¿Cómo funcionan las instalaciones fotovoltaicas de autoconsumo?
Una célula fotovoltaica es un dispositivo electrónico que permite transformar la energía lumínica en energía eléctrica mediante el efecto fotovoltaico. Está compuesto de un material que presenta efecto fotovoltaico: absorben fotones de luz y emiten electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad.
La eficiencia de conversión media obtenida por las células disponibles comercialmente varía considerablemente en función de la tecnología de fabricación. La potencia de cada célula fotovoltaica es pequeña, por lo que se conectan como un circuito en serie y/o en paralelo. Al grupo de células fotovoltaicas conectadas se le denomina placa fotovoltaica.
El tipo de corriente eléctrica que generan es corriente continua (como las pilas o baterías), por lo que para obtener corriente alterna, que es la que se usa en la red eléctrica, será necesario el uso de un inversor.
Componentes de una instalación fotovoltaica de autoconsumo
Los componentes de las instalaciones fotovoltaicas conectada a red son:
- Placas solares
- Inversores
- Estructuras de soporte
- Medidores de producción y consumo
- Cableado
- Protecciones
- Puesta a tierra
- Baterías
Placas solares
Las placas solares son el elemento más importante de las instalaciones de autoconsumo. También se les denomina placa fotovoltaica o panel solar. Una placa fotovoltaica es un grupo de células fotovoltaicas conectadas como un circuito en serie y/o en paralelo, que generan corriente continua transformando la energía lumínica en energía eléctrica mediante el efecto fotovoltaico.
La eficiencia de conversión media obtenida por las células disponibles comercialmente varía considerablemente en función de la tecnología de fabricación. El material más utilizado para la fabricación de células fotovoltaicas es el silicio. Las células de silicio se pueden subdividir a su vez en silicio monocristalino, policristalino y amorfo.
Las placas solares monocristalinas están compuestas por células con un único cristal, presentando un color azul o negro muy uniforme y esquinas redondeadas. Estos paneles son los que más eficiencia tienen (habitualmente por encima del 20%) y son los más caros ya que su proceso de fabricación es más difícil.
Las placas solares policristalinas están formados por células que tienen varios cristales. Presentan un color azul muy heterogéneo y de forma cuadrada o rectangular. Su proceso de fabricación es más sencillo que el de las placas monocristalinas, por lo que son más económicas, aunque se eficiencia es menor, alrededor del 17%.
Las placas solares amorfas están compuestas por células de silicio amorfo. Son las más baratas, dado que su proceso de fabricación es el más rápido. Son también las menos eficientes, con una eficiencia de apenas el 7%.
Silicio monocristalino
Silicio policristalino
Silicio amorfo
La eficiencia determina el grado de aprovechamiento de la energía disponible. Se realiza mediante ensayos estandarizados. Se someten los paneles a una radiación de 1000W/m2, que es la irradiancia solar que incide en un plano horizontal sobre la superficie terrestre un día claro al mediodía. Así, un 22% de eficiencia significa que el panel en cuestión producirá 220 W por cada metro cuadrado de panel, bajo la radiación estándar. En términos prácticos, a mayor eficiencia, se necesitará una superficie menor de paneles para producir una cantidad determinada de energía.
La producción de energía de una placa solar depende de la ubicación geográfica, la orientación, la inclinación, la temperatura y la degradación.
La irradiación procedente del Sol que recibe una superficie perpendicular al Sol en las capas exteriores de la atmósfera es constante e igual a 1367 W/m2, denominada constante solar. La irradiancia terrestre que reciben las placas fotovoltaicas se verá mermada por las variaciones de día/noche, presencia de nubes, ángulo de inclinación, orientación y suciedad. Para calcular las distintas componentes de la radiación sobre la superficie terrestre, será necesario conocer la irradiación incidente sobre una superficie situada fuera de la atmósfera como referencia, denominada radiación extraterrestre.
La que llega a la superficie terrestre es menor debido a la influencia de los fenómenos atmosféricos, la actividad humana, la forma propia de la Tierra, el ciclo día/noche, la inclinación del eje de rotación terrestre y la órbita elíptica de la Tierra.
