Autor: Elvis Hernández
Publicado: Mié 1 de Jul de 2020
Última modificación: Lun 16 de Ene de 2023
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1.- Introducción
Un sistema solar fotovoltaico es una planta generadora de electricidad. Como todo sistema generador de potencia eléctrica, debe manejarse con sumo cuidado y con las precauciones básicas de seguridad. El sistema solar fotovoltaico genera electricidad cuando éste es iluminado directamente por la luz solar. La generación de la electricidad se basa en un fenómeno físico denominado Efecto Fotovoltaico, de allí deriva su nombre de sistema solar fotovoltaico.
Hoy día existen muchas configuraciones de sistemas solares fotovoltaicos. Con el progreso de la tecnología, y en busca de reducir los costos de instalación de estos sistemas, la tendencia actual es hacia los sistemas interconectados con la red eléctrica principal. Las razones por las que los sistemas interconectadas a la red eléctrica son preferidos, desde el punto de vista técnico, es que en principio no requieren de un sistema de acumulación o almacenamiento de energía. Los acumuladores o baterías son costosos, e incorporan un nivel mayor de riesgo para los usuarios de estas tecnologías. La otra ventaja de los sistemas conectados a la red es que, la energía que se produce en exceso puede ser liberada a la red eléctrica principal, y el consumidor se transforma de esta manera, por breves períodos de tiempo, en productor de energía comunitario. Sin embargo, no en todos los lugares es posible hacer este tipo de instalaciones, porque requieren de condiciones técnicas y legales muy específicas para poder ser instalados. Las ventajas y desventajas de los sistemas conectados a la red eléctrica principal son exhaustivas, y quedan para ser discutidas y analizadas en otras publicación.
Por ahora, nos vamos a centrar en los sistemas solares fotovoltaicos desconectados de la red principal, porque su mayor atractivo es que en la mayoría de los países no se requiere de permisos, acondicionamientos previos o legislaciones especiales para que puedan ser instalado por cualquier persona. Así que este artículo trata sobre los componentes de un sistema solar fotovoltaico desconectado de la red eléctrica principal, o como se denomina en inglés, un sistema off-grid.
Los sistemas solares fotovoltaicos off-grid son mis preferidos, ya que son los sistemas que si pueden llegar a hacer un aporte real en la disminución de los consumos de energía y de la reducción de las emisiones de dióxido de carbono a nivel mundial. Por el contrario, los sistemas conectados a la red, tienden por lo general a incrementar el consumo de energía, y hasta cierto punto perjudican los planes de ahorro energético y del uso eficiente de la energía.
2.- Componentes de un sistema solar fotovoltaico off-grid
Todo sistema solar fotovoltaico desconectado de la red está formado por cuatro componentes básicos que son:
- Componente de generación de potencia eléctrica
- Componente de acumulación de energía
- Componente de acondicionamiento de la electricidad
- Componente de distribución de la electricidad
Esta es una división lógica que se utiliza en todos los sistemas solares fotovoltaicos desconectados de la red eléctrica. En la Figura 1 se muestran cada uno de los diferentes componentes, representados por los equipos que se requieren para formar dicho componente. El componente de generación de potencia eléctrica está representado por los paneles solares fotovoltaicos (1). El componente de acumulación de energía lo forman el controlador de carga y el banco de acumuladores (2 y 3). El componente de acondicionamiento de la electricidad está formado por el inversor (4), y el componente de distribución, está representado por el tablero de distribución eléctrica (5) y los diferentes electrodomésticos que utilizan la energía.
2.1.- Componente de generación de potencia eléctrica
Los paneles solares fotovoltaicos son sin lugar a dudas, el centro de todo el sistema de generación eléctrica. Realmente, para cualquier caso práctico no importa mucho que tipo de panel solar estemos utilizando en nuestro sistema. Existen muchas tecnologías de paneles solares fotovoltaicos, tales como monocristalino, policristalino, de películas delgadas, de arseniuro de galio, de silicio, de diseleniuro de cobre e indio, entre muchísimos otros. Pero al final, lo único que importa al momento de adquirir cualquier panel solar es su costo. El costo de un panel solar se mide en dólares por vatio pico de potencia producida ($/W). El vatio pico se refiere a la potencia máxima que puede generar dicho panel en el momento en que está completamente iluminado por el sol con una irradiación equivalente a la de su espectro AM de calibración.
