Sistema fotovoltaico

Sistemas y componentes de energía fotovoltaica:

Top: solar de la secuencia de inversores y otros BOS componentes · Arsenal solar en la azotea en Hong Kong, China · integración arquitectónica en el balcón en Helsinki, Finlandia
Medio: sistema de la azotea en Boston, Estados Unidos · Westmill parque solar en el Reino Unido · doble eje de seguimiento con CPV módulos · Topaz , una de las estaciones de energía solar más grandes del mundo , vista desde el espacio
Abajo: sistema fotovoltaico comercial en la azotea de aproximadamente 400 kW _p · Planta de energía en el monte. Komekura, Japón · Sistema fotovoltaico solar en Zugspitze , la cima de la montaña más alta de Alemania

Un sistema fotovoltaico , también sistema fotovoltaico o sistema de energía solar , es un sistema de energía diseñado para suministrar energía solar utilizable por medio de energía fotovoltaica . Consiste en una disposición de varios componentes, incluidos paneles solares para absorber y convertir la luz solar en electricidad, un inversor solar para convertir la salida de corriente directa a alterna , así como montaje , cableado y otros accesorios eléctricos para configurar un sistema de trabajo. . También puede utilizar un sistema de seguimiento solar.para mejorar el rendimiento general del sistema e incluir una solución de batería integrada , ya que se espera que bajen los precios de los dispositivos de almacenamiento. Estrictamente hablando, una matriz solar solo abarca el conjunto de paneles solares, la parte visible del sistema fotovoltaico, y no incluye todo el resto del hardware, a menudo resumido como equilibrio del sistema (BOS). Dado que los sistemas fotovoltaicos convierten la luz directamente en electricidad, no deben confundirse con otras tecnologías solares, como la energía solar concentrada o la energía solar térmica , que se utilizan para calefacción y refrigeración.

Los sistemas fotovoltaicos van desde sistemas pequeños, montados en techos o integrados en edificios con capacidades desde unas pocas hasta varias decenas de kilovatios, hasta grandes centrales eléctricas a gran escala de cientos de megavatios. Hoy en día, la mayoría de los sistemas fotovoltaicos están conectados a la red , mientras que los sistemas autónomos o fuera de la red representan una pequeña parte del mercado.

Operando silenciosamente y sin partes móviles o emisiones ambientales , los sistemas fotovoltaicos han pasado de ser aplicaciones de nicho de mercado a una tecnología madura utilizada para la generación de electricidad convencional. Un sistema de techo recupera la energía invertida para su fabricación e instalación en un plazo de 0,7 a 2 años y produce aproximadamente el 95 por ciento de la energía renovable limpia neta durante una vida útil de 30 años. ^[1]^{: 30}^[2]^[3]

Debido al crecimiento de la energía fotovoltaica , los precios de los sistemas fotovoltaicos han disminuido rápidamente desde su introducción. Sin embargo, varían según el mercado y el tamaño del sistema. En 2014, los precios de los sistemas residenciales de 5 kilovatios en los Estados Unidos rondaban los 3,29 dólares por vatio, ^[4] mientras que en el mercado alemán altamente penetrado , los precios de los sistemas de techo de hasta 100 kW descendieron a 1,24 euros por vatio. ^[5] Hoy en día, los módulos solares fotovoltaicos representan menos de la mitad del costo total del sistema, ^[6] dejando el resto a los componentes BOS restantes y a los costos indirectos, que incluyen la adquisición de clientes, permisos, inspección e interconexión, mano de obra de instalación y costos de financiamiento. ^[7]^:14

Sistema moderno [ editar ]

Resumen [ editar ]

Diagrama de los posibles componentes de un sistema fotovoltaico

Un sistema fotovoltaico convierte la radiación solar , en forma de luz, en electricidad utilizable . Comprende la matriz solar y el equilibrio de los componentes del sistema. Los sistemas fotovoltaicos se pueden clasificar según varios aspectos, como sistemas conectados a la red frente a sistemas independientes , sistemas integrados en el edificio frente a sistemas montados en bastidores, sistemas residenciales frente a sistemas de servicios públicos, sistemas distribuidos frente a centralizados, sistemas de techo frente a sistemas montados en tierra , sistemas de seguimiento frente a sistemas de inclinación fija, y sistemas de nueva construcción frente a sistemas modernizados . Otras distinciones pueden incluir, sistemas con microinversores versus inversor central, sistemas que usan silicio cristalino vs.tecnología de película delgada y sistemas con módulos de fabricantes chinos, europeos y estadounidenses.

Aproximadamente el 99 por ciento de todos los sistemas de energía solar europeos y el 90 por ciento de todos los de EE. UU. Están conectados a la red eléctrica , mientras que los sistemas fuera de la red son algo más comunes en Australia y Corea del Sur. ^[8]^{: 14} Los sistemas fotovoltaicos rara vez utilizan almacenamiento en batería. Esto puede cambiar, a medida que se implementen incentivos gubernamentales para el almacenamiento distribuido de energía y las inversiones en soluciones de almacenamiento se vuelvan económicamente viables para los sistemas pequeños. ^[9]^[10] Un panel solar residencial típico se monta en un bastidor en el techo, en lugar de integrarse en el techo o la fachada del edificio, lo cual es significativamente más caro. Estaciones de energía solar a gran escalaestán montados en el suelo, con paneles solares inclinados fijos en lugar de utilizar costosos dispositivos de seguimiento. El silicio cristalino es el material predominante utilizado en el 90 por ciento de los módulos solares producidos en todo el mundo, mientras que su rival de película delgada ha perdido participación de mercado. ^[1]^{: 17–20} Alrededor del 70 por ciento de todas las células y módulos solares se producen en China y Taiwán, y sólo el 5 por ciento por fabricantes europeos y estadounidenses . ^[1]^{: 11–12} La capacidad instalada tanto para los pequeños sistemas de azotea como para las grandes estaciones de energía solar está creciendo rápidamente y en partes iguales, aunque hay una tendencia notable hacia los sistemas a gran escala, ya que el enfoque en las nuevas instalaciones se está alejando de Europa a regiones más soleadas, como Sunbelten los EE. UU., Que se oponen menos a las granjas solares montadas en el suelo y que los inversores enfatizan más la rentabilidad. ^[8]^{: 43}

Impulsado por los avances en la tecnología y los aumentos en la escala de fabricación y la sofisticación, el costo de la energía fotovoltaica está disminuyendo continuamente. ^[3] Hay varios millones de sistemas fotovoltaicos distribuidos en todo el mundo, principalmente en Europa, con 1,4 millones de sistemas solo en Alemania ^[1]^{: 5} - así como en América del Norte con 440.000 sistemas en los Estados Unidos. ^[11] La eficiencia de conversión de energía de un módulo solar convencional aumentó del 15 al 20 por ciento desde 2004 ^[1]^{: 17} y un sistema fotovoltaico recupera la energía necesaria para su fabricación en aproximadamente 2 años. En lugares excepcionalmente irradiados, o cuando se utiliza tecnología de película delgada, el llamadoel tiempo de recuperación de la energía se reduce a un año o menos. ^[1]^{: 30–33} La medición neta y los incentivos financieros, como las tarifas de alimentación preferenciales para la electricidad generada por energía solar, también han respaldado enormemente las instalaciones de sistemas fotovoltaicos en muchos países. ^[12] El costo nivelado de la electricidad de los sistemas fotovoltaicos a gran escala se ha vuelto competitivo con las fuentes de electricidad convencionales en una lista cada vez mayor de regiones geográficas, y se ha logrado la paridad de red en unos 30 países diferentes. ^[13]^[14]^[15]

A partir de 2015, el mercado fotovoltaico mundial de rápido crecimiento se está acercando rápidamente a la marca de 200 GW, aproximadamente 40 veces la capacidad instalada en 2006. ^[16] Estos sistemas actualmente contribuyen alrededor del 1 por ciento a la generación de electricidad mundial. Los principales instaladores de sistemas fotovoltaicos en términos de capacidad son actualmente China, Japón y Estados Unidos, mientras que la mitad de la capacidad mundial está instalada en Europa, mientras que Alemania e Italia suministran entre el 7% y el 8% de sus respectivos consumos domésticos de electricidad con energía solar fotovoltaica. ^[17] La Agencia Internacional de Energía espera que la energía solar se convierta en la fuente de electricidad más grande del mundo para 2050, con energía solar fotovoltaica y energía solar térmica concentrada.contribuyendo 16% y 11% a la demanda global, respectivamente. ^[7]

Conexión a la red solar [ editar ]

Esquemas de un sistema fotovoltaico residencial típico

Un sistema conectado a la red está conectado a una red independiente más grande (normalmente la red eléctrica pública) y alimenta energía directamente a la red. Esta energía puede ser compartida por un edificio residencial o comercial antes o después del punto de medición de ingresos, dependiendo de si la producción de energía acreditada se calcula independientemente del consumo de energía del cliente ( tarifa de alimentación ) o solo en la diferencia de energía ( medición neta ). Estos sistemas varían en tamaño, desde residenciales (2–10 kW _p ) hasta estaciones de energía solar (hasta 10 s de MW _p ). Esta es una forma de generación de electricidad descentralizada . La alimentación de electricidad a la red requiere la transformación de CC en CA mediante una sincronización especialinversor de conexión a red . En instalaciones del tamaño de kilovatios, el voltaje del sistema del lado de CC es tan alto como se permite (generalmente 1000 V, excepto los 600 V residenciales de EE. UU.) Para limitar las pérdidas óhmicas. La mayoría de los módulos (60 o 72 celdas de silicio cristalino) generan de 160 W a 300 W a 36 voltios. A veces es necesario o deseable conectar los módulos parcialmente en paralelo en lugar de todos en serie. Un conjunto individual de módulos conectados en serie se conoce como "cadena". ^[18]

