Paneles solares by Diseño Delivery

PANELES SOLARES Principios de funcionamiento

Ing. Alex Atilano

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Índice 1. La energía solar, una energía renovable

2. Aplicaciones de la energía solar fotovoltaica

2.1. Las células solares y el efecto fotovoltaico

2.2. Componentes de una instalación fotovoltaica

2.3. Aplicaciones de la energia solar fotovoltaica

3. La radiación solar

3.1 La incidencia de la radiación solar

3.2. Las radiaciones que inciden en la superﬁcie terrestre

4. Las células solares

4.1 Composición física de las células solares

4.2. Tipos de células solares en el mercado

4.3. Parámetros de la célula solar

5. Paneles Solares

5.1 Componentes del panel solar

5.2 Interconexión de Paneles Solares

5.3 Orientación y distribución de los captadores

5.4 Distancia mínima entre paneles solares

6. Otros componentes de la instalación

6.1 Acumuladores

6.2 Reguladores

6.3 Inversores

6.4 Las estructuras de soporte y los elementos de ﬁjación

7. Cálculo de instalaciones de energía solar fotovoltaica.

7.1 Estudio de las necesidades que hay que cubrir

7.2. Cálculo del coeﬁciente de rendimiento total (R)

7.3 Cálculo de la energía necesaria (E)

7.4 Cálculo de la capacidad del acumulador (Cbat)

7.5 Cálculo de la radiación recibida en la zona de la instalación 7.6 Cálculo del número de Horas Solar Pico (HSP)

38 39

7.7 Cálculo de la energía que deben suministrar los paneles teniendo en cuenta el regulador de carga

1. La energía solar, una energía renovable Las energías renovables son aquellas que están presentes de forma potencial en la naturaleza y que poseen unas posibilidades de utilización prácticamente ilimitadas. El término energía renovable engloba una serie de fuentes de energía que en teoría no se agotan con el paso del tiempo. Estas fuentes supondrían una alternativa a las llamadas fuentes convencionales (no renovables) y producirían un impacto ambiental mínimo. Las energías renovables más importantes aparecen organizadas en el esquema siguiente:

Fig. 1. Esquema de la Energía Renovable

Como puedes ver, la mayor parte de las energías renovables tienen como fuente de energía directa (fotovoltaica o térmica) o indirecta (hidráulica, eólica, etc.) las radiaciones solares. En este apartado nos centraremos en el estudio de las instalaciones de energía solar fotovoltaica, por el hecho de ser singulares y aplicables a viviendas y ediﬁcios. Actividades 1. ¿Por qué la energía solar fotovoltaica se considera una fuente de energía renovable? 2. Elige cinco tipos de energía renovable de los que aparecen en el esquema de la ﬁgura 1 y explica su funcionamiento.

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2. Aplicaciones de la energía solar fotovoltaica 2.1. Las células solares y el efecto fotovoltaico Los sistemas fotovoltaicos se basan en unos dispositivos llamados células solares o células fotovoltaicas. Una célula solar transforma directamente la energía lumínica en corriente eléctrica por medio del efecto fotovoltaico. El efecto fotovoltaico fue descubierto en 1839 por el físico francés Edmond Becquerel. En uno de los múltiples experimentos que efectuaba para estudiar la electricidad, observó que dos placas de metal sumergidas en un liquido conductor y expuestas a la luz del sol generan una pequeña tensión. Podríamos decir que el efecto fotovoltaico que se observa en algunos elementos químicos es la capacidad de absorber fotones (nombre que reciben las partículas de luz del sol) y liberar a continuación una corriente de electrones.

2.2. Componentes de una instalación fotovoltaica El elemento esencial de una instalación fotovoltaica es la célula solar. En el apartado 4 veremos de que materiales se componen y cuáles son sus parámetros más importantes. Estudiaremos cómo se integran en los paneles solares y detallaremos los diferentes componentes necesarios pera realizar una instalación fotovoltaica. Concretamente, son los siguientes: Paneles solares (apartado 5) Acumuladores (apartado 6.1) Reguladores (apartado 6.2) Inversores (apartado 6.3) Estructuras de soporte y elementos de ﬁjación (apartado 6.4) Antes de abordar el tema es preciso explicar que son las radiaciones solares, cómo llegan a la superﬁcie terrestre y cómo podemos aprovechar mejor su incidencia (apartado 3).

Fig. 2. Los elementos esenciales de una instalación fotovoltaica son las células solares, que vienen integradas en los paneles.

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2.3. Aplicaciones de la energia solar fotovoltaica Aplicando este efecto pueden ejecutarse instalaciones de electriﬁcación autónoma o interconectada a lared, ademas de otras aplicaciones más especíﬁcas.

Instalaciones de electriﬁcación autónoma Estas instalaciones tienen una total autonomia energetica. Se construyen especialmente en lugares en que, por motivos economicos, tecnicos o medioambientales, no es posible hacer llegar la red de distribucion electrica (casas rurales aisladas, sistemas de senalizacion, satelites, etc.). En la ﬁgura puedes observar un esquema de principio de un sistema fotovoltaico aislado de la red de distribucion electrica, con la simbologia utilizada habitualmente.

Fig.3. Esquema de principio de un sistema Fotovoltaico aislado de la red de distribución eléctrica.

Instalaciones interconectadas a la red eléctrica Los sistemas fotovoltaicos también pueden interconectarse a la red eléctrica. Distinguimos dos tipos de instalaciones: Aquellas que aprovechan la energía producida en el propio ediﬁcio e inyectan la sobrante a la red de distribución eléctrica. Aquellas que inyectan directamente toda la producción de energía eléctrica a la red de distribución general y se aprovechan de ella para su propio consumo.

Fig. 4. Esquema de la instalación fotovoltaica eléctrica. Observa la disposición de la energía fotovoltaica producida . www.suntechnologycenter.com

Otras aplicaciones Los sistemas fotovoltaicos son útiles en un sinfín de aplicaciones específicas donde no existe o no se necesitan fuentes de energía a través de la red. Algunos ejemplos son los siguientes: Las aplicaciones agricolas son numerosas, como las utilizadas para el bombeo de agua de pozos, el riego automatico, etc. También son bastante utilizados en las carreteras y autopistas, donde sirven para alimentar equipos aislados, tales como senales de trafico, puntos de socorro, equipos de comunicacion, camaras, iluminacion, etc. Finalmente, también se emplean en el espacio, donde se necesita una fuente de energia autonoma y fiable para la alimentacion de satelites y otros ingenios espaciales, como la sonda marciana Pathfinder. Actividades 3. Cita diferentes lugares o espacios donde hayas visto una instalación solar fotovoltaica. En cada uno de los casos indica las ventajas y desventajas de un sistema de este tipo con respecto a la conexión eléctrica convencional. Fig. 5. Cada vez son más numerosas las aplicaciones de la energía fotovoltaica.

3. La radiación solar 3.1 La incidencia de la radiación solar Las radiaciones que emite el sol La energia solar llega a la Tierra en forma de ondas electromagneticas que se desplazan por el espacio en todas las direcciones sin ningun soporte material. Este efecto, denominado radiacion, se refiere a un fenomeno fisico vibratorio que se representa mediante ondas. Cada onda se caracteriza por su frecuencia, longitud de onda, etc. (mas adelante estudiaremos estos conceptos). Estas radiaciones provienen de la fusion que se produce en su interior, fundamentalmente por la transformacion del hidrogeno en helio (cuatro nucleos de hidrogeno se funden para crear uno de helio), provocada por las elevadisimas temperaturas de millones de grados. En la formacion del helio se libera una gran cantidad de energia en forma de radiacion. Estas radiaciones electromagnéticas circulan por el espacio, aunque la Tierra solo intercepta una pequeña parte de esta energía. Las radiaciones nos llegan del Sol en los siguientes porcentajes: 7% de luz ultravioleta / 47% de luz visible / 46% de luz infrarroja Se entiende por constante solar la cantidad de energía solar recogida por unidad de superficie perpendicular al Sol en el limite exterior de la atmósfera. Tiene un valor de 1.353 W/m2.

