La energía solar fotovoltaica consiste en la transformación directa de la energía que irradia el Sol en energía eléctrica sin mediación de reacciones químicas, ni ciclos termodinámicos, ni procesos mecánicos. Este proceso de transformación de energía solar en energía eléctrica se produce en un elemento que se denomina célula fotovoltaica.

Las células fotovoltaicas, se construyen con materiales semiconductores principalmente, el germanio (Ge), y el silicio (Si). Ambos, a temperatura ambiente, tienen muy pocos electrones libres, que son los responsables de su pequeña conductividad.

Estos materiales tienen propiedades eléctricas únicas. En presencia de luz solar los electrones son excitados por los fotones asociados a la luz y se mueven a través del material, produciendo una corriente eléctrica; este efecto es conocido como fotovoltaico.

Hay dos formas de utilizar la energía eléctrica generada a partir del efecto fotovoltaico:

• En instalaciones aisladas de la red eléctrica.
• En instalaciones conectadas a la red eléctrica convencional.

Mientras que en las primeras la energía generada se almacena en baterías para así disponer de su uso cuando sea preciso, en las segundas toda la energía generada se envía a la red eléctrica convencional para su distribución donde sea demandada.

Las condiciones de funcionamiento de un módulo fotovoltaico dependen de algunas variables externas como la radiación solar y la temperatura de funcionamiento, por ello, para medir y comparar correctamente los diferentes módulos fotovoltaicos, se definen unas condiciones de trabajo nominales o estándar.

Estas condiciones se han normalizado para una temperatura de funcionamiento de 25 C y una radiación solar (irradiancia) de 1.000 W/m2, y los valores eléctricos con estas condiciones se definen como valores pico. La potencia de un módulo fotovoltaico se expresa en vatios pico (Wp).

Por otro lado, la energía producida por los sistemas fotovoltaicos es el resultado de multiplicar su potencia nominal, por el número de horas pico.

La suma total de la energía que produce el Sol durante un día medio en España es del orden de 4 h pico, lo que supone en verano entre 6 h y 8 h dependiendo de la zona y entre 2 h y 4 h durante el invierno según la región.

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/m_ al año, en los países del norte de Europa, a 2.500 kWh/m_ 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 (orientación y ángulo de inclinación).

2.2 Orientación

Un panel solar genera electricidad incluso en ausencia de luz solar directa. Sin embargo, las condiciones óptimas de operación implican: la presencia de luz solar plena y un panel orientado lo mejor posible hacia el Sol, con el fin de aprovechar al máximo la luz solar directa. En el Hemisferio Norte, el panel deberá orientarse hacia el sur y en el Hemisferio Sur, hacia el Norte.

La inclinación que deben tener los módulos fotovoltaicos siempre será función de: la Latitud del lugar donde se instalen ±20°, de sí se trata de una instalación fija o móvil, y de la época de año.

• Utilización anual: es suficiente con una sola posición, el ángulo debe ser alrededor de 60º.
• Utilización verano: Se suelen considerar dos posiciones; una posición de invierno de 60º y una inclinación verano de 15º-30º.
• Utilización fines de semana y verano: Se utiliza una inclinación fija, equivalente a la latitud del lugar, es usual adoptar una inclinación fija de 45º.

El sistema solar fotovoltaico se compone de un conjunto de dispositivos capaces de captar, almacenar y transformar la energía proveniente del Sol en formas de energía aprovechables. El sistema consta de los siguientes elementos:

• Generador solar, compuesto por un conjunto de paneles fotovoltaicos, que captan la radiación luminosa procedente del Sol y la transforman en corriente continua a baja tensión (12 V ó 24 V).
• Acumulador, que almacena la energía producida por el generador y permite disponer de corriente eléctrica fuera de las horas de luz o días nublados.
• Regulador de carga, cuya misión es evitar sobrecargas o descargas excesivas al acumulador, que le produciría daños irreversibles; asegurar que el sistema trabaje siempre en el punto de máxima eficiencia.
• Inversor (opcional), que transforma la corriente continua de 12 V ó 24 V almacenada en el acumulador, en corriente alterna de 230 V.

4.1 Ventajas

• Es una energía descentralizada que puede ser captada y utilizada en todo el territorio.
• Una vez instalada tiene un coste energético nulo.
• Mantenimiento y riesgo de avería muy bajo.
• Tipo de instalación fácilmente modulable, con lo que se puede aumentar o reducir la potencia instalada fácilmente según las necesidades.
• Se trata de una tecnología en rápido desarrollo que tiende a reducir el coste y aumentar el rendimiento.