Escala del sistema [ editar ]

Los sistemas fotovoltaicos generalmente se clasifican en tres segmentos de mercado distintos: techos residenciales, techos comerciales y sistemas a escala de servicios públicos montados en el suelo. Sus capacidades van desde unos pocos kilovatios hasta cientos de megavatios. Un sistema residencial típico es de alrededor de 10 kilovatios y está montado en un techo inclinado, mientras que los sistemas comerciales pueden alcanzar una escala de megavatios y generalmente se instalan en techos de poca pendiente o incluso planos. Aunque los sistemas montados en la azotea son pequeños y tienen un costo por vatio más alto que las grandes instalaciones a escala de servicios públicos, representan la mayor participación en el mercado. Sin embargo, existe una tendencia creciente hacia plantas de energía a gran escala, especialmente en la región del "cinturón solar" del planeta. ^[8]^{: 43}^[19]

Escala de utilidad

Parque solar Perovo en Ucrania

Los grandes parques o granjas solares a escala de servicios públicos son centrales eléctricas y pueden proporcionar un suministro de energía a un gran número de consumidores. La electricidad generada se alimenta a la red de transmisión alimentada por plantas de generación central (planta conectada a la red o conectada a la red), o se combina con uno o varios generadores de electricidad domésticos para alimentar una pequeña red eléctrica (planta híbrida). En raras ocasiones, la electricidad generada se almacena o utiliza directamente en una planta independiente o en una isla. ^[20]^[21] Los sistemas fotovoltaicos se diseñan generalmente para garantizar el mayor rendimiento energético para una inversión determinada. Algunas grandes centrales fotovoltaicas como Solar Star , Waldpolenz Solar Parky Topaz Solar Farm cubren decenas o cientos de hectáreas y tienen potencias de hasta cientos de megavatios .

Azotea, móvil y portátil

Sistema de azotea cerca de Boston , EE. UU.

Un pequeño sistema fotovoltaico es capaz de proporcionar suficiente electricidad CA para alimentar una sola casa, o un dispositivo aislado en forma de CA o CC. Los satélites militares y civiles de observación de la Tierra , las luces de las calles , las señales de tráfico y de construcción, los automóviles eléctricos , las tiendas de campaña que funcionan con energía solar ^[22] y las aeronaves eléctricas pueden contener sistemas fotovoltaicos integrados para proporcionar energía primaria o auxiliar.fuente en forma de alimentación de CA o CC, según el diseño y las demandas de potencia. En 2013, los sistemas de azotea representaron el 60 por ciento de las instalaciones en todo el mundo. Sin embargo, existe una tendencia a alejarse de las azoteas y hacia sistemas fotovoltaicos a escala de servicios públicos, ya que el enfoque de las nuevas instalaciones fotovoltaicas también se está desplazando de Europa a países en la región del cinturón solar del planeta donde la oposición a las granjas solares montadas en el suelo es menos acentuada. ^[8]^{: 43} Los sistemas fotovoltaicos portátiles y móviles proporcionan energía eléctrica independientemente de las conexiones de los servicios públicos, para un funcionamiento "fuera de la red". Estos sistemas se utilizan con tanta frecuencia en vehículos de recreo y embarcaciones que existen minoristas especializados en estas aplicaciones ^[23] y productos destinados específicamente a ellos.^[24]^[25] Dado que los vehículos recreativos (RV) normalmente llevan baterías y operan la iluminación y otros sistemas con una potencia nominal de CC de 12 voltios, los sistemas de RV normalmente funcionan en un rango de voltaje que puede cargar baterías de 12 voltios directamente, por lo que la adición de un El sistema fotovoltaico solo requiere paneles, un controlador de carga y cableado. Los sistemas solares de los vehículos recreativos suelen estar limitados en vataje por el tamaño físico del espacio del techo del RV. ^[26]

Integrado en edificio

Muro BAPV cerca de Barcelona, España

En áreas urbanas y suburbanas, las matrices fotovoltaicas se utilizan a menudo en los tejados para complementar el uso de energía; a menudo, el edificio tendrá una conexión a la red eléctrica , en cuyo caso la energía producida por la matriz fotovoltaica se puede vender de nuevo a la empresa de servicios públicos en algún tipo de acuerdo de medición neta . Algunas empresas de servicios públicos utilizan los tejados de clientes comerciales y postes telefónicos para respaldar el uso de paneles fotovoltaicos. ^[27] Los árboles solares son conjuntos que, como su nombre lo indica, imitan el aspecto de los árboles, proporcionan sombra y por la noche pueden funcionar como farolas .

Rendimiento [ editar ]

Las incertidumbres en los ingresos a lo largo del tiempo se relacionan principalmente con la evaluación del recurso solar y con el rendimiento del sistema en sí. En el mejor de los casos, las incertidumbres suelen ser del 4% para la variabilidad climática de un año a otro, del 5% para la estimación del recurso solar (en un plano horizontal), del 3% para la estimación de la irradiación en el plano de la matriz, del 3% para la potencia calificación de los módulos, 2% por pérdidas por suciedad y suciedad , 1,5% por pérdidas por nieve y 5% por otras fuentes de error. Identificar y reaccionar ante pérdidas manejables es fundamental para los ingresos y la eficiencia de O&M. El monitoreo del desempeño de la matriz puede ser parte de acuerdos contractuales entre el propietario de la matriz, el constructor y la empresa de servicios públicos que compra la energía producida. ^{[ cita requerida ]}Un método para crear "días sintéticos" utilizando datos meteorológicos fácilmente disponibles y la verificación mediante el campo de prueba Open Solar Outdoors hace posible predecir el rendimiento de los sistemas fotovoltaicos con altos grados de precisión. ^[28] Este método se puede utilizar para determinar los mecanismos de pérdida a escala local, como los de la nieve ^[29]^[30] o los efectos de los revestimientos superficiales (por ejemplo, hidrófobos o hidrófilos ) sobre la suciedad o las pérdidas de nieve. ^[31] (Aunque en entornos con mucha nieve con graves interferencias del suelo pueden producirse pérdidas anuales por nieve del 30%. ^[32]) El acceso a Internet ha permitido una mejora adicional en la monitorización y comunicación energética. Los sistemas dedicados están disponibles de varios proveedores. Para los sistemas fotovoltaicos solares que utilizan microinversores (conversión de CC a CA a nivel de panel), los datos de potencia del módulo se proporcionan automáticamente. Algunos sistemas permiten configurar alertas de rendimiento que activan advertencias por teléfono / correo electrónico / mensaje de texto cuando se alcanzan los límites. Estas soluciones proporcionan datos para el propietario del sistema y el instalador. Los instaladores pueden monitorear de forma remota múltiples instalaciones y ver de un vistazo el estado de toda su base instalada. ^{[ cita requerida ]}

Componentes [ editar ]

El equilibrio de los componentes del sistema de un sistema fotovoltaico (BOS) equilibra el subsistema de generación de energía de la matriz solar (lado izquierdo) con el lado que usa energía de los dispositivos domésticos de CA y la red pública (lado derecho).

Un sistema fotovoltaico para el suministro de energía residencial, comercial o industrial consta de la matriz solar y una serie de componentes que a menudo se resumen como el equilibrio del sistema (BOS). Este término es sinónimo de " Equilibrio de la planta " qv Los componentes BOS incluyen equipos de acondicionamiento de energía y estructuras para el montaje, generalmente uno o más convertidores de energía CC a CA , también conocidos como inversores , un dispositivo de almacenamiento de energía, un sistema de estanterías que soporta el paneles solares, cableado eléctrico e interconexiones, y montaje para otros componentes.

Opcionalmente, un equilibrio del sistema puede incluir cualquiera o todos los siguientes: medidor de grado de ingresos de crédito de energía renovable , rastreador de punto de máxima potencia (MPPT), sistema de batería y cargador , rastreador solar GPS , software de gestión de energía , sensores de irradiancia solar , anemómetro , o accesorios para tareas específicas diseñados para cumplir con los requisitos especializados del propietario de un sistema. Además, un sistema CPV requiere lentes o espejos ópticos y, a veces, un sistema de refrigeración.

Los términos "panel solar" y "sistema fotovoltaico" a menudo se utilizan incorrectamente de manera intercambiable, a pesar de que el panel solar no abarca todo el sistema. Además, "panel solar" se utiliza a menudo como sinónimo de "módulo solar", aunque un panel consta de una cadena de varios módulos. El término " sistema solar " también es un nombre inapropiado que se usa a menudo para un sistema fotovoltaico.

