Componentes de un sistema fotovoltaico
Los paneles fotovoltaicos (PV) se componen de células individuales conocidas como células solares. Cada célula solar genera una pequeña cantidad de electricidad. Cuando se conectan muchas células solares, se crea un panel solar que genera una cantidad sustancial de electricidad. Los sistemas fotovoltaicos varían en tamaño, dependiendo de la aplicación: pueden variar desde sistemas pequeños, montados en tejados o integrados en edificios con capacidades de decenas de kilovatios, hasta grandes estaciones de servicios públicos que generan cientos de megavatios de energía eléctrica. Hay sistemas fotovoltaicos que están conectados a la red eléctrica (sistemas de red directa o híbridos de red) y hay sistemas que permiten al usuario desconectarse de la red (sistemas fuera de la red (o autónomos)).
El proceso de convertir la luz (fotones) en electrones genera electricidad CC en células solares. La electricidad de corriente continua (CC) se puede utilizar para cargar baterías y hacer funcionar una variedad de dispositivos electrónicos, pero para suministrar energía a un hogar o negocio, la CC generalmente debe convertirse en energía de CA (corriente alterna). La red eléctrica transmite energía a largas distancias utilizando energía de CA. En nuestros hogares, ciertos aparatos electrónicos pueden funcionar con energía de CA y otros usan energía de CC. Una vez que la energía CA llega al usuario final, se puede volver a convertir en CC si es necesario.
La mayoría de los sistemas fotovoltaicos actuales son modulares, lo que significa que permiten al usuario agregar o quitar capacidad de energía al sistema en cualquier momento. Estos sistemas brindan a los clientes la flexibilidad de ajustar su capacidad de energía a medida que cambia la demanda. En los sistemas fotovoltaicos, además de las células solares, existen muchos otros componentes. Estos componentes incluyen el cableado, protectores contra sobretensiones, interruptores, componentes de montaje mecánico, inversores, baterías y cargadores de baterías. Estos componentes son los que distribuyen y almacenan la electricidad de forma segura y eficiente y pueden representar hasta la mitad del coste total de un sistema fotovoltaico. Los componentes que están presentes en un sistema fotovoltaico típico son:
• Paneles solares
• Conexiones eléctricas entre paneles solares.
• Líneas eléctricas de salida
• Inversor de energía (convierte electricidad CC en electricidad CA)
• Equipos de montaje mecánico • Controlador de carga
• Alambrado
• Baterías para almacenamiento de energía
• Medidor eléctrico (para sistemas conectados a la red)
• Dispositivos de protección contra sobrecorriente y sobretensiones
• Equipos de procesamiento de energía
• Equipo de puesta a tierra
Las empresas de servicios públicos pueden utilizar sistemas más avanzados para generar cantidades sustanciales de electricidad, como:
• Sistemas de inclinación de un eje o de dos ejes
• Sistemas automáticos de refrigeración y limpieza.
• Pila de combustible, batería u otro tipo de sistemas de almacenamiento de energía.
• Lineas de transmisión
Este equipo permite a los ingenieros y técnicos construir sistemas fotovoltaicos que pueden integrarse en edificios o construirse en una ubicación externa. Si el sistema fotovoltaico está ubicado fuera del sitio, las líneas de transmisión necesitarían transportar la energía desde el panel solar al sitio que requiere la energía.
Tipos de paneles solares
Hay tres tipos de paneles solares que están ampliamente disponibles para su uso en sistemas fotovoltaicos: (1) monocristalinos, (2) policristalinos y (3) de película delgada amorfa. Cada tipo de panel tiene sus ventajas y desventajas. Las principales diferencias entre estos tipos de paneles son su costo y eficiencia.
Paneles solares monocristalinos
Los paneles monocristalinos tienen una estructura cristalina uniforme en todo el panel y pueden fabricarse a partir de una variedad de materiales como silicio amorfo, arseniuro de galio, germanio, telururo de cadmio, seleniuro de cobre, indio y galio y polímeros orgánicos. Los paneles solares monocristalinos tienen los índices de eficiencia más altos hasta la fecha y funcionan mejor que otros tipos de paneles en condiciones de poca luz. La eficiencia también disminuye más lentamente con el tiempo. Los paneles solares monocristalinos se producen a partir de lingotes de silicio y su fabricación es costosa. Estos paneles monocristalinos tienen el coste inicial más alto; sin embargo, el ahorro de energía con el tiempo puede hacer que el costo valga la pena.
Paneles solares policristalinos
Los paneles solares de silicio policristalino tienen un color azul moteado único que varía en tono según las diferentes áreas del panel. El silicio utilizado en estos paneles no es homogéneo; lo que significa que la estructura cristalina puede ser diferente en varias áreas del panel. Como resultado, los paneles solares policristalinos son menos eficientes que los monocristalinos. Los paneles solares policristalinos son menos eficientes a su temperatura de funcionamiento debido a su mayor coeficiente de temperatura que los paneles solares monocristalinos. Debido a la reducida eficiencia de conversión de energía, se requiere una mayor cantidad de paneles para generar la energía especificada.
Los paneles solares de silicio policristalino son menos costosos de comprar que los paneles solares de silicio monocristalino debido a la falta de homogeneidad de las células. Muchos clientes eligen paneles policristalinos en lugar de paneles monocristalinos debido al costo reducido.