4.2 Inconvenientes

• Condicionantes económico-financieros, se necesita hacer una inversión inicial elevada. El período de amortización de la inversión es largo, entre 5 y 12 años, normalmente.
• En algunos casos la falta de espacio puede ser un inconveniente a la hora de la instalación.
• El aprovechamiento de las células fotovoltaicas está entre un 15 % - 20 % de la energía lumínica que reciben.
• El propietario corre a cargo del mantenimiento y las averías.

5.1 Sistemas aislados de la red eléctrica

Estos sistemas se emplean sobre todo en aquellos lugares 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. Durante las horas de luz solar hay que producir más energía de la que se consume, para acumularla y posteriormente poder utilizarla cuando no se esté generando.

Para optimizar el sistema es necesario calcular correctamente la demanda, con el fin de no sobredimensionar la instalación. Conviene utilizar electrodomésticos e iluminación de bajo consumo, para que de esta manera la potencia instalada sea lo menor posible.

Las principales aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos aislados de la red eléctrica son:

• Telecomunicaciones: Repetidores de televisión, equipos de radio, antenas de telefonía móvil, etc.
• Señalización: La señalización marítima y terrestre es una de las grandes aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos. Así son numerosos los ejemplos en balizamiento de aeropuertos, señalización de carreteras y puertos, etc.
• Bombeo: En estos sistemas el almacenamiento de energía suele ser en forma de energía potencial, bombeando el agua a depósitos elevados.
• Zonas protegidas: En parajes naturales, donde por motivos de protección ambiental se recomienda no instalar tendidos eléctricos aéreos, en ocasiones, resulta más rentable utilizar sistemas fotovoltaicos en lugar de tendidos subterráneos o grupos electrógenos que utilizan combustibles fósiles.
• Electrificación de viviendas aisladas: La distancia del punto de consumo a la red eléctrica puede hacer, en muchos casos, más rentable esta aplicación debido al coste de instalar el tendido eléctrico.
• Alumbrado de calles y carreteras: La posibilidad de utilizar sistemas de iluminación autónomos de fácil instalación y mínima obra civil hace que sea una solución adecuada en muchas ocasiones.

5.2 Sistemas conectados a la red eléctrica

Para que estas instalaciones sean técnicamente viables es necesario:

• La existencia de una línea de distribución eléctrica cercana con capacidad para admitir la energía producida por la instalación fotovoltaica.
• Proyectar un sistema que incluya equipos de generación y transformación de primera calidad, con las protecciones establecidas y debidamente verificados y garantizados por los fabricantes, de acuerdo a la legislación vigente.
• Una instalación realizada por un instalador especializado.

Para ofrecer una solución más económica se están utilizando sistemas prefabricados que reducen notablemente el tiempo de realización de la instalación y aumentan su fiabilidad.

Las principales aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica son:

Integración fotovoltaica en edificios se debe entender la sustitución de elementos arquitectónicos convencionales por nuevos elementos, que incluyen el elemento fotovoltaico, y que por lo tanto son generadores de energía.

Las aplicaciones de integración en edificios más frecuentes:

• Recubrimiento de fachadas.
• Muros cortina.
• Parasoles en fachada.
• Pérgolas.
• Cubiertas planas acristaladas.
• Lucernario en cubiertas.
• Lamas en ventanas.
• Tejas.

Para conseguir una mejor integración del elemento fotovoltaico en los edificios es necesario tenerlo en cuenta desde el inicio del diseño, para no tener que sacrificar parte del rendimiento energético por mantener la estética del edificio.

Centrales fotoeléctricas: son instalaciones de grandes potencias de captación (de más de 100 kWp, llegando a potencias de varios MWp), destinadas a la producción de energía eléctrica, con el fin de inyectarla íntegramente en la red general de distribución.

Es usual en este tipo de instalaciones la utilización de sistemas de seguimiento solar (normalmente sobre un solo eje), con el fin de mejorar el campo de captación.

Para conseguir una mejor integración del elemento fotovoltaico en los edificios, es necesario tenerlo en cuenta desde el inicio del diseño del edificio. De esta manera se podrá conseguir mejorar el aspecto exterior y el coste del edificio al poderse sustituir elementos convencionales por los elementos fotovoltaicos.

