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INDICE
OBJETIVOS 2
INTRODUCCION 3
ENERGÍA RENOVABLES Y MEDIO AMBIENTE
6
EL SOL COMO PRINCIPAL FUENTE DE ENERGÍA
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ENERGÍA SOLAR 9
ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA 11
EL EFECTO FOTOVOLTAICO 15
TIPOS DE PANELES SOLARES 22
PRINCIPALES ELEMENTOS 29
MANTENIMIENTO DE INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS
45
PRINCIPALES AVERÍAS EN FOTOVOLTAICA
50
ANALISIS DE ECONOMICOS COMPARATIVOS
51
VENTAJAS DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
57
DESVENTAJAS DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
58
INVESTIGACIÓN Y ESTUDIO DE
MERCADO
59
BIBLIOGRAFIA 62
1
1. OBJETIVOS
Este trabajo está orientado al aprendizaje, dada la importancia de las nuevas
tecnologías en el campo de la electricidad, en nuestro caso veremos todo lo
que se debe saber en centrales fotovoltaicas, para el mejor aprovechamiento
de esta.
2
2. INTRODUCCION
LAS ENERGÍAS RENOVABLES
A medida que una sociedad es más desarrollada consume más energía. Pero la
energía que se obtiene del carbón, del petróleo y del gas no se renueva y se va
agotando año tras año.
Lo inteligente es ir aprovechando otras fuentes de energía que están a nuestro lado:
viento, sol, residuos, etc., las cuales son renovables año tras año, no se agotan y
además no contaminan el ambiente, lo que significa una doble ventaja para los
ciudadanos.
Energías renovables y no renovables
Energías renovables:
SOLAR – HIDRÁULICA – EÓLICA – BIOMASA – MAREOMOTIRZ –
ENERGÍA DE LAS OLAS – GEOTÉRMICA
Energías no renovables:
CARBÓN – PETRÓLEO – GAS NATURAL
El consumo de energía es necesario para el desarrollo económico y social de los
países. Sin embargo, es necesario utilizar fuentes energéticas diferentes de las
tradicionales por las siguientes razones:
Las energías no renovables se van agotando.
Pueden producir impactos negativos en el medio ambiente.
No aseguran el abastecimiento energético desde el exterior.
Las energías renovables proceden del sol, del viento, del agua de los ríos, del mar,
del interior de la tierra y de los residuos. Hoy por hoy, constituyen un complemento a
las energías convencionales fósiles (carbón, petróleo, gas natural) cuyo consumo
actúa, cada vez más elevado, esta provocando el agotamiento de los recursos y graves
problemas ambientales.
3
Se pueden destacar las siguientes ventajas de las energías renovables respecto a
las energías convencionales
Ventajas E. Renovables vs. E. Convencionales
Clasificación de las Energías Renovables
Dependiendo de los recursos naturales utilizados, se distinguen distintos tipos de
energías renovables:
o Energía Solar
Energía Solar Térmica
Energía Solar Fotovoltaica
o Energía Eólica
o Energía Mini hidráulica
o Energía de la Biomasa
o Energía Mareomotriz y de las Olas
o Energía Geotérmica
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E. Renovables E. ConvencionalesLas energías renovables no Las energías producidasproducen emisiones de CO2 a partir de combustibles fósilesy otros gases contaminantes (petróleo, gas y carbón)a la atmósfera sí los producen
Ventajas Las energías renovables no La energía nuclear y losmedioambientales generan residuos de difícil combustibles fósiles generan
tratamiento residuos que suponen durantegeneraciones una amenazapara el medioambiente
Las energías renovables Los combustibles fósilesson inagotables son finitosLas energías renovables Los combustibles fósiles existen
Ventajas son autóctonas solo en un número limitadoestratégicas de países
Las energías renovables Los combustibles fósiles sondisminuyen la dependencia exterior importados en un alto porcentajeLas energías renovables crean cinco Las energías tradicionales creanveces más puestos de trabajo muy pocos puestos de trabajo
Ventajas que las convencionales respecto a su volumen de negociosocioeconómicas Las energías renovables han Las energías tradicionales
permitido a otros países desarrollar utilizan en su gran mayoría tecnologías propias tecnología importada
Paneles Solares
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3. ENERGÍA RENOVABLES Y MEDIO AMBIENTE
La creciente y excesiva dependencia energética exterior de Ecuador y la necesidad
de preservar el medioambiente y asegurar un desarrollo sostenible, obligan al fomento
de fórmulas eficaces para un uso eficiente de la energía y la utilización de fuentes
limpias. Las energías renovables, más que fuentes energéticas autóctonas e
inagotables, permiten reducir la dependencia energética exterior contribuyendo a
asegurar el suministro futuro.
Otro aspecto muy importante a considerar es que el utilizar energías renovables no
contribuye al efecto invernadero ni al cambio climático.
El cambio climático
El sector energético es la fuente más importante de gases de efecto invernadero.
Los principales gases producidos son el CO2 y el CH4 derivados de la quema de
combustibles fósiles, así como el de las minas de carbón, y de las instalaciones de
hidrocarburos y gas.
Las investigaciones del Grupo Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC)
ponen de manifiesto que las emisiones de dióxido de carbono y otros gases de efecto
invernadero de origen humano, elevarán la temperatura media mundial entre 1.4 y 5.8
ºC para finales de siglo. Dichos gases influirán también en las pautas metereológicas,
los recursos hídricos, los ciclos de las estaciones, los ecosistemas y los
acontecimientos climáticos extremos.
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4. EL SOL COMO PRINCIPAL FUENTE DE ENERGÍA
El Sol, fuente de vida y origen de las demás formas de energía que el hombre ha
utilizado desde los albores de la Historia, puede satisfacer todas nuestras necesidades,
si aprendemos cómo aprovechar de forma racional la luz que continuamente derrama
sobre el planeta. Ha brillado en el cielo desde hace unos cinco mil millones de años, y
se calcula que todavía no ha llegado ni a la mitad de su existencia.
Durante el presente año, el Sol arrojará sobre la Tierra cuatro mil veces más energía
que la que se va a consumir, de acuerdo al criterio de la organización CENSOLAR.
Ecuador, por su privilegiada situación y climatología, se ve particularmente
favorecida respecto al resto de los países de Latinoamérica, ya que sobre cada metro
cuadrado de su suelo inciden al año unos 1.500 kilovatios-hora de energía, según el
INOCAR, cifra superior a la de muchas regiones de Europa Central y Sudeste asiático,
donde el uso de energía solar no es una novedad. Esta energía puede aprovecharse
directamente, o bien
ser convertida en otras formas útiles como, por ejemplo en electricidad.
No sería racional no intentar aprovechar, por todos los medios técnicamente
posibles, esta fuente energética gratuita, limpia e inagotable, que puede liberarnos
definitivamente de la dependencia del petróleo o de otras alternativas poco seguras,
contaminantes o, simplemente, agotables.
Es preciso, no obstante, señalar que existen algunos problemas que se deben
afrontar y superar. Aparte de las dificultades que una política energética solar
conllevaría por sí misma, hay que tener en cuenta que esta energía está sometida a
continuas fluctuaciones y a variaciones más o menos bruscas. Así, por ejemplo, la
radiación solar es menor en verano, precisamente cuando más se suele necesitar en la
Sierra.
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Es de vital importancia proseguir con el desarrollo de la incipiente tecnología de
captación, acumulación y distribución de la energía solar, para conseguir las
condiciones que la hagan definitivamente competitiva, a escala planetaria.
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5. ENERGÍA SOLAR
El Sol
Recibe el nombre de energía solar aquella que proviene del aprovechamiento directo
de la radiación del sol, y de la cual se obtiene calor y electricidad. El calor se obtiene
mediante colectores térmicos, y la electricidad a través de paneles fotovoltaicos.
La energía solar es una de las fuentes de energía que más desarrollo está
experimentando en los últimos años y que mas expectativas tiene para el futuro.
Básicamente, recogiendo de forma adecuada la radiación solar, podemos obtener
calor y electricidad
El calor se logra mediante los captadores o colectores térmicos, y la electricidad, a
través de los llamados módulos o paneles fotovoltaicos. Ambos procesos nada tienen
que ver entre si, ni en cuanto a su tecnología ni en su aplicación.
Radiación
El sol emite constantemente enormes cantidades de energía; una fracción de ésta
alcanza la tierra. La cantidad de energía solar que recibimos en un solo día resulta más
que suficiente para cubrir la demanda mundial de todo un año. Sin embargo, no toda la
energía proveniente del sol puede ser utilizada de manera efectiva. Parte de la luz solar
es absorbida en la atmósfera terrestre o, reflejada nuevamente al espacio.
La intensidad de la luz solar que alcanza nuestro planeta varía según el momento del
día y del año, el lugar y las condiciones climáticas. La energía total registrada sobre
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una base diaria o anual se denomina 'radiación' e indica la intensidad de dicha luz. La
radiación se expresa en Wh/m² por día o, también, en Kwh./m² por día.
Con el fin de simplificar los cálculos realizados en base a la información sobre
radiación, la energía solar se expresa en equivalentes a horas de luz solar plena. La luz
solar plena registra una potencia de unos 1,000 W/m²; por lo tanto, una hora de luz
solar plena equivale a 1 Kwh./m² de energía solar pura terrestre.
