ENERGIA FOTOVOLTAICA

ENERGIA FOTOVOLTAICA
El sol, única fuente de energía externa de la tierra, es capaz de entregar diariamente
12.000 veces mas energía de la
que la tierra necesita. Sin embargo,
a pesar de lo exorbitante de las
cifras,
presenta
algunas
características
especiales
que
hacen que esa disponibilidad, no
sea tan fácil de aprovechar en
forma directa. 12.700 Km de
diámetro de la superficie terrestre
significan, proyectadas como disco
receptor, 1,27.1014 m2 los cuales
multiplicados por 1,38 Kw/m2, la
llamada constante solar nos dan
los 4,20 .10 9 Gigawatioshora /día
que significan las 12.500 veces mas energía que lo que la tierra usa. No obstante eso,
si quisiéramos proceder a la utilización nos encontraríamos que, merced a la rotación
de la tierra, esa energía es constante respecto del planeta pero intermitente respecto de
un punto fijo definido en la superficie terrestre, es decir intermitente, noche y día.
Otro inconveniente es que es despareja respecto a la latitud y la hora del día. Al
mediodía y frente al ecuador, cuando la
radiación da perpendicular a la superficie, se
puede decir que la energía que alcanza el
suelo terrestre es alrededor de 1 Kw/m2. Vale
decir que en ese caso particular, la
disponible seria equivalente a la necesaria
para tener encendidas 10 lámparas de 100
watios, lo cual habla de la importancia de los
valores. Sin embargo ese es un análisis muy
superficial de la cuestión. Indudable que el
sol pone a nuestra disposición 1Kw/m2.
Pero..., ¿realmente existe el dispositivo o
mecanismo artificial que sea capaz de
transformar esa radiación en electricidad
para alimentar las lámparas?
Si la
pretensión es la conversión directa estamos
hablando de las pantallas fotovoltaicas,
que es el medio conocido para ese proceso.
El primer y mas importante paso es
hablar del rendimiento de conversión. Solo
10 al 12 % de los 1000 watios es posible
transformar en electricidad. Si estamos fuera
del ecuador y son las 6 de la tarde o la
mañana, esos 100 a 120 teóricos pueden
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transformarse en 10 a 12, o simplemente cero durante toda la noche, cuando mas
necesitamos de iluminación y/o calor. Esto es necesario compensarlo con un sistema
de acumulación, capaz de permitirnos la utilización en los momentos que falta. Pues
bien; acumular esa reserva significa acudir a otro proceso de transformación que
nuevamente nos llevará entre un 40 a 50 % de esa radiación convertida en electricidad.
Electricidad a química por medio de baterías rinde entre un 70 a 75 % y el proceso
inverso otro tanto de tal manera que el rendimiento total es del 50 a 56 %. En definitiva,
de los 1000 watios en el ecuador y al mediodía, nos quedaran con suerte, sin nubes y
con un cielo diáfano, no mas de 50 watios equivalentes para la iluminación nocturna.
Esto es utilización, a diferencia de la disponibilidad. Recuérdese que habíamos
soñado con 10 lámparas de 100 y resulta que arribamos a una de 50 y solo en el
ecuador y al mediodía. Pero vivo en Necochea y estoy en el invierno, cuando los días
duran 10 horas y las noches 14... Bueno entonces cambiemos el razonamiento. En
lugar de hablar de potencia de la radiación, hablemos de energía. Consideremos que
pasa al cabo de un día, una semana, o un mes. Hablar de tiempo significa hablar de
energía, o potencia por tiempo. Cada punto del globo terrestre ha sido medido, y se
pueden obtener los datos correspondientes. ASADES (Asociación Argentina de Energía
Solar) dispone de los mismos y en una tabla adjunta hemos resumido los mas
destacados. Necochea invierno 1,88 y verano 6,5. Dado que es imposible acumular por
seis meses resulta obvio que para nuestros cálculos deberíamos tomar, salvo
excepciones que comentaremos, la radiación correspondiente al invierno, es decir 1,88
Kwhora/m2 día, radiación disponible. La utilizable será, de acuerdo a lo ya visto, 5 a 6
% de ella, o sea 90 a 110 watioshora/m2dia. Respecto del consumo, nos servirá solo
para poder alimentar durante una hora la lámpara de 100 watios.
