Panel solar fotovoltaico

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PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS
DESCRIPCIÓN
Los paneles fotovoltaicos están constituidos por células de materiales
semiconductores que producen energía eléctrica a partir de la radicación solar. Cada
panel solar es un conjunto de módulos fotovoltaicos unidos entre sí mediante una
conexión en serie y/o paralelo (Figura 1). Un módulo fotovoltaico es un conjunto de
células fotovoltaicas unidas entre sí mayoritariamente en serie. Una célula
fotovoltaica es un dispositivo con dos electrodos capaz de generar entre ellos una
fuerza electromotriz por efecto de la radiación solar.
Figura 1. Estructura de los paneles fotovoltaicos (EVE, 2005)
PROPIEDADES Y CARACTERISTICAS
El material predominante para la fabricación de células fotovoltaicas es el silicio
pero también se puede encontrar en el mercado células con otro tipo de materiales
como teluro de cadmio (sus componentes son tóxicos por lo que no tendrán mucho
futuro), seleniuro de cobre e indio, arseniuro de galio, y las denominadas CdS con
cobre. Dependiendo de la estructura interna del silicio pueden distinguirse tres tipos:
o
Silicio monocristalino: Es un buen semiconductor, por lo que es, de los tres, el
que posee una mayor eficiencia. Se fabrican a base de lingotes puros de silicio
(los mismos que los utilizados en la fabricación de chips electrónicos) por lo
que tiene un proceso de fabricación más caro.
o
Silicio policristalino: Su fabricación es más ventajosa en costes ya que se
fabrican a partir de la refundición de piezas de silicio monocristalino, pero al
solidificarse el material se forman estructuras de cristal de diversos tamaños,
en cuyos bordes surgen defectos. Estos defectos del cristal causan una menor
eficiencia de las células fotovoltaicas respecto al anterior.
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o
Silicio Amorfo: El silicio amorfo, a diferencia de los anteriores, no tiene
estructura cristalina y se obtiene a partir de la deposición de capas delgadas
sobre vidrio por lo que es más económico que los anteriores. Sin embargo, su
rendimiento es menor que el de las de silicio policristalino.
La fabricación de los módulos fotovoltaicos exige un proceso tecnológico bastante
complicado, puesto que la obtención del silicio requiere altas temperaturas y las
células deben de ir encapsuladas en materiales especiales. A pesar de ello, el
montaje de los módulos e instalación de paneles no tiene una excesiva complicación.
TIPOS DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
1. Módulos de células cristalinas
Las células cristalinas que forman los módulos fotovoltaicos son unas obleas de
10x10cm aproximadamente, que normalmente son montadas y conectadas en el
interior de un marco, con un vidrio en la cara anterior y un material plástico en
la posterior, quedando así protegida y aislada de la intemperie. Esta es la
configuración de la mayor parte de los módulos fotovoltaicos que se encuentran
en el mercado.
También este tipo de células pueden ser encapsuladas de diversas formas para
una mayor integración en edificios. Un ejemplo de ello son los denominados
módulos “vidrio-vidrio”, en los que las células se sitúan entre dos láminas de
vidrio. La ventaja de este tipo de módulos es que permiten el paso de la luz
tamizada entre las células cristalinas, produciendo un “efecto celosía”, lo que
favorece su integración en el edificio y aumenta sus posibilidades de aplicación
(Figura 2).
Figura 2. Ejemplo de utilización de módulos vidrio-vidrio (AAE, 2009)
2. Módulos de capa fina
En este caso se aísla una capa activa fotovoltaica semiconductora, que puede ser
silicio amorfo, teluro de cadmio o seleniuro de cobre e indio, sobre cristal u otro
material de sustrato. Estas células tienen un espesor tan bajo que son
semitransparentes.
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Este tipo de módulo es de uso habitual en instalaciones realizadas en proyectos
de integración arquitectónica, ya que al poderse hacer flexibles suelen ser
adaptables a distintas superficies y su aspecto uniforme resulta estéticamente
muy atractivo.
Al montar las células de capa fina sobre dos capas de vidrio el resultado es un
vidrio semitransparente, de textura visual muy uniforme. Si a esto le unimos la
posibilidad de utilizar células de diferentes colores tenemos un elemento
arquitectónico de gran valor estético.
