Antes de profundizar en los tipos de energías renovables creemos que es interesante repasar el marco energético actual que tenemos, para así comparar los beneficios de cada sistema de generación eléctrica.
¿De dónde procede la energía que consumimos?
En primer lugar, ¿Cuánta energía de la que consumimos proviene de fuentes renovables? Pues como podemos ver en el siguiente gráfico, varía bastante según dónde nos encontremos:
Estos datos son del año 2017, a medida que los distintos organismos oficiales de cada región vayan proporcionando los datos del total del 2018, estableceremos una comparativa de la evolución de la producción.
A continuación detallamos la generación de energía en el caso de España, donde vemos que un 45,5% se obtiene mediante la combustión dederivados del petróleo y el carbón, un 21,5% de centrales nucleares, y el 32% procede de fuentes renovables:
Esto supone importar petróleo y gas desde miles de kilómetros, y crear cementerios nucleares para guardar los residuos; esta energía tiene que ser transportada desde las centrales eléctricas, hasta los núcleos de población donde va a ser consumida, en muchas ocasiones a bastante distancia del punto de generación, con las pérdidas de energía que esto conlleva. Todas estas operaciones reducen drásticamente la eficiencia, ya que para generar un vatio prácticamente hay que consumir otro.
Las energías renovables nos ofrecen un modelo de producción apartir de fuentes «que no se gastan», planteando un sistema distribuido, con centrales de generación cercanas a los puntos de consumo, fácilmente escalables, pudiendo ampliarlo a medida que crecen las necesidades de la zona. Además nos permiten ser nuestros propios proveedores de energía; no podemos ponernos una central nuclear en el garaje, pero si instalar placas fotovoltaicas en el tejado.
Sistemas de generación de energías renovables
Antes de ver los distintos sistemas de energías renovables, nos gustaría hacer hincapié en la importancia de reducir el consumo de energía de nuestra vivienda o negocio, ya que cada vatio no gastado es un vatio que no tiene que ser generado, pudiendo reducir considerablemente el tamaño de la instalación. En el artículo «Reducir el consumo de energía, conceptos a tener en cuenta» encontrarás algunos métodos para hacerlo.
Para no hacer este artículo excesivamente denso, publicaremos un post explicando detalladamente cómo funciona cada sistema renovable.
Los sistemas de generación de energías renovables son:
Cada sistema funciona de forma distinta, requiere instalaciones distintas, algunos proporcionan energía térmica y otros energía eléctrica; tenemos un surtido variado y combinable de métodos para generar nuestra propia energía y apostar por un sistema distribuido, eficiente e ilimitado.
Si por algo destaca el sol es por estar caliente, a unos 5.500ºC, parte de esa radiación llega a nuestro planeta, y gracias a captadores solares podemos utilizarla para algo tan simple y tan útil como calentar agua. Si en los paneles fotovoltaicos hablábamos de que tienen una eficiencia de entre el 20% y el 25%, en este sistema podemos llegar al 85-90%, por lo que será preferible emplear este tipo de placas como soporte en calefacciones por agua (pásate por nuestro post sobre tipos de calefacción para profundizar en el tema), climatización de piscinas, y para el agua caliente sanitaria (ACS) o de consumo. Y es que es importante remarcar que producen energía tanto en invierno como en verano.
Tipos de
placas o captadores solares
Placa plana
Se emplea
para la producción de agua caliente de consumo y para calefacción. Es la más
común por su precio económico, aunque su rendimiento es ligeramente inferior.
Componentes
de una placa plana
Está formada por una carcasa de aluminio forrada internamente con aislamiento para evitar la pérdida de energía con el exterior de panel. En su interior encontramos una capa conductora de calor que transfiere la energía térmica a un entramado de tuberías, por las que circula el líquido, formado por: una tubería de cobre horizontal situada en la parte inferior (tubería principal de entrada), una serie de tubos verticales de menor diámetro (tuberías de ascensión), conectados a otro tramo horizontal de tubería en la parte superior (tubería principal de salida), por el que finalmente sale. En la cara de captación encontramos una lámina de vidrio de alta resistencia, que además de proteger al panel contra impactos, evita que parte de la radiación reflejada por los componentes del panel salga.
