1- QUE ES ENERGÍA:

 

Energía es la capacidad que tiene un cuerpo en un determinado instante para realizar un trabajo. Como característica importante, es que no se puede crear ni destruir si no únicamente transformar.

Desde un punto de vista material, la energía no es algo que se pueda definir. En física se dice que un sistema contiene energía cuando es capaz de realizar un trabajo. La observación directa indica que la energía, aún siendo única, puede presentarse en diversas formas capaces de transformarse unas en otras.

En el sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad de energía es el Julio, cuya definición, es  el trabajo realizado por la fuerza de un Newton cuando desplaza su punto de aplicación 1m en la misma dirección.

También en él SI  la unidad de potencia es el Vatio, que se define como la potencia de la maquina que realiza el trabajo de 1 Julio en un segundo.

En Física Nuclear se utiliza como unidad el Electrovoltio (eV), definido como la energía que adquiere un electrón al pasar de un punto a otro entre los que hay una diferencia de potencial de un voltio.

En economía  energética el poder del combustible viene dado en Kcal/Kg, toneladas equivalentes de carbón (tec) o toneladas equivalentes de petróleo (tep).

Tipos de energías:

Podemos agrupar todas las formas de energía bajo las que se pueden presentar estas son:

 

·        Energía mecánica en este grupo podemos agrupar la energía cinética acumulada por un cuerpo en movimiento, también  la energía potencial y la elástica.

·        Energía electromagnética se incluyen en este grupo, el campo electrostático, el campo magnético y la corriente eléctrica.

 

·        Energía térmica es la energía interna de los cuerpos que se manifiesta al exterior en forma de temperatura.

·        Energía química es la energía que poseen los compuestos y que se ponen de manifiesto mediante una reacción química.

·        Energía metabólica es la generada por los organismos vivos por la oxidación de los elementos que ingieren.

·        Energía nuclear esta energía proviene de las reacciones nucleares promovida por la desintegración de algunos átomos, pueden ser por fisión o por fusión nuclear.

 

Para nuestro estudio la energía la podemos clasificar según sean:

 


* ENERGIAS NO RENOVABLES (CONTAMINANTES)

* ENERGIAS RENOVABLES (LIMPIAS)

 

 

 

1.1 ENERGIAS NO RENOVABLES (CONTAMINANTES) :

            En la actualidad, el 78% de la energía comercial utilizada en todo el mundo procede de los combustibles fósiles, que producen graves problemas de contaminación y de incremento en el efecto invernadero, debido a sus grandes emisiones de CO2 y de otros gases muy perjudiciales para los seres vivos.

 

COMBUSTIBLES FÓSILES

Hace millones de años, grandes extensiones de terrenos quedaron sumergidos, por efectos de cataclismos metereológicos o climáticos  naturales. La materia orgánica que había, quedo sepultada, con el paso del tiempo y por medio naturales estas materias, se transformaron en lo que se llaman combustibles  fósiles: Carbón, petróleo y gas natural.

 

EL CARBÓN :

Se formó por acumulación de restos vegetales en el fondo de pantanos, lagunas o deltas, que en ausencia de oxígeno sufrieron un proceso de fermentación debido a la acción realizada por ciertas bacterias sobre la celulosa o la lignina, cuyo resultado es la formación de carbón, metano y CO2. Para este proceso sea posible es necesario un rápido enterramiento que evite la putrefacción de los restos vegetales. Habitualmente, los estratos de carbón quedan enterrados bajo otros arcillosos que impermeabilizan el terreno y que posteriormente se transformarán en pizarra.

            El carbón es un combustible de un alto poder calorífico y uno de los más abundantes (se estiman reservas para 220 años al actual ritmo de consumo), pero también es el más sucio, y debido a su elevado contenido en azufre, cuando se quema expulsa una gran cantidad de SO2, lo que le convierte en el principal causante de la lluvia ácida. 

                                       Una central térmica 

                                                                                        Central Térmica.

                              Carbón

EL PETRÓLEO :

            Se originó por la muerte masiva del plancton marino, debido a cambios bruscos de temperatura o salinidad del agua, que al sedimentar junto a cienos y arenas formó los barros sapropélicos. En éstos, ambos componentes sufren una transformación: la materia orgánica se convierte en hidrocarburos por un proceso de fermentación , mientras que los cienos y arenas se transforman en rocas sedimentarias (margas y areniscas) que constituyen la roca madre, que queda impregnada por dichos hidrocarburos.

            El petróleo es un líquido de color oscuro más que ligero que el agua. Por ello, en caso de escape se puede extender por grandes superficies (como los mares), impidiendo la entrada de oxígeno y eliminando toda vida existente.

                                                           Central Petrolera         

 

 

 

 

 

EL GAS NATURAL :

            Procede de la fermentación de la materia orgánica acumulada entre los sedimentos. Está compuesto por una mezcla de hidrógeno, metano, butano, propano y otros gases en proporciones variables.

            Su extracción es muy sencilla, pues debido a la presión ejercida por los sedimentos que le cobijan, el gas fluye por sí solo, por lo que su explotación resulta muy económica. Su transporte se realiza principalmente mediante gasoductos, que aunque requieran una fuerte inversión, son muy sencillos y de bajo riesgo. Un peligro asociado es el escape de metano, que, como ya sabemos, es un gas de efecto invernadero mucho más potente que el CO2.

            La energía del gas natural es de alta calidad y su impacto en el medio ambiente es menor que el de los otros combustibles fósiles.

                                                           Central de gas

ENERGIA NUCLEAR

Los átomos son pequeños almacenes de energía. Esta energía procede de fuerzas muy intensas que mantienen a las partículas en el centro, o núcleo de un átomo. Cuando el núcleo de un átomo se divide (fisión) o cuando dos núcleos se funden conjuntamente (fusión) se libera una tremenda energía  nuclear. Los reactores nucleares se sirven de esta energía para producir electricidad.

En la actualidad están desmontando centrales nucleares con el problema de donde guardar los residuos altamente contaminantes, después también habido fugas radioactivas (central nuclear de CHERNOBIL) con el correspondiente problema ambiental y de salud de los habitantes en varios Km. de radio.

 

DATOS ESTADÍSTICOS

En la Fig. 1.2 se detalla como se reparte el consumo mundial de energía en la cual tenemos un 78% de energía primaria con combustibles fósiles, el 4%  proviene de la generación de electricidad en centrales nucleares. El 17% corresponde a energías renovables, como son la energía hidroeléctrica, la energía eólica, la energía solar térmica y fotovoltaica, el trabajo humano y animal.

Se observa una evolución con respecto al pasado, pero es por el incremento en la participación de las energías fósiles

       Fig. 1.2 Consumo de energía primaria en el ámbito mundial

 

1.2. ENERGIAS RENOVABLES:

 

            Son aquellas que no varían el ecosistema y aprovechan los recursos de la naturaleza sin modificarla y son inagotables, desde el punto de referencia del periodo de existencia de la humanidad.

*Energía Hidráulica es la que abastece aproximadamente el 3% de las necesidades energéticas mundiales, se basa en el aprovechamiento de los ríos efectuando sobre ellos presas que sirven a su vez para regadíos y para abastecer de agua a las poblaciones adyacentes.

A su vez se subdivide en:

- Energía Mini Hidráulica

 -Energía micro Hidráulica

Dependiendo del tipo de saltos de agua generar  energía eléctrica mediante el uso de turbinas.

      * Central de energía Hidráulica.

*Energía Eólica aprovecha el viento para la generación de energía eléctrica. Su conversión en energía eléctrica, mediante el acoplamiento de una dinamo que genera electricidad.