La selección de los paneles solares se hace sólo en base a sus costos, porque toda la tecnología de las celdas solares fotovoltaicas ha podido progresar comercialmente gracias a la reducción continua de sus precios en comparación con otras fuentes de energía. Los principales contendores son evidentemente los combustibles fósiles; representados por el carbón y el petróleo, que dominan en casi todos los escenarios de producción de energía, y muy probablemente lo seguirán haciendo en las próximas décadas. Los paneles solares son excelentes dispositivos para generar electricidad de manera local, con un impacto ambiental relativamente bajo, en comparación con los combustibles fósiles. Sin embargo, la tecnología de paneles solares no es capaz de producir la cantidad de energía necesaria para cubrir la demanda tan intensiva del mundo industrializado actual. Pero, si es capaz de producir energía para aplicaciones domésticas y comerciales, donde no se requieren esos consumos tan intensivos.
Así, hoy día podemos pensar en instalar paneles solares en nuestras casas u oficinas gracias al hecho de que los costos de generación de la energía por este medio, ya son comparables con los costos de la energía producida a través de los combustibles fósiles. Y por ello, uno de los parámetros fundamentales es simplemente cuántos dólares me cuesta un vatio de potencia generada por el panel solar de la marca X. Muchas personas tienden a enredarse en los tecnicismos de si un panel solar es más eficiente que otro, o que es mucho más ligero que los demás, u otras especificaciones, que por lo general son simplemente herramientas de mercadeo por parte de fabricantes y vendedores. Por ejemplo, si un fabricante tiene un panel solar que es el más eficiente de todos los que existen, y le vende un panel solar de 300 vatios en digamos, 600 dólares, entonces el costo es de $2 por vatio de potencia generada. Ahora, si alguien le ofrece un panel solar de 300 vatios en 500 dólares, pero de una tecnología menos eficiente, pues usted debería compralo; ya que probablemente la única diferencia es en el tamaño del panel solar. Un panel solar menos eficiente va a requerir mayor área de exposición a la luz solar para producir la misma cantidad de energía que produce un panel mucho más eficiente.
Por supuesto, esto no es tan simple como elegir el panel solar más baratos de todos, solo tomando en cuenta la potencia que va a generar el panel. El costo final de generación de electricidad no sólo está representado por el costo en W/$ del panel, sino que existen otros costos a tomar muy en cuenta a la hora de adquirir sus paneles solares. Por ejemplo, la logística relacionada con el peso y dimensiones de los paneles solares puede afectar dramáticamente los costos de envío y tranporte. Si usted está pagando el envío por medidas o peso, tal vez resulte más económico al final comprar los paneles solares más eficientes porque pesan menos y son más pequeños. Otro factor importante, tiene que ver con las estructuras a utilizar, entre muchos otros factores que dependen de las especificidades de cada caso. Pero, lo importante a entender es que el costo de un panel solar en W/$, se refiere al costo final, cuando ya está instalado y funcionando. Esos son las cálculos que debe hacer cuando está adquiriendo sus paneles solares.
2.2.- Componente de acumulación
Los acumuladores son los encargados de almacenar la energía que produce un panel o arreglo de paneles solares fotovoltaicos. Y es que hay un dificultad. Los paneles solares producen electricidad del tipo directa, o corriente DC. La corriente que normalmente utilizamos en nuestras casas es del tipo AC, o corriente alterna. La corriente alterna de nuestros hogares, dependiendo de la zona geográfica o país donde vivamos, es de 120 voltios (120VAC) o 220 voltios (220VAC), con frecuencias que pueden ser de 50 o 60 Hz (hertz). Por eso requiere de un acondicionamiento de la electricidad para poder usar esa energía, y eso lo veremos en detalles más adelante en el componente de acondicionamiento.
Si conectamos un panel solar directamente a un equipo, sin ningún tipo de acumulador de por medio, es muy probable que dicho equipo no funcione. Y eso depende de la potencia que genera nuestro panel y de la potencia que consume el equipo que se conecte en el momento. Por ejemplo, si queremos alimentar directamente un taladro eléctrico que consume 300 Wh y es de corriente DC (lo que significa que puede ser conectado directamente sin ningún otro aditamento), a un panel solar que produce 200 W, ese taladro no arrancará porque no hay potencia suficiente para moverlo. Y usted se preguntará, entonces ¿Un panel de 200 W no puede mover un simple taladro? Y la respuesta es, si puede, pero necesita un acumulador. Este tipo de herramientas, como el taladro, son intensivas en el consumo de energía, y para poder usarlos se requiere de los acumuladores o baterías. El sistema funciona de la siguiente manera: El panel solar genera 200 W cuando es iluminado, y esa potencia se utiliza para cargar el acumulador. Como todo sistema físico es imperfecto, de esos 200 W, tal vez la batería o acumulador puede guardar unos 160 Wh por cada hora de iluminación, asumiendo que el proceso tiene un eficiencia de un 80%. Por cada hora de trabajo del panel solar, se guardan unos 160 Wh de energía en la batería o acumulador. Ahora, si usted conecta el taladro a la batería, ese taladro va a funcionar, y de hecho podrá funcionar por cerca de media hora de manera constante, ya que el taladro lo que consume son 300 Wh. Usualmente, uno usa el taladro por unos 5 o 10 minutos, y le sobra energía en los acumuladores para ser usada más tarde o por otros equipos. Puede utilizar un ventilador que consume unos 60 Wh, y este funcionará aproximadamente unas dos horas y media, por cada hora que recibe luz solar nuestro panel.
