Una instalación fotovoltaica aislada es un sistema que nos autoabastece de energía a través de la irradiación solar en una determinada la zona geográfica donde está ubicada la instalación. A partir de la irradiación solar, los módulos fotovoltaicos producen corriente eléctrica destinada a almacenarse en unas baterías para posterior uso. Al final, con esa corriente almacenada nos autoabastecemos de electricidad en nuestros hogares.
Sin embargo, además de los paneles solares y las baterías, una instalación fotovoltaica cuenta con otros componentes igualmente importantes para garantizar su funcionamiento y así aprovechar la energía recolectada por el sol.
Partes de una instalación fotovoltaica
En la siguiente imagen observará los principales componentes de una instalación fotovoltaica aislada, entre los cuales se encuentran:
El panel solar o los paneles solares captan la energía del sol y la convierten en electricidad en forma de intensidad de corriente continua. Esta se dirige por los cables hasta la batería o las baterías para almacenarse allí, pero antes pasando por el controlador de carga para protegerla de sobretensiones o sobrecargas. Posteriormente, para utilizarse la electricidad almacenada, esta abandona la batería y pasa por un inversor que convierte la corriente continua en corriente alterna. Esta última es la requerida para el funcionamiento de la mayoría de los consumos de un hogar (como los electrodomésticos).
Estos son los principales componentes que toda instalación fotovoltaica debe tener. A continuación, entraremos en mayor profundidad en cada uno de ellos.
Paneles solares
También llamados placas solares o paneles fotovoltaicos son los componentes de la instalación fotovoltaica en dónde inciden la irradiación solar y la convierten en energía eléctrica para posteriormente proporcionar la tensión o intensidad de corriente encargada de mantener la carga constante de la batería.
Los paneles solares están construidos con células fotovoltaicas que convierten la luz solar en electricidad. Estas células estas hechas de materiales semiconductores, compuestos mayormente por silicio, que utilizan el efecto fotoeléctrico para convertir la energía solar (compuesta por fotones) en energía eléctrica (compuesta por electrones).
Los fotones son unas partículas sin masa presentes en la luz que llevan consigo una cantidad de energía determinada, y cuando dichos fotones alcanzan a la placa solar, excitan al material semiconductor de las células fotovoltaicas haciendo que los electrones presente dentro de ellos se muevan, eso es lo que produce una corriente eléctrica dentro del sistema.
Estructura de un panel fotovoltaico
En su composición, el panel solar consiste en una red de células fotovoltaicas en un circuito conectado en serie. Los paneles, por lo general, están compuestos por grupos de 36 o 72 células, para producir los voltajes de 12 y 24V respectivamente.
Cada célula a su vez está compuesta por una serie de láminas apiladas pensadas para garantizar su funcionamiento. Separados por una zona de carga espacial, se encuentran los semiconductores de carga positiva y carga negativa (ambos compuestos por silicio y pequeñas cantidades de otros metales raros), los semiconductores se los apila con láminas de contacto que actúan como medio receptor de electrones excitados, y por último unas grillas metálicas a ambos lados se encargan de redirigir esos electrones al cableado del sistema.
Cuando todas las células fotovoltaicas se conectan en serie correctamente dentro del panel, se empiezan a comportar como una única célula más grande. Dicha célula solar se la recubre con un encapsulante a ambos lados, un vidrio frontal y un marco del lado dónde se recibirá la irradiación solar y un recubrimiento trasero más la caja de conexiones del lado del panel oculto al sol. Los paneles solares poseen más componentes adicionales para garantizar un mejor funcionamiento o por cuestiones de seguridad, se indagará más en ellos en futuros módulos.
Tipos de paneles fotovoltaicos
El material más utilizado para construir las células fotovoltaicas es el silicio. Si bien se utilizan otros materiales para fabricarlos, el rendimiento de los mismos depende más de su estructura interna que por su composición y se clasifican en tipos: Monocristalino, Policristalino o Amorfo.
Los paneles solares solo pueden convertir una cantidad específica de energía solar en electricidad, ya que no son 100% eficientes y no pueden atrapar toda la energía de la luz solar. La mayoría de los paneles solares tienen menos del 20% de eficiencia, lo que significa que solo pueden atrapar alrededor del 20% de la energía solar.