   * Central eólica.

*Energía Geotérmica consiste en aprovechar el calor producido en las profundidades de la tierra y que emerge como el agua caliente o vapor, de forma que se pueda generar electricidad. Como balnearios.

         * El calor de las profundidades de la Tierra.

*Energía Mareomotriz supone el aprovechamiento de las mareas y olas para la producción de electricidad. Por lo tanto se basa en unas variaciones en el nivel del mar conocidas como mareas.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

*Energía de la biomasa se define como la utilización del poder energético de los recursos orgánicos  naturales y consiste en el aprovechamiento de los residuos de las plantas. Es proporcionada por una gran diversidad de productos, entre los que se incluyen los forestales (leña, madera o desechos maderos), desechos agrícolas (paja), desechos animales (excrementos procedentes de granjas) y basura (papel, cartón y restos de alimentos).

                            * Excrementos para una central de biomasa

*El hidrógeno como combustible es un combustible prometedor por el que muchos científicos apuestan como la energía del futuro, aunque existe un largo camino de investigación hasta conseguir que su uso sea plenamente operativo y económicamente competitivo. La producción de hidrógeno se realiza mediante la hidrólisis del agua. Se realiza mediante corriente eléctrica continua para separar el agua en sus dos componentes: oxígeno e hidrógeno.

 

 

*Energía Solar Pasiva consiste en el aprovechamiento del sol en la arquitectura de las viviendas. Es la fuente más simple de las energías renovables.

 

[Imagen del Sol]

 

*Energía Solar Fotovoltaica consiste en el aprovechamiento de la irradiación solar, convirtiéndola en energía eléctrica.

 

*Energía Solar Térmica esta aprovecha la irradiación solar para su conversión en agua caliente, ya sea para su uso en agua caliente sanitaria o como calefacción por medio de suelo radiante.

 

 

 

 

 

 

 

*ESQUEMA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2- ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA:

 

2.1- EL EFECTO FOTOVOLTAICO

El efecto fotovoltaico es un fenómeno físico, el cual transforma la energía luminosa en energía eléctrica.

Para tener un conocimiento conceptual del fenómeno fotovoltaico, comenzaremos estableciendo unas definiciones de física general.

 

2.2- ATOMO

Es una partícula conocida desde la antigüedad ya los griegos le pusieron el nombre (único e indivisible). En la realidad  es que el átomo se subdivide en protones y electrones. Los protones son los que componen el núcleo y los electrones giran a su alrededor.

Considerando el átomo desde el punto de vista eléctrico diremos que el núcleo o sea donde están los protones es positivo, mientras que los electrones que giran alrededor del núcleo son negativos. Cada elemento esta compuesto por un número de protones igual al número de electrones. También existen una carga neutra llamada neutrones que están en el núcleo junto a los protones, y que como su nombre indica, los neutrones ni son positivos ni negativos sino neutro.

 

 

 

 

 

 

                                   Fig.2.1- Constitución del átomo

Cuando un átomo tiene la misma carga de electrones que de protones, decimos que el átomo es neutro. (átomo neutro)

Cuando un átomo tiene mas protones que electrones, decimos que el átomo esta cargado positivamente.(átomo positivo)

Cuando un átomo tiene mas electrones que protones, decimos que el átomo esta cargado negativamente. (átomo negativo)

 

2.3- CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE LOS CUERPOS:

Los cuerpos se pueden clasificar por sus características eléctricas en tres grupos:

Aislantes

Conductores

Semiconductores

Superconductores

Los aislantes, son aquellos donde las cargas eléctricas no fluyen con facilidad, como ejemplo el ámbar, vidrio, plásticos en general.

Los conductores, son aquellos materiales que contienen cargas eléctricas que pueden moverse con facilidad, entre ellos se encuentran los metales.

            Los semiconductores, presentan propiedades eléctricas que están entre los conductores y los aislantes, como el silicio y el germanio, estos principalmente se utilizan en los circuitos electrónicos. Y van a ser objeto de estudio

            Los superconductores, es la propiedad de ciertos metales y aleaciones y compuestos químicos, por la que, a temperaturas muy bajas, próximos al cero absoluto, presentan una resistencia eléctrica y una permeabilidad magnética prácticamente nulas.

 

2.4- SEMICONDUCTORES

Mientras los buenos  conductores ofrecen poca resistencia al paso de los electrones los aislantes la ofrecen elevadísima. En cambio los semiconductores presentan una resistencia intermedia en ambos extremos. Estos se subdividen a su vez en:

                        * SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS

                        * SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS

2.4.1- SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS

Cuando se aplica una diferencia de potencial a un semiconductor intrínseco, se logra el paso débil de corriente que es  proporcional a su temperatura, pero dado su escaso valor no es útil. 

 

2.4.2- SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS

Como quieran que las corrientes producidas en semiconductores intrínsecos son muy débiles se plantea otra forma de conseguir  corrientes mas elevadas. Para ello se introduce impurezas en el semiconductor, esto es dopar un semiconductor que  no es otra cosa que introducir un cristal de silicio en una atmósfera de fósforo o de boro, dependiendo el mineral empleado diremos que el semiconductor será donador o aceptador, de esta forma se creara el semiconductor extrínseco.

 

2.4.2.1- SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS TIPO  ‘N’ TIPO ‘P’

Según el tipo de impurezas o portadores mayoritarios sean del tipo ‘N’ o ‘P’ que sean incorporadas al semiconductor extrínseco diremos que es del tipo ‘N’  (donador) es del tipo ‘P’ (aceptador).

Para poder comprender el fenómeno de los semiconductores, vamos a efectuar una breve explicación de la unión ‘P-N’ o también llamada diodo, el cual es la base del funcionamiento de las células fotovoltaicas.

Los diodos semiconductores se forman uniendo los materiales tipo N y tipo P, los cuales deben estar construidos a partir del mismo material base, el cual puede ser de Ge  (Germanio) o Si  (Silicio). 

En el momento en que dos materiales son unidos (uno tipo N y el otro tipo P), los electrones y los huecos que están en, o cerca de, la región de "unión", se combinan y esto da como resultado una carencia de portadores (tanto  mayoritarios como minoritarios) en la región cercana a la unión. Esta región de iones negativos y positivos descubiertos recibe el nombre de Región de Agotamiento por la ausencia de portadores.

 

                        Fig. 2.2- Semiconductor extrínsecos

 

 

2.5- EL DIODO

            La unión de material semiconductor P con N forma lo que se denomina diodo.

            En la figura 2.4 se muestra el símbolo del diodo semiconductor. La barra representa el cátodo y la flecha el ánodo, la corriente electrónica circula en sentido contrario al de la flecha, o sea de cátodo a ánodo o de N a P.

             

                        ánodo  cátodo                    ánodo       cátodo

 

 

 

 


                                  Id                                         Id

    Fig. 2.3- Sentido de la corriente electrónica en los diodos

 

2.6- QUE ES LA CÉLULA SOLAR FOTOVOLTAICA

Tal como hemos estudiado con los diodos, cuando incide la luz sobre una célula se produce un efecto caótico en la unión PN del semiconductor el cual libera electrones, dando lugar a una corriente eléctrica, se observa que el material semiconductor en ningún momento acumula energía eléctrica, como lo haría un acumulador.

El efecto fotovoltaico que significa el convertir luz en electricidad fue identificado por primera vez en 1839 por Bequerel, este físico llegó a la conclusión siguiente.  Si se ilumina una célula solar que se encuentra conectada a una carga externa, sé producirá una diferencia de potencial en dicha carga y una circulación de corriente.