Hablemos ahora de economía. Cada m2 de pantallas fotovoltaicas cuesta entre 800
a 1000 u$s. El sistema necesariamente debe incluir la acumulación y el control, como
mínimo. Si se desean 220 voltios hay que agregar un conversor. Estos elementos son
comunes a cualquier otro sistema. Basándonos en estos datos la inversión por cada
Kwatiohora /día será alrededor de 8000 a 10.000 u$s, pero producir ese Kwhora cuesta
por medio de combustibles fósiles, 300 gramos de gasoil o gas licuado, 0,10 u$s/
Kwhora. El interés mensual de los 8 a 10000 nos da alrededor de 80 a 100u$s
mensuales, lo que significan 3 u$s por kwhora frente a los 0,10 del gasto de
combustible y la inversión de un grupo diesel cargador es despreciable frente al
equivalente en pantallas. ¡No parece buen negocio!.
¿Cuál es entonces la solución del problema?
Consiste simplemente en elegir dentro de las
etapas de conversión natural de la radiación solar, la
que mejor condiciones nos preste en lo que se refiere
a concentración y recolección de esa energía. Por
ejemplo, el sol es el causante del viento, a su vez el
viento es causante de las olas del mar. El sol provoca
las lluvias, nieve y estos a su vez los ríos. Cada etapa
significa una posibilidad concreta. La que menos
inversiones requiera en mecanismos artificiales será
la mas adecuada. Lamentablemente la radiación solar
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directa no presenta posibilidades naturales de concentración como tal. Por ejemplo, las
mareas multiplican su valor normal como
consecuencia de accidentes costeros y además
la topografía ofrece diques naturales imposibles
de ser justificados económicamente como
dispositivos artificiales. Los ríos son el ejemplo
típico de concentración de la energía del agua de
lluvia ( ver *densidad energética hídrica y el
océano y la montaña). 97 % de la electricidad
proveniente de recursos renovables pertenece a
la hidroelectricidad.
Hay casos, no obstante, en que es imposible
otros medios para suministrar energía. El mejor
ejemplo, absolutamente inobjetable, son los satélites. Ninguna otra alternativa se
presenta tan favorable. Los Combustibles radioactivos tienen un millón de veces mas
energía que los fósiles pero los mecanismos de conversión son de peligroso manipuleo
y mucho mas pesados. Generar electricidad en lugares adonde no puede llegar el ser
humano para suministrar combustibles y atender las máquinas conversoras, y además
la naturaleza no ofrece otras alternativas como el viento, olas, ríos, etc., es un tema que
solo se soluciona con fotovoltaica.
Cuando la energía necesaria es insignificante tampoco tiene competencia.
Cargadores de baterías de teléfonos o electrificadores de alambrados son aplicaciones
típicas e indiscutibles; pero de allí a pretender solucionar el problema del
abastecimiento autónomo de usuarios apartados de las líneas de servicio publico, hay
una distancia tan considerable que no admite comentarios. En una publicación
“especializada” he tenido oportunidad de leer el siguiente comentario: “La cantidad de
energía solar incidente en nuestro territorio es de 483 watios por metro cuadrado
promedio anual. Esta energía nos dará, a lo largo del país, una potencia de
1.340.000.000 Megawatios. Para tener una idea de la magnitud de esta cifra, basta
decir que El Chocón posee una potencia de 1000 Megawatios” (Pag 40- Revista
Energía Solar , Nº 5). Con idéntico criterio se podría decir que aprovechando la energía
de las olas (73 % de la superficie de la tierra cubierta por los océanos), con olas de solo
un metro de altura se podría obtener una energía superior a las 150 millones de veces
la producida por el Chocon en el mismo tiempo. Hacer cálculos superficiales sin mirar la
realidad resulta poco menos que absurdo. Cada dispositivo conversor en su campo. Las
unidades utilizadas hablan por si solas: las turbinas hidroelectricas se miden en
Megawatios, los aerogeneradores en Kilowatios y las pantallas fotovoltaicas en
watios. Así de simple: de un campo al otro 1000 veces de diferencia .