Paneles solares amorfos de película delgada
Los paneles solares de película delgada son menos eficientes que los monocristalinos o policristalinos y tienen una vida útil más corta. Sin embargo, sus costes son mucho más bajos debido a los métodos de fabricación sencillos en comparación con los paneles solares cristalinos. Los paneles solares de película fina también pueden hacerse flexibles, mientras que los paneles solares cristalinos son mucho más frágiles y se agrietarán si se doblan.
Debido a que los paneles de película delgada son menos eficientes, no se recomienda su uso en sistemas fotovoltaicos residenciales. Un usuario necesitaría más paneles de película delgada que paneles solares cristalinos (y por lo tanto, más espacio) para generar una cantidad específica de electricidad. Por esta razón, los paneles solares de película fina son utilizados con más frecuencia por las empresas de servicios públicos que por los clientes residenciales.
Controladores de carga
Los controladores de carga toman parte de la electricidad de la corriente continua generada por un panel solar y la utilizan para cargar una batería o un grupo de baterías. El controlador de carga regula el voltaje y la corriente generados por un panel solar para que pueda cargar adecuadamente la batería o el banco de baterías. La energía generada por los paneles solares varía según la exposición a la luz (fotones). Si no hubiera un controlador de carga en el sistema fotovoltaico, las baterías podrían sobrecargarse y dañarse.
Las especificaciones de voltaje y corriente nominal y máxima en el controlador de carga determinarán la cantidad de controladores de carga necesarios para recolectar energía del panel solar. Si un panel solar genera una corriente máxima de 16 A, pero un controlador de carga solo acepta una corriente máxima de 10 A, el panel solar se puede dividir en dos partes. Cada mitad del conjunto puede generar un máximo de 8 A de corriente y cada mitad del conjunto se puede conectar al controlador de carga de 10 A. La otra opción sería utilizar un controlador de carga con una clasificación de corriente mayor. La mayoría de los controladores de carga tienen índices de corriente muy altos (al menos 40 amperios) y la necesidad de más de un controlador de carga sólo se convierte en un problema con paneles solares muy grandes.
Baterías
Las baterías se utilizan para almacenar la energía generada por un panel solar. Los paneles solares domésticos generan su mayor producción de energía a la mitad del día, cuando la mayoría de las personas están fuera de sus hogares. Si la energía no se utiliza inmediatamente, se puede almacenar en una batería. En un sistema híbrido de red, cualquier electricidad adicional generada después de cargar las baterías puede devolverse a la red eléctrica.
Las baterías suministran energía CC durante un período de tiempo determinado. La vida útil de una batería dependerá de la corriente que suministre y de la carga máxima que pueda contener. La carga máxima de una batería normalmente aparece en la batería en unidades de miliamperios-hora (mAh). Esta unidad expresa la corriente que la batería puede suministrar y la cantidad de tiempo que puede suministrar la corriente.
Inversor de energía
Hay dos tipos de inversores de potencia que se utilizan en todos los sistemas fotovoltaicos. Los sistemas directos a la red utilizan un inversor conectado a la red que puede interactuar con la red pública. Este tipo de inversor se diferencia de los inversores de sistemas aislados o híbridos de red porque no funciona con baterías.
Los sistemas híbridos y aislados de la red utilizan inversores alimentados por baterías. Ambos tipos de inversores realizan la misma función esencial en estos sistemas: convierten la energía CC en energía CA. En los sistemas híbridos y aislados de la red, la energía solar que no se utiliza inmediatamente se almacena en un sistema de baterías. La energía CC almacenada en una batería se puede convertir en energía CA mediante un inversor de corriente. Un inversor de energía es un dispositivo que convierte energía CC en energía CA. El conjunto de baterías de un sistema fotovoltaico se puede utilizar para hacer funcionar un inversor de potencia, componentes electrónicos de potencia u otros componentes BOS. Los componentes se pueden alimentar directamente con alimentación de CC o indirectamente con alimentación de CA. Se requiere el convertidor de CC a CA porque casi todos los aparatos electrónicos del hogar requieren alimentación de 110 VCA.
Equipos de seguridad y puesta a tierra
Se requiere equipo de seguridad y conexión a tierra por motivos de seguridad y prevención de incendios. Las desconexiones de seguridad automáticas y manuales protegen el cableado y los componentes de un sistema fotovoltaico de sobretensiones y otros fallos de funcionamiento del equipo. También garantizan que su sistema pueda apagarse de forma segura para mantenimiento y reparación. En el caso de sistemas conectados a la red, los desconectores de seguridad también permiten desconectar un sistema fotovoltaico de la red; Esto es importante para la seguridad de las personas que trabajan en los sistemas de transmisión y distribución de la red.
El equipo de conexión a tierra proporciona un camino de baja resistencia desde su sistema a tierra para proteger un sistema fotovoltaico contra sobretensiones causadas por rayos u otros fallos de funcionamiento del equipo. Los usuarios deberán crear una conexión a tierra que sea común para todos los equipos del equilibrio del sistema. Esto incluye cualquier metal expuesto (como el chasis de las cajas de equipos) que el cliente o un técnico podría tocar.
Conclusión
El diseño del sistema fotovoltaico depende de la cantidad de energía requerida para la aplicación particular. La potencia nominal y máxima requerida, junto con la forma de almacenamiento y la forma en que el sistema está conectado a la red, determinarán la cantidad de paneles que requiere el sistema.
