1. CAPITULO 1: INTRODUCCION

Los medios que hoy en día nos brindan energía para realizar procesos de

producción vienen derivados de la combustión de materiales fósiles provenientes

de la Tierra, los cuales son obtenidos por procesos de extracción a gran escala

por multinacionales las cuales no han conservado las normativas de procesos

sustentables, “Un proceso sustentable o sostenible es aquel que se puede

mantener en el tiempo por sí mismo, sin ayuda exterior y sin que se produzca la

escasez de los recursos existentes”1.

La utilización y abuso de estos combustibles fósiles ha ocasionado una gran

cantidad de dióxido de carbono (CO2) al ambiente. Una alternativa a la

contaminación procedente de la quema de combustibles son las energías limpias:

solar, térmica, eólica entre otras y las cuales son el motivo del presente

tratamiento en este documento.

La radiación del Sol como energía primaria se la puede aplicar para generar

energía eléctrica fotovoltaica. Un sistema fotovoltaico puede definirse como un

sistema que utiliza la energía del Sol para convertirla en energía eléctrica capaz

de poner en movimiento cualquier equipo o maquina eléctrica. (Fig. 1:1)

Figura 1:1 Conexiones del regulador en una instalación fotovoltaica. Fuente (2 pag. 19)

1 (Sustentable, 2008)

Un Sistema Fotovoltaico Autónomo (SFA) es aquel que “produce energía

eléctrica para satisfacer el consumo de cargas eléctricas no conectadas a la red,

empleando un sistema de acumulación energético para hacer frente a los períodos

en los que la generación es inferior al consumo”.2

El análisis y posterior aplicación de un SFA para la iluminación de una parada

de bus del Sistema Integrado de Transporte de Cuenca (SIT), se lo detalla a

continuación desde sus principios, parámetros, constantes, consideraciones de

forma general y específica, para culminar con una base de datos capaz de realizar

cálculos de cualquier tipo de sistema autónomo.

1.1 PARAMETROS METEOROLOGICOS

La fuente de energía primaria en los sistemas solares fotovoltaicos se la

obtiene de la radiación solar incidente sobre la superficie terrestre, al utilizar al Sol

como la fuente que provee de energía se puede distinguir las siguientes ventajas

ante otras fuentes primarias:

Se trata de una fuente de energía renovable (limpia).

Independiente de su aplicación está disponible en cualquier punto

geográfico.

Se la puede usar libremente y sin costo alguno.

En contraste con estas ventajas existen parámetros meteorológicos

(geográficos-astronómicos y atmosféricos) que modifican el comportamiento de la

radiación solar que llegan a la superficie terrestre. [2]

1.1.1 RADIACION SOLAR

2 (Perpiñan Lamigueiro, 2014, pág. 93)

La radiación solar forma parte del espectro electromagnético que se desplaza

por el espacio libre desde el Sol hacia la Tierra en forma de ondas

electromagnéticas. Esta amplia gama de energías radiantes tienen características

similares en su naturaleza y velocidad de propagación (300.000 kilómetros por

segundo), distinguiéndose entre ellas en su frecuencia y longitud de onda, así

como en las formas en que se manifiestan. [5]

Esta radiación que llega a la Tierra debe ser analizada desde varios escenarios

que causan una gran aleatoriedad en el resultado esperado, entre los cuales se

puede anotar:

La transición entre el día y noche, el movimiento que realiza la Tierra

alrededor del Sol, estaciones, condiciones favorables y adversas del

clima.

El choque con la atmosfera ocasiona gran dispersión de la radiación

solar, ocasionando una baja relación de vatios por metro cuadrado. (Fig.

1:2)

Cada día tiene un comportamiento diferente por lo que se debe hacer

uso de estimaciones con históricos de comportamientos pasados.

