Un sistema fotovoltaico , también llamado sistema fotovoltaico o sistema de energía solar , es un sistema de energía eléctrica diseñado para suministrar energía solar utilizable mediante energía fotovoltaica . Consiste en una disposición de varios componentes, incluidos paneles solares para absorber y convertir la luz solar en electricidad, un inversor solar para convertir la salida de corriente directa a alterna , así como montaje , cableado y otros accesorios eléctricos para configurar un sistema que funcione. . Muchos sistemas fotovoltaicos a gran escala utilizan sistemas de seguimiento que siguen la trayectoria diaria del sol a través del cielo para generar más electricidad que los sistemas montados de forma fija. [1]
Los sistemas fotovoltaicos convierten la luz directamente en electricidad y no deben confundirse con otras tecnologías solares, como la energía solar concentrada o la energía solar térmica , utilizadas para calefacción y refrigeración. Un panel solar solo abarca los paneles solares, la parte visible del sistema fotovoltaico, y no incluye todo el resto del hardware, a menudo resumido como el equilibrio del sistema (BOS). Los sistemas fotovoltaicos varían desde sistemas pequeños, montados en tejados o integrados en edificios, con capacidades que van desde unas pocas hasta varias decenas de kilovatios, hasta grandes centrales eléctricas a escala de servicios públicos de cientos de megavatios. Hoy en día, los sistemas autónomos o aislados representan una pequeña porción del mercado.
Operando silenciosamente y sin piezas móviles ni contaminación del aire , los sistemas fotovoltaicos han evolucionado desde aplicaciones de nicho de mercado hasta una tecnología madura utilizada para la generación de electricidad convencional. Debido al crecimiento de la energía fotovoltaica , los precios de los sistemas fotovoltaicos han disminuido rápidamente desde su introducción; sin embargo, varían según el mercado y el tamaño del sistema. Hoy en día, los módulos solares fotovoltaicos representan menos de la mitad del costo total del sistema, [2] dejando el resto a los componentes restantes del BOS y a los costos blandos, que incluyen la adquisición de clientes, permisos, inspección e interconexión, mano de obra de instalación y costos financieros. [3] : 14
Un sistema fotovoltaico convierte la radiación del Sol , en forma de luz, en electricidad utilizable . Comprende el panel solar y el resto de los componentes del sistema. Los sistemas fotovoltaicos se pueden clasificar según varios aspectos, como sistemas conectados a la red frente a sistemas independientes , sistemas integrados en edificios frente a sistemas montados en bastidor, sistemas residenciales frente a sistemas de servicios públicos, sistemas distribuidos frente a sistemas centralizados, sistemas montados en tejados frente a sistemas montados en el suelo. , sistemas de seguimiento versus sistemas de inclinación fija, y sistemas de nueva construcción versus sistemas modernizados . Otras distinciones pueden incluir sistemas con microinversores frente a inversores centrales, sistemas que utilizan silicio cristalino frente a tecnología de película delgada y sistemas con módulos.
Alrededor del 99 por ciento de todos los sistemas de energía solar europeos y el 90 por ciento de todos los estadounidenses están conectados a la red eléctrica , mientras que los sistemas fuera de la red son algo más comunes en Australia y Corea del Sur. [4] : 14 sistemas fotovoltaicos rara vez utilizan almacenamiento en baterías. Esto puede cambiar a medida que se implementen incentivos gubernamentales para el almacenamiento distribuido de energía y las inversiones en soluciones de almacenamiento gradualmente se vuelvan económicamente viables para sistemas pequeños. [5] [6] Un panel solar residencial típico se monta en un bastidor en el techo, en lugar de integrarse en el techo o la fachada del edificio, lo cual es significativamente más costoso. Las estaciones de energía solar a gran escala están montadas en el suelo, con paneles solares fijos inclinados en lugar de utilizar costosos dispositivos de seguimiento. El silicio cristalino es el material predominante utilizado en el 90 por ciento de los módulos solares producidos en todo el mundo, mientras que su rival de película delgada ha perdido participación de mercado. [7] : 17–20 Alrededor del 70 por ciento de todas las células y módulos solares se producen en China y Taiwán, sólo el 5 por ciento por fabricantes europeos y estadounidenses . [7] : 11–12 La capacidad instalada tanto para pequeños sistemas en tejados como para grandes centrales solares está creciendo rápidamente y en partes iguales, aunque hay una tendencia notable hacia sistemas a escala de servicios públicos, a medida que el foco en nuevas instalaciones se está alejando de Europa a regiones más soleadas, como el Sunbelt en EE.UU., que se oponen menos a las granjas solares montadas en tierra y los inversores enfatizan más la rentabilidad. [4] : 43
Impulsado por los avances tecnológicos y el aumento de la escala y la sofisticación de la fabricación, el costo de la energía fotovoltaica está disminuyendo continuamente. [8] Hay varios millones de sistemas fotovoltaicos distribuidos en todo el mundo, principalmente en Europa, con 1,4 millones de sistemas sólo en Alemania [7] : 5 – así como en América del Norte con 440.000 sistemas en Estados Unidos. [9] La eficiencia de conversión de energía de un módulo solar convencional aumentó del 15 al 20 por ciento desde 2004 [7] : 17 y un sistema fotovoltaico recupera la energía necesaria para su fabricación en aproximadamente 2 años. En lugares excepcionalmente irradiados, o cuando se utiliza tecnología de película delgada, el llamado tiempo de recuperación de la energía se reduce a un año o menos. [7] : 30–33 La medición neta y los incentivos financieros, como las tarifas de alimentación preferenciales para la electricidad generada por energía solar, también han apoyado en gran medida las instalaciones de sistemas fotovoltaicos en muchos países. [10] El coste nivelado de la electricidad procedente de sistemas fotovoltaicos a gran escala se ha vuelto competitivo con las fuentes de electricidad convencionales en una lista cada vez mayor de regiones geográficas, y se ha logrado la paridad de red en unos 30 países. [11] [12] [13] [14]
A partir de 2015, el mercado mundial de energía fotovoltaica, de rápido crecimiento, se acerca rápidamente a la marca de los 200 GW, aproximadamente 40 veces la capacidad instalada en 2006. [15] Estos sistemas contribuyen actualmente con alrededor del 1 por ciento de la generación de electricidad mundial. Los principales instaladores de sistemas fotovoltaicos en términos de capacidad son actualmente China, Japón y Estados Unidos, mientras que la mitad de la capacidad mundial está instalada en Europa, y Alemania e Italia suministran entre el 7% y el 8% de su respectivo consumo eléctrico doméstico con energía solar fotovoltaica. [16] La Agencia Internacional de Energía espera que la energía solar se convierta en la mayor fuente de electricidad del mundo para 2050, y que la energía solar fotovoltaica y la energía solar térmica concentrada contribuyan con el 16% y el 11% de la demanda mundial, respectivamente. [3]
Un sistema conectado a la red está conectado a una red independiente más grande (normalmente la red eléctrica pública) y suministra energía directamente a la red. Esta energía puede ser compartida por un edificio residencial o comercial antes o después del punto de medición de ingresos, dependiendo de si la producción de energía acreditada se calcula independientemente del consumo de energía del cliente ( tarifa de alimentación ) o solo en función de la diferencia de energía ( medición neta). ). Estos sistemas varían en tamaño, desde residenciales (2 a 10 kW p ) hasta estaciones de energía solar (hasta decenas de MW p ). Esta es una forma de generación de electricidad descentralizada . La alimentación de electricidad a la red requiere la transformación de CC en CA mediante un inversor especial sincronizado conectado a la red . En instalaciones de kilovatios, el voltaje del sistema del lado de CC es tan alto como se permite (normalmente 1000 V, excepto 600 V residencial en EE. UU.) para limitar las pérdidas óhmicas. La mayoría de los módulos (60 o 72 celdas de silicio cristalino) generan de 160 W a 300 W a 36 voltios. A veces es necesario o deseable conectar los módulos parcialmente en paralelo en lugar de todos en serie. Un conjunto individual de módulos conectados en serie se conoce como "cadena". [17] Un conjunto de "cadenas" conectadas en serie se conoce como "matriz".
