solares by Marcombo

Si le interesa ver el libro completo, regístrese con el siguiente código en www.marcombo.info

FOTOVOL

En pocas horas recibirá un enlace con el libro completo

INSTALACIONES SOLARES FOTOVOLTAICAS Miquel Casa – Mónica Barrio

Instalaciones solares fotovoltaicas.indb int:i

31/05/2012 17:44:28

Instalaciones solares fotovoltaicas.indb int:ii

31/05/2012 17:44:32

INSTALACIONES SOLARES FOTOVOLTAICAS Miquel Casa – Mónica Barrio

Instalaciones solares fotovoltaicas.indb int:iii

31/05/2012 17:44:32

Instalaciones solares fotovoltaicas

Primera edición, 2012

© 2012 MARCOMBO, S.A. Gran Via de les Corts Catalanes, 594 08007 Barcelona www.marcombo.com Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta obra sólo puede ser realizada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra. ISBN: 978-84-267-1813-6 D.L.: B-10242-2012 Impreso en Printed in Spain

Instalaciones solares fotovoltaicas.indb int:iv

31/05/2012 17:44:33

Presentación La energía solar evita las emisiones de gases de efecto invernadero y, junto con las otras energías renovables, disminuye la dependencia energética de los combustibles fósiles, que provienen mayoritariamente de otros países y pueden llegar a agotarse. La fotovoltaica posee unas características que le permiten tener grandes expectativas: - Instalaciones fiables, no producen ruido y son fáciles de instalar. - Poco mantenimiento, no tienen partes móviles que suelen crear más averías. - Se pueden montar en zonas donde las líneas eléctricas tienen difícil acceso. - El precio de los materiales cada vez es menor. Las primeras instalaciones eran de tipo autónomo para zonas rurales, aplicaciones de señalización, alumbrado, etc. A partir del año 2000 empezó el crecimiento de instalaciones solares conectadas a la red eléctrica, ya que se facilitó el conexionado con la compañía distribuidora y se establecieron primas económicas para los productores de energía solar. Actualmente, ha surgido una nueva normativa sobre balance neto o autoconsumo en la que se permite a los clientes producirse su propia electricidad y estar interconectados con la red para verter los excesos y consumir del sistema cuando su demanda lo precise. Se espera que sea un avance más para la fotovoltaica. Este libro se ha dirigido al alumnado de Ciclos de Grado Medio. Nos gustaría que pudiera servirles para dedicarse a este sector. Los contenidos tratados son los siguientes: - Conceptos básicos. - Componentes. - Cálculo de instalaciones. - Montaje y mantenimiento. - Normativa. - Prevención de riesgos laborales. - Protección ambiental. Miquel Casa – Monica Barrio

Instalaciones solares fotovoltaicas.indb int:v

31/05/2012 17:44:33

Instalaciones solares fotovoltaicas.indb int:vi

31/05/2012 17:44:33

Queremos dar las gracias a la familia, amigos/as y a las personas que colaboran con nosotros en nuestros institutos. Los autores. Agradecer también a María Núñez que me ayudara a elegir esta profesión. Mónica Barrio.

Instalaciones solares fotovoltaicas.indb int:vii

31/05/2012 17:44:33

Instalaciones solares fotovoltaicas.indb int:viii

31/05/2012 17:44:33

Índice general Unidad 1

Conceptos básicos .......................................1 1.1 1.2

1.3

Introducción ......................................................2 Radiación solar sobre el punto de captación....................................................6 Orientación e inclinación de los paneles....11

Unidad 2

El panel solar................................................15 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8

Funcionamiento de la célula solar ...............16 Fabricación de células Monocristalinas ......17 Módulo fotovoltaico ......................................19 Diodos de protección ....................................21 Tipos de conectores para paneles ..............23 Normativa de los módulos ............................24 Tipos de paneles .............................................25 Parámetros eléctricos ....................................27

Unidad 3

Componentes de la instalación ................33 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

Baterías ............................................................34 El regulador .....................................................49 El inversor, ondulador o convertidor ............53 Cargas de consumo ......................................59 Elementos de monitorización........................60

Unidad 4

Pérdidas de radiación solar .......................62 4.1 4.2 4.3

Cálculo de pérdidas por sombras de un obstáculo .............................................63 Distancia mínima entre fi las de paneles.....69 Cálculo de pérdidas por orientación e inclinación ....................................................70

Unidad 5

Diseño de instalaciones..............................73 5.1 5.2 5.3

Diseño de una instalación autónoma .........74 Elección de los cables ...................................82 Diseño de una instalación a red ..................88

Unidad 6

Aparatos de maniobra y protección ......102 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7

