Energía Solar
La energía solar es una fuente de energía renovable que se obtiene del sol y con la que se pueden generar calor y electricidad. Existen varias maneras de recoger y aprovechar los rayos del sol para generar energía que dan lugar a los distintos tipos de energía solar: la fotovoltaica (que transforma los rayos en electricidad mediante el uso de paneles solares), la fototérmica (que aprovecha el calor a través de los colectores solares) y termoeléctrica (transforma el calor en energía eléctrica de forma indirecta).
Instalaciones Fotovoltaicas
Una instalación fotovoltaica, es un sistema de suministro eléctrico autónomo basado en la transformación fotovoltaica de la energía solar. Está formado por los equipos necesarios para producir, regular, acumular, transformar y, a veces, cuantificar la energía eléctrica.
Energía Solar
Clasificación por tecnologías y su correspondiente uso más general:
_ Energía solar activa
Para uso de baja temperatura (entre 35 °C y 60 °C), se utiliza en casas; de media temperatura, alcanza los 300 °C; y de alta temperatura, llega a alcanzar los 2000 °C.
Esta última, se consigue al incidir los rayos solares en espejos, que van dirigidos a un reflector que lleva a los rayos a un punto concreto. También puede ser por centrales de torre y por espejos parabólicos.
_ Energía solar pasiva
Aprovecha el calor del sol sin necesidad de mecanismos o sistemas mecánicos.
La tecnología solar pasiva es el conjunto de técnicas dirigidas al aprovechamiento de la energía solar de forma directa, sin transformarla en otro tipo de energía, para su utilización inmediata o para su almacenamiento sin la necesidad de sistemas mecánicos ni aporte externo de energía, aunque puede ser complementada por ellos, por ejemplo para su regulación.
La tecnología solar pasiva incluye sistemas con ganancia directa e indirecta para el calentamiento de espacios, sistemas de calentamiento de agua basados en termosifón, el uso de masa térmica y de materiales con cambio de fase para suavizar las oscilaciones de la temperatura del aire, cocinas solares, chimeneas solares para mejorar la ventilación natural y el propio abrigo de la tierra. La arquitectura bioclimática es la aplicación de este principio al diseño de edificaciones. La energía no se aprovecha por medio de captadores industrializados, sino que son los propios elementos constructivos los que absorben la energía de día y la redistribuyen por la noche.
_ Energía solar fotovoltaica
Es usada para producir electricidad mediante placas de semiconductores que se alteran con la radiación solar.
El parámetro estandarizado para clasificar la potencia de un panel fotovoltaico se denominapotencia pico, y se corresponde con la potencia máxima que el módulo puede entregar bajo unas condiciones estandarizadas, que son:
- Radiación de 1000 W/m²
- Temperatura de célula de 25 °C (no temperatura ambiente).
Los rendimientos típicos de una célula fotovoltaica de silicio policristalino oscilan entre el 14 %-20 %. Para células de silicio monocristalino, los valores oscilan en el 15 %-21 %. Los más altos se consiguen con los colectores solares térmicos a baja temperatura (que puede alcanzar un 70 % de rendimiento en la transferencia de energía solar a térmica).
Los paneles solares fotovoltaicos no producen calor que se pueda reaprovechar, aunque hay líneas de investigación sobre paneles híbridos que permiten generar energía eléctrica y térmica simultáneamente. Sin embargo, son muy apropiados para proyectos de electrificación rural en zonas que no cuentan con red eléctrica, instalaciones sencillas en azoteas y de autoconsumo fotovoltaico.
_ Energía solar térmica
Es usada para producir agua caliente de baja temperatura para uso sanitario y calefacción. Los colectores de energía solar térmica están clasificados como colectores de baja, media y alta temperatura:
- Colectores de baja temperatura. Proveen calor útil a temperaturas menores de 65 °C mediante absorbedores metálicos o no metálicos para aplicaciones tales como calentamiento de piscinas, calentamiento doméstico de agua para baño y, en general, para todas aquellas actividades industriales en las que el calor de proceso no es mayor de 60 °C, por ejemplo la pasteurización, el lavado textil, etc.
- Colectores de temperatura media. Son los dispositivos que concentran la radiación solar para entregar calor útil a mayor temperatura, usualmente entre los 100 y 300 °C. En esta categoría se tiene a los concentradores estacionarios y a los canales parabólicos, todos ellos efectúan la concentración mediante espejos dirigidos hacia un receptor de menor tamaño. Tienen el inconveniente de trabajar solamente con la componente directa de la radiación solar por lo que su utilización queda restringida a zonas de alta insolación.