                           Fig. 2.4- Efecto  fotovoltaico Becquerel

La célula solar fotovoltaica estará formada por la unión de 2 materiales semiconductores, uno tipo “N” y otro tipo “P” haciendo la unión PN o unión diodo.  Al incidir la luz solar aparece, un campo eléctrico desde la zona “N” donde están los electrones libres, hasta la zona “P” donde existen los huecos, aunque dentro del semiconductor las cargas están compensadas, aparecen polaridades localizada en la interfase unión  PN.

         ZONA “N"

 

  ZONA “P”

 
 

 


Fig. 2.5- Funcionamiento de la célula solar

 

2.7- FABRICACIÓN DE CELULAS SOLARES

El proceso de fabricación de las células solares de silicio lo podemos dividir en tres grandes etapas.

-Obtención del silicio de alta pureza. Este se obtiene a partir del oxido de silicio, SiO2, básicamente cuarzo, el cual es muy abundante en la naturaleza y por ello el abastecimiento esta asegurado, el problema es que ha de ser gran pureza, semejante al semiconductor normal utilizado en la industria electrónica. Actualmente sé esta trabajando con silicio de menor pureza, para la fabricación de células solares teniendo como resultado un menor coste.

-Obtención de obleas. Utilizando como materia prima polvo de silicio de alta pureza se hace crecer el monocristal hasta obtener una pieza cilíndrica de diámetro variable entre 2 y 20 cm y longitud de alrededor de 1m. La barra de silicio se corta mediante sierras especiales produciendo obleas de espesor, aproximado de 300 µm. En esta etapa hay una perdida de material de aproximadamente el 60% en forma de serrín. Actualmente existen otras formas más eficientes de cortado de la barra.

-Procesamiento de la oblea. Para obtener finalmente la célula solar, la oblea sufre un procesamiento que consiste de los siguientes pasos:

Lapeado y pulido

Formación de unión “P-N”

Decapado y limpieza

Capa antirreflectante

Material para soldadura de electrodos

La formación de la unión “P-N” es la etapa mas critica de todo el proceso de fabricación, debido a que el buen funcionamiento de la célula solar depende en gran medida de una buena unión “P-N”. Por otro lado, una adecuada capa antirreflejante también es necesaria, ya que en una superficie de silicio bien pulida puede llegar, a reflejar hasta el 34% de la radiación de onda larga y un 54% si la radiación es de onda corta.

Como se puede observar, la fabricación de células solares es muy compleja. La materia prima es la arena común (SiO2), la cual debe ser trasladada a una factoría donde se le extrae él oxigeno que contiene y donde el silicio resultante sufre un complejo proceso de purificación. El producto resultante pasa a otra fabrica donde se transforma en plaquitas de silicio fotovoltaico. De ella pasa a una tercera donde se efectúan las operaciones físico-químicas de formación de campo eléctrico interno y de formación de electrodos metálicos, anteriormente descritos.

Por ultimo, de esta fabrica pasa a otra donde se encapsula y se forman los módulos o paneles. En la figura 2.6 se detallan gráficamente el proceso de fabricación.

            Fig. 2.6- Proceso de elaboración de las células solares

 

 

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Fig. 2.7- Célula fotovoltaica policristalina

 

2.8- TIPOS DE CELULAS FOTOVOLTAICAS

Tipos de células:

células monocristalinas

células policristalinas

            células de silicio amorfo

            células de sulfuro de cadmio y sulfuro de cobre

            células de arsenio de galio

            células bifaciales

 

Las células monocristalinas son las que proporcionan el rendimiento mas elevado (15 a 18% en la fabricación en serie y 24% en modelos de laboratorios) se obtiene de silicio puro fundido y dopado con boro, tienen también el inconveniente de ser caras. Estas células son las más utilizadas en la actualidad

Las células policristalinas proporcionan un rendimiento del  12 a 14% tienen como ventaja el reducir el espesor, hasta algunas micras, se presentan en forma cuadradas, aprovechando mejor el espacio, tienen un menor costo al ser más delgadas y por tanto también el proceso de elaboración no es tan complicado como la célula monocristalina.

Las células de silicio amorfo tienen una capacidad de absorción de la luz superior a las células de silicio cristalino. Proporcionan un rendimiento inferior al 10%, esto junto  con una aceptable duración del conductor y una extrema delgadez de las células hacen que se consideren de forma muy prometedora.

Las células de sulfuro de cadmio y sulfuro de cobre tienen como ventaja que su proceso de fabricación es fácil porque se utiliza poco material activo. Los rendimientos máximos obtenidos en laboratorio no superan el 10%, estos por supuesto, quedan reducidos a la mitad cuando llega a la actividad industrial.

Otro problema radica que estas células se degradan con el paso del tiempo, lo cual sé esta estudiando porque los precios de estas pueden ser muy competitivos, por su bajo costo.

Las células de arsenio de galio son las células mas indicadas para la fabricación de paneles, esto es porque su rendimiento teórico alcanza limites cercanos al 27 – 28% en su versión monocristalina. Como todo lo que es bueno, tiene el problema de que este material no es abundante por tanto esto encarece mucho la materia prima. Como característica satisfactoria tenemos que tiene un coeficiente elevado de absorción, esto hace que con poco material se obtenga una eficacia elevada.

Las células bifaciales son unas células donde se ha creado una doble unión ( N+ -P - P+ )  por tanto, permite recoger la radiación frontal, la radiación y la reflejada en el suelo ( la radiación del albedo). El rendimiento de estas células puede llegar al 30% siempre que tengamos especial cuidado con la calidad de la superficie reflejada, y con las condiciones mecánicas de colocación del panel.

 

2.9- PARÁMETROS DE UNA CELULA FOTOVOLTAICA

 

El comportamiento de una célula solar es el de un diodo de unión PN, esta se hace sensible a la luz, generando corriente eléctrica, en la practica nos encontramos con un circuito como la figura 2.8, en el cual tenemos un efecto capacitivo, y dos resistencias una en serie y otra en paralelo, este fenómeno es producido por los propios materiales empleados.

 

 

 

 

 

 

 

 

  R. Paralelo                                       R. Serie

 

 


  Fuente energía

                                                             

 

Diodo                     I

 


 

 

 

 Condensador

                                  

                Fig. 2.7- Circuito equivalente de una célula solar

 

La corriente producida, al ser empleada en trabajo útil, desarrolla una caída de tensión que hace que la zona P sea más negativa. Como esta zona era la de menor energía potencial de electrones  (es decir, la de mayor potencial o más positiva ), El efecto de la carga exterior es reducir el potencial de la zona P, o sea, reducir el campo separador que aparece en la unión.

La corriente dada por cada célula solar para  una iluminación determinada varia en función de la caída de tensión producida en el exterior.

La corriente suministrada es casi constante, hasta que se llega a un valor de tensión para el cual el campo de la unión decrece sensiblemente. Entonces la corriente tiende a cero rápidamente.

La potencia máxima que puede dar una célula Wp  (watio pico) es directamente proporcional, a la incidencia lumínica y corresponde al producto de la Vmax . Imax (Tensión máxima X Intensidad máxima).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                              WP

                                                                                                                                

                                                   ICCmax

       

                                 

                              I

    Corriente                                                                      Punto de máxima potencia

  cortocircuito

 


                                                                               Tensión de circuito abierto

 

 


                                                                                      V

                                                                                    Vmax

                        Fig. 2.9- Punto de máxima potencia

 

2.10- EL MODULO FOTOVOLTAICO

           

Par hacer posible su manejo practico, los fabricantes presentan las células asociadas eléctricamente entre sí y encapsulada en un bloque llamado panel o modulo fotovoltaico, que constituye el elemento básico para la producción de electricidad. Normalmente un modulo fotovoltaico esta formado por unas 36 células, teniendo diferentes medidas que oscilan desde el ½ m2  hasta el m2, el grosor también oscila entre 3,5 cm a los 5cm. El peso varia entre los 5 Kg y los 12 Kg.