Ésta es, aproximadamente, la cantidad de energía solar registrada durante un día
soleado de verano, con cielo despejado, en una superficie de un metro cuadrado,
colocada en perpendicular al sol.
Figura 1C. Niveles de Radiación Solar
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La radiación varía según el momento del día. Sin embargo, también puede variar
considerablemente de un lugar a otro, especialmente en regiones montañosas. La
radiación fluctúa entre un promedio de 1,000 Kwh. /m² al año, en los países del norte
de Europa (tales como Alemania), y 2,000 a 2,500 Kwh. /m² al año, en las zonas
desérticas. Estas variaciones se deben a las condiciones climáticas y a la diferencia
con respecto a la posición relativa del sol en el cielo (elevación solar), la cual depende
de la latitud de cada lugar.
6. ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
La energía solar fotovoltaica consiste en la transformación directa de la radiación
solar en energía eléctrica. Esto se consigue aprovechando las propiedades de los
materiales semiconductores mediante las células fotovoltaicas. El material base para su
fabricación suele ser el silicio. Cuando la luz del Sol (fotones) incide en una de las
caras de la célula, genera una corriente eléctrica que se suela utilizar como fuente de
energía.
El panel solar produce energía en forma de corriente directa (12 voltios) que se
almacena en la batería pasando a través del regulador cuya función es proteger la
batería de la sobrecarga o de la sobredescarga. Las cargas eléctricas como lámparas,
radio, o televisión se conectan a la batería a través del regulador (Sistema DC) o a
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través de un inversor (Sistema AC) que convierte la corriente almacenada en la batería
en corriente alterna y permite el uso de las lámparas eficientes y otros
electrodomésticos a 120 voltios AC.
Circuito Eléctrico con Panel Solar (Verano)
A mayor cantidad de luz, mayor es la cantidad de energía que se acumula en la
batería. Por lo tanto durante las temporadas secas de mucho sol se tiene energía en
abundancia. En cambio durante la temporada de invierno, con días lluviosos y
nublados, se tiene menor disponibilidad de energía.
Circuito Eléctrico con Panel Solar (Invierno)
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Las “células solares”, dispuestas en paneles solares, ya producían electricidad en los
primeros satélites espaciales. La fabricación de estas células resulta un proceso
realmente costoso, tanto económicamente como en tiempo. Aunque el material con el
que están fabricadas (silicio) es muy abundante en la Tierra, su procesamiento es
laborioso y complicado: se requieren procesos especiales para elaborar los lingotes de
silicio, de los cuales se cortarán posteriormente las obleas (células), motivo por el cual
resulta todavía un producto de costo elevado. El silicio reciclado a partir de la industria
electrónica también sirve como materia prima para producir el silicio de grado solar. En
la actualidad, se están preparando otros materiales de mayor rendimiento.
Actualmente se perfilan como la solución definitiva al problema de la electrificación
rural, con clara ventaja sobre otras alternativas, pues, al carecer los paneles de partes
móviles, resultan totalmente inalterables al paso del tiempo, no contaminan ni producen
ningún ruido en absoluto, no consumen combustible y no necesitan mantenimiento.
Además, y aunque con menos rendimiento, funcionan también en días nublados,
puesto que captan la luz que se filtra a través de las nubes.
Un panel solar de 50 a 60 vatios (aprox. 1/2 metro cuadrado) tiene capacidad para
poner en funcionamiento 3 lámparas y un televisor pequeño por espacio de 3 horas por
día. Esto es un consumo acumulado de 160 vatios hora al día. La autonomía de la
planta puede ser aumentada adicionando paneles solares. Así con dos paneles se
duplica la capacidad de la planta.
Es importante que todas las células que componen un panel solar fotovoltaico
tengan las mismas características, lo que significa que después de la fabricación de las
mismas, hay que seguir un proceso de clasificación y selección.
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En los lugares más remotos, la energía solar ofrece una solución económica y
confiable que ha permitido extender redes de comunicación a un mayor número de
personas y lugares.
La electricidad que así se obtiene puede usarse de manera directa, o bien ser
almacenada en acumuladores para usarse en las horas nocturnas. También es posible
inyectar la electricidad generada en la red general, obteniendo un importe beneficio.
Instalaciones aisladas de la red eléctrica
Estas instalaciones se emplean sobre todo en aquellos emplazamientos en los que
no se tiene acceso a la red eléctrica y resulta más económico instalar un sistema
fotovoltaico que tender una línea entre la red y el punto de consumo. La electricidad
generada se destina a autoconsumo.
Ejemplo de Aplicación
Las principales aplicaciones de los sistemas aislados son:
Electrificación de viviendas y edificios, principalmente para iluminación y
electrodomésticos de baja potencia
Alumbrado público
Aplicaciones agropecuarias y ganaderas
Bombeo y tratamiento de agua
Antenas de telefonía aislada de la red
Señalización y comunicaciones
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7. EL EFECTO FOTOVOLTAICO.
El efecto fotovoltaico es la base del proceso mediante el cual una célula fotovoltaica
convierte la luz solar en electricidad. La luz solar está compuesta por fotones, o
partículas energéticas. Estos fotones son de diferentes energías, correspondientes a
las diferentes longitudes de onda del espectro solar. Cuando los fotones inciden sobre
una célula fotovoltaica, pueden ser reflejados o absorbidos, o pueden pasar a su
través. Únicamente los fotones absorbidos generan electricidad. Cuando un fotón es
absorbido, la energía del fotón se transfiere a un electrón de un átomo de la célula. Con
esta nueva energía, el electrón es capaz de escapar de su posición normal asociada
con un átomo para formar parte de una corriente en un circuito eléctrico.
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Las partes más importantes de la célula solar son las capas de semiconductores, ya
que es donde se crea la corriente de electrones. Estos semiconductores son
especialmente tratados para formar dos capas diferentemente dopadas (tipo p y tipo n)
para formar un campo eléctrico, positivo en una parte y negativo en la otra. Cuando la
luz solar incide en la célula se liberan electrones que pueden ser atrapados por el
campo eléctrico, formando una corriente eléctrica. Es por ello que estas células se
fabrican a partir de este tipo de materiales, es decir, materiales que actúan como
aislantes a bajas temperaturas y como conductores cuando se aumenta la energía.
Desdichadamente no hay un tipo de material ideal para todos los tipos de células y
aplicaciones. Además de los semiconductores las células solares están formadas por
una malla metálica superior u otro tipo de contracto para recolectar los electrones del
semiconductor y transferirlos a la carga externa y un contacto posterior para completar
el circuito eléctrico. También en la parte superior de la célula hay un vidrio u otro tipo de
material encapsulante transparente para sellarla y protegerla de las condiciones
ambientales, y una capa antireflexiva para aumentar el número de fotones absorbidos.
Las células fotovoltaicas convierten pues, la energía de la luz en energía eléctrica.
El rendimiento de conversión, esto es, la proporción de luz solar que la célula convierte
en energía eléctrica, es fundamental en los dispositivos fotovoltaicos, ya que el
aumento del rendimiento hace de la energía solar fotovoltaica una energía más
competitiva con otras fuentes (por ejemplo la energía de origen fósil).
Estas células, conectadas unas con otras, encapsuladas y montadas sobre una
estructura soporte o marco, conforman un módulo fotovoltaico. Los módulos están
diseñados para suministrar electricidad a un determinado voltaje (normalmente 12 ó 24
V). La corriente producida depende del nivel de insolación. La estructura del módulo
protege a las células del medioambiente y son muy durables y fiables. Aunque un
módulo puede ser suficiente para muchas aplicaciones, dos o más módulos pueden ser
conectados para formar un generador fotovoltaico. Los generadores o módulos
fotovoltaicos producen corriente continua (DC) y pueden ser conectados en serie y/o
paralelo para producir cualquier combinación de corriente y tensión.
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RADIACION SOLAR.
De los datos obtenidos analizando la radiación solar emitida y aplicando las leyes de la
física, se deduce que la temperatura efectiva de la superficie del Sol es de unos 5900
K. Esto significa que la emisión de radiación de un cuerpo negro ideal que se
encontrara a 5900 K sería muy parecida a la del Sol.
La mayor parte de los fotones emitidos por el Sol tienen una longitud de onda
comprendida entre 0,3 μm y 3 μm, aunque solamente las que van desde 0,4 μm a 0,7
μm son susceptibles de ser captadas por el ojo humano, formando lo que se conoce
como luz visible.
La luz no visible emitida por el Sol, esto es, la radiación con longitud de onda menor
que 0,4 μm o mayor que 0,7 μm, transporta también una considerable energía, que es
preciso tener en cuenta.
LA CONSTANTE SOLAR.
Al extenderse por el espacio en todas las direcciones, la energía radiante procedente
del Sol se reparte en una superficie esférica hipotética, cuyo centro es el foco emisor
(el Sol) y cuyo radio crece a la misma velocidad que la propia radiación. Así pues, la
intensidad en un punto de dicha superficie esférica, al repartirse la energía solar sobre
un área cada vez mayor, será más pequeña cuanto mayor sea el radio de la misma, es
decir, cuanto mayor sea la distancia de dicho punto al Sol. Así, la radiación se debilita a
medida que la distancia aumenta.