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La incidencia de la atmósfera sobre las radiaciones solares Los valores de la constante solar no son los que llegan a la superficie de la Tierra, ya que la atmosfera terrestre actua sobre la incidencia de los rayos solares e influye de forma importante en el espectro de la radiacion que llega a la superficie. Los procesos que se producen en la atmosfera son la absorción, reflexión y difusión de los rayos solares. Debido a estos fenomenos provocados por los gases presentes en la atmosfera, la tercera parte de la energia solar incidente vuelve al espacio exterior, mientras que el resto de la radiacion es absorbida y posteriormente vuelta a enviar en su mayor parte en forma de calor (radiaciones de onda larga). Las radiaciones de onda corta son absorbidas principalmente por la presencia de nitrogeno y oxigeno en la atmosfera, mientras que las de onda larga son absorbidas por el CO2 y el vapor de agua. Las radiaciones ultravioletas son absorbidas por la capa de ozono. Las condiciones meteorologicas tambien influyen en la radiacion incidente. Por ejemplo, las gotas de vapor de agua presentes en la atmosfera producen reflexion y las radiaciones de onda corta quedan esparcidas en su mayor parte por el aire (de ahi que veamos el cielo de color azul).

3.2. Las radiaciones que inciden en la superficie terrestre El valor estandar de referencia de radiacion solar Una vez superada la atmosfera, podemos distinguir tres tipos de radiacion incidente en una superficie: Radiacion directa (I). Es la que se recibe directamente del Sol, sin sufrir dispersion atmosferica alguna. Radiacion difusa (D). Es la que se recibe del Sol despues de haber sido desviada por dispersion atmosferica. Lo es tanto la que se recibe a traves de las nubes como la procedente del cielo azul. No tiene una orientacion determinada y llega desde todas las direcciones. Radiacion reflejada o de albedo (R). Es la que ha sido reflejada en la superficie terrestre. Depende principalmente del coeficiente de reflexion del terreno tambien llamado albedo. Las superficies blancas, por ejemplo, tienen coeficientes de reflexion mas altos que las oscuras. La suma de estos componentes da lugar a la radiacion global: Global = I + D + R A pesar de esta variabilidad, la industria ha encontrado un valor de referencia, que es el siguiente: Valor estandar de referencia de radiacion solar: 1.000 W/m2

La incidencia de las radiaciones sobre el punto de captación La Tierra es un planeta de forma casi esferica que da vueltas sobre su eje y en orbita alrededor del sol. Parece logico pensar que estos elementos hacen variar las caracteristicas de la incidencia y la intensidad de los rayos solares. Por ejemplo, la incidencia de las radiaciones no es la misma en Helsinki que en Sevilla.

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Por esta razon debemos partir de la localizacion del punto de captacion. Para ello disponemos de un sistema de coordenadas que nos permite conocer la situacion exacta de cualquier punto sobre la Tierra. Las dos coordenadas que debemos conocer previamente son la latitud (1) y la longitud (L).

Fig. 6. Lineas y puntos terrestres

Latitud (l).Es el arco del meridiano que va del ecuador al punto donde se encuentra el lugar. La latitud siempre es menor o igual de 900 y se llama Norte (N) cuando el lugar se encuentra en el hemisferio Norte, y Sur (S) cuando esta en el hemisferio Sur. En los calculos, se da el signo positivo (+) a las latitudes Norte y el negativo (–) a las latitudes del Sur. Los puntos que tienen la misma latitud se encuentran en el mismo paralelo. Longitud (L). Es el arco del Ecuador que va del meridiano superior de Greenwich al meridiano superior del lugar. La Longitud siempre es inferior o igual a 180o. Utilizamos la indicacion longitud oeste (LW) cuando el lugar, visto desde el extremo de la tierra y con el polo norte arriba, queda a la izquierda del meridiano de Greenwich; longitud este (LE) cuando, en las mismas condiciones, el lugar queda a la derecha del meridiano de Greenwich. En los calculos las LW son positivas (†) y las LE negativas (-). Los puntos que tienen la misma longitud estan en el mismo meridiano. Fijate en los ejemplos siguientes: L’Hospitalet de Llobregat se encuentra en una latitud de 41,22 N y en una longitud de 2,08 E. Madrid se encuentra en una Latitud de 40,24 N y una longitud de 3,41 O. Nueva York, latitud 40,67 N y longitud 73,94 O. En la figura 6 el punto A tiene aproximadamente: 1N = 30o , LW = 80o ; y el punto B tiene aproximadamente : IS = 20o , LE = 30o Los puntos que estan en el Ecuador tienen latitud 0o y en los polos 90o. Los lugares que se encuentran en el meridiano de Greenwich tienen longitud 0o y los que se encuentran en el meridiano posterior a Greenwich tiene longitud 180o. Líneas principales de la Tierra Ejes y polos La Tierra gira alrededor de un eje y tarda un "dia" en dar una vuelta completa. Eje de la Tierra es el nombre que se da al diametro sobre el que gira, mientras que los extremos de este eje son denominados polos Norte y Sur. Ecuador y paralelos El ecuador es el circulo maximo normal o perpendicular al eje de la Tierra. Los polos estan separados 90 ‹ del ecuador. La esfera terrestre queda, por tanto, dividida por el ecuador en dos semiesferas o hemisferios, llamados Norte o Sur, segun el polo que tenga en su centro. Los paralelos son los circulos menores paralelos al ecuador. Hay infinidad de paralelos, pero los siguientes tienen un nombre especifico:

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* Tropico de Cancer. Es el paralelo del hemisferio Norte, separado del ecuador 23 ‹ 27'. * Tropico de Capricornio. Es simetrico al de Cancer en el hemisferio Sur, tambien separado del ecuador 23 ‹ 27'. * Circulo polar Artico. Es el paralelo que se encuentra separado del polo Norte 23 ‹ 27'. * Circulo polar Antartico. Es el paralelo que se encuentra separado del polo Sur 23 ‹ 27'. Los meridianos Son los circulos maximos que pasan por los polos y, por tanto, son perpendiculares al Ecuador. Existen inﬁnidad de meridianos, pero dos de ellos reciben un nombre especiﬁco: Meridiano del lugar. Es el meridiano que pasa por el punto donde nos encontramos. El primer meridiano es el que se toma como origen para medir las longitudes; actualmente, el primer meridano es el de Greenwich, que es el que pasa por el observatorio de esta ciudad inglesa.

Radiación sobre las superficies Como puedes ver en la figura 7, la intensidad de radiacion es maxima cuando los rayos del Sol inciden casi verticalmente; esto sucede durante el mediodia en las latitudes que estan entre los dos tropicos. Cuando disminuye el angulo, la misma cantidad de energia solar se extiende sobre una superficie mayor y da como resultado una menor intensidad de radiacion. Es evidente que la intensidad sobre la superficie varia en la misma proporcion en que lo hace la energia E. Por tanto, si llamamos a la intensidad directa sobre la superficie inclinada e IDa la intensidad directa sobre la horizontal, entonces: I'D = ID cosα Este efecto de inclinacion es la causa por la que los rayos solares calientan mucho mas durante el mediodia que durante las primeras horas de la manana (o durante las ultimas de la tarde), ya que en estos ultimos casos el angulo que forma el rayo con la normal a la superficie es grande y, por tanto, el factor cos α hace que la intensidad sea pequena.

Fig. 7. Intensidad de la radiación según el ángulo de incidencia

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La situación de España en las coordenadas El primer meridiano o meridiano de Greenwich divide los Pirineos y deja parte de Cataluna al este; exactamente pasa por Castellon de la Plana, de modo que Valencia y Alicante quedan con una longitud oeste muy pequena, y Tarragona y Barcelona con longitudes este (la LE de Barcelona es de –2° 11'). Sin embargo, la mayor parte de nuestra peninsula tiene longitud oeste, siendo el valor maximo cercano a +9° 18' en Galicia. Las Islas Canarias quedan mas al oeste. Su isla mas occidental es la del Hierro, por la cual pasa el meridiano +18.