 

        Potencia    ………………………………85 WP
        Número de  células ……………..…36 de 5’’  
        Corriente de prueba   …………………..4,9 A
        Tensión de prueba  …………….……..17,3 V
        Corriente de cortocircuito ……….……..5,2 A
        Tensión de circuito abierto ……..…….21,2 V
         Longitud ……………….…………….1200 mm 
        Anchura ……………………………….526 mm 
        Espesor ………………………..……….35 mm 
        Peso …………………..…………………8,2 Kg

 

 

 

 

 

Fig. 2.10- Modulo solar fotovoltaico y sus características

            El modulo fotovoltaico esta formado por unos conjuntos de células  solares conectadas entre si  en serie y paralelo hasta conseguir el voltaje adecuado para su utilización, este voltaje suele ser de 12 V aunque a plena radiación solar y 25º de temperatura suele ser de 15V a 17V. El conjunto de células esta envuelto por unos elementos que le confieren protección frente a los agentes externos y rigidez para acoplarse a las estructuras que lo soportan.

Los módulos fotovoltaicos tienen la estructura, como la de la figura, donde se observa la división general de un modulo fotovoltaico.

                                   Fig. 2.11- Sección de un modulo fotovoltaico

            Y los elementos que lo componen son los siguientes:

            Encapsulante, constituido por un material que debe presentar una buena transmisión a la radiación y una degradabilidad baja a la acción de los rayos solares.

            Cubierta exterior de vidrio templado, que, aparte de facilitar al máximo la transmisión luminosa, debe resistir las condiciones climatológicas más adversas y soportar cambios bruscos de temperatura.

            Marco de metal, normalmente de aluminio, que asegura rigidez y estanqueidad al conjunto, y que lleva los elementos necesarios para el montaje del panel sobre la estructura soporte.

            Bornes de conexión

            Diodos de protección

 

2.11- INTERCONEXIONADO DE MODULOS FOTOVOLTAICOS

            Como Norma general nunca conectaremos entre sí módulos de distintas características ni de distintos fabricantes. Para el conexionado tenemos tres posibilidades:

            Conexionado en paralelo

            Conexionado en serie

            Conexionado mixto (serie-paralelo)

En el conexionado en paralelo, se conectan entre sí todos los polos positivos, y todos los negativos.

En el conexionado en serie, la conexión se hace del polo positivo de uno al negativo del siguiente.

En el conexionado mixto (serie paralelo), intervienen ambos  conexionados  pero teniendo en cuenta que los conjuntos interconectados en serie y en paralelo deben tener las mismas características, es decir, tener el mismo numero de módulos y estar conectados de igual forma.

Fig.2.12- Conexionados de los paneles fotovoltaicos

 

 

 

 

 

 

3- COMPONENTES DE UN SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO:

 

3.1 REGULADOR:

La misión fundamental de un regulador  es evitar las sobrecargas y descargas excesivas en los acumuladores, que producirían daños irreversibles, también asegura que el sistema trabaja con máxima eficacia.

            Las tensiones que nos proporcionan los módulos solares fotovoltaicos han de ser siempre mayor que la tensión nominal de las baterías, esto es debido a que:

                        -Con mayor temperatura, la  tensión decrece.

-La tensión en la batería deberá ser mayor para que esta pueda ser cargada correctamente.

Para poder regular la carga y descarga  de las baterías, es necesario la utilización de un regulador, este por la simplicidad del equipo, reduce sustancialmente el mantenimiento y hace que las averías en el sistema fotovoltaico  sean muy escasas.

Las operaciones más notables que se pueden realizar con un regulador son las siguientes:

            -Observación visual del estado y funcionamiento del regulador.

-Observación  de los valores instantáneos del voltímetro y amperímetro.

            Estos datos nos darán un índice de comportamiento de la instalación

            Los reguladores deben tener unos indicadores de alarmas (sonoros o lumínicos) para avisar que el estado de carga de las baterías es demasiado bajo, y otro  indicador que se enciende cuando se produce la desconexión o la limitación por carga completa.

            En definitiva, el regulador de carga es un equipo de suma importancia en la mayoría de los casos, ya que estamos trabajando con una fuente de energía inagotable, pero muy variable y estacional.

Un ejemplo para darnos cuenta, de lo anteriormente expuesto, seria una instalación con paneles solares fotovoltaicos para un consumo fijo anual día a día,  los cálculos de radiación por supuesto que tendríamos en cuenta seria los más desfavorables, o sea el de invierno para asegurar un correcto funcionamiento del sistema en la peor época.

El problema es que en la época de verano, tendremos una producción de electricidad el doble aproximadamente que en invierno, por el contrario el consumo será el mismo, la consecuencia será que en verano la batería se destruiría por exceso de corriente, en cambio afortunadamente el  regulador de carga hará que este exceso de electricidad, no llegue a la batería, debido a los diferentes métodos que a continuación se estudian.

 

 

 

 

 

 

 

                          Fig. 3.1 Diferentes tipos de regulador

El regulador, como elemento de seguridad y protección de la batería siempre es recomendable, aunque hay casos que pueden no  resultar imprescindibles, por ejemplo en sistemas con baterías grandes suficientes para asimilar la intensidad de corriente producida por los paneles.

 

3.1.1. TIPOS DE REGULADORES:

            Esencialmente existen dos tipos de reguladores:

                        - Regulador shunt o paralelo.

- Regulador serie.

            Aunque la misión de los dos es la misma, estos se diferencian en la forma de trabajo, en el funcionamiento y por supuesto en el precio, a grandes rasgos diremos que el regulador shunt, se utiliza para instalaciones pequeñas, y el regulador serie para instalaciones donde se aplican intensidades mas elevadas.

 

 

 

 

 

 

 

 

                             Fig. 3.2 Reguladores paralelo y serie

 

3.1.2. DESCRIPCIÓN:

            Todos los reguladores suelen disponer de un amperímetro y un voltímetro (adecuadamente graduado) y una alarma de tensión baja, un sensor de temperatura, que regula automáticamente el valor máximo de la tensión de carga, también tiene un diodo de bloqueo el cual impide el paso de la corriente en solo sentido (del panel a la batería) este diodo impide que por las noches cuando la Iluminación no es favorable y la tensión de la batería es mayor que la del panel, evitando que la corriente de la batería vaya al panel y de este modo se descargue la batería.

Este diodo puede suponer una caída de tensión al panel de 0,5 a 1 V, por esta razón es conveniente diseñar los paneles de forma que produzcan mayor tensión. Los reguladores serie no necesitan diodo de bloqueo, ya que el circuito queda  interrumpido cuando las condiciones son desfavorables.

 

3.1.3. FUNCIONAMIENTO:

            Cuando la tensión en los bornes de la batería alcanza, durante la carga, el nivel establecido, los circuitos que controlan él relee, abren el interruptor, por tanto dejan la batería desconectada del módulo fotovoltaico. Una vez que la batería  se descarga también un nivel establecido él relee cierra el contacto o interruptor procediéndose a continuación a cargarse de nuevo la batería.

