1.- Paneles o módulos fotovoltaicos

Al conjunto formado por células conectadas en serie y en paralelo, convenientemente ensamblado y protegido contra los agentes externos, se le denomina panel o módulo fotovoltaico. La forma más usual no es construir un generador solar de un sólo panel, sino dividirlo en varios paneles de igual voltaje y potencia. Para varias aplicaciones se pueden diseñar módulos estándar, cumpliendo condiciones específicas.

Corrientemente sólo se usan ciertos voltajes estándar, como 1,5 V, 6 V, 12 V, 24 V y 48 V, que son múltiplos unos de otros. Cualquier pedido específico de potencia se puede satisfacer conectando el número adecuado de módulos en serie y en paralelo. La asociación en serie de paneles permite alcanzar la tensión pedida mientras que la asociación en paralelo permite obtener la potencia deseada. Los paneles que se interconexionen deberán tener la misma curva i-v a fin de evitar descompensaciones.

Las células solares son elementos frágiles y se deben proteger por ambos lados. Esto se consigue colocándolas entre una capa de protección superior y otra inferior. El coeficiente de expansión térmica de los materiales protectores, tanto el superior como el inferior, debe ser similar y compatible además con el de las células. En la actualidad los plásticos y el vidrio son los materiales más empleados. El vidrio tiene la ventaja de mantener intactas sus propiedades ópticas y eléctricas durante largos periodos. Los polímeros no impiden la penetración de la humedad en las uniones y la metalización, por lo que son apropiados si el silicio subyacente y los otros materiales son resistentes a la corrosión. Los plásticos son más ligeros que el vidrio, pero se deben escoger cuidadosamente puesto que algunos tipos pueden perder su transparencia a la luz y su solidez después de una larga exposición a la luz solar y a la atmósfera.

Los paneles adoptan casi siempre una forma cuadrada o rectangular, con áreas que van desde unos 0,1 m² hasta 0,5 m². El grueso total, sin incluir el marco protector, no suele superar los 3 cm. Son relativamente ligeros y, aunque rígidos en apariencia, son capaces de sufrir ligeras deformaciones para adaptarse a los esfuerzos mecánicos a que pudiesen verse sometidos. Los contactos eléctricos exteriores deben asegurar una perfecta estanqueidad cuando se efectúe la unión con el conductor exterior o con los paneles. Algunos paneles llevan preparada una toma de tierra, que será precisa usar cuando, por acoplarse un cierto número de paneles, la potencia total vaya a ser considerable.

La respuesta del panel frente a la radiación solar viene determinada por las células que lo forman, por lo que se caracterizará por los mismos parámetros que describen a una célula:

La curva característica del panel o curva de intensidad-voltaje presenta la misma forma que en el caso de las células y varía poco de unos paneles a otros. El estándar internacionalmente aceptado para medir respuestas de los paneles fotovoltaicos es una intensidad radiante de 1000 W/m², que se conoce como una intensidad de un Sol y una temperatura de la célula de 25 grados Celsius. Así, la potencia nominal pico de un panel es la proporcionada por el mismo al recibir una irradiación de 1000 W/m² cuando la temperatura es de 25 grados Celsius. No obstante, las condiciones de trabajo respecto a las de referencia vendrán dadas por las variaciones de las células componentes.

 

1.1.- Inclinación y orientación de los paneles fotovoltaicos

Frente a la opción de emplear un sistema de seguimiento, una solución estática puede resultar suficiente para determinadas aplicaciones. Naturalmente, en este caso la energía colectada no es la máxima posible pero puede resultar aceptable si se da al colector una determinada orientación, la cual se puede variar con ajustes estacionales para conseguir algunas mejoras.

Inclinación

La radiación solar que incide sobre una placa variará con el ángulo que forme la misma con la radiación. La captación de energía solar será máxima cuando la posición de la placa solar sea perpendicular a la radiación.

