La tecnologa fotovoltaica (FV) genera electricidad a partir de la luz. El secreto de este

proceso es el uso de un material semiconductor que puede ser adaptado para liberar

electrones, las partculas de carga negativa que son la base de la electricidad. El material

semiconductor ms utilizando en las clulas fotovoltaicas es el silicio, un elemento que se

encuentra en la arena de mar. Todas las clulas FV tienen al menos dos capas de este tipo

de semiconductores, una con carga positiva y otra con carga negativa. Cuando la luz incide

en el semiconductor, el campo elctrico que se crea en la unin entre ambas capas hace que

fluya electricidad. A mayor intensidad de la luz, mayor ser el flujo de electricidad, aunque

un sistema fotovoltaico no necesita luz solar potente para funcionar, ya que puede generar

electricidad incluso en das nublados.

La energa solar se puede transformar de dos maneras:

La primera utiliza una parte del espectro electromagntico de la energa del sol para

producir calor. A la energa obtenida se le llama energa solar trmica. La transformacin se

realiza mediante el empleo de colectores trmicos.

La segunda, utiliza la otra parte del espectro electromagntico de la energa del sol para

producir electricidad. A la energa obtenida se le llama energa solar fotovoltaica. La

transformacin se realiza por medio de mdulos o paneles solares fotovoltaicos.

La energa solar fotovoltaica se utiliza generalmente, en aquellos lugares donde no existe

acceso a la red elctrica convencional. Este sistema recibe el nombre de sistema

fotovoltaico y los equipos que lo forman reciben el nombre de componentes fotovoltaicos.

Un conjunto de equipos construidos e integrados especialmente para realizar cuatro

funciones fundamentales:

Transformar directa y eficientemente la energa solar en energa elctrica Almacenar adecuadamente la energa elctrica generada Proveer adecuadamente la energa producida (el consumo) y almacenada Utilizar eficientemente la energa producida y almacenada

En el mismo orden antes mencionado, los componentes fotovoltaicos encargados de

realizar las funciones respectivas son:

i. El mdulo o panel fotovoltaico

ii. La batera

iii. El regulador de carga

iv. El inversor

v. Las cargas de aplicacin (el consumo)

En instalaciones fotovoltaicas pequeas es frecuente, adems de los equipos antes

mencionados, el uso de fusibles para la proteccin del sistema. En instalaciones medianas y

grandes, es necesario utilizar sistemas de proteccin ms complejos y, adicionalmente,

sistemas de medicin y sistemas de control de la carga elctrica generada.

Para llevar a cabo esta conversin se utilizan unos dispositivos denominados clulas

solares, constituidos por materiales semiconductores en los que artificialmente se ha creado

un campo elctrico constante (mediante una unin p-n). Cuando sobre un semiconductor

incide una radiacin luminosa con energa suficiente para romper los enlaces de los

electrones de valencia y generar pares electrn-hueco, la existencia de una unin p-n separa

dichos pares, afluyendo electrones a la zona n y huecos a la zona p, creando en resumen

una corriente elctrica que atraviesa la unin desde la zona n a la p, y que puede ser

entregada a un circuito exterior (saliendo por la zona p y entrando por la n). De esta

manera, cuando se expone una clula solar a la luz del sol se hace posible la circulacin de

electrones y la aparicin de corriente elctrica entre las dos caras de la clula.

Tipos de Clulas

Silicio Monocristalino: material de silicio caracterizado por una disposicin

ordenada y peridica de tomo, de forma que solo tiene una orientacin cristalina,

es decir, todos los tomos estn dispuestos simtricamente. sc-Si (single

crystal).Presentan un color azulado oscuro y con un cierto brillo metlico. Alcanzan

rendimientos de hasta el 17%.

Silicio policristalino: silicio depositado sobre otro sustrato, como una capa de10-30

micrmetros y tamao de grano entre 1 micrmetro y 1 mm. Las direcciones de

alineacin van cambiando cada cierto tiempo durante el proceso de deposicin.