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El valor medio de la Constante Solar es de 1367 W/m2, aunque puede variar según
fuentes, ya que la Constante Solar sufre ligeras variaciones debido a que la distancia
entre la Tierra y el Sol no es constante, ya que la órbita terrestre no es circular, sino
elíptica, estando la Tierra más cerca del Sol en Diciembre y Enero, y más alejada en
Junio y Julio.
Una expresión para el cálculo de la Constante Solar para cualquier día del año es:
Donde:
N = Es el número secuencial del día, considerando N=1 al 1 de Enero y N=365 al 31 de
Diciembre.
EFECTO DE LA ATMOSFERA.
No toda la radiación solar interceptada por la Tierra llega hasta su superficie, debido a
que la capa atmosférica supone un obstáculo al libre paso de la radiación mediante
diversos efectos, entre los que cabe destacar la reflexión en la parte superior de las
nubes y la absorción parcial por las diferentes moléculas del aire atmosférico. Este
último fenómeno hace que la intensidad que llega a la superficie, aun en días
despejados y con atmósfera muy limpia, sea como máximo de unos 1100 W/m2.
También es preciso tener en cuenta que, a pesar de los rayos solares viajen en línea
recta, al llegar los fotones a las capas atmosféricas y chocar contra las moléculas y el
polvo en suspensión, sufren difusiones y dispersiones que se traducen en cambios
bruscos de dirección. Aunque esta luz difundida finalmente llega también a la
superficie, al haber cambiado muchas veces de dirección a medida que ha atravesado
la atmósfera, lo hace, no como si procediese directamente del disco solar, sino de toda
la bóveda celeste. Esta radiación es conocida con el nombre de difusa, en
contraposición con la radiación directa, que es aquella que alcanza la superficie
manteniendo la línea recta desde el disco solar. La suma de las radiaciones directa y
difusa es la radiación total, que es el que nos interesa a efectos energéticos. La
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radiación difusa hace que un cuerpo siempre esté recibiendo una cierta cantidad de
energía por todas sus partes, incluso por las que no recibe la luz del Sol directamente.
Aunque un día despejado la radiación directa es mucho mayor que la difusa, esta
última será, evidentemente, la única forma posible de radiación en los días cubiertos,
filtrándose más o menos homogéneamente por toda la bóveda celeste a través de la
capa nubosa. La radiación difusa supone aproximadamente un tercio de la radiación
total que se recibe a lo largo del año.
En cuanto a su distribución energética, hay que tener en cuenta que casi un 40 % de la
radiación que alcanza la superficie lo hace no en forma de luz visible sino como
radiación infrarroja, lo cual tiene gran importancia según se verá más adelante.
IRRADACION SOBRE UNA SUPERFICIE.
Irradiación, E, es la cantidad total de energía radiante que llega a una superficie
determinada en un tiempo determinado. Se trata, pues, de una medida de la energía
incidente sobre dicha superficie, expresándose en cualesquiera de las unidades
habituales usada para medir la energía, normalmente en megajulio. No ha que
confundir este término con la intensidad radiante I, también denominada irradiancia,
que es la energía que incide por unidad de tiempo y de superficie.
Donde:
I = Irradiancia
E = Energía radiante
S = Superficie
t = Tiempo
La cantidad de energía debida a la radiación directa que una superficie expuesta a los
rayos solares puede interceptar dependerá del ángulo formado por los rayos y la
superficie en cuestión. Si la superficie es perpendicular a los rayos, este valor es
máximo, disminuyendo a medida que lo hace dicho ángulo, figura 4.
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Figura 2: Irradiación sobre superficie inclinada, la radiación directa disminuye conforme
aumenta la inclinación.
Es evidente que la intensidad sobre la superficie varía en la misma proporción que lo
hace la energía E, por lo que:
Donde:
I´D = a la intensidad directa sobre la superficie inclinada.
ID = a la intensidad directa sobre la superficie horizontal.
= ángulo de inclinación sobre la horizontal
Este efecto de inclinación es la causa por la que los rayos solares calientan mucho más
al mediodía que en las primeras horas de la mañana o últimas de la tarde, ya que en
estos últimos casos el ángulo que forma el rayo con la normal a la superficie es grande
y, por tanto, el facto cos , hace que la intensidad sea pequeña.
La diferente inclinación de los rayos solares es asimismo la causa por la que las
regiones de latitudes más altas, polares, reciben mucha menos energía que las más
cercanas al ecuador.
En cuanto a la radiación difusa, la ley que rige el valor de su incidencia sobre una
superficie inclinada:
I´F = función de su intensidad sobre horizontal.
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IF = función de su intensidad sobre superficie inclinada.
= inclinación.
Para medir la irradiación total que una superficie recibe en un determinado número de
días se emplean unos aparatos llamados piranómetros, los cuales detectan la
intensidad de la radiación en cada instante y , acoplados a un ordenador, acumulan
estos datos durante todo el tiempo que duran las medidas.
Un piranómetro colocado sobre una superficie perfectamente horizontal, libre de
obstáculos a su alrededor que pudieran arrojar sombras sobre él, recibe la radiación
total de toda la bóveda celeste, permitiendo evaluar la energía disponible en la zona en
que se ubica y, así, efectuar una primera estimación de la viabilidad de un sistema
solar que pudiera aprovechar dicha energía.
Los piranómetros de menor coste utilizan una pequeña célula fotovoltaica que genera
una corriente eléctrica cuya intensidad es aproximadamente proporcional a la
irradiancia. Su precisión no es elevada, pues tienen un margen de error del 5 %.
Un tipo de piranómetro de más precisión y precio, consta de un elemento absorbedor
negro dispuesto bajo una doble campana de vidrio, el cual se calienta más o menos en
función de la irradiación recibida, mediante una termopila que genera un voltaje
proporcional a dicha irradiancia, el margen de error es del 3 %.
Si justo por encima de un piranómetro se coloca, adecuadamente posicionado, un
anillo opaco o una esfera negra que proyecte su sombra sobre el sensor, evitando así
que llegue la radiación directa, el piranómetro se convierte en un medidor de radiación
difusa.
Para medir únicamente la radiación directa el sensor se monta en el fondo de un tubo
de paredes interiores de color negro, que debe apuntar hacia el Sol, y cuyo extremo
abierto ha de estar exactamente orientado hacía el disco solar. Estos dispositivos
capaces de medir la radiación directa, se llaman pirheliómetros.
La radiación de albedo, que es la reflejada por los cuerpos situados alrededor de la
superficie sobre la que nos interesa evaluar la radiación, y hay que añadirla a la directa
y a la difusa que dicha superficie recibe. El albedo de los cuerpos es tanto mayor
cuanto más claro sea el color de los mismos.
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La influencia del albedo del entorno sobre la radiación incidente en un captador solar
suele ser despreciable, y tan sólo en casos de ubicaciones muy particulares, como por
ejemplo cuando existen paredes de color claro detrás de los colectores, puede
suponer una pequeña ganancia adicional de energía.
8. TIPOS DE PANELES SOLARES
Atendiendo a la naturaleza y características de los materiales semiconductores que las
forman, las células fotovoltaicas pueden clasificarse en varios grupos, pero en este
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artículo nos centraremos en tres tipos los dos más comunes de las células fabricadas a
partir de silicio monocristalino y las de silicio policristalino, además de un tercer tipo
novedoso como son las de alta concentración.
SILICIO MONOCRISTALINO.
El tipo de célula más común y también el primero que se produjo industrialmente, es el
formado por silicio puro monocristalino. A continuación se pasa a describir brevemente
el proceso de fabricación de este tipo de células, así como sus características más
sobresalientes, que son también compartidas por la mayoría de las otras células que
existen en el mercado.
El procedimiento clásico de fabricación de células de silicio monocristalino, conocido
como método Czochralski (abreviadamente Cz), parte de la obtención, a partir de sílice,
de silicio extremadamente puro, el cual se funde en un crisol junto con una pequeña
cantidad de boro hasta formar una masa a 1400 ºC.
Una vez que todo el material se encuentra en estado líquido, se introduce en el seno
del mismo una varilla en cuyo extremo hay un cristal germen de silicio, sobre el que se
van disponiendo lentamente nuevos átomos del material procedentes del líquido, que
quedan perfectamente ordenados siguiendo la estructura del cristal.
Se obtiene así un monocristal de suficiente tamaño, el cual, una vez enfriado, se corta
en finas obleas circulares o cuadradas de unas 3 décimas de milímetro de grosor, que
son tratadas químicamente en su superficie.
Figura 1: Silicio monocristalino a la izquierda y policristalino a la derecha.
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Estas obleas constituyen el producto semielaborado, que a veces se exporta para que
las factorías de diversos países completen el proceso de creación de la célula. Dicho
proceso consiste esencialmente en la creación de la unión P-N, introduciendo la oblea
de silicio dopado con boro en hornos especiales, dentro de los cuales se difunden
átomos de fósforo que se depositan sobre una cara, alcanzando éstos una cierta
profundidad bajo la superficie de la oblea.
Se completa esta fase del proceso con un tratamiento anti-reflectante mediante el
recubrimiento o texturizado de la superpie de la célula, consistente esto último en la
formación de minúsculas estructuras piramidales sobre la superficie que va a recibir la
radiación, para que el rayo reflejado tenga más posibilidades de volver a incidir antes
de perderse definitivamente.