Fig. 8. Localización de Espana.

Medidores de radiación solar Existen varios métodos para medir la radiación solar.

El piranometro. Es el metodo mas aceptado. Es un instrumento que mide la radiacion global (la directa mas la difusa), habitualmente sobre una superficie horizontal. El pirheliometro. Este instrumento se enfoca directamente hacia el Sol para medir exclusivamente la radiacion que proviene de el y de sus alrededores cercanos; es decir, es un instrumento que mide la radiacion directa. A diferencia del piranometro, que suele instalarse de manera fija, el pirheliometro debe contar con un sistema de movimiento de relojeria para seguir el Sol con gran precision. Las celulas calibradas. Consiste en unas celulas fotovoltaicas que un laboratorio acreditado ha puesto a prueba, iluminandolas con luz solar artificial y estableciendo una relacion proporcional entre la radiacion recibida y la produccion electrica. Se trata de medidores de menor precision que los anteriores pero que, dado su bajo coste, son ideales como comprobadores del buen funcionamiento de las instalaciones. Asi, colocando una de estas celulas, puede contrastarse la produccion de las instalaciones con la radiacion aproximada recibida. Su pequeno tamano (35 x 35 mm y 8 gramos de peso) hace que sean muy indicadas para construir un instrumento de medicion con un pequeno miliamperimetro de 300 mA de fondo de escala. Su comportamiento es totalmente lineal. En la tabla adjunta puede observarse

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el comportamiento de una de estas celulas. La ﬁg. 9 muestra el esquema electrico de un medidor de radiacion solar con una celula calibrada.

Fig. 9 Esquema electrico de un medidor solar con una celula calibrada

Actividades 4. Un haz de rayos de Sol con una intensidad de 750 W/m2 incide sobre una superficie horizontal, formando un angulo de 45° con la normal de la misma. .Que intensidad efectiva recibe? 5. Compara los valores de la constante solar y el valor estandar de referencia de radiacion solar. Explica ambos conceptos y las razones por las que los valores de la radiacion solar no son los mismos en la atmosfera que en la superficie terrestre. 6. Explica los diferentes tipos de radiacion incidente sobre una superficie. Pon un ejemplo de cada uno de ellos. 7. Busca las coordenadas de tu localidad o provincia y argumentalas. 8. Completa la tabla siguiente indicando las ventajas e inconvenientes de los diferentes instrumentos de medicion de la radiacion solar.

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4. Las células solares 4.1 Composición física de las células solares Hemos visto que para producir el efecto fotovoltaico se necesitan las celulas solares. Estas celulas utilizan materiales semiconductores, especialmente el silicio. En el modulo de Electrotecnia ya has estudiado las caracteristicas de estos materiales y sus aplicaciones electrotecnicas. Por esta razon, en este apartado hablaremos de ellos rapidamente, a modo de repaso. Los materiales semiconductores Los electrones de la ultima capa del atomo (la mas externa) se denominan electrones de valencia. En funcion de la fuerza con que estos electrones esten unidos al nucleo, y, por lo tanto, segun la facilidad con la que puedan desplazarse de un atomo al contiguo, los materiales pueden clasiﬁcarse en conductores, semiconductores y aislantes. La caracteristica fundamental de los cuerpos semiconductores es la de poseer 4 electrones en la orbita de valencia. Con esta estructura el atomo es inestable. Para estabilizarse debe afrontar el siguiente dilema: "le cuesta lo mismo desprenderse de los cuatro electrones perifericos y quedarse sin una orbita, que absorber cuatro mas para hacerse estable, pues tendria en la orbita de valencia ocho electrones". Por ejemplo, un elemento semiconductor es el silicio (Si), que consta de 14 electrones y 14 protones. Las celulas solares, un elemento semiconductor Las celulas solares son unos semiconductores en los que se ha creado artiﬁcialmente un campo electrico permanente, de forma que, cuando se expone a la luz del Sol, se produce la circulacion de electrones y la aparicion de corriente electrica entre las dos caras de la celula. Entre los diversos materiales semiconductores utilizados para la fabricacion de celulas solares fotovoltaicas, el silicio (Si) es el mas empleado. Dicho material es dopado con otro elemento como el fosforo (P) para constituir una capa de semiconductor n (con exceso de carga negativa). Si esta dopado por otro elemento como el boro (B), se constituira una capa p (con exceso de cargas positivas). Cada celula solar se compone de una delgada capa de material tipo N y otra de mayor espesor, de material tipo P. Ambas capas separadas son electricamente neutras, pero cuando son unidas, justamente en la union (P-N) se genera un campo electrico debido a los electrones libres del silicio tipo N que ocupan los huecos de la estructura del silicio tipo P. Al incidir los fotones sobre la celula solar, chocan con los electrones de la estructura de silicio, les dan energia y los transforman en conductores. Debido al campo electrico generado en la union P-N, los electrones son orientados de la capa P a la capa N. La potencia que puede dar una celula solar varia en funcion de la radiacion solar recibida. Por lo tanto, se suele medir en vatios pico (Wp), que es la potencia que puede proporcionar la celula con una radiacion de 1.000 W/m2 y a una temperatura de 25°C.

Fig. 10. Principio de Funcionamiento de células solares

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4.2. Tipos de células solares en el mercado Existen comercializados en el mercado tres tipos de celulas de silicio en funcion de su estructura cristalina:

Fig. 11. Celulas Fotoelectricas

Silicio monocristalino.- Todos los atomos estan perfectamente ordenados. En su proceso de cristalizacion se depositan los atomos sobre el cristal ya formado respetando siempre el mismo orden. El color que presenta es muy monocromatico: azul oscuro y con un cierto brillo metalico. El rendimiento sobrepasa el 19% en modelos comerciales (veremos que significa este parametro a continuacion). Silicio policristalino.- Formado por el agrupamiento de cristales de silicio donde las direcciones de alineacion de los atomos cambian cada cierto tiempo durante el proceso de deposicion. Tienen el aspecto de una amalgama de cristales de diferentes tonos azules y grises con un brillo metalico. El rendimiento no sobrepasa el 15% en modelos comerciales. El coste de fabricacion de este tipo de celulas es inferior al del tipo anterior. Silicio amorfo.- Ha desaparecido la estructura cristalina ordenada y el silicio se ha depositado formando una capa fina sobre un soporte transparente. Sus colores son el marron y el gris oscuro. El silicio amorfo es utilizado para la alimentacion de calculadoras y otros pequenos objetos con funciones muy diversas. El rendimiento no sobrepasa el 9% en modelos comerciales. Entendemos por rendimiento el cociente entre la potencia electrica maxima que puede suministrar la celula y la potencia luminosa equivalente en vatios que incide sobre su superficie.