Alcanzan rendimientos de hasta el 12%.

Silicio amorfo: compuesto hidrogenado de silicio, no cristalino, depositado sobre

otra sustancia con un espesor del orden de 1 micrmetro. am-Si, o am-Si:H No

existe estructura cristalina ordenada, y el silicio se ha depositado sobre un soporte

transparente en forma de una capa fina. Presentan un color marrn y gris oscuro.

Las clulas de silicio amorfo (no cristalino) parecen tener unas perspectivas de

futuro muy esperanzadoras. Esta tecnologa permite disponer de clulas de muy

delgado espesor y fabricacin ms simple y barata, aunque con eficiencia del 6-8%.

Su principal campo de aplicacin en la actualidad se encuentra en la alimentacin

de relojes, calculadoras, etc. Son muy adecuadas para confeccin de mdulos

semitransparentes empleados en algunas instalaciones integradas en edificios.

Regulador de carga

El sistema de regulacin tiene bsicamente dos funciones:

Evitar sobrecargas y descargas profundas de la batera, ya que esto puede provocar

daos irreversibles en la misma. Si, una vez que se ha alcanzado la carga mxima,

se intenta seguir introduciendo energa en la batera, se iniciaran procesos de

gasificacin o de calentamiento que acortaran sensiblemente la duracin de la

misma.

Impedir la descarga de la batera a travs de los paneles en los periodos sin luz.

Inversor

La mayora de los electrodomsticos convencionales necesitan para funcionar corriente

alterna a 120V y 60hz de frecuencia. Puesto que los paneles como las bateras trabajan

siempre en CC, es necesaria la presencia de un inversor que transforme la corriente

continua en alterna. Las principales caractersticas vienen determinadas por la tensin de

entrada del inversor, que se debe adaptar a la del generador, la potencia mxima que puede

proporcionar la forma de onda en la salida (sinusoidal pura o modificada, etc.), la

frecuencia de trabajo y la eficiencia, prximas al 85%.

Bateras

La funcin prioritaria de las bateras es la de acumular la energa que se produce para poder

ser utilizada en la noche o durante periodos prolongados de mal tiempo.

Otra importante funcin de las bateras es la de proveer una intensidad de corriente superior

a la que el generador fotovoltaico pueden entregar. Tal es el caso de un motor, que en el

momento del arranque puede demandar una corriente de 4 a 6 veces su corriente nominal

durante unos pocos segundos. Las bateras de plomo - cido se aplican ampliamente en los

sistemas de generacin fotovoltaicos se recomienda sean de ciclo profundo.

Dentro de la celda, la tensin real de la batera depende de su estado de carga, si est

cargando, descargando o en circuito abierto. Se puede hacer una clasificacin de las

bateras en base a su capacidad de almacenamiento de energa (medido en Ah a la tensin

nominal) y a su ciclo de vida (nmero de veces en que la batera puede ser descargada y

cargada a fondo antes de que se agote su vida til).

La cantidad de energa que es capaz de almacenar una batera depende de su capacidad, que

se mide en Amperes hora. Por ejemplo, suponiendo una descarga total una batera de

100Ah puede suministrar un amperio durante 100h o 2 amperios durante 50 h, o 5 A

durante 20 h.

Potencia

La capacidad energtica nominal de los mdulos fotovoltaicos se indica en watts-pico

(Wp), lo cual indica la capacidad de generar electricidad en condiciones ptimas de

operacin. La capacidad real de un mdulo fotovoltaico difiere considerablemente de su

capacidad nominal, debido a que bajo condiciones reales de operacin la cantidad de

radiacin que incide sobre las celdas es menor que bajo condiciones ptimas. Por ejemplo,

un mdulo de 55 Wp es capaz de producir 55 W ms o menos un 10% de tolerancia cuando

recibe una radiacin solar de 1 000 watts por metro cuadrado (W/m2). En condiciones

reales, este mismo mdulo producira una potencia mucho menor que 55 W.