            Por supuesto que él relee esta sincronizado con la tensión aportada del panel fotovoltaico, por tanto es de suponer que si el panel fotovoltaico no capta suficiente energía eléctrica, él relee tendrá que mantener los contactos abiertos. Esta condición como es lógico se dará por la noche. Otra parte positiva es la eliminación el diodo de bloqueo

            La gran ventaja de los reguladores serie reside en que se centran en grandes sistemas, donde un regulador paralelo tendría que utilizar disipadores muy grandes que efectuarían, él tener que instalar sistemas de refrigeración.

            Como desventaja, se observa que una vez que la batería esta cargada la energía eléctrica que da el panel fotovoltaico se pierde, por tanto sigue siendo una carencia, que si bien se puede limitar introduciendo mas baterías, no es rentable por el mantenimiento y el aumento de los costos.

 

 

 

3.2 BATERÍA:

No hay duda que los acumuladores o baterías son un elemento esencial en las instalaciones destinadas a electrificación autónoma, las baterías hacen  posible el suministro eléctrico continuado, a pesar de que la generación de energía eléctrica sea a intervalos, (módulos fotovoltaicos, aerogeneradores, grupos electrógenos).

Los sistemas de acumulación de energía se pueden dividir en dos tipos:

            -Sistemas de acumulación primaria

-Sistemas de acumulación secundaria

Los sistemas de acumulación primaria son los llamados también pilas, las cuales producen energía consumiendo algún tipo de sustancia química, cuando esta se agota la pila ya no produce mas energía y debe ser reemplazada. Por ejemplo ene este grupo encontramos a las pilas de Zinc-carbono.

Los sistemas de acumulación secundaria, producen energía por medio de una transformación química, sin embargo estos pueden ser recargados, por medio de otra fuente de energía, volviendo los componentes químicos a su estado original.

Por el contrario tenemos un elemento que es frágil y menos duradero. Es por ello que se necesita hacer un estudio particular para poder ajustarse a sus funciones, y propiedades, de esta forma podremos aprovechar su vida útil convenientemente.

Por comparación diremos, que una batería es muy similar a una  instalación de agua. Imaginemos una instalación que capta agua de una fuente, cuyo caudal fluctúa con el tiempo. Si deseamos tener un suministro continuado y asegurado, tendremos que almacenarla en un depósito. La capacidad de este depósito deberá ser tan mayor, como fluctúe el caudal del agua, en cambio si la fuente tiene el caudal  regular a lo largo de todo el año, el volumen del depósito podrá ser relativamente pequeño. Por otra parte si el caudal de la fuente es insuficiente para el consumo de casa, es inútil que gastemos dinero para construir un depósito mayor, ya que nunca conseguiremos llenarlo.

Por simple analogía también podemos deducir que si el consumo de energía eléctrica es en horas diurnas, es absurdo gastarse mucho dinero en baterías de gran capacidad, claro que si el consumo es en horas nocturnas, entonces si que es necesario el uso de baterías de gran capacidad.

La conclusión es que hay que mejorar la  gestión de la energía (aumentar la eficiencia del consumo) y después dispondrá de mas módulos fotovoltaicos o de un grupo auxiliar para cargar las baterías.

Si el clima es muy propenso a poca disponibilidad solar,  la capacidad de las baterías será mayor, que si se vive en un sitio donde la disponibilidad del sol es mas regular.

Las baterías son capaces de almacenar energía eléctrica gracias a una reacción electroquímica entre el plomo de las placas situadas en su interior y el ácido sulfúrico del electrolito que las bañan. Esa reacción es reversible y en un sentido de la reacción de la batería se carga de energía y en otro sentido se descargan. Almacenar energía eléctrica dentro de una batería tiene un coste.

No toda la energía que entra en ella la podremos retirar después, ya que una parte se pierde. También hay que tener en cuenta que una batería cargada se va vaciando poco a poco después, aunque no se utilice (debido a la resistencia interna).

                   Fig. 3.3 Diferentes tipos de baterías o acumuladores

 

3.2.1. CAPACIDAD DE LAS BATERÍAS:

La capacidad de una batería o acumulador se mide en amperios hora (Ah), para un determinado tiempo de descarga, si este tiempo es muy corto la capacidad de la batería disminuye, mientras que si el tiempo de la descarga aumenta haciéndose lenta, la capacidad de la batería aumenta.

Esta capacidad es el producto de la intensidad de descarga por el tiempo que esta, actúa calculada hasta que se alcanza la tensión final.

            Batería = Intensidad descarga. Tiempo descarga = Ah

Por ejemplo si tenemos una batería o acumulador de 400 Ah  medido en 10 horas de descarga, tendremos que dicha batería nos proporciona 40 amperios durante 10 horas, en el caso de que la medición fuera en 5 horas de descarga la batería nos proporcionaría 80 amperios en 5 horas.

 

            Batería = 40 A. 10h = 400 Ah

            Batería = 80 A. 5h = 400 Ah

Por tanto podemos afirmar que la misión de un acumulador es proporcionar energía en el tiempo demandado por la carga en cuestión. Claro que en nuestro caso tenemos que tener una cierta fiabilidad, para poder alimentar los días necesarios, ya que la producción de energía eléctrica fotovoltaica, puede ser aleatoria por problemas meteorológicos.

Para aplicaciones solares los acumuladores o baterías tenemos que exigirles una serie de condiciones básicas, como son:

            -Aceptar todas las corrientes de carga del panel fotovoltaico

            -Mantenimiento lo mínimo imprescindible

            -Fácil transporte e instalación

            -Baja auto descarga

            -Rendimiento elevado

            -Larga vida

 

3.2.2. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS BATERÍAS:

 El uso de la batería en un sistema solar fotovoltaico conlleva una serie de ventajas:

-Capacidad para proveer energía en los periodos en que no hay luz solar

                        -Voltaje estable para el sistema

-Capacidad para almacenar la energía producida en los paneles solares y que excede la demanda instantánea, reduciendo así las perdidas energéticas.

-Satisfacer los picos instantáneos de la potencia demandada por la carga.

 

 

 

 

También conlleva una serie de desventajas:

-Aumenta considerablemente el coste de la instalación y la actividad de mantenimiento del sistema.

-Añade complejidad.

-Reduce la fiabilidad del sistema

No hay duda que las baterías son un elemento esencial en las instalaciones destinadas a electrificación autónoma, las baterías hacen  posible el suministro eléctrico continuado, a pesar de que la generación de energía eléctrica sea a intervalos, (módulos fotovoltaicos, aerogeneradores, grupos electrógenos).

Actualmente en el mercado existen dos tipos de baterías o acumuladores estos son:

Baterías de plomo-ácido (precio-calidad razonable)

Baterías de níquel-cadmio (buenas cualidades precio elevado)

 

3.2.3. SECUENCIA DE CARGA Y DESCARGA DE LAS BATERÍAS:

            A continuación detallamos secuencial mente el proceso de carga-descarga dentro de un acumulador de plomo ácido:

 

ELECTROLITO

PLACA POSITIVA

PLACA NEGATIVA

 

RESULTADO

MAXIMO ACIDO SULFURICO

MINIMO AGUA

PLOMO ESPONJOSO

DIOXIDO DE PLOMO

BATERIA CARGADA

DECRECE EL ACIDO                AUMENTA EL AGUA

DECRECE EL PLOMO       AUMENTA EL SULF. DE Pb

CRECE EL DIOXIDO DE Pb AUMENTA EL SULF.DE Pb

BATERIA                    DESCARGANDOSE

MINIMO ACIDO                          MAXIMO AGUA

MINIMO PLOMO                        MAXIMO SULF. DE Pb

MINIMO DE DIOXIDO DE Pb MAXIMO SULF. DE Pb

BATERIA                    DESCARGADA

AUMENTA EL ACIDO               DECRECE EL AGUA

AUMENTANDO EL PLOMO   DECRECIENDO EL SULF.