4.3. Parámetros de la célula solar Los principales parametros que caracterizan una celula fotovoltaica son: Intensidad en cortocircuito (Isc) Es aquella que se produce a tension cero y puede ser medida directamente con un amperimetro conectado a la salida de la celula solar. Su valor varia en funcion de la superficie y de la radiacion luminosa a la que la celula esta expuesta. Normalmente, y para celulas de 100 milimetros de diametro, su valor se aproxima a los 2,4 A, para una radiacion de 1.000 W/m2. Tension en circuito abierto (Voc) Es la tension que podemos medir al no existir una carga conectada. Representa la tension maxima que puede dar una celula. Se mide conectando un voltimetro entre sus bornes. Su valor se situa, segun el tipo de construccion, alrededor de los 0,5 V. Potencia de pico (Wp) Es la maxima potencia electrica que puede suministrar una celula y se define por el punto de la curva I-V. El producto de la intensidad producida y la tension da como resultado un valor maximo. Todos los puntos restantes de la curva generan valores inferiores. El funcionamiento de una celula solar se representa mediante una curva caracteristica de intensidad y tension que define su comportamiento. www.suntechnologycenter.com

Fig. 12. Comportamiento electrico de una Celula solar

Ejemplo 1 Disponemos de un modulo fotovoltaico de la empresa ATERSA con la referencia A-65. Los datos que me suministra el fabricante son los siguientes: Esta formado por 36 celulas de 5 pulgadas. Tension en punto de maxima potencia 16,3 V. Potencia de prueba }100/o 65 W. Corriente de cortocircuito 4,60 A Corriente en punto de maxima potencia 4 A. Tension en circuito abierto 20,5 V Calculo de la potencia de pico que puede suministrar este modulo fotovoltaico. Wp = Voc .Vsc = 4,60 A . 20,5 V = 94,3 W Factor de forma (FF) El factor de forma es un parametro de gran utilidad practica, ya que nos da una idea de la calidad de la celula fotovoltaica, comparando la potencia maxima con el producto de la intensidad en cortocircuito y la tension en circuito abierto. Se deďŹ ne mediante la siguiente expresion: FF = Ip .Vp Isc .Voc Donde: FF es el factor de forma. Ipes la corriente de maxima potencia. Vp es la tension de maxima potencia. Tsces la corriente de cortocircuito. Voc es la tension en circuito abierto. Evidentemente, el factor de forma (FF) siempre sera un valor mas pequeno que la unidad, y la celula fotovoltaica sera mejor cuanto mas se aproxime a esta cifra. Normalmente, en las celulas comerciales el FF esta comprendido aproximadamente entre 0,7 y 0,8, teniendo las celulas de silicio monocristalino un valor superior a las de silicio policristalino. Ejemplo 2 A partir de los datos del ejemplo anterior, calcula el factor de forma de dicho modulo fotovoltaico. FF =I p . Vp = 4 A . 16,3 V = 65,2 = 0,69 Isc .Voc 4,60 A . 20,5 V 94,3 W

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Eficacia de conversión. Rendimiento (n) El parámetro que mejor define la utilidad de un tipo de célula es el rendimiento, que se define como el cociente entre la potencia eléctrica máxima que puede suministrar la célula y la potencia luminosa equivalente en vatios (W) que incide sobre la superficie. El rendimiento se expresa mediante: n = Wp Wr Donde: n es el rendimiento Wpes la potencia de pico Wres la potencia equivalente en vatios de la radiación incidente. Para las células de silicio monocristalino el rendimiento máximo obtenido en laboratorio se sitúa entre el 22% y el 24%, y disminuye hasta el 15% aproximadamente en células comerciales del mismo tipo. Teniendo en cuenta las variaciones de temperatura y de irradiación, se han definido unas condiciones nominales o estándar con objeto de poder evaluar y comparar diferentes células. Estas condiciones estándar son: 25°C de temperatura de funcionamiento, una irradiación de 1.000 W/m2 y una masa de aire (AM) de 1,5 según la norma EN 61215. La masa de aire (AM) es una medida de la distancia que recorre la radiación a través de la atmósfera y que varía en función del ángulo de incidencia del Sol con la normal a la superficie terrestre. Ejemplo 3 ¿Qué rendimiento (%) tendrá una célula cuadrada de 1.000 mm por lado con una intensidad pico de 2,5A y una tensión en circuito abierto de 20,5 V si está expuesta a una radiación luminosa de 1.000 W/m2? S = 1² = 1² = 1 m² Wp= Ip . Vp = 2,5 A . 20,5 V = 51,25 W n = Wp = 51,25 W / 1m² = 0,05125 0/1 Wr 1000 W / 1m² N = 5,125 % Actividades 9. Que rendimiento % tendrá una célula de 150 mm de diámetro, con una potencia de pico de 35W/m² y expuesta a una radiación luminosa de 1.000 W/m²? 10. Calcula el valor de la potencia máxima que suministra un modulo fotovoltaico si la corriente de cortocircuito es de 3,5 amperios, la tensión en circuito abierto es de 14,7 voltios y el factor de forma es de 0,72. 11. Algunos años atrás se originó en Valencia una gran tormenta de medianoche. ¿Es posible que 72 horas después hiciese un tiempo soleado? 12. A partir de los siguientes datos que nos da un fabricante, calcula el factor de forma del modulo fotovoltaico. Potencia en prueba: 7,40 A; tensión en circuito abierto: 20,5 V.

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5. Paneles Solares Los paneles solares son elementos que captan la energia de la radiacion solar y la transforman en energia electrica. Estos paneles estan formados por un conjunto de celulas solares conectadas (en serie y/o en paralelo), de manera que nos proporcionan los valores de intensidad de corriente y tension necesarios para nuestra aplicacion. Ademas estan encapsulados para protegerlos de los agentes externos. El mercado ofrece diferentes tipos de modulos y de celulas solares. Un panel fotovoltaico en condiciones normales de funcionamiento puede tener una vida util superior a los 20 anos.

5.1 Componentes del panel solar Las partes mas importantes de un panel solar son las siguientes:

Fig. 13. Partes de un panel solar

Cubierta exterior. Tiene la mision de proteger el panel. Suele estar fabricada de vidrio para facilitar la penetracion de la radiacion solar y evitar en todo caso las radiaciones que esten fuera del espectro visible del material fotovoltaico del que se componen las celulas. La cara exterior de esta cubierta ha de ser lo mas lisa posible para que la suciedad no se deposite en ella y evite el paso de la luz. La cara interna (en contacto con el encapsulan-te y la celula) debe ser rugosa para facilitar la penetracion de la radiacion. Capas encapsulantes (anterior y posterior). Son las que ďŹ jan y mantienen unidas las celulas solares y sus contactos de conexion. Los materiales utilizados son siliconas, resinas y derivados del plastico. Celulas fotovoltaicas. Ya hemos hablado de ellas en el apartado anterior. Proteccion posterior. Esta proteccion es el cierre del panel y no esta expuesta al Sol. Se fabrican con materiales acrilicos y siliconas. Marco soporte. Tiene la mision de sostener y ďŹ jar el panel a la base o soporte en donde quedara instalado. Suele ser de aluminio anodizado. Contactos electricos de salida. La conexion del panel al circuito exterior se puede hacer de dos maneras: mediante unos bornes colocados en el panel y mediante un cable de uno o dos metros que salga del panel. Diodo de proteccion. En las placas solares se suelen conectar diferentes diodos. Los hay de dos tipos, los diodos de bloqueo y los diodos bypass: - Diodos de bloqueo. Impiden que la bateria de acumuladores se descargue en condiciones de ausencia de luz solar. - Diodos bypass. Protegen cada panel de los posibles danos ocasionados por sombras parciales (fenomeno del punto caliente).

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Fig. 14 Conexion de los diodos de proteccion.

5.2 Interconexiรณn de Paneles Solares Es evidente que los parametros electricos de un panel fotovoltaico dependen del tipo de asociacion en que se encuentran las celulas entre si. Normalmente las celulas estan conectadas en serie en el modulo fotovoltaico. Las celulas utilizadas para construir el modulo fotovoltaico deben tener los mismos parametros electricos para que no se produzcan descompensaciones que limiten su funcionamiento. Las caracteristicas de un generador fotovoltaico dependen del tipo de asociacion en que se encuentran los paneles o modulos entre si. Recordemos que no hay que conectar nunca modulos con diferentes caracteristicas electricas. Para conectarlos tenemos tres posibilidades: Conexion en paralelo. Con los modulos conectados en paralelo conseguimos mantener la tension del modulo y aumentar la intensidad. Conexion en serie. Con los modulos conectados en serie mantenemos la intensidad y aumentamos la tension. Conexion mixta (en serie/en paralelo). Con este tipo de combinacion, la tension de salida es el producto del numero de modulos en serie (N5) por la tension de un modulo. La intensidad total es el producto de la intensidad de un modulo por el numero de paneles en paralelo (Np).

Fig. 15 Conexiรณn de Paneles solares en: Paralelo, en serie y mixta.