Detalle del interior de una placa plana Pulsa la imagen para ampliar
Panel de tubos
de vacío
Al igual que
la placa plana, se emplea para la producción de agua caliente de consumo y para
calefacción, aunque su eficiencia es mayor, al igual que su precio.
Componentes
de un panel de tubos de vacío
En este caso tenemos una sucesión de tubos de vidrio conectados por la parte superior a un tanque. Estos cilindros están formados por un tubo exterior, de vidrio de alta resistencia, y un tubo interior, dejando entre ambos una cámara de vacío que funciona como aislamiento. En el interior del segundo tubo encontramos una lámina de absorción recubriendo al tubo de cobre que contiene el líquido, el cual, al calentarse asciende (el agua caliente tiene menor densidad que la fría) hasta un depósito situado en la parte superior.
Detalle de los tubos de un panel de tubos de vacío Pulsa la imagen para ampliar
El líquido entra en el panel por la parte inferior del depósito, y al igual que ocurre dentro de los tubos, a medida que el fluido se va calentando asciende hasta la zona superior del tanque, donde se encuentra la salida.
Detalle del depósito de un panel de tubos de vacío Pulsa la imagen para ampliar
Panel para la climatización de piscinas
Aunque este fin se puede llevar a cabo con cualquiera de los dos paneles anteriores, ya que en en verano se suele tener un excedente de energía, también existen placas específicas de uso restringido a este fin (están prohibidas para agua de consumo, ya que se suelen fabricar con Polietileno de uso agrícola); son considerablemente más económicas y aunque su eficiencia es menor al contar con unos elementos más simples, aún así resultan bastante válidas para cumplir con su objetivo.
Consisten en un entramado de tubos de PE; estos se pueden conectar directamente a la salida de la depuradora, para que impulse el agua por su interior, o bien a una bomba, normalmente movida por energía solar, que la hace funcionar cuando el sol está incidiendo sobre los paneles.
Panel para la climatización de piscinas
Aunque para la climatización de
piscinas también existen lonas o mantas que se instalan en la superficie del
vaso, el sistema de climatización por paneles resulta más práctico al no ser
necesaria su retirada para poder usar la piscina.
Desde que a finales del siglo XIX se descubriese el efecto
fotovoltaico y se desarrollase la primera celda solar, basada en selenio, hasta
el día de hoy, casi 150 años después, ha evolucionado bastante. Actualmente se emplean
celdas de silicio, bastante más baratas y eficientes; quién nos iba a decir
hace unos años, cuando salían las primeras calculadoras que funcionaban gracias
a unas pequeñas células solares, que esa tecnología permitiría en el futuro
climatizar una vivienda o cargar nuestros vehículos.
A diferencia de lo que algunas personas creen, el coste
energético de producir un panel solar se amortiza con la electricidad que éste
produce en 2 años de funcionamiento. Su vida útil pasa de los 30 años,
considerando que la vida útil de un panel termina cuando la energía máxima que
produce es inferior al 80% de la que generaba en origen, se trata de un sistema
renovable con un balance energético bastante competitivo.
Cómo funciona un sistema solar fotovoltaico
Una idea que nos tiene que quedar clara, es que los paneles
fotovoltaicos generan electricidad a partir de la luz del sol, no del calor,
por lo que la producción es independiente de la temperatura.
A grandes rasgos, cuando el sol irradia sobre la cara de
captación del panel, los fotones que contiene la luz entran en contacto con los
electrones de la celda de silicio, produciendo un flujo de electrones, o lo que
es lo mismo, electricidad. Un panel está formado por decenas de estas celdas
conectadas entre sí; cuando una parte de la placa recibe sombra, está lastra al
resto del panel, por lo que es muy importante realizar un estudio de sombras,
el cual veremos más adelante. Si cubrimos una celda y no recibe absolutamente
nada de luz, pasa a ser una resistencia que consume la energía que producen
todas las celdas que estén conectadas a ella, por este motivo es muy importante
realizar el mantenimiento y tener las placas limpias de hojas o excrementos de
aves que puedan tapar parte de la superficie.
Lo anterior hace referencia al caso de una privación total
de la luz, eso no implica que en días nublados o con niebla la placa no
produzca; si hay luz para que podamos ver, el panel también tiene luz para
poder producir, aunque no sea elevada la cantidad de energía que proporcione en
estos casos.