Grupo generador .........................................103 Protecciones del inversor ............................107 Protecciones del inversor al Cuadro de Protección y Medida, CPM ...................108 Protección contra sobretensiones .............108 Otras protecciones, del inversor a la red de distribución ..............................................111 Esquemas de los equipos de protección ..112 Puesta a tierra ...............................................115

Unidad 7

Montaje y conexionado ...........................120 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6

Montaje de la instalación............................122 Montaje de estructuras de soporte fi jo.....137 Conexión eléctrica y toma de tierra .........141 Montaje de baterías, acumuladores y resto de instalación ...................................144 Elementos de protección y desconexión .145 Otras aplicaciones .......................................146

Unidad 8

Mantenimiento y averías en las instalaciones solares fotovoltaicas .........149 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8

Módulos fotovoltaicos y estructuras...........151 Baterías ..........................................................153 Mantenimiento del regulador de carga para batería de acumulación (CCB) ........157 Mantenimiento del inversor o convertidor CD/CA ...........................................................157 Mantenimiento del circuito eléctrico ........158 Mantenimiento de seguidores solares .......158 Enlaces web interesantes ............................161 Anexo .............................................................162

Unidad 9

Normativa fotovoltaica .............................168 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8

Instalaciones conectadas a la red eléctrica ........................................................169 Instalaciones autónomas ............................171 Otras normas .................................................171 Código Técnico de Edificación Sección HE5, Contribución mínima de Fotovoltaica ......171 Régimen económico de las ISF ..................174 RD 1699/2011, Conexión a la red de instalaciones de baja potencia .................177 Procedimiento administrativo para la conexión ..........................................182 Memoria o proyecto técnico .....................184

Unidad 10

Prevención de riesgos laborales y Protección ambiental ............................185 10.1 Introducción ..................................................186 10.2 Medidas de seguridad y de protección individual ..........................186 10.3 Riesgos eléctricos (RD 614/2001) ................189 10.4 Prevención de riesgos eléctricos ................189 10.5 Seguridad en el montaje y mantenimiento ..........................................191 10.6 Protección ambiental ..................................194

Instalaciones solares fotovoltaicas.indb int:ix

31/05/2012 17:44:33

Unidad 1 Conceptos

básicos

En este capítulo: 1.1

Introducción.

1.2

Radiación solar sobre el punto de captación.

1.3

Orientación e inclinación de los paneles.

Instalaciones solares fotovoltaicas.indb 1:1

31/05/2012 17:44:33

Unidad 1 · Conceptos básicos

1.1. Introducción Las energías renovables son aquellas que están presentes de forma potencial en la naturaleza y que tienen unas posibilidades de uso prácticamente ilimitadas. El término energía renovable engloba una serie de fuentes de energía que en teoría no se agotarían con el paso del tiempo. Estas fuentes serían una alternativa a las otras, llamadas convencionales (no renovables), y producirían un impacto ambiental mínimo. Las energías renovables más importantes aparecen organizadas en el esquema siguiente: FUENTES DE ENERGÍA

RADIACIÓN SOLAR ENERGÍA HIDRÁULICA

ATRACCIÓN SOLAR Y LUNAR ENERGÍA MAREOMOTRIZ

CALOR INTERNO TERRESTRE ENERGÍA GEOTÉRMICA

ENERGÍA EÓLICA ENERGÍA DE LAS OLAS ENERGÍA SOLAR

ENERGÍA FOTOVOLTÁICA ENERGÍA TÉRMICA

ENERGÍA BIOMASA

BIOMASA RESIDUAL

BIOCARBURANTES CULTIVOS ENERGÉTICOS RESIDUOS SÓLIDOS AGRÍCOLAS Y URBANOS

Fig 1.1. Fuentes de energía.

Como puedes ver, la mayor parte de energías renovables tienen como fuente de energía directa (fotovoltaica o térmica) o indirecta (hidráulica, eólica, etc.) las radiaciones solares. La energía solar es una de las alternativas energéticas más importantes en la actualidad, ésta ofrece una serie de ventajas tales como: -

Utiliza recursos naturales inagotables: la luz del Sol.

Es una energía limpia que no genera emisiones de gases contaminantes ni otro tipo de residuos.

Es una solución ideal para disponer de electricidad en zonas aisladas.

Es la única energía renovable que puede instalarse a gran escala dentro de las zonas urbanas.

En el caso de instalaciones conectadas a la red, hay subvenciones públicas y primas a la producción.

Instalaciones solares fotovoltaicas.indb 1:2

31/05/2012 17:44:34

Unidad 1 · Conceptos básicos -

Los paneles y la estructura de soporte pueden desmontarse al final de la vida útil, pudiendo reutilizarse.

Entre las desventajas, se encuentran: -

El impacto visual de los parques solares, que suelen ocupar grandes superficies de captación.

Sólo se produce energía mientras hay luz y depende del grado de insolación.