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5.3 Orientación y distribución de los captadores La energía que puede captar un panel solar depende tanto de la climatología como de la situación u orientación del panel. Deberemos tener ambos aspectos en cuenta cuando instalemos un sistema fotovoltaico.

Parámetros para la orientación de los paneles Para que una instalacion solar reciba la maxima radiacion solar posible debera tener una orientacion optima, lo cual no es una tarea facil. El Sol describe diariamente en el cielo una trayectoria que comienza con el alba, sube hasta el mediodia y cae por la noche. La altura de esta trayectoria varia en un ciclo anual que determina las estaciones. Para deﬁnir con precision la posicion del Sol en cada instante, hemos de suponer que hace el recorrido por la boveda celeste, de la que somos su centro. Las coordenadas solares que nos permiten hacer esto son la altura solar (h), el azimut solar (A) y la declinacion solar (8).

La altura solar La altura solar (h) es el angulo que forman los rayos solares con la horizontal cuando llegan a la superﬁcie de la Tierra, o el angulo que forman los rayos solares sobre el horizonte. La altura solar varia durante el dia. El Sol sale muy bajo, sobre el horizonte, consigue la altura maxima al mediodia, para volver a esconderse por la tarde por el oeste. De la misma manera, cada dia del ano el Sol llega a una altura maxima diferente. El valor mas alto es el del dia del solsticio de verano (cerca de los 71°), en la latitud 42 N. El valor mas bajo, el del dia del solsticio de invierno (cerca de los 25°).

Fig. 16 Altura Solar

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El Azimut Solar El azimut solar (A) es el angulo de giro del Sol medido sobre el plano horizontal, tomando como origen el sur. El azimut Oo correspondera al momento en que el Sol se encuentre exactamente sobre el sur geograﬁco e indique el mediodia, 12.00, de la hora solar.

Fig.17. Azimut Solar

La Declinación Solar La altura solar h es el angulo que forma el Sol con la horizontal. Como se ha descrito anteriormente, es maxima al mediodia, en funcion de la latitud en que se encuentra el modulo y de otro parametro: la declinacion solar (δ). La declinacion solar (δ) es el angulo que forma el Sol con el plano del Ecuador. Este angulo varia segun el ciclo o estacion del ano (es positivo en verano y negativo en invierno). Si llamamos d, al dia del ano (en numero del 1 al 365), la declinacion δ se calcula con la siguiente formula:

La altura solar h al mediodia del diadn en un lugar de latitud l es:H = 90o - ( 1 - δ )

Fig.18. Declinacion Solar

Ejemplo 4 Calculo de la altura solar al mediodia del dia 18 de Mayo en Zamora (latitud= 41,5)

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La inclinación de los paneles α Como se ha dicho anteriormente, para favorecer la produccion de energia, debe orientarse el modulo perpendicularmente (de manera aproximada) al Sol del mediodia de un dia determinado del ano. Por lo tanto, la inclinacion α de los paneles ha de ser igual a: α= 1 - δ Esto signiﬁca que el problema de la orientacion del modulo se convierte en el problema de la epoca del año que se quiere favorecer. Ejemplo 5 Calculo del angulo de inclinacion α de los paneles del ejemplo anterior. α = ( 1 - δ ) = 41,5 - 19,49 = 22.0

El uso de tablas estadísticas Para facilitarnos el trabajo, los calculos de los parametros anteriores se han hecho y recopilado mediante tablas estadisticas (anexo 1). Aunque las tablas no recogen todos los puntos posibles, podemos utilizar con bastantes garantias la media de energia recibida en la provincia en que se instalara el sistema. Los datos recogidos en las tablas son medias de varios anos consecutivos. En estas series de anos consecutivos se han registrado climatologias muy diferentes entre si (anos con lluvias, anos mas soleados, etc.). Por ello, los datos ofrecidos son bastante ﬁables. Sin embargo, deberas tener especial cuidado con las caracteristicas peculiares del microclima de la zona de estudio, sobre todo en los casos en que puede haber variaciones con respecto a la referencia. Estas caracteristicas peculiares, tales como la niebla, la nieve, las precipitaciones de mayor frecuencia, etc., deberan tenerse en cuenta mediante la introduccion de factores que corrijan el valor inicial.

Criterios de orientación Las tablas se refieren a superficies de inclinaciones diferentes. La inclinacion optima es la que tiene un angulo de 90° entre la superficie del panel y el rayo del Sol incidente al mediodia. Sin embargo, como ya hemos dicho anteriormente, esta inclinacion varia durante el ano. El principal problema es que si los modulos se orientan al mediodia de un dia del ano, se favorecera la produccion de energia en esta fecha y en las cercanas, en perjuicio de otras estaciones en las que el Sol llegue a diferente altura. En una instalacion con las placas fijas, puede optarse por los siguientes criterios: En instalaciones con consumo constante o regular a lo largo de todo el ano es recomendable orientar los paneles para la captacion de la mayor radiacion posible en los meses mas desfavorables del invierno. Por este motivo, hay que utilizar inclinaciones de 15° sumados a la latitud del lugar. α = latitud + 15° En instalaciones con consumos inferiores en invierno, podemos utilizar como inclinacion de los paneles la latitud del lugar. De esta forma, la captacion queda optimizada para los meses de otono y primavera. α = latitud En instalaciones que se usan preferentemente en verano conviene emplear un angulo igual a la mitad de la latitud, menos 10°, aproximadamente. Esta orientacion es la que maximiza la captacion anual de radiacion. α = latitud - 10 2

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En instalaciones donde sea posible la opcion de dos posiciones diferentes a lo largo del ano y teniendo en cuenta las latitudes de nuestro pais, conviene seguir el siguiente criterio: angulos de inclinacion sobre la horizontal de 15° entre abril y septiembre (ambos incluidos) y de 60° durante el resto del ano. Ejemplo 6 Queremos saber la inclinacion de los paneles para una instalacion de una vivienda que se usara en verano, Esta vivienda esta en Sevilla. Utilizando la tabla del anexo I , debe hacerse coincidir la ﬁla en que se encuentra Sevilla con la columna inclinacion verano. Esta nos da una inclinacion de 9o.

Sombras provocadas por elementos de la instalación o arquitectónicos En estas instalaciones hemos de evitar que a lo largo del dia la superficie de los paneles quede sombreada. Si se colocan varias hileras de paneles fotovoltaicos, hay que evitar que se hagan sombra unos a otros. Por lo tanto, entre filas debe mantenerse una distancia minima de separacion. Si la superficie de un panel queda parcialmente sombreada, la parte no expuesta al Sol no solo no genera energia, sino que ademas la disipa, lo que provoca una subida importante de la temperatura que puede danar irreversiblemente el modulo. Este hecho es conocido como fenomeno del "punto caliente". El peor dia del ano correspondera al solsticio de invierno (22 de diciembre en el hemisferio Norte), que es cuando el Sol se encuentra mas proximo al horizonte. Se tendria que asegurar que ese dia no hubiera sombras en unas cinco horas alrededor del mediodia. Una vez sabemos (ya sea por tablas o mediante calculos) el dia mas bajo de la zona de maxima utilizacion o consumo (si es todo el ano el peor dia sera el solsticio de invierno), hallaremos por trigonometria la separacion de los paneles o la de cualquier objeto.