AUMENTANDO DIOXIDO DECRECIENDO EL SULF.

BATERIA                        CARGANDOSE

MAXIMO ACIDO SULFURICO

MINIMO AGUA

PLOMO ESPONJOSO

DIOXIDO DE PLOMO

BATERIA CARGADA

Fig. 3.4 Secuencia de carga y descarga en acumuladores o baterías

 

 

 

En la figura se pueden apreciar las secuencias de carga y descarga, así como los efectos químicos, que se producen en una batería de plomo-ácido, los pasos seguidos son los siguientes:

1º Partiendo de que la batería esta cargada, tenemos el máximo de ácido sulfúrico y mínimo de agua, en la placa positiva tendremos plomo esponjoso y en la placa negativa dióxido de plomo

2º En esta fase tenemos, que decrece el ácido sulfúrico y empieza aumentar el agua, esto es debido al principio de descarga, en las placas tenemos un decrecimiento de plomo y un crecimiento del dióxido de plomo, también vemos que aumenta el sulfato de plomo.

3º En esta fase la batería ya esta descargada  y el electrolito solamente tiene agua, estando el ácido sulfúrico distribuido por las placas. Las placas pierden volumen, es por ello que si la batería tiene que responder a descargas muy profundas, es conveniente que las placas sean muy gruesas.

4º Aquí empezamos a cargar la batería, esta empieza a desprender gases de hidrogeno y oxigeno, produciendo una perdida de agua, que forma parte del electrolito por eso es conveniente añadir un poco de agua destilada. En baterías estancas utilizan tapones con sustancias catalizadoras las cuales permiten de nuevo tener agua, esto hace que el mantenimiento sea menor.

5º Esta fase es la misma que la 1º pues ya esta la batería cargada.

 

La batería que mejor se adapta a las necesidades de un sistema fotovoltaico son las de plomo-ácido, esta es la mas conocida y barata y su rendimiento es bueno y alcanza duraciones superiores a los 10 años en instalaciones bien proyectada y mantenida.                          Fig. 3.5 Estados de un acumulador-batería

3.3 SISTEMA DE ADAPTACIÓN DE CORRIENTE:

Los convertidores inversores cuya finalidad es adaptar las características de la corriente generada, a la demandada total o parcialmente por las aplicaciones.

En determinadas aplicaciones que trabajan en corriente continua, no es posible hacer coincidir las tensiones proporcionadas por el acumulador con la solicitada por todos los elementos de consumo. En estos casos la solución pasa por utilizar un convertidor de tensión continua-continua.

 

3.3.1. CONVERTIDOR CC-CC O SEGUIDORES DE POTENCIA:

La conexión directa de un generador fotovoltaico a una carga conduce a relacionar las características de intensidad y de tensión de ambos, aquí podemos hablar de perdidas debidas a las fluctuaciones que pueden tener la potencia máxima del generador, llamándose a estas perdidas de utilización.

 Para evitar estas perdidas se recurre al uso de convertidores CC-CC la eficacia de estos es mayor  de un 90% y casi constante para cualquier entrada, los convertidores de continua son utilizados en aquellos casos en que la tensión en los bornes de la batería no coincide con la requerida por los aparatos de consumo. Su uso presenta el beneficio de conseguir que la tensión de salida sea más estable, lo que redunda en un mejor funcionamiento de los aparatos.

El funcionamiento a grandes rasgos es el siguiente:

-Convertir la corriente continua en corriente alterna por medio de un dispositivo electrónico inversor.

-Aumentarla o disminuirla según sea necesario y transformarla de nuevo en corriente continua pero ya con el voltaje necesario.

-Estos procesos conllevan también pérdidas que deben tenerse en cuenta.

            Para ser más exactos un convertidor de CC-CC transforma la corriente continua que viene de las baterías en corriente alterna por medio de un inversor o convertidor, este esta formado por un circuito basándose en condensadores  y semiconductores que por medio de oscilaciones, hace cambiar a base dar pulsos la corriente continua  a corriente alterna con onda cuadrada. Seguidamente pasa a un transformador  el cual puede reducir o ampliar el voltaje, también es importante comentar que gracias al transformador tenemos la ventaja de tener un aislamiento galvánico.

            También existen en el mercado un tipo de aparato que hace las funciones de convertidor, que es el estabilizador de tensión, el cual tiene el problema de consumir bastante corriente por lo cual el uso no es muy recomendado.

      Fig. 3.6  Convertidor-Inversor  reductor de tensión

 

            Existen aplicaciones las cuales es preciso alimentar varios circuitos a diferentes tensiones, para tal caso el uso de un convertidor continua-continua, tal como esta representado en la figura, se hace imprescindible ya que no es una buena solución  tomar tensiones parciales de las baterías, tendríamos una descarga que no seria equilibrada, esto repercutiría en la vida de las baterías.

      Fig. 3.7 Utilización del convertidor CC-CC  para segregar tensión

 

Mediante el uso de convertidores CC-CC la descarga de la batería se hace mas equilibrada, y fundamentalmente estable, esto repercutirá en el mejor grado de funcionamiento del sistema a alimentar, imaginemos por ejemplo un sistema de precisión.

 

3.3.2. CONVERTIDOR CC- CA:

En otras aplicaciones, la utilización incluye elementos  que trabajan en corriente alterna. Puesto que los paneles como las baterías trabajan en corriente continua es necesaria la presencia de un inversor que transforme la corriente continua en alterna.

Las funciones principales del circuito de mando son:

            -Mantener la tensión de salida dentro de los márgenes establecidos.

-Limitar la intensidad de salida en caso de sobrecarga a un valor seguro para el propio convertidor.

-Mantener la frecuencia de salida.

-Sincronizar el convertidor a red, con  otros convertidores en el caso de  convertidores en paralelo

La principal característica viene dada por la tensión de entrada, que se debe adaptar a la del generador, la potencia máxima que puede proporcionar y la eficiencia.

En instalaciones fotovoltaicas se utilizan más estos últimos, también llamados inversores y transforman la corriente continua de 12, 24 o 48V  proveniente de los paneles en corriente alterna de 125 V o 220 V usada por los aparatos eléctricos habituales.

 También tiene que tener en cuenta una inevitable perdida de energía y por tanto una disminución en el rendimiento en la instalación, la cual hay que tener en cuenta en el consumo.

El funcionamiento de un convertidor CC-CA esta formado entre otras cosas por transistores y tiristores que son capaces de cortar muchas veces por segundo (50 ciclos por segundo) la corriente continua, produciendo una serie de impulsos y simulando la característica fundamental que tiene la corriente alterna.

Existen convertidores de onda cuadrada y de onda sinusoidal estos últimos son mas caros y para muchas aplicaciones son innecesarios, ya que una onda cuadrada bastara para (iluminación, motores pequeños, etc.)

 

 

3.3.3. CUALIDADES DE UN CONVERTIDOR:

Es necesario exigir unas determinadas cualidades al convertidor para que pueda ser utilizado en instalaciones en instalaciones fotovoltaicas como es el caso que nos ocupa:

-Estabilidad de voltaje

-Eficiencia razonable

-Baja distorsión de armónicos

-Capacidad de resistir potencias puntas

-Buen comportamiento frente a la variación de temperatura

-Posibilidad de ser combinado en paralelo

-Arranque automático

-Señalización adecuada

-Seguridad

Fig.3.8 Convertidor CC-CA

 

Para muchas aplicaciones en energía solar, es suficiente utilizar convertidores de onda cuadrada, pues las cargas no son especialmente sofisticadas (luces incandescentes, pequeños motores), estos presentan habitualmente un rendimiento mas elevado, ya que al no existir filtro, las perdidas son más pequeñas.