Los sistemas fotovoltaicos generalmente se clasifican en tres segmentos de mercado distintos: tejados residenciales, tejados comerciales y sistemas a escala de servicios públicos montados en el suelo. Sus capacidades van desde unos pocos kilovatios hasta cientos de megavatios. Un sistema residencial típico tiene alrededor de 10 kilovatios y se monta en un techo inclinado, mientras que los sistemas comerciales pueden alcanzar una escala de megavatios y generalmente se instalan en techos de baja pendiente o incluso planos. Aunque los sistemas montados en techos son pequeños y tienen un costo por vatio más alto que las grandes instalaciones de servicios públicos, representan la mayor participación en el mercado. Sin embargo, existe una tendencia creciente hacia centrales eléctricas de mayor escala, especialmente en la región del "cinturón solar" del planeta. [4] : 43 [18]
Los grandes parques o granjas solares de gran escala son centrales eléctricas capaces de proporcionar suministro de energía a un gran número de consumidores. La electricidad generada se alimenta a la red de transmisión alimentada por plantas de generación centrales (planta conectada a la red o conectada a la red), o se combina con uno o varios generadores de electricidad domésticos para alimentar una pequeña red eléctrica (planta híbrida). En casos excepcionales, la electricidad generada se almacena o utiliza directamente en una isla o una planta independiente. [19] [20] Los sistemas fotovoltaicos generalmente se diseñan para garantizar el mayor rendimiento energético para una inversión determinada. Algunas grandes centrales fotovoltaicas, como Solar Star , Waldpolenz Solar Park y Topaz Solar Farm, cubren decenas o cientos de hectáreas y tienen una potencia de hasta cientos de megavatios .
Un pequeño sistema fotovoltaico es capaz de proporcionar suficiente electricidad de CA para alimentar una sola casa o un dispositivo aislado en forma de electricidad de CA o CC. Los satélites militares y civiles de observación de la Tierra , las farolas , las señales de tráfico y de construcción, los automóviles eléctricos , las tiendas de campaña alimentadas por energía solar [21] y los aviones eléctricos pueden contener sistemas fotovoltaicos integrados para proporcionar una fuente de energía primaria o auxiliar en forma de CA o CC. , dependiendo del diseño y las demandas de potencia. En 2013, los sistemas de tejado representaron el 60 por ciento de las instalaciones en todo el mundo. Sin embargo, hay una tendencia a alejarse de los sistemas fotovoltaicos sobre tejados y acercarse a los sistemas fotovoltaicos a escala comercial, ya que el foco de las nuevas instalaciones fotovoltaicas también se está desplazando de Europa a países de la región del cinturón solar del planeta, donde la oposición a los parques solares montados en tierra es menos acentuada. [4] : 43 Los sistemas fotovoltaicos portátiles y móviles proporcionan energía eléctrica independientemente de las conexiones de servicios públicos, para un funcionamiento "fuera de la red". Estos sistemas se utilizan con tanta frecuencia en vehículos recreativos y embarcaciones que existen minoristas especializados en estas aplicaciones y productos específicamente dirigidos a ellos. Dado que los vehículos recreativos (RV) normalmente llevan baterías y operan iluminación y otros sistemas con energía nominal de 12 voltios CC, los sistemas RV normalmente operan en un rango de voltaje que puede cargar baterías de 12 voltios directamente, por lo que agregar un sistema fotovoltaico solo requiere paneles. un controlador de carga y cableado. Los sistemas solares en vehículos recreativos generalmente tienen una potencia limitada por el tamaño físico del espacio del techo del vehículo recreativo. [22]
En zonas urbanas y suburbanas, los paneles fotovoltaicos se utilizan a menudo en los tejados para complementar el uso de energía; A menudo, el edificio tendrá una conexión a la red eléctrica , en cuyo caso la energía producida por el conjunto fotovoltaico se puede vender a la empresa de servicios públicos en algún tipo de acuerdo de medición neta . Algunas empresas de servicios públicos utilizan los tejados de clientes comerciales y postes telefónicos para respaldar el uso de paneles fotovoltaicos. [23] Los árboles solares son conjuntos que, como su nombre lo indica, imitan el aspecto de los árboles, brindan sombra y, por la noche, pueden funcionar como farolas .
Las incertidumbres en los ingresos a lo largo del tiempo se relacionan principalmente con la evaluación del recurso solar y con el rendimiento del propio sistema. En el mejor de los casos, las incertidumbres suelen ser del 4% para la variabilidad climática de un año a otro, del 5% para la estimación del recurso solar (en un plano horizontal), del 3% para la estimación de la irradiación en el plano del conjunto, del 3% para la energía. calificación de módulos, 2% para pérdidas por suciedad y suciedad , 1,5% para pérdidas por nieve y 5% para otras fuentes de error. Identificar y reaccionar ante pérdidas manejables es fundamental para los ingresos y la eficiencia de operación y mantenimiento. El monitoreo del desempeño del panel puede ser parte de acuerdos contractuales entre el propietario del panel, el constructor y la empresa de servicios públicos que compra la energía producida. [ cita necesaria ] Un método para crear "días sintéticos" utilizando datos meteorológicos fácilmente disponibles y la verificación mediante el campo de prueba Open Solar Outdoors hacen posible predecir el rendimiento de los sistemas fotovoltaicos con altos grados de precisión. [24] Este método se puede utilizar para determinar los mecanismos de pérdida a escala local, como los de la nieve [25] [26] o los efectos de los revestimientos superficiales (por ejemplo, hidrófobos o hidrófilos ) sobre la suciedad o las pérdidas de nieve. [27] (Aunque en entornos con mucha nieve y con graves interferencias del suelo se pueden producir pérdidas anuales por nieve del 30%. [28] ) El acceso a Internet ha permitido una mejora adicional en el seguimiento y la comunicación de la energía. Varios proveedores ofrecen sistemas dedicados. Para los sistemas solares fotovoltaicos que utilizan microinversores (conversión de CC a CA a nivel de panel), los datos de potencia del módulo se proporcionan automáticamente. Algunos sistemas permiten configurar alertas de rendimiento que activan advertencias por teléfono, correo electrónico o mensajes de texto cuando se alcanzan los límites. Estas soluciones proporcionan datos para el propietario del sistema y el instalador. Los instaladores pueden monitorear de forma remota múltiples instalaciones y ver de un vistazo el estado de toda su base instalada. [ cita necesaria ]
Un sistema fotovoltaico para suministro de energía residencial, comercial o industrial consta de un panel solar y una serie de componentes que a menudo se resumen como el equilibrio del sistema (BOS). Este término es sinónimo de " equilibrio de planta " qv Los componentes BOS incluyen equipos de acondicionamiento de energía y estructuras para montaje, típicamente uno o más convertidores de energía de CC a CA , también conocidos como inversores , un dispositivo de almacenamiento de energía, un sistema de estantería que soporta el paneles solares, cableado e interconexiones eléctricas y montaje de otros componentes.
Opcionalmente, un equilibrio del sistema puede incluir cualquiera o todos los siguientes: medidor de grado de ingresos de crédito de energía renovable , rastreador del punto de máxima potencia (MPPT), sistema de batería y cargador , seguidor solar GNSS , software de gestión de energía , sensores de irradiancia solar , anemómetro , o accesorios para tareas específicas diseñados para cumplir con los requisitos especializados del propietario de un sistema. Además, un sistema CPV requiere lentes o espejos ópticos y, a veces, un sistema de refrigeración.
Los términos "panel solar" y "sistema fotovoltaico" a menudo se utilizan incorrectamente como sinónimos, a pesar de que el panel solar no abarca todo el sistema. Además, "panel solar" se utiliza a menudo como sinónimo de "módulo solar", aunque un panel consta de una serie de varios módulos. El término "sistema solar" también se utiliza a menudo como un nombre inapropiado para un sistema fotovoltaico.
