Sistemas fotovoltaicos autónomos

Resumen

El presente documento trata sobre el proceso de conversión de la energía solar en energía eléctrica a través de módulos fotovoltaicos y la aplicación de los mismos a sistemas fotovoltaicos autónomos. Se aborda los distintos elementos que conforman este tipo de sistemas y de la función que desempeñan dentro del mismo.

Abstract-This paper discusses the process of converting solar energy into electrical energy through photovoltaic modules and the application thereof to autonomous photovoltaic systems. The various elements of these systems and their role within it is addressed.

Keywords- energy conversion, photovoltaic cell, direct current, inverter, battery, regulator.

Introducción

Actualmente el mundo atraviesa por serios problemas de contaminación ambiental. La revolución industrial que tuvo lugar en la segunda mitad del siglo XVIII provocó una demanda increíble de energía y supuso la implementación de centrales generadoras, que en su mayoría emitían gases contaminantes. Actualmente el caso no es muy distinto, las centrales de mayor generación en el mundo emiten grandes cantidades de C02 a la atmósfera, pero a diferencia de lo que ocurrió en el pasado, la generación mediante energías renovables ha tomado fuerza, y a pesar de ser costosas en cuanto a su implementación estructural, no representan contaminación por emisión de gases. Una de estas energías renovables es la fotovoltaica, que aprovecha la radiación electromagnética emitida por el sol para generar energía eléctrica.

El presente documento se centra específicamente en el proceso de transformación de la energía solar en energía eléctrica a través de módulos fotovoltaicos y la aplicación de los mismos a sistemas fotovoltaicos autónomos. En una primera parte se habla de cómo está constituida la estructura de las células fotovoltaicas y del proceso que da lugar a la generación de una diferencia de potencial en las mismas, para luego abordar las diferentes etapas que tienen lugar en los sistemas autónomos fotovoltaicos tales como: regulación, almacenamiento y ondulación.

Proceso de transformación de la energía solar en energía
eléctrica

• A. Efecto fotovoltaico

El efecto fotovoltaico consiste en la obtención de una corriente directa producto de la radiación electromagnética emitida por la luz del sol. Para este proceso es necesario la implementación de una célula fotovoltaica constituida de material semiconductor que se ha sometido a un proceso de dopaje, para dar lugar a un campo eléctrico dentro de sí. La luz proveniente del sol emite fotones que son partículas energéticas, al incidir en la célula dichos fotones pueden ser reflejados, absorbidos o simplemente atravesar sin causar ningún efecto [3]; los fotones absorbidos ceden su energía a los electrones que conforman el material semiconductor, está energía es aprovechada específicamente por los electrones ubicados en la capa de valencia quienes adquieren la energía suficiente para romper el enlace que los liga al núcleo y de tal manera circular libremente por el material [2]. El campo eléctrico existente en el material induce una acumulación de cargas tanto positivas como negativas en los extremos del mismo provocando una diferencia de potencial [3]. Si se coloca un conductor que una los extremos de la célula, está claro que habrá una circulación de corriente, la cual puede realizar un trabajo útil al conectar en ella una carga determinada. [1], [2].

La conversión fotovoltaica depende tanto de la intensidad de radiación incidente como de las propiedades intrínsecas del material. [2]

• B. Estructura de una célula fotovoltaica

Como ya se mencionó en el punto anterior, es de suma importancia las características de construcción con las que se fabrique la célula, pues de ella dependerá el aprovechar al máximo la luz incidente proveniente del sol. Actualmente las eficiencias de las células de mayor comercialización son en promedio del 14% y aunque se ha alcanzado eficiencias de hasta de 40% en laboratorios, no son comerciales debido a que su valor de producción resulta demasiado elevado [3].

Una célula fotovoltaica está constituida por material semiconductor en el que se ha establecido una unión pn (los materiales tipo n son donadores de electrones mientras que los tipo p receptores de los mismos), el dopaje para obtener dicha unión generalmente se lo hace con fósforo para el material tipo n y boro para el tipo p [1].

