Generación de energía solar fotovoltaica

1. INTRODUCCIÓN

1.1 Interés de la energía fotovoltaica

Es conveniente distinguir los conceptos fuente energética y vector energético. El primero se refiere a aquello que puede utilizarse para obtener energía, mientras que el segundo se aplica a aquello que puede utilizarse para transportar la energía de un punto a otro. Así el petróleo, el agua en un embalse, el Sol, etc. son fuentes energéticas; mientras la electricidad, el aire comprimido, el vapor de agua, etc. son vectores energéticos.

Los generadores de electricidad fotovoltaicos presentan dos grandes ventajas:

Utiliza una fuente energética inagotable, que es la energía solar, que además no contamina, es silenciosa, no tiene emisiones, los residuos son mínimos (ácido de las baterías, elementos obsoletos por envejecimiento, etc.), es gratuita, etc.

Generan un vector energético excelente: se transmite mediante un sistema muy simple (el cable eléctrico), permite transportar una gran cantidad de energía a grandes distancias con pérdidas mínimas, es extraordinariamente versátil puesto que puede aplicarse a la producción de en trabajo mecánico, calor, procesos químicos, iluminación, etc.

Por otra parte, la evolución de la humanidad está conduciendo a una demanda creciente de energía y es necesario, creemos que cada vez lo será más, tener presentes todas las posibilidades que la naturaleza y la técnica nos ofrecen.

1.2 Generación de electricidad a partir de la energía solar

Existen dos métodos principales para generar electricidad a partir de la energía radiada por el Sol, que pueden clasificarse en dos grandes grupos: conversión indirecta pasando a través de la producción de calor y la conversión directa.

Dentro del primer grupo se incluyen sistemas que funcionan como una central térmica convencional en la que el calor aportado es de origen solar. En líneas generales el calor es generado por colectores de alta temperatura, la suficiente para generar vapor recalentado, este vapor mueve un grupo turboalternador, pasa por un condensador y regresa al generador de calor. El calor solar alimenta un ciclo Rankine convencional. También se incluyen los ensayos realizados con motores térmicos, que funcionan siguiendo un ciclo de gas, como por ejemplo el ciclo Stirling o análogo.

Los sistemas de conversión directa se basan en la utilización de células fotoeléctricas, que es el objeto de este libro, las cuales son capaces de convertir una fracción de la radiación solar incidente en energía eléctrica en corriente continua, lo cual limita el rendimiento del sistema.

A fin de tener una orientación aproximada sobre la capacidad de los sistemas fotovoltaicos, en la tabla 1 se ofrece un listado de sus características medias, para los tipos de células más utilizados.

Tabla 1. Perspectiva de las características medias de las células de silicio.

1.3 Aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos

Los sistemas fotovoltaicos disfrutan de unas ventajas que pueden hacerlos muy atractivos y que resumiremos a continuación:

Su eficiencia es prácticamente independiente de la potencia instalada.

El nivel tecnológico necesario para su instalación es muy simple.

Requieren una infraestructura muy simple, comparada con otros sistemas de generación eléctrica.

No tienen elementos mecánicos ni partes móviles, excepto si se trata de paneles orientables.

Su mantenimiento, excepto el de los acumuladores de electricidad, es casi nulo.

No son ruidosos, no requieren refrigeración ni emiten gases.

Consumen una energía gratuita, inagotable y que es respetuosa con el medioambiente.

Son totalmente autónomos, pueden instalarse en puntos de difícil acceso y en lugares remotos.

En el mercado se encuentran paneles que pueden sustituir elementos arquitectónicos en cubiertas y fachadas, cumpliendo dos funciones: actuar como cerramiento y generar energía.

Actualmente se aplican principalmente a:

Electrificación autónoma de viviendas situadas en zona aisladas o de baja cobertura eléctrica.

Dispositivos y aparatos que demandan poca potencia y están situados en puntos de difícil acceso, como balizas y boyas, repetidores de telecomunicación, etc.