En el mercado, se pueden encontrar mdulos fotovoltaicos de baja potencia, desde 5 Wp;

de potencia media, por ejemplo 55 Wp; y de alta potencia, hasta 160 Wp. En aplicaciones

de electrificacin rural suelen utilizarse paneles fotovoltaicos con capacidades

comprendidas entre los 50 y 100 Wp. La vida til de un panel fotovoltaico puede llegar

hasta 30 aos, y los fabricantes generalmente otorgan garantas de 20 o ms aos. El

mantenimiento del panel solamente consiste de una limpieza del vidrio para prevenir que

las celdas fotovoltaicas no puedan capturar la radiacin solar. La eleccin apropiada del

tipo y capacidad del mdulo fotovoltaico depende de las caractersticas propias de la

instalacin fotovoltaica, tales como radiacin solar existente y consumo energtico

requerido.

Tipos de sistemas FV

Conectado a la red. La conexin con la red elctrica permite vender a la compaa la electricidad sobrante. La electricidad se importa desde la red despus durante las horas de

oscuridad. Se utiliza un convertidor de voltaje para convertir la corriente continua

producida por el sistema en corriente alterna para su empleo con aparatos elctricos

normales.

Soporte a la red. Tambin puede conectarse un sistema a la red elctrica local como batera de refuerzo. La electricidad sobrante producida despus de la descarga de la batera

se vende a la red elctrica. Es un sistema ideal para zonas donde no se garantiza un

suministro elctrico fiable.

Aislada de la red. La energa generada se utiliza para cubrir pequeos consumos elctricos en el mismo lugar donde se produce la demanda, es totalmente independiente de

la red elctrica, el sistema se conecta a una batera mediante un regulador de carga, que

almacena la electricidad generada y acta como la principal fuente de suministro elctrico.

Puede utilizarse un inversor para obtener corriente alterna y poder utilizarla en

electrodomsticos usuales. Aplicaciones tpicas aisladas de la red son las estaciones

repetidoras para telfonos mviles o la electrificacin en zonas rurales.

Es el caso de aplicaciones como la electrificacin de:

- viviendas alejadas de la red elctrica convencional, bsicamente electrificacin rural

- servicios y alumbrado pblico: iluminacin de parques, calles, monumentos, paradas de

autobuses, etc. Con la alimentacin fotovoltaica de luminarias se evita la realizacin de

zanjas, canalizaciones, necesidad de adquirir derechos de paso, conexin a red elctrica,

etc.

- aplicaciones agrcolas y de ganado: bombeo de agua, sistemas de riego, iluminacin de

invernaderos y granjas, suministro a sistemas de ordeo, refrigeracin, depuracin de

aguas, etc.;

- sealizacin y comunicaciones: navegacin area (seales de altura, sealizacin de

pistas) y martima (faros, boyas), sealizacin de carreteras, vas de ferrocarril, repetidores

y reemisores de radio y televisin y telefona, cabinas telefnicas aisladas con recepcin a

travs de satlite o de repetidores, sistemas remotos de control y medida, etc.

Sistema hbrido Puede combinarse un sistema solar con otra fuente de energa (un generador de biomasa, una turbina elica, etc.) para garantizar un suministro constante de

electricidad. Un sistema hbrido puede conectarse a la red, funcionar con autonoma o con

soporte de la red elctrica.

Ventajas

No se generan contaminantes atmosfricos en el punto de utilizacin, ni se producen

efectos como la lluvia cida, efecto invernadero por CO2, etc.

El Silicio, elemento base para la fabricacin de las clulas fotovoltaicas, es muy

abundante, no siendo necesario explotar yacimientos de forma intensiva.

Al ser una energa fundamentalmente de mbito local, evita pistas, cables, postes,

no se requieren grandes tendidos elctricos, y su impacto visual es reducido.