La órbita de la Tierra alrededor del Sol es elíptica y su distancia al Sol oscila entre los 147,1 millones de kilómetros el 3 de enero y los 152,1 millones de kilómetros el 4 de julio. La radiación que alcanza la atmósfera es mayor en los meses del invierno boreal (en el hemisferio norte), pues la Tierra está más próxima al Sol en esos meses.
La atmósfera atenúa la radiación solar debido a los fenómenos de reflexión, absorción y difusión que sus componentes (nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono, agua, etc.) producen sobre ésta.
La difusión que se produce debido a la presencia de polvo y a la contaminación del aire depende del lugar donde se mida, siendo mayor en los lugares industriales y en los lugares más poblados. Los efectos meteorológicos locales tales como nubosidad, lluvia o nieve afectan también a la irradiancia solar que llega a un determinado lugar.
La radiación solar que llega a la superficie terrestre puede ser:
Radiación directa, es la que recibimos directamente del sol. Varía en función de la nubosidad del momento y de la estación del año. Las estaciones son el efecto de la inclinación del eje de rotación terrestre.
Radiación difusa, es la que recibimos debido al reflejo de la radiación solar sobre las nubes y partículas del aire. En los días nublados es la que más recibimos.
Radiación de albedo, es básicamente la radiación reflejada en otras superficies, sobre todo de colores claros. La cara trasera de las placas fotovoltaicas bifaciales aprovechan esta radiación.
Además de la radiación directa, difusa y de albedo, hay que tener en cuenta que cuando los rayos solares no inciden perpendicularmente sobre las células fotovoltaicas, se producen pérdidas por reflexión y absorción en las capas anteriores a la célula, como el vidrio, encapsulante y capa antirreflexiva. También es necesario tener en cuenta las pérdidas por suciedad y los efectos espectrales, ya que las células solares responden selectivamente a los fotones de la luz incidente, es decir, que para cada longitud de onda de la radiación solar incidente, generan una corriente determinada.
La irradiancia que incide en un plano horizontal sobre la superficie terrestre un día claro al mediodía alcanza un valor máximo de 1000 W/m2 aproximadamente. Este valor depende del lugar y de la nubosidad.
La irradiancia es la magnitud que describe la radiación solar que llega hasta nosotros medida como una potencia instantánea por unidad de superficie. Sus unidades son el W/m2.
La irradiación es la cantidad de irradiancia recibida en un periodo de tiempo determinado (como hora, día, mes o año). Se mide en Wh/m2 por unidad de tiempo.
Para el cálculo de la producción de energía de una instalación fotovoltaica se debe conocer la irradiación solar en el lugar correspondiente a la instalación y la trayectoria solar en el lugar en las diferentes épocas del año. La posición del Sol a lo largo del año se determina mediante dos variables: el azimut solar y la altura solar.
El azimut es el ángulo medido en la brújula, entre el Norte, el observador y la posición del Sol. Al mediodía solar, el sol siempre está directamente al Sur en el hemisferio norte, y por tanto el azimut será 180º. El Este, será 90º y el Oeste, 270º.
La altura solar es el ángulo entre el horizonte, el observador y el Sol. Su valor es 0º a la hora de la salida y de la puesta de sol y su valor es el máximo al mediodía solar. Evidentemente, la altura solar máxima será diferente para cada día del año.
Idealmente, las placas solares aprovecharían perfectamente la radiación que reciben si estuvieran siempre perpendiculares al Sol. Esto se consigue con los seguidores solares, que son soportes que se mueven de acuerdo a la posición del Sol, como lo hacen los girasoles. La desventaja de los seguidores es que son más costosos, son más propensos a que se estropeen y pueden generar sombras en otras placas. La gran mayoría de placas fotovoltaicas se montan en soportes fijos, que son mucho más baratos y robustos, a cambio de sacrificar una parte de la energía que se genera .