Matriz solar [ editar ]

Panel solar de inclinación fija de paneles de silicio cristalino en Canterbury, New Hampshire , Estados Unidos

Panel solar de un parque solar con unos miles de módulos solares en la isla de Mallorca , España

Los componentes básicos de un sistema fotovoltaico son las células solares. Una célula solar es el dispositivo eléctrico que puede convertir directamente la energía de los fotones en electricidad. Hay tres generaciones tecnológicas de células solares: la primera generación (1G) de células de silicio cristalino (c-Si), la segunda generación (2G) de células de película delgada (como CdTe , CIGS , silicio amorfo y GaAs ), y la tercera generación (3G) de células orgánicas , sensibilizadas con colorante , perovskita y multifuncionales . ^[33]^[34]

Las células solares convencionales de c-Si , normalmente cableadas en serie, están encapsuladas en un módulo solar para protegerlas de la intemperie. El módulo consta de un vidrio templado como cubierta, un encapsulante suave y flexible , una lámina trasera de un material resistente a la intemperie y al fuego y un marco de aluminio alrededor del borde exterior. Conectados eléctricamente y montados en una estructura de soporte, los módulos solares construyen una serie de módulos, a menudo llamados paneles solares. Una matriz solar consta de uno o varios paneles de este tipo. ^[35]Una matriz fotovoltaica, o matriz solar, es una colección vinculada de módulos solares. La potencia que puede producir un módulo rara vez es suficiente para cumplir con los requisitos de un hogar o una empresa, por lo que los módulos están conectados entre sí para formar una matriz. La mayoría de las matrices fotovoltaicas utilizan un inversor para convertir la potencia de CC producida por los módulos en corriente alterna que puede alimentar luces , motores y otras cargas. Los módulos en un campo fotovoltaico generalmente se conectan primero en serie para obtener el voltaje deseado ; Luego, las cadenas individuales se conectan en paralelo para permitir que el sistema produzca más corriente.. Los paneles solares se miden normalmente en STC (condiciones de prueba estándar) o PTC (condiciones de prueba de PVUSA), en vatios . ^[36] Las clasificaciones típicas de los paneles van desde menos de 100 vatios hasta más de 400 vatios. ^[37] La clasificación de la matriz consiste en una suma de las clasificaciones del panel, en vatios, kilovatios o megavatios.

Módulo y eficiencia [ editar ]

Un módulo fotovoltaico típico de 150 vatios tiene aproximadamente un metro cuadrado de tamaño. Se puede esperar que dicho módulo produzca 0,75 kilovatios-hora (kWh) todos los días, en promedio, después de tener en cuenta el clima y la latitud, para una insolación de 5 horas de sol / día. La salida y la vida útil del módulo se degradan por el aumento de temperatura. Permitir que el aire ambiente fluya hacia arriba y, si es posible, hacia atrás, los módulos fotovoltaicos reduce este problema. La vida útil efectiva de los módulos suele ser de 25 años o más. ^[38] El período de recuperación de la inversión en una instalación solar fotovoltaica varía mucho y, por lo general, es menos útil que un cálculo del rendimiento de la inversión . ^[39]Aunque normalmente se calcula entre 10 y 20 años, el período de recuperación financiera puede ser mucho más corto con incentivos. ^[40]

El efecto de la temperatura sobre los módulos fotovoltaicos se suele cuantificar mediante unos coeficientes que relacionan las variaciones de la tensión en circuito abierto, de la corriente de cortocircuito y de la potencia máxima a los cambios de temperatura. En este trabajo, guías experimentales integrales para estimar los coeficientes de temperatura. ^[41]

Debido al bajo voltaje de una celda solar individual (típicamente alrededor de 0.5V), varias celdas están cableadas (ver también el cobre usado en sistemas fotovoltaicos ) en serie en la fabricación de un "laminado". El laminado se ensambla en una carcasa protectora resistente a la intemperie, creando así un módulo fotovoltaico o un panel solar . Luego, los módulos se pueden unir en una matriz fotovoltaica. En 2012, los paneles solares disponibles para los consumidores tienen una eficiencia de hasta aproximadamente el 17%, ^[42] mientras que los paneles disponibles comercialmente pueden llegar hasta el 27%. Se ha registrado que un grupo del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solarhan creado una celda que puede alcanzar una eficiencia del 44,7%, lo que hace que las esperanzas de los científicos de alcanzar el umbral de eficiencia del 50% sean mucho más factibles. ^[43]^[44]^[45]^[46]

Sombreado y suciedad [ editar ]

La salida eléctrica de la célula fotovoltaica es extremadamente sensible a las sombras ("efecto de luz navideña"). ^[47]^[48]^[49] Cuando incluso una pequeña parte de una celda, módulo o matriz está sombreada, y el resto está a la luz del sol, la salida cae drásticamente debido a un "cortocircuito" interno (los electrones invierten el curso a través de la parte sombreada de la unión pn). Si la corriente extraída de la cadena de celdas en serie no es mayor que la corriente que puede producir la celda sombreada, la corriente (y por lo tanto la potencia) desarrollada por la cadena es limitada. Si hay suficiente voltaje disponible de las otras celdas en una cadena, la corriente se forzará a través de la celda rompiendo la unión en la parte sombreada. Este voltaje de ruptura en celdas comunes está entre 10 y 30 voltios. En lugar de aumentar la energía producida por el panel, la celda sombreada absorbe energía y la convierte en calor. Dado que el voltaje inverso de una celda sombreada es mucho mayor que el voltaje directo de una celda iluminada, una celda sombreada puede absorber la energía de muchas otras celdas en la cadena, afectando desproporcionadamente la salida del panel. Por ejemplo, una celda sombreada puede caer 8 voltios, en lugar de agregar 0.5 voltios, a un nivel de corriente particular,absorbiendo así la energía producida por otras 16 células.^[50] Por tanto, es importante que una instalación fotovoltaica no esté a la sombra de árboles u otras obstrucciones.

Se han desarrollado varios métodos para determinar las pérdidas de sombra de los árboles a los sistemas fotovoltaicos en ambas grandes regiones utilizando LiDAR , ^[51] pero también a nivel de sistema individual utilizando sketchup . ^[52] La mayoría de los módulos tienen diodos de derivación entre cada celda o cadena de celdas que minimizan los efectos del sombreado y solo pierden la potencia de la parte sombreada del arreglo. El trabajo principal del diodo de derivación es eliminar los puntos calientes que se forman en las celdas y que pueden causar más daño a la matriz y provocar incendios.

La luz solar puede ser absorbida por el polvo, la nieve u otras impurezas en la superficie del módulo (denominadas colectivamente suciedad ). La suciedad reduce la luz que incide en las células, lo que a su vez reduce la potencia de salida del sistema fotovoltaico. Las pérdidas por suciedad se acumulan con el tiempo y pueden aumentar sin una limpieza adecuada. En 2018, la pérdida de energía anual global debido a la suciedad se estimó en al menos 3% - 4%. ^[53] Sin embargo, las pérdidas por suciedad varían en gran medida de una región a otra y dentro de las regiones. ^[54]^[55]^[56]^[57] Mantener una superficie limpia del módulo aumentará el rendimiento de salida durante la vida útil del sistema fotovoltaico. En un estudio realizado en un área rica en nieve ( Ontario), la limpieza de paneles solares de montaje plano después de 15 meses aumentó su producción en casi un 100%. Sin embargo, las matrices inclinadas 5 ° se limpiaron adecuadamente con agua de lluvia. ^[30]^[58] En muchos casos, especialmente en regiones áridas , o en lugares cercanos a desiertos, carreteras, industria o agricultura, la limpieza regular de los paneles solares es rentable . En 2018, la pérdida de ingresos estimada inducida por la suciedad se estimó entre 5 y 7 mil millones de euros. ^[53]

La confiabilidad a largo plazo de los módulos fotovoltaicos es crucial para garantizar la viabilidad técnica y económica de la energía fotovoltaica como fuente de energía exitosa. El análisis de los mecanismos de degradación de los módulos fotovoltaicos es clave para garantizar una vida útil actual superior a los 25 años. ^[59]

Insolación y energía [ editar ]

Recurso solar global

La insolación solar se compone de radiación directa, difusa y reflejada . El factor de absorción de una celda fotovoltaica se define como la fracción de irradiancia solar incidente que es absorbida por la celda. ^[60] Al mediodía de un día despejado en el ecuador, la potencia del sol es de aproximadamente 1 kW / m ² , ^[61] en la superficie de la Tierra, en un plano perpendicular a los rayos del sol. Como tal, las matrices fotovoltaicas pueden rastrear el sol todos los días para mejorar en gran medida la recolección de energía. Sin embargo, los dispositivos de seguimiento añaden costos y requieren mantenimiento, por lo que es más común que los arreglos fotovoltaicos tengan soportes fijos que inclinen el arreglo y se enfrenten al mediodía solar.(aproximadamente hacia el sur en el hemisferio norte o hacia el norte en el hemisferio sur). El ángulo de inclinación, desde la horizontal, se puede variar según la temporada, ^[62] pero si es fijo, debe configurarse para proporcionar una salida de matriz óptima durante la parte de demanda eléctrica máxima de un año típico para un sistema autónomo. Este ángulo de inclinación óptimo del módulo no es necesariamente idéntico al ángulo de inclinación para la máxima producción anual de energía de la matriz. ^[63] La optimización del sistema fotovoltaico para un entorno específico puede resultar complicada, ya que se deben tener en cuenta los problemas del flujo solar, la suciedad y las pérdidas de nieve. Además, trabajos posteriores han demostrado que los efectos espectrales pueden desempeñar un papel en la selección óptima del material fotovoltaico. Por ejemplo, el albedo espectralpuede desempeñar un papel importante en la producción dependiendo de la superficie alrededor del sistema fotovoltaico ^[64] y el tipo de material de la célula solar. ^[65] Para el clima y las latitudes de los Estados Unidos y Europa, la insolación típica varía de 4 kWh / m ² / día en climas del norte a 6.5 kWh / m ² / día en las regiones más soleadas. Una instalación fotovoltaica en las latitudes del norte de Europa o Estados Unidos puede esperar producir 1 kWh / m ² / día. Una instalación fotovoltaica típica de 1 kW en Australia o en las latitudes meridionales de Europa o Estados Unidos puede producir entre 3,5 y 5 kWh por día, según la ubicación, la orientación, la inclinación, la insolación y otros factores. En el saharadesierto, con menos nubosidad y un mejor ángulo solar, idealmente se podría obtener más cerca de 8,3 kWh / m ² / día siempre que el viento casi siempre presente no arrojara arena sobre las unidades. El área del desierto del Sahara tiene más de 9 millones de km ² . 90.600 km ² , o alrededor del 1%, podrían generar tanta electricidad como todas las centrales eléctricas del mundo juntas. ^[66]

Montaje [ editar ]

Un sistema fotovoltaico montado en el suelo de 23 años de la década de 1980 en una isla de Frisia del Norte , Alemania. La eficiencia de conversión de los módulos fue solo del 12%.

