Navalvillar de Pela - Badajoz

Paneles solares, colectores solares y paneles solares fotovoltaicos

Los paneles solares son dispositivos que aprovechan la energía que nos llega a la tierra en forma de radiación solar, el componente principal de los paneles solares son las células de siclillo, las células de silicio es el componente base de los paneles solares

Haciendo una gran división podemos decir que tenemos dos clases distintas de paneles solares dependiendo del uso que le queramos dar principalmente, los paneles solares para el calentamiento del agua generalmente para uso domestico o colectores solares, estos paneles solares son los que podemos ver principalmente en los tejados de nuestras casas y edificios, a través de un circuito cerrado calientan agua que es almacenada en un deposito para su posterior uso domestico. A partir de Enero de 2007 la instalación de estos colectores solares será de uso obligatorio en España para todos los edificios de nueva construcción, esto dará un impulso de una magnitud enorme al mercado de los paneles solares en España

La otra parte de la división lo tenemos en los paneles solares fotovoltaicos estos paneles están destinado a la producción de energía solar a partir de las células de silicio, su uso principal se da para instalaciones aisladas a la red, en las cuales las llegada de la red eléctrica general se hace complicada o imposible, un uso que se esta haciendo de forma muy masiva de los paneles solares son las plantas solares dedicados a la producción eléctrica de forma fotovoltaica.

España ha tenido a lo largo del 2006 un serio desabastecimiento de paneles solares a pesar de ser uno de los principales fabricantes de paneles solares a nivel mundial, esto es debido a que el silicio a pesar de ser un componente muy común dentro de la naturaleza tiene que sufrir un proceso complejo para poder fabricarse con el las células solares fotovoltaicas capaces de convertir la radiación solar en energía eléctrica, esto proceso en la actualidad solo se hacen en 5 fabricas en todo el panorama mundial y ninguna de ellas radica en España, es este motivo por el cual muchas organizaciones ecologistas exigen al gobierno español la construcción de una fabrica de células solares capaz de abastecer al mercado español, por otro lado la fuerte demanda de algunos países que están apostando de manera seria y fuerte por las energías limpias como es el caso de Alemania, hace se produzcan serios desabastecimientos de los paneles solares.

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.




Paneles solares hibridos

Hasta ahora conocíamos dos tipos de paneles solares para el aprovechamiento de la energía solar, los módulos fotovoltaicos para producir electricidad y los colectores o paneles térmicos para agua caliente. Ambos sistemas son totalmente independientes y diferentes.

Es un hecho cierto que los paneles fotovoltaicos son enemigos del calor, como ya habréis visto en las hojas de características de los fabricantes, la potencia del panel esta especificada en base a unas condiciones de prueba estándar, (Irradiancia 100 mW/cm2, temperatura de la célula 25ºC, masa de aire de 1,5, etc.). En la vida real, la temperatura de la célula es muchísimo más elevada, con lo cual la eficiencia de las células cae al aumentar la temperatura, reduciendo la potencia del panel aproximadamente un 15%. (TK=-0.44% ºC)

Lo mencionado anteriormente a modo de introducción es algo que casi todos conocemos, pero ¿existe otra alternativa? La respuesta es sí.
En la Oficina Española de Patentes y Marcas está registrado un invento llamado “Panel Solar Híbrido”, dicho invento es un panel que integra la energía solar fotovoltaica y Térmica en un único Panel Solar.

En el Panel Solar Híbrido, utilizado en edificaciones, el calor existente en las células fotovoltaicas, que era un problema, es transferido a un absorbedor de temperatura integrado en su parte posterior, el serpentín o similar del absorbedor es recorrido por un fluido calor-portante. Dicho fluido llega al intercambiador de calor del acumulador de agua caliente, donde cede su energía solar térmica para ser usada en A.C.S. u otros usos. Con este sistema conseguimos aumentar la producción de electricidad un 15% y reducir el espacio necesario para instalar ambos sistemas, ya que obtenemos una cogeneración, mediante la cual se obtiene simultáneamente energía eléctrica y energía solar térmica útil.