Después de esta aclaración, con la cual solo se pretende evitar confusiones y
expectativas desmedidas, así como excesivos gastos de inversión injustificables
económicamente, entremos de lleno en el cálculo de un sistema de generación
fotovoltaica.
Como primera medida debemos definir cual es el destino de la electricidad
pretendida. Ocurre que en la mayoría de las aplicaciones es necesaria mayor energía
cuando menor es la que la naturaleza es capaz de ofrecernos. Durante el verano, con
14 horas de luz diurna y el sol en su máxima posición azimutal, la energía radiante es
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casi 4 veces la correspondiente al invierno, durante el cual las 14 horas son nocturnas,
no solo restando capacidad de generación sino además sumando necesidad de
consumo, con lo cual el fenómeno es concurrente, multiplicador de efectos. Para paliar
el problema de la intermitencia de un fenómeno, la solución es la acumulación. Sin
embargo es imposible acumular para morigerar una intermitencia con un periodo de
seis meses, razón por la cual debemos tomar como energía radiante necesaria la
correspondiente al invierno, a menos que pretendamos usar la radiación para aire
acondicionado o refrigeración, en cuyo
caso la necesidad coincide con la
disponibilidad.
Es el mismo caso que aprovechar la
energía eólica para riego: a mayor viento
mayor evaporación de la humedad del
suelo, coincidente con la mayor energía
disponible.
Como primer paso, entonces debemos
obtener el dato de la radiación solar
invernal del lugar en cuestión, el cual se da como energía diaria en calorías por metro
cuadrado y por día o también en Kwhora por metro cuadrado día. Se recuerda que 860
calorías es equivalente a 1Kwhora.
Utilizaremos un ejemplo concreto a los fines del cálculo, siguiendo paso a paso las
etapas. Se trata de un cliente rural sin suministro de energía interesado en instalar un
sistema de alarmas contra robo, dotado de los consumos que a continuación se
detallan:
a) Panel de alarma y teclado de control con un consumo de 14 watioshora/día
b) 2 sensores infrarrojos de bajo consumo 3 watioshora c/u, total 6 watioshora/día
c) La bocina de alarma consume 30 watios y la señal luminosa intermitente 20
watios (en actividad)
_El tablero y los sensores infrarrojos consumen 20 watioshora por día. Ahora bien,
como el rendimiento de las baterías es del 50 %, las pantallas fotovoltaicas deberán
proveer el doble, o sea 40 watios hora al día.
_Es necesario prever que autonomía tendrá el equipo cuando toquen días nublados. La
batería típica tiene una capacidad de 7 A/hora lo que da 7A x 12,5V = 87 watioshora
acumulados, esto nos da una autonomía de 4 días aproximadamente. En actividad
alcanzaría para alimentar la bocina y la luz de alarma durante un poco mas de una
hora.
Cálculo de la pantalla: La mejor forma de comenzar es utilizar los datos de radiación
solar en la zona donde se ha de instalar la pantalla. En este caso Necochea tiene una
radiación solar invernal de 1.8 Kw hora/m2. Si necesitamos una energía de 40
watioshora, calcularemos la superficie que debemos cubrir con células fotovoltaicas.