El costo de las instalaciones es elevado, sobre todo si se compara con otro tipo de instalaciones que generen la misma potencia.

El periodo de amortización de la inversión es largo, de unos diez años.

El rendimiento es bastante bajo debido a la baja eficiencia de las células solares, en muchos casos inferior al 40%.

El tiempo que deben esperar, según manifiesta la Asociación de la Industria Fotovoltaica (ASIF), las pequeñas y medianas instalaciones fotovoltaicas para que las compañías eléctricas las homologuen y compren su producción.

1.1.1. Definiciones previas Radiación solar: Energía procedente del Sol en forma de ondas electromagnéticas. Irradiancia: Densidad de potencia incidente en una superficie, se mide en kW/m2. Irradiación: Energía incidente en una superficie, se mide en kWh/m2 o MJ/m2. De forma sencilla, se puede decir que la irradiancia es el valor instantáneo y la irradiación el valor durante un tiempo de radiación, ambos para una superficie de 1 m2.

1.1.2. El efecto fotovoltaico y la radiación solar El término fotovoltaico significa: Photos (Griego): Luz. Volta: Físico descubridor de la pila eléctrica. El efecto fotovoltaico que se produce en algunos elementos químicos (silicio, germanio, etc.) es la capacidad de absorber fotones (partículas de luz) y liberar a continuación una corriente continua de electrones. Para que se pueda producir necesitamos al Sol, que se encuentra a temperaturas muy altas y por reacciones químicas que se producen en él, se libera una energía a la que llamamos radiación solar. Esta radiación llega a la Tierra, en los siguientes porcentajes: * 7% ultravioleta

* 47% luz visible

* 46% radiación infrarroja

Flujo de energía (cal cm-2 3 min-1 μm-1) 2 1 0 0

0,4

0,8

Fig 1.2.

Espectro de radiación solar.

VIS

1,2

1,6

2,0

2,4

2,8

3,2 Longitud de onda (μm)

Instalaciones solares fotovoltaicas.indb 1:3

31/05/2012 17:44:34

Unidad 1 · Conceptos básicos

Recuerda • • •

Las células solares captan la mayor parte de luz visible, ya que la ultravioleta llega en poca cantidad (un 7%) y la infrarroja tiene poca energía.

Irradiancia: Potencia en 1 m2, se mide en kW/m2.

La radiación que llega del Sol se llama constante solar, y tiene un valor de irradiancia de 1.353 W/m2 al llegar a la Tierra, antes de la atmosfera terrestre. Al atravesar ésta, se producen unas pérdidas por los gases atmosféricos (nitrógeno, oxígeno,...), vapor de agua, etc. llegando a la superficie terrestre una irradiancia de 1.000 W/m2.

Irradiación: Energía en 1 m2, se mide en kWh/m2. La Irradiancia que nos llega del Sol, constante solar, es de 1.000 W/ m2 (por convenio). Las células calibradas son el medidor más utilizado en instalaciones solares.

Hay tres tipos de irradiancia incidente: -

Irradiancia directa (I): Es la que se recibe directamente del Sol.

Irradiancia difusa (D): Es la que se recibe del Sol después de haber sido desviada por la dispersión atmosférica, llega desde todas las direcciones (nubes, cielo, etc.).

Irradiancia reflejada o de albedo (R): Es la que ha sido reflejada por el suelo.

La suma de las tres da lugar a la constante solar o irradiancia solar global. La industria, para unificar criterios, ha tomado el valor de referencia de 1.000 W/m2 (se consigue en días despejados).

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

El piranómetro. Instrumento que mide la radiación global (la directa más la difusa), habitualmente sobre una superficie horizontal.

El pirheliómetro. Este instrumento se enfoca directamente hacia el Sol para medir la radiación directa. Debe contar con un sistema de movimiento para seguir el Sol con gran precisión.

Las células calibradas. Son células fotovoltaicas que un laboratorio acreditado ha puesto a prueba, iluminándolas con luz solar artificial y estableciendo una relación proporcional entre la radiación recibida y la producción eléctrica. Se trata de medidores de menor precisión que los anteriores pero que, dado su bajo coste, son ideales como comprobadores del buen funcionamiento de las instalaciones. Así, colocando una de estas células, puede contrastarse la producción de las instalaciones con la radiación aproximada recibida.

Fig 1.3.

Piranómetro, pirheliómetro y célula calibrada.

Al comprarlas vienen con una tabla. Nosotros medimos la corriente en la célula y de la tabla sacamos la irradiancia incidente. Irradiancia W/m

Célula mA

Irradiancia 2

Célula

1.000

267

W/m

950

254

500

134

900

240

400

107

800

214

300

750

200

250

600

160

125

Instalaciones solares fotovoltaicas.indb 1:4

31/05/2012 17:44:34

Unidad 1 · Conceptos básicos

1.1.4. Tipos de instalaciones Tenemos dos tipos: autónomas y conectadas a red que pasamos a detallar brevemente.

a) Instalación solar fotovoltaica autónoma

Fig 1.4. Instalación autónoma.

