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Energia solar fotovoltaica: definiciones y principales plantas en España.

Para comprender más sobre la energía solar fotovoltaica, debemos conocer sus definiciones.

El término “fotovoltaica” puede referirse al fenómeno físico (el efecto fotovoltaico descubierto por Alexandre Edmond Becquerel en 1839) o la tecnología asociada.

 La energía solar fotovoltaica es electricidad producida mediante la transformación de parte de la radiación solar mediante una célula fotovoltaica. 

Esquemáticamente, un fotón de luz incidente permite en ciertas circunstancias poner en movimiento un electrón, produciendo así una corriente eléctrica.

Las células fotovoltaicas están hechas con materiales semiconductores producidos principalmente a partir de silicio. 

Estos materiales emiten electrones cuando están sujetos a la acción de la luz. 

Y son expulsados ​​del material y circulan en un circuito cerrado, produciendo electricidad.

Este proceso no requiere ningún ciclo termodinámico intermedio.

Es decir, la radiación se convierte directamente en electricidad sin el uso intermedio de calor (a diferencia de la termodinámica solar).

Principio de funcionamiento de una célula fotovoltaica

Las células fotovoltaicas explotan el efecto fotoeléctrico para producir corriente continua mediante la absorción de la radiación solar. 

Este efecto permite a las células convertir directamente la energía de la luz de los fotones en electricidad.

A través de un material semiconductor que transporta cargas eléctricas.

Una célula fotovoltaica se compone de dos tipos de materiales semiconductores:

*Uno con un exceso de electrones y el otro con una deficiencia de electrones. 

Estas dos partes se denominan respectivamente tipo “dopado” n <y tipo p. 

El dopaje de los cristales de silicio consiste en agregarles otros átomos para mejorar la conductividad del material.

Un átomo de silicio tiene 4 electrones periféricos. 

Una de las capas de la celda está dopada con átomos de fósforo, que a su vez tienen 5 electrones (1 más que el silicio). 

Hablamos de dopaje de tipo n como negativo porque los electrones (de carga negativa) son excedentes. 

La otra capa está dopada con átomos de boro que tienen 3 electrones (1 menos que el silicio). 

Hablamos de dopaje tipo p como positivo debido a la deficiencia de electrones así creada. 

Cuando el primero entra en contacto con el segundo, los electrones en exceso en el material n se difunden en el material p.

 Constitución de una célula fotovoltaica 

Al cruzar la célula fotovoltaica, los fotones arrancan electrones en los átomos de silicio de las dos capas n y p. 

Los electrones liberados se mueven en todas las direcciones. 

Después de abandonar la capa p, los electrones toman prestado un circuito para regresar a la capa n. 

Este desplazamiento de electrones no es otro que la electricidad.

Tecnologías tradicionales

  • Fotovoltaica solar no concentrada

Las tecnologías basadas en silicio representan más del 90% del mercado fotovoltaico mundial.

Y podemos distinguirlas de la siguiente manera:

-Células monocristalinas

Este es el sector histórico de la energía solar fotovoltaica. Las células monocristalinas son la primera generación de fotocélulas. 

Se producen a partir de un bloque de silicio cristalizado en una sola pieza. 

Tienen un buen rendimiento, pero el método de producción es laborioso y costoso. Es la celda de calculadoras y relojes llamada “solar”.

-Células policristalinas Las células policristalinas

Están hechas de un bloque de silicio compuesto de múltiples cristales. 

Tienen un rendimiento menor que las células monocristalinas, pero su costo de producción es menor.

Los avances tecnológicos están permitiendo la producción de células policristalinas de capa fina para ahorrar silicio. 

Estas celdas tienen un espesor del orden de unas pocas micras de espesor.

En los últimos diez años, la eficiencia promedio de un panel fotovoltaico basado en silicio ha aumentado del 12% al 17% según el Instituto alemán Fraunhofer.

Tecnologías prometedoras

  • Fotovoltaica solar concentrada

Los espejos concentran los rayos del sol en una pequeña célula fotovoltaica con alta eficiencia. 

Gracias a esta tecnología de concentración, los materiales semiconductores pueden reemplazarse por sistemas ópticos menos costosos. 

Con la misma potencia, esto permite utilizar 1.000 veces menos material fotovoltaico que en paneles fotovoltaicos con exposición directa.

Se espera que esta tecnología ingrese al mercado en el futuro cercano.

El rendimiento teórico máximo de la conversión fotón-electrón es del orden del 85% (el rendimiento de Carnot es del 95%). 

El rendimiento experimental máximo obtenido con esta tecnología es actualmente del 46%.