Para eso es que se utilizan los acumuladores de energía; para poder hacer funcionar equipos que requieren mucha potencia, o para utilizar los equipos cuando ya no hay sol disponible. Pero como vé, los paneles solares producen muy poca potencia, y en comparación con otros equipos generadores de potencia eléctrica, son bastante limitados en sus capacidades. Si comparamos un sistema solar fotovoltaico con un generador de electricidad con base en combustible, vemos como estos últimos son capaces de generar varios kilovatios de potencia con muy poco combustible.
La ventaja de utilizar acumuladores, es que podemos mover virtualmente cualquier equipo eléctrico. Esto es así, porque en principio la energía guardada en los acumuladores puede ser utilizada casi tan rápido como se quiera. Siguiendo con el ejemplo anterior del taladro, en la batería acumulamos unos 160 Wh de energía por cada hora que es iluminado nuestro panel solar de 200 W. Supongamos que en un día cualquiera ese panel logró acumular unos 1000 Wh de energía, que usted ahora decide utilizar. Con esos 1000 Wh usted podría decidir utilizar un acondicionador de aire por 15 minutos; o utilizar una cocina eléctrica que consume unos 3000 Wh por unos 8 minutos; o utilizar un equipo que consume 10 Kwh por unos 10 segundos. Por supuesto, la recomendación siempre será que no utilice su sistema fotovoltaico para alimentar cargas intensivas en consumo; es preferible que utilices esos 1000 Wh para mantener un bombillo led de 9 Wh encendido por unas 100 horas. Por supuesto, la energía que se requiere para mantener un consumo alto no es lineal como he descrito aquí; de hecho, si tienes unos 1000 Wh de energía, y decides encender un bombillo led que consume 9 Wh no se mantendrá encendido las 110 horas que resulta de calcular 1000Wh/9w = 111 horas, sino que funcionará unas 100 horas por las pérdidas asociadas. Pero, si duplicas el consumo por ejemplo al doble al usar dos bombillos led de 9 W, el tiempo que durará tu bombillos funcionando no será la mitad, sino menos de la mitad, tal vez unas 46 horas. A medida que aumentas la intensidad del consumo eléctrico, el tiempo disminuye drásticamente, y solo depende de las características técnicas de tus equipos y acumuladores, si están diseñados para altos o bajos consumos.
2.2.1.- Tipos de acumuladores
Una vez que tenemos una idea clara de porqué necesitamos un banco de acumuladores, la pregunta es: ¿Qué acumulador necesito? Y aquí la cosa se vuelve ruda, de hecho muy ruda. Existen cientos, sino miles de modelos de acumuladores en el mercado, incluso por fabricante. Cada acumulador, con sus especificaciones y particularidades, sirve para un propósito o aplicación casi que específico. Y trataré de explicarlo de la manera más sencilla posible. Los acumuladores o baterías se diseñan para dar un valor de corriente constante, y si se mantienen cargándose y descargándose a ese valor de corriente, entonces su acumulador tendrá una vida útil muy larga y acorde con la que le indica el fabricante. Pero, si nosotros utilizamos un acumulador que está pensado para dar unos 10 amperios por hora (AH), para una aplicación que requiere de unos 1000 AH, aun cuando sea por unos pocos segundos, entonces ese acumulador verá su vida útil drásticamente reducida. Por tanto, uno no puede elegir cualquier acumulador para nuestro sistema solar fotovoltaico, sino que debe elegir el que va a proveer exactamente el valor de corriente que se mantendrá consumiendo el sistema normalmente. Para poder hacer eso, usted tiene que saber que aparatos eléctricos alimentará el sistema, y sobre todo el patrón de consumo que tendrán esos aparatos; y con esa información podremos elegir nuestros acumuladores. De hecho, cuando se diseña un sistema solar fotovoltaico, lo que realmente se hace es determinar cuál es el mejor banco de acumuladores para la aplicación que está diseñando. Los paneles pueden ser casi de cualquier tipo, siempre y cuando produzcan la potencia que se va a requerir en el diseño, pero los acumuladores no, tienen que ser el más acorde para dicha aplicación. Esto es lo que complica el diseño de los sistemas solares fotovoltaicos, al punto de que dos casas vecinas, con las mismas necesidades energéticas, con los mismos electrodomésticos, pero con dos patrones totalmente diferentes de consumo de energía, requerirán de dos sistemas solares fotovoltaicos muy diferentes.