Como nota muy importante no debemos olvidar los rendimientos de estos, y que un rendimiento puede variar según ka carga que tenga el convertidor.

Por ejemplo si tenemos un convertidor de 1500 W que tenga un rendimiento del 92%, quiere decir que para sacar 1500W tendremos de absorber de la batería, 1630 W aproximadamente.

 

                                      Potencia de salida

                        Rto =

                                      Potencia de entrada

 

Y  lógicamente

 

                                                Potencia de salida             1500

   Potencia de entrada =                                              =                    = 1630 W

                                                           Rto                           0,92

 

En cambio si utilizamos este mismo convertidor para 500 W tendremos lo siguiente:

 

                                                Potencia de salida             500

   Potencia de entrada =                                              =                   = 543 W

                                                           Rto                           0,92

 

En este caso observamos solo tendremos 43 W demás. De todas formas estos datos tenemos tienen que proporcionarlos los fabricantes, ya que muchas veces el rendimiento puede ser variable.

La gama de  convertidores es bastante elevada, la decisión de utilizar convertidores de ondas senoidal o de onda cuadrada dependerá de la carga.

En un futuro el usuario podrá adquirir los electrodomésticos necesarios que funcionen a corriente continua (12 o 24V).

Si el usuario desea aprovechar los aparatos que ya posee de corriente alterna, deberá de utilizar un convertidor de corriente alterna. Para estos casos es importante el disponer dos líneas de reparto para el consumo independiente lo normal es que una sea continua y salga directamente de la batería, mientras la otra línea  dependa del convertidor de CC-CA.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 3.9 Vista interior de un convertidor

 

En definitiva el uso del convertidor es una cuestión fundamental económica y por supuesto no se utiliza un mismo convertidor para diferentes aplicaciones, por su elevado precio no es recomendable para instalaciones pequeñas.

Llegando a la conclusión de que el tamaño y el coste de un sistema fotovoltaico depende de las necesidades energéticas de la carga que abastece.

La demanda-pico y los requerimientos de energía deben estimarse con la mayor precisión posible, para evitar un sobre dimensionamiento que aumente el coste de forma innecesaria.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4- EJEMPLOS PRÁCTICOS DE INSTALACIONES:

 

4.1 CÁLCULO DE UNA VIVIENDA AISLADA:

Partimos de la base de una vivienda aislada en la montaña cerca del pirineo de la provincia de Lérida, donde disponer energía eléctrica convencional es costosa, por la lejanía. El sistema a utilizar es un sistema compuesto por paneles fotovoltaicos, regulador, convertidor, baterías.

En el estudio se hará mención a la falta, o no de un grupo electrógeno de ayuda o un aerogenerador.

Tabla de datos aportadas:

CONCEPTO

POTENCIA(W)

TIEMPO h/día

CONSUMO wh/día

SALON

3

11

2

66

COCINA

1

20

2

40

CUARTO BAÑO

2

11

1

22

HABITACIÓN 1ª

1

11

0,3

2,8

HABITACIÓN 2ª

1

11

0,3

2,8

HABITACIÓN 3ª

1

11

0,3

2,8

FRIGORIFICO

1

80

4

320

GARAJE

1

11

1

11

 

 

 

 

467,3


            Fig. 4.1 Tabla de resultados (panel a 45º)

Tenemos una tensión de trabajo de 24V, por tanto dispondremos de 2 paneles en serie que sumaran  los 24V.

 

 

 

                                                                               Potencia hora/día     

                                 El consumo en Ah/día =

                                                                                       Tensión

 

El consumo en Ah/día = 467,3 / 24 =19,5 Ah/día

La batería tal como hemos calculado será de 143 Ah. Se puede instalar una batería compuesta de 12 elementos de 2 V por tanto de 24V en total, con una capacidad de 400 Ah. Con un tiempo de descarga de 100h.

La instalación dispondrá de convertido/inversor, tendremos que tener en cuenta una utilización del  85%, por tanto habrá un 15% de perdidas de conexionado.

TambiÉn añadiremos un 10% como margen de seguridad para compensar perdidas que se producen en los módulos solares, por baja irradiación, alta temperatura del modulo, reflexión, suciedad de los módulos, etc.

En este estudio, la inclinación de los paneles la hemos supuesto con una inclinación de 45º,  esta posición es ideal por el bajo mantenimiento que tiene. Existe un método mas acertado para extraer energía, si consideramos la movilidad de la  inclinación de los paneles, dependiendo la temporada, obtendríamos los siguientes resultados

Inclinación en los meses otoño, invierno 60º meses a que corresponde:

            Enero, Febrero, Octubre, Noviembre, Diciembre

Inclinación  en  los meses de primavera, verano 30º meses a que corresponde:

            Marzo, Abril, Mayo, Junio, Julio, Agosto, Septiembre

Quedando la tabla de la siguiente forma:

 

Fig. 4.2 Tabla de resultados (panel a 30º y 60º)

A la vista de los resultados obtenidos, tenemos que simplemente instalando en las placas un sistema, donde se pueda variar el ángulo de radiación, aprovechamos mejor la energía radiada, la cuantía es la siguiente:

Hora solar pico media en 30º y 60º à 5,028

Hora solar pico media en 45º à 4,809

5,028 – 4,809 = 0,219  HSP

En el caso de tener déficit de energía eléctrica, siempre se puede aportar un aerogenerador autorregulado el cual nos puede aportar 400 W a 45Km/h, también se puede instalar un grupo electrógeno a gas o a gas-oil, por medio de un cuadro con arranque automático. El grupo se pondría en marcha por detectar baja la carga de la batería, activando un relee con temporización a la desconexión.

 

Fig. 4.3 Conexionado fotovoltaico de este ejemplo.

 

En la figura 4.3 se incorpora un grupo electrógeno a gas a una instalación fotovoltaica. El grupo arrancara por tener la carga de la batería  baja,  el panel de control detectara la falta de carga de batería, activando el cargador de baterías el cual subirá la tensión de las baterías hasta se pare el grupo electrógeno. 

 

4.2- CÁLCULO DE ALUMBRADO PÚBLICO:

Hay muchos casos donde el alumbrado publico repercute en altos costos para los municipios, una forma de paliar estos gastos es instalando alumbrado publico con elementos solares fotovoltaicos, con ello logramos que el mantenimiento sea prácticamente nulo, también eliminamos  la acometida eléctrica, evitando las posibles averías que se suelen dar, con el paso del tiempo.

Para  este ejercicio vamos a utilizar lámparas de vapor de sodio, por  ser las que más se están utilizando en la actualidad, en nuestro caso será un lámpara de 18 W de potencia. La zona de utilización será la población de Gerona.

La farola donde este ubicado el alumbrado también dispondrá de un apoyo para soportar el panel, y un habitáculo para la batería que será de tipo hermética y libre de mantenimiento. El alumbrado iluminara automáticamente por medio de un interruptor crepuscular, el cual se adecua automáticamente a la iluminación de cada día a lo largo de todo el año.

 

Datos de partida:

-Lámpara de vapor de sodio de 18W, contamos con un termino medio de 10 horas de utilización.