Un 90% de las células fotovoltaicas son fabricadas de silicio debido a su abundancia en la corteza terrestre y también a que su eficiencia se considerada alta [3]. Por otra parte, estás pueden ser de dos tipos: de silicio cristalino y policristalino; para las primeras la red cristalina es la misma a lo largo de todo el material a diferencia de las policristalinas en donde no lo es. La perfección estructural y la pureza del material son factores que influyen en la eficiencia del mismo, es así que en el monocristalino se tiene una eficiencia relativamente más alta que en su antagónico [1].

Los contactos eléctricos de la célula son dos láminas metálicas sobre ambas caras; en la cara en la que los rayos del sol inciden se coloca una rejilla, y esta ha de ser tal que influya en lo más mínimo en la incidencia de la luz; en la otra cara de la célula el contacto cubre toda la superficie [2].

• C. Módulos fotovoltaicos

Un módulo fotovoltaico es una estructura que tienen internamente varias células que están conectadas eléctricamente, está estructura cumple funciones como: proteger el encapsulado de los agentes atmosféricos y facilitar el ensamblaje como la portabilidad de los mismos. Cabe recalcar que en el mercado lo que se comercializa son módulos, mas no células fotovoltaicas [3].

Las conexiones internas de las células pueden ser en serie o paralelo, si se lo hace en serie los voltajes unitarios van a sumarse y la corriente permanece con un valor fijo; por el contrario, al conectar en paralelo serán las corrientes las que se sumen mientras que el valor de tensión permanecerá fijo. Las conexiones que se hagan en las células determinarán las características eléctricas del módulo [3].

Es común confundir a los módulos con paneles fotovoltaicos; sin embargo estos últimos constituyen la agrupación de módulos montados sobre una estructura común que al estar conectados eléctricamente en serie, paralelo o de forma combinada consiguen ciertos requerimientos eléctricos.

Sistemas fotovoltaicos autónomos.

Este tipo de sistemas generalmente son adoptados en zonas en donde no se tiene acceso a la red de distribución eléctrica y se caracterizan como su nombre lo dice, por obtener la energía de forma autónoma. Entre las particularidades que presentan estos sistemas, es que en las horas de insolación a más de abastecer la demanda tienen que acumular cierta cantidad de energía, que se utiliza para satisfacer la carga en las horas en donde hay ausencia de sol. La acumulación de energía necesariamente requiere el uso de baterías lo que conlleva a la vez a implementar el regulador; este se ubica entre el panel fotovoltaico y las baterías y su finalidad es cerrar el paso de corriente cuando las baterías estén completamente cargadas. Finalmente se encuentra el Inversor que no es más que un aparato electrónico que permite la conversión de corriente continua en alterna. Está conversión se hace necesaria debido a que la mayoría de la carga que se tiene en un hogar se alimenta con corriente alterna [3]. En la Fig.1 se muestra el proceso que sigue la corriente que se obtiene en las terminales del módulo hasta que llega a las respectivas cargas.

Figura. 1. Proceso que sigue la corriente hasta llegar a las respectivas cargas [3]

• A. Etapa de regulación y control

El regulador de tensión en un sistema fotovoltaico, cumple la función de controlar la carga y descarga de las baterías para alargar la vida útil del sistema de acumulación. Existen básicamente dos tipos de reguladores: el primero es en paralelo, en donde un circuito integra la corriente a un circuito que disipa la energía sobrante, así controla el exceso de tensión en los acumuladores; el segundo en serie, utiliza contactos o interruptores los cuales desconectan los acumuladores del generador al llagar a una tensión de referencia.

Los controladores de tensión cumplen tres etapas para cargar a los acumuladores:

• 1) Igualación.- En este estado el acumulador carga las baterías hasta un estado de igualación, reduciendo el gaseo en un caso contrario.