Dispositivos y aparatos que demandan poca potencia, en los que el precio del sistema fotovoltaico compensa el coste de la conexión a la red, como teléfonos de auxilio en autopistas, iluminación exterior de jardines, etc.

Instalaciones de mediana y gran potencia conectadas a la red.

Edificios con paneles integrados en su estructura y conectados a la red.

Pequeños aparatos de bajo consumo como calculadoras de bolsillo, juguetes, relojes, accesorios para camping, etc.

Bombeo de agua e instalaciones cuya demanda energética es similar. La energía solar se consume cuando se produce y los excedentes pueden almacenarse fácilmente.

1.4 Clasificación de instalaciones fotovoltaicas

Atendiendo a su relación con la red eléctrica nacional, se clasifican en:

Autónomas, también llamadas en isla. No tienen ningún tipo de conexión con la red pública y, en consecuencia, no se ven obligadas a suministrar una corriente de características determinadas. Normalmente son instalaciones de potencia modesta, dedicadas al sector doméstico, señalización terrestre y marítima, telecomunicaciones y, en general, puntos de demanda de electricidad situados en zonas no electrificadas.

Conectadas. Están conectadas a la red pública a la cual vierten la energía generada. Son instalaciones de potencia considerable, que pueden clasificarse en dos grandes grupos: edificios solares, en los que los paneles se instalan en la fachada y cubierta de los mismos, y las llamadas granjas solares, que consisten en grandes superficies de terreno cubiertas de paneles fotovoltaicos.

Otros tipos. No son muy frecuentes, pero pueden existir otros dos tipos: paralelo y asistido. En el primero la demanda eléctrica del consumidor está alimentada por la red pública y por el equipo fotovoltaico propio, mientras que el segundo la red pública solo aporta electricidad cuando la generación propia es insuficiente.

Atendiendo al servicio que prestan, dado que suelen tener características específicas, pueden distinguirse las categorías siguientes:

Individuales.

Colectivas.

Señalización y telecomunicaciones.

Bombeo de agua.

Pequeños aparatos y dispositivos.

Instalaciones móviles.

Atendiendo al seguimiento del Sol, las superficies receptoras pueden agruparse en:

Fijas sobre una estructura de soporte independiente. Los paneles se instalan sobre soportes, con una orientación e inclinación fija, situados normalmente en la cubierta de un edificio, pared, suelo, etc.

Fijas e integradas en un edificio o construcción. Los paneles se integran en los cerramientos del edificio de tal forma que pueden sustituir elementos de construcción tales como, tejas o acabado final de fachadas. También pueden instalarse integradas en construcciones o estructuras tales como sombreado de aparcamientos al aire libre, tejadillos de gasolineras, cubiertas de almacenes, etc.

Orientables. Los paneles se instalan sobre soportes que se mueven siguiendo la posición del Sol a lo largo del día. Existen tres tipos seguimiento: el panel gira alrededor de un eje paralelo al plano horizontal siguiendo al Sol en su movimiento en altitud, el panel gira alrededor de un eje paralelo al eje de la Tierra y que sigue al Sol en su movimiento de Este a Oeste, el panel puede girar alrededor de los dos ejes anteriores de manera que su superficie siempre se mantiene perpendicular a los rayos solares.

2. EL SISTEMA SOL - TIERRA

2.1 Introducción

El Sol es una estrella que emite energía electromagnética y la Tierra es un planeta que gira a su alrededor siguiendo una órbita aproximadamente elíptica que recibe una pequeñísima fracción del total. Esta ínfima fracción viaja por el espacio, llega a la Tierra, atraviesa la atmósfera, finalmente incide sobre la superficie terrestre con una cierta inclinación e intensidad y puede ser captada por un módulo fotovoltaico o cualquier otro dispositivo.