El Panel Solar Híbrido usado en Huertas Solares funciona de una forma similar, pero se sustituye el acumulador de agua por un sistema de refrigeración basado en radiadores que enfrían el fluido calor-portante por convección de aire. De esta forma el Panel Solar Híbrido se usa como un Panel Solar Fotovoltaico Refrigerado, concentrando su función en la producción de electricidad.
La vida útil de la instalación es más prolongada debido a que la temperatura de trabajo de los Paneles es más baja.




Introducción a los Paneles solares hibridos

El presente proyecto de investigación persigue dos objetivos fundamentales relacionados con la mejora de la eficiencia energética de los paneles solares fotovoltaicos. Por una parte incrementar la eficiencia fotovoltaica y al mismo tiempo y en el mismo espacio obtener A.C.S.
El sistema desarrollado consta principalmente de un absorbedor formado por una pletina de cobre, aluminio o cualquier otro material con buena conductividad térmica sobre la cual se ha soldado un serpentín o sistema similar, para formar todo ello un absorbedor de calor refrigerado por un líquido calor-portante. Este absorbedor estará adosado a la parte posterior de un panel fotovoltaico, con el fin de disminuir la temperatura en sus células, en los diodos de protección y bypass que forman el panel.
Con todo ello se pretende conseguir un incremento notable en la eficiencia de los paneles solares, que se prevé sea superior al 15% sobre la potencia de pico suministrada por el panel F.V. Este incremento de potencia es muy significativo, ya que la eficiencia conseguida en los paneles que se comercializan actualmente está situada entre el 15% y el 25%.
Este sistema desarrollado refrigera las células solares incrementando notablemente la eficiencia en la producción de energía eléctrica. El calor absorbido del panel es conducido a un acumulador de agua caliente, para utilizarlo en un sistema de A.C.S., calefacción, etc.…

De todos es conocida la estrecha relación que existe entre la temperatura y cualquier sistema basado en la electricidad; pero, ¿realmente le damos la importancia que tiene? Los Transformadores de alta tensión indican en su placa de características que se ha de reducir la potencia en un tanto % a partir de cierta temperatura, los motores eléctricos disminuyen su eficiencia cuando se calientan, las baterías para almacenamiento de electricidad, las células fotovoltaicas, los alternadores de las grandes centrales productoras de electricidad; todo lo que tiene relación con la electricidad está sometido a los efectos negativos del incremento de la temperatura. En valores porcentuales la perdida de potencia de un sistema eléctrico es algo considerable, pero si adoptamos una visión más amplia y lo vemos a nivel global, podremos intuir la perdida de muchos gigavatios por efectos de la temperatura.
Lo mencionado anteriormente, es algo que la física conoce, pero en tiempos de abundancia energética, se desprecia. Entramos en nuevos tiempos en los cuales el problema energético se agudizará. Si somos responsables, si nos preocupa el futuro del planeta, de nuestros hijos y sus descendientes; deberíamos empezar a pensar en como exprimir cada vatio de potencia en cualquier sistema productor o consumidor de energía, mejorando la eficiencia de los mismos y tomando una actitud responsable de su consumo.
La mayor parte de estos problemas se solventaran cuando lleguen los superconductores a temperatura ambiente, pero mientras esto no acontezca pensemos…
1.1.- Planteamiento del problema:
El rendimiento de las células fotovoltaicas que se comercializan en la actualidad está comprendido entre un 15% y un 25%, es decir, que sólo una pequeña parte de la energía lumínica se aprovecha realmente en forma de energía eléctrica. Este rendimiento es menor cuanto más alta es la temperatura.
El aumento de temperatura en las células supone un incremento en la corriente, pero al mismo tiempo una disminución mucho mayor, en proporción, de la tensión. El efecto global es que la potencia del panel solar disminuye al aumentar la temperatura de trabajo del mismo. Una radiación de 1.000 W/m2 es capaz de calentar un panel al menos 30 grados por encima de la temperatura del aire circundante, lo que reduce la tensión en 2 mV/ (célula*grado) * 36 células * 30 grados = 2,16 Voltios y por tanto la potencia en un 15%.
Por otra parte, actualmente para instalar energía solar fotovoltaica y térmica, requiere dos instalaciones completamente independientes en el lugar de captación que habitualmente será en la cubierta de los edificios; esto implica tener que disponer de más superficie para realizar ambas instalaciones. El Instituto para la Diversificación y

