Energia Fotovoltaica

ENERGIA FOTOVOLTAICA  AYUQUE ASTO JHOEL  Carhuayal olivares, Pedro  Ballarta Martínez, Lenin  Guevara Cotera Cesar

INTRODUCCION El Sol, la estrella alrededor de la cual se organiza el sistema solar, es la fuente energética principal de nuestro planeta. A partir de él los distintos sistemas naturales o artificiales proporcionan la energía necesaria para que la sociedad actual pueda satisfacer sus principales necesidades. Con el uso de los sistemas de generación fotovoltaicos hemos sido capaces de aprovechar, aunque de forma muy reducida, la energía incluida en la radiación electromagnética emitida por el Sol. La capacidad de transformar esta radiación en energía eléctrica a partir del conocido efecto fotovoltaico permite contar con una fuente energética inagotable a costes reducidos Sí hoy en día los rendimientos de los paneles solares fotovoltaicos, los sistemas en los que se realiza la conversión de la radiación electromagnética en energía eléctrica en forma de corriente continua, alcanzan el 20 o 25%, no es aventurado pronosticar que en pocos años estos ratios de eficiencia aumentarán de forma considerable. Las economías de escala, la fabricación de grandes series de equipos y componentes, reducirán los costes de fabricación de los mismos minimizando de esta forma los costes de las instalaciones por kilovatio instalado. La consecuencia inmediata será la modificación de la forma actual en la que se gestionan las redes de distribución y transporte de energía eléctrica, las previsiones de la demanda y de la oferta así como los sistemas de fijación de precios de la energía.

EL SOL La estrella alrededor de la cual giran los planetas de nuestro sistema y que posibilita de manera concluyente la vida en la tierra es el Sol. Formado hace 4.5 billones de años de aire a partir de las nubes de gases interestelares compuesto principalmente por Hidrógeno y Helio tiene un radio aproximado de 695.500 kilómetros. Dista de la Tierra unos 150 millones de kilómetros. Esta mezcla de gases está a temperaturas muy elevadas y soportan grandes presiones. Por estas razones los componentes del Sol reaccionan y se fusionan provocando una reacción nuclear.

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Estructura del Sol En el Sol se distinguen varias regiones importantes: atmósfera, fotosfera y núcleo ATMOSFERA La atmósfera solar se divide a la vez en dos grandes zonas: la corona y la cromosfera. - La corona es la parte más exterior del sol, la parte visible desde la Tierra. Con menor densidad que la atmósfera terrestre, está formada por hidrógeno y helio y tiene un espesor variable de algunos millones de kilómetros con una temperatura de 107 grados Kelvin. El plasma que se genera es retenido por los campos magnéticos creados por la radiación interna del Sol. Cuando cierta cantidad de plasma escapa a estos campos magnéticos se producen los denominados vientos solares que provocan fenómenos de interferencias y pérdidas de señal en equipos terrestres. - La cromosfera tiene un espesor que oscila entre 6.000 y 14.000 kilómetros y está constituida fundamentalmente por Hidrógeno a muy baja densidad. La temperatura en esta zona varía entre los 10.000 K y los 36.000 K.

FOTOSFERA La fotosfera está formada por metales en estado gaseoso junto con los ya mencionados Helio e Hidrógeno. Tiene un espesor de unos 400 kilómetros y la temperatura media de la zona es de 6.000 K. En esta capa es donde tienen lugar la erupciones, o prominencias, que alcanzan alturas de 40.000 km, junto con las conocidas llamaradas solares que son más pequeñas pero mucho más brillantes. Estos fenómenos, que son los causantes de las auroras boreales junto con otros fenómenos más peligrosos, emiten grandes cantidades de energía y partículas. Entre la fotosfera y el núcleo se distinguen otras dos áreas importantes. Una zona denominada Convectiva, en la que se transporta energía desde el interior del Sol hacia la fotosfera por convección. Y una segunda capa llamada Radiactiva en la que el transporte de energía se produce por radiación. NUCLEO El núcleo, con un diámetro de 600.000 kilómetros es la fuente de toda la energía del Sol. Aquí es dondetienen lugar los procesos de fisión nuclear, en las condiciones adecuadas de presión y temperatura. Esta reacción se produce con cierta lentitud, gracias a lo cual la estrella no explota.