La inclinación de los rayos del sol respecto a la superficie horizontal es variable a lo largo del año (máxima en verano y mínima en invierno) y por tanto, en aquellas instalaciones cuyos paneles estén fijos, existirá un ángulo de inclinación que optimizará la colección de energía sobre una base anual. Es decir, conviene buscar el ángulo de inclinación de los paneles respecto al plano horizontal que hace máxima la potencia media anual recibida. En la mayoría de los casos este ángulo coincide con la latitud del lugar de la instalación. Normalmente se suele tomar un ángulo mayor, aproximadamente 15º, en beneficio de una mayor captación durante el invierno, cuando la luminosidad disminuye, a costa de una peor captación en verano, cuando hay una mayor cantidad de luz.

Puede ocurrir que la instalación no vaya a usarse todo el año sino sólo en ciertas épocas. Así, si la instalación se va a usar preferentemente en verano conviene que la inclinación del colector sea menor que la latitud del lugar, aproximadamente en 15º.

Evidentemente, las pérdidas de las superficies horizontales con respecto a las que están inclinadas aumentan progresivamente a medida que nos acercamos al norte (en el hemisferio norte) o al sur (en el hemisferio sur). En los polos, los planos horizontales son inútiles. No obstante, es extremadamente difícil valorar las pérdidas en los climas templados ya que la proporción de luz difusa del sol es más grande debido a la presencia de polvo, vapor de agua y nubes. La orientación no ofrece ninguna ventaja en cuanto a la energía recibida desde la radiación indirecta. Por el contrario, debido a que los paneles inclinados reciben la luz de una parte del hemisferio, estos recogen menos luz difusa que los receptores horizontales.

Orientación

La orientación preferida de los colectores es hacia el Sur, debido a que la trayectoria del Sol en movimiento Este a Oeste es simétrica respecto de la posición que ocupa al mediodía y a que es precisamente en este momento cuando la captación de energía solar es máxima.

Las desviaciones hacia el Oeste o hacia el Este en un ángulo inferior a 30º hacen disminuir la radiación diaria recibida en un pequeño valor que se cifra en menos del 5%. Por el contrario, para ángulos superiores a este valor, las pérdidas en la irradiación captada son considerables.

En resumen, la orientación óptima de un colector es la que mira directamente hacia el Sur, pero si esto no es posible puede determinarse una variación aproximada de 15º.

 

1.2.- Emplazamiento de las placas solares

En cuanto a la situación de los paneles fotovoltaicos existen las siguientes posibilidades generales:

Es importante evitar la fijación del panel sobre (o cerca) de una superficie metálica negra expuesta de lleno a la luz solar. Se logra normalmente una temperatura de funcionamiento no superior a los 10 ºC por encima de la temperatura ambiental. La temperatura de funcionamiento es un factor a tener en cuenta al instalar un panel solar. El rechazo al calor se favorece con una aireación y convección natural.

 

1.3.- Distancia entre paneles

La separación entre líneas de captadores se establece de tal forma que, al mediodía solar del día más desfavorable (altura solar mínima) del período de utilización, la sombra de la arista superior de una fila ha de proyectarse, como máximo, sobre la cresta inferior de la siguiente.

En equipos de utilización todo el año o en invierno, el día más desfavorable corresponde al 21 de diciembre. En este día, la altura solar mínima al mediodía solar tiene el valor:

Hmin= (90º-Latitud del lugar)-23º

Para los equipos de utilización en verano, los días más desfavorables pueden ser el 21 de marzo o de septiembre. En estos días, la altura solar mínima al mediodía solar será:

Hmin= (90º- Latitud del lugar)

En la figura siguiente:

C = B x cos(S)            H = B x sen(S)

La distancia mínima entre líneas de captadores para que la fila anterior no proyecte sombras en la posterior, se determina mediante la fórmula:

donde:

S= inclinación del panel

B= longitud del panel

j= ángulo mínimo de incidencia (un valor aproximado puede deducirse del correspondiente diagrama solar polar)

 

1.4.- Estructura de soporte y anclaje

El bastidor que sujeta el panel, la estructura soporte del mismo, y el sistema de sujeción son tan importantes como el propio panel, pues un fallo de estos elementos conlleva la inmediata paralización de la instalación.