Los componentes básicos de un sistema fotovoltaico son las células solares. Una célula solar es el dispositivo eléctrico que puede convertir directamente la energía de los fotones en electricidad. Existen tres generaciones tecnológicas de células solares: la primera generación (1G) de células de silicio cristalino (c-Si), la segunda generación (2G) de células de película delgada (como CdTe , CIGS , Silicio Amorfo y GaAs ), y la tercera generación (3G) de células orgánicas , sensibilizadas por colorantes , de perovskita y multiunión . [29] [30]
Las células solares convencionales de c-Si , normalmente conectadas en serie, están encapsuladas en un módulo solar para protegerlas de las inclemencias del tiempo. El módulo consta de una cubierta de vidrio templado , un encapsulante suave y flexible, una lámina trasera hecha de un material resistente a la intemperie y al fuego y un marco de aluminio alrededor del borde exterior. Conectados eléctricamente y montados sobre una estructura de soporte, los módulos solares forman una serie de módulos, a menudo llamados paneles solares. Un panel solar consta de uno o varios paneles de este tipo. [31] Un conjunto fotovoltaico, o conjunto solar, es un conjunto vinculado de módulos solares. La energía que un módulo puede producir rara vez es suficiente para satisfacer los requisitos de un hogar o una empresa, por lo que los módulos están vinculados entre sí para formar una matriz. La mayoría de los paneles fotovoltaicos utilizan un inversor para convertir la energía CC producida por los módulos en corriente alterna que puede alimentar luces , motores y otras cargas. Los módulos de un conjunto fotovoltaico normalmente se conectan primero en serie para obtener el voltaje deseado ; Luego, las cadenas individuales se conectan en paralelo para permitir que el sistema produzca más corriente . Los paneles solares generalmente se miden bajo STC (condiciones de prueba estándar) o PTC (condiciones de prueba PVUSA), en vatios . [32] Las clasificaciones típicas de los paneles varían desde menos de 100 vatios hasta más de 400 vatios. [33] La clasificación del conjunto consiste en una suma de las clasificaciones del panel, en vatios, kilovatios o megavatios.
Un módulo fotovoltaico típico de 150 vatios tiene un tamaño aproximado de un metro cuadrado. Se puede esperar que un módulo de este tipo produzca 0,75 kilovatios-hora (kWh) cada día, de media, teniendo en cuenta las condiciones meteorológicas y la latitud, para una insolación de 5 horas de sol al día. La salida del módulo se degrada más rápidamente a mayor temperatura. Permitir que el aire ambiente fluya por encima y, si es posible, por detrás de los módulos fotovoltaicos reduce este problema, ya que el flujo de aire tiende a reducir la temperatura de funcionamiento y, como consecuencia, aumenta la eficiencia del módulo. Sin embargo, recientemente se demostró que, en la operación del mundo real, considerando un generador fotovoltaico de mayor escala, el aumento de la velocidad del viento puede aumentar las pérdidas de energía [34] , siguiendo la teoría de la mecánica de fluidos, ya que la interacción del viento con el generador fotovoltaico induce Variaciones del flujo de aire que modifican la transferencia de calor de los módulos al aire.
La vida útil efectiva de los módulos suele ser de 25 años o más. [35] El período de recuperación de una inversión en una instalación solar fotovoltaica varía mucho y suele ser menos útil que un cálculo del retorno de la inversión . [36] Si bien normalmente se calcula que es entre 10 y 20 años, el período de recuperación financiera puede ser mucho más corto con incentivos . [37]
El efecto de la temperatura sobre los módulos fotovoltaicos suele cuantificarse mediante unos coeficientes que relacionan las variaciones de la tensión en circuito abierto, de la corriente en cortocircuito y de la potencia máxima con los cambios de temperatura. En este artículo se ofrecen directrices experimentales completas para estimar los coeficientes de temperatura. [38]
Debido al bajo voltaje de una célula solar individual (normalmente alrededor de 0,5 V), se cablean varias células (ver Cobre en energías renovables#Generación de energía solar fotovoltaica ) en serie en la fabricación de un "laminado". El laminado se ensambla en una carcasa protectora resistente a la intemperie, formando así un módulo fotovoltaico o panel solar . Luego, los módulos se pueden unir formando una matriz fotovoltaica. En 2012, los paneles solares disponibles para los consumidores tenían una eficiencia de hasta aproximadamente el 17%, [39] mientras que los paneles disponibles comercialmente pueden llegar hasta el 27%. Al concentrar la luz solar es posible lograr mayores eficiencias. Un grupo del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar ha creado una célula que puede alcanzar una eficiencia del 44,7% utilizando el equivalente a "297 soles". [40] [41] [42] [43]
La producción eléctrica de las células fotovoltaicas es extremadamente sensible a las sombras (el llamado "efecto de luz navideña"). [44] [45] [46] Cuando incluso una pequeña porción de una celda o de un módulo o conjunto de celdas en paralelo está sombreada, y el resto está expuesto a la luz del sol, la salida cae dramáticamente debido al "cortocircuito" interno (el electrones que invierten su curso a través de la parte sombreada). Cuando se conectan en serie, la corriente extraída de una cadena de celdas no es mayor que la corriente normalmente pequeña que puede fluir a través de la celda sombreada, por lo que la corriente (y por lo tanto la potencia) desarrollada por la cadena es limitada. Si la carga externa tiene una impedancia lo suficientemente baja, puede haber suficiente voltaje disponible en las otras celdas de una cadena para forzar más corriente a través de la celda sombreada rompiendo la unión. Este voltaje de ruptura en las celdas comunes está entre 10 y 30 voltios. En lugar de aumentar la energía producida por el panel, la celda sombreada absorbe energía y la convierte en calor. Dado que el voltaje inverso de una celda sombreada es mucho mayor que el voltaje directo de una celda iluminada, una celda sombreada puede absorber la potencia de muchas otras celdas en la cadena, afectando desproporcionadamente la salida del panel. Por ejemplo, una celda sombreada puede reducir 8 voltios, en lugar de agregar 0,5 voltios, a un nivel de corriente alto, absorbiendo así la energía producida por otras 16 celdas. [47] Por lo tanto, es importante que una instalación fotovoltaica no esté protegida por árboles u otras obstrucciones. Existen técnicas para mitigar las pérdidas con diodos, pero estas técnicas también conllevan pérdidas.
Se han desarrollado varios métodos para determinar las pérdidas de sombra de los árboles a los sistemas fotovoltaicos en ambas grandes regiones utilizando LiDAR , [48] pero también a nivel de sistema individual utilizando software de modelado 3D . [49] La mayoría de los módulos tienen diodos de derivación entre cada celda o cadena de celdas que minimizan los efectos del sombreado y solo pierden la potencia que la parte sombreada del conjunto habría suministrado, así como la potencia disipada en los diodos. La función principal del diodo de derivación es eliminar los puntos calientes que se forman en las celdas y que pueden causar más daños a la matriz y provocar incendios.