Finalmente, se entra en el proceso de proveer a la célula de contactos eléctricos
adecuados, a fin de que los electrones encuentren un camino fácil para salir y entrar de
la misma. Esto se consigue depositando por métodos electroquímicos de evaporación
al vacío o serigrafiados, una red o rejilla, constituida por una aleación buena
conductora, que adopta una geometría especialmente estudiada para conseguir una
óptima recolección de electrones sin cubrir a la vez demasiada superficie útil de la
célula.
La rejilla metálica, o parrilla conductora, que forma el contacto frontal de las células
cristalinas suele consistir en una serie de filamentos que están en contacto directo con
el semiconductor y que se conectan entre sí mediante unas tiras metálicas. El diseño
de estos filamentos afecta a la eficiencia de la célula de dos maneras: por un lado,
implica un sombreado que impide que parte de la radiación disponible alcance el
interior de la célula y, por otro, introduce una resistencia, debida a la unión metal-
semiconductor y a la propia resistencia del material empleado. En este sentido, se ha
evolucionado desde la técnica convencional del serigrafiado hasta la de contacto
enterrado mediante láser LGBG (Laser Grooved Buried Grid), consiguiendo mejorar un
25% la eficiencia de las células sin apenas aumentar su coste. Las claves de esta
técnica son las siguientes:
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- Reducción del ancho de los filamentos, de 150 micras con serigrafía convencional a
20 micras, lo que reduce el sombreado de la célula hasta un 3%, frente al 15% de las
serigrafiadas.
- Aumento de la relación de aspecto (alto/ancho) del contacto, lo que supone una
reducción en la resistencia total de la malla.
- Reducción de la resistencia contacto-semiconductor.
Recientemente han aparecido en el mercado células con los contactos tanto positivos
como negativos situados en la cara posterior, evitándose las pérdidas de radiación
incidente sobre la cara frontal como consecuencia de la existencia sobre las mismas de
dichos contactos metálicos.
Después de pasar una serie de controles de calidad, la célula quedará lista para ser
utilizada, uniéndola con otras iguales para así formar un módulo.
La célula final producida tiene un rendimiento aproximadamente igual a la mitad del
máximo teórico del material de que está constituida. Esta pérdida de rendimiento se
debe principalmente a tres causas:
- Pérdidas por reflexión, las cuales, aunque han sido reducidas, nunca es posible
hacerlas desaparecer.
- Los fotones que inciden sobre la rejilla metálica, en vez de sobre el material
semiconductor, se pierden, no produciendo el efecto fotovoltaico.
- Al circular corriente a través de la célula, se produce una pequeña pérdida por efecto
Joule.
Por todo lo anterior, el rendimiento de una célula monocristalina de silicio no suele
superar el 15%
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Panel monocristalino.
SILICIO POLICRISTALINO.
Si el proceso de fabricación, en vez de partir de un monocristal, se hace dejando
solidificar lentamente en un molde rectangular la pasta de silicio, se obtiene un sólido
formado por muchos pequeños cristales o granos de silicio, del cual pueden cortarse
células policristalinas cuadradas. Estas células han alcanzado una amplia
comercialización, aunque sus rendimientos son algo menores que las monocristalinos,
pues precio es también inferior.
El proceso de cortar las células a partir de una sola pieza produce gran cantidad de
desperdicio de material semiconductor en forma de polvo. Para evitar este
inconveniente se introdujo un método de fabricación de células diferente, que consiste
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en producir una fina tira continua de material policristalino que se corta en trozos
rectangulares.
Las tecnologías más recientes en la fabricación de materiales se basan en el diseño
conocido como de película delgada, que se diferencia de los anteriores, ya que no
produce células individuales que posteriormente se conectan en serie para obtener el
voltaje suficiente para las aplicaciones más comunes, sino una fina capa de 1μm o 2μm
de espesor de material semiconductor que se deposita sobre un sustrato apropiado,
formándose un módulo continuo que no requiere interconexiones interiores.
Actualmente, el tipo de película delgada que más se produce es la de silicio-hidrógeno
(TFS), que es el material semiamorfo que se observa en las calculadoras y otros
pequeños dispositivos solares, aunque también las hay de mayores potencias.
Existen otras clases de películas delgadas, como la constituida por la combinación de
cobre, indio y selenio (CuInSe2), también conocida como CIS.
PANEL DE ALTA CONCENTRACION.
Se trata de una instalación solar fotovoltaica que, frente a una convencional, utiliza una
extraordinaria reducción de silicio y convierte la luz solar en energía eléctrica con muy
alta eficiencia. Esta tecnología surge como forma de aprovechar al máximo el potencial
del recurso solar y evitar por otra parte la dependencia del silicio, cada vez más escaso
y con un precio cada vez mayor debido al aumento de la demanda por parte de la
industria solar.
27
Desde los años 70 se han realizado investigaciones sobre la tecnología de
concentración fotovoltaica de manera que ha mejorado su eficiencia hasta conseguir
superar a la fotovoltaica tradicional. No fue hasta los años 2006-2007 que las
tecnologías de concentración pasaron de estar reducidas al ámbito de la investigación
y empezar a conseguir los primeros desarrollos comerciales. En 2008 el ISFOC
(Instituto de Sistemas Solares Fotovoltaicos de Concentración) puso en marcha en
España una de las mayores plantas de este tipo a nivel mundial, conectando a la red
3MW de potencia. En este proyecto participaron varias empresas que utilizaban
diversas tecnologías de concentración fotovoltaica (CPV).
Algunas de estas tecnologías utilizan lentes para aumentar la potencia del sol que llega
a la célula. Otras concentran con un sistema de espejos la energía del sol en células de
alta eficiencia para obtener un rendimiento máximo de energía. Algunas empresas
como SolFocus ya han empezado a comercializar la tecnología CPV a gran escala y
están desarrollando proyectos en Europa y EE.UU. que superan los 10MW en 2009.
La tecnología de concentración fotovoltaica se dibuja como una de las opciones más
eficientes en producción energética a menor coste para zonas de alta radiación solar
como son los países mediterráneos, las zonas del sur de EE.UU, México, Australia.
28
29
9. PRINCIPALES ELEMENTOS
GENERADOR FOTOVOLTAICO.
Figura 1: Panel policristalino.
Un generador fotovoltaico comprende una variedad de componentes tales como:
Módulos, estructuras de soporte, diodos de “bypass”, diodos de bloqueo, fusibles,
cables y terminales, dispositivos de protección contra sobretensiones (varistores),
seccionadores o interruptores y cajas de conexión.
30
Figura 2: Esquema de un panel.
Los módulos pueden, en principio, tener cualquier tipo de asociación de células en
serie o paralelo aunque la mayoría de los comerciales disponibles tienen 20 V de
tensión de circuito abierto (VOC) y, aproximadamente, 3 A de corriente de cortocircuito
(ISC) en condiciones normales de prueba (SRC: Standard Test Conditions).
A la asociación de varios módulos en serie se le denomina “hilera” o rama. En hileras
de módulos con tensiones de circuito abierto más altas que 30 V, es necesario instalar
31
en antiparalelo con ellas, diodos de “bypass” que permiten un camino alternativo a la
corriente alrededor de una asociación serie de células cuando alguna de las células
que conforman dicha hilera está parcialmente sombreada o destruida. Normalmente los
fabricantes de módulos incorporan en cada módulo uno o dos de estos componentes.
Los diodos de bloqueo, se instalan en serie con cada hilera o conjunto de hileras para
prevenir las pérdidas debidas a la inversión de corriente cuando el generador
fotovoltaico está conectado a una fuente de tensión como por ejemplo una batería, en
situación de no iluminación, de noche. No obstante, para el caso de los módulos de
silicio mono y multicristalino, suele ser mayor la energía perdida por caída de tensión
en funcionamiento normal por lo que su uso en general, está desaconsejado, aunque
en el caso de grandes instalaciones, cuando existen muchas ramas en paralelo, es
conveniente disponer en serie con cada rama de un diodo de bloqueo para impedir que
las ramas menos iluminadas actúen como cargas de las más iluminadas, en situación
de cielo parcialmente nublado.
Los fusibles protegen a los conductores de sobrecorrientes y se pueden instalar cuando
el generador fotovoltaico está compuesto de varias hileras o ramas en paralelo, en el
conductor que colecta la intensidad generada en dichas ramas si no tiene la suficiente
capacidad para soportar de modo permanente la intensidad de corto circuito, máxima,
proveniente del conjunto de dichas ramas, o bien en sistemas fotovoltaicos autónomos
cuando un cortocircuito eventual en ella. No obstante, en un diseño adecuado del
cableado de un generador fotovoltaico está conectado a red, los cables o conductores
que lo conforman deberán tener la suficiente sección para permitir el paso de la
máxima corriente generada, intensidad de cortocircuito de la rama o suma de las
intensidades de cortocircuito de las ramas en paralelo asociadas, sin sobrecalentarse o
sin presentar caídas de tensión según el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión e
Instrucciones Complementarias.
Por todo ello, la mayoría de las veces que se utilizan fusibles en serie con las ramas de
un generador fotovoltaico, van asociados a seccionadores que permitirán aislar dicho
generador fotovoltaico del equipo o equipos a él conectados.
Las cajas de conexión, son también muy importantes y numerosas en el generador
fotovoltaico. Una mala conexión debida a un mal apriete del terminal o corrosión de
32
éste por insuficiente estanqueidad de la caja, puede inutilizar una rama o varias y, en el
peor de los casos, provocar un fuego.