Cálculo de la sombra proyectada a partir de fórmulas trigonométricas Las formulas trigonometricas son una herramienta matematica que nos permite relacionar las dimensiones de los lados y de los angulos que forman parte de un triangulo rectangulo. La denominacion (opuesta o contigua) de los catetos se aplica en funcion de si forman o no parte del angulo con el que estamos trabajando. En este tipo de triangulo siempre se cumplen las siguientes relaciones matematicas:

Fig. 19 Relaciones Trigonométricas

Una vez conocemos la altura solar h y el azimut A correspondiente a la fecha y hora de calculo (por tablas), solo nos faltara saber la altura del objeto para poder realizar el calculo de la longitud de la sombra proyectada. Para calcularla, aplicaremos los conceptos que ilustra el siguiente dibujo:

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Fig. 20. Cálculo de la longitud de la sombra proyectada

Sombra proyectada = l tan H Donde: * L es la altura del objeto a partir de la cota donde se colocarian los captadores. * H es la altura solar (angulo), a partir de las tablas de coordenadas. Para tomar estas decisiones observaremos el recorrido del Sol correspondiente al solsticio de invierno y nos aseguraremos de que en este día no habrá sombras, al menos en unas cinco horas en torno al mediodía. Por tanto, utilizaremos la siguiente fórmula: Sombra proyectada = 1,35 ; donde, h = 90º - (latitud - (-23,5 Cº)) Donde: h es la altura solar al mediodía en el solsticio de invierno. –23,5° es el valor de la declinación solar. El factor 1,35 tiene en cuenta aproximadamente la variación de altura en las horas próximas al mediodía. Ejemplo 7 Un panel fotovoltaico se encuentra a 12 metros al norte de un muro de 4 metros de altura y azimut 0. La latitud corresponde a 41º norte. ¿Se encuentra a suﬁciente distancia para evitar sombras?

Por lo tanto podemos observar que la distancia entre el muro y el panel es la adecuada.

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5.4 Distancia mínima entre paneles solares Tal como se muestra en la ﬁgura 21, la proyeccion de los rayos del Sol forma un triangulo rectangulo con la primera placa y el suelo. Por tanto, el calculo entre ﬁlas de paneles se realizara con la siguiente formula:

Donde: d es la distancia entre captadores para evitar sombras, expresada en metros. l es la longitud del captador o panel solar, expresada en metros. α es la inclinacion del panel. ßes la altura solar.

Fig. 21 Proyeccion del rayo del sol con la primera placa

Recordemos que s es la altura solar y que podemos utilizar esta formula: s = 90o - ( 1 - δ) Ejemplo 8 Supongamos que necesitamos poner dos ﬁlas de paneles solares. La longitud de los paneles es de 1,97 metros y la latitud del lugar de la instalacion es de 41o. El consumo de esta instalacion sera igual para todo el ano. Calcula la distancia minima d entre los paneles.

Actividades 13. Calcula la declinacion solar del dia 29 de septiembre de 1972. 14. Que inclinacion tendran los paneles fotovoltaicos en una vivienda aislada de la red electrica, ubicada en la provincia de Huelva y habitada durante todo el ano? 15. Un panel fotovoltaico se encuentra a 6 m al sur de un muro de 4 m de altura y azimut 0. La latitud corresponde a 24° norte. .Se encuentra a suﬁciente distancia para evitar sombras? 16. Hacia donde tendriamos que orientar un equipo de energia solar fotovoltaica para que nos proporcionara la maxima potencia posible en el hemisferio Norte? .Y en el hemisferio Sur? 17. Supongamos que tenemos que poner dos ﬁlas de paneles solares. La longitud del panel utilizado es de 1,2 metros y la instalacion se encuentra en la provincia de Guadalajara. El consumo que haremos de esta instalacion sera predominante en verano. Encuentra la distancia minima d entre paneles.

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6. Otros componentes de la instalación 6.1 Acumuladores La naturaleza variable de la radiación solar y, por lo tanto, de la energía solar generada hace necesario que los sistemas fotovoltaicos aislados de la red eléctrica tengan un lugar donde se almacene la energía eléctrica generada, para poder utilizarla cuando no sea posible su generación. Para ello, necesitaremos acumuladores o algún elemento de almacenamiento de dicha energía. El acumulador cumple dos misiones importantes: Suministrar una potencia instantánea, o durante breves momentos, superior a la que el campo de paneles podría generar, incluso en los momentos más desfavorables posibles (arranque de motores). Mantener un nivel de tensión estable. El acumulador proporciona una tensión estable y constante (dentro de un cierto rango) independientemente de las condiciones de incidencia luminosa. Para aplicaciones fotovoltaicas, los más adecuados son las baterías estacionarias, diseñadas para tener un emplazamiento ﬁjo. Las baterías estacionarias pueden tener electrolito alcalino (cadmio-níquel) o ácido (plomo-ácido). Las primeras son las más adecuadas, pero debido a su alto precio se utilizan normalmente las segundas.

Principio de funcionamiento Sumergiendo dos placas de plomo en un bano de acido sulfurico diluido no se observa ningun indicio de tension. Ahora bien, si se hace circular una corriente continua, el electrolito se disocia, el hidrogeno pasa a la atmosfera y el oxigeno del radical acido ataca la placa positiva, con lo que se forma oxido de plomo. Las dos placas y el dioxido de plomo dan como resultado una pila con una fuerza electromotriz de aproximadamente 2 voltios. Durante la descarga se produce el fenomeno inverso, lo que hace disminuir progresivamente la tension. En el acumulador y durante el proceso de carga, la energia electrica se transforma en energia quimica. Durante el proceso de descarga sucede lo contrario.

Parametros del acumulador Los principales parametros que caracterizan un acumulador son los siguientes: La tension nominal. Suele ser de 12 V y de 2 V cada vaso. La capacidad nominal. Es la cantidad maxima de energia que se puede extraer de un acumulador. La capacidad de una bateria se mide en amperios/hora (Ah). Dicho tiempo de descarga suele rondar las 10 horas. Asi pues, una bateria de 105 Ah puede suministrar 10,5 A durante 10 horas. Si se descarga en un tiempo mayor, la capacidad aumenta; si se descarga mas deprisa, la capacidad disminuye. La profundidad de descarga. La profundidad de descarga es un valor representado en tanto por ciento, extraido de un acumulador plenamente cargado, en una descarga. El fabricante suministra este dato. La capacidad util. Es la capacidad de la que realmente se puede disponer. Es igual al producto de la capacidad nominal por la profundidad de descarga, expresada en tanto por uno.

Fig. 22 Bateria

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Conexión de Baterías Hay tres maneras de conectar los acumuladores:

Fig. 23 Conexiones de bateria en serie y en paralelo

Conexion en serie. Con las baterias conectadas en serie, mantenemos la intensidad y aumentamos la tension. Conexion en paralelo. Con las baterias conectadas en paralelo, conseguimos mantener la tension de la bateria y aumentar la intensidad. Conexion mixta (en serie/en paralelo).Con este tipo de combinacion, la tension de salida es el producto del numero de baterias en serie por la tension de una bateria. La intensidad total es el producto de la intensidad de una bateria por el numero de baterias en paralelo. Precaucion: unid las polaridades del mismo signo. Ejemplo 9 .Cuantas baterias estacionarias de 2 V habria que conectar para obtener una tension de trabajo de 48 Vcc? .De que forma las conectarias, en serie o en paralelo?

Las conectaría en serie

Comprobación del estado de carga de la batería Para comprobar de manera fiable el estado de carga de la bateria es preciso medir la densidad del electrolito de las baterias. De esta forma, podemos saber cuanta energia hay acumulada. Para medir la densidad del electrolito, utilizamos un densimetro (hydrometer, en ingles), formado por una perilla de goma que nos permite succionar el electrolito de la bateria y llenar un tubo transparente. Dicho tubo tiene un flotador que nos indicara el valor de la densidad segun el nivel al que llegue el liquido, en una escala graduada impresa en el tubo. En la figura 24 podemos ver un densimetro y la forma correcta de medir. En la figura 25 se muestra un detalle del flotador.

Fig. 24 Forma de medir con el densimetro

Fig. 25 Detalle del ﬂotador

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Es importante situar el densimetro a la altura de los ojos para evitar posibles errores de lectura, teniendo especial cuidado de que este no pierda liquido (recuerda que se trata de un acido). Esta operacion de medicion la haremos sin ninguna conexion (sin carga) a las baterias, para que el valor resultante sea indicativo. Normalmente, los fabricantes nos proporcionan la tabla de comparacion de la densidad del electrolito con la carga de la bateria:

6.2 Reguladores Los reguladores tienen la funcion de evitar sobrecargas y descargas excesivas en los acumuladores, que producirian danos irreversibles. Asi mismo, han de asegurar que el sistema trabaje con la maxima eﬁcacia.