En el hemisferio norte, las placas solares instaladas sobre soportes fijos deben orientarse idealmente hacia el Sur. En numerosas ocasiones se aprovechan superficies existentes en la edificación, como por ejemplo un tejado, y no siempre están orientadas al Sur. No obstante, las pérdidas de producción no son muy significativas, siempre que se emplacen con un azimut de las placas comprendido entre 135º y 225º.
La inclinación óptima de las placas solares respecto a la horizontal en Mallorca es de 35º, maximizándose la producción de energía en torno a este valor.
El comportamiento de las placas solares también depende de la temperatura ambiente. Dependiendo del tipo de silicio empleado en la placa (monocristalino, policristalino o amorfo), será más o menos sensible a la temperatura. Cuanto mayor sea la temperatura, menor será la producción de energía, y viceversa.
Las garantías de las placas fotovoltaicas protegen la inversión que haces en tu instalación y son una parte muy importante a tener en cuenta. Un panel fotovoltaico tiene dos garantías: una de rendimiento y otra de producto (rendimiento o producción).
La garantía de rendimiento de una placa solar estándar suele garantizar el 90% de la producción a los 10 años y el 80% a los 25 años.
La producción de energía también depende de la degradación de las placas. Las mejores placas solares tienen una degradación de 0,25% por año, lo que implica que después de 25 años, garantizan una producción del 92% de su potencia nominal, mientras que las peores presentan una degradación del 0,8% cada año, por lo que al cabo de 25 años, solo producen el 80% de su potencia nominal.
Una garantía de producto generalmente garantiza 10 años sin fallos. La garantía del producto de una placa solar cubre la integridad de la placa misma y la protege contra problemas tales como defectos de fabricación, desgaste prematuro, etc.
Como con la mayoría de las garantías, un período más largo será más ventajoso para ti.
Las placas fotovoltaicos seleccionados por QCD Advisory, marca SUNPOWER, ofrecen una garantía de producto de 25 años y una garantía de producción del 87% a 92% a los 25 años, muy por encima de lo que ofrecen otros proveedores.
¿Son iguales todas las placas solares?
Inversores
Los inversores son los componentes de las instalaciones solares fotovoltaicos que convierten la corriente continua (la energía eléctrica producida por las placas solares) en corriente alterna (la electricidad que podemos utilizar de la red eléctrica).
De este modo, una vez convertida ya podremos hacer uso de la energía generada en nuestros aparatos eléctricos o electrónicos. Además, si generamos más electricidad de la que consumimos, podemos acumularla en las baterías o verterla a la red.
¿Qué tipos de inversores de autoconsumo existen?
Básicamente son los inversores centralizados o tipo String y los microinversores. Además se pueden combinar con optimizadores, cuya función es maximizar la potencia generada por cada placa solar.
Inversores String
También se les conoce como el inversor centralizado o “de cadena” (String, en inglés). Se trata del inversor estándar. Las placas se conectan en serie y/o en paralelo, respetando las especificaciones del inversor en voltaje e intensidad de corriente y la energía producida se envía a un único inversor. Es el inversor adecuado para instalaciones sin sombras y con placas solares idénticas e instaladas con la misma inclinación y orientación, en las que no se prevean ampliaciones.
Es el punto más vulnerable de la instalación. En caso de fallo del inversor, la producción sería nula. Habitualmente tiene partes móviles y ventiladores. Al estar conectados todos los paneles en serie, existe un alto voltaje en el circuito de corriente continua, por lo que se requieren instalar protecciones a fin de minimizar los riesgos de explosión o incendio.
La energía generada queda limitada por la placa con peores prestaciones.
La garantía es de 10 años, por lo que es previsible que se tenga que cambiar el inversor al menos una vez durante la vida útil de la instalación.
Optimizadores
Para mejorar las prestaciones de cada placa solar individualmente, existen los denominados optimizadores, que se conectan a cada una de las placas. El optimizador maximiza la producción de cada placa solar en función de la radiación que reciben. Sin embargo, no solucionan el problema de vulnerabilidad, ya que el inversor centralizado continúa siendo un punto crítico de fallo.