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Radiación Solar

La radiación emitida por el Sol se corresponde con la emitida por un cuerpo negro a una temperatura de 6.000 K y está formada por radiaciones electromagnéticas que se mueven a la velocidad de la luz.

La radiación solar emite ondas de forma continua con frecuencias desde los 104 herzios hasta 1024 Hz. A la tierra llegan radiaciones desde la zona infrarroja (1012 Hz), pasando por la banda visible y llegando hasta el espectro ultravioleta (1016 Hz).

 La Tierra y el Sol La Tierra completa una vuelta sobre su eje cada 24 horas y realiza un giro completo alrededor del Sol cada 365,25 días terrestres. La órbita de la Tierra es elíptica con una excentricidad muy pequeña. Esto significa que la elipse que describe es bastante similar a una circunferencia. A la distancia más corta entre el Sol y la Tierra se la denomina perihelio y a la mayor afelio. La rotación de la Tierra alrededor de su eje provoca las variaciones de la radiación solar a lo largo de un día. La posición del eje terrestre respecto al Sol causa los cambios estacionales. El plano de giro de la Tierra alrededor del Sol se denomina plano de la eclíptica. El eje de giro de la tierra está inclinado 23.5º respecto de la perpendicular al plano de la eclíptica, siendo éste un ángulo constante. El ángulo que forma la línea que une los centros de la Tierra y el Sol y el plano ecuatorial varía cada día y se le conoce como declinación (??). La declinación es igual a 0º en los equinoccios y a +- 23.5º en los solsticios, dependiendo del hemisferio terrestre de referencia; positivo en verano y negativo en invierno para el hemisferio norte.

 Energía aprovechable La radiación electromagnética emitida por nuestra estrella se desplaza por el espacio hasta llegar a las inmediaciones del planeta Tierra. Para conocer la radiación solar que llega a un punto concreto de la superficie horizontal es preciso conocer ciertos parámetros. • Altura solar (h): es el ángulo, medido en un plano vertical, entre los rayos del sol y la proyección de éstos sobre un plano horizontal. • Acimut (A): es el ángulo, medido en el plano horizontal, que forman la proyección de los rayos solares con el sur. • Ángulo cenital (??): es el ángulo complementario de la altura solar.

La energía aprovechable se estudia a través de la denominada Constante Solar. La Constante Solar es la cantidad de energía procedente del Sol que llega a la parte más exterior de la atmósfera terrestre por unidad de tiempo y superficie. Se representa por Isc. I sc = 1.353 W/m2 La energía que llega a la superficie terrestre es la constante solar menos las pérdidas que se producen al atravesar la atmósfera, más las radiaciones reflejada y difusa que se producen por los efectos ópticos que se producen al atravesar las distintas capas de gases. Así se pueden obtener los datos de la energía solar disponible en cualquier punto de la superficie terrestre, denominada normalmente Radiación sobre la superficie horizontal y expresada en kWh/m2 día. Como los paneles solares se suelen colocar con cierta inclinación sobre la horizontal y con desviación respecto a la dirección sur será necesario aplicar distintos coeficientes para conocer la cantidad real de energía disponible en un panel fotovoltaico concreto.

EFECTO FOTOVOLTAICO La producción de energía eléctrica a partir de la radiación procedente del Sol se fundamenta en el denominado efecto fotovoltaico. Para poder realizar un aproximación a este fenómeno es necesario recordar algunos conceptos de la estructura de la materia.

 Estructura de la materia La materia está constituida por átomos que podemos considerar como las partículas básicas que conforman los distintos materiales. Los átomos tienen varias partes diferentes. La parte central se denomina núcleo, en donde se ubica la mayor parte de la masa del átomo y en el que se encuentran partículas con carga positiva denominadas protones y partículas sin carga eléctrica, llamadas neutrones.

 La celda fotovoltaica. Unión PN. Aprovechando las particularidades de los materiales semiconductores y de la capacidad de estos para acoger impurezas de otros materiales se desarrollaron los semiconductores tipo P y los tipo N. Un semiconductor tipo N no es más que un material semiconductor al que se le introduce artificialmente cierta cantidad de un material que al recombinarse con el semiconductor deja un electrón libre, dando carga negativa al conjunto. Es típica la adición de antimonio al silicio para obtener este tipo de semiconductor. Por el contrario un semiconductor P, se forma añadiendo cierta cantidad de materia con exceso de cargas positivas que configura un semiconductor con carga positiva, o con exceso de huecos. La unión de semiconductores de ambos tipos provoca una recombinación de electrones y huecos que genera una unión estable, la denominada unión PN. En esta célula formada por la unión PN de semiconductores es en la que, al recibir la radiación procedente del Sol, se rompen los enlaces entre electrones y huecos, generándose una diferencia de potencial entre sus extremos que al conectarse a un circuito externo posibilita la circulación de una corriente eléctrica.

