Según los últimos informes, España se convertirá, en tan solo 5 años, en el mayor mercado fotovoltáico a nivel europeo. Pero... ¿en qué consiste una central fotovoltáica? Te lo explicamos hoy, en el Blog de Structuralia.
Se denomina energía solar fotovoltaica a la energía eléctrica generada directamente en una célula solar, a partir de la radiación solar que incide sobre ella. El proceso de transformación de luz en electricidad, denominado “efecto fotovoltaico”, se produce gracias a las inestimables propiedades de los materiales semiconductores (Silicio y Germanio, principalmente). En ellos se puede generar un determinado voltaje por interacción de la energía de las partículas de luz incidente con los electrones de dicho material receptor. Si se conecta una carga eléctrica al dispositivo, obtendremos electricidad.
Así pues, vamos a detallar los elementos que son necesarios para que se produzca este fenómeno físico.
El generador fotovoltáico
Si bien el tamaño y potencia de los paneles solares ha ido aumentando con el desarrollo reciente de las aplicaciones en conexión a red por las propias limitaciones constructivas y de transporte, siguen siendo equipos pequeños. Debe recordarse que una de sus principales ventajas es su modularidad, lo que le confiere una gran flexibilidad a la hora de adaptarse a muy diferentes aplicaciones y ubicaciones.
La asociación eléctrica de varios paneles para obtener determinadas condiciones de corriente y tensión (y, por tanto, potencia) recibe el nombre de generador fotovoltaico. En un generador fotovoltaico puede ocurrir que una parte se encuentre bajo condiciones de radiación diferente al resto, normalmente por efecto de un sombreado, de suciedad o de una nube en el caso de instalaciones grandes.
La corriente generada por una célula solar es proporcional a la radiación solar recibida. Al mismo tiempo, células y paneles conectados en serie conducen la misma corriente, la del panel que menor corriente fuera a generar. Algunas de las causas son imposibles de evitar, como es el sombreado parcial por nubes, pero en otras sí se pueden tratar de minimizar las pérdidas. Así, a la hora de configurar un generador fotovoltaico en serie y paralelo, deben tratarse de conectar en serie los paneles que vayan a recibir sombreado similar de obstáculos próximos y conocidos (chimeneas, edificios, árboles, montañas, etc.). Si una sombra afecta a una pequeña parte de varias ramas en paralelo, todas ellas operarán en condiciones de generación reducida. Todo ello considerando siempre que en ocasiones la mejor solución ante un sombreado excesivo es el cambio de ubicación de los paneles.
Seguidores solares
Se encuentran diversos tipos de estructuras para el seguimiento solar: en 2 ejes o en 1 eje acimutal (eje vertical), eje inclinado con orientación Sur (polar si el eje de inclinación iguala la latitud) u horizontal (eje Norte-Sur). Como referencia, puede estimarse que para latitudes como las de la España peninsular se obtiene una mejora en la recepción solar de entre un 25 y un 40% anual respecto a la posición fija con inclinación de unos 30º y orientación Sur.
Seguimiento en un eje horizontal, Norte-Sur: en este tipo de seguimiento los paneles están orientados hacia el Este por la mañana, moviéndose a lo largo del día sobre el eje Norte Sur hasta la posición Oeste al atardecer. Después de la puesta de Sol se puede volver a la posición inicial en preparación para la mañana siguiente. Si hay condiciones de viento medio-fuerte se mantienen en posición horizontal para reducir los esfuerzos mecánicos, mientras que, si se prevén nevadas, se posicionan en vertical para evitar la acumulación. Entrando más en detalle, en este tipo de seguimiento en instalaciones reales debe observarse que, si durante las primeras horas del día los paneles estuvieran en su posición óptima, casi verticales, la sombra que arrojarían sobre otras filas de paneles sería muy alargada, lo que, o bien reduciría la generación eléctrica en éstas u obligaría a separar en exceso los paneles, con un menor aprovechamiento del terreno.
En estos casos debe llegarse a un compromiso entre ambos factores (inclinación y sombreado). Así, en el campo de paneles con seguimiento a un eje de la planta fotovoltaica Toledo-PV, en funcionamiento desde 1994, se limita la inclinación, tanto por la mañana como por la tarde, a 60º con respecto a la horizontal. Se estima una reducción en la recepción solar de un 3% que se compensa con una mayor incidencia sobre las filas adyacentes.
