Energía Solar Fotovoltaica

Energía solar fotovoltaica.

1. Introducción

Este tipo de energía se basa en la utilización de dispositivos (células fotovoltaicas) que transforman la luz en electricidad. Las células fotovoltaicas constituyen el sistema de captación de energía.

La energía solar fotovoltaica es una forma limpia de producción de energía eléctrica de poca potencia.

Esta tecnología tiene un problema económico importante en este momento. El kWh producido es mucho más caro en comparación con el obtenido a partir de otras tecnologías más convencionales: petróleo, carbón nuclear, etc.

Este problema va remitiendo poco a poco debido a que se está abaratando esta tecnología y además existen subvenciones de los gobiernos para la implantación de proyectos relacionados con esta forma de energía.

Un sistema de generación de energía eléctrica mediante un sistema fotovoltaico puede tener varias configuraciones y en estas intervienen diferentes elementos que se estudiarán en este tema.

Las aplicaciones típicas de este sistema de generación de electricidad son:

o Viviendas aisladas de la red eléctrica.

o Edificaciones en zonas subdesarrolladas.

o Iluminación de balizamiento y señalización.

o Alimentación en equipos electrónicos y de Telecomunicaciones.

o Etc

2. Elementos de un sistema de generación de electricidad mediante energía solar fotovoltaica

Figura 2 1: Sistema básico

Este sistema es el más simple de todos y está formado por las células fotovoltaicas, que son el sistema de captación que alimenta directamente a la carga. Se suele utilizar únicamente en juguetes o pequeños aparatos electrónicos.

Figura 2 2: Sistema básico para carga de baterías

Este es el típico sistema utilizado para cargar baterías directamente desde el sistema de captación de energía, es decir, las células solares fotovoltaicas. Es arriesgado realizar una carga de baterías sin control ya que puede dañar a las mismas, por lo que este sistema únicamente se encuentra en juguetes y pequeños aparatos electrónicos.

Figura 2 3: Sistema autónomo para cargas en Corriente Continua

Este es un sistema más elaborado y utilizado ya sobre todo en equipos electrónicos autónomos donde se alimentan a través de baterías que son cargadas mediante un circuito que regula la carga de la batería teniendo cuidado de que no se deterioren, sólo puede alimentar cargas que se alimenten en corriente continua (CC ó DC).

Figura 2 4: Sistema autónomo para cargas en Corriente Continua y Corriente Alterna

Este sistema se conoce como un Sistema Fotovoltaico Autónomo (SFA), es el típico sistema que se instala en viviendas aisladas de la red eléctrica, y como se observa puede alimentar cargas en corriente alterna gracias al inversor que convierte la tensión continua de las baterías en tensión alterna (220v/50hz) para alimentar los aparatos típicos de una vivienda.

Figura 2 5: Sistema autónomo para cargas en Corriente Continua y Corriente Alterna con inyección a red

Este sistema se conoce como un Sistema Fotovoltaico Conectado a la Red eléctrica (SFCR). Este sistema entrega a la red la energía eléctrica sobrante que no se ha consumido y la carga se alimenta de la red si el sistema fotovoltaico no puede entregar electricidad a la carga. Esto es posible gracias al bloque “Contadores de consumo y producción + Acondicionamiento para la red” cuya misión es realizar el balance de lo consumido por la red y de lo entregado a la red , de forma que se entregue potencia ó se extraiga potencia de la red según el caso. Además debe preparar la tensión alterna que sale por el inversor para que pueda introducirse a la red eléctrica, básicamente lo que hace es adaptar la señal en niveles y fase con la de la red. Las compañías eléctricas deben facilitar por ley este tipo de instalaciones si el usuario lo demanda.

CÁLCULO DE LA RADIACIÓN MEDIA MENSUAL SOBRE SUPERFICIE ARBITRARIAMENTE ORIENTADAS E INCLINADAS.

En este apartado se puede calcular el valor de la irradiación diaria media mensual a cualquier inclinación de los paneles y con cualquier orientación de estos. Para ello es preciso tener en cuenta las siguiente instruccciones:

• En la tabla de abajo en las celdas correspondientes a los meses se ha de introducir el valor de la irradiación diaria media mensual, medido en Wh/m2.