Celdas de silicio monocristalino
Las celdas de silicio monocristalino son las más eficientes, pero también son las más costosas. Se identifican por tener un color azul homogéneo y de forma octogonal. La alta eficiencia de las células solares monocristalinas se debe a que están cortadas de una sola fuente de silicio. Como las células solares monocristalinas están hechas de un solo cristal de silicio, los electrones pueden fluir más fácilmente a través de la célula, lo que hace que la eficiencia sea mayor que la de otros tipos de paneles solares. La eficiencia puede variar de 20 a 25%.
Celdas de silicio policristalino
Las celdas de silicio policristalino son menos eficientes, pero también menos costosas. Se identifican por su color azul poco uniforme, dicho aspecto se debe a que se combinan a partir de múltiples fuentes de silicio. Los múltiples cristales de silicio en cada celda solar dificultan el flujo de electrones, lo que hace que la tasa de eficiencia de los paneles policristalinos sea más baja que la de los paneles monocristalinos. Las clasificaciones de eficiencia de los paneles policristalinos oscilarán normalmente entre el 14 y el 17 %.
Los paneles solares policristalinos son más baratos de producir que los paneles monocristalinos, y es por ello que la mayoría de las instalaciones residenciales utilizan este tipo de paneles solares.
Celdas de silicio amorfo
Las celdas de silicio amorfo son las más baratas y las de menor rendimiento. Se utilizan para aplicaciones pequeñas, por ejemplo, cargadores portátiles. Estos paneles solares también se los llama “de película delgada” y se fabrican depositando una fina capa de una sustancia fotovoltaica sobre una superficie sólida, como el vidrio. Ejemplos de estas sustancias fotovoltaicas incluyen silicio amorfo (a-Si), telururo de cadmio (CdTe), seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS), células solares sensibilizadas por colorante (DSC).
La principal ventaja de las células solares amorfas es que pueden generar electricidad en condiciones de poca luz. Sin embargo, su principal problema es la baja eficiencia de conversión fotoeléctrica, que es solo del 8 al 12%.
Regulador de carga
También llamado controlador de carga, este componente de la instalación fotovoltaica es el encargado de verificar el estado de carga de la batería (si la batería ya está cargada, el regulador cuidará de que esta no se sobrecargue), adaptando diferente ritmo para la carga. En algunos casos, este regulador también se encargar de que la batería no se descargue más de lo programado. Estas funciones son importantes para evitar que la batería (el componente más costoso de la instalación) se dañe irreversiblemente.
A medida que aumenta el voltaje de entrada del panel solar, el controlador de carga regula la carga de las baterías evitando cualquier sobrecarga y desconecta la carga cuando la batería está descargada. Su correcto funcionamiento influye en gran medida en la vida útil de a batería.
Tipos de Reguladores de carga solar
Actualmente, existen dos tipos de controladores de carga comúnmente utilizados en los sistemas de energía fotovoltaica, los de modulación de ancho de pulso (PWM) o de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT).
Controlador de carga solar PWM
PWM o Pulse Wave Modulation, que en español significa Modulación de ancho de pulso, representa el método que utiliza el regulador para controlar la carga. Su función es reducir el voltaje de la matriz solar hasta casi el de la batería para garantizar que esta última se cargue correctamente. En otras palabras, fijan el voltaje del panel solar al voltaje de la batería arrastrando el voltaje a máxima potencia del panel solar hasta el voltaje del sistema de baterías sin cambios en la corriente.
Además, utiliza un interruptor electrónico (MOSFET) para conectar y desconectar el panel solar con la batería. Al cambiar el MOSFET a alta frecuencia con varios anchos de pulso, se puede mantener un voltaje constante. El controlador PWM se autoajusta variando los anchos (longitudes) y la frecuencia de los pulsos enviados a la batería.
Cuando el ancho es del 100%, el MOSFET está completamente ENCENDIDO, lo que permite que el panel solar cargue la batería de forma masiva. Cuando el ancho está en 0%, el transistor está APAGADO y abre el circuito del panel solar, lo que evita que fluya corriente a la batería cuando la batería está completamente cargada.