La luz solar puede ser absorbida por el polvo, la nieve u otras impurezas en la superficie del módulo (denominadas colectivamente suciedad ). La suciedad reduce la luz que incide sobre las células, lo que a su vez reduce la potencia de salida del sistema fotovoltaico. Las pérdidas de suciedad se acumulan con el tiempo y pueden aumentar sin una limpieza adecuada. En 2018, se estimó que la pérdida anual global de energía debido a la suciedad era de al menos un 3-4 %. [50] Sin embargo, las pérdidas por suciedad varían significativamente de una región a otra y dentro de cada región. [51] [52] [53] [54] Mantener una superficie limpia del módulo aumentará el rendimiento de salida durante la vida útil del sistema fotovoltaico. En un estudio realizado en una zona rica en nieve ( Ontario ), la limpieza de paneles solares planos después de 15 meses aumentó su producción en casi un 100%. Sin embargo, los paneles inclinados 5° se limpiaron adecuadamente con agua de lluvia. [26] [55] En muchos casos, especialmente en regiones áridas o en lugares cercanos a desiertos, carreteras, industrias o agricultura, la limpieza regular de los paneles solares es rentable . En 2018, la pérdida de ingresos estimada debido a la suciedad se estimó entre 5 y 7 mil millones de euros. [50]
La confiabilidad a largo plazo de los módulos fotovoltaicos es crucial para garantizar la viabilidad técnica y económica de la energía fotovoltaica como fuente de energía exitosa. El análisis de los mecanismos de degradación de los módulos fotovoltaicos es clave para garantizar una vida útil actual superior a los 25 años. [56]
La insolación solar se compone de radiación directa, difusa y reflejada . El factor de absorción de una célula fotovoltaica se define como la fracción de irradiancia solar incidente que es absorbida por la célula. [57] Cuando el sol está en el cenit en un día sin nubes, la potencia del sol es de aproximadamente 1 kW /m 2 , [58] en la superficie de la Tierra, en un plano perpendicular a los rayos del sol. Como tal, los paneles fotovoltaicos pueden seguir el sol todos los días para mejorar en gran medida la recolección de energía. Sin embargo, los dispositivos de seguimiento añaden costos y requieren mantenimiento, por lo que es más común que los paneles fotovoltaicos tengan soportes fijos que inclinen el panel y miren hacia el sur en el hemisferio norte o hacia el norte en el hemisferio sur. El ángulo de inclinación desde la horizontal se puede variar según la temporada, [59] pero, si es fijo, debe configurarse para brindar una salida óptima del conjunto durante la parte de demanda eléctrica máxima de un año típico para un sistema independiente. Este ángulo de inclinación óptimo del módulo no es necesariamente idéntico al ángulo de inclinación para la producción máxima anual de energía del conjunto. [60] La optimización del sistema fotovoltaico para un entorno específico puede resultar complicada, ya que deben tenerse en cuenta cuestiones de flujo solar, suciedad y pérdidas de nieve. Además, trabajos posteriores han demostrado que los efectos espectrales pueden desempeñar un papel en la selección óptima de materiales fotovoltaicos. Por ejemplo, el espectro del albedo del entorno puede desempeñar un papel importante en la producción dependiendo de la superficie alrededor del sistema fotovoltaico [61] y del tipo de material de la célula solar. [62] Una instalación fotovoltaica en las latitudes septentrionales de Europa o Estados Unidos puede esperar producir 1 kWh/m 2 /día. [ cita necesaria ] Una instalación fotovoltaica típica de 1 kW en Australia o las latitudes del sur de Europa o Estados Unidos puede producir entre 3,5 y 5 kWh por día, dependiendo de la ubicación, orientación, inclinación, insolación y otros factores. [ cita necesaria ] En el desierto del Sahara , con menos nubosidad y un mejor ángulo solar, idealmente se podría obtener más cerca de 8,3 kWh/m 2 /día, siempre que el viento casi siempre presente no arrastrara arena sobre las unidades. La superficie del desierto del Sahara supera los 9 millones de km 2 . 90.600 km 2 , o alrededor del 1%, podrían generar tanta electricidad como todas las centrales eléctricas del mundo juntas. [63]
Los módulos se ensamblan en matrices sobre algún tipo de sistema de montaje, que puede clasificarse como montaje en suelo, montaje en techo o montaje en poste. Para parques solares, se monta un bastidor grande en el suelo y los módulos se montan en el bastidor. Para los edificios se han ideado numerosos soportes diferentes para tejados inclinados. Para cubiertas planas se utilizan estanterías, contenedores y soluciones integradas en la construcción. [ cita necesaria ] Los bastidores de paneles solares montados en la parte superior de los postes pueden ser estacionarios o móviles; consulte los rastreadores a continuación. Los soportes laterales del poste son adecuados para situaciones en las que un poste tiene algo más montado en la parte superior, como una lámpara o una antena. El montaje en postes eleva lo que de otro modo sería un conjunto montado en el suelo por encima de las sombras de malezas y el ganado, y puede satisfacer los requisitos del código eléctrico con respecto a la inaccesibilidad del cableado expuesto. Los paneles montados en postes están abiertos a más aire de refrigeración en su parte inferior, lo que aumenta el rendimiento. Se puede formar una multiplicidad de bastidores superiores de postes en un estacionamiento techado u otra estructura de sombra. Una rejilla que no sigue el sol de izquierda a derecha puede permitir un ajuste estacional hacia arriba o hacia abajo. [ cita necesaria ]
Debido a su uso en exteriores, los cables solares están diseñados para ser resistentes a la radiación ultravioleta y a las fluctuaciones de temperatura extremadamente altas y, por lo general, no se ven afectados por las condiciones climáticas. Las normas que especifican el uso de cableado eléctrico en sistemas fotovoltaicos incluyen la IEC 60364 de la Comisión Electrotécnica Internacional , en la sección 712 "Sistemas de suministro de energía solar fotovoltaica (PV)", la norma británica BS 7671 , que incorpora regulaciones relacionadas con la microgeneración y los sistemas fotovoltaicos, y la norma estadounidense UL4703, en el tema 4703 "Cable fotovoltaico".
Un cable solar es el cable de interconexión utilizado en la generación de energía fotovoltaica . Los cables solares interconectan paneles solares y otros componentes eléctricos de un sistema fotovoltaico. Los cables solares están diseñados para ser resistentes a los rayos UV y a la intemperie . Se pueden utilizar dentro de un amplio rango de temperaturas.
Los requisitos de rendimiento específicos para el material utilizado para cablear una instalación de paneles solares se dan en los códigos eléctricos nacionales y locales que regulan las instalaciones eléctricas en un área. Las características generales requeridas para los cables solares son resistencia a la luz ultravioleta, a la intemperie, temperaturas extremas del área y aislamiento adecuado para la clase de voltaje del equipo. Diferentes jurisdicciones tendrán reglas específicas con respecto a la puesta a tierra de instalaciones de energía solar para protección contra descargas eléctricas y rayos.
Un sistema de seguimiento solar inclina un panel solar durante todo el día. Dependiendo del tipo de sistema de seguimiento, el panel apunta directamente al Sol o a la zona más brillante de un cielo parcialmente nublado. Los rastreadores mejoran enormemente el rendimiento a primera hora de la mañana y al final de la tarde, aumentando la cantidad total de energía producida por un sistema entre un 20% y un 25% para un rastreador de un solo eje y aproximadamente un 30% o más para un rastreador de dos ejes, dependiendo de la latitud. [64] [65] Los rastreadores son eficaces en regiones que reciben una gran parte de la luz solar directamente. En condiciones de luz difusa (es decir, bajo nubes o niebla), el seguimiento tiene poco o ningún valor. Debido a que la mayoría de los sistemas fotovoltaicos concentrados son muy sensibles al ángulo de la luz solar, los sistemas de seguimiento les permiten producir energía útil durante más de un breve período cada día. [66] Los sistemas de seguimiento mejoran el rendimiento por dos razones principales. Primero, cuando un panel solar está perpendicular a la luz del sol, recibe más luz en su superficie que si estuviera en ángulo. En segundo lugar, la luz directa se utiliza de manera más eficiente que la luz en ángulo. [67] Los revestimientos antirreflectantes especiales pueden mejorar la eficiencia de los paneles solares para luz directa y en ángulo, reduciendo en cierta medida el beneficio del seguimiento. [68]
Los rastreadores y sensores para optimizar el rendimiento a menudo se consideran opcionales, pero pueden aumentar la producción viable hasta en un 45%. [69] Los conjuntos que se aproximan o superan el megavatio suelen utilizar seguidores solares. Teniendo en cuenta las nubes y el hecho de que la mayor parte del mundo no está en el ecuador y que el sol se pone por la tarde, la medida correcta de la energía solar es la insolación : el número promedio de kilovatios-hora por metro cuadrado por día. Para el clima y las latitudes de Estados Unidos y Europa, la insolación típica oscila entre 2,26 kWh/m 2 /día en los climas del norte y 5,61 kWh/m 2 /día en las regiones más soleadas. [70] [71]
Para sistemas grandes, la energía ganada mediante el uso de sistemas de seguimiento puede compensar la complejidad añadida. Para sistemas muy grandes , el mantenimiento adicional del seguimiento es un perjuicio sustancial. [72] El seguimiento no es necesario para sistemas de panel plano y fotovoltaicos de baja concentración . Para los sistemas fotovoltaicos de alta concentración, el seguimiento de doble eje es una necesidad. [73] Las tendencias de precios afectan el equilibrio entre agregar más paneles solares estacionarios versus tener menos paneles con seguimiento.