-Constituyentes orgánicos (polímeros)

El uso de materiales polímeros tiene como objetivo reemplazar los materiales inorgánicos con semiconductores orgánicos.

Es decir, plásticos, para la fabricación de células fotovoltaicas. Estos son baratos, tienen buenas propiedades de absorción y son fáciles de depositar. 

Su muy bajo costo se acompaña de características particularmente atractivas: más ligeras y menos frágiles, su naturaleza flexible permite obtener materiales flexibles hechos de polímeros orgánicos o silicona e incluso tintas fotovoltaicas.

Con una corta esperanza de vida, actualmente ofrecen solo un poco más del 10% de rendimiento en el laboratorio, pero podrían servir como base para el desarrollo de un sector industrial.

-Células híbridas: térmicas y fotovoltaicas

La eficiencia de las células solares fotovoltaicas disminuye cuando los paneles aumentan de temperatura. 

Algunos centros de investigación tuvieron la idea de recuperar el calor capturado y liberado por la energía solar fotovoltaica para optimizar simultáneamente la eficiencia eléctrica y obtener una fuente de calefacción. 

Desarrollan colectores solares híbridos que combinan energía solar fotovoltaica y térmica.

Retos con energía

Ventajas

  • La energía solar es a escala humana, inagotable y disponible en grandes cantidades. 
  • Además, durante la fase de operación, la producción de electricidad que utiliza paneles fotovoltaicos no es contaminante.
  • El silicio, es un material utilizado en los paneles solares más populares de la actualidad, es muy abundante y no tóxico.
  • Los paneles solares tienen una vida útil de 20 a más de 30 años y son casi completamente reciclables.
  • El modularidad de los paneles es muy importante, es decir, es posible diseñar instalaciones de diversos tamaños en una amplia variedad de entornos. 
  • Por lo tanto, son adecuados para la producción descentralizada de electricidad en sitios aislados.
  • Los paneles fotovoltaicos pueden utilizarse para fines domésticos a pequeña escala (por ejemplo, en techos) o para la producción de energía industrial a gran escala (por ejemplo, granjas).
  • Una célula fotovoltaica tradicional debe operar entre un año y medio y cinco años para compensar la energía utilizada para fabricarla.

 

Limitaciones

  • La tecnología fotovoltaica sigue siendo costosa a pesar de que su costo de producción (LCOE) ha disminuido considerablemente en los últimos años.
  • Los paneles fotovoltaicos más extendidos, hechos de silicio cristalino, son pesados, frágiles y difíciles de instalar.
  • Una central eléctrica requiere grandes áreas, aunque la densidad tiende a ser mejorada.
  • El impacto medioambiental y energético de la fabricación de paneles de silicio no es cero. 
  • Una célula fotovoltaica debe funcionar entre uno y cinco años para compensar la energía utilizada para fabricarla.
  • La energía eléctrica no se puede almacenar “directamente”, es decir en su forma primaria. 
  • Sin embargo, es posible almacenarlo “indirectamente” en baterías en forma química o en acumuladores cinéticos en forma mecánica. 
  • Las tecnologías existentes siguen siendo costosas.

A continuación, te mostraremos las más grandes plantas de energía solar fotovoltaica de España:

  • El Parque Fotovoltaico Olmedilla de Alarcón:

Este parque fotovoltaico está ubicado en Olmedilla de Alarcón (Cuenca) España.

Culmino su construcción en julio de 2008, y fue catalogada como la planta de energía solar fotovoltaica más grande del mundo.

En cuanto a su funcionamiento Olmedilla fue construido con paneles solares convencionales hechos con obleas de silicio.

Y utiliza más de 270.000 paneles solares fotovoltaicos para generar 60 a 85 megavatios (pico).

Produciendo electricidad para abastecer a más de 40.000 hogares.

El costo de elaboración fue de € 384 millones (US $ 530 millones).

  • El parque solar La Magascona, Trujillo, provincia de Cáceres, España:

El parque solar es un complejo proyectado en Trujillo, cuya culminación fue en el año 2008.

Y para su funcionamiento consta de 200 instalaciones de 100 kW cada una, para una potencia total de 20 MW.

Equivalente al consumo de 20.000 hogares.

Además de su proyección, tiene previsto instalar 120.000 módulos sobre una superficie de 100 hectáreas.

Los costos para esta nueva instalación son de unos 150 millones de euros y se convertirá en el mayor parque solar del mundo.

  • Planta fotovoltaica de Lucainena de las Torres, Almería en España:

Es una planta fotovoltaica que contiene varias unidades:

Lucainena de las Torres 1:

-Capacidad total de 7,4 MWp

-Producción anual es aproximadamente 11,42 GWh.