Formada por: a) Módulos, paneles o generadores: Transforman la irradiación solar en energía eléctrica continua (KWh ó KJ). b) Regulador: Controla las sobrecargas y las descargas en las baterías. c) Acumuladores: Sirven para almacenar energía y dar una tensión estable, aunque los paneles no estén captando energía. d) Convertidor, ondulador o inversor: Transforma la energía eléctrica continua a alterna. e) Cargas: El consumo que conectamos en continua o alterna. f) Protecciones: Aunque no están en el esquema se utilizan para evitar daños a las personas y a los elementos de la instalación. Se utilizan en: • Casas de campo aisladas o con fines medioambientales, barcos, caravanas, etc. • En juguetes, usos domésticos como relojes, linternas, etc. • Señales de tráfico, iluminación pública, parquímetros, etc.

b) Instalación solar fotovoltaica conectada a la red eléctrica

Fig 1.5. Instalación conectada a la red de distribución,

Instalaciones solares fotovoltaicas.indb 1:5

31/05/2012 17:44:34

Unidad 1 · Conceptos básicos Se prescinde del regulador y de las baterías. Se le añade un contador para saber la energía que se vende a la compañía eléctrica. Funcionamiento: Toda la energía generada por los módulos se lleva al inversor que se encarga de transformar a corriente alterna y de adaptar a las características eléctricas que tiene la red eléctrica. Se utiliza en la venta de energía a la compañía eléctrica.

Ejercicios 1. Explica la diferencia entre irradiancia e irradiación. 2. Escribe brevemente la definición del efecto fotovoltaico. 3. ¿En qué dispositivo se produce el fenómeno anterior? 4. De toda la radiación solar, ¿cuánta llega a la superficie terrestre y qué nombre recibe? 5. Explica los tipos de irradiancia que pueden incidir sobre un panel o una superficie. 6. Explica las diferencias entre el piranómetro y el pirheliómetro. 7. Haz los dos esquemas de las instalaciones solares fotovoltaicas y explica brevemente el funcionamiento de cada uno.

1.2. Radiación solar sobre el punto de captación

1.2.1. Coordenadas geográficas Para saber la irradiación solar que habrá en el punto de la instalación hemos de conocer la coordenada geográfica de la latitud (l), que junto a la longitud (L), nos permite definir la situación exacta de cualquier punto sobre la Tierra. El Ecuador es el círculo máximo perpendicular al eje de la Tierra. Los polos están separados 90 del Ecuador. La esfera terrestre queda dividida en dos semiesferas o hemisferios, llamados Norte o Sur, según el polo que tenga en su centro. Los paralelos son los círculos menores paralelos al Ecuador. Los meridianos son los círculos máximos que pasan por los polos y, por tanto, son perpendiculares al Ecuador. • Latitud (l ó φ). Es el arco del meridiano que va del Ecuador al punto donde se encuentra el lugar. Siempre es menor de 90 y se llama Norte (N) cuando el lugar se encuentra en el Hemisferio Norte, y Sur (S) cuando está en el Hemisferio Sur. • Longitud (L). Es el arco del Ecuador que va del meridiano de Greenwich al meridiano superior del lugar. La longitud siempre es inferior a 180 . Utilizamos la indicación Longitud Oeste (LW) cuando el lugar queda a la izquierda y a la inversa para Longitud Este (LE).

Instalaciones solares fotovoltaicas.indb 1:6

31/05/2012 17:44:34

Unidad 1 · Conceptos básicos

Fig 1.6. Latitud y longitud.

Ejemplos * L’Hospitalet de Llobregat (Barcelona) 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.

Líneas principales de la Tierra Hay infinidad de paralelos, pero los siguientes tienen un nombre específico: • Trópico de Cáncer. Es el paralelo del hemisferio Norte, separado del Ecuador 23,45 ’. • Trópico de Capricornio. Es simétrico al de Cáncer en el hemisferio Sur, también separado del Ecuador 23,45 ’. • Círculo polar Ártico. Es el paralelo que se encuentra separado del polo Norte 23,45 ’. • Círculo polar Antártico. Es el paralelo que se encuentra separado del polo Sur 23,45 ’.

Fig 1.7.

Paralelos y meridianos importantes.

Instalaciones solares fotovoltaicas.indb 1:7

31/05/2012 17:44:34

Unidad 1 · Conceptos básicos Existen muchos meridianos, pero los dos más importantes: -

Meridiano de Greenwich. Se toma como origen para medir las longitudes; se llama así porque pasa por el observatorio de esta ciudad inglesa.