ELEMENTOS DE LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS  Panel Fotovoltaico El panel o colector fotovoltaico es el dispositivo que capta la radiación solar incidente en la ubicación elegida, que puede ser la cubierta de una nave industrial o de una zona de aparcamiento, un edificio o cualquier superficie exenta de sombras y que permita una adecuada orientación de los paneles. Los paneles tienen una estructura, normalmente metálica, que envuelve el conjunto, lo aisla del exterior y de las inclemencias meteorológicas y permite su fijación a soportes, estructuras o su integración en cualquier otro elemento constructivo.

Caracterización eléctrica El comportamiento eléctrico de cada panel se caracteriza mediante la gráfica Tensión - Intensidad. Para construir esta curva se realizan distintos ensayos en condiciones estándar de medida: con una radiación de 1.000 W/m2 , temperatura de 25ºC, incidencia normal de los rayos y espectro radiante AM 1.5, que tiene en cuenta las pérdidas que ocasionan las capas de la atmósfera en el aprovechamiento de la energía. También son de interés los parámetros: • Intensidad de cortocircuito: Es la máxima intensidad que se puede obtener del panel cuando la tensión entre sus bornes se acerca a cero, o sea, cuando se produce un cortocircuito. • Tensión nominal: Es la tensión de diseño a la que trabaja el panel solar. Lo más habitual es encontrar equipos de 12 o 24 V. • Tensión a circuito abierto: Máxima diferencia de potencial que se podría obtener de un panel solar si la intensidad de corriente es cero. • Potencia máxima: Es la mayor potencia que puede suministrar el panel solar. También se denomina Potencia pico. • Eficiencia del módulo: Es el cociente entre la potencia eléctrica generada por el panel y la potencia radiante incidente sobre el mismo. La eficiencia típica de los modelos básicos varía desde el 15 o 20% de los fabricados con silicio cristalino hasta el 6-8% de los que tienen silicio amorfo.  Regulador El regulador es el equipo que recibe la energía eléctrica generada por los paneles solares y la gestiona de forma adecuada bien dirigiéndola a las baterías o acumuladores, en su caso, o bien a los puntos de consumo, o a la conversión en corriente alterna. Controla los procesos de carga evitando que cuando la batería está a plena carga se siga inyectando corriente a la misma, de forma que se protegen el dispositivo y se alarga su vida útil. También impide que se realice una descarga completa de los acumuladores desconectando el parque de acumulación de los circuitos de consumo. El regulador proporciona también la información de los principales parámetros eléctricos de la instalación permitiendo una adecuada gestión y control del conjunto de equipos. La mayoría de los reguladores realizan labores de ajuste de niveles de tensión, protección contra sobretensiones o contra sobreintensidades.  Acumuladores o baterías Los acumuladores o baterías son los equipos que permiten almacenar la energía eléctrica generada por los paneles fotovoltaicos. Las baterías utilizadas en los sistemas fotovoltaicos suelen estar fabricadas por sistemas plomo ácido o por sistemas de ión litio. Se caracterizan, en primer lugar, por su capacidad, es decir, por la cantidad de energía que pueden suministrar en determinadas condiciones de trabajo. Se expresa en amperios - Hora. (Ah). La capacidad varía con la temperatura: aumenta la capacidad si aumenta la temperatura y viceversa. La tensión de las baterías suele rondar entre 2 y 12 voltios. Si se trabaja con otros valores de tensión será necesario realizar las interconexiones serie-paralelo oportunas.