También las células de capa fina pueden ser encapsuladas en otros tipos de
soporte, incluyendo soportes flexibles. Un ejemplo de este tipo de aplicaciones
es el montaje sobre membranas poliméricas dando como resultado una
membrana impermeabilizante que puede ser utilizada en cubiertas como
elemento de protección además de producir energía eléctrica.
Figura 3. Ejemplo de utilización de módulos de capa fina (AAE, 2009)
Los costes de producción de estas células se pueden reducir enormemente
porque el material semiconductor se aplica en forma pulverizada y no precisa ser
cortado, como en el caso de las tecnologías cristalinas. La eficiencia de las
células de capa fina es, no obstante, muy inferior a la de los tipos de células
cristalinas, a pesar de que tienen buen funcionamiento en condiciones de luz
difusa (días nublados) y a temperaturas elevadas. Así, este tipo de módulo
fotovoltaico es menos adecuado en situaciones en las que la maximización de la
producción eléctrica sea la principal condición a satisfacer.
VENTAJAS E INCONVENIENTES
Las instalaciones solares fotovoltaicas en viviendas aisladas presentan grandes
ventajas:
•
Son silenciosas, limpias y respetuosas con el medio ambiente.
•
Son sistemas sencillos y fáciles de instalar.
•
Requieren un mantenimiento pequeño y tienen gran vida útil.
•
Alta fiabilidad de los módulos fotovoltaicos, larga vida útil y bajos costes de
mantenimiento.
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•
Rendimientos de conversión razonables obtenidos tanto de la radiación difusa
como de la directa.
•
Una vez instalada tiene un coste energético nulo
•
Ingresos adicionales en el caso de las instalaciones conectadas a red.
•
Tecnología en rápido desarrollo que tiende a reducir el coste y aumentar el
rendimiento.
A pesar de las ventajas expuestas, generar electricidad utilizando tecnología
fotovoltaica, es mucho más costoso que la generada con combustibles tradicionales.
Por otro lado, la energía solar es una fuente discontinua; la demanda existente y la
producción de energía no coincide completamente con la disponibilidad de radiación
solar, con lo cual se necesitarán sistemas para la acumulación de la energía.
DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y/O APLICACIÓN
EXIGENCIAS DEL CTE
El CTE, en su Documento Básico HE 5 Contribución fotovoltaica mínima de energía
eléctrica, establece que es obligatorio instalar paneles solares fotovoltaicos en
edificios de nueva construcción o en aquellos que se vayan a rehabilitar. La
instalación de paneles fotovoltaicos es obligatorio en determinados edificios (Ej.
hipermercados, centros de ocio, naves de almacenamiento, pabellones de recintos
feriales…) en los que es necesario incorporar sistemas de captación y transformación
de energía solar por procedimientos fotovoltaicos cuando superen unos límites de
aplicación establecidos.
Los valores derivados de esta exigencia básica tendrán la consideración de mínimos,
sin perjuicio de valores más estrictos que puedan ser establecidos por las
administraciones competentes y que contribuyan a la sostenibilidad, atendiendo a las
características propias de su localización y ámbito territorial.
DISEÑO, MONTAJE Y MANTENIMIENTO
La cantidad de energía que se necesita acumular se calcula en función de las
condiciones climáticas de la zona y el consumo de electricidad. El número de paneles
a instalar debe calcularse teniendo en cuenta:
o La demanda energética en los meses más desfavorables.
o Las condiciones técnicas óptimas de orientación e inclinación, dependiendo
del lugar de la instalación.
Para optimizar el sistema es necesario calcular correctamente la demanda con el fin
de no sobredimensionar la instalación. Conviene utilizar electrodomésticos e
iluminación de bajo consumo, para que de esta manera el sistema sea más
económico.
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Para el cálculo de instalaciones fotovoltaicas, los criterios de diseño son diferentes:
En instalaciones conectadas a red, se intenta maximizar la producción anual,
orientando al sur y con la inclinación más favorable. Para instalaciones aisladas, el
criterio debe ser para que produzca al máximo en el mes más desfavorable
(diciembre, y así el resto del año tendrán como mínimo la energía calculada para el
peor mes, cubriendo siempre las necesidades.