El antimeridiano. Es opuesto a Greenwich (L=180 ) y determina el cambio de día y fecha (más adelante).

1.2.2. Movimientos de la Tierra La Tierra hace dos movimientos, de translación alrededor del Sol y de rotación sobre su eje, que resulta que está inclinado 23,45 .

Fig 1.8.

Movimientos de la Tierra.

En la imagen se puede observar que:

Recuerda • • • España está en el Hemisferio Norte, por tanto, los paneles se inclinan más en invierno que en verano, para recibir los rayos de Sol perpendicularmente. De esta forma se consigue la máxima irradiación.

En invierno el Sol da perpendicular al Trópico de Capricornio, en el Hemisferio Sur (H. Sur). En el H. Norte los rayos llegan en diagonal, ya que la inclinación de la Tierra nos perjudica, reduciendo las horas que tenemos de Sol al día (movimiento de rotación). El día en que este efecto es mayor es el 21 de diciembre y se llama Solsticio de Invierno.

En verano pasa al revés ya que la radiación solar llega más perpendicular al H. Norte, toca en el Trópico de Cáncer y la inclinación de la Tierra favorece tener más horas solares. El día en que este efecto es mayor es el 21 de junio y se llama Solsticio de Verano.

Durante la primavera y el otoño el Sol da perpendicular al Ecuador y la inclinación no afecta, por eso hay las mismas horas de día que de noche. Estos días son el 21 de marzo y el 21 de septiembre y se llaman Solsticios de Primavera y Otoño.

Conclusiones: -

Durante el movimiento de translación de la Tierra, los rayos solares llegan perpendiculares entre el Trópico de Capricornio y el de Cáncer, son las zonas donde tendremos más radiación solar.

En el H. Norte los paneles se inclinan más en invierno que en verano, para recibir los rayos de Sol perpendicularmente.

1.2.3. Radiación sobre superficies La radiación es máxima cuando los rayos del Sol inciden verticalmente (en la fig. A). Cuando los rayos llegan inclinados, la misma cantidad de energía solar se extiende sobre una superficie mayor (en la fig. B) y, por tanto, se recibe menos

Instalaciones solares fotovoltaicas.indb 1:8

31/05/2012 17:44:34

Unidad 1 · Conceptos básicos radiación solar para el mismo punto.

Fig 1.9. Radiación sobre superficies.

Por eso los rayos solares calientan más al mediodía que por la mañana o por la tarde. Ya que el movimiento de rotación de la Tierra hace que los rayos lleguen perpendiculares al mediodía y con más inclinación a la mañana y a la tarde. También los rayos llegan más inclinados y, por tanto, con menos energía en las latitudes altas (más cercanas a los polos).

Fig 1.10. Incidencia rayos de Sol.

La masa de aire (Air Massa, AM) Cuanto más bajo está el Sol respecto al horizonte (ver figura), más recorrido de capa atmosférica tiene que atravesar la radiación y por tanto más perdidas, por los gases de la atmosfera. Se toma un valor intermedio, que relaciona la distancia que atraviesa un rayo solar inclinado respecto a la vertical: Sol Sol Atmósfera

Fig 1.11.

= 0° cos = 1 AM = 1

Atmósfera

= 48° 18° cos = 0,67 AM = 1

Masa de aire.

Instalaciones solares fotovoltaicas.indb 1:9

31/05/2012 17:44:34

Unidad 1 · Conceptos básicos

= Ángulo entre el rayo de Sol y la perpendicular. 1 = Valor ideal de AM, cuando el rayo llega vertical. Los valores eléctricos de los paneles solares vienen dados, por convenio, para una AM = 1,5 (que corresponde a un ángulo de 48,18 ).

1.2.4. Husos horarios y cambio de hora Un huso horario es una de las veinticuatro partes verticales en que está dividida la superficie terrestre y en el que reina la misma hora. Cada uno ocupa una longitud de 15 (360 / 24 = 15 ).

Fig 1.12. Mapa husos horarios.

En todos los territorios de un mismo huso, la hora corresponde a la del meridiano central (hora legal). Los husos horarios están numerados del 0 al 23, de Oeste a Este. En Europa Occidental el huso 0 corresponde al meridiano de Greenwich y cuando se supera el antimeridiano de Greenwich se produce el cambio de fecha. En España tenemos una hora más respecto del Sol, en el mediodía solar nuestros relojes marcan las 13.00 horas. En primavera (último domingo de marzo), adelantamos los relojes una hora, con lo que llevamos 2 horas de adelanto respecto al mediodía solar. Este adelanto finaliza en otoño (último domingo de octubre).