Figura 1:2 Componentes de la Radiación Solar. Fuente xx

Por su forma esférica el Sol emite al espacio radiación en todas direcciones,

por el hecho de encontrarse en el vacío la radiación solar no sufre pérdidas

considerables debido a que no tiene contacto con materia alguna, pero su onda

electromagnética sufre una atenuación proporcional al cuadrado de la distancia

que recorre. Las mediciones de radiación solar en contacto con la atmosfera

realizadas por los satélites que orbitan la Tierra, han proporcionado diferentes

valores para la radiación incidente en el límite superior de la atmosfera. Por lo que

se ha adoptado por la World Meteorological Organization (WMO), el valor de

Bo=1367 W/m2 como la irradiancia solar incidente en toda la superficie exterior de

nuestra atmosfera. [3]

1.1.2 FACTORES QUE MODIFICAN LA RADIACION SOLAR.

Para realizar un estudio de radiación solar y/o un sistema solar fotovoltaico se

deben tomar en consideración varios parámetros que afectan directamente la

eficiencia y correcto funcionamiento de un sistema, por su naturaleza se los

clasifica de la siguiente forma:

a) Factores astronómicos y geográficos, dependen de la ubicación relativa

entre la fuente y el receptor.

b) Factores atmosféricos, debidos al ingreso de la radiación solar a la

atmósfera terrestre.

a. Factores Astronómicos y Geográficos

La incidencia de la radiación solar sobre la superficie terrestre es mucho mayor

en las horas próximas al medio día que en las próximas al amanecer o atardecer,

además que la superficie terrestre recibe los rayos solares con una inclinación

diferente según la época del año. Por lo tanto cada instalación sea está con

conexión a red o autónoma, dependerá de su ubicación relativa con respecto a la

Tierra y al Sol, coordenadas geográficas y solares respectivamente. [2]

Coordenadas Geográficas, mediante el uso de coordenadas geográficas se

puede ubicar con exactitud cualquier punto de la superficie terrestre. Estas

ubicaciones son expresadas en grados sexagesimales, sus puntos de referencia

son la latitud cero o Ecuador y la longitud cero o Meridiano de Greenwich.

El Ecuador es la circunferencia sobre la superficie terrestre definida por un

plano perpendicular al eje de rotación de la Tierra, dividiendo a esta en dos partes

iguales: hemisferios norte y hemisferio sur. A las circunferencias definidas por

planos perpendiculares al eje de rotación de la Tierra y paralelas al Ecuador se las

conoce como paralelos. (Fig. 1:3)

Figura 1:3 Sistema de coordenadas geográficas. Fuente xx

El meridiano de Greenwich es la semicircunferencia imaginaria que une los

polos y recibe su nombre por atravesar lo localidad inglesa de Greenwich, al resto

de semicircunferencias que unen los polos se los denomina meridianos.

Latitud o distancia angular (ϕ), es la distancia en grados desde el Ecuador

hacia el punto de análisis. Así, la latitud de cualquier punto situado en el

Ecuador es 0, la latitud del Polo Norte es 90 grados norte y la latitud del Polo

Sur es 90 grados sur. (Fig. 1:4)

Figura 1:4 Latitud. Fuente (1 pag. 8)

Longitud, es la distancia medida en grados desde un lugar de la Tierra con

respecto al meridiano de Greenwich. De este modo, a la Tierra se la divide en

24 partes iguales que dan origen a las franjas o husos horarios. La longitud se

mide de 0 a 180° y se define como positiva hacia el Oeste y negativa hacia el

Este. (Fig. 1:5)

Figura 1:5 Longitud. Fuente (1 pag. 8)

Movimientos de la Tierra

El día y la noche se producen debido al movimiento de rotación de la Tierra

sobre su propio eje, a este se lo conoce usualmente como eje polar el cual pasa

por los polos. Gira a razón de una vuelta por día aproximadamente dura 23 horas,

56 minutos y 4 segundos, su sentido de rotación es de Oeste a Este de aquí el

hecho de que el Sol sale por el Oriente y se oculta por el Occidente.

De forma similar la formación de las estaciones climáticas del año se dan por el

movimiento que realiza la Tierra alrededor del Sol, denominado movimiento de

traslación. La trayectoria de la Tierra es en sentido anti horario si se toma como

punto de observación el hemisferio Norte, la trayectoria que describe es

ligeramente elíptica con el Sol situado en uno de los focos de la de la elipse y no

en el centro, motivo por el que la distancia del Sol a la Tierra no es constante.