Para complicar aún más las cosas, en el mercado existen múltiples tecnologías de acumuladores que hacen que la selección casi que solo puede ser hecha por expertos en el área. Hay acumuladores automotores, que no deberían ser utilizados en los sistemas solares fotovoltaicos; y acumuladores de ciclo profundo, que son los adecuados para nuestros sistemas. Dentro de los acumuladores de ciclo profundo hay una gran variedad de tipo de acumuladores de acuerdo con su fabricación; el tipo de electrolito que usen; y el tipo de electrodos que usen. Así, existen una variedad increíblemente grande de posibles combinaciones de tipos de fabricación, entre abiertas y selladas, fluídas o de gel, AGM, y con una gran variedad de posibles electrodos. Para entender mejor todo lo relacionado con los acumuladores, te recomiendo leer los artículos de la etiqueta Acumuladores
2.2.2.- Controladores de Carga
Los bancos de acumuladores son la parte neurálgica de nuestro sistema solar fotovoltaico, y representan una buena porción del costo total del sistema. Por ello, es importante que sean elegidos correctamente para nuestra aplicación, y sobre todo se protejan de abusos y malos tratos. Si un acumulador se carga en exceso, se daña; si un acumulador se descarga en exceso, se daña; si un acumulador no se carga o descarga con el valor de corriente indicado por el fabricante, se daña. Casi que si usted mira mucho a sus acumuladores, se dañan. Por ello, uno de los componentes primordiales en todo banco de acumuladores son los controladores de carga. Los controladores de carga, son los encargados de mantener a salvo a nuestros acumuladores de cualquier situación que pueda dañarlos o destruirlos. Aquí es donde usted no debe escatimar esfuerzo ni dinero, para obtener el mejor controlador de carga para su sistema. El controlador de carga es el equivalente a un marcapasos para un ser humano, y si no funciona adecuadamente simplemente muere.
El controlador de carga se elige justo cuando usted conoce las especificaciones de su banco de baterías. Por eso, el componente de acumuladores está formado por las baterías y el controlador; si usted cambia las baterías, muy probablemente necesitará cambiar su controlador de carga. Hoy día, los buenos controladores le permiten adaptarse a una gran variedad de diseños de bancos de baterías, y esto le permite adaptar su sistema fotovoltaico a cambios de patrones de consumo.
Cuando se elige un controlador de carga, los parámetros que se toman en cuenta son el tipo de acumulador que estamos usando; el voltaje de trabajo del banco de acumuladores; y la corriente que generan sus paneles solares fotovoltaicos.
2.3.- Componente de acondicionamiento de la Electricidad
Como hemos visto, el tipo de electricidad que generan los paneles solares fotovoltaicos y los acumuladores es del tipo directa o corriente DC. Es posible utilizar este tipo de corriente de manera directa, pero para ello necesitaríamos que todos nuestros equipos y electrodomésticos utilizaran este tipo de corriente. De hecho, eso sería lo ideal, que una vez que hemos decidido instalar un sistema solar fotovoltaico en nuestro hogar u oficina todos los equipos consumieran corriente DC, porque así nos evitaríamos la etapa de acondicionamiento de la energía, y las pérdidas se reducirían drásticamente, haciendo más eficiente nuestro sistema. Pero, ésto es poco probable que pueda hacerse, y normalmente lo que tenemos que hacer es convertir la corriente DC en corriente AC. Esto se logra con el uso de los inversores.