Controlador de carga solar MPPT
El controlador de carga MPPT extrae la potencia máxima del módulo fotovoltaico al obligarlo a operar a un voltaje cercano al punto de máxima potencia (MPP). Estos son diseñados para ajustar su voltaje de entrada para utilizar la máxima potencia de salida del panel solar y luego transformar esta potencia para suministrar el requisito de voltaje variable. El voltaje de entrada se varía mediante el uso de un convertidor CC/CC.
Los controladores MPPT hacen esto a través de un algoritmo adaptativo que sigue el punto de máxima potencia del panel/matriz solar y luego ajusta el voltaje de entrada para mantener la cantidad de energía más eficiente para el sistema.
La ventaja de rendimiento de un controlador MPPT es sustancial (del 10 al 40%) cuando la temperatura de la celda solar es baja (menos de 45 °C). Son más eficientes que el controlador PWM, llegando a ser la eficiencia de un controlador MPPT típico de alrededor del 94-99%.
Para aprovechar al máximo el potencial del controlador MPPT, el voltaje del conjunto debe ser sustancialmente más alto que el voltaje de la batería. El controlador MPPT es la mejor solución para sistemas de mayor potencia.
Batería
La Batería es el componente de la instalación fotovoltaica encargado de almacenar la energía eléctrica generada por los paneles, transformándola temporalmente en energía electroquímica para posteriormente entregarla a los consumos eléctricos del sistema. Se utiliza para almacenar la energía durante el día y así aprovecharse durante la noche o en aquellos días en los que la irradiación solar sea escasa o no produzcan los paneles fotovoltaicos apenas electricidad. Es una parte esencial de una instalación fotovoltaica fuera de la red y proporciona una fuente constante de energía estable y confiable que permite alimentar dispositivos cuando se pone el sol.
Tipos de baterías
El costo de la batería constituye una gran parte del costo total de la instalación fotovoltaica, y a la hora de seleccionarla se deben tener en cuenta varios criterios de clasificación. Las baterías se clasifican según su aplicación y construcción o según su composición química.
Tipos de baterías según su aplicación
Batería automotriz: Este tipo de batería está diseñada para proporcionar una gran cantidad de corriente durante un corto período de tiempo. Esta oleada de corriente es necesaria para hacer girar el motor de un vehículo durante el arranque. Por lo tanto, se emplean muchas placas delgadas para lograr un área de superficie máxima y, como resultado, una corriente de arranque más alta en las baterías de arranque.
Batería de ciclo profundo: Una batería de ciclo profundo está diseñada para proporcionar una cantidad constante de corriente durante un largo período de tiempo. Este tipo de batería también está diseñada para descargarse profundamente una y otra vez. Para lograr esto, una batería de ciclo profundo utiliza placas más gruesas. Esto conducirá a superficies más bajas y, en consecuencia, menos potencia instantánea, a diferencia de las baterías de arranque. Este tipo de baterías son las más recomendadas para proyectos de instalaciones fotovoltaicas.
Tipos de baterías según su composición química
Dos de los tipos de baterías más comunes, en cuanto a su composición química, son las de iones de litio y de plomo-ácido. Aparte de estos, las baterías de NiCd (Níquel-Cadmo) también se utilizan para aplicaciones con energías renovables, pero aquí no se tendrán en cuenta por su alto porcentaje de autodescarga (ver más adelante en el módulo dedicado la selección de la batería).
En líneas generales, y como sus nombres lo indican, las baterías de plomo-ácido se fabrican con plomo, mientras que las baterías de litio se fabrican con el metal litio. Tanto las baterías de litio como las de plomo-ácido pueden almacenar energía de manera efectiva, pero cada una tiene sus ventajas y desventajas características.
Batería de plomo-ácido
La batería de plomo-ácido es una tecnología comprobada que cuesta menos, pero requiere un mantenimiento regular y su duración no suele ser muy extensa. De esta tecnología se subdividen a su vez, las baterías de plomo-ácido inundado (FLA) o las de ácido de plomo sellado (SLA). Las baterías FLA se sumergen en agua para funcionar y deben revisarse regularmente y rellenarse cada 1-3 meses para que sigan funcionando correctamente. También debe instalarse en un lugar ventilado para permitir que escapen los gases de la batería.