El principal factor a la hora de fijar la estructura no es el peso de los paneles al ser estos ligeros sino la fuerza del viento que, dependiendo de la zona, puede llegar a ser muy considerable. La estructura deberá resistir vientos de, corno mínimo, 150 Km/h.

En terrazas o suelos la estructura deberá permitir una altura mínima del panel de 30 cm, la cual, en zonas de montaña o donde se produzcan abundantes precipitaciones de nieve, deberá ser superior a fin de evitar que los paneles queden total o parcialmente cubiertos por las sucesivas capas de nieve depositadas en invierno.

    

Especial atención deberá presentarse a los puntos de apoyo de la estructura. En el supuesto de que esta sea de tipo mástil es conveniente arrostrarla. Si la base donde descansa es de hormigón, es conveniente reforzarlo en sus extremos mediante tirantes de acero.

En cuanto a los anclajes o empotramiento de la estructura, se utilizan bloques de hormigón y tornillos roscados. Tanto la estructura como los soportes habrán de ser preferiblemente de aluminio anodizado, acero inoxidable o hierro galvanizado y la tornillería de acero inoxidable. El aluminio anodizado es de poco peso y gran resistencia. El acero inoxidable es apropiado para ambientes muy corrosivos, siendo de mayor calidad y período de vida aunque presenta un elevado costo. Las estructuras de hierro galvanizado ofrecen una buena protección frente a los agentes corrosivos externos con la ventaja de que el zinc es compatible químicamente con el mortero de cal y de cemento, una vez que estos están secos. Las estructuras galvanizadas suelen montarse mediante tomillos.

Muchas veces los fabricantes de paneles suministran los elementos necesarios, sueltos o en kits. Otras veces es el propio proyectista o el instalador quien, haciendo uso de perfiles normalizados que se encuentran en el mercado, construye una estructura adecuada para el panel.

 

1.5.- Concentración

Consiste en emplear un sistema óptico que permita concentrar la energía solar correspondiente a una superficie S sobre una superficie más pequeña Sc de la célula.

El interés de la concentración reside en la obtención de una misma potencia eléctrica disminuyendo la superficie del conjunto de las células solares, Esta disminución es útil cuando los costes derivados del sistema de concentración son menores que el ahorro obtenido al disminuir la superficie de células necesaria.

En los sistemas fotovoltaicos de concentración una gran parte del costo del sistema corresponde a la estructura mecánica del panel, al subsistema óptico (lentes o espejos generalmente) y al subsistema de seguimiento del sol. El rendimiento de las células tiene un efecto más importante sobre el costo del sistema que el costo de las propias células. Esto significa que, para sistemas de concentración, pueden considerarse soluciones aceptables basadas en células caras, pero de alto rendimiento de conversión.

Las células solares diseñadas para trabajar en alta concentración presentan fuertes pérdidas de tipo resistivo debido a las fuertes corrientes generadas en su seno. Para obviarlas es preciso un diseño más cuidadoso de la malla de la metalización. Una vez minimizadas estas pérdidas, la eficiencia de la célula en concentración puede ser superior al rendimiento sin concentración, ya que con la intensidad luminosa aumenta la corriente de modo proporcional y también la tensión aunque esta última sólo ligeramente y siempre que la célula se mantenga razonablemente refrigerada. Por este motivo es necesario un buen contacto térmico y eléctrico, una adaptación de los coeficientes de dilatación de los diversos materiales en juego y una protección apropiada de la célula frente al ambiente.

Los inconvenientes que presenta un sistema de concentración son:

Todos estos factores hacen que la concentración se emplee para aplicaciones de media y alta potencia, es decir, en sistemas en los cuales el grado de potencia demandada obligaría al uso de un gran número de paneles, con el fin de reducir los costes.