En su viaje desde el Sol hasta la superficie captadora ocurren una serie de fenómenos que atenúan su intensidad. Este capítulo se dedicará exponer las ecuaciones, tablas y métodos de cálculo que permiten averiguar la energía solar recibida por una superficie situada bajo la capa atmosférica.

2.2 Movimiento de la Tierra alrededor del Sol

Respecto del Sol, la Tierra está animada de un movimiento complejo, que es el resultado de tres movimientos simples: traslación, rotación y nutación.

Traslación. La Tierra se mueve alrededor del sol describiendo aproximadamente una elipse con el Sol situado cerca de uno de sus polos. El plano que contiene esta elipse se denomina plano de la eclíptica. El año viene definido por el tiempo que tarda la Tierra en dar una vuelta completa alrededor del Sol.

Rotación. La Tierra gira sobre sí misma, alrededor de un eje ficticio que pasa aproximadamente por los polos magnéticos. Dicho eje forma un ángulo de 23o 27’ con la normal al plano de la eclíptica. La duración del día viene definida por el tiempo que tarda la Tierra en efectuar un giro completo.

Nutación. El eje de giro de la Tierra experimenta un ligero movimiento de oscilación alrededor de una posición central definida por el ángulo anterior.

En el recorrido de la Tierra alrededor del Sol se identifican cuatro puntos característicos, que definen las estaciones meteorológicas del año (ver figura 1), que son los siguientes:

Afelio. Es el punto de la órbita en que la Tierra está más alejada del Sol. Para el hemisferio Norte es el denominado solsticio de verano e indica el comienzo del verano. Para el hemisferio Sur indica el comienzo del invierno.

Perihelio. Es el punto de la órbita en que la Tierra está más cerca del Sol. Para el hemisferio Norte es el denominado solsticio de invierno e indica el comienzo de esta estación, mientras que en el hemisferio Sur ocurre lo contrario, empieza el verano.

Lógicamente, entre ambos puntos, existen otros dos en que la Tierra está a una distancia intermedia, que se denominan equinoccios (igual noche). Indican el inicio de las estaciones de primavera y otoño. El equinoccio de primavera para el hemisferio Norte, es el de otoño para el hemisferio Sur y viceversa.

Figura 1. Movimiento de la Tierra alrededor del Sol.

El que sea verano o invierno no depende de la distancia Sol-Tierra, como podría parecer, sino que depende del ángulo de incidencia de los rayos del Sol sobre la superficie de la Tierra.

Así, cuando la Tierra está situada en el Perihelio, punto más cercano al Sol, los rayos solares inciden perpendicularmente por debajo del ecuador, como ilustra la figura 2, y el hemisferio Sur está en verano y el hemisferio norte está en invierno, debido a que la incidencia es más tangencial.

Cuando la Tierra se encuentra en la posición opuesta, Afelio, la situación es inversa, en el hemisferio norte hay verano y en el sur invierno, independientemente de la distancia entre el Sol y la Tierra.

En la figura 2, se ha representado un esquema ilustrativo de la Tierra cuando está en el Perihelio. El lector puede observar que, en el hemisferio Sur, el ángulo que forman los rayos solares con la superficie de la Tierra es más próximo a la perpendicular y que en su polo no se pone el Sol, siempre es de día, en este hemisferio empieza el verano y lo contrario ocurre en el hemisferio Norte, el ángulo de incidencia se aleja más de la normal, en el polo la noche dura 24 horas y empieza el invierno.

Figura 2. Posición de la Tierra en el Perihelio.

2.3 Hora solar y hora oficial

Para un punto determinado de la Tierra, el día solar se define como el tiempo que transcurre entre dos pasos sucesivos del Sol por el meridiano del punto considerado. Este tiempo se divide en 24 períodos iguales, cada hora se divide en 60 minutos, etc. y el momento del día expresado en este sistema se conoce como tiempo solar verdadero (TSV). Su conocimiento es sumamente útil puesto que sirve para determinar la posición del Sol en un instante determinado.