Fue empezada a construir en julio de 2008.

Lucainena de las Torres 2:

-Capacidad total de 7,9 MWp.

-Producción anual alcanza los 12,236 GWh.

Su construcción fue en paralelo con la de la otra unidad de producción y ocupan en su totalidad unas 40 hectáreas.

En el momento de su creación fue considerado el parque solar más extenso de Europa y se anunció que en el año 2011 que su capacidad sería duplicada.

  • Parques Solares de Navarra:

Parques solares de navarra es una empresa ubicada en Pamplona, dedicada a la promoción e instalación de plantas fotovoltaicas en España.

Y es considerada líder europeo en gestión de parques solares de concentración.

La empresa pone a disposición de los ciudadanos la posibilidad de poder convertirse en productores de energía renovable.

Así mismo, establece el costo mínimo de inversión a partir de los 3.000 €.

Con un supuesto de aportación de fondos propios del 30% y el 70% financiado por entidad bancaria.

La potencia suministrada equivale a los 2,5 kw y de aproximadamente unos 20 metros cuadrados de superficie solar.

Por un importe total de unos 10.000€ que le van a reportar una rentabilidad atractiva.

Más del 3% por bonos del estado, razonable (del 7,5% anual) y segura (vida útil regulatoria durante 30 años).

http://www.parquessolaresdenavarra.com

  • Proyecto El Salobral:

El grupo alemán Luxcara inició en marzo del presente año la construcción del primer gran parque solar español que no recibirá ningún tipo de ayudas públicas (primas) y tampoco se resguardará al régimen establecido por las subastas públicas promovidas por el Gobierno Español.

El proyecto está ubicado en la localidad cordobesa de Espejo, y contará con una potencia de 45 megavatios (MW).

Todos los permisos para promover dicha instalación fotovoltaica fueron generados por la firma Hive Energy.

Sin embargo, seguirá vinculada al socio estratégico de Luxcara una vez que se puso en marcha el proyecto.

De acuerdo a información suministrada por ABC, la producción de energía en los próximos dos años oscilara a más de 1.000 MW.

El sector renovable notificó que las próximas construcciones de los parques serán sin primas, y que esta empresa materializará este primer y gran proyecto de energía renovable.

Es importante mencionar que se prevé la construcción de futuros parques en los siguientes lugares, Murcia, Andalucía, Extremadura y el Sur de Castilla La Mancha.

Donde las plantas fotovoltaicas tendrán mayor rendimiento debido a los altos niveles de radiación solar.

   Distribución de las instalaciones solares fotovoltaicas.

El grupo de las instalaciones solares fotovoltaicas (ISF) la podemos ejecutar en función de  la aplicación a las que están determinadas. Así, podremos diferenciar  entre aplicaciones autónomas y aplicaciones enlazadas a la red.

Aplicaciones autónomas

Fabrican electricidad sin algún tipo de conexión con la red eléctrica, con el fin de proporcionar este modelo de energía al sitio, donde se encuentran situados. Pueden diferenciarse dos grupos:

Aplicaciones espaciales sirven para suministrar energía eléctrica a componentes colocados por el hombre en el espacio, tales como los  satélites de comunicaciones. La Estación Espacial Internacional, posee la exploración en esta área conveniente al desarrollo de los equipamientos fotovoltaicos como nosotros los conocemos en la actualidad.

   Aplicaciones terrestres

 Telecomunicaciones: Entre estas destaca la telefonía rural, medio de radio, televisión, etcétera).

 Electrificación de zonas rurales y aisladas:  estas importantes instalaciones, que se pueden efectuar en cualquier sitio, están planeadas para países y regiones en crecimiento y todas las demás zonas las cuales no tienen ningún tipo de acceso a la red eléctrica comercial.

 Señalización: En estas se aplica, por ejemplo, a señales de tránsito luminosas, constituidas por diodos (LED) suministradas por un panel solar y una batería.

 Iluminación Pública: empleadas en partes en las que resulta complicado concretar una linea eléctrica habitual.

 Bombeo de agua: estas instauraciones están planeadas para lugares como; granjas, haciendas, etc. Estas se pueden hacer en cualquier parte. Su empleo puede ser  para agua potable como para cultivos.

  Telemetría: permite efectuar medidas sobre variables físicas y transferir la información a una central.

  Aplicaciones conectadas a la red

En estas, el reproductor no emplea la energía directamente, sino que es distribuida al organismo delegado de la gestión de la energía del país. Poseen la ventaja de que la obtención de electricidad se efectúa precisamente en el lapso de tiempo en el pedido de electricidad incrementa.