A medida que mejoraron los precios, la confiabilidad y el rendimiento de los seguidores de un solo eje, los sistemas se instalaron en un porcentaje cada vez mayor de proyectos a escala de servicios públicos. Según datos de WoodMackenzie/GTM Research, los envíos mundiales de seguidores solares alcanzaron un récord de 14,5 gigavatios en 2017. Esto representa un crecimiento del 32 por ciento año tras año, y se proyecta un crecimiento similar o mayor a medida que se acelera el despliegue solar a gran escala. [74]
Los sistemas diseñados para suministrar corriente alterna (CA), como las aplicaciones conectadas a la red, necesitan un inversor para convertir la corriente continua (CC) de los módulos solares en CA. Los inversores conectados a la red deben suministrar electricidad de CA en forma sinusoidal, sincronizada con la frecuencia de la red, limitar la tensión de alimentación a no más que la tensión de la red y desconectarse de la red si la tensión de la red está apagada. [75] Los inversores en isla solo necesitan producir voltajes y frecuencias regulados en una forma de onda sinusoidal, ya que no se requiere sincronización ni coordinación con el suministro de la red.
Un inversor solar puede conectarse a una serie de paneles solares. En algunas instalaciones se conecta un microinversor solar a cada panel solar. [76] Por razones de seguridad, se proporciona un disyuntor tanto en el lado de CA como en el de CC para permitir el mantenimiento. La salida de CA se puede conectar a través de un medidor de electricidad a la red pública. [77] El número de módulos en el sistema determina el total de vatios de CC que puede generar el panel solar; sin embargo, el inversor controla en última instancia la cantidad de vatios de CA que se pueden distribuir para el consumo. Por ejemplo, un sistema fotovoltaico que comprenda 11 kilovatios de CC (kW CC ) en módulos fotovoltaicos, combinados con un inversor de 10 kilovatios de CA (kW CA ), estará limitado a la potencia del inversor de 10 kW. En 2019, la eficiencia de conversión de los convertidores de última generación alcanzó más del 98 por ciento. Mientras que los inversores de cadena se utilizan en sistemas fotovoltaicos residenciales y comerciales de tamaño mediano, los inversores centrales cubren el gran mercado comercial y de servicios públicos. La cuota de mercado de los inversores centrales y de cadena es de aproximadamente el 44 por ciento y el 52 por ciento, respectivamente, con menos del 1 por ciento para los microinversores. [78]
El seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) es una técnica que utilizan los inversores conectados a la red para obtener la máxima potencia posible del conjunto fotovoltaico. Para hacerlo, el sistema MPPT del inversor toma muestras digitales de la siempre cambiante salida de energía del panel solar y aplica la impedancia adecuada para encontrar el punto de potencia máxima óptimo . [79]
El anti-isla es un mecanismo de protección para apagar inmediatamente el inversor, impidiendo que genere energía CA cuando la conexión a la carga ya no existe. Esto sucede, por ejemplo, en caso de un apagón. Sin esta protección, la línea de suministro se convertiría en una "isla" con energía rodeada por un "mar" de líneas sin energía, ya que el panel solar continúa entregando energía de CC durante el corte de energía. La instalación en isla es un peligro para los trabajadores de servicios públicos, quienes pueden no darse cuenta de que un circuito de CA todavía está encendido y puede impedir la reconexión automática de los dispositivos. [80] La función Anti-Islanding no es necesaria para sistemas fuera de la red completos.
Aunque siguen siendo caros, los sistemas fotovoltaicos utilizan cada vez más baterías recargables para almacenar el excedente y utilizarlo más tarde por la noche. Las baterías utilizadas para el almacenamiento en la red también estabilizan la red eléctrica nivelando las cargas máximas y desempeñan un papel importante en una red inteligente , ya que pueden cargarse durante períodos de baja demanda e inyectar su energía almacenada en la red cuando la demanda es alta.
Las tecnologías de baterías comunes utilizadas en los sistemas fotovoltaicos actuales incluyen la batería de plomo-ácido regulada por válvula (una versión modificada de la batería de plomo-ácido convencional ), baterías de níquel-cadmio y de iones de litio . En comparación con los otros tipos, las baterías de plomo-ácido tienen una vida útil más corta y una menor densidad de energía. Sin embargo, debido a su alta confiabilidad, baja autodescarga y bajos costos de inversión y mantenimiento, actualmente (a partir de 2014) son la tecnología predominante utilizada en sistemas fotovoltaicos residenciales de pequeña escala, ya que las baterías de iones de litio aún se están desarrollando. y aproximadamente 3,5 veces más caras que las baterías de plomo-ácido. Además, como los dispositivos de almacenamiento de los sistemas fotovoltaicos son estacionarios, la menor densidad de energía y potencia y, por tanto, el mayor peso de las baterías de plomo-ácido no son tan críticos como, por ejemplo, en el transporte eléctrico [5] : 4, 9 Otras baterías recargables consideradas para Los sistemas fotovoltaicos distribuidos incluyen baterías redox de sodio-azufre y vanadio , dos tipos destacados de sal fundida y batería de flujo , respectivamente. [5] : 4 En 2015, Tesla Motors lanzó Powerwall , una batería recargable de iones de litio con el objetivo de revolucionar el consumo de energía. [81]
Los sistemas fotovoltaicos con una solución de batería integrada también necesitan un controlador de carga , ya que la variación de voltaje y corriente del panel solar requiere un ajuste constante para evitar daños por sobrecarga. [82] Los controladores de carga básicos pueden simplemente encender y apagar los paneles fotovoltaicos, o pueden medir pulsos de energía según sea necesario, una estrategia llamada PWM o modulación de ancho de pulso . Los controladores de carga más avanzados incorporarán la lógica MPPT en sus algoritmos de carga de baterías. Los controladores de carga también pueden desviar energía para algún propósito distinto a la carga de la batería. En lugar de simplemente apagar la energía fotovoltaica gratuita cuando no la necesita, el usuario puede optar por calentar aire o agua una vez que la batería esté llena.
El contador debe poder acumular unidades de energía en ambas direcciones o se deben utilizar dos contadores. Muchos medidores se acumulan bidireccionalmente, algunos sistemas usan dos medidores, pero un medidor unidireccional (con retén) no acumulará energía de ninguna alimentación resultante a la red. [83] En algunos países, para instalaciones superiores a 30 kW p se requiere un monitor de frecuencia y tensión con desconexión de todas las fases. Esto se hace cuando se genera más energía solar de la que puede acomodar la empresa de servicios públicos y el exceso no se puede exportar ni almacenar . Históricamente, los operadores de redes han necesitado proporcionar líneas de transmisión y capacidad de generación. Ahora también necesitan proporcionar almacenamiento. Normalmente se trata de hidroalmacenamiento, pero se utilizan otros medios de almacenamiento. Inicialmente se utilizó el almacenamiento para que los generadores de carga base pudieran funcionar a plena potencia. Con la energía renovable variable , se necesita almacenamiento para permitir la generación de energía cuando esté disponible y el consumo cuando sea necesario.