(Fig. 1:7) [1]

Figura 1:7 Movimientos de la Tierra. Fuente xx

Se llama año “al tiempo que tarda la Tierra en recorrer la órbita descrita,

invirtiendo en cada ciclo de traslación 365 días, 5 horas, 48 minutos y 46

segundos, con pequeñas variaciones de un año a otro”.3

Declinación (δ), es el ángulo formado entre el plano que pasa por el ecuador

de la Tierra y es perpendicular al eje polar, y el plano de la trayectoria de la

eclíptica del Sol; con el plano de la eclíptica atravesando los centros del Sol y

la Tierra respectivamente. (Fig. 1:8)

El ángulo de declinación puede ser positivo o negativo en función de la

posición de la Tierra en la órbita, la fórmula para calcular la declinación para un

día determinado, viene dado por la siguiente expresión:

3 (Castejon Oliva & Santamaria Herranz, 2012, pág. 9)

Figura 1:8 Eje polar y plano de la eclíptica. Fuente (3 pag. 9)

𝛿(°) = 23,45 ∙ sin (360284+𝛿𝑛

365) (1.1)

Coordenadas Solares, al ubicar a la Tierra como el centro de un sistema de

referencia en el espacio, se incorpora el concepto de esfera celeste. Esta es

una esfera imaginaria en la cual cada ubicación representa un punto de la

esfera vista desde la Tierra, la ubicación del Sol en este sistema se lo

especifica mediante dos ángulos que se los conoce como elevación y acimut.

(Fig. 1:9)

Figura 1:9 Coordenadas solares. Fuente (3 pag. 10)

Elevación solar (γs), “la elevación solar en un determinado instante y lugar, es

el ángulo que forma la dirección que apunta hacia el Sol con el plano

horizontal”4, viene dada por: (Fig. 1:10)

𝛾𝑠 = 90° − ∅ − 𝛿 (1.2)

Figura 1:10 Elevación solar. Fuente (3 pag. 10)

Acimut solar (ψs), “el acimut solar de un lugar determinado es el ángulo que

forman el meridiano del Sol y el de ese lugar. En el hemisferio norte, se toma la

dirección sur como referencia (acimut cero). Hacia el este, los valores del

ángulo son negativos; y hacia el oeste, positivos.”5 (Fig. 1:11)

Figura 1:11 Acimut solar. Fuente (3 pag. 10)

4 (Valentin Labarta, 2012, pág. 8) 5 Ídem.

Angulo cenital (θzs), es el ángulo formado entre la posición del Sol y la vertical,

es el ángulo complementario a la elevación solar. (Fig. 1:12) [1]

Figura 1:12 Posición del Sol. Fuente xx

b. Factores Atmosféricos

Debido a la gran distancia que recorre la radiación solar hasta llegar a la

atmósfera terrestre, esta se ve sometida a procesos de reflexión, atenuación y

difusión, propias del medio que atraviesa. Al ingresar la radiación a la atmosfera

choca con las nubes y en este momento se produce una disminución de la

incidencia solar por reflexión, la absorción por la presencia de vapor de agua,

ozono y CO2 es la que produce variaciones de longitud de onda y frecuencia de la

radiación; y por último la dispersión por la presencia de partículas en la atmosfera

se manifiesta modificando al distribución espacial que tiene la radiación a su

ingreso a la atmosfera. Dependiendo del tamaño de las partículas se pueden

distinguir 3 tipos de fenómenos de difusión:

Difusión de Rayleigh, se presenta en las capas altas de la atmósfera y se

da cuando la longitud de onda de la radiación solar es mucho mayor al

tamaño de las partículas, alcanza su valor máximo para longitudes de onda

cortas (azul, violeta y ultravioleta), de aquí que el ojo humano puede

distinguir el color azul del cielo.

Difusión de Mie, se presenta en las capas bajas de la atmósfera y se da

cuando la longitud de onda de la radiación solar es similar al tamaño de las

partículas.

Difusión no selectiva, está presente cuando la longitud de onda de la

radiación es mucho mayor al tamaño de las partículas de la atmosfera. (Fig.

1:13)

Figura 1:13 Difusión y efectos. Fuente xx

Para determinar la radiación incidente que finalmente llega a la superficie

terrestre, se deben tomar en cuenta tres contribuciones diferentes de la radiación

solar: (Fig. 1:14)

Figura 1:14Tipos de radiación solar en la superficie terrestre. Fuente (5 pag. 22)

Radiación Directa (B), es la radiación que llega a la superficie terrestre

después de viajar por el espacio libre sin sufrir alteraciones por difusión o

reflexión, el único efecto que se puede observar es una atenuación debida

a la distancia que se desplaza desde su fuente.

Radiación Difusa (D), este tipo de radiación solar se da por la reflexión y

difusión al chocar con vapor de agua y CO2 en la atmosfera, se supone que

equivale a un 15% de la radiación en días soleados aunque este

porcentaje aumenta para días nublados.