• 2) Carga profunda.- En este estado el acumulador permite la entrada de corriente a los acumuladores sin interrupción, hasta llegar a un nivel de carga próximo al 90% de su capacidad nominal.

• 3) Carga final y flotación.- En este estado el sistema regula un BFD (Banda de flotación dinámica) en donde la tensión de la batería se fija en valores mayores 10% de la tensión nominal de las baterías, cuando la batería alcanza su plena carga el regulador inyecta una corriente la cual es encargada de mantener la batería en plena carga, pero cuando no se consuma energía esta corriente cumple la función de compensar la auto descarga de las baterías[4]

• B. Etapa de Acumulación

Estos sistemas de acumulación son de suma importación en los sistemas fotovoltaicos autónomos debido a que proporcionan energía eléctrica en horas en qué la planta generadora deja de aportar energía al sistema por la ausencia de insolación. Para estos tipos de instalación es necesario hacer un estudio riguroso y determinar el tipo de baterías a utilizarse. A continuación se presentan algunos de los parámetros necesarios para la implementación.

• Baterías estacionarias de plomo acido, con vasos 2v cada uno.

• Para alcanzar los 12v se colocara ya sea en serie o paralelo.

• El tamaño de las baterías viene dado por la profundidad máxima de descarga considerado para un ciclo diario, el cual ronda entre unos 15% a 20% para cada ciclo.

• En los sistemas fotovoltaicos deben buscar descargas progresivas por tal motivo utilizan baterías con descargas de 100 horas (100C)

Para determinar la capacidad nominal del banco de baterías vamos a regirnos de la siguiente formula.

Corregimos la capacidad del banco de baterías, teniendo en cuenta la profundidad de descarga de las mismas.

Para saber cuántos arreglos de baterías en paralelo debe tener la instalación, hacemos la relación entre capacidad corregida del banco y la capacidad de cada batería.

Al igual para arreglo de baterías en serie debe tener la instalación, hacemos la relación entre la tensión nominal del sistema y la tensión nominal de batería.

El número total de baterías a utilizar vendrá determinado por el producto entre baterías en paralelo y baterías en serie. [4]

• C. Etapa osciladora

Un inversor (oscilador) monofásico es un elemento fundamental e indispensable en un sistema fotovoltaico aislado o tipo isla. Debido a que las células fotovoltaicas o paneles solares generan o suministra corriente directa, entonces es necesario la conversión de la misma para que las cargas puedan ser abastecidas, teniendo en cuenta que la mayoría de aparatos funcionan con corriente alterna a una frecuencia de 60 Hz, que es lo que proporciona la red de distribución eléctrica.

Existen dos tipos de inversores, en el primer tipo de inversores se obtiene una fase por cada inversor, el otro tipo de inversor se obtiene tres fases que tienen un ángulo de desfase de 120 grados. Muy pocas veces se utiliza tres fases de corriente alterna para sistemas autónomos así que nos centraremos especialmente en inversores del primer tipo.

• a) Esquema inversor tipo elevador-reductor

Este tipo de esquema utiliza un convertidor DC/DC de tipo elevador el cual consiste en dos estados distintos dependiendo del estado de un interruptor.

El primer estado cuando el interruptor está cerrado la bobina se carga de la fuente de alimentación, mientras que la carga es alimentada por el condensador. [5]

Fig. 2. Contacto en estado cerrado

El segundo estado cuando el interruptor está abierto la corriente que suministra la fuente tiene estrictamente te circular por el diodo, cargando el condensador y a su vez a la carga. [5]

Fig. 3. Contacto en estado abierto

A estos dos estados los autores lo denominan modo continuo y modo discontinuo, ya que la carga recibe la corriente total suministrada en un estado, mientras que en el otro estado la carga no recibe la corriente total suministrado por la fuente.