 

            18W .  10h = 180Wh/día

 

-Por seguridad añadiremos un 15%

 

180Wh/día. 1,5 = 270Wh/día

 

 

                                                     270 Wh/día

Intensidad necesaria al día  =                                 = 22,5 Ah/día

                                                            12V

 

 

 

 


Fig. 4.4 Tabla de resultados.

 

Fig. 4.5 Diagrama de bloques de la instalación de alumbrado publico

 

Al ser la farola un elemento que su panel fotovoltaico estará fijo, este se situara  con un ángulo de 45º, también tendrá un interruptor crepuscular, y estar equipado con una batería sin mantenimiento tipo monobloc.

Como nota a destacar tenemos que apuntar que este tipo de instalación necesita mantenimiento periódico, el cual consiste en limpiar el panel fotovoltaico al menos una vez cada tres meses, dependiendo de las inclemencias pluviales.

Este modelo de alumbrado público esta teniendo bastante aceptación, en los organismos públicos (Ayuntamientos), esto es debido a su bajo mantenimiento y a las ventajas de su instalación, la cual no necesita infraestructura de canalización.

 

5- EXPLICACIÓN DE LA PRÁCTICA:

           

Mi práctica, es un aparato que consta de una célula para medir la radiación solar y un miliamperímetro donde se mide el potencial de la energía solar térmica y fotovoltaica en un cierto lugar. Donde están resguardados a través de una pequeña caja de plástico.

                                   5.1 Vista frontal de mi práctica

 

Mi práctica es de gran utilidad para conocer el potencial de energía solar térmica o fotovoltaica así como para evaluar el correcto funcionamiento de una instalación solar es necesario medir la intensidad de la radiación solar.

Con una célula calibrada se sabe exactamente los watios por un metro cuadrado que nos llegan del sol en todo momento. Se puede medir el potencial que se recibe en un ángulo determinado. La potencia pico, indicada en watios (Wp) de los paneles solares fotovoltaicos se refieren siempre a 1.000 w/m2 de insolación.

La célula fotovoltaica es de silicio monocristalino de alto rendimiento y esta calibrada por un laboratorio de California (USA).

Su pequeño tamaño de 35×55mm. y peso 8g. la hacen muy indicada para construir un instrumento de medición con un pequeño miliamperímetro de 300mA o 500mA de fondo de escala. También se puede conectar a un tester digital en la escala de miliamperios .

 

 

 

Esta célula viene calibrada de acuerdo con la tabla adjunta. El comportamiento es lineal.

W×m2

mA

1000

309

950

293,6

900

278,1

800

247,2

750

231,8

600

185,4

500

154,5

400

123,6

300

92,7

250

77,3

                                                   5.2 Valores de la célula solar

 

5.1 VISTAS DE MI PRÁCTICA:

 

                                           5.3 Vista superior de mi práctica.

 

                                           5.4 Componentes de mi práctica.

 

                                           5.5 Componentes de mi práctica.

5.2 EXPLICACIÓN DE MI PRÁCTICA:

Mi práctica consta de tres elementos, una célula calibrada para medir la radiación solar de 35×55 mm, un miliamperímetro de 500mA, y una pequeña caja de plástico a donde van encajados estos dos elementos nombrados para que no se observen sus conexiones y para que quede más perfecto.

La célula calibrada para medir la radiación solar fue adquirida en la tienda “ELEKTRON” que está en la calle Farigola, 20 Local – 08023 Barcelona, igual que el miliamperímetro.

Miliamperímetro de 500mA

 

 

            Mi práctica tiene un funcionamiento muy sencillo, a través de la célula solar en que mide el potencial que recibe en un ángulo determinado. La potencia en pico, indicada en watios (Wp) que se reciben a través del miliamperímetro de 500mA de fondo de escala. Nos indica la cantidad de radiación captada en un cierto tiempo a través de los miliamperímetros señalados en el miliamperímetro, que tu puedes saber gracias a una tabla que te dan cuando tu adquieres una célula calibrada para medir la radiación solar. Que en este caso seria la que tenéis en la fig5.2.

 

 

 

 

5.3 MEDIDAS DEL POTENCIAL DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA Y FOTOVOLTAICA:

 

5.3.1 MEDIDAS DE LA SEMANA DEL 12 AL 18 DE AGOSTO DEL 2002:

 

 

LUNES

MARTES

MIERCOLES

JUEVES

VIERNES

SABADO

DOMINGO

 

SOLEADO

SOLEADO

SOLEADO

NUBLADO

LLUVIA

NUBLADO

SOLEADO

DIA

12/08/2002

13/08/2002

14/08/2002

15/08/2002

16/08/2002

17/08/2002

18/08/2002

9h

180mA

180mA

170mA

150mA

50mA

140mA

180mA

10h

200mA

220mA

190mA

145mA

60mA

145mA

195mA

11h

250mA

230mA

210mA

160mA

55mA

150mA

220mA

12h

260mA

240mA

230mA

155mA

70mA

145mA

230mA

13h

280mA

250mA

245mA

150mA

80mA

155mA

235mA

14h

285mA

255mA

260mA

140mA

100mA

150mA

250mA

15h

285mA

255mA

255mA

135mA

95mA

120mA

265mA

16h

285mA

245mA

240mA

120mA

110mA

125mA

270mA

17h

250mA

230mA

220mA

110mA

40mA

90mA

250mA

18h

200mA

200mA

215mA

50mA

35mA

95mA

215mA

19h

180mA

170mA

190mA

50mA

0mA

65mA

175mA

20h

150mA

100mA

90mA

0mA

0mA

0mA

120mA

21h

0mA

0mA

0mA

0mA

0mA

0mA

0mA

 

5.3.2 MEDIDAS DE LA SEMANA DEL 23 AL 29 DE DICIEMBRE DEL 2002:

 

 

LUNES

MARTES

MIERCOLES

JUEVES

VIERNES

SABADO

DOMINGO

 

NUBLADO

NUBLADO

SOLEADO

LLUVIA

SOLEADO

SOLEADO

NUBLADO

DIA

23/12/2002

24/12/2002

25/12/2002

26/12/2002

27/12/2002

28/12/2002

29/12/2002

9h

0mA

0mA

0mA

0mA

0mA

0mA

0mA

10h

80mA

60mA

75mA

15mA

50mA

90mA

25mA

11h

100mA

70mA

90mA

20mA

75mA

95mA

35mA

12h

105mA

100mA

115mA

50mA

100mA

105mA

65mA

13h

100mA

95mA

130mA

40mA

125mA

100mA

85mA

14h

110mA

100mA

150mA

45mA

135mA

115mA

120mA

15h

120mA

80mA

175mA

50mA

140mA

135mA

110mA

16h

115mA

85mA

150mA

55mA

160mA

140mA

115mA

17h

90mA

40mA

100mA

40mA

120mA

100mA

80mA

18h

50mA

45mA

75mA

25mA

80mA

50mA

50mA

19h

0mA

0mA

0mA

0mA

0mA

0mA

0mA

20h

0mA

0mA

0mA

0mA

0mA

0mA

0mA

21h

0mA

0mA

0mA

0mA

0mA

0mA

0mA

 

            Como se puede comprobar las medidas echas en el mes de Agosto proporcionan una mejor cantidad de energía solar térmica y fotovoltaica que el mes de Diciembre. Por lo tanto se saca un mejor rendimiento en Agosto que en Diciembre. Debido a que son diferentes estaciones (Verano e Invierno).

6 ANEXO:

A continuación detallo con la tabla de radiación solar de Cataluña, estas tablas están efectuadas para una superficie inclinada con ángulos de inclinación de 0º, 30ª, 45ª y 60ª. La radiación viene dada en kj/m2 y la orientación de los módulos será hacia al sur.