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Panel fotovoltaico
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Introducción
Historia de la tecnología fotovoltaica Historia de la tecnología fotovoltaica Historia de la tecnología fotovoltaica Historia de la tecnología fotovoltaica
La técnica fotovoltaica es una componente fundamental de la cartera de energías
renovables. A nivel de UE se ha fijado un objetivo vinculante con la aprobación de las
normas para energías renovables: En el año
2020 tendrá que ser cubierto el 20 por ciento
de las necesidades energéticas a través de
energías renovables. Los suplementos de
alimentación y las subvenciones tuvieron
como consecuencia a nivel mundial un auge en
lo que respecta al montaje de las instalaciones
fotovoltaicas. En la actualidad, se sobrepasa la
marca de 30 GW de rendimiento de energía
solar en todo el mundo. Con ello pueden ser
suministrados 10 millones de hogares con
corriente eléctrica limpia. Y el rendimiento
fotovoltaico instalado últimamente va en
aumento cada año. Hasta 2015 se puede
esperar un crecimiento
promedio global de un 33 % por año.
Si bien el efecto fotoeléctrico ya había sido descubierto en el año 1839 por el físico francés
Alexandre Edmond Becquerel, no fue sino hasta después de más de 100 años, a finales de
los años 50, cuando por primera vez se realizó dentro de la tecnología satelital la primera
aplicación técnica. Impulsada por las crisis energéticas de los años 70 y apoyada por una
creciente conciencia del medioambiente, la tecnología fotovoltaica empezó a movilizarse
20 años más tarde hacia la rentabilidad. En unos cuantos años más, estos esfuerzos nos
levarán a la llamada paridad de la red de distribución, es decir, el momento en que la
producción de la corriente eléctrica a través de la tecnología fotovoltaica haya alcanzado
el mismo precio que la corriente eléctrica producida de manera convencional.
Potencial de la tecnología fotovoltaica
La cantidad incidente de energía solar sobre la tierra en forma de luz y calor es
anualmente 1,5 · 1018 kWh; esto corresponde a alrededor de 15.000 veces parte del
consumo completo de energía primario de la humanidad en el año 2006 (1,0 · 1014
kWh/año). Esta energía de irradiación puede ser captada mediante un efecto fotovoltaico
y transformada en parte en electricidad, sin crear subproductos no deseados como gases
de escape (p. ej. CO2) o desechos radiactivos nucleares.
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Cálculo para definir número de paneles fotovoltaicos
Fuera de la atmósfera la irradiación del Sol tiene una intensidad de 1350 W/m2, en la
tierra la máxima intensidad de la irradiación es aproximadamente de 1000 W/m2, pero
en días muy despejados puede ser un poco más alta. La irradiación no está distribuida
equitativamente sobre la superficie de la Tierra, primeramente debido a la forma de la
Tierra, las áreas alrededor del Ecuador reciben más energía solar que otras partes. En
segundo lugar, debido a las diferencias en la humedad del aire, despeje del cielo y
nubosidad, hay variaciones de país en país, aún si se encuentran en la misma latitud.
Las áreas desérticas con climas muy secos y claros, reciben mayor irradiación que las áreas
tropicales donde la humedad es mucho mayor. Aún más hay fluctuaciones debido a la
rotación de la tierra alrededor de su propio eje (fluctuación diaria) y alrededor del sol
(fluctuación estacionaria). En
días claros la energía solar
está distribuida a lo largo del
día en una especie de
distribución de Gauss (forma
de campana).
Este diagrama está referido a
las horas efectivas de
incidencia de irradiación solar
por día (horas sol pico) en
base a estudios de mediciones
de horas de sol.
Por ejemplo la estimación de energía solar en el Guatemala es de aproximadamente 5kWh
/m2 /día , esto quiere decir 1000 W/m2 por cinco horas útiles de radiación solar al día.
Cálculo del número de paneles
Dada la demanda de electricidad, la radiación solar promedio y la eficiencia promedio del
panel FV, es bastante fácil calcular el tamaño de un panel FV que cubra esta demanda.
Determinar el tamaño de un sistema es bastante sencillo y directo a pesar de que el
diseño en detalle de un sistema fotovoltaico es complejo. Los métodos para determinar el
tamaño son fáciles de usar pero tienen sus limitaciones. Debido a que se asumen la
entrada y demanda de energía solar, el resultado de aplicar el método para determinar el
tamaño puede no ser confiable en un 100%.
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La radiación solar varía de año en año y también el consumo de electricidad tiende a ser
fluctuante. Por lo tanto, aun cuando se haya calculado cuidadosamente el tamaño del
sistema, pueden surgir ciertas carencias de tiempo en tiempo.
La manera más simple de determinar el tamaño de un sistema fotovoltaico es utilizando la
siguiente formula:
Ar = 1200 X Ed / Id
Donde:
Ar : Tamaño del panel (Wp)
Ed: Consumo de electricidad (kWh / día)
Id : Irradiación (kWh / m2 / día)
El tamaño de un sistema FV está dado por el Watt Pico (Wp). Esta es la salida máxima de
un panel FV bajo condiciones estándar que son: temperatura ambiente de 25°C y 1000
Watt/m2 de irradiación.