Tampoco tiene unos requerimientos de suelo necesario excesivamente grandes

(1kWp puede ocupar entre 10 y 15 m2).

Prcticamente se produce la energa con ausencia total de ruidos.

No precisa ningn suministro exterior (combustible) ni presencia relevante de otros

tipos de recursos (agua, viento).

Distribucin de costos de componentes de un sistema individual domstico.

Los costos totales de un sistema fotovoltaico pueden clasificarse en las siguientes

categoras:

Costos de inversin Costos de mantenimiento Costos de reemplazo

Los costos de inversin son aquellos en los que se debe incurrir inicialmente para la

compra, transporte e instalacin de los equipos fotovoltaicos. Estos costos pueden

representar un 70-75 % del costo del sistema a lo largo de toda su vida til. La vida til de

un sistema fotovoltaico completo, correctamente instalado y con componentes de buena

calidad, se estima entre 15 y 20 aos

Los costos de mantenimiento y operacin son aquellos en los que se debe incurrir durante

toda la vida til de los equipos para conservar en buenas condiciones el sistema

fotovoltaico. Normalmente, el mantenimiento de los sistemas fotovoltaicos no es ms que

la limpieza adecuada de los equipos, especialmente de los paneles fotovoltaicos, y el

reemplazo oportuno del agua de las bateras; por lo tanto, los costos de mantenimiento son

muy bajos y representan un 3-5 % del costo total del sistema a lo largo de toda su vida til.

Los costos de reemplazo son aquellos en los que se debe incurrir cuando las bateras llegan

al fin de su vida til. Generalmente, esto sucede despus de 3 - 5 aos de uso, pero depende

en buena medida del mantenimiento y de los ciclos de carga/descarga a los que fue

sometida la batera. Estos costos representan 20 - 27 % de los costos totales del sistema a lo

largo de toda su vida til.

La calidad y capacidad de los equipos fotovoltaicos y las condiciones de acceso al lugar

donde se instalar el sistema pueden ocasionar un aumento o disminucin significativa del

costo inicial indicado.

La vida til del sistema est determinada por el tiempo que tarda el mdulo fotovoltaico en

perder el 10% de su capacidad de produccin de potencia. Ntese que en este perodo, se

deber reemplazar la batera 3-4 veces, segn las condiciones de trabajo.

Sistemas Hbridos

Los sistemas hbridos son sistemas de generacin de energa elctrica que emplean alguna

combinacin de fuentes renovables de energa, como la elica, solar, hidrulica, biomasa,

etc.; opcionalmente auxiliadas con almacenamiento en bateras. El funcionamiento de un

sistema hbrido es difcil de verificar por la intermitencia de recursos renovables, por la

necesidad de equiparar el suministro elctrico con la demanda, y por el gran nmero de

combinaciones y tamaos de componentes que darn pie a configuraciones potenciales.

La principal ventaja de un sistema hbrido es la posibilidad del aprovechamiento conjunto y

optimizado de los recursos locales disponibles, pudiendo garantizar altos niveles de calidad,

confiabilidad y rendimiento. Con reduccin de costos en la instalacin y operacin del

sistema.

Requerimientos y caractersticas que tienen ms impacto en el diseo y desarrollo de

sistemas hbridos

Para el desarrollo de sistemas hbridos ya se ha identificado una serie de requerimientos

especficos y caractersticas para el abastecimiento de energa elctrica; especficamente en

comunidades rurales, gran parte de estos requerimientos se utilizan como una gua para

definir y establecer el diseo de un sistema que garantice el abastecimiento energtico

requerido, a bajo costo, y sobre todo aceptado por la comunidad beneficiada. A

continuacin se mencionan algunos de los requerimientos ms importantes para que el

sistema sea sostenible:

Uso de energas renovables en sitios remotos y la disponibilidad de recursos energticos locales.