Componentes de un sistema fotovoltaico
Vamos a ver las partes que intervienen y cuál es la función
de cada una de ellas:
Panel fotovoltaico: recibe la luz solar y la transforma en energía eléctrica. Para saber más sobre la formación de las distintas celdas que existen, así como sus diferencias, y preferencias de instalación, puedes verlo en nuestro artículo sobre paneles monocristalinos y policristalinos.
Estructura: es el elemento metálico sobre el cual se fijan
los paneles, evitando que se puedan soltar por el viento o que se muevan y
pierdan la orientación. Puede ser una estructura plana, para colocarla sobre
tejados o superficies con inclinación, o puede temer forma de cartabón, para
instalarla sobre cubiertas planas o con poca pendiente, o directamente sobre el
suelo.
Inversor: recibe la electricidad de los paneles, en corriente continua, y la transforma en corriente alterna para que pueda ser usada. Si quieres profundizar en los tipos de inversores que existen y sus características, puedes verlo en nuestro artículo sobre inversores y optimizadores.
Baterías: Almacenan la energía que no usamos para que
podamos disponer de ella en cualquier momento. En función de nuestro modelo de
consumidor, pueden ser o no necesarias, ya que podemos tener conexión a la red
para verter el excedente de electricidad y consumirla cuando la necesitemos.
Instalación de paneles FV
Como hemos ido viendo, hay dos factores fundamentales a
tener muy en cuenta para la instalación de paneles fotovoltaicos, éstos son la
orientación y las sombras, pero además hay un tercer componente a la hora de
realizar la instalación, que es el tipo de conexión que vamos a tener entre los
paneles, que puede ser en serie, en paralelo, o mixta.
Orientación de paneles fotovoltaicos
Es uno de los factores más importantes para tener en cuenta,
ya que el rendimiento del sistema depende de la optima incidencia del sol sobre
la superficie de captación. Al ir variando el ángulo, si vamos a realizar la
instalación con una posición fija (opción más común en instalaciones de
particulares), lo más correcto es colocar los paneles en un ángulo igual a la
latitud de la zona en la que se vaya a encontrar.
Para profundizar, en el artículo “Orientación de paneles
solares y fotovoltaicos” hablamos más detalladamente sobre los distintos
ángulos de incidencia y cómo evoluciona la posición del sol en cada periodo.
Sombras sobre paneles fotovoltaicos
Como hemos visto, el ángulo y la dirección del sol varía a
lo largo del año, por lo que tendremos que tener presente la proyección de
sombras durante todas las estaciones del año. A nivel de proyecto se utilizan
cartas solares para el estudio de las sombras, pero con un poco de observación
de la zona se puede intuir qué objetos nos pueden dar sombra.
Ahora bien, por qué cuando se habla de sombras, se hace
tanto hincapié en eliminarlas, si porque le de sombra a una esquinita del panel
tampoco pasa nada… ¿o sÍ? Pues esa esquinita, de un 5% de la superficie del
panel, puede suponer que se pierda hasta la mitad de la producción del panel,
así como del conjunto de paneles que puedan estar conectados a él (leer
artículos sobre inversores para ver cómo evitarlo); y ¿por qué sucede esto?
Como hemos visto en párrafos anteriores, el panel está formado por celdas
conectadas entre sí, formando hileras, por lo que el rendimiento de cada hilera
será igual al de la celda que menos produzca.
Por esto es esencial evitar las sombras, y si no es posible
instalar los paneles sobre qué lado instalar los paneles
Conexiones entre paneles fotovoltaicos
Muchas son las dudas entre qué es mejor, si la conexión en paralelo
o en serie, y la realidad es que la potencia que vamos a tener es la misma sea
cual sea el modelo de conexión por el que optemos, aunque con matices.
En corriente continua (la que proporcionan nuestros paneles)
tenemos que la potencia (w) = voltaje (V) * intensidad (A); y es precisamente
ahí donde radica el cambio de cada conexión:
Conexión en paralelo de paneles solares
La conexión en paralelo consiste en conectar el polo
positivo del panel con el polo positivo del siguiente, y conectando el polo
negativo con el polo negativo del otro panel. De este modo se consigue mantener el voltaje, aumentando la
intensidad de la instalación.