Las dos variables que tiene un operador de red son almacenar electricidad para cuando sea necesaria o transmitirla a donde sea necesaria. Si ambos fallan, las instalaciones de más de 30kWp pueden apagarse automáticamente, aunque en la práctica todos los inversores mantienen la regulación de voltaje y dejan de suministrar energía si la carga es inadecuada. Los operadores de redes tienen la opción de reducir el exceso de generación de los grandes sistemas, aunque esto se hace más comúnmente con la energía eólica que con la solar, y resulta en una pérdida sustancial de ingresos. [84] Los inversores trifásicos tienen la opción única de suministrar potencia reactiva, lo que puede resultar ventajoso para satisfacer los requisitos de carga. [85]
Los sistemas fotovoltaicos deben ser monitoreados para detectar averías y optimizar su funcionamiento. Existen varias estrategias de monitorización fotovoltaica en función del rendimiento de la instalación y de su naturaleza. El monitoreo se puede realizar en sitio o de forma remota. Puede medir únicamente la producción, recuperar todos los datos del inversor o recuperar todos los datos de los equipos de comunicación (sondas, medidores, etc.). Las herramientas de monitoreo pueden dedicarse únicamente a la supervisión u ofrecer funciones adicionales. Los inversores individuales y los controladores de carga de baterías pueden incluir monitoreo mediante protocolos y software específicos del fabricante. [86] La medición de energía de un inversor puede tener una precisión limitada y no ser adecuada para fines de medición de ingresos. Un sistema de adquisición de datos de terceros puede monitorear múltiples inversores, utilizando los protocolos del fabricante del inversor, y también adquirir información relacionada con el clima. Los medidores inteligentes independientes pueden medir la producción total de energía de un sistema de matriz fotovoltaica. Se pueden utilizar medidas separadas, como el análisis de imágenes de satélite o un medidor de radiación solar (un piranómetro ), para estimar la insolación total y compararla. [87] Los datos recopilados de un sistema de monitoreo se pueden mostrar de forma remota a través de la World Wide Web, como OSOTF . [88] [89] [90] [91]
Conociendo el consumo energético anual en Kwh de una institución o una familia, por ejemplo de 2300Kwh, legible en su factura eléctrica, es posible calcular el número de paneles fotovoltaicos necesarios para satisfacer sus necesidades energéticas. Conectándose al sitio https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/ , después de seleccionar la ubicación en la que instalar los paneles o hacer clic en el mapa o escribir el nombre de la ubicación, debe seleccionar "Red conectada" y "Visualizar resultados" obteniendo la siguiente tabla, por ejemplo, relativa a la ciudad de Palermo:
Entradas proporcionadas:;Ubicación [Lat/Lon]:;38.111,13.352Horizonte:;CalculadoBase de datos utilizada:;PVGIS-SARAH2Tecnología fotovoltaica:; silicio cristalinoFotovoltaica instalada [kWp]:;1Pérdida del sistema [%]:;14Salidas de la simulación:;Ángulo de pendiente [°]:;35Ángulo de acimut [°]:;0Producción anual de energía fotovoltaica [kWh]:;1519,1Irradiación anual en el plano [kWh/m2]:;1944,62Variabilidad interanual [kWh]:;47,61Cambios en la producción debido a:;Ángulo de incidencia [%]:;-2,68Efectos espectrales [%]:;0,88Temperatura y baja irradiancia [%]:;-7,48Pérdida total [%]:;-21,88Costo de la electricidad fotovoltaica [por kWh]:;
Usando el programa wxMaxima , el número de paneles necesarios para un consumo anual de 2300 kWh y para una tecnología de silicio cristalino con un ángulo de pendiente de 35°, un ángulo de azimut de 0° y pérdidas totales iguales a 21,88% es 6 redondeado hacia arriba:
E_d : 2300 ; E_s : 1519,1 ; P : 300 ; Número_paneles : 1000 * E_d / ( P * E_s ) ; 5.046847914335243De media, cada familia consigue consumir el 30% de la energía directamente de la fotovoltaica. El sistema de almacenamiento puede llevar su autoconsumo hasta un máximo del 70%, por lo que la capacidad de almacenamiento de la batería que debería ser en el caso concreto es: 4,41 Kwh que redondeado al alza es 4,8 Kwh
Capacidad de la batería : 0,70 * E_d / 365 ; 4.410958904109589Si el precio de la energía es de 0,5 €/Kwh entonces el coste de la energía sin impuestos será de 1150€ al año:
Costo_energía : E_d * 0,5 ; 1150.0Así si un panel de 300W cuesta 200€, la batería de 4,8Kwh cuesta 3000€, el inversor para convertir la corriente continua en corriente alterna 1000€, el regulador de carga 100€, la instalación cuesta 1000€ el coste total será de 6300€:
Costo_total : 200 * 6 + 3000 + 1000 + 100 + 1000 ; 3150que se amortizan en 5,46 años:
Años : Coste_total / Coste_energía ; 5.46 ...teniendo la batería una vida útil de 10 años y los paneles de 25 a 30 años
Esta sección incluye sistemas que son altamente especializados y poco comunes o que aún son una nueva tecnología emergente con importancia limitada. Sin embargo, los sistemas autónomos o aislados de la red ocupan un lugar especial. Eran el tipo de sistemas más común durante las décadas de 1980 y 1990, cuando la tecnología fotovoltaica todavía era muy cara y un nicho de mercado puro de aplicaciones a pequeña escala. Sólo eran económicamente viables en lugares donde no había red eléctrica disponible. Aunque todavía se están implementando nuevos sistemas autónomos en todo el mundo, su contribución a la capacidad fotovoltaica instalada general está disminuyendo. En Europa, los sistemas fuera de la red representan el 1 por ciento de la capacidad instalada. En Estados Unidos, representan alrededor del 10 por ciento. Los sistemas fuera de la red siguen siendo comunes en Australia y Corea del Sur, y en muchos países en desarrollo. [4] : 14
Los sistemas fotovoltaicos de concentración (CPV) y fotovoltaicos de alta concentración (HCPV) utilizan lentes ópticas o espejos curvos para concentrar la luz solar en células solares pequeñas pero altamente eficientes. Además de concentrar la óptica, los sistemas CPV a veces utilizan seguidores solares y sistemas de refrigeración y son más caros.
Especialmente los sistemas HCPV son más adecuados en lugares con alta irradiancia solar, concentrando la luz solar hasta 400 veces o más, con eficiencias del 24 al 28 por ciento, superando las de los sistemas regulares. Hay varios diseños de sistemas disponibles comercialmente, pero no son muy comunes. Sin embargo, se están llevando a cabo investigaciones y desarrollo continuos. [7] : 26
La CPV se confunde a menudo con la CSP ( energía solar concentrada ) que no utiliza energía fotovoltaica. Ambas tecnologías favorecen ubicaciones que reciben mucha luz solar y compiten directamente entre sí.
Un sistema híbrido combina la energía fotovoltaica con otras formas de generación, normalmente un generador diésel. [ cita necesaria ] También se utiliza biogás. La otra forma de generación puede ser un tipo capaz de modular la producción de energía en función de la demanda. Sin embargo, se puede utilizar más de una forma de energía renovable, por ejemplo, la eólica. La generación de energía fotovoltaica sirve para reducir el consumo de combustibles no renovables. Los sistemas híbridos se encuentran con mayor frecuencia en islas. La isla Pellworm en Alemania y la isla Kythnos en Grecia son ejemplos notables (ambas se combinan con el viento). [92] [93] La planta de Kythnos ha reducido el consumo de diésel en un 11,2%. [94]
En 2015, un estudio de caso realizado en siete países concluyó que en todos los casos los costos de generación pueden reducirse mediante la hibridación de minirredes y redes aisladas. Sin embargo, los costos de financiación de estos híbridos son cruciales y dependen en gran medida de la estructura de propiedad de la central eléctrica. Si bien las reducciones de costos para las empresas de servicios públicos estatales pueden ser significativas, el estudio también identificó que los beneficios económicos son insignificantes o incluso negativos para las empresas de servicios públicos no públicas, como los productores de energía independientes . [95] [96]
También se han realizado trabajos que muestran que el límite de penetración fotovoltaica se puede aumentar mediante el despliegue de una red distribuida de sistemas híbridos fotovoltaicos+CHP en los EE. UU. [97] Se analizó la distribución temporal del flujo solar y los requisitos eléctricos y de calefacción para residencias unifamiliares representativas de los EE. UU. y los resultados muestran claramente que la hibridación de cogeneración con energía fotovoltaica puede permitir un despliegue fotovoltaico adicional por encima de lo que es posible con un sistema de generación eléctrica centralizado convencional. Esta teoría se reconfirmó con simulaciones numéricas utilizando datos de flujo solar por segundo para determinar que el respaldo de batería necesario para proporcionar un sistema híbrido de este tipo es posible con sistemas de baterías relativamente pequeños y económicos. [98] Además, son posibles grandes sistemas fotovoltaicos+CHP para edificios institucionales, que a su vez proporcionan respaldo para la energía fotovoltaica intermitente y reducen el tiempo de funcionamiento de la cogeneración. [99]
La energía solar flotante o fotovoltaica flotante (FPV), a veces denominada flotatovoltaica, son paneles solares montados en una estructura que flota sobre una masa de agua, normalmente un embalse o un lago, como depósitos de agua potable, lagos de cantera, canales de riego o estanques de remediación y relaves. . Existe un número creciente de sistemas de este tipo en China , Francia , Indonesia , India , Japón , Corea del Sur , el Reino Unido , Singapur , Tailandia y Estados Unidos . [103] [104] [105] [106] [107] La energía solar flotante es un tipo de energía " solar marina " que también incluye cimientos de fondo fijo. [108] [109]
Los sistemas pueden tener ventajas sobre la energía fotovoltaica (PV) en tierra. Las superficies de agua pueden ser menos costosas que el costo del terreno, y existen menos reglas y regulaciones para las estructuras construidas en cuerpos de agua que no se utilizan para recreación. El análisis del ciclo de vida indica que los FPV basados en espuma [110] tienen algunos de los tiempos de recuperación de energía más bajos (1,3 años) y la relación más baja entre emisiones de gases de efecto invernadero y energía (11 kg CO 2 eq/MWh) en las tecnologías solares fotovoltaicas de silicio cristalino reportadas. [111]
Los paneles flotantes pueden lograr mayores eficiencias que los paneles fotovoltaicos en tierra porque el agua enfría los paneles. Los paneles pueden tener un revestimiento especial para evitar la oxidación o la corrosión. [112]
El mercado de esta tecnología de energía renovable ha crecido rápidamente desde 2016. Las primeras 20 plantas con capacidades de unas pocas docenas de kWp se construyeron entre 2007 y 2013. [113] La potencia instalada creció de 3 GW en 2020 a 13 GW en 2022, [ 114] superando una predicción de 10 GW para 2025. [115] El Banco Mundial estimó que hay 6.600 grandes masas de agua aptas para la energía solar flotante, con una capacidad técnica de más de 4.000 GW si el 10% de sus superficies estuvieran cubiertas con paneles solares. [114]
Los costes de un sistema flotante son entre un 10 y un 20 % más elevados que los de los sistemas montados en el suelo. [116] [117] Según un investigador del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL), este aumento se debe principalmente a la necesidad de sistemas de anclaje para asegurar los paneles al agua, lo que contribuye a encarecer las instalaciones solares flotantes alrededor de un 25%. que los de tierra. [118]Las redes de corriente continua se encuentran en el transporte eléctrico: ferrocarriles, tranvías y trolebuses. Se han construido algunas plantas piloto para este tipo de aplicaciones, como las cocheras de tranvías de Hannover Leinhausen, que utilizan contribuyentes fotovoltaicos [119] y Ginebra (Bachet de Pesay). [120] El centro de Ginebra de 150 kW p alimenta 600 V CC directamente a la red eléctrica de tranvías y trolebuses, mientras que antes suministraba alrededor del 15% de la electricidad en su inauguración en 1999.