Potencia requerida definida y constante.

El menor costo nivelado posible de la energa generada.

Operacin y mantenimiento.

Operacin desatendida.

Aceptacin local.

Seguridad.

Vida til en servicio.

Flexibilidad y facilidad de expansin de la capacidad.

Funcionalidad ante severas condiciones ambientales.

Creacin de las estructuras de organizacin en la comunidad para procurar cuidados al sistema.

Otros aspectos no menos importantes se presentan en la instalacin, donde gran parte de la

problemtica es atribuible, al igual que en el diseo, a la falta de una gua metodolgica y

herramientas de software; por mencionar algunos se tienen los aspectos tcnicos y los no

tcnicos.

Aspectos tcnicos

Falta de conocimiento suficiente respecto a la disponibilidad de recursos renovables (principalmente viento) en algunos proyectos, que conduce al subdimensionamiento de los

sistemas.

Seleccin de componentes sin tomar en cuenta el medio ambiente del lugar de instalacin de los sistemas, que conduce a fallas prematuras de partes y componentes (principalmente

en zonas costeras).

En algunos diseos no se toma en cuenta el aumento en el consumo de energa una vez que los usuarios se acostumbran al servicio elctrico.

Aspectos no tcnicos

No se dejan partes de repuesto y componentes crticos de los sistemas en las comunidades.

Servicios tcnicos especializados y refacciones provenientes del extranjero, sin representacin en Mxico.

Algunos de los sistemas implementados han sido nicos en su tipo.

La cuota pagada por el servicio elctrico en las comunidades solamente cubre los costos de operacin.

Costo del sistema.

Los sistemas hbridos surgieron debido a las condiciones demogrficas (de la poblacin),

geogrficas o econmicas de ciertas regiones del mundo, limitadas del abastecimiento

elctrico desde las redes interconectadas nacionales, el Sistema Hbrido Elico-

Fotovoltaico es una instalacin de pequeo tamao y eficiente, tiene una alta eficiencia

debido a que sus combustibles son abundantes y gratuitos, obtenindose energa limpia.

En muchos lugares del mundo la velocidad del viento es baja en el verano cuando el sol es

ms brillante durante gran parte del da. El viento es mas fuerte en invierno cuando una

menor intensidad de rayos solares esta disponible. Debido a que los tiempos de operacin

pico para sistemas de viento y solares ocurre en pocas distintas del ao y en horas

diferentes del da los sistemas hbridos son la ms conveniente manera para producir

energa.

Sistemas Hbridos Elico-fotovoltaica-convencional

En aquellos casos en los que sea necesario una disponibilidad constante y permanente de

energa elctrica, o bien cuando son necesarias elevadas cantidades de energa elctrica, un

generador elctrico convencional puede funcionar eficientemente acoplado a un sistema

fotovoltaico, para suministrar la correspondiente demanda. Durante las horas de luz los

paneles solares fotovoltaicos suministran de una manera silenciosa la demanda de energa,

y cargan las bateras. Si las bateras alcanzan un valor mnimo, predefinido, de su

capacidad til, el generador elctrico convencional funcionar a toda su potencia, su modo

de funcionamiento ms eficiente, hasta que las bateras vuelvan a estar cargadas, momento

en el que cesar el funcionamiento del generador elctrico auxiliar convencional. Adems,

el sistema se disea de manera que, cuando la demanda de energa elctrica, exceda la

energa que puede suministrar el sistema paneles solares y batera, el generador elctrico

convencional entre en funcionamiento para cubrir dicha diferencia de energa. Los sistemas

que utilizan distintos tipos de generadores elctricos combinan las ventajas de cada tipo.

Los generadores elctricos convencionales pueden producir energa elctrica en cualquier

momento. Por ello, son un sistema de apoyo excelente para una central solar fotovoltaica

cuando es necesaria energa durante la noche o en das extremadamente nublados y oscuros.