Los límites teóricos del rendimiento de conversión para células de Si son del orden del 25% a 1 sol y 32% a 1000 soles. Los límites prácticos reducen estos valores a un valor de 21-23% para el rendimiento y 10-100 soles para la concentración. Para las células de AsGaAl / AsGa los máximos teóricos son del orden de 28% a 1 sol y 34% a 1000 soles, mientras que los prácticos se encuentran en el margen comprendido entre 21 y 24% para el rendimiento y 500-1000 soles para la concentración.

 

1.6.- Sistemas de seguimiento

Para aprovechar la mayor cantidad posible de energía solar que llega hasta la superficie terrestre en un determinado lugar, la superficie colectora ha de ser perpendicular a los rayos solares y, por tanto, una colección óptima sólo puede conseguirse si dicha superficie está dotada de un movimiento de seguimiento del sol.

Utilizando el seguimiento, la energía total recibida en un día puede ser del orden de un 35% mayor que para el mismo colector estático. Aunque este rendimiento se ve reducido en los casos de frecuentes nublados y en todas aquellas condiciones climatológicas en las que la relación entre la energía recibida por radiación directa y la recibida por radiación difusa tienda a disminuir, el aumento de energía así conseguido compensa sobradamente en muchos casos prácticos el consumo de energía y el coste de los propios mecanismos de seguimiento.

Los dos tipos de seguimiento que pueden llevarse a cabo son:

1. Seguimiento Ecuatorial
2. Seguimiento Acimutal

1. Seguimiento Ecuatorial

Este sistema de seguimiento consiste en disponer el sistema según dos ejes paralelos a los de tierra (N-S/E-0), de forma que el eje Norte-Sur proporcione el movimiento diurno y el eje Este-Oeste oriente el eje del concentrador de manera que el ángulo que forme con el eje polar sea el complementario de la declinación. Se suele emplear este sistema en estructuras pequeñas y ligeras ya que todo el peso de la estructura gravita sobre un eje inclinado.

El seguimiento se puede realizar con los dos ejes o bien empleando únicamente el eje polar dado que la inclinación se puede ajustar de un día a otro en cada período de tiempo de acuerdo a la declinación y dependiendo de la precisión del citado seguimiento.

2. Seguimiento Acimutal

Este sistema es el más empleado en seguimientos de precisión, sobre todo cuando se trata de estructuras pesadas. Uno de los ejes es vertical y proporciona el seguimiento en acimut y el otro eje es horizontal y proporciona el seguimiento de altura. El seguimiento se realiza en los dos ejes.

El seguimiento se puede realizar por distintos métodos, como son:

1. Seguimiento por sensores

2. Seguimiento por reloj solar

3. Seguimiento por coordenadas calculadas

1. Seguimiento por sensores

El sensor es el elemento que permite la detección y medida de la falta de puntería del panel de células solares, puntería que queda determinada por el ángulo que forma el vector Sol con la normal a la superficie colectora. El sensor suele estar constituido por pares de elementos fotosensibles montados sobre el panel y moviéndose solidariamente con él. Hay que poner especial cuidado en el posicionamiento del sensor respecto al colector y en la rigidez de la unión para evitar errores derivados de una alineación inadecuada durante el montaje o desplazamientos posteriores del sensor.

Los fotosensores se valen de la radiación solar directa para detectar la posición del sol. La imposibilidad del seguimiento cuando se producen ocultamientos del sol y la necesidad, en consecuencia, de emplear un tiempo en la recuperación de la puntería cuando el sol reaparece, son características inherentes a todos los sistemas de seguimiento basados en fotosensores.

El principio de funcionamiento es el siguiente: Para pequeños errores de puntería el sistema sensor genera una señal de error, e, proporcional al ángulo de desviación, d, diferencia entre la orientación del panel, P, y la orientación de los rayos del sol en cada instante, S. A partir de esta señal de error, convenientemente transformada, se elabora la señal de actuación, V0, que controla el funcionamiento de los motores para conseguir un movimiento del panel en el sentido de anulación del error.