Conexión en serie de paneles solares
La conexión en serie consiste en conectar el polo positivo
del panel con el polo negativo del siguiente, y conectando el polo negativo con
el polo positivo del otro panel. De este modo se consigue aumentar el voltaje, manteniendo la intensidad de la instalación.
Conexión mixta o en serie-paralelo de paneles solares
En este caso, conectaremos grupos de paneles en serie, y
posteriormente estas conexiones las uniremos en paralelo. En este caso se aumenta el voltaje y la intensidad.
En resumen:
Conexión en PARALELO
Conexión en SERIE
Polo positivo con polo positivo Polo negativo con polo negativo
Polo positivo con polo negativo Polo negativo con polo positivo
Mantiene la tensión (voltios) Aumenta la intensidad (amperios)
Aumenta la tensión (voltios) Mantiene la intensidad (amperios)
2 paneles de 140w a 12 voltios producirán 280w a 12 voltios
2 paneles de 300w a 24 voltios producirán 300w a 48 voltios
Entonces, ¿Qué es mejor?, desde el punto de vista de la
eficiencia, es mejor ir a mayores voltajes, ya que las pérdidas de energía al
circular por el cableado disminuyen, sin embargo, si tenemos baterías u otros
sistemas de generación como aerogeneradores, deberemos poner nuestros paneles a
trabajar al voltaje requerido por el resto de elementos que integren la instalación.
Es un elemento necesario ya que los paneles y las baterías
suministran la energía en corriente continua, sin embargo, la energía que
nosotros utilizamos en nuestras casas y negocios es corriente alterna. La
misión del inversor es precisamente esa, transformar la corriente continua en
alterna. Además, en instalaciones conectadas a la red eléctrica, sirve de nexo
y de separación entre nuestro sistema fotovoltaico y la red.
Características técnicas de un inversor
Es imprescindible que todos los elementos de nuestro sistema
trabajen en armonía, por ello debemos conocer las características de todas las
partes que lo integran.
Tensión nominal: es el voltaje de entrada al inversor, por
lo que deberá ser acorde con la tensión de trabajo de los paneles, a 12, 24, o
48 voltios.
Potencia nominal: es la capacidad de carga sostenida que
puede soportar el inversor; dicho de otra forma, la cantidad de energía que
podemos solicitarle de forma continuada.
Potencia pico: es la capacidad de carga puntual máxima que
puede suministrar; hace referencia a la capacidad de sobrecargarse durante un
breve periodo de tiempo en condiciones seguras.
Eficiencia: es la relación entre la potencia de entrada y de
salida expresada en porcentaje. Durante el proceso de transformación, se pierde
energía en forma de calor, por lo cual si un inversor tiene una eficiencia del
80%, quiere decir que el 20% de la energía que generan nuestros paneles se
pierde, por ello, es importante gastar un poco más en un inversor de calidad
que tenga un alto rendimiento, y así tendremos una instalación que requiera un
menor número de paneles.
Tipos de inversores
Después de haber visto para qué sirven y en qué tenemos que
fijarnos, pasaremos a ver los tipos de inversores existentes en el mercado,
donde básicamente tenemos inversores centrales y los microinversores,
analizando sus ventajas y desventajas, y en qué tipo de instalación encaja
mejor cada uno de ellos. Por último veremos los optimizadores de potencia.
Inversor central o en cadena
Estos inversores están concebidos como unidad central de la
instalación; los paneles solares van conectados entre sí, a una o varias
líneas, y estás son las que llegan al inversor.
Ventajas de los inversores central
Sus ventajas básicamente surgen por su sencillez al constar
únicamente de un elemento:
Es más económico que otras soluciones que requieren una configuración con más unidades.
Se puede colocar en zonas de fácil acceso, por lo que en caso de producirse averías se puede acceder a él sin complicaciones.
Es bastante sencilla la integración con otros elementos como baterías o la conexión con la red eléctrica, ya que todo se une en un mismo punto.
Desventajas de los inversores central
Pues al igual que las ventajas, los inconvenientes tienen la
misma raíz:
Si el inversor falla se corta el suministro de energía al no poder usar la corriente continua que viene de nuestros paneles o baterías, y al no poder usar la energía de la red eléctrica.
Si un panel tiene problemas de sombras o de funcionamiento, puede afectar al rendimiento del resto de paneles.