Otros componentes fundamentales de un generador fotovoltaico en cualquier caso, son
los varistores o dispositivos de protección contra sobretensiones producidas por
descargas atmosféricas. Estos actúan como verdaderos fusibles de tensión y se
instalan en general entre los terminales positivo y negativo de una rama o asociación
de ramas y entre cada uno de dichos terminales y la tierra de todas las masas
metálicas del generador o sistema fotovoltaico: Estructura y marcos metálicos de
módulos, carcasas de cuadros eléctricos, etc. Van tarados a una determinada tensión y
son aislantes hasta que se llega a dicha tensión, momento en el que pasan a conducir,
quedando inutilizados después de su actuación por lo que es necesaria su sustitución.
Finalmente, la estructura soporte del generador fotovoltaico sirve para unir y dotar de
rigidez la asociación serie/paralelo de módulos que lo componen. Deberá estar
diseñada para soportar todas las cargas mecánicas que pudieran presentarse en cada
caso: viento, nieve, contracciones y dilataciones por cambios de temperatura, etc.
En viviendas fotovoltaicas conectas a red, en las que los módulos conforman, como
elementos estructurales integrados, parte de la cubierta o fachada sur, la estructura
soporte de módulos deberá estar dispuesta de tal modo que garantice una perfecta
estanqueidad, permitiendo en todo caso la reposición o sustitución de cualquier
módulo, fácilmente.
INVERSOR.
Inversor de 100 kW.
33
El dispositivo fundamental de un sistema fotovoltaico conectado a red es el inversor.
Funciona como interfase entre el generador fotovoltaico y la red eléctrica. De este
modo, el sistema fotovoltaico conectado a red forma parte de los sistemas de
generación que alimentan dicha red.
El inversor debe seguir la frecuencia a la tensión correspondiente de la red a la que se
encuentre conectado. La forma de onda de la corriente de salida del inversor deberá
ser lo más senoidal posible para minimizar el contenido en armónicos inyectados a red.
Se recomiendan los valores incluidos en la norma CEI 555/1/2/3 (Comité Electrotécnico
Internacional) equivalente a la norma CENELEC EN 60 555/1/2/3 (Comité Europeo de
Normalización Electrotécnica) y equivalente a su vez a la norma AENOR UNE- 806-
90/1/2/3. El contenido de esta norma incluye la distorsión armónica máxima en
corriente, en % sobre la fundamental, dependiendo del número de orden del armónico,
producida por un receptor conectado a la red.
Por supuesto, estos valores se consideran válidos cuando no existe distorsión
armónica en la onda de tensión proveniente de la red.
Ya que la potencia disponible del generador fotovoltaico varía con la irradiancia y
temperatura de trabajo de las células que lo componen, el inversor deberá extraer la
máxima potencia posible del generador fotovoltaico. Esto se consigue con un
dispositivo que normalmente suelen incorporar este tipo de equipos, denominado
“seguidor del punto de máxima potencia” (Maximum Power Point Tracker – MPPT),
dispositivo electrónico incorporado en el inversor y que varía cada determinado tiempo,
de uno o varios minutos, la tensión de entrada del inversor (o tensión de salida del
generador fotovoltaico) hasta que el producto VxI de salida, potencia de salida, del
generador fotovoltaico se hace máximo.
En resumen, los inversores al utilizar sistemas fotovoltaicos conectados a red deben
reunir las siguientes características generales: Alta eficiencia en condiciones nominales
(> 90 %), así como en condiciones de baja insolación (>80 % para valores de
irradiancia ≥ 150 MW/cm2); bajo contenido en armónicos de intensidad (THD < 5 %);
gran fiabilidad, peso reducido, bajo nivel de emisión acústica, etc.
34
Requerimientos de los inversores conectados a red.
Para la compañía eléctrica la seguridad y la calidad de la potencia son los puntos más
importantes. El flujo de energía eléctrica normalmente siempre va en el sentido de las
cargas, cuando un consumidor deja de consumir, no suele ser normal que comience a
inyectar energía a red.
Existen diferencias entre la operación de autoproductores con generadores dinámicos y
con generadores estáticos (inversores). A continuación se detallan los requerimientos
normalmente exigidos a estos últimos:
- El sistema fotovoltaico parte como un componente de la red eléctrica.
- El inversor debe cumplir las especificaciones de la red eléctrica.
- La seguridad de los operadores debe tenerse siempre en cuenta (pueden existir
partes activas desconocidas).
- Los sistemas fotovoltaicos no deberán entregar energía a una línea sin protecciones.
- La desconexión del inversor debe ser automática en cuando aparezca un fallo.
- Deberá existir un punto de fácil desconexión (contactos) que sea accesible a los
empleados de la compañía eléctrica.
- Los inversores deberán operar con factor de potencia unidad.
- Se deberá efectuar aislamiento eléctrico entre los sistemas fotovoltaicos y la red.
En la mayoría de los casos el inversor deberá estar desconectado en segundos a partir
de la detección de alguna falta. La mayoría de los inyectores no están preparados para
operar sin tensión de red (modo isla), por ello la mayoría de las compañías solo
permiten conectar un sistema fotovoltaico a la red si se instala una relé de tensión
trifásico. El inversor deberá desconectarse de la red a través del relé si la tensión crece
o disminuye por encima de unos límites predefinidos. El rango recomendado es del 80
– 110 % de la tensión nominal.
Las tres fases deberán ser monitorizadas de cara a detectar pérdidas de la tensión de
red. Así si un inversor monofásico puede mantener la tensión estable en una fase
(modo isla) el relé de tensión deberá detectar el fallo en las otras dos fases y
desconectar el inversor.
También si la señal de salida del inversor excede de las condiciones predefinidas para
la operación (sobre/subtensión, sobre/subfrecuencia) el inversor debe desconectarse
35
automáticamente de la red. Se posibilitará la nueva conexión después de un cierto
tiempo (3 minutos normalmente), tiempo que el sistema de control y protección de red
espera para intentar una nueva conexión.
Compatibilidad con la red.
En la conexión en alterna de un inversor conmutado por red, no hace falta un control
directo. En control de la demanda de energía reactiva y quizá inyección armónica viene
dado, debido esencialmente a la independencia del inversor y su control. En el caso de
un inversor autoconmutado, la tensión de alterna del inversor puede ser controlada
independientemente de las condiciones de la entrada en continua si la demanda de
reactiva (o entrega) esta controlada, y el control de flujo de potencia activa es perfecto
mediante el ajuste de las fases de voltaje respecto de la red. Así, el parámetro más
importante del lado de continua, la potencia del campo fotovoltaico, se puede controlar
en la conexión alterna del convertidor de potencia autoconmutado.
Calidad de la señal.
Las dos principales cuestiones técnicas a tener en cuenta en un inversor desde el
punto de vista de calidad de la señal son el factor de potencia y la distorsión armónica.
Normalmente, los inversores conmutados por red, operan con factores de potencia
significativamente menores de la unidad, cosa que en las conexiones a red se debe
evitar. La cuestión es que con factores de potencia bajos el inversor demandará a la
red energía reactiva (VAR), afectando a la tensión del sistema, lo cual puede degradar
la calidad del servicio eléctrico de los demás consumidores conectados a ella. Además,
esto es poco deseable para la compañía eléctrica ya que no puede ser razonable que
se espere que ésta cargue con los costes de suministrar potencia reactiva mientras no
se le compra potencia activa, o quizá incluso tener que comprar potencia activa si es un
autogenerador.
La demanda de energía reactiva ya sea debido a cargas o inversores, puede ser
aceptada si la compañía eléctrica cobra dinero al propietario de la instalación
autogeneradora por el consumo de la potencia reactiva. Las leyes que regulan los
36
contratos entre la compañía eléctrica y el consumidor no permiten hacer esto. Por ello,
un factor de potencia unidad en el punto de conexión y la salida del convertidor es lo
que las compañías eléctricas desean.
El contenido armónico en la señal de salida de un inversor para uso fotovoltaico es
difícil de fijar debido a que no hay mucha información disponible. Las regulaciones
prevén alguna forma de aislamiento. Segundo, el autogenerador y la compañía
eléctrica deberán utilizar protecciones que logren interrumpir corrientes de fallo en
continua. En tercer lugar, un fallo en el inversor con niveles de continua puede saturar
el transformador de distribución y causar mal funcionamiento del servicio a otros
abonados, así que tanto en el mismo transformador como en la misma línea, los
dispositivos de protección se deben disparar inmediatamente. Todas estas áreas
conciernen sobretodo a la compañía eléctrica.
La detección y señalización de fallos en la conexión campo fotovoltaico al inversor es
difícil ya que normalmente se producen pequeñas corrientes de cortocircuito y los
dispositivos de interrupción ante faltas en continua como contactores son caros y tienen
una vida útil corta. Así, como el campo fotovoltaico no daña al inversor, es éste mismo
el que se ocupa a menudo de detectar y señalizar la mayoría de los fallos en el lado de
continua. Esto último no quiere decir que no se puedan producir fallos irremediables en
el inversor, un corto entre los terminales del campo a través de los dispositivos de
conmutación por ejemplo. Existen plantas piloto que han convertido esta posible
situación en una operación de desconexión normal.
PROTECCIONES.