Los módulos se ensamblan en matrices en algún tipo de sistema de montaje, que puede clasificarse como montaje en suelo, montaje en techo o montaje en poste. Para los parques solares, se monta un gran bastidor en el suelo y los módulos se montan en el bastidor. Para los edificios, se han ideado muchos bastidores diferentes para techos inclinados. Para cubiertas planas, se utilizan racks, contenedores y soluciones integradas en edificios. ^{[ cita requerida ]}Los racks de paneles solares montados en la parte superior de los postes pueden ser fijos o móviles, consulte los rastreadores a continuación. Los montajes de lado del poste son adecuados para situaciones en las que un poste tiene algo más montado en su parte superior, como una lámpara o una antena. El montaje en poste eleva lo que de otro modo sería un conjunto montado en el suelo por encima de las malas hierbas y el ganado, y puede satisfacer los requisitos del código eléctrico con respecto a la inaccesibilidad del cableado expuesto. Los paneles montados en postes están abiertos a más aire de enfriamiento en su parte inferior, lo que aumenta el rendimiento. Se puede formar una multiplicidad de bastidores superiores para postes en una cochera de estacionamiento u otra estructura de sombra. Un estante que no sigue al sol de izquierda a derecha puede permitir el ajuste estacional hacia arriba o hacia abajo.

Cableado [ editar ]

Debido a su uso en exteriores, los cables solares están diseñados para ser resistentes a la radiación ultravioleta y las fluctuaciones de temperatura extremadamente altas y, por lo general, no se ven afectados por el clima. Las normas que especifican el uso de cableado eléctrico en sistemas fotovoltaicos incluyen la IEC 60364 de la Comisión Electrotécnica Internacional , en la sección 712 "Sistemas de suministro de energía solar fotovoltaica (PV)", la norma británica BS 7671 , que incorpora regulaciones relacionadas con sistemas de microgeneración y fotovoltaicos, y la norma estadounidense UL4703 , en el tema 4703 "Cable fotovoltaico".

Rastreador [ editar ]

Un modelo de 1998 de un seguidor solar pasivo, visto desde abajo.

Un sistema de seguimiento solar inclina un panel solar durante todo el día. Dependiendo del tipo de sistema de seguimiento, el panel apunta directamente al sol o al área más brillante de un cielo parcialmente nublado. Los seguidores mejoran en gran medida el rendimiento a primera hora de la mañana y al final de la tarde, aumentando la cantidad total de energía producida por un sistema en aproximadamente un 20-25% para un seguidor de un solo eje y aproximadamente un 30% o más para un seguidor de doble eje, según la latitud. ^[67]^{[68] Los} rastreadores son efectivos en regiones que reciben una gran parte de la luz solar directamente. En luz difusa (es decir, bajo nubes o niebla), el seguimiento tiene poco o ningún valor. Porque la mayoría de la energía fotovoltaica concentradaLos sistemas son muy sensibles al ángulo de la luz solar, los sistemas de seguimiento les permiten producir energía útil durante más de un breve período cada día. ^[69] Los sistemas de seguimiento mejoran el rendimiento por dos razones principales. Primero, cuando un panel solar está perpendicular a la luz del sol, recibe más luz en su superficie que si estuviera en ángulo. En segundo lugar, la luz directa se usa de manera más eficiente que la luz en ángulo. ^[70] Los revestimientos antirreflectantes especiales pueden mejorar la eficiencia del panel solar para la luz directa y en ángulo, lo que reduce un poco el beneficio del seguimiento. ^[71]

Los rastreadores y sensores para optimizar el rendimiento a menudo se consideran opcionales, pero pueden aumentar la producción viable hasta en un 45%. ^{[72] Las} matrices que se acercan o superan un megavatio a menudo utilizan seguidores solares. Teniendo en cuenta las nubes, y el hecho de que la mayor parte del mundo no está en el ecuador y que el sol se pone por la noche, la medida correcta de la energía solar es la insolación , la cantidad promedio de kilovatios-hora por metro cuadrado por día. Para el clima y las latitudes de los Estados Unidos y Europa, la insolación típica varía de 2.26 kWh / m ² / día en climas del norte a 5.61 kWh / m ² / día en las regiones más soleadas. ^[73]^[74]

Para sistemas grandes, la energía obtenida mediante el uso de sistemas de seguimiento puede superar la complejidad adicional. Para sistemas muy grandes , el mantenimiento adicional del rastreo es un detrimento sustancial. ^[75] No se requiere seguimiento para sistemas fotovoltaicos de panel plano y de baja concentración . Para los sistemas fotovoltaicos de alta concentración, el seguimiento de doble eje es una necesidad. ^{[76] Las} tendencias de precios afectan el equilibrio entre agregar más paneles solares estacionarios versus tener menos paneles que rastrean.

A medida que los precios, la confiabilidad y el rendimiento de los seguidores de un solo eje han mejorado, los sistemas se han instalado en un porcentaje cada vez mayor de proyectos a escala de servicios públicos. Según los datos de WoodMackenzie / GTM Research, los envíos mundiales de seguidores solares alcanzaron un récord de 14,5 gigavatios en 2017. Esto representa un crecimiento del 32 por ciento año tras año, con un crecimiento similar o mayor proyectado a medida que se acelera el despliegue solar a gran escala. ^[77]

Inversor [ editar ]

Inversor central con desconexiones AC y DC (en el lateral), gateway de monitoreo, aislamiento del transformador y LCD interactivo.

Inversor de cadena (izquierda), medidor de generación y desconexión de CA (derecha). Una instalación moderna de 2013 en Vermont , Estados Unidos.

Los sistemas diseñados para suministrar corriente alterna (CA), como las aplicaciones conectadas a la red, necesitan un inversor para convertir la corriente continua (CC) de los módulos solares en CA. Los inversores conectados a la red deben suministrar electricidad de CA en forma sinusoidal, sincronizada con la frecuencia de la red, limitar la tensión de alimentación a no más que la tensión de la red y desconectarse de la red si la tensión de la red está apagada. ^[78] Los inversores en isla solo necesitan producir tensiones y frecuencias reguladas en forma de onda sinusoidal, ya que no se requiere sincronización o coordinación con los suministros de la red.

Un inversor solar puede conectarse a una serie de paneles solares. En algunas instalaciones un micro-inversor solar está conectado en cada panel solar. ^[79] Por razones de seguridad, se proporciona un disyuntor tanto en el lado de CA como en el de CC para permitir el mantenimiento. La salida de CA se puede conectar a través de un medidor de electricidad a la red pública. ^[80] El número de módulos en el sistema determina el total de vatios de CC que puede generar el panel solar; sin embargo, el inversor controla en última instancia la cantidad de vatios de CA que se pueden distribuir para el consumo. Por ejemplo, un sistema fotovoltaico que comprende 11 kilovatios CC (kW _CC) de módulos fotovoltaicos, junto con un inversor de 10 kilovatios CA (kW _CA ), se limitará a la salida del inversor de 10 kW. A partir de 2019, la eficiencia de conversión de los convertidores de última generación alcanzó más del 98 por ciento. Mientras que los inversores de cadena se utilizan en sistemas fotovoltaicos residenciales a comerciales de tamaño medio, los inversores centrales cubren el gran mercado comercial y de servicios públicos. La cuota de mercado de los inversores centrales y de cadena es de aproximadamente el 44 por ciento y el 52 por ciento, respectivamente, con menos del 1 por ciento para los microinversores. ^[81]

El seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) es una técnica que utilizan los inversores conectados a la red para obtener la máxima potencia posible de la matriz fotovoltaica. Para hacerlo, el sistema MPPT del inversor muestrea digitalmente la salida de potencia siempre cambiante del panel solar y aplica la resistencia adecuada para encontrar el punto de máxima potencia óptimo . ^[82]

Anti-islanding es un mecanismo de protección para apagar inmediatamente el inversor, evitando que genere energía CA cuando la conexión a la carga ya no existe. Esto sucede, por ejemplo, en el caso de un apagón. Sin esta protección, la línea de suministro se convertiría en una "isla" con energía rodeada por un "mar" de líneas sin energía, ya que la matriz solar continúa entregando energía de CC durante el corte de energía. El aislamiento es un peligro para los trabajadores de servicios públicos, que pueden no darse cuenta de que un circuito de CA todavía está encendido y puede evitar la reconexión automática de dispositivos. ^[83] La función Anti-Islanding no es necesaria para sistemas completos fuera de la red.