- Colectores de alta temperatura. Fueron inventadas por Frank Shuman y hoy día existen en tres tipos diferentes: los colectores de plato parabólico, la nueva generación de canal parabólico y los sistemas de torre central. Operan a temperaturas superiores a los 500 °C y se usan para generar electricidad (electricidad termosolar) y transmitirla a la red eléctrica; en algunos países estos sistemas son operados por productores independientes y se instalan en regiones donde las posibilidades de días nublados son remotas o escasas.
_ Energía termosolar de concentración
Es usada para producir electricidad con un ciclo termodinámico convencional a partir de un fluido calentado a alta temperatura (aceite térmico).
_ Energía solar híbrida
Combina la energía solar con otra energía. Según la energía con la que se combine es una hibridación:
- Renovable: biomasa, energía eólica.
- No renovable: Combustible fósil.a alta temperatura (aceite térmico).
_ Energía eólica solar
Funciona con el aire calentado por el sol, que sube por una chimenea donde están los generadores.
Instalaciones Fotovoltaicas
La potencia de un módulo determinado se mide en vatios-pico (Wp), que es la potencia que puede generar cuando está sometida a la intensidad máxima, que para entendernos, sería la que da, más o menos, el Sol del mediodía, de un día claro.
Un módulo fotovoltaico, de por ejemplo 40 Wp, producirá 40 Wh de energía sí durante una hora recibe esta radiación máxima (equivalente a 1000 W/m 2). Si la intensidad es menor, necesitará más de una hora para producir estos 40 Wh. Por tanto, hay que utilizar un nuevo concepto: el de hora solar pico.
El número de horas pico de un día concreto se obtendrá dividiendo toda la energía ese día (Wh/m2) entre 1000 W/m 2. Para saber la energía que producirá un módulo, no se puede multiplicar su potencia nominal (en vatios-pico) por el número de horas de sol de un día, ya que no todas estas horas son de máxima intensidad solar.
Los módulos fotovoltaicos producen corriente continua, a una tensión nominal de 12 voltios. Si se conectan varios módulos entre sí uniendo todos los polos negativos por un lado y todos los polos positivos por el otro, en los extremos tendremos igualmente 12 V y una intensidad (medida en amperios) equivalente a multiplicar la intensidad unitaria de los módulos por el número de éstos conectados entre sí (conexión en paralelo). En cambio, si unimos un polo del primer módulo con el contrario del siguiente y así sucesivamente, y al final se mide la tensión (voltios) entre los dos polos libres del primero y del último, se observará que es igual a 12 multiplicado por el número de módulos unidos de esta manera, y la intensidad total (amperios) será la misma que la de la corriente nominal de un módulo (conexión en serie). Combinando la conexión en serie y la conexión en paralelo, se pueden conseguir tensiones nominales de trabajo (12 V, 24 V, 48 V, etc.) adecuadas para cada instalación.
La conexión en serie de varios módulos fotovoltaicos aumenta la tensión, pero no la intensidad de corriente. La conexión en paralelo, por el contrario, aumenta la intensidad, manteniendo la tensión. Para un mismo número de módulos, la potencia que se obtiene de una forma u otra, es la misma.
Baterías
Las horas del día en que los módulos fotovoltaicos generan electricidad corresponden al período en que el consumo suele ser más bajo, y en cambio de noche, cuando no se produce electricidad, suele haber el consumo más elevado. Por tanto, no hay más remedio que acumularla, y las baterías son una manera bastante eficiente de hacerlo.
Las baterías actualmente más económicas y utilizadas son las de plomo, y entre ellas las más adecuadas para las aplicaciones fotovoltaicas son las estacionarias de placa tubular. Suelen estar formadas por elementos de 2 voltios, los cuales, unidos en serie, proporcionan corriente a 12 voltios si se conectan 6 elementos, a 24 V si se conectan 12 elementos, a 48 V si se conectan en serie 24 elementos, etc.
Las baterías han de suministrar electricidad al conjunto a través del regulador (y no directamente desde las baterías). De esta manera, el regulador puede cortar el paso de corriente sí detecta que las baterías se encuentran en un nivel de carga excesivamente bajo.
A las baterías no les va bien ni el frío ni el calor en exceso. En invierno, con las temperaturas bajas, las baterías pueden ceder menos energía que, en el mismo estado de carga, con temperaturas más elevadas. Por otra parte, unas baterías en proceso de elevada descarga (hecho más probable en invierno), si la temperatura desciende bajo cero, corren el riesgo de que se congele el electrolito, ya que, en un estado de carga bajo, su densidad también es baja y su punto de congelación se acerca al del agua (o sea, próximo a 0 o C). Las consecuencias de la congelación del electrolito pueden ser muy graves (rotura de placas o del mismo vaso), por lo que hay que evitar este riesgo, tanto situando las baterías en un espacio poco expuesto al frío exterior, como evitando su descarga a niveles peligrosos.