Fig. 26 Regulador de la Gama LEO de ATERSA

El procedimiento que se sigue para estos ﬁnes consiste en determinar el estado de carga de la batería a partir de la tensión a la que ésta se encuentra. A partir de este parámetro, controla la entrada y la salida de corriente de la misma. El regulador, por otra parte, puede incluir otros elementos que, aunque no sean imprescindibles, realizan labores útiles de control o de seguridad: amperímetros, voltímetros, contadores, temporizadores, alarmas, etc. El regulador de carga es el aparato utilizado para que tanto el proceso de carga como el de descarga de la batería estén siempre dentro de las condiciones correctas de funcionamiento. A continuación se detallan las prestaciones más habituales de los reguladores de carga: Protección contra sobrecarga de la batería. Ésta es una de las funciones básicas del regulador porque evita el sobrecalentamiento de la batería y, como consecuencia, la pérdida de agua y la oxidación de las placas. Alarma por batería baja. Normalmente suele llevar indicadores acústicos y a veces luminosos, que se activarán cuando la batería esté descargada.

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Desconexión por batería baja. Esta función hace que el regulador corte el suministro de corriente eléctrica que reciben los aparatos de consumo cuando la batería está demasiado baja. Desconexión de la entrada de paneles por tensión elevada de batería. Protección contra sobretensiones inducidas en la línea de los paneles solares. Protección contra cortocircuitos. El regulador protege tanto el propio aparato como la salida de consumo de intensidades elevadas como consecuencia de algún cortocircuito en la instalación de consumo. Visualización de funciones. La mayoría de los reguladores tienen algún sistema que permite obtener información sobre el estado de la instalación fotovoltaica. Algunos reguladores, como el de la ﬁgura 5.39, incluyen el uso del micro controlador para gestionar sistemas fotovoltaicos de pequeña y mediana potencia. Este tipo de regulador tiene en la parte superior unos indicadores luminosos que informan sobre el estado del regulador, iluminándose de forma intermitente.

Ejemplo 10 Queremos saber los valores de la bateria, la intensidad de carga y la intensidad de consumo (descarga). Consulta los valores de estas magnitudes, registrados en el regulador. Tendremos que seguir la siguiente secuencia de actuacion: Ajustar la lectura tension de bateria. Este ajuste no debe hacerse cuando se encuentre en fase de ﬂotacion. Pulsar V para saber la lectura de tension que registra el regulador. Si lo quisieramos ajustar a otra medida, hariamos lo siguiente: 1. Pulsar simultaneamente A entrante, A y V hasta que aparezca ALL en la pantalla. 2. Pulsar tension de bateria V (la lectura de la tension se mantiene en la pantalla). 3. Pulsar A para disminuir el valor o A para aumentarlo, hasta que coincida con la lectura del voltimetro. 4. Pulsar V para aceptar y grabar. Ajustar la lectura intensidad de carga. Este ajuste no debe hacerse cuando se encuentre en fase de ﬂotacion.

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1. Colocar el amperimetro en serie con respecto al positivo del panel y realizar la medicion. 2. Pulsar Ae para saber la lectura de intensidad de carga que registra el regulador. 3. Pulsar simultaneamente A , A y V hasta que aparezca ALL en la pantalla. 4. Pulsar intensidad de carga Ae (la lectura de la intensidad se mantiene en la pantalla). 5. Pulsar A para disminuir el valor o A entrante para aumentarlo, hasta que coincida con la lectura del amperimetro. 6. Pulsar V para aceptar y grabar. Ajustar la lectura intensidad de consumo (descarga). Este ajuste no debe hacerse cuando el regulador ha desconectado la carga por baja tension, indicado por el LED numero 5. 1. Conectar una carga con un consumo constante. 2. Colocar el amperimetro en serie con respecto al positivo del consumo y realizar la medicion. 3. Pulsar A saliente para saber la lectura de intensidad de consumo que registra el regulador. 4. Pulsar simultaneamente A , A y V hasta que aparezca ALL en la pantalla. 5. Pulsar intensidad de consumo A (la lectura de la intensidad se mantiene en la pantalla). 6. Pulsar Ae para disminuir el valor o A para aumentarlo, hasta que coincida con la lectura del amperimetro. 7. Pulsar V para aceptar y grabar.

6.3 Inversores Las instalaciones de energia solar fotovoltaica suelen proporcionar una tension de entre 12 y 48 voltios en corriente continua. Hay muchos electrodomesticos que funcionan a 220 V en corriente alterna. Precisamente la funcion de un inversor es la de convertir la corriente continua procedente de la bateria y/o placas solares en corriente alterna. Las principales caracteristicas que deďŹ nen un convertidor son: La tension de entrada (Vcc). Este valor tiene que ser igual al de la bateria (12, 24 o 48 V).

Fig. 28. Inversor

La tension de salida (Vca). Ha de ser el valor normalizado (230 V en Europa). Estabilidad de la tension de salida. Se ha de mantener, como maximo, alrededor del }10 % de la tension asignada. Tipos de onda: Onda cuadrada Onda senoidal modiďŹ cada (trapezoidal) Onda senoidal pura. Capacidad de sobrecarga y de proteccion termica. Rendimiento. Arranque automatico y estado en espera. Proteccion contra inversion de polaridad y cortocircuitos.

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Fig. 29 Ondas de un Convertidor

6.4 Las estructuras de soporte y los elementos de fijación Uno de los elementos mas importantes en toda instalacion fotovoltaica a la hora de asegurar un completo aprovechamiento de la radiacion solar es la estructura de soporte. La estructura de soporte es la encargada de sustentar los modulos solares y dar al panel la inclinacion mas adecuada en cada caso para optimizar el rendimiento energetico. Estas estructuras se construyen con perfiles de acero galvanizado en caliente de mas de 200 micras de espesor. Debe preverse, por tanto, una pequena separacion entre modulos a fin de presentar rendijas y asi ofrecer la menor resistencia posible al empuje del viento. Se utiliza el galvanizado en caliente frente a otros tratamientos porque de este modo se asegura una proteccion completa contra las inclemencias climatologicas y, por tanto, una mayor duracion y un mantenimiento nulo. Normalmente, para instalaciones pequenas, los fabricantes suelen suministrar las piezas necesarias para su montaje en forma de kit. Para grandes instalaciones se disena la fijacion de los paneles a medida, partiendo de perfiles normalizados que se encuentran en el mercado.

Fig. 30. Diferentes tipos de ﬁjacion de paneles

Actividades 18. Cuantas celulas son necesarias para construir un panel apropiado para alimentar un motor de un juguete que tiene un consumo de 200 mA a 1,6 voltios? Las celulas que utilizaremos tienen una tension de 0,4 voltios y 100 mA. .Como las conectaremos?