Los sistemas actuales incorporan el llamado backtracking, que modifica la posición de los paneles a fin de reducir el sombreado a primera y última hora del día. Dentro de los sistemas con seguimiento es de los que presenta una mayor sencillez, robustez y menor coste. Es apropiado para sistemas muy grandes, ya que el aprovechamiento del terreno es máximo porque no existe casi sombreado en la dirección Norte-Sur y se pueden colocar paneles contiguos en largas filas.
A continuación, se representa el esquema de la de la planta fotovoltaica.
Seguimiento en un eje acimutal (vertical): en latitudes mayores se mejora la recepción energética con el seguimiento acimutal a un eje. El eje de giro es vertical, estando los paneles inclinados un valor igual a la latitud, de forma constante.
Una configuración que combina una buena recepción energética con un buen aprovechamiento de terreno es el seguimiento con un eje inclinado hacia el Sur. Cuando la inclinación de este eje es igual a la latitud recibe el nombre de seguimiento polar.
Para disminuir el sombreado se diseñan sistemas con inclinación del eje de giro menor, por ejemplo, de 20º. De esta forma se puede aumentar la concentración de equipos sobre el terreno disponible.
La configuración que maximiza la recepción solar anual considerando un sistema individual sin sombras es, sin duda, el seguimiento a 2 ejes, salvo climatologías con un exceso de radiación difusa.
En este tipo de sistemas los paneles se encuentran orientados de forma perpendicular al Sol en todo momento, obteniéndose una ganancia por encima del 40% respecto a los sistemas sin seguimiento.
En el diseño de toda planta debe evaluarse, sin embargo, no sólo el incremento de radiación por posicionamiento, sino también los efectos de sombreado sobre el resto de seguidores y, lógicamente, el coste de equipos, montaje y mantenimiento.
Los grandes seguidores a 2 ejes provocan mayor sombreado que las configuraciones a un eje antes descritas, por lo que en determinadas circunstancias de limitación de terreno deben estudiarse todas las opciones. Existen diversas configuraciones de seguidores a dos ejes en el mercado, que teniendo en común la perpendicularidad al Sol, se diferencian en su tamaño, su diseño estructural, su accionamiento eléctrico y mecánico, en el coste o en la facilidad de montaje.
Es un sector de desarrollo muy reciente donde, por el momento, no existe un estándar de sistema aceptado como óptimo o más recomendable.
El inversor
El generador fotovoltaico entrega potencia eléctrica en corriente continua. Toda instalación en conexión a red debe incluir, por tanto, uno o varios inversores que se encarguen de transformar la electricidad generada a corriente alterna, con las condiciones de tensión y frecuencia requeridas por la red.
Los inversores de pequeña potencia son generalmente monofásicos. En este caso, la instalación se comporta como un consumo negativo a efectos de balance energético.
En instalaciones de potencia superior, como son la mayor parte de las actualmente diseñadas en España, es posible conectar muchos inversores monofásicos de pequeño tamaño o un número inferior, pero de gran potencia, ya trifásicos. Ambas estrategias se encuentran sobre el terreno.
Estructuras de soporte
Los paneles solares de silicio cristalino más comunes en aplicaciones en conexión a red tienen un peso entre los 12 kg y los casi 50 kg, dependiendo de su tamaño/potencia. Sus dimensiones varían desde aproximadamente 1 m2 hasta más de 2 m2 por unidad.
La posición más habitual, y más sencilla, de los paneles es la fija, con orientación Sur a ser posible e inclinación alrededor de los 30º. En este tipo de diseños, los paneles, agrupados, se fijan a una estructura soporte que asegure la orientación e inclinación definida.
Asimismo, debe garantizar una sujeción segura de los equipos y facilitar el montaje y el conexionado. En instalaciones en campo abierto la estructura soporte se ancla al suelo, con una cimentación más o menos profunda dependiendo del número de paneles que haya sobre cada estructura y, por tanto, del peso y de la carga de viento a resistir. Son estructuras que trabajan a intemperie y a larga duración. Los materiales más comunes son el acero galvanizado y el aluminio. Las estructuras soporte se realizan casi a medida de las características de los paneles, de sus dimensiones, y del número de ellos que se agrupen.
Si quieres saber más sobre generación fotovoltáica, no dudes en consultar nuestro posgrado:
Máster en Generación Eléctrica. Promoción, Tecnología y Explotación