6.1 Nuevas Tecnologías

La tecnología de concentración, con una eficiencia de más del 30 % podrá proporcionar el gran salto mediante la disminución drástica del área de célula (elemento caro), incorporando elementos ópticos, más baratos, que rebajaran sustancialmente el coste de generación del kWh.

Las células solares mejorarán a medio plazo su eficiencia, del 16,5 % al 20 % en el caso de las mono-cristal, mientras las policristalinas lo harán de un 14,5 % al 18 %.

Aplicabilidad a los sistemas fotovoltaicos de nuevos tipos de baterías, como las de plomo-ácido de electrolito gelificado y las de plomo puro.

Incorporación de variadores de frecuencia industriales a los sistemas fotovoltaicos de bombeo, con bombas centrífugas, para mejora de rendimientos y disminución de costes.

Mejorar la eficiencia de las instalaciones mediante sistemas de seguimiento solar o la mejora de las prestaciones de los convertidores de conexión a red.

Facilitar la integración de la energía fotovoltaica en edificios buscando un equilibrio entre estética y funcionalidad.

6.2 Mantenimiento

Los paneles que forman el generador apenas requieren mantenimiento, basta limpiarlos con algún producto no abrasivo y fuera de las horas centrales, para evitar cambios bruscos de temperatura entre el agua y el panel

En las baterías comprobar el nivel del electrolito (cada 6 meses aproximadamente), el nivel correcto del electrolito es de 20 mm por encima del protector de separadores. Si el nivel es inferior rellenar con agua destilada o desmineralizada.

Limpiar los depósitos de los terminales de sulfato y cubrir con vaselina neutra todas las conexiones de la batería.

6.3 Ambientales

Se genera energía de forma totalmente no contaminante, disminuyendo especialmente las emisiones de CO₂ y SO₂ de otras fuentes energéticas convencionales.

6.4 Dimensiomiento

Depende de la potencia que se quiera instalar y del tipo de módulos que se utilice, pero en general se considera que se debe contar con que cada kWp de módulos ocupa una superficie de unos 10 m2.

Normalmente se considera que la vida de los módulos fotovoltaicos es de unos 25-30 años; de hecho, a menudo se encuentran en el mercado módulos con garantías de 10, 15 y 20 años.

En vez de realizar una instalación grande, realizar sistemas descentralizados y distribuidos en los puntos de consumo, así se evitaran pérdidas de energía por transporte.

Asegurarse de que no existan obstáculos que produzcan sombras sobre la placa fotovoltaica.

Orientar la placa hacia el sur. Lo que se deja de generar por estar orientados hacia el sureste o suroeste es un 0,2 % por cada grado de desviación respecto al sur (en un entorno de Å} 25º respecto al sur).

La inclinación óptima será entre 5º y 10º menos que la latitudz. Cada grado de desviación respecto de la inclinación óptima representa pérdidas de 0,08 %.

Se recomienda inclinaciones superiores a los 15º para permitir que el agua de la lluvia escurra.

En los lugares donde nieva frecuentemente es recomendable una inclinación superior a los 45º para favorecer el deslizamiento de la nieve.

Integrar arquitectónicamente los módulos fotovoltaicos, ya que pueden mejorar el aislamiento del edificio e incluso ahorrar costes ya que pueden sustituir algunos elementos constructivos (existen células fotovoltaicas en forma de teja, de vidrio para ventanal, etc.).

Instalar interruptores magnetotérmicos y pararrayos, como elementos de protección, así se evitarán muchas averías.

7.1 Ejemplo de una instalación para consumo de una vivienda

Una vivienda aislada localizada en la zona centro de la península, con un consumo diario eléctrico de 2.910Wh/día, y un bombeo familiar de 500l/día, la utilización es de todo el año. El estudio se ha realizado considerando que: la distancia a la red eléctrica es de 150m (coste de la línea 6.000€/km) y para calcular la amortización se ha supuesto que este consumo de energía estaría en la tarifa 2.0.

El consumo de energía anual es de 1.062,15kWh/año y el coste es de 179,28€/año. Además, el coste que supondría la línea eléctrica sería de 900€.

Diseño de la Instalación:

7.2 Ejemplo de una instalación de venta de red

En este caso se trata de una instalación de venta a la red con 4.740Wp, situado en al zona centro. El número de paneles instalados son 30 y se agrupan en dos bloques de 15 paneles para dar servicio a convertidores distintos y de esta forma si uno se avería, la central seguiría funcionando.

El precio de venta de la energía es de 34c€/kWh, según el Boletín Oficial del Estado (B.O.E.).