Ahorro de Energía calcula que por cada vivienda (cuatro personas, 100 m2) hacen falta uno o dos metros cuadrados de paneles.
El impacto medioambiental y visual, aunque pequeño, también es un dato a tener en cuenta, ya que si vemos una instalación aislada, no es significativo, pero si lo vemos desde un punto de vista más generalizado, podría recordarnos los bosques de antenas que veíamos en los tejados no hace mucho tiempo, hasta la entrada en vigor de la ley sobre las Infraestructuras Comunes de Telecomunicaciones, (I.C.T.).
El presente proyecto pretende aportar alguna solución viable a los problemas planteados.
1.2. Justificación
Después de haber visto la relación directa entre temperatura y eficiencia energética de los paneles solares se ha indagado en Internet, libros, revistas especializadas, bases de datos en oficinas de patentes, y se ha comentado el problema con profesionales del sector, no encontrando ninguna solución técnica que solvente el problema de la temperatura en los paneles fotovoltaicos, que por otra parte es inherente a la propia energía solar.

Si bien es cierto que en las instalaciones fotovoltaicas es recomendable situar los paneles en lugares bien ventilados, para paliar los efectos negativos de la temperatura sobre las células fotovoltaicas, también es cierto que se está desaprovechando la energía en forma de calor que existe en las mismas.

Por otra parte la idea de integrar energía solar fotovoltaica y térmica en un mismo panel es un concepto novedoso, y que merece la pena investigar, ya que conllevaría las siguientes ventajas:

o Menos superficie necesaria para instalar energía fotovoltaica y térmica.
o Menos residuos alcanzado el fin de la vida útil de la instalación.
o Incremento de al menos un 15% en la producción de electricidad.
o Obtención de agua caliente para usos sanitarios, calefacción, etc.…
o Prolongación de la vida útil de los paneles solares.
o Reducción de la radiación solar reflejada.




Paneles solares hibridos, objetivos

Los objetivos que se pretenden alcanzar son los siguientes:

1. Aumentar el rendimiento de un panel solar fotovoltaico en un 15%
2. Obtener A.C.S. a partir del calor absorbido del panel fotovoltaico.
3. Reducir la superficie necesaria para obtener electricidad y A.C.S simultáneamente.
4. Aprovechar al máximo la radiación solar por metro cuadrado.
5. Incrementar la vida útil de las instalaciones fotovoltaicas

(a) El aumento de la eficiencia se deberá a la reducción del factor de degradación por efectos de la temperatura sobre las células fotovoltaicas. (Se mejora la zona de transición para la curva I-V)
(b) El calor extraído de las células será transferido al absorbedor que será el generador A.C.S.
(c) Al ser el mismo captador se reducirá a la mitad la superficie necesaria.
(d) Se producirá una cogeneración aprovechando la energía en forma de electricidad y calor.
(e) Los semiconductores que forman las células operarán a temperaturas más bajas y por lo tanto más idóneas, debido a las propiedades intrínsecas del silicio.

Sistema de hipótesis.