Los inversores de potencia actuales suelen incluir el control de todo el sistema. Esto
incluye detectar que el campo fotovoltaico tiene suficiente potencia como para poder
conectarse a la red, cerrando en ese momento un contactor y comenzando a operar tan
pronto como haya luz.
Por la noche el inversor deberá estar totalmente desconectado. La lógica de control del
inversor incluirá un sistema de protección que detecte situaciones de funcionamiento
anormales como son:
37
1) Falta a tierra en continua.
2) Condiciones anormales en red (tensión de línea, frecuencia).
3) Pérdidas en una fase.
4) Parada del inversor cuando la etapa de potencia se sobrecaliente.
5) El inversor igualmente deberá ser protegido entre transitorios de tensión mediante
varistores en el lado de continua y alterna.
Debido al hecho de que cada vez son mas los inversores que operan con altas
frecuencias de conmutación, 20 kHz o más utilizando PWM, se obtienen distorsiones
armónicas bajas y factores de potencia cercanos a la unidad, por otro lado se causan
interferencias en la región de RF. Esto es importante sobretodo en inversores operando
en baja tensión, fotovoltaica en viviendas.
Los armónicos debidos a la frecuencia de conmutación del inversor pueden interferir
con frecuencias utilizadas en equipos de telecomunicaciones (radio, televisión,
teléfonos). Para evitar estas interferencias, los inversores suelen suprimir los armónicos
mediante filtros y protecciones apropiadas.
Además de las protecciones ya comentadas sobre el inversor, un sistema fotovoltaico
conectado a red debe incluir una serie de protecciones, tanto en la zona de continua
como en la de alterna que garanticen su buen funcionamiento al par que un nivel de
seguridad para le usuario y personal de mantenimiento, semejante a los sistemas
eléctricos de generación/consumo convencionales.
En la zona de continua, en lo que a tierras se refiere, existe una controversia mantenida
sobre las ventajas y desventajas de la puesta a tierra de masas metálicas y
conductores polares. Así, en la zona de continua y desde el punto de vista de
funcionamiento del sistema, una buena toma de tierra, resistencia de tierra < 2 Ω , de la
estructura soporte, aseguraría un buen camino para la corriente causada por una
descarga atmosférica que se produjera accidentalmente sobre ella. Por tanto, en la
mayoría de los casos y sobre todo en las zonas de riesgo de este tipo de fenómenos, la
estructura soporte o las marcas metálicas de los módulos, así como todas las carcasas
metálicas del equipamiento eléctrico incluido en un sistema de estas características,
han de ponerse a tierra, a menos que exista o se instale un pararrayos que proteja el
38
área en la que dicha estructura soporte fuera instalada, debido a la posibilidad de
acoplamiento vía tierra.
Sobre la puesta a tierra de las partes activas del generador fotovoltaico, polo positivo o
negativo, también existe controversia. En el artículo 690-41 del Reglamento
Electrotécnico de EE UU (NEC-National Electrical Code) se explícita que uno de los
polos activos de un generador fotovoltaico han de ponerse a tierra. Sin embargo, en
Europa, es práctica común, dejar el circuito en flotación, instalando varistores para
protección contra sobretensiones.
Asimismo, desde el punto de vista de la seguridad personal, para prevenir choques
eléctricos en usuarios o personal de mantenimiento cuando la tensión del sistema es
cercana o superior a 100 V c.c.; es muy recomendable, sobre todo en instalaciones en
las que el generador fotovoltaico es accesible, por ejemplo: fachadas, cubiertas
accesibles, centrales fotovoltaicas, etc., instalar entre cada polo del sistema y tierra, un
dispositivo suficientemente sensible, 100 mA, que detecte corrientes de fugas del
sistema a través de tierra y en caso de contacto, actúe, cortocircuitando el sistema a
tierra.
Además, dicho mecanismo debe poder actuarse manualmente con el mismo fin para
evitar cualquier riesgo de accidente durante las labores de mantenimiento
correspondiente.
Otra forma de disminuir el riesgo de choque eléctrico cuando la tensión del generador
fotovoltaico está por encima del 100 V consiste en poner a tierra, a un punto intermedio
de las ramas a modo de divisor de tensión.
Si la tensión de circuito abierto del generador fotovoltaico es igual o menor a 100 V (25
ºC, 1000 W/m2), no sería necesaria la instalación de ningún dispositivo como los
descritos, incluso si los módulos son accesibles.
En la zona de alterna, a la salida del inversor, siempre es conveniente poner un
transformador de aislamiento galvánico en el que y para suministro trifásico, su neutro
podría ir también conectado a tierra o flotante. En suministro monofásico, instalaciones
domésticas, < 5 kW., no es preciso la puesta a tierra del neutro. Por supuesto, en todos
los casos es imprescindible protección diferencial contra contactos indirectos. También
39
es necesaria la instalación de dos relés, uno de máxima y otro de mínima tensión que
actúen sobre un interruptor automático de desconexión.
Además, tanto en la zona de continua como en la de alterna se instalarán, en todos los
casos, disyuntores magnetotérmicos.
A continuación, se resumen las características técnicas generales en cuanto a
funcionamiento y protecciones, que deben reunir los sistemas fotovoltaicos de potencia
> 5kW, conectados a la red nacional, tanto debajo como en alta tensión, incluyendo los
límites en fluctuación de tensión y frecuencia que la propia red puede tener.
- Fluctuación de tensión: La tensión debe mantenerse entre el 85 % y el 110 % de su
valor nominal.
- Fluctuaciones de frecuencia: La frecuencia debe mantenerse entre 49 y 51 Hz para el
adecuado funcionamiento del sistema fotovoltaico.
- Compensación del facto de potencia, cos φ> 0,86 (inductivo).
- Caída de tensión máxima permitida ∆V = 5 % Vnominal.
- Distorsión total armónica máxima: THD < 5 %.
- Protecciones mínimas necesarias:
1) Para conexión en baja tensión:
1.- Contra sobrecargas y cortocircuitos (3 relés).
2.- Contra sobre y subtensiones fuera de los límites anteriormente establecidos, con
rearme manual (3 relés).
3.- Contra desequilibrios en la red de más del 7 % en cualquier sentido (1 relé).
4.- Contra variaciones de frecuencia fuera de los límites mencionados (2 relés, una
para subfrecuencia y otro para sobrefrecuencia).
2) Para conexión en alta tensión:
Además de las protecciones descritas para baja tensión:
1.- Protección de fallo a tierra, contra sobretensiones homopolares (1 relé de tensión en
el neutro en sistemas de neutro aislado).
También y en relación a la norma IEC TC82 respecto a seguridad:
Los fallos internos del sistema fotovoltaico no deben afectar el funcionamiento de la red
a la que se encuentran conectados.
Coordinación con los sistemas de protección de la red a la que se conecten.
40
Cuidado especial en las operaciones aisladas.
Otras condiciones:
1.- Reconexión a la línea después de 3 minutos si la tensión está por encima del 85 %
de la nominal.
2.- Si existen varios generadores, la reconexión se realizará a intervalos de 10
segundos.
Datos requeridos de las interfases:
Autogenerador.
1.- Tipo de energía y condiciones legalmente vigentes.
2.- Localización, instalación y potencia.
3.- Nivel de cortocircuito en el punto de conexión.
- Red eléctrica.
1.- Punto de conexión.
2.- Límites de valor de tensión.
3.- Máxima y mínima capacidad de corto en cortocircuito.
4.- Existencia de secuencia automática de reconexión.
- Especificaciones técnicas:
Capacidades permitidas de inversores:
Baja tensión: 100 kVA o la mitad de la capacidad de la línea.
Alta tensión: 5000 kVA o la mitad de la capacidad de la línea.
ESTRUCTURA.
Es el elemento encargado de soportar los paneles, para su diseño normalmente no se
tendrán que realizar grandes cálculos, ya que las empresas fabricantes dan todo listo,
incluso algunas tiene programas para el dimensionando de la instalación dando incluso
el número de tornillos necesarios y solo se tendrá que montarlo, por lo que como
mucho se tendrá que calcular la cimentación en caso de realizarlo sobre terreno. Las
estructuras pueden ser de los siguientes tipos.
Estructuras fijas sobre terreno.
Las estructuras fijas sobre terreno suelen ser estructuras de celosía para ser lo más
ligeras posibles y para ahorrar en materiales, sus sistemas de anclaje pueden ser
41
cimentación a través de cemento la más común o ancladas por bloques de hormigón,
esto dependerá de la zona donde se halle la instalación, ya que los paneles hacen
efecto vela y con las grandes superficies que abarcan se corre el peligro de que se
vuelque la instalación. Su precio suele ser barato.
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Figura 4: Esquema estructura fija sobre terreno.
4.2 Sobre seguidores.
Existen múltiples modelos de muy diferentes tamaños que van desde unos pocos
kilowatios hasta 100 kilowatios. Con los seguidores lo que se consigue es un aumento
del rendimiento de la instalación ya que los paneles siempre están orientados
perfectamente hacia el Sol, su principal problema radica en su mayor coste inicial, ya
que son más caras que las estructuras fijas, pero debido al aumento de rendimiento se
compensa con las ganancias obtenidas.
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Pequeños seguidores de un huerto solar.
Sobre tejado.