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7. Cálculo de instalaciones de energía solar fotovoltaica. 7.1 Estudio de las necesidades que hay que cubrir El primer paso para iniciar una instalacion fotovoltaica es el estudio de las necesidades que se deben cubrir. Este punto es de vital importancia para poder dimensionar la instalacion. Tras evaluar las necesidades energeticas diarias, podemos establecer los limites de utilizacion de la futura instalacion. El dimensionado se pensara tomando como referencia el mes del ano mas desfavorable, en el que suelen coincidir el mayor consumo y la menor captacion solar. En instalaciones aisladas de la red electrica no hay que adoptar las mismas actitudes de consumo de la energia electrica que en instalaciones conectadas a la red electrica. Estos comportamientos de consumo deben tender al ahorro energetico, y basicamente son los siguientes: La no utilizacion de la energia electrica de origen fotovoltaico para la generacion de calor. No es recomendable conectar en instalaciones solares fotovoltaicas estufas electricas, calentadores de agua electricos, cocinas electricas, etc. Estos aparatos, debido a su gran consumo y poca eﬁcacia energetica, provocarian un sobredimensionado y, por tanto, un encarecimiento de la instalacion. En las instalaciones solares fotovoltaicas siempre habra que conectar aparatos de bajo consumo electrico. Por ejemplo, utilizaremos lamparas compactas de ﬂuorescencia para el alumbrado, por ser las mas adecuadas. Para estimar el consumo que ha de soportar la instalacion, tiene que hacerse una tabla que contenga los siguientes datos: Nombre de cada aparato consumidor de la energia de la instalacion. Potencia consumida por el aparato que se conecta. Numero de receptores de cada tipo que tendra la instalacion. Horas diarias de funcionamiento estimado del receptor. La tabla puede tener la siguiente forma:

El consumo de energia obtenido en la tabla en Wh sera el punto de partida para dimensionar la instalacion, ya que se trata de la cantidad de energia que nos tendra que suministrar. En realidad, la energia necesaria sera superior debido al consumo propio de los elementos que componen la instalacion.

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Para ilustrarlo, hemos dibujado una tabla con la potencia tipica de algunos electrodomesticos:

Recuerda que en instalaciones fotovoltaicas no es recomendable: utilizar equipos con calentamiento electrico (hornos electricos, por ejemplo). Estos electrodomesticos tienen un consumo muy elevado y una eďŹ ciencia energetica baja. Tambien es necesario usar electrodomesticos de bajo consumo, dado que podremos reducir equipos, baterias, etc. Ejemplo 11 Se trata de calcular la instalacion solar fotovoltaica de una vivienda unifamiliar aislada de la red electrica en la provincia de Teruel. La instalacion tendra un consumo constante o regular a lo largo de todo el ano. En la siguiente tabla podemos ver los consumos previstos.

Calcularemos el consumo que tiene esta vivienda:

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7.2. Cálculo del coeficiente de rendimiento total (R) El coeficiente de rendimiento global (R) de la instalacion puede definirse con la siguiente expresion:

Donde: C1 es el coeficiente de auto descarga diaria del acumulador. Se refiere al porcentaje de capacidad que el acumulador pierde diariamente. Este valor viene dado por el fabricante expresado en tanto por ciento. En la expresion sustituiremos el porcentaje por el tanto por uno (dividiendo el dato del fabricante por 100). El valor aproximado de C, es: - C1 = 0,002 para baterias de baja auto descarga (cadmio-niquel y plomo-calcio) sin mantenimiento.1 - C1 = 0,005 para baterias estacionarias (Pb-Sb) utilizadas en energia solar. - C1 = 0,012 para el resto de las baterias de alta auto descarga, incluidas las de automovil. C2 es el coeficiente de energia (en forma de calor) perdida en la bateria durante los procesos de carga y descarga. - C2 = 0,05 cuando no se produzcan descargas intensas (es decir, en condiciones normales de funcionamiento). - C2 = 0,1 en los casos mas desfavorables. C3 se refiere a las perdidas en los convertidores. Se toma el valor 0,2 en convertidores de onda senoidal y 0,1 en convertidores de onda cuadrada. C4 se refiere a las perdidas de rendimiento global en toda la red por efecto Joule. Se toma el valor aproximado de 0,15. D son los dias de autonomia de la instalacion. El criterio para la eleccion de un valor D depende de la climatologia y del usuario. Si se aumenta mucho D, aumentara la capacidad de las baterias, con el consiguiente incremento del coste. Si se disminuye la autonomia aumentara el riesgo de deficit energetico. Pd es la profundidad de descarga de la bateria. Este dato viene suministrado por el fabricante en tanto por ciento. En la expresion lo expresaremos en tanto por uno. Seguimos con el ejemplo anterior y calculamos ahora el rendimiento global de la instalacion:

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7.3 Cálculo de la energía necesaria (E) Para calcular la energía necesaria utilizaremos la expresión:

Donde: E es la energía total necesaria que hay que suministrar teniendo en cuenta las pérdidas globales. Eu es la energía calculada en la tabla de consumos en Wh. R es el rendimiento global calculado. Ejemplo 13 Seguimos con el ejemplo 11 y calculamos a continuación la energía necesaria para la instalación

7.4 Cálculo de la capacidad del acumulador (Cbat) La bateria es el almacen de energia de la instalacion fotovoltaica. Por tanto, la capacidad quedara determinada por la autonomia que queramos obtener, que variara en funcion del tipo de instalacion. A continuacion, citamos algunos criterios para poder establecerla: Instalaciones totalmente autonomas y de dificil acceso (equipos de telecomunicaciones, boyas, etc.). Se deben aplicar tantos dias de autonomia como dias nublados seguidos muestren las estadisticas meteorologicas del lugar mas cercano a la ubicacion (de 7 a 15 dias). Electrificacion rural de uso diario (de 4 a 6 dias). Este valor se puede reducir a tres dias si hay un grupo electrogeno de soporte. Electrificacion de viviendas de fin de semana (de 2 a 3 dias).

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El valor de la capacidad del acumulador en Wh viene dado por la expresión:

Donde: D es el número de días de autonomía. Pd es la profundidad de descarga del acumulador. La profundidad de descarga media de una batería depende del tipo utilizado: - 0,6 a 0,8 para acumuladores estacionarios de alto volumen de electrolito. - 0,5 a 0,6 para acumuladores del tipo monoblock. - 0,3 a 0,5 para acumuladores de arranque rápido (automóvil). Normalmente la capacidad de las baterías viene dado por los fabricantes en Ah. Para pasarla de Wh a Ah aplicaremos la siguiente expresión:

Ejemplo 14 Seguimos con el ejemplo 11 y calculamos ahora la capacidad del acumulador:

7.5 Cálculo de la radiación recibida en la zona de la instalación En el cálculo de radiación se ha de partir de las tablas de radiación solar diaria. Las unidades en que se mide la radiación son las siguientes: dia o dia Si las tablas vienen expresadas en kJ/m2/día, habrá que traducir los valores a kW/m2/día, ya que nos resultará más cómodo a la hora de trabajar con los demás datos calculados en Wh. La equivalencia es de 1 kWh = 3.600 kJ. Para obtener la radiación de las tablas habrá que tener en cuenta la inclinación de los paneles. Si la inclinación no coincide con ninguna de las tabuladas, deberá escogerse la que más se aproxime.

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7.6 Cálculo del número de Horas Solar Pico (HSP) La potencia suministrada por el panel sólo debe considerarse válida cuando incide sobre el una radiación solar equivalente a 1.000 W/m2. Esta cantidad se utiliza para deﬁnir la potencia nominal del panel, que es la máxima que puede obtenerse. Se calcula el HSP del mes más desfavorable, se obtiene dividiendo la energía de radiación diaria (en kWh/m2/día) por la potencia de radiación estándar utilizada para calibrar los paneles en el laboratorio. Esta potencia es de 1.000 W/m2. Con la siguiente fórmula podemos obtener las Horas Solares Pico (HSP):

Ejemplo 15 Seguimos con el ejemplo11 y calculamos a continuación la cantidad de horas solar pico. ά = latitud + 15o = 40,34o + 15o = 55,34o 55o Buscamos en la tabla del anexo 1 y hacemos coincidir la ﬁla de la provincia con el dato todo el año de la columna Utilización. La radiación en nuestro caso es de 7.288 KJ/m2. 7.288 KJ/m2 . . = 2.024,44 Wh/m2 2 horas

7.7 Cálculo de la energía que deben suministrar los paneles teniendo en cuenta el regulador de carga Debido al consumo propio y a las pérdidas causadas por el regulador de carga, la cantidad de energía que los paneles deberán suministrar tendrá que ser superior a la aparentemente necesaria. La siguiente expresión resuelve este problema:

Ejemplo 16 Seguimos con el ejemplo 11 y calculamos ahora la energía que han de suministrar los paneles E paneles = 401,77 Wh