Radiación del Albedo (R) o (AL), se compone de la radiación directa y

difusa que se recibe por la reflexión en el suelo y superficies próximas. [3]

En un punto cualquiera la incidencia global o total viene dada por la siguiente

expresión:

G = 𝐵 + 𝐷 + 𝑅 (1.3)

1.1.3 MEDIDA DE LA RADIACION

En el tratado anterior definimos a Bo como la irradiancia solar incidente en toda

la superficie exterior de nuestra atmosfera y cuyo valor adoptado es 1.367 W/m2,

este valor de energía al ingresar en la atmosfera se ve afectado por los fenómenos

antes mencionados y de los cuales se desprende que la incidencia de la radiación

solar sobre la superficie terrestre es de 1.000 W/m2.

1.1.3.1 IRRADIANCIA

La irradiancia es la magnitud utilizada por la radiación solar para describir la

potencia incidente por unidad de superficie de cualquier tipo de radiación, en

unidades del Sistema Internacional se mide en W/m2.

1.1.3.2 IRRADIACION

Es la energía del Sol que se proyecta sobre una unidad de superficie en un

tiempo determinado y viene dado en Wh/m2 o kWh/m2. Las estimaciones promedio

que realizan los satélites que orbitan la Tierra pueden ser modificadas de forma

conveniente que podamos obtener datos en diferentes intervalos de tiempo, por

ejemplo la estimación mensual de radiación de la NASA para la ciudad de Cuenca

se muestra en la Tabla 1:1

Tabla 1:1Parametros para paneles solares inclinados. Fuente 2

La base de datos que se utilizara para establecer la irradiación y las horas

eficientes de radiación existente en nuestra ciudad, serán establecidos a partir de

los históricos de la Estación Meteorológica de la Universidad Politécnica Salesiana

sede Cuenca y serán motivo de estudio en los siguientes capítulos de este

documento.

1.2 ENERGIA Y POTENCIA DEL SOL

El consumo de energía está directamente relacionada con la supervivencia de

todo organismo viviente sea este vegetal, animal y en mayor cantidad de los

seres humanos, estos últimos desde sus inicios empezaron a hacer uso de la

energía que les proveía el fuego, del cual obtuvieron el calor necesario para coser

alimentos y para mantener a salvo a los suyos utilizando el calor que emanaba de

las hogueras que estos de forma muy rudimentaria pero muy ingeniosa podían

poner a arder.

Según como las civilizaciones mejoraban su forma de vida, también

aumentaba el consumo de energía. La forma de obtener la materia prima era lo

que menos importaba, el fin justificaba los medios para obtener el calor y la

motricidad para poner en movimiento sus nuevas invenciones.

Los avances tecnológicos y la revolución industrial introdujeron a la civilización

una nueva forma de energía, la cual es generada por medio de la quema de

combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas), las consecuencias que tendría el uso

desmedido de esta nueva fuente de energía no fue tomado en cuenta; a la larga la

utilización de energías no renovables como se las denominó presentan las

siguientes desventajas:

Son un recurso limitado, en un futuro más o menos cercano.

La combustión de estos generan una muy elevada tasa de

contaminación al medio ambiente. [6]

Según la Organización de las Naciones Unidas (ONU) el cambio climático que

se ha dado en todo el planeta Tierra, es consecuencia del efecto invernadero que

se origina por el estancamiento de ciertos gases en la atmósfera; gases como el

dióxido de carbono y el metano originados por combustibles e hidrocarburos al

estar suspendidos en la atmosfera encierran la radiación que es reflejada por la

superficie terrestre ocasionando un desequilibrio entre la radiación entrante y

saliente en la atmosfera, siendo este desbalance el causante de un calentamiento

a gran escala en todo el mundo. Consecuencia de este calentamiento global se

instala el 11 de diciembre de 1997 en Kioto una convención que cita y propone a

los países industrializados a tomar medidas urgentes para mitigar este efecto,

acordando “reducir en al menos un 5% las emisiones contaminantes entre 2008 y

2012 tomando como referencia los niveles de 1990”6

Consecuencia de este acuerdo países de la Unión Europea (UE), promueven

un cambio significativo en la obtención de fuentes primarias de energía, aparece el

concepto de energías renovables.