En este apartado se mostrarán algunas posibles variantes al modelo estudiado.
Sería ideal fabricar paneles fotovoltaicos con el absorbedor integrado, montando directamente las células fotovoltaicas, sobre la superficie del propio absorbedor, disminuyendo de esta forma las perdidas en la transferencia de calor al mismo. También sería ideal montar dichos paneles en una carcasa, similar al utilizado actualmente para la energía solar térmica, con esto se conseguiría un incremento de la temperatura en el panel por el efecto invernadero generado en su interior; obteniendo más temperatura en el liquido refrigerante, y por lo tanto mayor eficiencia en el sistema térmico. Un automatismo de bajo coste basado en microcontroladores programables (PIC), supervisaría constantemente la temperatura de las células, controlando la circulación de líquido calor-portante a través del intercambiador situado en el acumulador de calor o desviándolo al radiador refrigerado por aire, cuando la temperatura en el acumulador se igualase con la existente en las células.

hUERTAS SOLARES

El Panel Solar Híbrido sería de gran utilidad en Huertas Solares, donde todos los absorbedores de los paneles fotovoltaicos estarían conectados térmicamente en paralelo mediante tuberías. Dichas tuberías transportan el fluido calor-portante que recorre todo el circuito y cederá el calor absorbido en un radiador refrigerado por convección de aire o ventilación forzada. El radiador o radiadores pueden estar instalados horizontalmente con un tubo a modo de chimenea, con sección adecuada con el fin de reforzar la convección de aire. También puede ser interesante una combinación de posición horizontal y vertical.
Una Huerta con una producción de 900 KW/h más un 15% de mejora en eficiencia (135 Kw/h.), el total sería 1.035 KW/h.
Si la Huerta Solar está en las inmediaciones de un río, lago, o cualquier otra masa de agua fría, sería muy interesante bombear agua en el circuito de refrigeración, eliminando el radiador, consiguiendo una temperatura media en las células por debajo de 25ºC, con lo cual el aumento de eficiencia sería notablemente mayor.
Un sistema más económico sería adosarle un radiador de aluminio con aletas de refrigeración al Panel FV, el propio aire circundante disminuiría la temperatura en las células. Como en el caso anterior, no se aprovecharía la potencia térmica.

LIMITACIONES

Investigar todas las variantes propuestas en el sistema de hipótesis, es lo recomendable, y aunque la lógica lleva a pensar que son factibles, el autor de este proyecto ha decidido probar experimentalmente el propuesto en la figura Nº 4, y el descrito en el apartado Nº 3.3 “Construcción del prototipo”.Las principales razones para ello son la falta de recursos técnicos y financieros para llevar a cabo una investigación seria de todos las variantes posibles.
El objetivo que persigue el incremento de la vida útil de las instalaciones fotovoltaicas, no se podrá constatar, ya que serían necesarios varios años para poder evaluar este punto. No obstante, todos sabemos que los semiconductores tienen una temperatura de trabajo idónea, que suele estar entorno a los 25ºC. El hecho de rebajar la temperatura de trabajo de las células, nos hace creer que este objetivo sería alcanzado, debido a las características intrínsecas de los materiales semiconductores.
Para la medición de la radiación solar se ha pedido un sensor LI-200 de la marca LI-COR, procedente de Nebraska, USA. No habiéndose recibido a tiempo para realizar la medida de radiación para efectuar las pruebas del experimento. No obstante las pruebas fueron realizadas en el mes de julio, con el cielo completamente despejado, buena visibilidad y a mediodía, por lo que se prevé que los valores de dicha radiación deben estar en torno a los valores supuestos.

Viabilidad

Dado que la eficiencia energética de los paneles solares fotovoltaicos se puede considerar en un 19%, como media; el autor de este proyecto cree muy viable el desarrollo de este tipo de tecnología, ya que al 19% de eficiencia existente habría que sumar un mínimo de un 15% de ganancia en producción eléctrica, que se debería principalmente como consecuencia de reducir la degradación por efectos de la temperatura en las células. A todo ello habría que sumar también al menos un 30% de energía captada de forma térmica, con lo cual el resultante obtenido es muy superior al conseguido actualmente.
Los costes de producción serian inferiores, ya que en un mismo componente estarían situados todos los captadores.