  Centrales fotovoltaicas y huertos solares: aposento en los que se canaliza un número  determinado de las instalaciones fotovoltaicas, que pertenecen a diferentes propietarios con la finalidad de vender la electricidad fabricada a la empresa eléctrica con la cual se haya establecido un acuerdo.

Edificios fotovoltaicosesta se encuentra en una de las últimas aplicaciones desarrolladas para el empleo de la energía solar fotovoltaica.

La veloz evolución en los productos de este modelo ha permitido el empleo de los módulos como material provechoso en cerramientos, en tejados y fachadas de gran valor visual.

Igualmente la energía solar fotovoltaica, en el medio de energías renovables mas apropiado para la generación de electricidad en territorio urbano, sin ocasionar efectos ambientales contraproducentes.

La mayor parte de estos procedimientos han sido efectuados en tejados, porque es allí donde logran con mas facilidad la máxima captación de energía solar, también últimamente se esta comenzando a integrarlos en muros y frentes, en las cuales, por ejemplo el vidrio es sustituido por módulos de láminas delgadas semitransparentes.

Parámetros fundamentales de la célula solar

Corriente de iluminación: Esta corriente es generada cuando incide la radiación justo sobre la célula.

Corriente de oscuridad: esta es debida a la recombinación de los pares de electrón-hueco que se produce internamente en el semiconductor.

Tensión de circuito abierto: la mayor tensión que se consigue en los extremos de la célula solar, esta misma se da cuando no está conectada a ningún tipo de carga, es una particularidad del material con el que esta constituido la célula.

Corriente de corto circuito: su máximo valor de corriente que puede recorrer por la célula solar. Esta se da cuando sus terminales esta cortocircuitados.

Cuando esta célula solar es enlazada a una carga, los valores de presión e intensidad  pueden variar, Existirán par de ellos para los cuales la energía entregada sea máxima.

Potencia de la célula solar: esta energía que proporciona una célula de modelo estándar  (digamos de 10 x 10 cm) es bastante reducida ( en torno a 1 o 2 w), puesto que generalmente será obligatorio agrupar a varias de ellas con la finalidad de proporcionar la energía al procedimiento fotovoltaico de la instalación.

La conexión en serie: esta conexión en las células permitirá incrementar la presión final en los extremos de la célula equivalente.

La conexión en paralelo: esta permitirá que incremente la intensidad máxima del conjunto

Asociación de células en seria y paralelo

Para poder montar un sistema de alumbrado en el jardín de una casa o un terreno, necesitaríamos un panel solar que sea capaz de suministrar a su salida una presión  de 6 V, y también una corriente total de 9 A.

Solución: para conseguir el valor de presión  pedido, habría que crear una asociación en serie de las células fotovoltaicas. Como cada una de ella es capaz de generar una presión total de 0,6 voltios, seria obligatorio conectar al menos diez de dichas células en serie para así tener la obtención de los 0,6 voltios.

Cada uno de estos conjuntos son capaces de generar una intensidad total de 3 amperios. Como se nos exige que el modulo nos genere una corriente de 9 A, tendríamos que enlazar en paralelo un máximo de 3 tres módulos de diez células

Agrupamiento y conexión de paneles

Esto puede variar de la instalación que estemos desarrollando, también parte de la aplicación para la cual se ha diseñado, Entre esto esta la posibilidad de utilizar tan solo un panel o un grupo de paneles que se montaran en conjunto encima de un determinado soporte y enlazados entre sí electricamente.

En estas aplicaciones de poca energía, hay posibilidad de la utilización de paneles solares flexibles, que nos permitirán aplicaciones como sustentar un equipo de comunicaciones, recargar la bateria de un móvil, etc.

Cuando nosotros precisamos una cantidad de energía elevada que no se puede obtener con un solo modulo aislado fotovoltaico, se recurre a la conexión en conjunto de varios paneles solares.

El regulador

Para un exacto funcionamiento de la instalación, se tiene que instalar un sistema de regulación de carga en el acoplamiento entre los paneles solares y las baterías. Este componente obtiene el nombre de regulador  y este tiene la misión de evitar situaciones de carga y sobredescarga de la pila, con la finalidad de alargar su vida útil

El regulador debe ocuparse de las dos zonas. En la pieza relacionada con la carga, este tiene la misión de garantizar  una carga suficiente para el acumulador y evitar las situaciones que tenga que ver con la sobrecarga.

En la parte de descarga se encargara de asegurar de prometer el suministro eléctrico de manera diaria suficiente, para evitar la descarga excesiva de la pila.

Dado que los módulos solares poseen una presión nominal mayor que la de la pila, si no existiera el regulador se podrían producir en gran cantidad las sobrecargas.

 

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