Mercado de inversores / convertidores en 2019
Tipo	Energía	Eficiencia ^(a)	Cuota de mercado ^(b)	Observaciones
Inversor de cadena	hasta 150 kW _p^(c)	98%	61,6%	Coste ^(b) 0,05-0,17 € por vatio-pico. Fácil de reemplazar.
Inversor central	por encima de 80 kW _p	98,5%	36,7%	0,04 € por vatio-pico. Alta fiabilidad. A menudo se vende junto con un contrato de servicio.
Microinversor	rango de potencia del módulo	90% –97%	1,7%	0,29 € por vatio-pico. Preocupaciones por la facilidad de reemplazo.
Convertidor CC / CC ( optimizador de energía )	rango de potencia del módulo	99,5%	5,1%	0,08 € por vatio-pico. Preocupaciones por la facilidad de reemplazo. Aún se necesita inversor.
Fuente: datos de IHS Markit 2020, comentarios de Fraunhofer ISE 2020, de: Photovoltaics Report 2020, p. 39, PDF ^[81] Notas : ^{(a) se} muestran las mejores eficiencias, ^(b) se estiman la participación de mercado y el costo por vatio, ^(c) kW _p = kilovatio -pico , ^(d) La participación de mercado total es superior al 100% porque los convertidores CC / CC deben emparejarse con inversores de cadena

Batería [ editar ]

Aunque siguen siendo costosos, los sistemas fotovoltaicos utilizan cada vez más baterías recargables para almacenar un excedente que luego se utilizará por la noche. Las baterías utilizadas para el almacenamiento en la red también estabilizan la red eléctrica al nivelar las cargas máximas y desempeñan un papel importante en una red inteligente , ya que pueden cargarse durante períodos de baja demanda y alimentar su energía almacenada a la red cuando la demanda es alta.

Las tecnologías de baterías comunes que se utilizan en los sistemas fotovoltaicos actuales incluyen la batería de plomo-ácido regulada por válvula , una versión modificada de la batería de plomo-ácido convencional , níquel-cadmio e iones de litio.baterías. En comparación con los otros tipos, las baterías de plomo-ácido tienen una vida útil más corta y una menor densidad de energía. Sin embargo, debido a su alta confiabilidad, baja autodescarga, así como bajos costos de inversión y mantenimiento, actualmente son la tecnología predominante utilizada en sistemas fotovoltaicos residenciales de pequeña escala, ya que las baterías de iones de litio aún se están desarrollando y aproximadamente 3,5 veces más. caro como las baterías de plomo-ácido. Además, como los dispositivos de almacenamiento para los sistemas fotovoltaicos son estacionarios, la menor energía y la densidad de potencia y, por lo tanto, el mayor peso de las baterías de plomo-ácido no son tan críticas como, por ejemplo, en el transporte eléctrico ^[9]^{: 4,9} Otras baterías recargables consideradas para Los sistemas fotovoltaicos distribuidos incluyen sodio-azufre ybaterías redox de vanadio , dos tipos prominentes de una sal fundida y una batería de flujo , respectivamente. ^[9]^{: 4} En 2015, Tesla Motors lanzó Powerwall , una batería recargable de iones de litio con el objetivo de revolucionar el consumo de energía. ^[84]

Los sistemas fotovoltaicos con una solución de batería integrada también necesitan un controlador de carga , ya que el voltaje y la corriente variables del panel solar requieren un ajuste constante para evitar daños por sobrecarga. ^[85] Los controladores de carga básicos pueden simplemente encender y apagar los paneles fotovoltaicos, o pueden medir pulsos de energía según sea necesario, una estrategia llamada PWM o modulación por ancho de pulso . Los controladores de carga más avanzados incorporarán la lógica MPPT en sus algoritmos de carga de la batería. Los controladores de carga también pueden desviar la energía para otros fines distintos a la carga de la batería. En lugar de simplemente apagar la energía fotovoltaica gratuita cuando no se necesita, un usuario puede optar por calentar aire o agua una vez que la batería esté llena.

Monitoreo y medición [ editar ]

La medición debe poder acumular unidades de energía en ambas direcciones, o se deben utilizar dos contadores. Muchos medidores se acumulan bidireccionalmente, algunos sistemas usan dos medidores, pero un medidor unidireccional (con tope) no acumulará energía de ninguna alimentación resultante a la red. ^[86] En algunos países, para instalaciones superiores a 30 kW p se requiere un monitor de frecuencia y tensión con desconexión de todas las fases. Esto se hace cuando se genera más energía solar de la que puede acomodar la empresa de servicios públicos, y el exceso no se puede exportar ni almacenar.. Los operadores de redes históricamente han necesitado proporcionar líneas de transmisión y capacidad de generación. Ahora también deben proporcionar almacenamiento. Normalmente se trata de hidroalmacenamiento, pero se utilizan otros medios de almacenamiento. Inicialmente, el almacenamiento se utilizó para que los generadores de carga base pudieran funcionar a pleno rendimiento. Con la energía renovable variable , el almacenamiento es necesario para permitir la generación de energía siempre que esté disponible y el consumo cuando sea necesario.

Un medidor de electricidad canadiense

Las dos variables que tiene un operador de red son almacenar electricidad para cuando se necesita o transmitirla a donde se necesita. Si ambos fallan, las instalaciones de más de 30kWp pueden apagarse automáticamente, aunque en la práctica todos los inversores mantienen la regulación de voltaje y dejan de suministrar energía si la carga es inadecuada. Los operadores de redes tienen la opción de reducir el exceso de generación de sistemas grandes, aunque esto se hace más comúnmente con energía eólica que con energía solar, y da como resultado una pérdida sustancial de ingresos. ^[87] Los inversores trifásicos tienen la opción única de suministrar energía reactiva, lo que puede resultar ventajoso para satisfacer los requisitos de carga. ^[88]

Los sistemas fotovoltaicos deben monitorearse para detectar averías y optimizar el funcionamiento. Existen varias estrategias de monitorización fotovoltaica en función del rendimiento de la instalación y su naturaleza. El monitoreo se puede realizar en el sitio o de forma remota. Puede medir solo la producción, recuperar todos los datos del inversor o recuperar todos los datos del equipo de comunicación (sondas, medidores, etc.). Las herramientas de monitoreo pueden dedicarse únicamente a la supervisión u ofrecer funciones adicionales. Los inversores individuales y los controladores de carga de la batería pueden incluir monitoreo usando protocolos y software específicos del fabricante. ^[89]La medición de energía de un inversor puede tener una precisión limitada y no ser adecuada para fines de medición de ingresos. Un sistema de adquisición de datos de terceros puede monitorear múltiples inversores, utilizando los protocolos del fabricante del inversor, y también adquirir información relacionada con el clima. Los medidores inteligentes independientes pueden medir la producción total de energía de un sistema de matriz FV. Se pueden usar medidas separadas como el análisis de imágenes de satélite o un medidor de radiación solar (un piranómetro ) para estimar la insolación total para comparar. ^{[90] Los} datos recopilados de un sistema de monitoreo se pueden mostrar de forma remota en la World Wide Web, como OSOTF . ^[91]^[92]^[93]^[94]

Otros sistemas [ editar ]

Esta sección incluye sistemas que son altamente especializados y poco comunes o que aún son una nueva tecnología emergente con importancia limitada. Sin embargo, independienteo los sistemas fuera de la red ocupan un lugar especial. Eran el tipo de sistema más común durante las décadas de 1980 y 1990, cuando la tecnología fotovoltaica todavía era muy cara y era un nicho de mercado puro de aplicaciones a pequeña escala. Solo en lugares donde no había red eléctrica disponible, eran económicamente viables. Aunque todavía se están implementando nuevos sistemas autónomos en todo el mundo, su contribución a la capacidad fotovoltaica total instalada está disminuyendo. En Europa, los sistemas fuera de la red representan el 1 por ciento de la capacidad instalada. En los Estados Unidos, representan alrededor del 10 por ciento. Los sistemas fuera de la red todavía son comunes en Australia y Corea del Sur, y en muchos países en desarrollo. ^[8]^{: 14}

CPV [ editar ]

Concentrador fotovoltaico (CPV) en Cataluña , España

Los sistemas fotovoltaicos de concentración (CPV) y fotovoltaicos de alta concentración (HCPV) utilizan lentes ópticas o espejos curvos para concentrar la luz solar en células solares pequeñas pero altamente eficientes. Además de la óptica de concentración, los sistemas CPV a veces utilizan seguidores solares y sistemas de refrigeración y son más caros.

Especialmente los sistemas HCPV se adaptan mejor a ubicaciones con alta irradiancia solar, concentrando la luz solar hasta 400 veces o más, con eficiencias del 24 al 28 por ciento, superiores a las de los sistemas regulares. Hay varios diseños de sistemas disponibles comercialmente, pero no son muy comunes. Sin embargo, se están llevando a cabo investigaciones y desarrollo en curso. ^[1]^{: 26}

El CPV se confunde a menudo con CSP ( energía solar concentrada ) que no utiliza energía fotovoltaica. Ambas tecnologías favorecen lugares que reciben mucha luz solar y compiten directamente entre sí.