Los inversores en centrales son recomendables en
instalaciones en las que existan baterías o tengamos otros sistemas de
generación eléctricas, como aerogeneradores, siempre que los paneles compartan
orientación y no existan periodos de sombra durante el día.
Microinversores
En este caso, el inversor se encuentra integrado en el
propio chasis del panel solar, proporcionando energía directamente para su uso
(en corriente alterna).
Ventajas de los microinversores
Sí un panel presenta anomalías de funcionamiento, no lastra al resto de paneles de la instalación.
Se puede monitorear de forma independiente cada panel para ver si existe alguna irregularidad de producción y corregirla (sombras ocasionales de las que no éramos conscientes u orientación poco precisa).
Presentan un alto rendimiento, por lo que al disminuir las pérdidas se puede reducir el número de paneles.
Inconvenientes de los microinversores
Requieren un mayor desembolso que las otras opciones.
No se pueden conectar directamente con baterías, por lo que es necesario añadir más elementos que vuelvan a transformar la corriente de alterna a continua.
Difícil acceso en instalaciones sobre cubiertas o tejados no accesibles.
Estás instalaciones son recomendables si no tenemos baterías
ni otras fuentes de generación eléctrica, como aerogeneradores, y además
existen con zonas de sombra en algún momento del día sobre los paneles o tienen
orientaciones distintas.
Optimizadores de potencia
Esta opción surge de hibridar los dos modelos de inversores,
ya que existe un único inversor, pero se añade en cada placa un optimizador, el
cual permite individualizar cada panel o grupo de paneles, mostrando la
producción y pudiendo desconectar paneles en caso de fallo. Para que nos
hagamos una idea, aquí tenemos el esquema de una instalación con optimizadores:
Ventajas de los optimizadores de potencia
Presenta las mismas ventajas que veíamos en los inversores centrales. Además, los optimizadores se pueden acoplar una instalación ya existente.
Respecto al precio, no son caros, y su instalación es sencilla.
Si un panel presenta anomalías de funcionamiento, no lastra al resto de paneles de la instalación.
Se puede monitorear de forma independiente cada panel para ver si existe alguna irregularidad de producción y corregirla (sombras ocasionales de las que no éramos conscientes u orientación poco precisa).
Desventajas de los optimizadores de potencia
Al añadir nuevos elementos en la instalación, se aumenta la probabilidad de que alguno pueda fallar, aunque todos los elementos suelen tener una garantía de 25 años, por lo que son bastante fiables.
Mayores pérdidas energéticas, entre un 0,5 y un 2%.
Al existir un único inversor, si falla se corta el suministro de energía al no poder usar la corriente continua que viene de los optimizadores de los paneles o de las baterías, ni podremos usarla de la red eléctrica.
En nuestra opinión, es la mejor alternativa para
instalaciones en las que tengamos baterías u otros sistemas de generación
eléctrica (como aerogeneradores), así como distintas orientaciones o sombras en
algunos de los paneles.
Para conseguir las celdas fotovoltaicas, primero tenemos que fundir silicio en lingotes, y cuando estos solidifican se laminan en obleas que posteriormente serán tratadas químicamente. Según el método seguido para la fundición del lingote se puede obtener un silicio con estructura monocristalina o policristalina, afectando al precio, la eficiencia, y las condiciones óptimas de funcionamiento:
Celdas monocristalinas
Se fabrican en lingotes cilíndricos, y requieren una velocidad de fundición lenta, por lo que el coste energético (y económico) es más elevado. Al obtener obleas con las esquinas redondeadas, el área de captación del panel es menor al existir más hueco entre ellas, sin embargo, su eficiencia es ligeramente superior a las policristalinas. Tienen poca tolerancia al sobrecalentamiento (su rendimiento disminuye con altas temperaturas), por lo que se suelen emplear en zonas con climas fríos y con tendencia a días nublados, ya que tienen mayor facilidad para captar la radiación solar.
Celda monocristalina
Celdas policristalinas
Se fabrican en lingotes rectangulares a una velocidad de fundición elevada, lo cual reduce la energía necesaria y con ello el coste de producción. Al tener forma rectangular, las obleas se ajustan mejor entre ellas, reduciendo los huecos y aumentando el área de captación del panel. Son menos sensibles al sobrecalentamiento, por lo que se suele emplear en climas cálidos.
