EDUCACIÓN SOLAR

Para facilitar los conceptos que rodean a los sistemas fotovoltaicos y su tecnología, es necesario hacer un pequeño repaso por los siguientes términos.

Magnitud física que describe la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. Su unidad de medida es el Voltio [V]. Su equivalencia hidráulica es la presión.

Es el flujo de electrones por unidad de tiempo en un material conductor. Su unidad es el
Amperio [A]. Su equivalencia hidráulica es el caudal.

Es la oposición de los electrones a fluir en el interior de un material conductor. También es la relación entre el voltaje y la corriente de un flujo de electrones. Esta relación se conoce como la ley de Ohm: Su unidad es el Ohmio [Ω].

Es la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un intervalo específico de tiempo. También es la relación del producto del voltaje y la corriente: Su unidad de medición es el vatio o Watt [W].

Es la forma de energía que resulta de la existencia de un voltaje entre dos puntos el cual genera un flujo de electrones o corriente eléctrica. La energía eléctrica al transformarse en otras formas como la mecánica puede generar trabajo útil. Su unidad de medición en el área de sistemas solares es el Watt-hora [Wh].

SISTEMAS SOLARES

Son sistemas que utilizan la energía proveniente del sol y la transforman en electricidad útil. Consiste de un arreglo de paneles solares y otros componentes como inversores, controladores de carga, baterías y unidades de acondicionamiento que modifican la corriente de entrada de acuerdo a las necesidades de cada cliente. Existen tres tipos de sistemas solares comunes:

Son sistemas que se instalan generalmente en sitios remotos donde no existe interconexión con la red pública. Por lo general, deben satisfacer toda la demanda eléctrica del cliente y poseen un sistema de almacenamiento como un banco de baterías para que suplan la carga en momentos de baja o nula irradiancia (días nublados o en la noche por ejemplo)..

Estos sistemas funcionan en paralelo con la red, es decir, la demanda energética puede tomar energía de la red convencional o del sistema solar. Generalmente se instalan para cubrir una fracción de la demanda de electricidad del cliente y ya que no requieren sistemas de almacenamiento, su costo es menor y su instalación es más sencilla.

Poseen una o más fuentes de energía dimensionadas para satisfacer los requerimientos del cliente. Además de los paneles solares, se implementan tecnologías como las turbinas eólicas, turbinas de gas, biomasa o la energía mareomotriz..

PANELES SOLARES

Son conjuntos de celdas solares (fabricadas con materiales semiconductores) que son capaces de transformar la luz solar en energía eléctrica mediante el efecto fotovoltaico. Cuando una celda se expone a la luz solar directa, dependiendo de sus componentes y las condiciones se puede generar alrededor de 0.5 A a 0,5 V, lo que puede lograr corrientes de corto de cerca de 9 A a aproximadamente 45 V al interconectar dichas celdas. Las células más comunes son aquellas fabricadas con silicio y arseniuro de galio, sin embargo, estas últimas son mucho más costosas y por lo tanto no son muy vendidas comercialmente. Las células de silicio más comunes son las siguientes:

Se componen de un solo cristal de alta pureza en forma de lingote y poseen una eficiencia de aproximadamente 17% a 20%. Debido a la complejidad de su producción, los sistemas con paneles mono-cristalinos son los de mayor costo en el mercado. Costo aproximado de módulo monocristalino: US$ 300-400.

Poseen un conjunto de cristales generados a partir de la fundición del silicio. Si bien la eficiencia de los paneles con este tipo de células es menor (14%-17%) que las mono-cristalinas, su costo también se reduce sustancialmente. Debido a que su producción requiere una menor complejidad, son una opción económicamente atractiva en comparación a los paneles mono-cristalinos . El Costo aproximado es de: US$ 200-300.

Son arreglos amorfos manufacturados en largas cintas las cuales se seccionan y se acomodan en forma de lingotes. Este tipo de células poseen la menor eficiencia (11%-13%) pero son mucho más fáciles de producir por lo que su costo es el menor de los tres tipos. Costo aproximado: US$ 120-200.

BATERÍAS

Las baterías son una colección de celdas electroquímicas conectadas para producir una capacidad y un voltaje deseado. En los sistemas independientes fotovoltaicos tienen la función de alimentar la demanda eléctrica en las horas de baja o nula radiación solar a partir de energía recolectada durante el día.

Al igual que los paneles solares, las baterías para satisfacer los requerimientos del usuario se conectan en arreglos en paralelo o en serie:

Baterías en serie: Aumentan el voltaje del banco de baterías, pero no afecta la intensidad o corriente del sistema.

Baterías en paralelo: Aumentan la corriente del sistema, pero su voltaje no se ve afectado.Sin importar la clase de batería, todas poseen las siguientes especificaciones:

Capacidad: Medida de la cantidad de energía que la batería puede almacenar. Se expresa en amperios-hora o Watts-hora .
Descarga: Esta magnitud se denomina de acuerdo a la fracción de la capacidad total que se descargue la batería por hora. Poseen un coeficiente conocido como descarga máxima permitida el cual especifica el máximo porcentaje que la batería puede entregar de su capacidad.
Carga: Es importante tener en cuenta que, al momento de cargarse, la batería debe tener un menor voltaje que el arreglo solar y de esta manera favorecer la diferencia de potencial entre los dos componentes.

Son el tipo más común en la implementación de sistemas solares independientes. Poseen placas hechas a partir de plomo sumergidas en ácido sulfúrico, el cual actúa como electrolito. Tienen por lo general una alta capacidad, pero requieren de un mantenimiento constante y no toleran altas temperaturas de ambiente.