Microinversores
Se les conoce también como inversores distribuidos, ya que a diferencia con el String, en el que hay un único inversor, en este caso se instala un microinversor en cada placa solar. Existen microinversores con optimizadores incorporados, marca ENPHASE, que son los que QCD Advisory selecciona en las instalaciones fotovoltaicas, especialmente domésticas. Presentan una serie de ventajas con respecto a los inversores centralizados:
No tienen partes móviles ni ventiladores, lo que los hace más robustos
No hay puntos únicos de fallo. Al instalarse un microinversor en cada placa, en caso de avería de un microinversor, éste dejaría de funcionar, pero los demás continuarían produciendo energía.
Se optimiza la producción en cada placa.
Los circuitos de corriente continua son de bajo voltaje, por lo que no hay riesgo de explosión o incendio y por tanto no son necesarias las protecciones en corriente continua.
La garantía es de 25 años, la misma que el resto de la instalación.
Permite instalar placas solares con distintas orientaciones, inclinaciones o potencias. Cada placa contribuirá a la generación de energía según la radiación que reciba en cada momento.
Permite incrementar la potencia de la instalación de forma modular fácilmente. Únicamente hay que añadir las placas en serie a la instalación existente, hasta el límite establecido según sus especificaciones. Este punto es particularmente interesante, ya que en estos momentos no recomendamos la instalación de baterías para el almacenamiento de energía. Su elevado coste actual penaliza la rentabilidad de la inversión en una instalación fotovoltaica. Sin embargo, se prevé que en un futuro próximo el coste de las baterías baje lo suficiente para rentabilizarlas, motivo por el cual apostamos por instalaciones modulares.
Estructuras de soporte
Las placas fotovoltaicas requieren estructuras estables, rígidas y durables que soporten las inclemencias climatológicas, como el viento o la nieve. Por este motivo las estructuras de soporte son un elemento fundamental de las instalaciones fotovoltaicas, aunque no se les suele dar la importancia que se merecen.
Las estructuras suelen clasificarse en dos grupos:
Estructuras fijas: son indudablemente las de uso más extendido. Posicionan las placas con inclinaciones de ángulos fijos, que vienen determinados por la latitud del lugar, a fin de maximizar la energía que genera la instalación. Dependiendo de la aplicación, se pueden encontrar modelos para cubiertas planas o inclinadas y para distintos materiales (tejas o chapa metálica, entre otros), para pared, suelo, poste y para su integración arquitectónica en el edificio.
Estructuras móviles (seguidores solares): Están dotadas de uno o dos ejes móviles cuya finalidad es orientar las placas hacia el sol para incrementar la radiación que reciben, como lo hacen los girasoles. A modo de ejemplo, hemos realizado una simulación de la energía producida por una instalación fotovoltaica ficticia, de 1 kWp, ubicada en Lloret de Vistalegre, habitualmente considerada como el centro geográfico de Mallorca, y con diferentes estructuras de soporte:
Evidentemente, la energía generada con seguidores es considerablemente superior, comparada con las estructuras de soporte fijas (de 32% a 72% más que con una estructura fija). Sin embargo, hay que tener en cuenta que la movilidad de las placas requiere cierto consumo eléctrico, son más propensas a averías, conllevan un mantenimiento mayor y el aprovechamiento de la superficie es menor, ya que la movilidad de los seguidores origina sombras en los seguidores adyacentes, por lo que es necesario separarlos más.
Ventajas y desventajas de cada tipología de soportes para placas solares:
Independientemente del tipo de estructura que se elija, su función fundamental es brindar una orientación e inclinación correctas, con seguridad y durante la vida útil de la instalación, que es de 25 años como mínimo.
La orientación e inclinación de las placas fotovoltaicas condicionan la producción de energía. Hemos realizado simulaciones con la instalación antes descrita, fijando la inclinación a 35º, pero con diferentes orientaciones:
Se pueden apreciar las diferencias de producción de energía respecto a la orientación ideal que es Sur, en el caso de Mallorca, así como en todo el hemisferio norte. En general, las pérdidas por desviaciones en la orientación son bajas para orientaciones entre Sureste a Suroeste.