6 (Protocol, 2010)

Las principales fuentes de energías renovables o verdes, se las ubica en el

Sol: al utilizar su calor y su radiación, el agua: capaz de mover el eje de un

generador eléctrico, el viento: que impulsa aerogeneradores de gran volumen, la

gravedad: capaz de mantener en movimiento sistemas mecánicos por largos

periodos de tiempo, la temperatura de la Tierra entre otras. Las cuales están

disponibles gran parte del día y podrían ser la solución a la contaminación

producto de las energías no renovables que han conducido a nuestro planeta a

catástrofes naturales, cambios climáticos extremos, enfermedades de la piel,

elevación del nivel de agua de los mares y océanos, todos estos problemas

originados por el calentamiento global que vivimos en nuestros días.

1.2.1 ENERGIA DEL SOL

La energía del Sol se manifiesta en forma de calor el cual se lo aprovecha

mediante el uso de colectores solares (Fig. 1:15) y mediante paneles solares se

puede aprovechar la radiación solar. (Fig. 1:16)

Figura 1:15 Funcionamiento de un colector solar. Fuente xx

Figura 1:16 Estructura de un panel solar. Fuente xx

Estas dos formas de producir energía calorífica y fotovoltaica respectivamente,

han sido muy difundidas en todo el mundo, debido a que la fuente de energía se la

puede calificar como inagotable en términos de que sin Sol no puede haber vida y

sin vida no hay necesidad de generar energía capaz de mover procesos.

Los ciclos de generación y de consumo de la energía solar en cualquiera de

sus formas, se las puede medir en términos de escala de tiempo simultáneos. Por

ejemplo: si tomamos la generación solar fotovoltaica en un día soleado a esta

energía la podemos consumir en su totalidad de modo prácticamente simultáneo,

de aquí parte el primer limitante de la generación fotovoltaica que nos restringe a

un funcionamiento intermitente, que se deriva de la hora del día y condiciones

climáticas, motivo por el cual la generación fotovoltaica debe contar con un

sistema de acumulación de energía que lo vuelva autónomo y capaz de

suministrar la energía y potencia eléctrica para el cual fue diseñado. [7]

1.2.2 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

La parte central de toda instalación solar son las celdas solares, estas son

transductores que permiten la conversión de la luz del Sol en energía eléctrica

“efecto fotovoltaico”, la circulación de una corriente eléctrica en un material sólido

por la influencia de la luz solar fue descubierta por el científico Alexandre-Edmond

Becquerel en el año 1839, (Fig. 1:16) pero dicho descubrimiento no pudo ser

comprendido hasta 100 años después de su descubrimiento. [1]

Figura 1:17 Celda solar. Fuente 1

Una celda o célula solar, es la unidad más pequeña en la generación de

energía eléctrica a partir del Sol, su generación está en el orden de 0,5 Vcd. Sola

no podría considerarse una fuente de energía capaz de abastecer a una carga o

grupo de cargas, razón por la cual se las agrupa para obtener un aumento de sus

características eléctricas.

El modulo o panel solar, es un conjunto de células solares dispuesto con

interconexiones serie-paralelo para aumentar su capacidad de tensión y corriente

a niveles aptos para la utilización en sistemas eléctricos.

1.2.2.1 CELDA SOLAR.

El uso de materiales semiconductores ha sido muy difundido para aplicaciones

electrónicas, con mayor frecuencia el silicio y el germanio. Dentro de estas

aplicaciones el diodo como elemento semiconductor, ha tenido mucha relevancia y

el cual de la forma más simple nos describe el principio de funcionamiento del

efecto fotovoltaico.

Un diodo es un “componente electrónico fabricado con una unión p-n, que tiene

la particularidad de conducir la corriente eléctrica solo en un sentido”7, a la

conducción eléctrica en un sentido se la conoce como polarización directa. (Fig.

1:18)

Figura 1:18 Polarización directa de un diodo. Fuente 1

7 (Díaz Corcobado & Carmona Rubio, 2010, pág. 12)

La circulación de corriente a través de una unión p-n se obtiene al romper el

equilibrio existente en la barrera de potencial8 y reducir el valor de potencial

termodinámico9; este desequilibrio se da al aplicar una diferencia de potencial a

los extremos de la unión, de forma que la zona P adquiera una tensión positiva

con relación a la zona N obteniendo una polarización directa. En esta condición se

reduce la barrera de potencial, se pierde el equilibrio termodinámico y aparece un

flujo de corriente.