Este sistema se conecta a un inversor que a su vez puede ir conectado a un transformador para elevar a un más la tensión; estas conexiones se suelen utilizar en plantas fotovoltaicas de potencia debido a la elevada magnitud de potencia que pueden suministrar. En la siguiente grafica se muestra este sistema tipo elevador – reductor. [6]

Fig. 4. Inversor elevador reductor

• b) Esquema tipo reductor elevador.

Este tipo de esquema hace primero la inversión para luego pasar al elevador AC/AC, el cual a su vez está conectado a un transformador para elevar más la tensión, en la siguiente figura se muestra este tipo esquema. [6]

Fig. 5. Esquema tipo reductor elevador

• c)  Inversor tipo Asimétrico

Este tipo de inversor no resulta muy conveniente al momento de que se necesite corriente alterna ya sea para un consumo autónomo o para suministrar a la red, debido a que para hacer la inversión requiere solo dos interruptores como se muestra en la figura.[6]

Fig. 6. Inversor tipo Asimétrico

• d) Esquema Push Pull

Este esquema es muy conveniente debido a que relaciona la tensión de salida con respecto al número de espiras del transformador, sin embargo los interruptores deberán soportar el doble de tensión reflejada en el lado primario del transformador por lo cual estos deberán ser más eficientes y por ende más caros, por otro lado estos inversores no tolera asimetría en las señales de control, ya que se saturaría el núcleo del transformador. [7]

Fig. 7. Esquema Push Pull

• e) Medio Puente

Este esquema es muy similar al inversor tipo asimétrico, con la diferencia que posee condensadores utilizados principalmente para crear un punto medio o tensión flotante, para que la amplitud de onda de salida tenga la mitad de tensión, en relación con la fuente suministrada, por lo que estos condensadores deberán estar bien escogidos.[7]

Fig. 8. Esquema a medio puente

• f) Puente completo o puente H

Los puentes H consisten de cuatro interruptores los cuales están conmutadas, en este esquema se puede obtener un semiciclo con una amplitud que será igual a la tensión suministrada por la fuente, por ende en todo el periodo de la onda de salida se podrá obtener una potencia a la que se puede multiplicar por cuatro. Estos esquemas son unos de los más escogidos para la inversión de una señal continua. [7]

Fig. 9. Esquema a puente completo

Análisis

Tras haber finalizado el presente estudio del arte acerca de los sistemas fotovoltaicos autónomos; muchas de las dudas acerca del proceso que lleva a esta radiación solar a convertirse en energía aprovechable para satisfacer las demandas energéticas en nuestros hogares han sido contestadas. Como ya se mencionó todo parte de captar la radiación electromagnética emitida por el sol a través de células fotovoltaicas, que conectadas eléctricamente en serie o paralelo nos representan un módulo fotovoltaico y que a la vez son los que la industria comercializa. Los dos parámetros de más relevancia en este proceso de conversión y que determinan la potencia eléctrica que suministre un determinado módulo son: la intensidad de radiación solar y las características de construcción de la célula fotovoltaica. El primer parámetro no puede ser controlado por el humano, es así que todos los procesos se centran en el mejoramiento de las células tomando en cuenta que deben alcanzar eficiencias altas a un costo accesible. (Para que dé sean comercializables).

La implementación de sistemas autónomos se ve un tanto limitado por la inversión que representan, no solo por el coste de colocar un panel fotovoltaico sino también por todos los elementos adicionales que se colocan para que la corriente llegue hasta la carga, estos son: regulador, acumuladores (baterías) e inversor. Cada uno de ellos cumple una función que es específica e importante y por lo mismo su implementación no es opcional si no obligatoria; al menos si queremos garantizar una larga vida útil del sistema.

Conclusiones

Las células fotovoltaicas están constituidas de un material semiconductor, en su mayoría por silicio. En dicho material se ha llevado a cabo un proceso de dopaje que generalmente se lo hace con fósforo y boro y es quien da lugar a un campo eléctrico dentro de sí. Las características constructivas determinan la potencia eléctrica que pueda suministrar la célula y es por eso que la investigación busca implementar procesos que no sean demasiado costosos para alcanzar eficiencias altas.