Del mismo modo, tenemos los siguientes resultados para la misma instalación, con orientación Sur, pero variando esta vez la inclinación:
Generalmente se emplean inclinaciones entre 10 y 30º. Las pérdidas de producción de energía son pequeñas si las comparamos con la inclinación óptima. No se recomienda colocar las placas horizontalmente, ya que no se evacúa el agua de lluvia y suciedad. Hay que tener en cuenta además que a mayor inclinación, le fuerza del viento será también mayor, lo que requiere estructuras de soporte anclajes sobre la cubierta más reforzadas. Asimismo, a mayor inclinación, la sombra sobre las placas ubicadas en filas posteriores será mayor, por lo que habría que separarlos más y el aprovechamiento de la superficie de la cubierta sería menor. A fin de cuentas, se trata de optimizar el aprovechamiento de la cubierta, de modo que genere la máxima energía posible.
Materiales empleados para estructuras de soporte para placas solares:
Aluminio
El aluminio es un material ligero y resistente a la corrosión, lo que proporciona estabilidad y durabilidad y un mínimo mantenimiento. Esto hace que sea muy popular para las estructuras de soporte de placas fotovoltaicas.
Acero galvanizado y acero inoxidable
Las estructuras que emplean este material se diseñan con perfiles de acero galvanizado en caliente con un revestimiento de zinc que asegura una protección eficaz contra la corrosión con un bajo mantenimiento. Es más barato que el aluminio, pero también más pesado que éste. Se debe tener en cuenta que la protección superficial se pierde si se taladra después del galvanizado.
El acero inoxidable no tiene este inconveniente, pero es considerablemente más caro que el acero galvanizado y el aluminio. Rara vez se utiliza como estructura de soporte, salvo en aplicaciones de integración arquitectónica.
En las estructuras de soporte de materiales metálicos, se ha de tener en cuenta el fenómeno de la corrosión galvánica. Se produce corrosión galvánica cuando están en contacto metales con un comportamiento eléctrico muy distinto entre sí, especialmente en condiciones de elevada humedad o ambientes salinos. En el caso de las instalaciones fotovoltaicas, se presentan diferentes materiales en varios componentes que están en contacto entre sí. Así, por ejemplo, los marcos de las placas fotovoltaicas suelen ser de aluminio. Las estructuras de soporte, de aluminio o acero galvanizado. La tornillería, de acero inoxidable o acero galvanizado. Las estructuras de las cubiertas o subestructuras suelen ser de acero galvanizado o acero pintado.
A fin de evitar la corrosión galvánica, se pueden aislar los metales poco compatibles con aislantes, como por ejemplo plástico o caucho o emplear materiales eléctricamente más similares, de modo tal que se evite este fenómeno.
Hormigón
Son productos prefabricados de hormigón. Tienen varias inclinaciones normalizadas y no requieren anclajes que puedan afectar a la impermeabilización de la cubierta. Simplifica el montaje de las placas, pero representa una carga importante sobre la cubierta, por lo que se ha de comprobar que la cubierta lo pueda soportar. El peso propio del hormigón contrarresta la fuerza del viento y otros agentes externos.
Según la cubierta sobre la cual se instalen las placas, las estructuras pueden ser inclinadas o coplanares:
Estructuras inclinadas
Son las que se utilizan sobre todo en cubiertas planas. También es factible utilizarlas sobre cubiertas inclinadas, pero posicionando las placas en un ángulo distinto al de la cubierta. No suele ser muy común, ya que el impacto visual es importante. Suelen colocarse varias placas en una estructura con una inclinación determinada. Los soportes con inclinaciones más comunes son de 15º y 30º.
Estructuras coplanares
Son las estructuras utilizadas sobre superficies inclinadas: Las placas se colocan con la misma inclinación que la cubierta. Son más fáciles de instalar y el impacto visual es reducido.