 Inversor El inversor es un dispositivo que es capaz de convertir la energía eléctrica en forma de corriente continua generada por los paneles fotovoltaicos en corriente alterna de frecuencia comercial que es la que utilizan la mayoría de las cargas de uso común. De forma general va conectado después del regulador y antes de los puntos de consumo. Esta disposición puede alterarse ya que existen en el mercado inversores que también realizan la función de regulación. Los parámetros fundamentales del inversor son: • Tensión nominal: Es la tensión de entrada de los bornes de conexión del inversor. • Potencia nominal: Se refiere a la potencia eléctrica que puede suministrar el inversor. • Capacidad de sobrecarga: Es la capacidad de suministrar una potencia superior a la nominal durante un tiempo determinado. • Eficiencia: Da idea de las pérdidas que se producen en la transformación. Se calcula como el cociente entre la potencia eléctrica que entrega el inversor y la potencia eléctrica que consume del generador fotovoltaico o de las baterías. • Forma de onda: Dependiendo de la calidad del equipo la forma de la señal suministrada por el inversor tendrá una forma senoidal pura, para equipos de alta gama, hasta formas de onda cuadrangulares, para equipos más básicos.

SISTEMAS AISLADOS Por sistemas aislados nos referimos a aquellas instalaciones fotovoltaicas que suministran energía eléctrica a determinadas cargas y que no tiene interconexión con el sistema eléctrico de potencia, es decir, no cuenta con conexión eléctrica con una compañía comercializadora de energía eléctrica de red. Los consumos se podrán realizar tanto en forma de corriente continua como en corriente alterna, según las características de los receptores utilizados. Esto condicionará la necesidad de contar con un inversor o no. La energía podrá consumirse cuando la generen los paneles solares fotovoltaicos. Si se desea contar con suministro eléctrico en horas en las que no se produce electricidad se deberá contar con una instalación adecuada de almacenamiento, que almacene electricidad cuando se genera y no se consume, para cuando se desee consumir y no pueda producirse. Son instalaciones típicas en viviendas aisladas en las que una conexión a compañía eléctrica sería demasiado cara, en alimentación de sistemas de comunicaciones en zonas remotas, como suministro a antenas de telefonía móvil, bombeos en parcelas agrícolas para instalaciones de riego, etc.

SISTEMAS CONECTADOS A RED Los sistemas conectados a red son aquellos que cuentan con una conexión eléctrica al sistema de potencia. En este tipo de instalaciones se pueden encontrar dos grandes tipos: las instalaciones fotovoltaicas cuyo único objetivo es la producción de electricidad y su venta al mercado o a una compañía distribuidora; y aquellas que abastecen a una instalación particular pero que también cuenta con conexión eléctrica a una compañía comercializadora. Las grandes plantas fotovoltaicas, con paneles fijos o colocados en estructuras dotadas de seguidores solares que mantienen en todo momento la orientación más eficiente, tienen como finalidad generar la máxima cantidad de energía eléctrica posible. Suelen ocupar grandes extensiones de terreno, o cubiertas planas de naves industriales o marquesinas de aparcamientos. Están dotadas de inversores que acondicionan la corriente continua generada en los paneles a corriente alterna y transformadores que elevan el nivel de la tensión hasta la tensión nominal de la línea en la que se realiza el vertido de la energía eléctrica producida.

EL AUTOCONSUMO El 10 de octubre del año pasado el Boletín Oficial del Estado publicó el Real Decreto 900/2015, de 9 de octubre, por el que se regulan las condiciones administrativas, técnicas y económicas de las modalidades de suministro de energía eléctrica con autoconsumo y de producción con autoconsumo. El real decreto afecta a las instalaciones de generación eléctrica con fuentes renovables conectadas en el interior de una red, aun cuando no viertan energía eléctrica a las redes de transporte y distribución en ningún instante. Estas instalaciones son las que tienen una conexión a compañía suministradora y también tienen una instalación solar fotovoltaica. A tenor de esta declaración parece que ya no es viable la legalización de instalaciones según algunos procedimientos establecidos por ciertas comunidades autónomas que permitían la legalización de las mismas siempre y cuando se certificara que la instalación contaba con un dispositivo de inyección cero. Estos equipos impiden que haya cualquier inyección de energía eléctrica a la red incluso cuando resulten excedentes de la instalación generadora. El procedimiento establecido por el Real Decreto 900/2015 establece diferentes itinerarios en función de dos modalidades de autoconsumo.

 Autoconsumo Tipo 1 Esta modalidad se aplica a las instalaciones en las que existe un único consumidor, con solo un punto de suministro y con una o varias instalaciones generadoras en el interior de su red. En este caso, la instalación no tiene que estar inscrita en el registro de instalaciones de producción eléctrica, aunque sí se le exige inscribirse en el registro administrativo de instalaciones de autoconsumo. El consumidor no puede tener contratada una potencia superior a 100 kW y la potencia máxima de la instalación generadora no podrá superar a la potencia contratada. Así que tampoco podrá ser superior a 100 kW.