A la hora de realizar las instalaciones serían necesarios menos soportes y puntos de anclaje.


Paneles solares hibridos, la teoria

Semiconductores

Un semiconductor es un componente que no es directamente un conductor de corriente, pero tampoco es un aislante. En un conductor la corriente es debida al movimiento de las cargas negativas (electrones). En los semiconductores se producen corrientes producidas tanto por el movimiento de electrones como de las cargas positivas (huecos). Los semiconductores son aquellos elementos pertenecientes al grupo IV de la Tabla Periódica (Silicio, Germanio, etc.). Generalmente a estos se le introducen átomos de otros elementos, denominados impurezas, de forma que la corriente se deba primordialmente a los electrones o a los huecos, dependiendo de la impureza introducida. Otra característica que los diferencia se refiere a su resistividad, estando ésta comprendida entre la de los metales y los aislantes.

Efecto de la temperatura sobre los materiales.

La resistencia de un conductor metálico aumenta al aumentar la temperatura. Dicho aumento depende de la elevación de la temperatura y del coeficiente térmico de resistividad alfa (formula paneles solares hibridos), el cual se define como el cambio de resistividad por grado centígrado de variación. Los semiconductores tienen un coeficiente de temperatura negativo, mientras que muchos metales se tornan superconductores a pocos grados por encima del cero absoluto.
La temperatura de trabajo (Tt) que alcanza un panel fotovoltaico
obedece una relación lineal dada por la expresión:

Tt=Ta+K.R

• Tt: Temperatura de trabajo
• Ta: Máxima temperatura ambiente
• R: radiación solar en mW/cm2 (varía entre 80 y 100 mW/cm2).
• K: coeficiente que varía entre 0,2 y 0,4 ºC.cm2/mW dependiendo de la velocidad promedio del viento. Cuando ésta es muy baja, o inexistente, el enfriamiento del panel solar es pobre o nulo y K toma
valores cercanos o iguales al máximo (0,4). Si la velocidad del viento produce un enfriamiento efectivo del panel, el valor de K será el mínimo (0,2).
K.R: Representa el incremento de temperatura que sufre panel sobre la máxima temperatura ambiente.

Para calcular la Potencia de salida a la temperatura de trabajo
(Pt) que alcanza un panel fotovoltaico, el primer paso es calcular la
Temperatura de trabajo y luego se determina el incremento en
la temperatura respecto a la de prueba (25 ºC).
La expresión aproximada para el cálculo es:

Pt= Pp δ.Dt

• Pt: Potencia de salida a la temperatura de trabajo.
• Pp: Potencia pico del panel (25 ºC).
• δ: Coeficiente de degradación (0,6 % / ºC)
• Dt: Incremento de temperatura sobre los 25 ºC (Tt – 25ºC)

El personal técnico de la revista “HOME POWER” ha llevado a cabo una serie de evaluaciones, usando paneles solares con células de diferentes tipos, a temperaturas de trabajo no inferiores a los 50°C. Los resultados de estas pruebas han sido publicados en tres de sus números: el 24 (Págs. 26-30) y el 33 (Págs. 17-20) y el 49 (Págs. 28-33). La última evaluación es la más interesante por dos motivos: fue llevada a cabo después de un largo tiempo de uso de los paneles solares fotovoltaicos puestos a prueba y la temperatura de trabajo es la de verano. Ellos evaluaron nueve paneles con tres tipos diferentes de células: cristalina, policristalina y amorfa. Los resultados muestran que la mayoría de los paneles, independientemente del tipo de célula, ofrecen un coeficiente de degradación que oscila entre 0,7 y 0,86%.