Por otro lado, la central solar fotovoltaica funcionar silenciosamente, gratuitamente y sin

contaminar en absoluto, durante las horas de luz.

Utilizar una central solar fotovoltaica y un generador auxiliar en combinacin reduce el

costo inicial del sistema. Si no utilizramos el generador auxiliar, la central solar

fotovoltaica y la batera deberan ser lo suficientemente grandes como para abastecer toda

la demanda de energa nocturna. Sin embargo, el acoplar un generador auxiliar como apoyo

al sistema solar, har que necesitemos menos paneles solares fotovoltaicos y una batera

ms pequea para lograr suministrar toda la energa que sea requerida en cualquier instante.

Adems de un generador convencional, la energa elctrica procedente de un generador

elico, pequeas centrales minihidrulicas, y cualquier otra fuente de energa elctrica,

puede ser acoplada al sistema solar fotovoltaico para obtener as un sistema de generacin

elctrica hbrido tan grande como se desee.

Como opciones alternativas, antes de adoptar el sistema hibrido, se presentaban la

ampliacin de la red elctrica, o la adopcin de un generador diesel como nica fuente de

generacin elctrica. Esta opcin es descartada por dos razones:

El enorme costo de mantenimiento, en reparaciones y en recarga de combustible, y

la elevada frecuencia con la que el generador debe ser repuesto o sustituido por descompostura.

El elevado nivel de ruido que genera, como la contaminacin que provoca por emisin.

En cuanto a la otra opcin, son muchos los metros de tendido que deben realizarse para que

tal opcin con lleve una mayor inversin inicial que la correspondiente al sistema hibrido.

El sistema de hibrido solar, generador elico y motor diesel y bateras ofrece muchas

ventajas. Los costos de construccin suelen ser una pequea parte de aquellos que se

requieren para realizar una extensin de la red elctrica, y los gastos de mantenimiento y el

combustible son bastante inferiores que los que tendra un generador diesel funcionando

solo. El sistema hibrido suele tener, por si mismo bastante mayor capacidad de generacin

elctrica, aportando as energa a ms casas y negocios.

Adems tiene mucha mayor fiabilidad que un generador diesel funcionando solo, debido a

que incluye diversos sistemas de generacin elctrica de apoyo y un banco de bateras ms

grande. En un sistema de este tipo, el central solar genera energa elctrica durante el da, y

las turbinas elicas cargan las bateras siempre que sople el viento (el viento, usualmente es

ms fuerte de noche). Si se produjese una serie de das consecutivos de muy alta nubosidad

y con muy poco viento, o si la demanda de energa elctrica aumentase por encima de lo

usual, el generador diesel entrara a funcionar para apoyar al sistema y as poder suministrar

la demanda.

Configuraciones

Ventajas:

No es requerida una conmutacin entre las diferentes fuentes de generacin del sistema.

La potencia suministrada a la carga no se interrumpe cuando el generador diesel entra a operar.

El generador diesel puede ser seleccionado para entregar toda su potencia til aun cuando carga el banco de bateras, hasta alcanzar para ste un estado de carga del 75

al 85%.

Desventajas:

El inversor se selecciona para suministrar en algn momento el pico de carga del sistema.

El banco de bateras es ciclado frecuentemente lo que acorta su vida til.

El ciclado frecuente requiere de un banco de bateras de mayor tamao

.

Ventajas:

Las fuentes energticas pueden alimentar la carga directamente.

Desventajas:

Se interrumpe la transferencia de energa a la carga cuando se cambia de fuente energtica.

El generador diesel debe estar seleccionado para atender la demanda pico del sistema.

Esta topologa ofrece una serie de ventajas con respecto a las otras:

Atencin de la demanda de energa en forma ptima.

Eficiencia del generador diesel maximizada.

Mantenimiento del generador diesel minimizado.

Reduccin en las capacidades nominales de los equipos aun atendiendo la demanda de

energa.