En algunos sitios es posible colocar las instalaciones fotovoltaicas sobre tejados, estos
lugares son grandes naves industriales, centros comerciales o cualquier sitio que tenga
una amplia cubierta disponible y que reúna los requisitos de ser capaz de soportar el
peso de la instalación. Para la colocación de los paneles sobre las cubiertas existen
diferentes sistemas según el tipo de cubierta, a continuación se mencionan algunos.
1. Estructuras integradas sobre tejados de chapa. Este sistema sirve para
aprovechar tejados de chapa plana, con buena inclinación y orientación. Con
este método solo se deben instalar unos carriles donde irán enganchados los
paneles, es un sistema barato y sencillo
2. Estructuras sobre tejados planos de hormigón. Este sistema se usa en naves o
edificios con tejados planos de hormigón, el equipo esta compuesto por un elemento
metálico que es donde ira agarrado el panel con la inclinación adecuada, ya que el
tejado es plano, y un bloque de hormigón que servirá de anclaje. Su principal problema
es el peso de los bloque de hormigón sobre el tejado por lo que habrá que tener
cuidado y saber cuando peso puede soportar dicho tejado.
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3. Estructuras de anclaje sobre tejados de teja mediante grapas. Es un sistema barato
y sencillo, consiste en unas agarraderas metálicas que van atornilladas al tejado,
debajo de las tejas, que a su vez van atornilladas al panel. Se emplea en tejados con
una buena orientación e inclinación.
4. Estructuras sobre tejados planos de hormigón 2 paneles. Este sistema consiste en
una estructura metálica capaz de soportar dos paneles en el ángulo óptimo de
inclinación, va atornillada al suelo, sus principales defectos son la sombra que produce
reduciendo el espacio útil y su efecto vela, lo que desaconseja su instalación.
5. Estructuras sobre tejados planos de hormigón 1 panel. Este sistema como el anterior
consiste en una estructura metálica que da la inclinación óptima a los paneles en
tejados planos, su principal diferencia es que solo puede albergar un panel inclinado,
pero su ventaja es menor sombra y menor efecto vela.
6. Estructuras sobre tejados de chapa plana. Este sistema es casi igual al anterior pero
para repartir el peso de la estructura sobre el tejado se utilizan unos carriles donde irá
enganchada la estructura.
7. Estructuras sobre tejados inclinados de chapa. Para el anclaje en tejados de chapa
ondulada, con la adecuada inclinación y orientación se utilizan unas grapas parecidas
al sistema para anclarlos a tejados de teja.
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10.Mantenimiento de Instalaciones Fotovoltaicas
Como cualquier instalación industrial, una planta fotovoltaica requiere de un
mantenimiento constante para asegurar el correcto funcionamiento. El mantenimiento
de este tipo de instalaciones es bastante sencillo de realizar ya que hay muy pocos
sistemas. Las tareas a realizar serán las siguientes:
ELEMENTOS DONDE HAY QUE APLICAR MANTENIMIENTO.
Módulos fotovoltaicos.
En los paneles se deberá llevar a cabo las siguientes labores: limpieza de los paneles,
verificación de los elementos de sujeción y conexión, el estado de degradación de los
elementos constructivos de los paneles y comprobación del estado del a red de tierras,
para proteger de sobre tensiones.
Limpieza de paneles
Instalación eléctrica de C.C. Subsistema de generación.
Se deberán revisar las conexiones, los cables, el perfecto estado de las cajas de los
cuadros, su estanqueidad y además se deberán revisar los equipos de mando y
protección para ver su estado.
Instalación eléctrica de C.A. B.T. Subsistema de generación.
Se deberán revisar al igual que en corriente continua las conexiones, los cables, el
perfecto estado de las cajas de los cuadros, su estanqueidad y además se deberán
revisar los equipos de mando y protección para ver su estado.
Inversores.
Se deberá revisar principalmente que están bien ventilados, que las conexiones están
bien hechas y que no hay ninguna alarma.
Sistema de ventilación y/o climatización.
46
Se deberá revisar el sistema de ventilación para evitar que se alcancen altas
temperaturas que pueden provocar disparos en los inversores y demás aparatos
eléctricos, para ello se deberá comprobar que las rejillas están limpias y sin obstáculos,
además de deberá comprobar que los intercambiadores están lo más limpios posibles.
Estructura soporte o seguidor.
Las principales tareas a realizar en la estructura o seguidor será la revisión de daños
en la estructura, como los causados por oxidación y su deterioro por agentes
ambientales.
Monitorización.
Se deberá revisar periódicamente la estación meteorológica para ver que funciona
bien, calibrarla y limpiarla, además de realizar la descarga de los datos almacenados.
Instalación eléctrica general y servicios auxiliares.
Se deberán revisar todas las canalizaciones de cables, para ver su estado y evitar
roturas imprevistas que pudiesen ocasionar serias averías, así como las arquetas para
ver que se encuentran perfectamente y que los cables no están a la intemperie.
También se deberá revisar la iluminación, enchufes y cuadros de control.
Obra civil.
Se deberá comprobar que los accesos y viales de la instalación están en perfecto
estado para facilitar el movimiento dentro de la misma, además se deberá comprobar la
vaya perimetral, los taludes, la cimentación de las estructuras, los drenajes para evitar
que se atasquen en épocas de lluvias.
Medio ambiente.
Se deberá limpiar de broza, toda la instalación para evitar que las hierbas crezcan
hasta producir sombras o se enreden con cables y estructuras, lo que luego
complicaría su desbroce.
47
Desbroce.
Sistema de seguridad.
Se deberá revisar el buen funcionamiento y limpieza de todas las cámaras y sensores
de movimiento que pueda tener la instalación y comprobar todas las alarmas que se
den, aunque normalmente sean falsas.
PRINCIPALES HERRAMIENTAS DEL MANTENIMIENTO
Termografía.
Entre otras herramientas para la realización del mantenimiento de las plantas
fotovoltaicas cabe destacar las cámaras termográficas, que ayudarán en la búsqueda
de puntos calientes, que pueden convertirse en averías, con estas cámaras se podrán
buscar paneles defectuosos o conexiones mal hechas.
48
Figura 3. Termografía de un panel fotovoltaico.
Figura 4. Se observa que ha caído 1circuito o string, el que está en colores más fríos.
2.1 Trazador de curvas I/V.
49
Permite evaluar todos los estados de funcionamiento de los módulos así como
cuantificar las pérdidas por conexionado debidas a trabajar los módulos en puntos de
trabajo no adecuados.
Figura 5. Gráficas de cada módulo que configura un string.
50
11.Principales Averías en Fotovoltaica
Las principales averías que se suelen dar en las instalaciones fotovoltaicas son las
siguientes:
1) Puntos Calientes en módulos fotovoltaicos, provocados por rotura de los paneles o
por sombras que provocan puntos calientes alrededor de la sombra, ya que la parte en
sombra se convierte en resistencia.
2) Degradación del EVA de módulos fotovoltaicos.
3) Corrosión de las estructuras.
4) Fallos mecánicos diversos en seguidores.
5) Desorientaron de seguidores, por fallos en el sistema de seguimiento.
6) Pérdidas de aceites en accionamientos hidráulicos.
7) Rotura de fusibles por sobre intensidades.
8) Degradación de la cobertura aislante de cableado.
9) Disparos intempestivos de las líneas de evacuación.
10) Averías en estaciones meteorológicas.
11) Problemas en etapas de potencia de inversores.
12) Problemas de arranque a primera hora de inversores.
13) Defectos en fuentes de alimentación de inversores.
51
12.ANALISIS DE ECONOMICOS COMPARATIVOS
Para realizar la comparación entre las centrales, utilizaremos el costo nivelado, ya que
éste tiene en cuenta la vida útil de cada planta. Así, este valor permitirá incorporar la
variación de vida útil dentro de los costos de la central de Hidroeléctrica que posee 50
años de vida útil, con la eólica y fotovoltaica, que sólo duran 30 años.
Hidroeléctrica v/s solar.-
A continuación se presenta una tabla que compara los costos asociados a la
instalación, operación y mantención de la planta hidroeléctrica versus la planta de
generación fotovoltaica que se estudia en este informe.
Tabla 9: Comparación entré Hidroeléctrica y una central FV.
Es importante notar que debido a la ausencia del recurso natural en la noche, la
potencia instalada de la planta fotovoltaica es mucho mayor que en la central
hidroeléctrica, con una potencia instalada 289,53% mayor.
52
En cuanto a costos variables, dado que tanto las centrales fotovoltaicas como las
hidráulicas no utilizan combustible.
Analizando tanto los costos variables como los costos nivelados se puede observar que
en un estudio de expansión eficiente de la matriz energética. Convendría primero
generar con la central hidroeléctrica y luego hacerlo con la central fotovoltaica, dado
que el costo nivelado de la primera es mucho menor que el de la segunda. El costo
nivelado considera el efecto de las diferencias en la vida útil de cada planta pudiendo
hacer directamente la comparación de las centrales. Así, se puede ver que el costo
nivelado de la planta.
PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD RER POR TECNOLOGÍA (MWH):
53
PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD RER POR CENTRAL (MWH):
El siguiente gráfico muestra la producción mensual de las centrales RER que han
ingresado a operación comercial.
54
EL PROYECTO EN CIFRAS.-
Ingreso de electricidad RER por tecnología (S/.):
AREQUIPA.-
Indicó que solo la región Arequipa tiene una demanda de 200 megavatios y el proyecto
inaugurado generará 40 megavatios, lo cual hace ver que aún hay espacio para
reemplazar la energía cara y que contamina, por la energía solar, eólica o hídrica.