Un sistema autónomo o aislado no está conectado a la red eléctrica . Los sistemas independientes varían ampliamente en tamaño y aplicación, desde relojes de pulsera o calculadoras hasta edificios remotos o naves espaciales . Si la carga se debe alimentar independientemente de la insolación solar , la energía generada se almacena y amortigua con una batería. [121] En aplicaciones no portátiles donde el peso no es un problema, como en los edificios, las baterías de plomo ácido se utilizan con mayor frecuencia por su bajo costo y su tolerancia al abuso.
Se puede incorporar un controlador de carga al sistema para evitar daños a la batería por carga o descarga excesiva. También puede ayudar a optimizar la producción de los paneles solares utilizando una técnica de seguimiento del punto de máxima potencia ( MPPT ). Sin embargo, en sistemas fotovoltaicos simples donde el voltaje del módulo fotovoltaico coincide con el voltaje de la batería, el uso de componentes electrónicos MPPT generalmente se considera innecesario, ya que el voltaje de la batería es lo suficientemente estable como para proporcionar una recolección de energía casi máxima del módulo fotovoltaico. En dispositivos pequeños (p. ej. calculadoras, parquímetros) sólo se consume corriente continua (CC). En sistemas más grandes (por ejemplo, edificios, bombas de agua remotas), normalmente se requiere CA. Para convertir la CC de los módulos o baterías en CA, se utiliza un inversor .
En entornos agrícolas , el conjunto se puede utilizar para alimentar directamente bombas de CC , sin necesidad de un inversor . En entornos remotos, como zonas montañosas, islas u otros lugares donde no hay una red eléctrica disponible, los paneles solares se pueden utilizar como única fuente de electricidad, generalmente cargando una batería de almacenamiento . Los sistemas autónomos están estrechamente relacionados con la microgeneración y la generación distribuida .
El costo de producir células fotovoltaicas ha disminuido debido a las economías de escala en la producción y los avances tecnológicos en la fabricación. Para las instalaciones a gran escala, los precios inferiores a 1 dólar por vatio eran comunes en 2012. [124] Se había logrado una disminución de precios del 50% en Europa entre 2006 y 2011, y existía la posibilidad de reducir el costo de generación en un 50% para 2020. [ 125] Las células solares de silicio cristalino han sido reemplazadas en gran medida por células solares de silicio multicristalino menos costosas, y también se han desarrollado células solares de silicio de película delgada con costos de producción más bajos. Aunque tienen una eficiencia de conversión de energía reducida en comparación con las "siwafers" monocristalinas, también son mucho más fáciles de producir a costos comparativamente más bajos. [126]
La siguiente tabla muestra el costo total (promedio) en centavos de dólar por kWh de electricidad generada por un sistema fotovoltaico. [127] [128] Los encabezados de las filas de la izquierda muestran el coste total, por kilovatio pico (kW p ), de una instalación fotovoltaica. Los costes de los sistemas fotovoltaicos han ido disminuyendo y en Alemania, por ejemplo, se informó que habían caído a 1.389 USD/kW p a finales de 2014. [129] Los títulos de las columnas en la parte superior se refieren a la producción de energía anual en kWh esperada de cada kW instalados p . Esto varía según la región geográfica porque la insolación promedio depende de la nubosidad promedio y del espesor de la atmósfera atravesada por la luz solar. También depende de la trayectoria del sol con respecto al panel y al horizonte. Los paneles generalmente se montan en un ángulo según la latitud y, a menudo, se ajustan estacionalmente para adaptarse a la cambiante declinación solar . El seguimiento solar también se puede utilizar para acceder a una luz solar aún más perpendicular, aumentando así la producción total de energía.
Los valores calculados en la tabla reflejan el costo total (promedio) en centavos por kWh producido. Suponen un costo de capital total del 10% (por ejemplo, una tasa de interés del 4% , un costo de operación y mantenimiento del 1%, [130] y una depreciación del desembolso de capital durante 20 años). Normalmente los módulos fotovoltaicos tienen una garantía de 25 años. [131] [132]
Los sistemas fotovoltaicos demuestran una curva de aprendizaje en términos de coste nivelado de la electricidad (LCOE), reduciendo su coste por kWh en un 32,6% por cada duplicación de capacidad. [134] [135] [136] A partir de los datos de LCOE y capacidad instalada acumulada de la Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA) de 2010 a 2017, [135] [136] la ecuación de la curva de aprendizaje para sistemas fotovoltaicos se obtiene como [134]
El uso cada vez mayor de sistemas fotovoltaicos y la integración de la energía fotovoltaica en las estructuras y técnicas de suministro y distribución existentes aumenta la necesidad de normas y definiciones generales para los componentes y sistemas fotovoltaicos. [ cita necesaria ] Los estándares se compilan en la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) y se aplican a la eficiencia, durabilidad y seguridad de celdas, módulos, programas de simulación, conectores y cables, sistemas de montaje, eficiencia general de inversores, etc.
En el Reino Unido, las instalaciones fotovoltaicas generalmente se consideran desarrollo permitido y no requieren permiso de planificación. Si la propiedad está catalogada o se encuentra en un área designada (Parque Nacional, Área de Excepcional Belleza Natural, Sitio de Especial Interés Científico o Norfolk Broads), entonces se requiere un permiso de planificación. [138]
En Estados Unidos, el artículo 690 del Código Eléctrico Nacional proporciona pautas generales para la instalación de sistemas fotovoltaicos; estos pueden ser reemplazados por leyes y regulaciones locales. A menudo se requiere un permiso, lo que requiere la presentación de planos y cálculos estructurales antes de que pueda comenzar el trabajo. Además, muchos lugares exigen que el trabajo se realice bajo la supervisión de un electricista autorizado.