Los sistemas que utilizan fotosensores se emplean para pequeños y medianos colectores individuales puesto que proporcionan un procedimiento sencillo de localización y seguimiento del sol. En el caso de que el número de colectores a controlar sea suficientemente grande, los sistemas de coordenadas calculadas que utilicen un micro o miniordenador resultan ventajosos.

Para el movimiento de los colectores se suelen emplear motores de velocidad constante que funcionen de manera intermitente de modo que el error de puntería se mantenga en una banda de tolerancia. En el instante t1, la posición angular del colector ha alcanzado el mayor valor tolerable del error de retraso y el motor-comienza a girar para reducir el error, produciéndose un avance hasta que se alcanza un cierto error de adelanto en el instante t2. Entonces el motor se para hasta el instante t3 en el que el panel alcanza de nuevo el error límite de retraso, momento a partir del cual se repite el proceso.

Entre la puesta del sol de un día y el amanecer del día siguiente el colector debe situarse en la posición de amanecer, pues, de lo contrario, una vez salido el sol se perdería mucho tiempo en el giro de 180º necesario para recuperar la puntería. Para ello se puede emplear un reloj que genere la orden apropiada.

Tanto al amanecer, como en el caso de nubes u otras circunstancias que oculten el sol, se produce una notable desorientación de los colectores guiados por sistemas de fotosensor. Entonces resulta esencial un subsistema auxiliar de búsqueda del sol, que ordene el giro de los motores hasta que se haya recuperado la puntería. En el supuesto que la luminosidad resulte insuficiente, por nublado, por ejemplo, puede ser aconsejable parar el sistema de seguimiento pues éstos dejan de actuar de manera adecuada. A partir de una célula medidora de luminosidad se puede generar una señal para que los motores paren hasta que se alcanza el nivel luminoso necesario.

Seguidamente se estudian algunos sistemas basados en el empleo de fotosensores.

a) Sensor Ricerca

Este tipo de Sensor utiliza, para un seguimiento en dos ejes, cuatro fotorresistencias, formando un puente Wheatstone por cada uno de los ejes X e Y del plano de la apertura del concentrador. En el caso de que el seguimiento se realice en un eje, sólo será utilizado un grupo de estas fotorresistencias.

Cuando el vector sol, S, es coincidente con el eje Z, normal al plano a orientar, todas las fotorresistencias tienen igual valor, ya que éste depende de la iluminación según la expresión:

R = R0 x I-a

donde I es la intensidad de iluminación y R0 y "a" son los parámetros de la fotorresistencia.

En el supuesto de que el eje Y esté orientado según la dirección Norte-Sur, el sensor de fotorresistencias situadas en el eje X controlará el motor correspondiente al movimiento acimutal por la desviación del ángulo "dx", y el sensor de fotorresistencias situadas en el eje Y controlará el motor del movimiento cenital.

Si no hay desviación entre los vectores S y Z habrá igualdad de iluminación en las fotorresistencias y se cumplirá:

R1 x R3=R x R4

Una variación "dx" producirá una disminución de los valores de las resistencias R4 y R2 y, como consecuencia, una señal AV dada por:

AV= I x R4 – I2 x R1

Teniendo en cuenta que por estar cada dos resistencias igualmente iluminadas se cumple:

R4 + R3 = R1 + R

ha de cumplirse la igualdad de intensidades en las dos ramas I1 e I2, y, por tanto:

La señal de error, previa ampliación por un amplificador operacional diferenciador, nos determina la polaridad de la señal para el tratamiento en el mecanismo de accionamiento del motor en ambos sentidos.

b) Sensor Sandía

Este sistema utiliza células fotovoltaicas especialmente dispuestas de forma que:

Las células que están parcialmente ocultas producirán la señal de error en intensidad para un seguimiento del sol. Una desviación de la radiación con respecto a la normal, originará que unas células resulten más iluminadas que otras y, en consecuencia, las fotocorrientes serán proporcionalmente diferentes.