La sección HE5 del CTE establece un dimensionado mínimo (potencia mínima a
instalar) de módulos fotovoltaicos en un edificio atendiendo sus diversas
características. Para calcular esta potencia mínima obligatoria de paneles
fotovoltaicos en edificios, se aplica la expresión 2.1 incluida en el CTE, que depende
de la zona climática donde se ubique, el tipo de uso del edificio, y de la superficie
construida.
Se consideran tres casos posibles de instalación de módulos fotovoltaicos en la
edificación:
a) General: los módulos se instalan en una estructura que les albergue y
proporcione la inclinación y orientación óptimas para el funcionamiento de la
instalación (Figura 4).
Figura 4. Instalación general
(EnerAgen, 2007)
Figura 5. Superposición de módulos
(AAE, 2009)
b) Superposición de módulos: en este tipo de instalación la colocación de los
módulos fotovoltaicos se realiza paralela a la envolvente del edificio. Se debe
instalar una estructura sobre la envolvente del edificio que sustente los
módulos fotovoltaicos. La inclinación y la orientación de los captadores será la
propia de la envolvente del edificio (Figura 5).
c) Integración arquitectónica: la integración solar fotovoltaica en edificios
supone la sustitución de materiales convencionales de construcción por nuevos
elementos arquitectónicos fotovoltaicos que actúen de sistema generador de
electricidad y a la vez de cerramiento del edificio. Generalmente, una
instalación fotovoltaica puede ser adaptada tanto a edificios existentes
(rehabilitaciones) como a edificios de nueva construcción.
A día de hoy existen numerosas posibilidades de integración solar fotovoltaica
en edificios, y hasta el momento se han estado desarrollando unos tipos de
aplicaciones pero, con el tiempo, éstas se irán ampliando según avance la
tecnología fotovoltaica (Figura 6 y 7). Las aplicaciones más comunes de la
integración fotovoltaica en edificios son las siguientes:
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•
Cubiertas: tejas solares, aislantes, etc.
•
Lucernarios
•
Pérgolas
•
Muros cortinas
•
Fachadas de doble piel
•
Revestimientos de fachadas
•
Protección con lamas o voladizos
•
Mobiliario urbano: barandillas de balcones, escaleras, toldos, parasoles y
lamas de sombreado, entre otras.
Figura 6. Paneles fotovoltaicos en
parasoles (AAE, 2009)
Figura 7. Paneles solares en fachada
(AAE, 2009)
Las instalaciones de paneles solares requieren un mantenimiento mínimo, y de
carácter preventivo:
o Hay que asegurarse que ningún obstáculo haga sombra sobre los paneles.
o Hay que mantenerlos limpios, con las caras expuestas al sol.
Se estima que los paneles fotovoltaicos tienen una vida útil superior a 30 años, éstos
nunca dejan de producir electricidad, aunque su rendimiento puede disminuir
ligeramente con el tiempo. Los paneles apenas requieren mantenimiento, basta con
limpiarlos con algún producto no abrasivo cuando se detecte suciedad solidificada.
EJEMPLOS DE APLICACIÓN
Diversos ejemplos de aplicación de integración solar fotovoltaica en distintos tipos de
edificaciones en FENERCOM (2009), AAE (2009), EnerAgen (2007).
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REFERENCIAS TÉCNICAS
Agencia Andaluza de la Energía, AAE (2009) La incorporación de la energía solar al
proyecto arquitectónico. 81 pp.
Asociación de Agencias Españolas de Gestión de la Energía, EnerAgen (2007) Energía
Solar Térmica y Fotovoltaica en el marco del Código Técnico de la Edificación. Guías
EnerAgen. 71 pp.
D.G. de Industria, Energía y Minas, ASIF y Cámara Oficial de Comercio e Industria de
Madrid (2004) Energía Solar Fotovoltaica en la Comunidad de Madrid. D.G. de
Industria, Energía y Minas, Comunidad de Madrid. 99 pp.
Fundación de la Energía de la Comunidad de Madrid, FENERCOM (2009) Guía de
integración solar fotovoltaica. Consejería de Economía y Hacienda de la Comunidad
de Madrid. 96 pp.
Fundación MAPFRE y AEDHE Guía de uso industrial y comunitario de Energías
Renovables. 222 pp.
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