La fórmula supone una eficiencia del sistema de aproximadamente 8% que se basa en la
eficiencia del panel (10%) y la eficiencia de la batería (80%). Otro dato que se asume es la
potencia proporcional de los paneles por metro cuadrado de 100 Wp.
Durante el mediodía, en días despejados, se puede esperar una irradiación de 1000 W/m2
. Esto significa que un panel de 50 Wp generará, durante las horas más soleadas del día,
50 Watts. En promedio los paneles FV están en aproximadamente 100 Wp por m2 o, para
decirlo de una manera diferente, los paneles solares tienen una eficiencia promedio del
10%.
En la fórmula anterior, el factor para calcular el tamaño del sistema no es 1000 (que
significaría una eficiencia del sistema de 10%) sino 1200 porque la eficiencia del sistema es
siempre un poco más baja que la eficiencia del panel. El siguiente ejemplo se muestra
cómo se puede realizar un estimado sencillo del tamaño y del precio.
La potencia nominal de las instalaciones en viviendas o edificios en general está
relacionada con la superficie útil disponible para la instalación del generador fotovoltáico,
aproximadamente de 8 a 10 m2 por kWp en función del rendimiento del generador
fotovoltáico. La potencia típica de la mayor parte de las instalaciones se sitúa en torno a
los 5 kWp en viviendas y hasta 100 kWp en otras instalaciones (edificios e integración
urbana). La conexión a red de este tipo de instalaciones se puede realizar directamente a
la red de baja tensión, en modo monofásico hasta 5 kW y en trifásico para el resto.
Otro tipo de instalaciones fotovoltáicas de conexión a red son las centrales fotovoltáicas
de generación eléctrica, con potencias nominales superiores a los 100 kWp, suelen
disponer de una conexión a la red eléctrica en media o alta tensión, disponiendo de un
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centro de transformación en el que se eleva la tensión de salida de los inversores
fotovoltáicos adecuándola a la tensión de la línea eléctrica. Además de generar energía
eléctrica, también pueden laminar los picos de demanda de consumo eléctrico que
normalmente ocurren simultáneamente con los picos de generación fotovoltáicos, al
mediodía.
Conociendo los paneles solares
Una célula fotovoltaica es un conductor semiplano que convierte la irradiación solar
directamente a corriente eléctrica, sin partes móviles y sin generar ruido o contaminación
alguna. Las celdas fotovoltaicas consisten de un semiconductor de silicio, contactos
metálicos y usualmente un recubrimiento delgado que aumenta la eficiencia de la célula
(reflexión reducida).
El silicio cristalino es un semiconductor que consta de un registro periódico de átomos y
un cristal. En general, un átomo consiste de un núcleo positivo y electrones negativos que
circulan en órbitas alrededor del núcleo. Los electrones en las órbitas exteriores son las
más importantes pues determinan las características del átomo. En un metal, por
ejemplo, los electrones exteriores circulan libremente y por lo tanto un metal conduce
electricidad muy bien.
Cuando dos capas delgadas de materiales tipo p y tipo n se unen, los electrones libres de
la capa tipo n fluirán hacia los huecos de la capa tipo p y llenarán estos huecos. Al hacer
esto causan una carga positiva en la capa del tipo n porque los electrones negativos
dejaron esta capa, al mismo tiempo en la capa del tipo p se da una carga b negativa
debido a la recepción de electrones de la capa tipo n. La diferencia de cargas crea un
voltaje interno que impide a más electrones fluir de la capa del tipo n a la capa del tipo p.
Cuando la luz solar cae sobre las capas se crearán más electrones libres en la capa p y
huecos en la capa n, alterando por tanto el equilibrio. Para reponer el equilibrio, fluirá una
corriente eléctrica, creando un voltaje en los contactos externos de las dos capas. Si no se
hace ninguna conexión externa entre las dos capas, este voltaje externo permanecerá tal
como está porque no hay electrones que puedan fluir de la capa n a la capa p.
El principio básico del efecto fotovoltaico es que es posible liberar electrones de sus
átomos y en estos electrones libres hacer el material conductivo. La cantidad de energía
mínima para liberar a un electrón de su posición fija se llama Band-gap. Cuando un fotón
cae sobre un semiconductor puede suministrar suficiente energía para liberar a un
electrón.
La célula fotovoltaica realmente consiste en dos capas muy delgadas de semiconductores.
La capa superior es un semiconductor del tipo n y la capa inferior es un semiconductor del
tipo p.
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Un semiconductor del tipo n (tipo negativo) es un semiconductor con un exceso de
electrones libres. Esto se logra impurificando el cristal de silicio con átomos que tienen
electrones libres.
Un semiconductor del tipo p (tipo positivo) está impurificado con átomos que tienen una
escasez de átomos libres, que también pueden catalogarse con átomos con huecos. Estos
huecos también se mueven libremente a través del cristal a temperatura ambiente. El
electrón exterior de un átomo vecino tiene suficiente energía de vibración para saltar
dentro del hueco, llenándolo pero dejando un hueco en el átomo original
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Características de paneles Fotovoltaicos
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