La Autoridad Jurisdiccional (AHJ) revisará los diseños y emitirá permisos antes de que la construcción pueda comenzar legalmente. Las prácticas de instalación eléctrica deben cumplir con los estándares establecidos en el Código Eléctrico Nacional (NEC) y ser inspeccionadas por la autoridad competente para garantizar el cumplimiento del código de construcción , el código eléctrico y el código de seguridad contra incendios . Las jurisdicciones pueden exigir que el equipo haya sido probado, certificado, listado y etiquetado por al menos uno de los Laboratorios de pruebas reconocidos a nivel nacional (NRTL). [139] Muchas localidades exigen un permiso para instalar un sistema fotovoltaico. Un sistema conectado a la red normalmente requiere que un electricista autorizado realice la conexión entre el sistema y el cableado del edificio conectado a la red. [140] Los instaladores que cumplen con estos requisitos se encuentran en casi todos los estados. [139] Varios estados prohíben a las asociaciones de propietarios restringir los dispositivos solares. [141] [142] [143]
Aunque España genera alrededor del 40% de su electricidad a través de energía fotovoltaica y otras fuentes de energía renovables, y ciudades como Huelva y Sevilla cuentan con casi 3.000 horas de sol al año, en 2013 España emitió un impuesto solar para compensar la deuda creada por la inversión realizada. por el gobierno español. Quienes no se conecten a la red pueden enfrentar hasta una multa de 30 millones de euros (40 millones de dólares). [144] Estas medidas finalmente se retiraron en 2018, cuando se introdujo una nueva legislación que prohibía cualquier impuesto sobre el autoconsumo de energía renovable. [145]
Con el aumento de los niveles de sistemas fotovoltaicos en tejados, el flujo de energía se vuelve bidireccional. Cuando hay más generación local que consumo, la electricidad se exporta a la red. Sin embargo, la red eléctrica tradicionalmente no está diseñada para hacer frente a la transferencia de energía en ambos sentidos. Por lo tanto, pueden ocurrir algunos problemas técnicos. Por ejemplo, en Queensland, Australia, había más del 30% de los hogares con energía fotovoltaica en los tejados a finales de 2017. La famosa curva del pato de California de 2020 aparece con mucha frecuencia en muchas comunidades a partir de 2015. Puede surgir un problema de sobretensión cuando la electricidad regresa a la red. [146] Existen soluciones para gestionar el problema de sobretensión, como la regulación del factor de potencia del inversor fotovoltaico, nuevos equipos de control de tensión y energía a nivel del distribuidor de electricidad, reconductores de los cables eléctricos, gestión del lado de la demanda, etc. A menudo existen limitaciones y costos relacionados con estas soluciones. Una forma de calcular estos costos y beneficios es utilizar el concepto de 'valor de la energía solar' (VOS), [147] que incluye los costos/pérdidas evitados, entre ellos: operaciones y mantenimiento de la planta (fijos y variables); combustible; capacidad de generación, capacidad de reserva, capacidad de transmisión, capacidad de distribución y responsabilidad ambiental y de salud. Popular Mechanics informa que los resultados de VOS muestran que los clientes de servicios públicos conectados a la red están recibiendo una compensación muy insuficiente en la mayor parte de los EE. UU., ya que el valor de los eclipses solares supera la tarifa de medición neta, así como las tarifas de dos niveles, lo que significa que "los paneles solares de su vecino están ahorrándote dinero en secreto". [148]
Los clientes tienen diferentes situaciones específicas, por ejemplo, diferentes necesidades de comodidad/conveniencia, diferentes tarifas de electricidad o diferentes patrones de uso. Una tarifa eléctrica puede tener algunos elementos, como un cargo diario de acceso y medición, un cargo por energía (basado en kWh, MWh) o un cargo por demanda máxima (por ejemplo, un precio por el consumo de energía más alto de 30 minutos en un mes). La energía fotovoltaica es una opción prometedora para reducir el costo de la energía cuando el precio de la electricidad es razonablemente alto y aumenta continuamente, como en Australia y Alemania. Sin embargo, para los sitios con cargos por demanda máxima, la energía fotovoltaica puede ser menos atractiva si las demandas máximas ocurren principalmente entre las últimas horas de la tarde y las primeras horas de la noche, por ejemplo, en comunidades residenciales. En general, la inversión en energía es en gran medida una decisión económica y las decisiones de inversión se basan en una evaluación sistemática de opciones en materia de mejora operativa, eficiencia energética , generación in situ y almacenamiento de energía. [149] [150]
Un sistema fotovoltaico conectado a la red, o sistema fotovoltaico conectado a la red, es un sistema de energía solar fotovoltaica que genera electricidad y que está conectado a la red pública . Un sistema fotovoltaico conectado a la red consta de paneles solares , uno o varios inversores , una unidad de acondicionamiento de energía y equipos de conexión a la red. Van desde pequeños sistemas de tejado residenciales y comerciales hasta grandes estaciones de energía solar a escala de servicios públicos . Cuando las condiciones son adecuadas, el sistema fotovoltaico conectado a la red suministra el exceso de energía, más allá del consumo de la carga conectada, a la red pública . [151]
Los sistemas de tejado residenciales conectados a la red con una capacidad de más de 10 kilovatios pueden satisfacer la carga de la mayoría de los consumidores. [152] Pueden alimentar el exceso de energía a la red, donde otros usuarios la consumen. La retroalimentación se realiza a través de un medidor para monitorear la energía transferida. La potencia fotovoltaica puede ser inferior al consumo medio, en cuyo caso el consumidor seguirá comprando energía de la red, pero en una cantidad menor que antes. Si la potencia fotovoltaica supera sustancialmente el consumo medio, la energía producida por los paneles superará con creces la demanda. En este caso, el exceso de energía puede generar ingresos vendiéndolo a la red. Dependiendo de su acuerdo con la empresa de energía de su red local, el consumidor sólo debe pagar el costo de la electricidad consumida menos el valor de la electricidad generada. Este será un número negativo si se genera más electricidad de la que se consume. [153] Además, en algunos casos, el operador de la red paga incentivos en efectivo al consumidor.
La conexión del sistema de energía fotovoltaica sólo se puede realizar mediante un acuerdo de interconexión entre el consumidor y la empresa de servicios públicos. El acuerdo detalla las distintas normas de seguridad que se seguirán durante la conexión. [154]
La energía eléctrica de los paneles fotovoltaicos debe convertirse en corriente alterna mediante un inversor de energía especial si está destinada a ser entregada a una red eléctrica. El inversor se encuentra entre el panel solar y la red, y puede ser una unidad independiente grande o puede ser un conjunto de pequeños inversores conectados a paneles solares individuales como un módulo de CA. El inversor debe monitorear el voltaje, la forma de onda y la frecuencia de la red. El inversor debe detectar un fallo en el suministro de la red y, luego, no debe suministrar energía a la red. Un inversor conectado a una línea eléctrica que funciona mal se desconectará automáticamente de acuerdo con las reglas de seguridad, que varían según la jurisdicción. La ubicación de la corriente de falla juega un papel crucial a la hora de decidir si el mecanismo de protección del inversor se activará, especialmente en redes de suministro eléctrico de baja y media potencia. Un sistema de protección debe garantizar el correcto funcionamiento ante fallos externos al inversor en la red de suministro. El inversor especial también debe diseñarse para sincronizar su frecuencia de CA con la red, para garantizar la correcta integración del flujo de potencia del inversor en la red según la forma de onda.
El aislamiento es la condición en la que un generador distribuido continúa alimentando una ubicación aunque la energía de la red eléctrica ya no esté presente. La instalación en islas puede ser peligrosa para los trabajadores de servicios públicos, quienes pueden no darse cuenta de que un circuito todavía está encendido, aunque no haya energía de la red eléctrica . Por esa razón, los generadores distribuidos deben detectar el aislamiento y dejar de producir energía inmediatamente; [ cita necesaria ] esto se conoce como anti-isla.
En caso de un apagón en un sistema fotovoltaico conectado a la red, los paneles solares seguirán suministrando energía mientras brille el sol. En este caso, la línea de suministro se convierte en una "isla" con energía rodeada por un "mar" de líneas sin energía. Por esta razón, los inversores solares que están diseñados para suministrar energía a la red generalmente deben tener un circuito automático anti-isla. En el modo isla intencional, el generador se desconecta de la red y obliga al generador distribuido a alimentar el circuito local. Esto se utiliza a menudo como sistema de respaldo de energía para edificios que normalmente venden su energía a la red.
Hay dos tipos de técnicas de control anti-isla:
{{cite web}}: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link). Sitio web de la isla Pellworm (en alemán){{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite web}}: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link). Agencia Internacional de Energía (2001)
{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )