ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA Introducción La tecnología fotovoltaica (FV) convierte la luz del sol directamente en electricidad. Fue observada por primera vez en 1839 por el científico francés Becquerel, quién detectó que cuando la luz era dirigida sobre un lado de una única celda de una batería, podía incrementarse la corriente generada. A finales de la década de los 50, el programa espacial supuso el motor para el desarrollo de las células solares de silicona cristalina; Los primeros módulos comerciales producidos para aplicaciones terrestres empezaron en 1953 con la introducción de plantas automatizadas de producción de FV. Hoy en día, los sistemas FV tienen una gran importancia en áreas alejadas de la red eléctrica dónde suministran electricidad para bombeo de agua, iluminación, refrigeración de vacunas, verjas electrificadas para ganado, telecomunicaciones y otras muchas aplicaciones. No obstante, debido a la demanda global de reducir las emisiones de dióxido de carbono, la tecnología FV está también ganando popularidad como una fuente principal para generación de electricidad. Figura 1: Panel fotovoltaico usado para iluminación solar en una población rural en Nepal. Foto de: Practical Action. Actualmente, hay varios millones de sistemas solares FV en uso alrededor del mundo, con una capacidad instalada de más de 6.6GW globalmente (2006), aunque este número es todavía una proporción muy pequeña del vasto potencial que existe para FV con fuente de energía. Los módulos fotovoltaicos suponen una fuente de electricidad independiente y segura en el punto de uso, lo que la hace particularmente adecuada para ubicaciones remotas. No obstante, la energía solar FV es cada día más utilizada en hogares y oficinas para suministro eléctrico como sustituto o complemento de la red eléctrica, con frecuencia en la forma de tejas solares FV. La luz del día es gratis, pero el coste de equipamiento puede necesitar varios años para ser amortizado. No obstante, en áreas remotas dónde la conexión a la rede de suministro es cara, FV puede ser la fuente energética económicamente más eficiente. El uso de la energía solar fotovoltaica en p aíses en desarrollo La mayoría de los países en desarrollo se encuentran en la zona tropical y por lo tanto disponen de una amplia fuente de radiación solar (energía total recibida del sol por unidad de superficie). Las regiones tropicales también se benefician de tener una pequeña variación Practical Action, The Schumacher Centre for Technology and Development, Bourton on Dunsmore, Rugby, Warwickshire, CV23 9QZ, UK T +44 (0)1926 634400 | F +44 (0)1926 634401 | E infoserv@practicalaction.org.uk | W www.practicalaction.org ______________________________________________________________________________________________ Practical Action is a registered charity and company limited by guarantee. 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En Filipinas, Sun Power dobló su capacidad de producción en 2004. En Tailandia, Solartron PLC, dedicado al montaje de células solares – módulos, anunció planes para desarrollar la primera instalación de fabricación de células solares comerciales del país, con una capacidad anual de producción de 20 MW a partir del 2007. La aplicación dominante de FV en países en desarrollo es el sistema solar para hogares (SHS). Este incluye la instalación de sistemas FV de 30 a 50 watios pico (Wp), que cuestan unos 300$ a 500$ (USD) cada uno, en hogares individuales, principalmente en áreas rurales. A parte de SHS, otras aplicaciones de FV en países en desarrollo incluyen 1) equipos de telecomunicaciones remotos accionadas mediante energía solar FV; 2) refrigeradores de clínicas de salud rurales; 3) bombeo de agua rural; 4) linternas solares y 5) programas de baterías de carga FV, que permite a los residentes en áreas rurales comprar o alquilar baterías para el suministro eléctrico de sus hogares y luego recargarlas en estaciones de carga fotovoltaicas. Ha habido algunos intentos de establecer redes de suministro eléctrico de energía solar FV en poblaciones de países en desarrollo, como por ejemplo en Sagar “La isla solar” en la costa India (ver más adelante). El Coste de la energía solar FV El coste ha sido la principal barrera para la extensión de la tecnología FV. Desde 1976, los costes han bajado un 20% cada año doblando la capacidad FV instalada, o un 5% /año. Los precios de los módulos han caído desde los 30$/Wp en 1975 a cerca de los 3$/Wp de hoy en día. Los costes subieron ligeramente en 2004 debido a la gran demanda (que superó a la oferta) y al incremento del coste de la silicona. Todavía existe la expectativa de que el coste continuará disminuyendo a medida que la producción en masa incrementa y la tecnología evoluciona. Nota: El coste de los módulos FV normalmente se muestra en términos de watios pico(Wp), que es el grado de potencia del panel en condiciones óptimas, lo cual es a 1kw/m2 radiación a 25 oC. Aspectos técnicos La naturaleza y disponibilidad de la radiación solar se describe en el informe técnico “Energía Solar Térmica”. Cuando la energía solar llega necesita ser capturada y esto puede hacer usando paneles fotovoltaicos. Celdas, módulos y colectores fotovoltaic os Cuando la luz incide sobre la superficie active, los electrones de la celda se carga energéticamente en proporción a la intensidad y distribución espectral (distribución de la longitud de onda) de la luz. Cuando su nivel de energía supera un cierto punto, se establece una diferencia de potencial a través de la celda. Y entonces la celda es capaz de conducir una corriente eléctrica a través de una carga externa. Todos los dispositivos FV comerciales usan silicona como material base, principalmente como celdas mono-cristalinas o poli-cristalinas, pero más recientemente también en su forma 2 Energía solar fotovoltaica Practical Action amorfa. Otros materiales como el diseleniuro de cobre e indio y el teluro de cadmio se están investigando con el objetivo de reducir costes y aumentar la eficiencia. Una celda de silicona mono-cristalina está hecha a partir de una fina oblea de cristal de silicona de gran pureza, dopado con una pequeña cantidad de boro. Se difunde fósforo en la superficie activa de la oblea. En la parte frontal el contacto eléctrico se hace mediante una rejilla metálica, mientras que en la parte posterior el contacto normalmente cubre toda la superficie. Se aplica una capa de material anti-reflexivo a la superficie frontal. El tamaño típico de una celda es de unos 15 cm de diámetro. El proceso de producción de celdas solares eficientes es costoso debido al uso de silicona pura y a la energía consumida, pero conforme la tecnología de materiales mejora, los costes van disminuyendo lentamente, haciendo más atractiva la tecnología fotovoltaica. Los módulos en un colector FV normalmente se conectan primero en serie para obtener el voltaje deseado; Las cadenas individuales son entonces conectadas en paralelo para permitir que el sistema produzca más corriente. Seguidamente se protegen mediante su encapsulación entre vidrio y un fuerte panel trasero metálico, plástico o de fibra de vidrio. El conjunto se junta mediante un marco de acero inoxidable o aluminio para formar un módulo. Estos módulos, normalmente compuestos por unas 30 celdas FV, forman el bloque básico de un colector solar. Los módulos pueden estar conectados en serio o en paralelo para incrementar el voltaje y la intensidad, y así conseguir las características del colector solar que igualarán la carga deseada. Un módulo de tamaño típico tiene 50Wp y produce corriente continua a 12v (ej. para carga de baterías). Los módulos FV comerciales se pueden clasificar en 3 categorías según el tipo de celda solar utilizada. Módulos de celda mono-cristalina. La eficiencia más alta para estas celdas obtenida con estos módulos. es de un 15 – 18%. Las celdas son cortadas de un cristal de silicona mono-cristalino. Módulos de celda poli-cristalinos. El proceso de fabricación de la celda es menos costoso pero la eficiencia de las celdas obtenidas es de sólo un 15%. Una celda policristalina se corta a partir de un lingoto fundido de silicona policristalina y suele tener forma cuadrada. Módulos de silicona amorfa. Estos están hechos a partir de una fina película de silicona amorfa, su eficiencia es mucho menor (10 a 12 %) pero el proceso utiliza menos material. El potencial para la reducción del coste más grande corresponde a este tipo de celdas por lo que en los últimos años se está llevando a cabo mucho trabajo en el desarrollo de la tecnología de silicona amorfa. Al contrario que las celdas mono- y poli-cristalinas, con las de silicona amorfa existe algo de disminución de potencia con el tiempo. Un colector puede ir desde uno o dos paneles con una potencia de 10W o menos, hasta una gran bancada de varios kW o incluso MW. Los colectores más comunes, son los de placa plana fijos e inclinados cierto ángulo hacia el ecuador. El ángulo de inclinación debe ser aproximadamente igual a la latitud de su ubicación. Un ángulo mayor incrementa la potencia en invierno y un ángulo menor lo hace en verano. Debe ser de al menos 10 grados para permitir que la lluvia caiga. Los colectores de seguimiento siguen el camino del sol durante el día y por lo tanto, teóricamente capturan mayor radiación solar. No obstante, el aumento de complejidad y el coste de equipamiento raramente los hace merecer la pena. 3 Energía solar fotovoltaica Practical Action Colectores móviles o portátiles pueden ser útiles si el equipo a operar se requiere en diferentes ubicaciones como por ejemplo puede ocurrir con algunos sistemas de iluminación o pequeños sistemas de bombeo para riego. Sistemas solares fotovoltaicos Mientras que en los países desarrollados ha habido un rápido incremento de sistemas FV conectados a la red eléctrica, en los países en desarrollo la mayoría de los sistemas FV están aislados de la red. Los sistemas aislados pueden usarse para alimentar una carga directamente; el bombeo de agua es un buen ejemplo – el agua se bombea durante las horas de sola y se almacena para su uso; o una batería puede usarse para almacenar energía para usar en iluminación durante la noche. Si se usa un sistema de carga de batería, entonces se necesitará un dispositivo electrónico de control para monitorizar el sistema. Todos los componentes a excepción del panel FV se refieren como componentes de equilibrio del sistema (BOS, del inglés “Balance Of System). La figura más abajo muestra una configuración típica de un sistema FV aislado. Sistemas de este tipo se pueden comprar como kits e instalarse por mano de obra semi-especializada. Para estimar de forma correcta el tamaño del sistema FV, el usuario necesita estimar la demanda del sistema, así como recopilar información sobre la radiación solar en el área (se pueden hacer aproximaciones si no hay datos disponibles). Normalmente se asume que por cada Wp of potencia, el panel debería suministrar 0.85wh de energía por cada kwhm-2 por día de radiación (Hulscher 1994). Por lo tanto, si consideramos un panel de 200Wp y la radiación para nuestra ubicación es 5 kwhm-2 al día (valor típico de regiones tropicales), entonces nuestro sistema producirá 850 Wh al día (esto es 200x0.85x5 = 850). Controlador de carga Batería Colector fotovoltaico Cargo de corriento continua Inversor Carga de corriente alterna Figura 2: Componentes de una instalación FV típica sin conexión a red de suministro eléctrico. (Figura cortesía de Texas State Energy Conservation Office) 4 Energía solar fotovoltaica Practical Action Algunos beneficios de la energía solar FV No se necesita combustible. En áreas remotas el suministro de diésel o queroseno es errático y con frecuencia muy caro. Los costes recurrentes de operación y mantenimiento de los sistemas FV son pequeños. Diseño modular – Un colector solar está compuesto por paneles FV individuales que pueden conectarse para alcanzar una demanda particular. Fiabilidad de los panels FV – Esta ha demostrado ser significativamente mayor que la de los generadores diésel. Fácil de mantener- La operación y las rutinas de mantenimiento necesarias son sencillas. Larga vida útil – con componentes no móviles y todas las superficies delicadas protegidas, se puede esperar que los paneles suministren energía durante 15 años o más. Beneficios económicos nacionales- se reduce la dependencia en combustibles importados, como carbón o petróleo. Benigno para el medio ambiente – No hay polución asociada al uso de los sistemas FV – ni se genera calor o ruido que podría causar incomodidad local. Los sistemas FV conllevan grandes mejoras en el ambiente doméstico cuando reemplazan otras formas de iluminación – lámparas de queroseno, por ejemplo. Aplicaciones FV en países menos desarrollados Rural electrification Iluminación y susministro de potencia para edificaciones aisladas (mezquitas, iglesias, templos, etc., granjas, escuelas, refugios de montaña) – Se recomienda iluminación mediante tubos fluorescentes o mediante LED. suministro eléctrico para poblaciones remotas iluminación de calles sistemas para casas individuales (sistemas solares caseros) carga de baterías mini redes de suministro eléctrico Véase el informe técnico de Practical Action “Iluminación rural”. Bombeo de agua y sistemas de tratamiento bombeo de agua potable bombeo para riego desagüe y drenaje producción de hielo sistemas de desalación de agua salobre purificación de agua Véase el informe técnico de Practical Action bombeo de agua mediante energía solar fotovoltaica Sistemas de cuidado de la salud iluminación en clínicas rurales transmisores UHF entre centros de salud Refrigeración de vacunas congelado de paquetes de hielo para transporte de vacunas esterilización refrigeradores para almacenamiento de sangre FV se usa con frecuencia para suministrar energía para refrigeración de vacunas en centros de saludo aislados. Véase el informe técnico de Practica Action “Refrigeración de vacunas 5
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