Ahora bien, como la velocidad de rotación de la Tierra no es constante a lo largo del año, la duración de la hora solar tampoco es constante, en consecuencia la hora solar dependerá del día del año y del meridiano del lugar. Sin embargo la hora de reloj dura siempre el mismo tiempo y es la misma para todo un territorio, el tiempo medido según lo que indica el reloj, en este territorio, se conoce como hora oficial (HO).

Por otro lado, la hora oficial de un territorio es la misma para todo él, sin embargo no todos los puntos del territorio están situados sobre el mismo meridiano y este hecho debe tenerse en cuenta. Para ello, la Tierra se divide en 24 zonas, denominadas husos horarios de tal forma que cada huso tiene la amplitud de 15 grados de latitud y el meridiano de referencia es el medio del huso. Para esta división se toma como origen el meridiano de Greenwich y cuando se pasa de un huso horario al siguiente, el reloj se adelanta o retrasa una hora.

Así el huso horario correspondiente a España se extiende desde los 7,5° longitud Oeste hasta los 7,5° longitud Este porque casi todo el territorio peninsular está comprendido entre estos valores. Sin embargo, como las islas Canarias caen claramente más al Oeste, la hora oficial en este archipiélago es una hora menos que la de la península.

Además, por razones de ahorro energético, aceptadas universalmente, al pasar de temporada de invierno a temporada de invierno y viceversa, el reloj se adelanta o retrasa una hora.

En consecuencia, como el tiempo se mide según la hora oficial y la posición del Sol depende del tiempo solar verdadero, debe encontrarse una forma de relacionar ambas horas teniendo en cuenta lo anterior. La ecuación que relaciona el tiempo solar verdadero con la hora oficial es la siguiente:

La ecuación de tiempo es un término corrector que tiene en cuenta que la velocidad de rotación es variable. En la tabla 1 se ofrece un listado de sus valores medios mensuales.

Tabla 1. Día medio, declinación y ecuación de tiempo.

Para un día determinado, expresado en minutos, el ET puede calcularse aproximadamente mediante la ecuación:

Ejemplo numérico 1

Calcular la hora en TSV, en Barcelona, cuando el reloj indica las 4 horas de la tarde, el día 16 de julio. Las coordenadas geográficas de la ciudad son las siguientes: 41° 23’ N y 2° 11’ E.

Solución

Para el cálculo se utilizará las ecuaciones (1) y (2).

Cálculo de la ecuación de tiempo:

Cálculo de la hora solar:

2.4 Movimiento relativo del Sol respecto un punto de la superficie terrestre

Para un observador situado en un punto determinado sobre la superficie de la Tierra, el Sol sale por el Este y se pone por el Oeste siguiendo una trayectoria que depende del día del año y de la latitud del lugar. Al mediodía, en verano el Sol está más alto que en invierno y la duración de las horas de luz, tiempo transcurrido entre la salida y puesta del Sol, depende de la latitud del lugar. En la figura 3 se ha dibujado un esquema ilustrativo de este comportamiento.

Dejando aparte otros parámetros, la energía que incide sobre una superficie depende de dos datos muy importantes: el ángulo de incidencia de la radiación solar sobre esta superficie y la sombra que los cuerpos vecinos proyectan sobre ella, y ambos dependen de la posición del Sol en un instante dado, en consecuencia es necesario establecer un método que permita establecer esta posición.

Una forma cómoda de calcular la posición del Sol consiste en utilizar un sistema de coordenadas angulares, Para ello se recurre al sistema de coordenadas angulares que se describe a continuación y que se conoce como coordenadas horarias, porque dependen de la hora solar (TSV).

Figura 3. Movimiento aparente del Sol.

La posición de Sol respecto de un punto P (ver figura 3), se identifica mediante los dos ángulos siguientes:

Azimut solar (αs). Es el ángulo que forma la proyección, sobre el plano horizontal, de