Ejercicios 1. En invierno, ¿qué latitud queda perpendicular al Sol? ¿y en verano? 2. ¿Por qué en invierno hay menos horas de Sol? 3. En primavera y en otoño, ¿cuántas horas de Sol tenemos? 4. Cuando en el Hemisferio Sur están en verano, el H. Norte ¿en qué estación del año se encuentra? 5. ¿A qué hora recibimos la máxima radiación solar en verano? ¿Y en invierno? 6. Hace unos cuantos años en Valencia hubo una gran tempestad a medianoche. ¿Es posible que 72 horas después hiciera un tiempo soleado?

Instalaciones solares fotovoltaicas.indb 1:10

31/05/2012 17:44:34

Unidad 1 · Conceptos básicos

Recuerda • • • Los paneles se orientan al Sur (donde está el Sol para el H. Norte) y para una instalación fija, con inclinación próxima a la latitud.

1.3. Orientación e inclinación de los paneles

La finalidad es conseguir la máxima cantidad de irradiación (energía solar). Si estamos en el hemisferio Norte, orientaremos los paneles hacia el Sur (donde está el Sol) con una inclinación próxima a la latitud, para recibir los rayos lo más perpendicularmente posible.

1.3.1. Azimut u orientación solar (A,α) Formado por la línea Norte-Sur y la proyección del rayo solar sobre el plano horizontal. Al amanecer es de -90 ya que los rayos solares están en el Este y forman este ángulo con el Sur. Se puede observar siguiendo la Trayectoria aparente del Sol. A las 12 horas solar, α = 0 , por que el Sol se encuentra sobre la línea del Sur, aquí se conseguirá la máxima radiación y es la mejor orientación para los paneles.

Fig 1.13. Orientación y altura solar.

1.3.2. Altura solar (H) Ángulo que forma el rayo solar con el plano horizontal. De forma sencilla es el ángulo máximo que hace el Sol en su trayectoria Este-Oeste diaria. Pero va variando a lo largo del año, por el movimiento e inclinación de la Tierra. En el siguiente dibujo vemos los cambios para cada época del año:

Fig 1.14.

Altura solar (color rojo).

Instalaciones solares fotovoltaicas.indb 1:11

31/05/2012 17:44:35

Unidad 1 · Conceptos básicos La inclinación que lleva la Tierra se calcula como el ángulo que forma el Sol con el plano del Ecuador y se llama declinación solar (δ). Los valores para la δ de las 4 estaciones son: δp = 0 ;

δv = 23,45 ;

δo = 0 ;

δi = -23,45 ;

p: primavera;

v: verano;

o: otoño;

i: invierno;

En primavera y otoño es 0 porque el Sol da perpendicular al Ecuador. La H es mayor en verano, porque la declinación solar favorece, menor en invierno e igual en primavera y otoño. Quedando:

Fig 1.15.

H durante el año.

Como comentario, las sombras son mayores en invierno porque al haber menor H los rayos llegan más inclinados y chocan en más superficie, haciendo sombras más grandes.

1.3.3. Inclinación paneles (β) Lo que interesa es que los rayos solares toquen el módulo perpendicularmente al mediodía. Si la radiación solar llega perpendicular entre los trópicos de Cáncer y Capricornio (o sea, con una desviación de 23,45 respecto del Ecuador), para conseguir lo mismo a otra latitud tendremos que inclinar los paneles el ángulo de la latitud incluyendo la δ (los ±23,45 ). Por tanto: =

-δ

= Latitud. δ = Irá cambiando su valor.

Fig 1.16. Inclinación.

Instalaciones solares fotovoltaicas.indb 1:12

31/05/2012 17:44:35

Unidad 1 · Conceptos básicos

Ejemplo Calculamos la inclinación que han de tener los paneles en Alemania, con latitud 52 : v = 52 - 23,45 = 28,55 ;

pyo = 52 - 0 = 52 ;

i=52 - (- 23,45) =85,45 ;

Fig 1.17.

Inclinación paneles.

Ejercicios 1. ¿Qué inclinación tendrá un panel en primavera, verano e invierno en el Ecuador? Haz los dibujos. 2. ¿Qué inclinación tendrá un panel en primavera, verano e invierno en Barcelona? Haz los dibujos.

1.3.4. Uso de tablas y criterios de orientación Como hemos visto, en cada época del año deberíamos cambiar la inclinación de los paneles (o poner seguidores solares). Para evitarlo, se han hecho unas tablas en las que recomiendan como orientar los paneles según el uso que se les vaya a dar (verano, invierno o todo el año) que se pueden consultar. El IDAE, Instituto para la Diversificación y el Ahorro de Energía, da unas recomendaciones para conseguir captar la máxima energía: Periodo de diseño

βopt

Diciembre

+ 10

Julio

- 20

Anual

- 10

= Latitud Periodo de diseño: Es el periodo en el que utilizaremos la instalación solar. Conclusiones: La orientación (azimut) e inclinación óptimas corresponde a α = 0 y opt respectivamente.