Al efecto fotovoltaico y el funcionamiento de un diodo se los puede asociar y

comparar con la reversibilidad generador-motor eléctrico respectivamente. Para

generar una diferencia de potencial en una celda solar se le debe dar una energía

primaria que posteriormente será transformada en energía eléctrica,

funcionamiento análogo a un generador eléctrico impulsado por una fuerza motriz

y al observar el comportamiento de un diodo se observa que para obtener el

funcionamiento deseado, se le debe aplicar una diferencia de potencial para

alcanzar el resultado deseado así como a un motor se le aplica tensión para

obtener movimiento.

Por consiguiente, la célula solar se comporta como un diodo y al igual que

este, sus partes están construidas con silicio químicamente modificado para

obtener estructuras semiconductoras distintas entre sí de tipo n que es la parte

expuesta a la radiación solar y de tipo p ubicada en la zona de oscuridad del

encapsulado. Una vez que estos elementos se ponen en contacto y reciben la

radiación proveniente del Sol, los fotones que transportan la energía solar que

incide sobre la capa expuesta provocan el desequilibrio del potencial

termodinámico estimulando a este para que se de el reordenamiento de los

electrones y huecos. (Fig. 1:19)

Se produce una diferencia de potencial entre los terminales que se conectan a

los extremos de cada capa y se obtiene por consecuencia un flujo de corriente,

generando energía eléctrica proporcional a la incidencia instantánea en la celda.

8 Barrera de potencial: Potencial generado por el salto de electrones entre dos materiales dopados.

(Perpiñan Lamigueiro, 2014, pág. 45) 9 Potencial Termodinámico: Campo eléctrico posterior al equilibrio en la barrera de potencial. Ídem.

Figura 1:19 Polarización directa de un diodo. Fuente 4

Una celda solar puede ser estudiada utilizando su circuito eléctrico equivalente,

mediante este modelo podemos ver que el funcionamiento se basa como ya lo

hemos mencionado anteriormente en un diodo del tipo p-n dopado. (Fig. 1:20)

Figura 1:20 Esquema eléctrico equivalente de una célula fotoeléctrica. Fuente 4

Este circuito equivalente se compone de:

La batería o pila: representa la fuente de tensión, debida a la excitación

que producen los fotones al incidir sobre la superficie de la celda.

El diodo representa la unión de silicio p-n dopado.

Las resistencias y condensador representan las pérdidas que se

producen en la celda.

1.2.2.2 MODULO SOLAR.

Un módulo o panel solar, es una agrupación de celdas solares dispuestas de

forma que se aprovechen las leyes básicas de circuitos eléctricos.

Conexión Serie, la conexión se la realiza uniendo los módulos uno a

continuación de otro para obtener entre los extremos una tensión resultante igual a

la sumatoria de los voltajes parciales. En un módulo solar el voltaje generado por

cada una de las celdas es el mismo y su voltaje en bornes se puede expresar

como:

𝑉𝑀𝑂𝐷𝑈𝐿𝑂 = 𝑉𝐶𝐸𝐿𝐷𝐴 ∙ 𝑁 (1.4)

Siendo N el número de celdas conectadas en serie.

Conexión Paralelo, esta conexión se la obtiene al unir todos las entradas y

salidas de las celdas solares obteniendo en los extremos una corriente resultante

igual a la sumatoria de las corrientes parciales. En un módulo solar la corriente

generada por cada una de las celdas es la misma y se la puede expresar como:

𝐼𝑀𝑂𝐷𝑈𝐿𝑂 = 𝐼𝐶𝐸𝐿𝐷𝐴 ∙ 𝑀 (1.5)

Siendo M el número de celdas conectadas en paralelo.

Al conjunto de combinar las características serie y paralelo de los paneles se la

conoce como conexión mixta, la cual adapta las características de tensión y

corriente a los requerimientos de una determinada carga.

Una célula solar típica de silicio produce cerca de 1.5 vatios de energía a 0.5 V

de corriente continua con 3 amperios bajo la luz del Sol, en una área de incidencia

de 100 cm2 bajo radiación solar a 1000 W/m2.

Debido a que estos valores son insignificantes para el funcionamiento de un

equipo eléctrico o electrónico, todo modulo solar es resultado de una interconexión

dispuesta de forma que se obtenga los valores de tensión y corriente requeridos.