Tecnología Fotovoltaica

La célula fotovoltaica
El fenómeno fotovoltaico fue descubierto en 1839 por el científico francés, Henri Becquerel. Las primeras celdas solares de selenio fueron desarrolladas en 1880, sin embargo, no fue sino hasta 1950 que se desarrollaron las celdas de silicio monocristalino que actualmente dominan la industria fotovoltaica. Las primeras celdas de este tipo tenían una eficiencia de conversión de solo 1%; ya para 1954 se había logrado incrementar la eficiencia al 6% en condiciones normales de operación, mientras en el laboratorio se lograron eficiencias cercanas a 15%. Desde entonces hasta nuestros días la eficiencia en las células no ha mejorado notablemente.

La producción eléctrica está basada en el fenómeno físico denominado "efecto fotovoltaico", que básicamente consiste en convertir la luz solar en energía eléctrica por medio de unos dispositivos semiconductores denominados células fotovoltaicas. Estas células están elaboradas a base de silicio puro (uno de los elementos más abundantes en la naturaleza, componente principal de la arena) con adición de impurezas de ciertos elementos químicos (boro y fósforo), y son capaces de generar cada de ellas una corriente de 2 a 4 Amperios, a un voltaje de 0,46 a 0,48 Voltios, utilizando como fuente de energía la radiación luminosa. Las células se montan en serie sobre paneles o módulos solares para conseguir un voltaje adecuado. Parte de la radiación incidente se pierde por reflexión (rebota) y otra parte por transmisión (atraviesa la célula).

El resto es capaz de hacer saltar electrones de una capa a la otra creando una corriente proporcional a la radiación incidente. La capa antirreflejo aumenta la eficacia de la célula.
Generalmente, una célula fotovoltaica tiene un grosor que varía entre los 0,25 y los 0,35 mm y una forma generalmente cuadrada, con una superficie aproximadamente igual a 100 mm2.
Los materiales para la fabricación de los paneles solares son:
-Silicio Monocristalino: de rendimiento energético hasta 15 - 17%
-Silicio Poli-cristalino: de rendimiento energético hasta 12 - 14 %
- Silicio Amorfo: con rendimiento energético menor del 10 %;
- Otros materiales: Arseniuro de galio, diseleniuro de indio y cobre, telurio de cadmio.
Actualmente, el material más utilizado es el silicio monocristalino que tiene prestaciones y duración en el tiempo superiores a cualquier otro material utilizado para el mismo fin.




Paneles solares hibridos, diseño

Datos de partida:

Se utilizarán dos paneles solares gemelos con las mismas características eléctricas y mecánicas, uno es el utilizado en el prototipo del proyecto y otro es para poder observar y valorar las diferencias entre ambos en distintas condiciones, (refrigerado o no)
Dimensiones del panel: 300x220mm.
Potencia de Panel: 6w.
Tensión Voc: 22 vdc.
Corriente Isc: 500 mA.

Temperatura ambiente: 25ºC.
Radiación solar: ~ 97mW/cm²
Velocidad del viento: 0 m/s
Diámetro del tubo del serpentín absorbedor: 6 mm.
Medidas de la pletina del absorbedor: 285x210x5 mm.

Descripción del funcionamiento:

La instalación en el interior del edificio es similar a las que se pueden encontrar actualmente en el mercado. La única variante reside en el captador, que en este caso es el mismo para el sistema de paneles fotovoltaicos y para el sistema térmico. El absorbedor está integrado en el propio panel fotovoltaico, recorrido por un líquido calor-portante que cede su energía en el intercambiador de calor situado en el interior de un tanque acumulador. Este acumulador está alimentado por agua fría, y de el se extrae agua caliente para su uso sanitario, calefacción, etc. El absorbedor disminuirá notablemente la temperatura en las células del panel, incrementando su eficiencia.
La electricidad producida en el panel es conducida a través de conductores de sección apropiada a un regulador de tensión, cuya misión, entre otras, es controlar la carga de las baterías dentro de los límites adecuados. De las baterías se obtiene la potencia para los distintos elementos consumidores de la instalación, si esta está diseñada para trabajar a bajo voltaje en corriente continua. Si los aparatos consumidores y la instalación están diseñados para trabajar en corriente alterna, será necesario intercalar un inversor DC-AC.