1.3.5. Instrumentación para la orientación e inclinación de los paneles solares La brújula es un instrumento que sirve de orientación, por medio de una aguja imantada que señala el Norte. Para su funcionamiento se pone horizontal y se ajusta el Norte escrito en la base con la aguja imantada (así tenemos la base orientada). Ahora podremos leer en qué sentido está el Sur, Este, etc.

Instalaciones solares fotovoltaicas.indb 1:13

31/05/2012 17:44:35

Unidad 1 · Conceptos básicos El clinómetro sirve para medir ángulos verticales, por tanto la inclinación. Se sitúa sobre el panel horizontal en uno de los lados a los que se va a dar la inclinación y se va elevando.

Fig 1.18. Brújula y clinómetro.

Práctica. Inclinación, orientación y medida de irradiancia

Ir a una zona exterior de la escuela donde podáis tomar medidas de radiación solar. Con una brújula, un clinómetro, una célula calibrada, un tester y un panel solar rellenar la tabla de más abajo. Proceso: -

Mirar la potencia del panel (Wp), la intensidad y tensión de trabajo (Icc y Vca) para ajustar las escalas del tester a estos valores.

Engancha la célula calibrada en un extremo del panel, sin tapar ninguna célula, para que esté a la misma inclinación y orientación.

Mide los valores de las columnas 2, 4 y 5. Después busca el valor de la irradiancia, con el valor de la célula para cada orientación.

Vca = Tensión circuito abierto del panel. Icc = Intensidad de cortocircuito. Orientación e Inclinación

Célula (mA)

Irradiancia (W/m2)

Vca (V)

Icc (A)

Sur, 0 Sur, 45 Sur, 60 Sur, 90 Este, 45 Oeste, 45 Norte, 45

Nota: Estos dos valores anteriores son un poco superiores a Ip y Vp (Wp= Ip · Vp). Preguntas: -

¿Cuándo obtenéis la máxima irradiancia?

¿Cuándo obtenéis la mínima irradiancia?

Si tomáis las medidas por la mañana (en caso contrario a la tarde), ¿hay más irradiancia al Este o al Oeste? ¿Por qué?

Para la inclinación y orientación, 45 Sur, multiplicar Vca x Icc. ¿Se parece a Wp? Al mediodía solar, ¿creéis que se aproximará más?

Instalaciones solares fotovoltaicas.indb 1:14

31/05/2012 17:44:35

Unidad 2 El

panel solar

En este capítulo: 2.1

Funcionamiento de la célula solar.

2.5

Tipos de conectores para paneles.

2.2

Fabricación de células Monocristalinas.

2.6

Normativa de los módulos.

2.3

Módulo fotovoltaico.

2.7

Tipos de paneles.

2.4

Diodos de protección.

2.8

Parámetros eléctricos.

Instalaciones solares fotovoltaicas.indb 1:15

31/05/2012 17:44:35

Unidad 2 · El panel solar

2.1. Funcionamiento de la célula solar Los paneles solares están formados por células de material semiconductor, la mayoría de Silicio, en el que los átomos tienen en su última capa 4 electrones. Éstos se unen con otros átomos de alrededor formando grupos de 8 electrones y crean una red cristalina:

Fig. 2.1. Átomo de Silicio y la red cristalina que forma.

Este cristal es estable y no permite el paso de corriente, pero al añadirle una pequeña cantidad de Boro y Fósforo (que tienen 3 y 5 electrones), se crean dos zonas, en la que a una le faltan y en la otra le sobran electrones dentro de la red cristalina.

Fig. 2.2. Unión NP.

Al unir las dos zonas se crea, en el centro, una unión de electrones-huecos (el hueco es la falta de electrón) que provocan un campo eléctrico permanente (la N pierde electrones y queda con carga positiva y la P al revés) y no permiten el paso de corriente.

La capa n es la que recibe los rayos solares. Los fotones rompen la unión electrón-hueco, el campo eléctrico los separa llevando los electrones a la capa n y los huecos a la capa p (fig. 2.3.). Si se pone un conductor externo fluye la corriente eléctrica de P a N, como en la figura 2.4.

Fig. 2.3. Incidencia de fotones.

Instalaciones solares fotovoltaicas.indb 1:16

31/05/2012 17:44:36

Unidad 2 · El panel solar La luz del Sol está formada por fotones que tienen una energía capaz de arrancar los electrones y al conectar un cable se crea el paso de una intensidad eléctrica. Es el efecto fotovoltaico.

Fig. 2.4. Corriente eléctrica.

