones de trabajo variables que se producen durante el funcionamiento como por ejemplo: nubes que sombrean solo a una parte del generador, diferentes grados de suciedad, mala ventilación, entre otros.
El diseño adecuado de la instalación de energía solar fotovoltaica así como la elección de placas fotovoltaicas de calidad y por tanto de fabricantes reconocidos y de primeras marcas es esencial ya que estas diferencias en los parámetros tienen consecuencias negativas a corto y largo plazo.
Algunas de estas consecuencias pueden ser:
- La potencia máxima que puede entregar el generador es menor que la suma delas potencias máximas de los módulos que lo componen. Estas pérdidas de potencia se denominan pérdidas por dispersión y se pueden reducir utilizando módulos fotovoltaicos con tolerancias de producción iguales o inferiores a ±5%.
- Algunas células o un módulo puede comportarse como receptor y disipar la potencia generada por los demás (puntos calientes). Los daños producidos por este efecto se limitan con diodos de paso, con el inconveniente de que las células cortocircuitadas por los diodos de paso no producen potencia.
Al igual que cuando se agrupan las células, cuando se agrupan módulos o ramas de módulos en paralelo, pueden producirse situaciones similares por las diferencias de parámetros entre módulos que provocan la aparición de ramas con diferentes tensiones de circuito abierto.
En estos casos las ramas con menor tensión de circuito abierto pueden llegar a comportarse como un receptor, disipando potencia y aumentando su temperatura de operación por encima de valores peligrosos. Para evitar los efectos descritos se pueden conectar diodos de bloqueo en serie con cada rama. El inconveniente es que estos diodos generan una caída de tensión (entre 0,5 y 0,7 V) y por tanto pérdidas eléctricas que, en generadores de pequeñas tensiones, por ejemplo 12 V suponen un 6 % de la potencia del generador.
Por otro lado hay que decir que la aparición de tensiones de circuito abierto con diferencias importantes entre ramas paralelas es poco probable, incluso si una rama quedara sombreada, la reducción de la tensión de circuito abierto que provoca la disminución de la irradiancia se compensa con el incremento de dicha tensión que se produce al disminuir la temperatura de las células, impidiendo el paso de la corriente generada por el resto de las ramas del generador. Para subsanar este elemento se puede optar por la instalación de seccionadores con fusibles en el principio y en el final de cada rama en paralelo, lo cuales proporcionan una protección contra altas corrientes inversas y por tanto peligrosas que se puedan presentar. De esta forma se elimina el uso de los diodos de bloqueo y se evitan las pérdidas que producen.
En síntesis todo el generador funciona como el peor panel del mismo ya que hace de cuello de botella. Hay que tener en cuenta que siempre que se agrupan módulos fotovoltaicos se debe cumplir la condición de que sean iguales. Esta igualdad implica que tengan las mismas características y que además sean del mismo fabricante. Esta casuística se da si la elección de los paneles y comprobación no se hace correctamente.
Integración arquitectónica y estructura soporte.
La integración arquitectónica es una simbiosis entre la parte funcional de los módulos fotovoltaicos y la componente estética mediante la cual se integran los módulos en el conjunto del edificio.
El principal componente que se ve modificado en función del tipo de integración arquitectónica es la estructura soporte cuya función es servir de soporte y fijación segura de los módulos fotovoltaicos, proporcionándoles la inclinación y orientación óptimas, con objeto de maximizar la generación de energía eléctrica sin perder de vista la integración con el edificio.
Se considera que existe una integración arquitectónica cuando los módulos cumplen una doble función energética y arquitectónica pudiendo incluso sustituir a elementos constructivos convencionales: elementos de cubierta, elementos de fachada, muros cortina estándar, lamas y parasoles, lucernarios, pérgolas para aparcamiento, etc.
Tipología de instalaciones fotovoltaicas:
A continuación se muestran algunas tipologías de instalaciones:
Instalaciones de energía solar fotovoltaica para autoconsumo conectadas a red
El autoconsumo es el uso energía generada por una instalación para el consumo propio con el consecuente ahorro energético.
Las instalaciones de placas solares para autoconsumo se encuentran conectadas con una red de consumo (vivienda, edificio, industria…), pero también se encuentran conectadas con una conexión eléctrica física con la red de transporte o distribución.
La acumulación o almacenamiento de energía no es imprescindible en este tipo de instalaciones de autoconsumo solar ya que se recurre a la red eléctrica en los casos de baja o nula generación de energía solar por parte de los paneles solares.
Una instalación de autoconsumo básica está formada por placas solares y un inversor solar . Los paneles solares son los que captan la luz solar y generan energía y el inversor fotovoltaico transforma la energía eléctrica continua en corriente alterna para que pueda ser utilizada en los equipos eléctricos. En este sentido la elección adecuada de un inversor de buena calidad es esencial ya que es el equipo electrónico que alimenta los equipos consumidores.
Como se ha comentado anteriormente, estamos en un momento interesante ya que la implantación de instalaciones fotovoltaicas diseñadas para autoconsumo se está viendo acelerado ya que ha habido un cambio normativo por el cual se elimina el llamado “impuesto al Sol”.
Instalaciones para autoconsumo aisladas en energía solar fotovoltaica
Son instalaciones fotovoltaicas para autoconsumo que se encuentran conectadas con el interior de una red de consumo, pero que no cuentan con conexión eléctrica física con la red de transporte o distribución.
El almacenamiento de energía con baterías es imprescindible en este tipo de instalaciones si se quiere garantizar un suministro eléctrico durante 24 horas.
Existe otra tipología de autoconsumo aislado en la cual el aporte eléctrico que se genera se vincula a un equipo con un consumo continuo como puede ser una sistema de climatización o producción de agua caliente sanitaria con aerotermia, un punto de enganche para coche eléctrico con autoacumulación, etc.
Instalaciones de bombeo en energía solar fotovoltacia
El empleo de placas fotovoltaicas para la alimentación de sistemas de riego, bombeos, trasvases, etc., es una alternativa a tener en cuenta en zonas donde es el acceso a la red eléctrica es difícil. Por otro lado han evolucionado mucho el empleo de inversores electrónicos que permiten accionar bombas de pequeña potencia y gran rendimiento hidráulico.
Está tipología de instalaciones está formada básicamente por las placas fotovoltaicas, el inversor y la bomba de agua; pudiendo incorporar también un depósito de agua para almacenamiento de la misma.
En síntesis se ha visto que estamos en un momento crucial en el que la inversión en tecnología de energía solar fotovoltaica es rentable y amortizable a corto plazo, pero que esta instalación debe de tener un diseño y estudio previo adecuados así como una instalación y empleo de materiales de calidad; ya que lo contrario puede suponer que la explotación económica de la instalación pueda tener problemas.