Tampoco es conveniente un exceso de calor, ya que se ha comprobado que reduce considerablemente la longevidad de las baterías.
La estructura de sujeción de la instalación tiene la función de mantener los módulos en una posición correcta, fijar el conjunto del campo fotovoltaico a una estructura sólida (pared, cubierta, suelo, etc.) y garantizar la integridad de los módulos contra la acción del viento, los cambios de temperatura y hasta cierto punto, del vandalismo y del robo.
También existen sistemas de estructuras de soporte de los módulos capaces de seguir el Sol de levante a poniente. Estos sistemas automáticos (seguidores solares) tienen la ventaja de aumentar el número de horas de sol aprovechables por los módulos, respecto a los sistemas de módulos fijos. Sin embargo, tienen un costo económico elevado, la ganancia energética respecto a los módulos fijos es considerable en verano, pero poco significativa en invierno (cuando más se necesita normalmente), es un aparato susceptible de averiarse, tiene consumo eléctrico, etc.
El Regulador tiene como función regular la carga y la descarga de las baterías. Así, puede reducir la intensidad de corriente producida por los módulos fotovoltaicos hacia las baterías en función del nivel de carga de éstas, y llegar a desconectarlas del campo fotovoltaico si han completado su carga.
También puede cortar el suministro de consumo desde las baterías si detecta que las mismas están a un nivel de carga peligrosamente bajo. Los reguladores deben tener un indicador de alarma (sonoro o luminoso) para avisar de que el estado de carga de las baterías empieza a ser demasiado bajo, y otro indicador que se enciende cuando se produce la desconexión o la limitación por carga completa.
El primero sirve para indicar que se debería reducir el consumo y el segundo indica que hay energía excedente que se puede utilizar.
Inversor
La corriente generada por los módulos fotovoltaicos y la que acumulan las baterías es corriente continua, normalmente a bajos voltajes (por lo general 12, 24 ó 48 V). Sin embargo, las casas alimentadas por la red eléctrica convencional utilizan corriente alterna a 110/120 V. La inmensa mayoría de los aparatos de consumo están pensados para este tipo de corriente y tensión. Por ello, en las instalaciones fotovoltaicas hay que utilizar otro aparato destinado a transformar la corriente continua (12, 24 ó 48 V . ) en corriente alterna (a 110-120 V). Este aparato es el llamado inversor.
Aparatos de Protección
Aunque la corriente continua en condiciones normales (a las tensiones habituales) no produce calambres si se tocan las puntas desnudas de los cables eléctricos, sí que hay que evitar que los posibles cortocircuitos que se puedan originar en la instalación, perjudiquen las baterías o provoquen incendios. Lo mismo sucede en el caso del circuito de 110 V, para el que además hay que tener en cuenta la protección en caso de contactos indirectos con personas.
Por todo ello, los circuitos de consumo deben estar provistos de sus dispositivos de protección, que cortan el paso de corriente si se produce un cortocircuito. Para esta función se pueden utilizar fusibles (en circuitos a corriente continua) o bien magnetotérmicos (en circuitos a corriente alterna). Tanto unos como otros deben estar dimensionados a las intensidades máximas previstas para cada circuito. En el de 110 V de corriente alterna, también hay que añadir un diferencial para reducir el riesgo para las personas en caso de descarga eléctrica.
Contadores y aparatos de medida
Los contadores registran la energía que pasa por un circuito determinado. Si se colocan entre el regulador y el consumo, medirán la energía consumida por el usuario en forma de corriente continua. Si se ubican entre los módulos fotovoltaicos y el regulador, medirán la energía que genera el campo fotovoltaico. Con estos aparatos se puede llegar a saber si el usuario dispone habitualmente de la energía precisa, si la tiene en exceso o sí tiene menos de la que necesitaría. Con esa información se podrían recomendar acciones que mejoren las prestaciones de la instalación, que pueden ir desde aumentar el aprovechamiento de la capacidad de producción energética, a una ampliación de la potencia de los equipos de generación.
Otros aparatos de medida
Voltímetro.
Indica el voltaje al que se encuentran las baterías, lo que es una forma aproximada de saber su estado de carga (hay que hacer esta lectura con las baterías en reposo, o sea, de noche y cuando hay pocos consumos).
Amperímetro.
Mide la cantidad de corriente (amperios) que circula por un circuito. Si el amperímetro se encuentra entre el regulador y el consumo, mide la potencia que gasta el usuario en aquel momento. En cambio, si está situado entre las placas y el regulador, indica la potencia que está produciendo en aquel momento el campo fotovoltaico.