Los inversores, son los equipos que convierten la corriente DC en corriente AC. Supongamos, que en nuestros hogares necesitamos corriente AC de 120 voltios y 60 Hz de frecuencia. El inversor toma la corriente del banco de acumuladores que tiene un voltaje DC muy específico que puede ser 12 VDC, 24 VDC o 48 VDC; y lo convierte a 120 VAC a 60 Hz. El inversor es el equipo que nos va a limitar o decidir que tipo de electrodomésticos que usan corriente AC podemos o no encender con el sistema solar fotovoltaico. Uno de los parámetros más importantes es la potencia de salida del inversor en vatios (W). Si utilizamos un inversor de 24 VDC 120 VAC y 500 W, pues necesitamos configurar nuestro banco de acumuladores a 24 VDC, y podremos utilizar equipos que no consuman más de 500 W de potencia eléctrica, o que en conjunto el consumo no supere los 500 W.
Los inversores se eligen de tal manera que puedan alimentar la mayor cantidad de equipos, que lógicamente pueden o deben estar funcionando de manera simultánea. Debe entender, que entre mayor es la potencia de salida de su inversor, que en principio le permitiría hacer funcionar casi cualquier equipo electrodoméstico que tenga en su hogar, mucho mayores serán los costos. Por ejemplo, un inversor de unos 3 KW puede estar por el orden de los 3000 dólares, mientras que un inversor de unos 500 W puede costar unos 200 dólares.
Por supuestos, hay muchas tecnologías de inversores. Hay inversores de onda senoidal, de onda senoidal modificada, entre muchos otros, y esto se refiere a que tan parecida es la corriente AC producida por estos aparatos, a la que nos llega por la red eléctrica principal. Algunos equipos requieren de ondas senoidales puras para poder funcionar adecuadamente, mientras que la mayoría de los equipos pueden funcionar con ondas modificadas, cuyos costos suelen ser muchísimo más bajos.
La selección del inversor adecuado para nuestro sistema solar fotovotaico se hace al momento de determinar los patrones de consumo de nuestro hogar u oficina. El criterio más importante es reducir a toda costa el uso intensivo de la energía, y ésto se logra haciendo un diseño inteligente que maximice la energía disponible.
2.4.- Componente de distribución
La distribución se refiere a todos los circuitos eléctricos que deben hacerse o diseñarse para que el sistema fotovoltaico pueda alimentar a todos los electrodomésticos conectados a él. Resulta que las distancias, tipo de cables y ubicaciones son importantes para reducir las pérdidas en nuestro sistema fotovotaico. Es un sin sentido que luego de invertir en la compra de por ejemplo 10 paneles solares, nuestras pérdidas estén por el orden del 20% por una mala distribución. Eso significa, que 2 paneles solares prácticamente se pierden en compensar esas pérdidas. Por ello, los equipos y piezas utilizadas en la distribución de energía, así como los electrodomésticos deber ser de alta eficiencia para sacar el mayor provecho a nuesto sistema solar fotovoltaico.
Por regla general, se debe minimizar todas las distancias donde se está trabajando con corriente DC. Esto es, la distancia entre los paneles solares y el controlador de carga, la distancia entre el controlador de carga y el banco de acumuladores, y la distancia entre el banco de acumuladores y el inversor. Lo ideal es que todos estos sistemas estén a distancias no mayores de uno o dos metros, así de corto. La distancia entre el inversor y los electrodomésticos, ya pueden ser mayores porque la salida del inversor es corriente alterna, y las pérdidas se minimizan con este tipo de corriente.
Los componentes de la distribución son parte esencial de todo buen diseño y depende mucho de las especificidades de cada caso. Los costos de un mal diseño de distribución aumentan considerablemente, y sobre todo aumentan los riesgos a personas y bienes cuando no se hacen siguiendo la normativa técnica básica. Aquí, es donde se requiere de una buena asesoría por parte de un electricista para evitar catástrofes de cualquier tipo.
3.- Entonces, ¿Qué necesito para un sistema solar fotovoltaico?
Para un sistema solar fotovoltaico se necesita:
- Un arreglo de paneles solares fotovoltaicos que produzca al día la energía que tú estimas vas a consumir en promedio.
- Un controlador de carga que trabaje al voltaje de tu banco de acumuladores y que pueda manejar la corriente que producen tus paneles solares fotovoltaicos.
- Un banco de acumuladores con una capacidad en AH acorde con tus patrones de consumo.
- Un inversor que convierta el voltaje DC de trabajo de tus acumuladores en voltaje AC equivalente al de tu red eléctrica normal, y con una potencia de trabajo suficiente para encender todos los equipos que suelen funcionar de manera simultánea.
- Un sistema de distribución eléctrico bien diseñado y pensado para reducir pérdidas y acorde con las normas técnicas, que garanticen seguridad y eficiencia.
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