 Autoconsumo Tipo 2 Aquí se incluyen los consumidores únicos con un único punto de suministro, con una o varias instalaciones de producción conectadas en su red interior, o que compartan infraestructura de conexión con el consumidor a través de una linea directa. Estas instalaciones de generación si tienen que estar dadas de alta en el registro de instalaciones de producción eléctrica. Esto implica que supone que se debe estar de alta en el CAE (Código de Actividad y Establecimiento) y tributar el IVA trimestralmente. Además, le será de aplicación el impuesto del 7% sobre la generación que afectará al beneficio obtenido de la venta de excedentes. No existe limitación en cuanto a la potencia contratada por el consumidor pero se sigue manteniendo que la potencia del parque de generación no debe superar la potencia contratada. El titular de todas las instalaciones de generación debe ser el mismo, pero podrá no coincidir con el titular de la instalación de consumo. Se abre la puerta de esta manera a la entrada de empresas de servicios energéticos. El trámite de legalización se inicia con la petición del punto de conexión a la compañía distribuidora. Cuando el titular de la instalación de consumo y de las instalaciones de generación coincida , siempre y cuando la potencia sea inferior a 100 kW, se deberá instalar un contador homologado bidireccional. Cuando la potencia sea mayor de 100 kW se instalará un contador bidireccional en la parte de generación y un contador total en la instalación de consumo. En esta modalidad sí podrán venderse a la compañía los excedentes de energía producidos.0

EFICIENCIA Y AHORRO La posibilidad de generar energía eléctrica era una exclusiva, hasta hace poco tiempo, de grandes compañías y corporaciones. Desde hace unas décadas particulares y pequeñas y medianas empresas tienen la posibilidad de contar con una instalación de generación de energía a partir de la radiación electromagnética del Sol, una instalación Solar Fotovoltaica. Esta posibilidad permite contar con una instalación que, una vez contabilizados los costes de instalación, puede generar energía eléctrica con mantenimientos casi nulos y con vidas útiles superiores a los 25 años. Las plantas de generación fotovoltaica pueden contribuir también a rebajar la factura energética de las empresas, bien como un input financiero más o como una reducción de costes de energía. El aprovechamiento de la cubierta plana de las naves industriales o de las marquesinas de las zonas de aparcamiento se puede convertir en una actividad secundaria de las organizaciones con unos ingresos cuantificables. Además hay que tener en cuenta que la generación fotovoltaica, exenta de cualquier emisión a la atmósfera una vez construidos los equipos que la integran, contribuye de manera importante a la reducción de emisiones contaminantes y de gases de efecto invernader

CONCLUSIONES La disponibilidad de energía en el mundo se ha convertido en un problema crucial, dado que la gran mayoría de los países, tanto los en vías de desarrollo como los industrializados, se ven afectados por las crecientes demandas requeridas para satisfacer sus metas económicas y sociales. A partir de los últimos años, se ha reconocido como inevitable que la oferta de energía eléctrica debe sufrir una evolución desde su actual dependencia de los hidrocarburos hacia aplicaciones energéticas más diversificadas, lo que implica el aprovechamiento de la variedad de fuentes de energía renovables que se disponen. La energía proveniente del Sol tiene una serie de ventajas tanto económicas como ecológicas principalmente. A continuación citaremos las más importantes en el proceso de generación de energía eléctrica:  Es una energía muy abundante .  La energía proviene de una fuente inagotable.  Es un sistema de aprovechamiento de energía idóneo para zonas donde el tendido eléctrico no llega (campo, islas), o es dificultoso y costoso su traslado (conviene a mas de 5 Km).  Se pueden utilizar de forma independiente o integrada en la red eléctrica pública.  Los sistemas de captación solar son de fácil mantenimiento.  El costo disminuye a medida que la tecnología va avanzando (el costo de los combustibles aumenta con el paso del tiempo porque cada vez hay menos).  Reducción de la contaminación atmosférica, del efecto invernadero producido por las emisiones de CO2 y del cambio climático provocado por el efecto invernadero.  La utilización de energía solar en zonas rurales o aisladas, permite la creación de pequeñas empresas, lo que fomenta el desarrollo económico de regiones poco favorecidas.