Híbrido [ editar ]

Un sistema híbrido eólico-solar fotovoltaico

Un sistema híbrido combina la energía fotovoltaica con otras formas de generación, generalmente un generador diésel. También se utiliza biogás. La otra forma de generación puede ser un tipo capaz de modular la producción de energía en función de la demanda. Sin embargo, se puede utilizar más de una forma de energía renovable, por ejemplo, la eólica. La generación de energía fotovoltaica sirve para reducir el consumo de combustible no renovable. Los sistemas híbridos se encuentran con mayor frecuencia en islas. La isla de Pellworm en Alemania y la isla de Kythnos en Grecia son ejemplos notables (ambas se combinan con el viento). ^[95]^[96] La planta de Kythnos ha reducido el consumo de diésel en un 11,2%. ^[97]

En 2015, un estudio de caso realizado en siete países concluyó que, en todos los casos, los costos de generación pueden reducirse mediante la hibridación de minirredes y redes aisladas. Sin embargo, los costos de financiamiento para tales híbridos son cruciales y dependen en gran medida de la estructura de propiedad de la central eléctrica. Si bien las reducciones de costos para los servicios públicos estatales pueden ser significativas, el estudio también identificó que los beneficios económicos son insignificantes o incluso negativos para los servicios públicos no públicos, como los productores de energía independientes . ^[98]^[99]

También se han realizado trabajos que demuestran que el límite de penetración fotovoltaica se puede aumentar mediante el despliegue de una red distribuida de sistemas híbridos fotovoltaicos + CHP en los EE ^. UU. ^[100] Se analizó la distribución temporal del flujo solar, los requisitos eléctricos y de calefacción para residencias unifamiliares representativas de EE. y los resultados muestran claramente que la hibridación de CHP con PV puede permitir un despliegue de PV adicional por encima de lo que es posible con un sistema de generación eléctrica centralizado convencional. Esta teoría fue reconfirmada con simulaciones numéricas utilizando datos de flujo solar por segundo para determinar que la batería de respaldo necesaria para proporcionar un sistema híbrido de este tipo es posible con sistemas de batería relativamente pequeños y económicos. ^[101]Además, los grandes sistemas PV + CHP son posibles para edificios institucionales, que nuevamente brindan respaldo para PV intermitentes y reducen el tiempo de ejecución de CHP. ^[102]

El sistema PVT (PV / T híbrido), también conocido como colectores solares híbridos térmicos fotovoltaicos, convierte la radiación solar en energía térmica y eléctrica. Dicho sistema combina un módulo solar (FV) con un colector solar térmico de forma complementaria.
Sistema CPVT . Un sistema híbrido térmico fotovoltaico concentrado (CPVT) es similar a un sistema PVT. Utiliza energía fotovoltaica concentrada (CPV) en lugar de tecnología fotovoltaica convencional y la combina con un colector solar térmico.
Sistema CPV / CSP . Se ha propuesto un novedoso sistema híbrido solar CPV / CSP, que combina la energía fotovoltaica de concentrador con la tecnología no fotovoltaica de energía solar concentrada (CSP), o también conocida como energía solar térmica concentrada. ^[103]
Sistema fotovoltaico diesel . Combina un sistema fotovoltaico con un generador diesel . ^{[104] Las} combinaciones con otras energías renovables son posibles e incluyen turbinas eólicas . ^[105]

Paneles solares flotantes [ editar ]

Los paneles solares flotantes son sistemas fotovoltaicos que flotan en la superficie de depósitos de agua potable, lagos de canteras, canales de riego o estanques de remediación y relaves. Estos sistemas se denominan "sistemas floatovoltaicos" cuando se utilizan únicamente para la producción eléctrica o "sistemas acuáticos" cuando se utilizan para mejorar sinérgicamente la acuicultura . ^[106] Existe un pequeño número de estos sistemas en Francia, India, Japón, Corea del Sur, Reino Unido, Singapur y Estados Unidos. ^[107]^[108]^[109]^[110]^[111]

Se dice que los sistemas tienen ventajas sobre la energía fotovoltaica en tierra. El costo de la tierra es más caro y hay menos reglas y regulaciones para las estructuras construidas sobre cuerpos de agua que no se usan para recreación. A diferencia de la mayoría de las plantas solares terrestres, las matrices flotantes pueden ser discretas porque están ocultas a la vista del público. Alcanzan una mayor eficiencia que los paneles fotovoltaicos en tierra, porque el agua enfría los paneles. Los paneles tienen un revestimiento especial para evitar la oxidación o la corrosión. ^[112]

En mayo de 2008, la bodega Far Niente en Oakville, California, fue pionera en el primer sistema floatovoltaico del mundo al instalar 994 módulos solares fotovoltaicos con una capacidad total de 477 kW en 130 pontones y flotarlos en el estanque de riego de la bodega. ^[113] El beneficio principal de un sistema de este tipo es que evita la necesidad de sacrificar una superficie de tierra valiosa que podría utilizarse para otro propósito. En el caso de la bodega Far Niente, ahorró 0.75 acres (0.30 ha) que se habrían requerido para un sistema basado en tierra. ^[114]Otro beneficio de un sistema floatovoltaico es que los paneles se mantienen a una temperatura más fría que en tierra, lo que conduce a una mayor eficiencia de conversión de energía solar. La matriz fotovoltaica flotante también reduce la cantidad de agua que se pierde por evaporación e inhibe el crecimiento de algas. ^[115]

Se están comenzando a construir granjas fotovoltaicas flotantes a escala de servicios públicos. El fabricante multinacional de electrónica y cerámica Kyocera desarrollará la granja más grande del mundo, de 13,4 MW, en el embalse sobre la presa de Yamakura en la prefectura de Chiba ^[116] utilizando 50.000 paneles solares. ^[117]^[118] Las granjas flotantes resistentes al agua salada también se están considerando para uso oceánico, con experimentos en Tailandia. ^[119] El proyecto floatovoltaico más grande anunciado hasta ahora es una central eléctrica de 350 MW en la región amazónica de Brasil. ^[120]

Cuadrícula de corriente continua [ editar ]

Las redes de CC se encuentran en el transporte eléctrico: ferrocarriles, tranvías y trolebuses. Se han construido algunas plantas piloto para tales aplicaciones, como los depósitos de tranvías en Hannover Leinhausen, utilizando contribuyentes fotovoltaicos ^[121] y Ginebra (Bachet de Pesay). ^[122] El emplazamiento de Ginebra de 150 kW _p alimenta 600 V CC directamente a la red eléctrica de tranvía / trolebús, mientras que antes proporcionaba alrededor del 15% de la electricidad en su inauguración en 1999.

Ser único[ editar ]

Parquímetro solar en Edimburgo , Escocia

Un sistema autónomo o fuera de la red no está conectado a la red eléctrica . Los sistemas autónomos varían mucho en tamaño y aplicación, desde relojes de pulsera o calculadoras hasta edificios remotos o naves espaciales . Si la carga se va a suministrar independientemente de la insolación solar , la energía generada se almacena y se amortigua con una batería. ^[123] En aplicaciones no portátiles donde el peso no es un problema, como en edificios, las baterías de plomo-ácido se utilizan con mayor frecuencia por su bajo costo y tolerancia al abuso.

Se puede incorporar un controlador de carga en el sistema para evitar daños a la batería por una carga o descarga excesiva. También puede ayudar a optimizar la producción de la matriz solar utilizando una técnica de seguimiento del punto de máxima potencia ( MPPT ). Sin embargo, en sistemas fotovoltaicos simples en los que el voltaje del módulo fotovoltaico coincide con el voltaje de la batería, el uso de componentes electrónicos MPPT generalmente se considera innecesario, ya que el voltaje de la batería es lo suficientemente estable como para proporcionar una recolección de energía casi máxima del módulo fotovoltaico. En dispositivos pequeños (por ejemplo, calculadoras, parquímetros) solo se consume corriente continua (CC). En sistemas más grandes (por ejemplo, edificios, bombas de agua remotas) generalmente se requiere aire acondicionado. Para convertir la CC de los módulos o baterías en CA, se utiliza un inversor .

En entornos agrícolas , la matriz se puede utilizar para alimentar directamente bombas de CC , sin la necesidad de un inversor . En entornos remotos como áreas montañosas, islas u otros lugares donde no hay una red eléctrica disponible, los paneles solares se pueden usar como la única fuente de electricidad, generalmente cargando una batería de almacenamiento . Los sistemas autónomos se relacionan estrechamente con la microgeneración y la generación distribuida .

Sistemas fotovoltaicos pico

Los sistemas fotovoltaicos más pequeños, a menudo portátiles, se denominan sistemas fotovoltaicos pico solares o pico solar. En su mayoría combinan una batería recargable y un controlador de carga, con un panel fotovoltaico muy pequeño. La capacidad nominal del panel es de unos pocos vatios pico (1–10 W _p ) y su área es de menos de 0,1 metros cuadrados (1 pie cuadrado). Una amplia gama de aplicaciones diferentes pueden funcionar con energía solar, como reproductores de música, ventiladores, lámparas portátiles, luces de seguridad, kits de iluminación solar, linternas solares y alumbrado público (ver más abajo) , cargadores de teléfonos, radios o incluso una pequeña pantalla LCD de siete pulgadas. televisores, que funcionan con menos de diez vatios. Como es el caso de la generación de energía a partir de pico hidro, los sistemas pico fotovoltaicos son útiles en comunidades rurales pequeñas que requieren solo una pequeña cantidad de electricidad. Dado que la eficiencia de muchos electrodomésticos ha mejorado considerablemente, en particular debido al uso de luces LED y baterías recargables eficientes, el pico solar se ha convertido en una alternativa asequible, especialmente en el mundo en desarrollo. ^[124] El prefijo métrico pico- representa una billonésima parte para indicar la pequeñez de la energía eléctrica del sistema.