Utilizaremos la siguiente formula:
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ES x S x p = E
Donde:
ES : Energía solar diaria por unidad de superficie [ 1800 watios-hora/m2 por día ]
S : Superficie expuesta a la radiación [ m2 ], es nuestra incógnita.
p : Rendimiento de la pantalla fotovoltaica, ronda alrededor del 10%
E : Energía eléctrica requerida [ 40 watios-hora por día ]
Despejamos nuestra incógnita que es la superficie a exponer
S = E / ES x p, remplazando los valores : S = 0,22 m2
Ahora buscaremos una pantalla que tenga dicha superficie y en realidad es necesario
tomar un margen por dos motivos:
_En primer lugar una pantalla cuyas dimensiones son x m2, tiene espacios que no
son ocupadas por las celdas, por ejemplo los bordes y las separaciones entre los
distintos bloques de celdas que forman el panel, estas zonas no aportan energía al
sistema.
_ En segundo termino aunque coloquemos una pantalla cuya superficie útil sea los
0,22m2 calculados, generará lo que el sistema necesita por día, pero en el caso de
un día nublado la energía perdida de la batería ese día no será recuperada y este
efecto es acumulativo. Por lo tanto con cada día nublado acumulado, la batería
sufrirá una descarga que nunca será recuperada y al cabo de un tiempo nos
quedaremos sin energía.
Tomamos un catalogo de Siemens y analizamos dos modelos factibles a utilizar:
MODELO
Características
Potencia máxima (w)
Longitud (mm)
Ancho (mm)
SM20
SP36
20w
567mm
328mm
36w
633mm
527mm
La superficie de la SM20 es de 0,18 m2, y la SP36
es de 0,33 m2. Vemos que la SP 36 tiene un 50%
mas superficie que los 0.22 necesarios, por lo
tanto cubre la necesidad requerida y nos da un
margen del 50% para compensar los fenómenos
ya explicados.
Calculamos ahora la energía que nos dará la
SP36 con una radiación de 1,8 kwh/m2 y nos da
por resultado 59 watios hora/día. Por supuesto
que en verano la energía será muy superior ( 213
watioshora/ día), pero debemos basarnos en los datos invernales para un correcto
dimensionamiento del equipo.
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Normalmente la información que se brinda para el diseño de un equipo fotovoltaico es
muy general y la forma de hacerlo es mediante un mapa dividido en zonas de diferente
radiación. A cada zona se le asigna un color y cada color tiene un índice llamado factor
de area. Afectando la potencia pico de una pantalla por ese coeficiente, se obtiene un
promedio de generación energética anual, pero hay que afectarlo por otro coeficiente
mucho mas realista que represente cuanto baja esa generación en invierno y cuento
aumenta en verano.
En nuestro ejemplo:
Según el mapa, Necochea se encuentra en la zona amarilla y el factor
de area es 3, por lo tanto la energía de la pantalla SP36 será:
E = Potencia pico x Factor de área = 36 W x 3 = 108 Watioshora
por día
Pero es un promedio anual y a nosotros nos interesa en invierno. Conociendo los
extremos de radiación 6,5 y 1,8 sacamos el promedio y nos da : 4,15. Ahora calculamos
cuanto nos apartamos del promedio en los extremos y resulta 44% menor en invierno y
56% mayor en verano. Con estos coeficientes
obtenemos:
Invierno: 108 x 0,44 = 47,5 Wh/día
Verano: 108 x 1,56 = 168 Wh/día
Este cálculo es hecho en base a un mapa muy
general. Hay otro mapa específico de Argentina
donde se aplica un criterio similar en cuanto a las
distintas regiones y a la asignación de un color
que la represente.
Ordenados de la A a la G en forma creciente con
la cantidad de energía disponible y en base a la
cual el fabricante realiza una tabla, para los
distintos modelos de pantalla, en la cual figura:
_Generación promedio anual en Watt – Hora /día
_Variación respecto de invierno-verano
_Angulo de inclinación en grados( Necochea 600 )
Como se dijo previamente esto métodos gráficos
son muy
aproximados, nosotros sugerimos
obtener los datos concretos de cada lugar
particular y realizar los cálculos como en el
ejemplo visto
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