Las baterías SLA vienen en dos tipos, AGM (Absorbent Glass Mat) y Gel, que tienen muchas propiedades similares. Requieren poco o ningún mantenimiento y son a prueba de derrames. La diferencia clave entre las baterías AGM y las de gel es que las baterías de gel tienden a tener tasas de carga y rendimiento más bajos. Las baterías de gel generalmente no pueden manejar tanta corriente de carga, lo que significa que tardan más en recargarse y generan menos energía.
Batería de litio
El litio es una tecnología de batería con una vida útil más larga y una mayor eficiencia, pero más costosa por el aumento del rendimiento. Las baterías de litio que se emplean en las instalaciones fotovoltaicas son de fosfato de hierro y litio (LiFePO4) que tienen una gran estabilidad térmica, altas clasificaciones de corriente y un largo ciclo de vida. Esta nueva tecnología dura más y se puede someter a ciclos más profundos. Tampoco requieren mantenimiento ni ventilación, a diferencia de las baterías de plomo-ácido. El principal inconveniente de las baterías de litio es su precio más alto en comparación con las baterías de plomo-ácido en este momento.
Inversor
El inversor es un dispositivo que convierte la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA) igual a la red eléctrica para alimentar los electrodomésticos: 110V – 60Hz en América o 230V – 50Hz en Europa. Por norma general, el inversor se conecta siempre a la salida de la batería y NO al regulador de carga.
Tipos de inversor
Lo mejor es que sea lo más baja posible para que el inversor tenga un buen rendimiento. En función de la onda de salida generada tenemos 3 tipos de inversores:
- Inversores de onda cuadrada
- Inversores de onda sinusoidal modificada
- Inversores de onda sinusoidal pura
El inversor de onda cuadrada es más barato de todos, pero no es adecuado para todos los electrodomésticos. La salida de onda cuadrada no es adecuada para refrigeradores, hornos de microondas, equipos electrónicos sensibles, impresoras láser y la mayoría de los tipos de motores. Se basan en una rectificación muy simple de la onda de corriente continua de entrada, con muy poca modulación o filtrado. La onda resultante tiene un gran contenido en armónicos no deseados. La distorsión armónica total (THD) es bastante elevada, en torno al 40%, y su rendimiento es bajo, en torno al 50-60%.
Normalmente, los inversores de onda sinusoidal modificada presentan una THD del 20% y sus rendimientos son mayores del 90%. Se pueden utilizar para alimentar a muchos electrodomésticos, pero no son recomendados para aplicaciones inductivas como motores o bombas de agua. En general, funcionan con menor eficiencia que los inversores de onda sinusoidal pura.
Por último, los inversores de onda sinusoidal pura tienen un cuidadoso filtrado de la señal generada. En general son la mejor opción para la alimentación de cargas en corriente alterna. La onda sinusoidal es la mejor forma de onda eléctrica para alimentar equipos electrónicos que sean más sofisticados, por ejemplo: impresoras láser, televisores de pantalla de plasma, etc. Lo recomendable, es utilizar este tipo de inversores en cualquier instalación fotovoltaica aislada.
Consumos eléctricos
Por último, los consumos, las cargas o consumidores de energía son cualquier componente del circuito de la instalación fotovoltaica que ofrecen una mayor o menor resistencia al paso de la corriente, por lo que al conectarse a una fuente de fuerza electromotriz se considera como una “carga” o consumidor de energía eléctrica.
Tipos de consumos eléctricos
Los consumos pueden venir en dos tipos, los que consumen corriente continua o los que consumen corriente alterna. Los primeros se caracterizan por NO necesitar de un inversor para poder ser abastecidos de energía. Ejemplos: Bombillas LED, linternas, celulares, cámaras digitales, calculadoras, laptops, etc.
Los últimos, en cambio, requieren de un inversor y funcionan generalmente a 110 V y 60 Hz en el continente americano o 230 V y 50 Hz en el continente europeo. Ejemplos: lavarropas, refrigeradores, impresoras, ventiladores, Aires acondicionados, microondas, televisores, etc. En los próximos módulos dimensionaremos casa componente de la instalación paso a paso realizando los cálculos correspondientes, partiendo como base con qué consumos se quiere abastecer la instalación, tanto en corriente alterna como continua.
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Gracias por informar estoy en proyecto para casa granja y me inreresa los paneles solares
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