Farolas solares

Las luces solares de la calle fuentes de luz elevadas que son alimentadas por paneles fotovoltaicos generalmente montados en la estructura de iluminación. La matriz solar de dicho sistema fotovoltaico fuera de la red carga una batería recargable , que alimenta una lámpara fluorescente o LED durante la noche. Las farolas solares son sistemas de energía independientes y tienen la ventaja de ahorrar en costos de zanjas, jardinería y mantenimiento, así como en las facturas de electricidad, a pesar de su costo inicial más alto en comparación con el alumbrado público convencional. Están diseñados con baterías lo suficientemente grandes para garantizar el funcionamiento durante al menos una semana e incluso en la peor situación, se espera que se atenúen solo ligeramente.

Telecomunicación y señalización

La energía solar fotovoltaica es ideal para aplicaciones de telecomunicaciones como centrales telefónicas locales, radiodifusión de radio y televisión, microondas y otras formas de enlaces de comunicación electrónica. En la mayoría de las aplicaciones de telecomunicaciones, las baterías de almacenamiento ya están en uso y el sistema eléctrico es básicamente CC. En terrenos montañosos y montañosos, es posible que las señales de radio y televisión no lleguen ya que se bloquean o se reflejan debido al terreno ondulado. En estos lugares, se instalan transmisores de baja potencia para recibir y retransmitir la señal para la población local. ^[125]

Vehículos solares

Los vehículos solares , ya sean terrestres, acuáticos, aéreos o espaciales, pueden obtener del sol parte o toda la energía necesaria para su funcionamiento. Los vehículos de superficie generalmente requieren niveles de energía más altos que los que pueden soportar una matriz solar de tamaño práctico, por lo que una batería ayuda a satisfacer la demanda máxima de energía y la matriz solar la recarga. Los vehículos espaciales han utilizado con éxito sistemas solares fotovoltaicos durante años de funcionamiento, eliminando el peso del combustible o las baterías primarias.

Bombas solares

Una de las aplicaciones solares más rentables es una bomba de energía solar, ya que es mucho más barato comprar un panel solar que operar líneas eléctricas. ^[126]^[127]^[128] A menudo satisfacen una necesidad de agua más allá del alcance de las líneas eléctricas, reemplazando un molino de viento o una bomba de viento . Una aplicación común es el llenado de tanques de agua para ganado, para que el ganado en pastoreo pueda beber. Otro es el llenado de tanques de almacenamiento de agua potable en hogares remotos o autosuficientes.

Astronave

Los paneles solares en naves espaciales han sido una de las primeras aplicaciones de la energía fotovoltaica desde el lanzamiento de Vanguard 1 en 1958, el primer satélite en utilizar células solares. A diferencia del Sputnik , el primer satélite artificial en orbitar el planeta, que se quedó sin baterías en 21 días debido a la falta de energía solar, la mayoría de los satélites de comunicaciones y sondas espaciales modernas en el sistema solar interior dependen del uso de paneles solares para derivar la electricidad de la luz solar. ^[129]^[130]

Hágalo usted mismo comunidad

Con un interés creciente en la energía verde respetuosa con el medio ambiente, los aficionados de la comunidad del bricolaje se han esforzado por construir sus propios sistemas solares fotovoltaicos a partir de kits ^[131] o en parte de bricolaje . ^[132] Por lo general, la comunidad de bricolaje utiliza sistemas económicos ^[133] o de alta eficiencia ^[134] (como los que tienen seguimiento solar ) para generar su propia energía. Como resultado, los sistemas de bricolaje a menudo terminan siendo más baratos que sus contrapartes comerciales. ^[135] A menudo, el sistema también está conectado a la red eléctrica regular , utilizando medición neta.en lugar de una batería de respaldo. Estos sistemas generalmente generan una cantidad de energía de ~ 2 kW o menos. A través de Internet, la comunidad ahora puede obtener planes para construir (en parte) el sistema y existe una tendencia creciente a construirlos para los requisitos domésticos.

Galería de sistemas autónomos

Foto de perfil de un generador de energía solar móvil
Paneles solares en un pequeño yate para cargar baterías de 12 voltios hasta 9 amperios
Una estación de carga móvil para vehículos eléctricos en Francia
Concepto artístico de la nave espacial Juno en órbita alrededor de Júpiter : la nave espacial más lejana alimentada por células solares
Una marca lateral , puerto de Otago , Nueva Zelanda
Valla eléctrica con energía solar, en Harwood Northumberland, Reino Unido.
Barco marinero solar, Darling Harbour, Sydney, Australia.
Encendido de una yurta en Mongolia
Una calculadora solar
Una luz de navegación solar
Iluminación solar de vías en invierno ( Steamboat Springs , EE. UU.).
Faro de energía solar en Escocia
Un pequeño sistema de bomba de agua solar.
Coche solar . El ganador japonés del World Solar Challenge 2009 en Australia.
Un cargador de teléfono celular solar
Un ventilador de energía solar
Reloj de energía solar
Un compactador de basura con energía solar, Jersey City , EE. UU.
Una planta de tratamiento de aguas residuales solar en Santuari de Lluc , España
Solar Impulse , un avión eléctrico
Estación de alquiler de bicicletas compartidas, Budapest , Hungría

Costos y economía [ editar ]

Precios medios de sistemas instalados para sistemas fotovoltaicos residenciales
en Japón , Alemania y Estados Unidos ($ / W)

Historia de los precios de los techos solares 2006-2013. Comparación en US $ por vatio instalado. ^[136]^[137]

El costo de producir células fotovoltaicas se ha reducido debido a las economías de escala en la producción y los avances tecnológicos en la fabricación. Para las instalaciones a gran escala, los precios por debajo de $ 1,00 por vatio eran comunes en 2012. ^[138] Se logró una disminución de precios del 50% en Europa de 2006 a 2011 y existe la posibilidad de reducir el costo de generación en un 50% para 2020. ^[139] Las células solares de silicio cristalino han sido reemplazadas en gran medida por células solares de silicio multicristalino menos costosas, y las células solares de silicio de película delgada también se han desarrollado a costos de producción más bajos. Aunque se reducen en eficiencia de conversión de energía a partir de "siwafers" monocristalinos, también son mucho más fáciles de producir a costos comparativamente más bajos. ^[140]

La siguiente tabla muestra el costo total (promedio) en centavos de dólar por kWh de electricidad generada por un sistema fotovoltaico. ^[141]^[142] Los encabezados de las filas de la izquierda muestran el costo total, por kilovatio pico (kW _p ), de una instalación fotovoltaica. Los costos de los sistemas fotovoltaicos han ido disminuyendo y en Alemania, por ejemplo, se informó que habían caído a USD 1389 / kW _{p a} fines de 2014. ^[143] Los títulos de las columnas en la parte superior se refieren a la producción anual de energía en kWh esperada de cada uno. kW instalados _p . Esto varía según la región geográfica porque la insolación promediodepende de la nubosidad media y del espesor de la atmósfera atravesada por la luz solar. También depende de la trayectoria del sol en relación con el panel y el horizonte. Los paneles generalmente se montan en un ángulo basado en la latitud y, a menudo, se ajustan estacionalmente para adaptarse a la declinación solar cambiante . El seguimiento solar también se puede utilizar para acceder a una luz solar aún más perpendicular, aumentando así la producción total de energía.

Los valores calculados en la tabla reflejan el costo total (promedio) en centavos por kWh producido. Asumen un coste de capital total del 10% (por ejemplo , un tipo de interés del 4% , un coste de funcionamiento y mantenimiento del 1% ^[144] y la depreciación del desembolso de capital durante 20 años). Normalmente, los módulos fotovoltaicos tienen una garantía de 25 años. ^[145]^[146]

Costo de kilovatios-hora generados por un sistema fotovoltaico (¢ US / kWh)
dependiendo de la radiación solar y el costo de instalación durante 20 años de operación

Costo de instalación en
$ por vatio

Aislamiento generado anualmente en kilovatios-hora por kW-capacidad instalada (kWh / (kWp • y))

2400

2200

2000

1800

1600

1400

1200

1000

800

0,20 USD

0,8

0,9

1.0

1.1

1.3

1.4

1,7

2.0

2.5

0,60 USD

2.5

2,7

3,0

3.3

3.8

4.3

5,0

6.0

7.5

$ 1,00

4.2

4.5

5,0

5,6

6.3

7.1

8.3

10.0

12,5

$ 1,40

5.8

6.4

7.0

7.8

8.8

10.0

11,7

14.0

17,5

$ 1,80

7.5

8.2

9.0

10.0

11,3

12,9

15.0

18,0

22,5

$ 2.20

9.2

10.0

11,0

12,2

13,8

15,7

18,3

22,0

27,5

$ 2.60

10,8

11,8

13,0

14,4

16,3

18,6

21,7

26,0

32,5

$ 3.00

12,5

13,6

15.0

16,7

18,8

21,4

25,0

30,0

37,5

$ 3.40

14,2

15,5

17.0

18,9

21,3

24,3

28,3

34,0

42,5

$ 3.80

15,8

17.3

19,0

21,1

23,8

27,1

31,7

38,0

47,5

$ 4.20

17,5

19,1

21,0

23,3

26,3

30,0

35,0

42,0

52,5

$ 4.60

19,2

20,9

23,0

25,6

28,8

32,9

38,3

46,0

57,5

$ 5,00

20,8

22,7

25,0

27,8

31,3

35,7

41,7

50,0

62,5

EE.UU

Japón

Alemania

Costo del sistema de azotea pequeño y promedio. insolación aplicada a la tabla de datos, en 2013

Notas:

Costo por vatio para el sistema de techo en 2013: Japón $ 4,64, ^[136] Estados Unidos $ 4,92, ^[136] y Alemania $ 2,05 ^[137]
Kilovatio-hora generado por vatio-pico instalado, basado en la insolación promedio para Japón (1500 kWh / m ² / año), Estados Unidos (5,0 a 5,5 kWh / m ² / día), ^[147] y Alemania (1000 a 1200 kWh / m ² / año).
Un estudio de 2013 realizado por Fraunhofer ISE concluye que el costo del LCOE para un sistema fotovoltaico pequeño es de $ 0.16 (€ 0.12) en lugar de $ 0.22 por kilovatio-hora como se muestra en la tabla (Alemania).