(Fig. 1:21)

Figura 1:21 Modulo solar. Fuente xx

1.2.2.3 TIPOS DE PANELES.

Las células solares y por consecuencia los módulos solares, son el producto de

la cristalización del silicio en uniones de tipo P-N; estos procesos de cristalización

según sus tecnologías utilizadas en la fabricación originan estructuras variadas,

obteniendo las siguientes: a) monocristalinas, b) policristalinas y c) amorfas.

Las características según el tipo de estructura que conforma un panel solar

está incluida en la Tabla 1:2.

Tabla 1:2 Diferencias entre los paneles según la tecnología de fabricación. Fuente 2

a) Cristales monocristalinos: presenta una estructura cristalina alineada y

ordenada, en estas estructuras el silicio es puro y dopado con boro. Se

reconoce por su color azulado oscuro metalizado. (Fig. 1.22a)

b) Cristales policristalinos: presenta una estructura ordenada por regiones,

estas zonas irregulares se traducen en una disminución del rendimiento. Se

obtiene de la misma forma que un cristal monocristalino pero con menos

fases de cristalización. Se reconoce porque en su superficie se distinguen

distintos tonos de azules y grises metálicos. (Fig. 1.22b)

Figura 1:22 Estructuras cristalinas. Fuente xx

c) Cristales amorfos: presentan un alto grado de desorden y defectos

estructurales en su combinación química. Su proceso de fabricación es

menos costoso que los anteriores. El uso de células de tipo amorfo permite

adaptarse a cualquier superficie y se encuentra en diferentes colores,

incluso son traslucidos para ser incorporados en acristalamientos en

edificios. En contraste la potencia que se obtiene de esta estructura está

muy por debajo de las anteriores. (Fig. 1.22c)

1.2.3 POTENCIA EN LAS CELDAS SOLARES.

Por el tipo de estructura cristalina utilizada en la fabricación de los módulos

solares, la eficiencia varía entre módulos monocristalinos y policristalinos. Siendo

los primeros de mejor calidad como se lo indico previamente por esta razón la

potencia que genera un panel en términos de condiciones estándar de medida, se

la puede obtener solamente en laboratorio.

Condiciones Estándar de Medida (CEM), el rendimiento que normalmente se

expone en los catálogos, fichas técnicas o datasheet de un módulo solar son los

obtenidos bajo las siguientes condiciones:

Temperatura de módulo de 25 °C.

Irradiancia de 1000 W/m2.

Masa de aire de 1,5.

Incidencia normal.

La potencia de salida de una celda solar está determinada por cuatro factores:

o Rendimiento de la célula fotovoltaica.

o Punto de trabajo de la carga I-V determinada por la resistencia de carga.

o Irradiancia solar.

o Temperatura de las células.

1.2.3.1 CARACTERÍSTICAS 𝒊 − 𝒖 e 𝒑 − 𝒖 EN LAS CELDAS SOLARES.

Las características de corriente - voltaje y potencia – voltaje presentes en una

célula o módulo solar se los puede apreciar en la siguiente gráfica, obtenidos bajo

CEM. (Fig. 1.23)

La curva característica de corriente de una célula solar 𝒊 − 𝒖 (en rojo) sitúa el

punto de trabajo de una célula en el punto B, dado por la corriente y tensión en la

carga, donde la tensión está fijada por la corriente generada por la célula y la

resistencia de carga.

𝑈𝐿 = 𝐼𝐿 ∙ 𝑅 (1.6)

Donde:

IL: corriente suministrada a la carga [𝐴]

R: resistencia en el lado del receptor o carga [Ω]

UL: tensión o voltaje en la carga [𝑉]

Figura 1:23 Características i-u y p-u de una célula solar. Fuente xx

El punto B’ es resultado de la proyección de la IL sobre la curva característica

de potencia de una célula solar 𝒑 − 𝒖 (en azul) y es la potencia generada por el

panel para una carga conectada al lado receptor.

𝑃𝐿 = 𝐼𝐿 ∙ 𝑈𝐿 (1.7)

Donde:

IL: corriente de carga [𝐴]

UL: tensión o voltaje en la carga [𝑉]

PL: Potencia entregada por la célula [W]

1.2.3.2 POTENCIA MAXIMA EN LAS CELDAS SOLARES.

A la potencia máxima especificada en CEM también se la denomina potencia

de pico de la célula o modulo según sea el caso. Generalmente la unidad de

potencia que especifican los catálogos de los módulos solares viene marcada

como [Wp] haciendo referencia a la máxima potencia generada bajo CEM.