Con el fin de contar con una nueva fuente de energía renovable, se inauguró en el
distrito de La Joya (Arequipa) la central fotovoltaica Repartición, primera de este tipo en
el Perú como en Sudamérica.
La central usa energía solar para generar 22 megavatios y 40 megavatios en sus dos
etapas, y producirá electricidad para 8 mil habitantes de la región.La concesión fue
obtenida por T-Solar al ofertar el pago de US$ 120 por cada megavatio vendido.
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Se informó que el proyecto tuvo una inversión de US$ 160 millones.
La planta está instalada en más de 210 hectáreas en ambas plantas. La radiación es
captada por los paneles y canalizada por una línea energética hasta los
transformadores. La cantidad de energía aportada al sistema nacional de generación
eléctrica beneficiaría aproximadamente a unos 80 mil peruanos.
Las plantas de “Repartición” y “Majes”, que se conectaron a la red nacional de
energía de Perú en julio 2012, producirán 80 GWh al año, electricidad suficiente
para abastecer a una población de hasta 80.000 habitantes.
MOQUEGUA.-
La planta de Moquegua, en la provincia de Mariscal Nieto, requirió la misma inversión
que la otra, tiene 123 hectáreas y se calcula en 50.676 megavatios su producción
anual.
Tuvo una inversión de 250 millones de soles (US$95,7 millones)
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"La matriz energética del Perú debe ser equilibrada. No podemos depender de
energías contaminantes. Estamos promoviendo energías renovables
El ratio promedio de conversión de energía solar en eléctrica de los paneles solares
comerciables ha ascendido al 15%, y a 23% en laboratorio. Si bien parece bajo, en
parte se debe a la resistencia que impone naturalmente la atmósfera terrestre a los
rayos del Sol. Evidentemente mejor ratio de conversión y mayor potencia tendrían los
paneles fotovoltaicos si se localizaran fuera de la Tierra
TACNA.-
La Central Fotovoltaica de Tacna, en la zona de Alto de la Alianza, tuvo una inversión
de 250 millones de soles (US$95,7 millones), cuenta con 121 hectáreas de superficie y
su producción anual de energía se estima en 47,196 megavatios.
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13. VENTAJAS DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA.-
Los costos de operación son muy bajos.
El mantenimiento es sencillo y de bajo costo.
Los módulos tienen un periodo de vida hasta de 20 años.
Se puede integrar en las estructuras de construcciones nuevas o existentes
Se pueden hacer módulos de todos los tamaños.
El trasporte de todo el material es práctico.
El costo disminuye a medida que la tecnología va avanzando.
Es un sistema de aprovechamiento de energía idóneo para zonas donde no
llega la electricidad.
Los paneles fotovoltaicos son limpios y silenciosos.
14.DESVENTAJAS DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA.-
Los costos de instalación son altos, requiere de una gran inversión inicial.
Los lugares donde hay mayor radiación solar, son lugares desérticos y alejados
de las ciudades.
Para recolectar energía solar a gran escala se requieren grandes extensiones
de terreno.
Falta de elementos almacenadores de energía económicos y fiables.
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Es una fuente de energía difusa, la luz solar es una energía relativamente de
baja densidad.
Posee ciertas limitaciones con respecto al consumo ya que no puede utilizarse
más energía de la acumulada en períodos en donde no haya sol.
15. INVESTIGACIÓN Y ESTUDIO DE MERCADO
LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS EN EL MUNDO
Los países desarrollados han asumido el compromiso de disminuir sus emisiones de
gases efecto invernadero mediante la introducción de energías renovables y medidas
de eficiencia energética, en sustitución del uso de combustibles fósiles.
El consumo de energía en los países desarrollados sube cada año aproximadamente
en un 10 por ciento, según información proporcionada por la organización CODESOL.
Las empresas eléctricas de estos países no están en capacidad de suministrar
suficiente energía para sus clientes y, además, hay un desabastecimiento de energía
eléctrica en zonas rurales por falta de instalaciones.
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En otros países, la situación de generación y suministración eléctrica es mejor, pero
algunas veces depende de centrales atómicas y térmicas, lo cual tampoco es
sustentable.
La energía solar adquiere a nivel internacional cada vez mayor importancia. Has
suficientes recursos para obtener centrales hidráulicas y solares. Hay principalmente
suficiente sol para el aprovechamiento de esta forma de energía lucrativa. Debido a
que, cualquier instalación solar térmica o fotovoltaica puede durar mucho tiempo y sin
mayor mantenimiento, se la aprovecha en todo el mundo.
En muchos casos dimensionando bien las instalaciones y aprovechando el
financiamiento público, se puede tener una energía renovable mas barata que la
convencional.
El crecimiento de la energía solar fotovoltaica supera el 30% anual. Solamente en el
año 2006 se instalaron en el mundo
principalmente en los países industrializados (Japón, Alemania, España, Estados
Unidos, y otros) 927 MW de generación fotovoltaica, mayormente conectados a la red
que representó un mercado de US$ 6,500 millones. La capacidad instalada mundial a
ese año llegó a 3,400 MW.
En Europa, muchas casas ya están equipadas con sistemas solares de conexión “T”,
alimentando a la red pública durante el día, cobrando la mitad del precio de energía.
Por la noche, reciben energía pública “normal” pagando de acuerdo a lo establecido por
sus Gobiernos.
Los fabricantes de paneles solares para la producción de electricidad tienen
problemas para abastecer al mercado mundial, debido al importante incremento de la
demanda del mercado alemán y de otros países que están apostando por esta forma
limpia de producción energética y al estancamiento de la oferta de células de silicio,
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componente básico de los paneles fotovoltaicos. En nuestro país esta escasez de
silicio limita las posibilidades de crecimiento de la alternativa energética fotovoltaica.
Desde hace varios meses los instaladores de paneles fotovoltaicos se encuentran
con dificultad para obtener paneles, y la previsión de las empresas fabricantes
españolas de paneles fotovoltaicos, las cuales se encuentran entre los primeros
fabricantes mundiales, estiman que este desabastecimiento se prolongará hasta
comienzos del 2007.
La razón fundamental para este desabastecimiento estriba en la limitada oferta de
silicio de grado semiconductor, componente fundamental de los paneles fotovoltaicos.
Aunque el silicio es un material muy abundante en la tierra, su depuración y
cristalización está en manos de 6 empresas a nivel mundial.
Como consecuencia inmediata, los precios de los paneles fotovoltaicos están
comenzando a subir, tras años de bajadas consecutivas debidas al importante
incremento de la demanda.
El sector empresarial fotovoltaico español ha ido creciendo significativamente
durante los últimos años, contando actualmente con 5 empresas fabricantes de paneles
fotovoltaicos de primera calidad y varias fábricas en proceso de creación, cuya
producción es exportada en más de un 80%. Además, más de un centenar de
empresas instaladoras de diverso tamaño se encargan de introducir en el mercado el
producto, habiéndose convertido en un sector en continuo crecimiento y de evidente
pujanza en la creación de empleo.
La situación de la energía solar fotovoltaica en España es un paisaje desconcertante,
siendo uno de los países con mayor radiación solar de Europa, junto con Portugal, no
se llega ni de lejos a la situación actual de un país como es Alemania con mucha
menos radiación solar; este país es un modelo a seguir en las ayudas estatales y la
concienciación de los ciudadanos: a mediados del año 2003, consiguió finalizar el
programa 100.000 tejados solares (iniciados en 1999) generando una capacidad de
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300 MW. Es además el principal productor europeo de paneles solares, puesto en el
que ha desplazado a España.
El principal productor de paneles solares a nivel mundial es Japón; en España,
podríamos destacar a la empresa Isofoton como principal fabricante de paneles solares
en España En América, destacan como productores y consumidores de energía solar
fotovoltaica Chile, Brasil, Argentina, Colombia, México, Estados Unidos y Canadá,
aunque el uso de instalaciones solares fotovoltaicas en estos países no llega ni al 40%
del consumo en Europa, ni al 60% de Japón.
Muchos gobiernos latinoamericanos han reconocido sus falencias en este aspecto,
pero ya se han comprometido a invertir importantes cantidades de dinero para la
investigación y desarrollo plena de esta energía renovable, especialmente Brasil y
Chile, que han mostrado un amplio interés por el uso y aprovechamiento de las
energías renovables.
16.BIBLIOGRAFIA
http://assets.mheducation.es/bcv/guide/capitulo/8448171691.pdf
https://srvgart.osinergmin.gob.pe/sisrer-web/proyectoController/rer_subasta
http://www.eco.uab.es/ue/trabajos%20premi/TFC%2050%2020%20F
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http://www.gmmontes.es/wp-content/uploads/2014/01/Estudio_viabilidad.pdf
http://srvgart07.osinerg.gob.pe/pwpg/archivo/00000130%20-%203-
%20Memoria%20Descriptiva%20del%20proyecto_PANAMERICANA.pdf
http://dspace.sheol.uniovi.es/dspace/bitstream/10651/13052/1/
TDJoseAntonioAguileraFolgueiras.pdf
https://srvgart.osinergmin.gob.pe/sisrer-web/proyectoController/
estadistica_rer#
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