Se componen de un gel electrolítico hecho a partir de dióxido de silicio. Debido a que están selladas de fábrica y no poseen fluidos propensos a derramarse, son óptimas para transportarse fácilmente en sistemas no estacionarios. También son ideales para mantenimiento ya que no requieren mantenimiento. Sin embargo, no soportan las sobrecargas excesivas ya que no son posibles de reparar por su sellado.

Este tipo de baterías utilizan como electrolito una sales de litio que posee los iones necsarios para la reacción electroquímica de carga y descarga. Debido al poco peso de sus componentes, la elevada capacidad energética, el poco efecto de memoria, la capacidad para funcionar con un elevado número de ciclos de regeneración (traducido a vida útil de la batería), entre otros, se han podido desattollar baterías ligeras y con alto rendimiento. Lo anterior hace que sean mucho más faciles de transportar e instalar en comparación con las otras tecnologías. Sin embargo, su elevado costo hacen que no sean tan atractivas aún para la industria fotovoltaica.

INVERSORES

Dispositivo que convierte la corriente directa (DC) proveniente de un montaje solar en corriente alterna (AC) la cual es el tipo que la mayoría de equipos electrónicos utiliza. Poseen la ventaja de transformar la señal directa en distintas formas y fases (Sinusoidal, cuadrada o cuadrada modificada) según los requerimientos del cliente, pero no transfieren en un 100% la carga eléctrica (90-99% de eficiencia).

La instalación depende del tipo de sistema que se diseñe. Si es independiente, el inversor  se conecta directo a la salida del banco de baterías o el controlador y a la entrada del panel de distribución eléctrico. La magnitud de la corriente en estos sistemas depende del voltaje de las baterías el cual debe ser igual al voltaje mínimo del inversor:

Los inversores se clasifican por el tipo y el tamaño de la aplicación donde se instalen y de acuerdo a su clasificación, poseen cualidades que mejoran el desempeño del sistema.

Por lo general operan de 200 W a 400 W (1 módulo fotovoltaico) lo que aumenta la eficiencia del sistema en gran medida, sin embargo, al utilizar muchos más componentes el costo del sistema aumenta significativamente.

Manejan potencias de 1 kW a 100 kW y se instalan generalmente en sistemas fotovoltaicos para autoconsumo como (residencias o pequeños comercios e industrias).

Manejan potencias de 100 kW a 1000 kW, no son tan eficientes o confiables (ya que si alguno falla, se pierde gran parte de la producción energética), sin embargo, para sistemas grandes (granjas solares por ejemplo) son económicamente más viables.

CONTROLADORES DE CARGA

Los controladores de carga son dispositivos encargados de regular la carga eléctrica de la batería proveniente de una fuente DC. Ayudan a mantener la máxima carga posible en las baterías protegiéndose de sobrecargas y sobredescarga y otros fenómenos dañinos.

 

Dependiendo de los tiempos requeridos para acumular energía, la aplicación y el tipo de batería, los controladores pueden regular la carga en una sola fase o en múltiples fases. El controlador de carga siempre debe estar conectado entre el arreglo de celdas solares y el banco de baterías de manera que el banco se encuentre protegido al recibir energía de la fuente.
Los cargadores se clasifican de acuerdo a la manera en que regulan la corriente hacia la batería:

Este tipo de controlador limita la corriente que llega a la batería generando por medio de su algoritmo, un cortocircuito en la conexión de los paneles. En otras palabras, traslada el punto de operación al valor de la corriente de cortocircuito.

El controlador puede proteger los picos de entrega de electricidad mediante dos procesos:

Durante largos periodos de aislamiento la energía producida puede exceder la demanda de consumo eléctrico de manera que la sobrecarga es una condición donde una batería completamente cargada sigue recibiendo energía. En estos casos, el controlador protege las baterías al interrumpir su transferencia desde la fuente.

En los periodos donde existe una demanda excesiva de electricidad, la fuente puede no producir suficiente energía para cargar correctamente las baterías. En estos casos el controlador se encarga de desconectar la red de consumo de la fuente de energía eléctrica y así evitar descargas que ocasionen el deterioro de las baterías.

CABLEADO

El cableado y los conectores eléctricos varían de acuerdo a las condiciones de cada sistema de paneles solares. Se clasifican por los números AWG (American Wire Gauge). Entre mayor es el número, menor será el diámetro del conductor. Por regla, la ampacidad o máxima corriente que el conductor puede resistir debe ser como mínimo un 156% de la corriente generada por el sistema solar.

El aislamiento del cableado también es de suma importancia ya que según su clasificación define tres especificaciones del conductor: máxima temperatura de operación, resistencia a los distintos tipos de fenómenos abrasivos en el medio ambiente y el lugar óptimo de instalación de los cables.

El territorio nacional colombiano al estar ubicado en la zona ecuatorial del mundo, posee una temperatura constante la mayor parte del año. Por la anterior razón es de suma importancia para el diseño y dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos tomar en cuenta cómo afecta la temperatura el desempeño de sus componentes.

Cuando las celdas operan a altas temperaturas, su voltaje se reduce significativamente reduciendo también su eficiencia. La curva de desempeño de la celda muestra este comportamiento.

Es importante conocer a qué temperatura trabajará el banco de baterías ya que, dependiendo de su valor, la capacidad o cantidad de energía que el banco puede almacenar aumenta o reduce su valor. A medida que la temperatura aumenta, la capacidad también aumenta por lo que se recomienda mantener las baterías en recintos cerrados con una temperatura mayor de 20°C.

Es Indispensable que, al momento de seleccionar los accesorios de conexión como el cableado , se tenga conocimiento sobre cómo la temperatura afecta la máxima cantidad de corriente que puede transmitir. Entre mayor sea la temperatura, mayor deberá ser el diámetro del cable para no sufrir daños y evitar riesgos de incendios.