En la gráfica A’ muestra el punto de máxima potencia que puede generar una

célula solar, en la curva 𝒑 − 𝒖 este punto es proyectado para encontrar los puntos

de máxima potencia de corriente y tensión, ubicados en A en la gráfica 𝒊 − 𝒖

valores útiles en el cálculo del factor de forma y rendimiento.

𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝐼𝑚𝑝𝑝 ∙ 𝑈𝑚𝑝𝑝 (1.8)

Donde:

Impp: corriente en el punto de potencia máximo (máximum power point) [𝐴]

Umpp: tensión en el punto de potencia máximo [𝑉]

Pmax: Potencia máxima de la célula [W]

Este producto es la potencia máxima que la célula es capaz de suministrar a

una carga, está representado en la figura 1:23 por el área del rectángulo con

vértice en A y este siempre será inferior al rectángulo que tiene como base la

tensión en vacío y la corriente en corto circuito como altura.

Al cociente entre estos dos productos se lo denomina factor de forma (FF) y se

lo calcula con la siguiente expresión:

𝐹𝐹 =𝑈𝑚𝑝𝑝∙𝐼𝑚𝑝𝑝

𝑈𝑜𝑐∙𝐼𝑠𝑐=

𝑃𝑚𝑎𝑥

𝑈𝑜𝑐∙𝐼𝑠𝑐 (1.9)

Donde:

Isc: corriente de cortocircuito [𝑉]

Uoc: tensión de circuito abierto [𝑉]

FF: factor de forma adimensional

El factor de forma es un indicador de la calidad de la célula que será mejor

cuanto mas cerca este FF de la unidad.

1.2.3.3 EFICIENCIA DE LAS CELDAS SOLARES.

También conocida como rendimiento de conversión, cuantifica la cantidad de

energía solar que puede ser transformada en energía eléctrica útil para consumo.

Se la obtiene del cociente entre la Pmax y el área de la célula por la irradiancia

incidente con CEM.

𝜂 =𝑃𝑚𝑎𝑥

𝐺∙𝐴𝑐∙ 100 (1.10)

Por ejemplo si tomamos un panel de la marca EXMORK en su caja y catalogo

viene indicado como 50 Wp, dimensiones 670x620x35 mm, para calcular el

rendimiento del panel basta con aplicar (1.10) y obtenemos 12.04%

1.2.4 HORA SOL PICO (HSP)

También conocidas como horas efectivas de Sol, nos sirven para ayudarnos a

calcular cuanta energía va a generar un panel solar a lo largo de un día, y con este

valor se puede interpolar para obtener las HSP en semanas, meses, años o para

estimar cuanta energía puede generar un panel durante su vida útil.

Todos los paneles son fabricados bajo las CEM, una vez cumplida estas

condiciones el panel puede generar el 100% de su potencia. (Fig. 1.24)

Figura 1:24 Características i-u y p-u de una célula solar. Fuente xx

La generación en un panel llega a su pico más alto al momento que incide

sobre este una irradiancia de 1000 W/m2, para una irradiancia diferente en una

hora del día la potencia generada es directamente proporcional a la irradiancia

instantánea; por tal motivo un panel solar nunca genera una potencia estable en el

tiempo por el contrario es el aporte de las potencias instantáneas.

El área bajo la curva en la figura nos muestra la variabilidad de la irradiancia

durante un día, obteniendo bajos niveles de irradiancia durante las horas de la

mañana y por el atardecer, por el contrario al medio día este valor puede llegar a

sobrepasar el límite considerado por las CEM.

Por tanto, una HSP se calcula integrando el área bajo la curva de irradiación

diaria dividida para la irradiancia en condiciones estándar de medición.

𝐻𝑆𝑃 =∑ 𝑖𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝑢𝑛 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑣𝑎𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑢𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑢𝑛 𝑑𝑖𝑎

1000 𝑊𝑚2⁄

La generación de un panel solar depende de la irradiancia y de las HSP, las

cuales son mediciones tomadas y calculadas respectivamente por estaciones

meteorológicas y de las cuales obtenemos estimaciones promedio del

comportamiento del Sol en un día y hora determinado, por ningún método sea este

de medición o cálculo se podría llegar a establecer la cantidad exacta de energía

que genera un panel en un día, semana, mes o año, debido a que no podemos

predecir el comportamiento del clima.

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