La energía mínima que han de tener los fotones para producir una corriente eléctrica se llama gap de energía o ancho de banda prohibida (Eg). El valor óptimo está sobre 1,5 eV (electrón-voltio). En el Silicio la ruptura de enlaces se produce a 1,1 eV. En cambio, en el Arseniuro de Galio se produce a 1,4 eV que es mejor (ahora lo vemos) pero es más caro. Si los materiales utilizados en los paneles tienen una Eg menor al fotón, sobra energía de los fotones y se disipa en forma de calor (no interesa). Si el material necesita más de 1,5 eV sólo algunos fotones tienen más, por tanto se consigue poca corriente. Lo mejor es que la energía de ruptura de átomos sea parecida a la de los fotones y ésto ocurre con los semiconductores.

(Preguntas Test: 1-4)

2.2. Fabricación de células monocristalinas Silicio purificado

Fundido del Silicio con Boro y después con Fósforo

Recorte del bloque en forma cuadrada

Corte de las obleas

Montaje del marco y del panel solar

Soldadura de las células y laminado

Serigrafiado de las células

Fig. 2.5. Fabricación de un panel.

Instalaciones solares fotovoltaicas.indb 1:17

31/05/2012 17:44:36

Unidad 2 · El panel solar a) Elaboración y purificación del Silicio El Silicio se obtiene de la sílice que está en los granos de arena, es el segundo elemento químico más abundante después del oxígeno. Mediante reducciones se consiguen silicios de diferente pureza, variando la eficiencia y el precio. b) Fabricación

Fig. 2.6. Bloque de Silicio.

Se mezcla el Silicio con unas pocas impurezas de Boro (zona p) a una temperatura de 1.400 °C (Proceso Czochralski) y se crea una masa líquida. Una varilla que en un extremo tiene una semilla de Silicio atrae a la masa ordenando los átomos. La varilla tiene un movimiento circular ascendente que aleja al Silicio y lo solidifica en una red cristalina ordenada formando un bloque circular (imagen). El tiempo invertido en hacer este bloque es de unas 8 horas. Se hacen finas obleas de unos 0,3 mm (perdiendo un 40% en polvo de cristal, que se intenta recuperar posteriormente). Su diámetro está entre 2 y 20 cm. Las obleas se introducen en baños químicos para restaurar las capas dañadas por los cortes y se las prepara para las siguientes fases. Después se colocan en hornos a temperaturas entre 800 °C y 1.000 °C, en una atmosfera con átomos de fósforo y se difunden en la capa n, consiguiendo una unión p-n. Para recoger la energía eléctrica que da la célula se ponen contactos eléctricos (las líneas de la figura). El problema es que éstos tapan el Silicio y se recibe menos radiación. El método más utilizado es la serigrafía. Se hace con una pasta que contiene plata, aluminio, etc. y se introduce en un horno donde se difunde el material. En la parte inferior se hace toda la base homogénea quedando la parte frontal cargada negativa (capa n) y la inferior positiva.

Fig. 2.7. Serigrafía de los contactos eléctricos.

Para acabar, se hacen las pruebas eléctricas (curva I-V) y se clasifica según sus características. c) Fabricación de células policristalinas Similar a la monocristalina, pero no necesita un control máximo de temperatura en la solidificación del Silicio ni un crecimiento controlado de su red cristalina, ya que se hace en varios cristales. Éstos cada vez son más pequeños, dando un aspecto más homogéneo. 18

Instalaciones solares fotovoltaicas.indb 1:18

31/05/2012 17:44:36

Unidad 2 · El panel solar d) Vida útil Hay módulos que llevan 30 años en funcionamiento por eso se puede decir que podrían llegar a los 40 años.

(Preguntas Test: 5-8)

2.3. Módulo fotovoltaico Las células pueden utilizarse para juguetes, equipos didácticos, etc. pero la mayoría de las veces se agrupan en un módulo o panel fotovoltaico. El módulo está formado por células conectadas en serie, muchos son de 36, que hacen una tensión aproximada de 18-21 Voltios (0,5 - 0,6 V / célula). También hay de 60 células, etc.

Fig. 2.8. Símbolo célula y panel solar.

La células han de tener parámetros eléctricos muy similares sino acabamos teniendo los valores que dé la célula con menos tensión (en paralelo) o corriente (en serie), y desaprovecharemos las otras. El panel está formado por varias capas para recubrir las células contra agente externos. Por ejemplo, el agua oxida los contactos eléctricos. De forma general: 1. Cubierta exterior. Se suele utilizar vidrio templado (4 ó 5 mm) resistente a impactos y que transmite la radiación solar. El cristal ha de ser liso en la parte exterior y no retener suciedad. 2 y 4. Capas encapsuladoras. Protegen las células y los contactos de interconexión. Los materiales (silicona, EVA*, etc.) han de tener una buena transmisión a los rayos solares.

Fig. 2.9. Capas de un panel.

Instalaciones solares fotovoltaicas.indb 1:19

31/05/2012 17:44:36