Por otra parte, las células colocadas en las caras laterales están cubiertas por un filtro que deja pasar solamente parte de la luz directa, excepto en los casos que exista una gran desviación respecto a la trayectoria solar. En este último caso las señales de error de estas células realizan la función de ajuste grueso en la colimación de los ejes.

Finalmente, una célula colocada en la parte superior del bastidor trapezoidal desconecta el sistema en el caso de una disminución de la luminosidad por aparición de nubosidad.

2. Seguimiento por reloj solar

Nuestra unidad de tiempo de 24 horas es el intervalo medio entre dos máximas elevaciones consecutivas del sol encima del horizonte. Esto ocurre al mediodía cuando el sol cruza el meridiano. Sin embargo, el tiempo actual entre los tránsitos del sol sobre el meridiano está sujeto a pequeñas variaciones llamadas "ecuación del tiempo". Esto es debido a:

En un punto determinado sobre la Tierra, en el que el Sol está en la posición del mediodía en verano, seis meses más tarde está en la posición de medianoche, después de un número de rotaciones completas de la tierra. Pero este punto sobre la Tierra debe girar 180º adicionales, o 12 horas más para estar de nuevo al mediodía. Por esto, en todo un año, el punto tiene que girar 360º adicionales, o 24 horas más. De aquí que la duración de una rotación plena de la tierra sea más corta, 360º/365 o alrededor de 1º, unos 4 minutos, que el tiempo entre dos puntos culminantes de sol: una rotación plena de la tierra necesita 23 h 56 min 45 seg.

Las desviaciones de la diferencia media de tiempo de 24 h entre dos culminaciones del sol surgen del hecho de que la velocidad angular de la tierra alrededor del sol no es absolutamente regular.

Como resultado de la rotación de la tierra a velocidad constante, se recorren iguales distancias a lo largo del círculo ecuatorial por unidad de tiempo, pero las correspondientes distancias lo largo de la proyección de la eclíptica sobre el plano ecuatorial son desiguales; así, a un observador sobre el ecuador le parece que hay una modulación de la velocidad angular del sol. A menudo, cuando el reloj alcanza el mediodía, el sol puede no haber alcanzado su mediodía real o punto culminante por encima del horizonte de un día particular.

3. Seguimiento por coordenadas calculadas

En este sistema de seguimiento se sigue la posición del sol mediante el cálculo de sus coordenadas astronómicas y no precisa, por tanto, de la presencia física de los rayos solares. Esta circunstancia hace a los sistemas de coordenadas inmunes a los nublados y a otras circunstancias que pueden producir errores de puntería en un fotosensor, como sucede por ejemplo con los destellos.

El empleo de sistemas de equipos controladores por computador presentan las ventajas adicionales de que determinados cambios pueden hacerse a nivel de software únicamente y de poder incluir un conjunto de funciones adicionales a la de puntería propiamente dicha, tales como la de llevar los paneles a una posición de máxima seguridad ante las inclemencias del tiempo o la del retorno nocturno.

 

1.7.- Algunos módulos comerciales

A continuación podemos ver las características eléctricas y físicas de la extensa gama de módulos solares fotovoltaicos fabricados por Atersa:

MODULO POTENCIA
A-5 5 Wp
A-10 10 Wp
A-20 20 Wp
A-38 38 Wp
Apx-45 45 Wp
A-55 55 Wp
A-60 60 Wp
A-75 75 Wp
A-85 85 Wp
Apx-90 90 Wp
A-120 120 Wp
A-130 130 Wp

No obstante, éstos son sólo unos ejemplos de los módulos solares fotovoltaicos podemos encontrar en el mercado. Desde la sección enlaces se puede acceder a los sitios web de los principales fabricantes y distribuidores españoles.

2.- Baterías >>>>