• En la celda de latitud, se deberá introducir esta expresada en grados

• En el apartado de inclinación se introducirá esta expresada en grados teniendo en cuenta que cero grados es una superficie horizontal.

• En Reflexividad, se debe introducir un valor de entre cero y uno, ya que esta este valor expresa la cantidad de radiación que llega al entorno del panel y es reflejada por el suelo paredes, etc. Si no se conoce con exactitud se puede considerar cero. Un valor orientativo puede ser 0.2

• En el apartado acimut se introducirá la orientación del panel, sabiendo que un acimut de ce grados es una orientación al sur, un acimut de +90º es una inclinación al oeste y un valor de -90º nos indicaa una orientación al este.

• Todas las medidas calculadas vienenn expresadas en Wh/m2

ENERO

FEBRERO

MARZO

ABRIL

MAYO

JUNIO

JULIO

AGOSTO

SEPTIEMBRE

OCTUBRE

NOVIEMBRE

DICIEMBRE

LATITUD DEL LUGAR A CONSIDERAR(GRADOS) (Latitud de Jaén=37.5º) INCLINACIÓN DE LOS PANELES(B)

REFLEXIVIDAD

ACIMUT(a)

IRRADIACIÓN DIARIA MEDIA ANUAL

R. DIRECTA R. DIFUSA R. ALBEDO R. GLOBAL

ENERO

FEBRERO

MARZO

ABRIL

MAYO

JUNIO

JULIO

AGOSTO

SEPTIEMBRE

OCTUBRE

NOVIEMBRE

DICIEMBRE

3. Célula fotovoltaica

La célula fotovoltaica está basada en el llamado efecto fotovoltaico. Este efecto es la conversión directa de radiación electromagnética en corriente eléctrica. Este efecto se manifiesta en los materiales semiconductores.

Los materiales semiconductores son aquellos materiales que presentan una estructura de bandas con un intervalo de banda prohibida (GAP), mucho menor que los aislantes y una banda de conducción, con una pequeña densidad de estados cuánticos posibles vacíos.

Para entender la definición anterior de lo que es un semiconductor haremos previamente una descripción de los conductores, aislantes y semiconductores, y una descripción breve de la teoría de bandas.

3.1 Materiales semiconductores y unión p-n

Modelo de bandas de energía: Es un modelo que servirá para explicar algunas propiedades eléctricas de los materiales. La explicación que se da está intencionadamente simplificada para una mejor comprensión.

Figura 3 1: Bandas en un semiconductor

________________________________________

Las bandas son niveles energéticos en los que pueden encontrarse los electrones de los átomos de un determinado material.

Un material es conductor si tiene electrones libres en los niveles energéticos de la banda de conducción, y es mejor conductor cuantos más electrones libres tiene en los niveles de la banda de conducción.

Un material aislante no tiene electrones libres en la banda de conducción.

Un electrón libre es aquel que puede moverse por el material.

B.P. Banda prohibida, no puede haber electrones en esa banda de energía. EG es la energía del gap.

B.V. Banda de Valencia es la banda de niveles energéticos en los que se encuentran los electrones de valencia.

B.C. Banda de conducción, es la banda de niveles energéticos, en los cuales, si hubiera electrones, podrían desplazarse por el material con libertad (conductividad eléctrica).

Un aislante es tiene un EG grande, de forma que no puedan llegar electrones de la banda de valencia a la de conducción con facilidad.

Un conductor tiene un EG muy pequeño y una alta densidad de estados cuánticos vacíos en la banda de conducción.

Un semiconductor tiene una Banda prohibida, mucho menor que la de los aislantes y una pequeña densidad de estados cuánticos vacíos en la Banda de conducción.

Dicho esto, ¿Qué pasa en los materiales semiconductores?

En un trozo de material semiconductor se puede manipular su conductividad eléctrica.

Si somos capaces de proporcionar energía a los electrones de la Banda de Valencia, para que superen la banda prohibida, esos electrones saltarán a la banda de conducción y el material presentará una conductividad eléctrica no nula. Se dice que se generan pares electrón hueco.

Esto puede conseguirse, mediante:

• Polarización eléctrica,

...