Costo del sistema 2013 [ editar ]

En su edición de 2014 del informe "Technology Roadmap: Solar Photovoltaic Energy", la Agencia Internacional de Energía (AIE) publicó precios en dólares estadounidenses por vatio para sistemas fotovoltaicos residenciales, comerciales y de servicios públicos para ocho mercados principales en 2013. ^[7]

Precios típicos del sistema fotovoltaico en 2013 en países seleccionados (USD)
USD / W	Australia	porcelana	Francia	Alemania	Italia	Japón	Reino Unido	Estados Unidos
Residencial	1.8	1,5	4.1	2.4	2.8	4.2	2.8	4.9
Comercial	1,7	1.4	2,7	1.8	1,9	3.6	2.4	4.5
Escala de utilidad	2.0	1.4	2.2	1.4	1,5	2.9	1,9	3.3
Fuente : IEA - Hoja de ruta tecnológica: Informe sobre energía solar fotovoltaica ^[7]^{: 15}

Curva de aprendizaje [ editar ]

Los sistemas fotovoltaicos demuestran una curva de aprendizaje en términos de costo nivelado de la electricidad (LCOE), reduciendo su costo por kWh en un 32,6% por cada duplicación de capacidad. ^[148]^[149]^[150] A partir de los datos de LCOE y capacidad instalada acumulada de la Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA) de 2010 a 2017, ^[149]^[150] la ecuación de la curva de aprendizaje para sistemas fotovoltaicos se da como ^[148]

$LCOE_{photovoltaic}=151.46\,Capacity^{-0.57}$

LCOE: costo nivelado de la electricidad (en USD / kWh)
Capacidad: capacidad instalada acumulada de sistemas fotovoltaicos (en MW)

Reglamento [ editar ]

Icono de microgeneración .

Estandarización [ editar ]

El uso cada vez mayor de sistemas fotovoltaicos y la integración de la energía fotovoltaica en las estructuras y técnicas existentes de suministro y distribución aumentan la necesidad de normas y definiciones generales para los componentes y sistemas fotovoltaicos. ^{[ cita requerida ]} Las normas se compilan en la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) y se aplican a la eficiencia, durabilidad y seguridad de las celdas, módulos, programas de simulación, conectores y cables, sistemas de montaje, eficiencia general de los inversores, etc. ^[151]

Regulaciones nacionales [ editar ]

Reino Unido

En el Reino Unido, las instalaciones fotovoltaicas generalmente se consideran desarrollos permitidos y no requieren permiso de construcción. Si la propiedad está en la lista o en un área designada (Parque Nacional, Área de Excepcional Belleza Natural, Sitio de Especial Interés Científico o Norfolk Broads), entonces se requiere permiso de planificación. ^[152]

Estados Unidos

En los Estados Unidos, el artículo 690 del Código Eléctrico Nacional proporciona pautas generales para la instalación de sistemas fotovoltaicos; estos pueden ser reemplazados por las leyes y regulaciones locales. A menudo, se requiere un permiso que requiere la presentación de planos y cálculos estructurales antes de que pueda comenzar el trabajo. Además, muchos lugares requieren que el trabajo se realice bajo la guía de un electricista autorizado.

En los Estados Unidos , la Autoridad con Jurisdicción (AHJ) revisará los diseños y emitirá los permisos antes de que la construcción pueda comenzar legalmente. Las prácticas de instalación eléctrica deben cumplir con los estándares establecidos en el Código Eléctrico Nacional (NEC) y ser inspeccionadas por la autoridad competente para garantizar el cumplimiento del código de construcción , el código eléctrico y el código de seguridad contra incendios . Las jurisdicciones pueden requerir que el equipo haya sido probado, certificado, listado y etiquetado por al menos uno de los laboratorios de pruebas reconocidos a nivel nacional (NRTL). . ^[153]En los EE. UU., Muchas localidades requieren un permiso para instalar un sistema fotovoltaico. Un sistema conectado a la red normalmente requiere que un electricista autorizado se conecte entre el sistema y el cableado del edificio conectado a la red. ^{[154] Los} instaladores que cumplen con estas calificaciones se encuentran en casi todos los estados. ^[153] Varios estados prohíben a las asociaciones de propietarios restringir los dispositivos solares. ^[155]^[156]^[157]

España

Aunque España genera alrededor del 40% de su electricidad a través de fuentes de energía fotovoltaica y otras renovables, y ciudades como Huelva y Sevilla cuentan con casi 3.000 horas de sol al año, en 2013 España emitió un impuesto solar para dar cuenta de la deuda creada por la inversión realizada. por el gobierno español. Quienes no se conecten a la red pueden enfrentarse a una multa de 30 millones de euros (40 millones de dólares). ^[158]^[159] Dichas medidas se retiraron finalmente en 2018, cuando se introdujo una nueva legislación que prohíbe cualquier impuesto sobre el autoconsumo de energía renovable. ^[160]

Limitaciones [ editar ]

Contaminación y energía en la producción fotovoltaica [ editar ]

La energía fotovoltaica ha sido un método bien conocido para generar electricidad limpia y libre de emisiones. Los sistemas fotovoltaicos a menudo están hechos de módulos fotovoltaicos e inversores (cambiando CC a CA). Los módulos fotovoltaicos están hechos principalmente de células fotovoltaicas, lo que no tiene una diferencia fundamental con el material para fabricar chips de computadora. El proceso de producción de células fotovoltaicas (chips de computadora) consume mucha energía e involucra sustancias químicas altamente venenosas y tóxicas para el medio ambiente. Hay pocas plantas de fabricación fotovoltaica en todo el mundo que produzcan módulos fotovoltaicos con energía producida a partir de fotovoltaica. Esta medida reduce en gran medida la huella de carbono durante el proceso de fabricación. La gestión de los productos químicos utilizados en el proceso de fabricación está sujeta a las leyes y normativas locales de las fábricas.

Impacto en la red eléctrica [ editar ]

Con los niveles crecientes de los sistemas fotovoltaicos en los tejados, el flujo de energía se vuelve bidireccional. Cuando hay más generación local que consumo, la electricidad se exporta a la red. Sin embargo, la red eléctrica tradicionalmente no está diseñada para lidiar con la transferencia de energía bidireccional. Por lo tanto, pueden surgir algunos problemas técnicos. Por ejemplo, en Queensland Australia, había más del 30% de hogares con energía fotovoltaica en la azotea a fines de 2017. La famosa curva de pato californiana 2020 aparece con mucha frecuencia en muchas comunidades a partir de 2015. Puede surgir un problema de sobretensión a medida que la electricidad fluye de regreso a la red. ^[161] Existen soluciones para gestionar el problema de la sobretensión, como regular el factor de potencia del inversor fotovoltaico, nuevos equipos de control de tensión y energía a nivel de distribuidor de electricidad, volver a conducir los cables de electricidad, gestión del lado de la demanda, etc. A menudo existen limitaciones y costes relacionados con estas soluciones.

Implicación en la gestión de facturas de electricidad y la inversión energética [ editar ]

Los clientes tienen diferentes situaciones específicas, por ejemplo, diferentes necesidades de comodidad / conveniencia, diferentes tarifas de electricidad o diferentes patrones de uso. Una tarifa de electricidad puede tener algunos elementos, como el acceso diario y el cargo de medición, el cargo de energía (basado en kWh, MWh) o el cargo por demanda pico (por ejemplo, un precio por el mayor consumo de energía de 30 minutos en un mes). La energía fotovoltaica es una opción prometedora para reducir la carga de energía cuando el precio de la electricidad es razonablemente alto y aumenta continuamente, como en Australia y Alemania. Sin embargo, para los sitios con un cargo por demanda máxima, la fotovoltaica puede ser menos atractiva si las demandas pico ocurren principalmente al final de la tarde o temprano en la noche, por ejemplo, comunidades residenciales. General,La inversión en energía es en gran medida una decisión económica y las decisiones de inversión se basan en la evaluación sistemática de opciones de mejora operativa, eficiencia energética, generación in situ y almacenamiento de energía.^[162]^[163]

Ver también [ editar ]

Gestión de la demanda energética
Lista de centrales fotovoltaicas
Lista de instalaciones fotovoltaicas en azoteas
Centrales fotovoltaicas
Energía renovable
Estación de energía fotovoltaica en la azotea
Energía solar
Vehículo solar

Referencias [ editar ]

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