El proceso de conversión de energía solar a eléctrica comienza por captar la radiación solar emitida por la luz del sol a través de células fotovoltaicas. Los fotones emitidos de está radiación ceden su energía a los electrones del material, permitiendo que los que están poco ligados al núcleo se liberen y circulen libremente por él; a causa del campo eléctrico producto del dopaje del material las cargas tienden a acumularse en los extremos y de tal forma dan lugar a una diferencia de potencial.

Los sistemas fotovoltaicos autónomos son comunes en zonas donde el suministro de energía eléctrica es restringido debido a que proporcionan la energía suficiente para satisfacer demandas de un hogar. Su implementación por otro lado se ve limitada debido a que son costosas pues a más de los módulos se debe implementar algunos otros elementos que son útiles para el óptimo funcionamiento del sistema, entre ellos: el regulador que es el encargado de controlar la carga y descarga y por ende alargar la vida útil de los acumuladores, además de controlar las cargas conectadas al sistema fotovoltaico, las baterías en cambio es el encargado de brindar voltaje en los momentos que las fotocélulas no generan tensión Y finalmente el inversor el cual es de suma importancia en los componentes que funcionan a corriente alterna o variable.

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  Referencias

• [1] Grupo Nuevas Actividades Profesionales, (2002). Energía Solar Fotovoltaica. Ed. Colegio Oficial de Ingenieros en Telecomunicaciones, Madrid–España. ISBN: 978-84-935049-6-0.

• [2] Guardiola Parera, R. (2008). Diseño y Cálculo de una Instalación fotovoltaica de 1,1 MW. Tesis para la titulación en Ingeniería Técnica Industrial en Electricidad. Universidad Rovira I Virgili, Departamento de Ingeniería Electrónica y Eléctrica.

• [3] García Lopéz, I. (2009). Sistema Generador conectado a Red de 100 Kw Mediante Energía Solar Fotovoltaica Aplicado a una Nave Industrial. Proyecto de Fin de Carrera ITI. Electricidad. Universidad Carlos III de Madrid, Departamento de Ingeniería Eléctrica.

• [4] Fundamentos de la energía solar. FormaSelect

• [5] Chavez, I. Dimensionado o diseño de sistemas solares fotovoltaicos autónomos. Obtenido de Cubaenergía: http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/energia15/html/articulo03.htm

• [6] Samaniego, S. Determinación del recurso solar local. Tesis para la titulación de Master en Energía Renovables Laboratorio de radiación y Geometría solar. Escuela Politécnica del Ejército.

• [7] Mora Garzón ,F..(2011). Estudio para la incorporación de un sistema solar fotovoltaico en el edificio RTV Ecuador. Tesis para la obtención de Tecnólogo en Electromecánica. Escuela Politécnica Nacional.

• [8] Barrenetxea Pascual, A. (2014). Sistema fotovoltaico aislado: Inversor monofásico. Trabajo de fin de grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales. E.T.S. de Ingeniería Industrial, Informática y de Telecomunicación. Universidad Pública de Navarro.

BIOGRAFÍA

Isauro David Jaramillo Sánchez nació en Loja el 18 de Julio de 1994 en el seno de una familia conformada por 5 miembros. Sus estudios primarios y secundarios los realizo en la"Unidad Educativa San José de Calasanz". Actualmente es estudiante en la Universidad Politécnica Salesiana en la cual cursa el cuarto ciclo de Ingeniería Eléctrica.

Jonnathan Curillo, tiene 21 años, vive en el cantón Paute
provincia del Azuay estudia Ingeniería eléctrica en la Universidad
Politécnica Salesiana.

Autor:

Isauro David Jaramillo Sánchez,

Jonnathan David Curillo Tigre

Universidad Politécnica Salesiana – Sede Cuenca