Fuentes Renovables : Energía inagotable

Hola a todos los amantes de la energía renovable, en esta entrada vamos a analizar las fuentes de energía renovables mas extendidas, la energía solar y la energía eólica.

Además, comentaremos las principales partes que forman una instalación eléctrica para obtener energía a partir de fuentes renovables.

Con estos conocimientos, sabremos todo lo necesario para tener un suministro eficiente de energía en cualquier parte del mundo, pues en lugares con pocas horas de sol suele hacer viento, y ambas fuentes combinadas aseguran un suministro para proporcionar a una vivienda la energía necesaria.

Antes de hablar de cada una de las partes, podéis ver en la siguiente imagen un ejemplo de una instalación eléctrica básica para una vivienda a partir de energía solar, eólica o ambas combinadas:

 

Ejemplo de una instalación básica de energía renovable

Generador:

Es la parte que produce la energía eléctrica. Su fuente puede ser mecánica, aprovechando un movimiento rotatorio, ya sea mediante un motor,  el viento que haga girar las aspas o bien, mediante un proceso químico, dos sustancias al unirse, calor que posteriormente activa una turbina.

También ocurre una reacción en los paneles solares fotovoltaicos cuando los fotones de la luz solar inciden sobre los electrones de silicio situados en las celdas o células solares, liberando energía eléctrica en corriente continua (CC) donde los electrones circulan en una dirección hacia el resto de componentes...

La naturaleza nos brinda diferentes fuentes de energía que nosotros debemos aprender a utilizar y manejar en nuestro beneficio. Otras fuentes de energía como el carbón, el petróleo o la energía nuclear también son muy utilizadas en la producción de energía, pero generan un perjuicio para la salud y el equilibrio de los ecosistemas por su contaminación y residuos que generan.

Otros sistemas generadores también pueden ser de otras fuentes ya sean renovables o fósiles.
 En esta entrada, nos centraremos en los paneles solares y generadores eólicos como fuente de energía:

-Panel solar:

Los paneles solares pueden ser térmicos para producir calor, o fotovoltaicos para producir energía eléctrica.

En primer lugar el coeficiente de absorción, que determina la capacidad de la célula fotovoltaica para absorber la radiación solar que incide sobre ella, y por lo tanto su eficiencia o rendimiento. Recordemos que la radiación solar, es una onda electromagnética, que se propaga a través del vacío y a través de la materia. Por lo tanto, que la radiación solar sea absorbida en mayor o menor medida, depende por una lado, de la longitud de onda de la luz, del material absorbe; y por otro, de la capacidad de absorción de dicho material.

La ordenación de la estructura cristalina del material de la célula, también es un factor determinante. La ordenación de los átomos determina la estructura del material, y tiene que ver con los electrones en movimiento que generan la corriente eléctrica.

 El material con el que se obtienen mejores rendimientos con diferencia es el arsenio en combinación con el galio. El motivo consiste en que es un material estable, que funciona a pesar de que las células tengan poco espesor. Por contra tiene un coste alto, ya que no es fácil disponer de este material. Por eso se sigue utilizando el silicio por su facilidad en el proceso de fabricación.

Cuando el material seleccionado es el Silicio, hay que diferenciar tres tipos, en función de su estructura cristalina:

•  Monocristalino
•  Policristalino
•  Amorfo
  
  

 

El rendimiento de las células para cualquiera de las tres opciones, es relativamente parecido, y oscila entre el 6% y el 17%. De las tres opciones, los paneles formados por células de silicio monocristalino, son los de mayor rendimiento (13-17%), aunque su producción es la más compleja, ya que requiere más tiempo y consumo de energía en su fabricación, y también pueden ser ligeramente más caros. Por contra, los paneles de silicio amorfo, son simples de fabricar y más baratos que los otros dos, presentan forma de lámina delgada de silicio, que se deposita sobre otra lámina de vidrio, de metal o de plástico, pero el rendimiento es mucho menor (6-8%). Actualmente existen compañías que tratan de mejorar los valores de rendimiento de las células finas de silicio amorfo.

El coste y la eficiencia son los parámetros decisivos a la hora de elegir una u otra tipología, y en este sentido, los paneles de silicio monocristalino pueden ganar la partida, seguidos de los policristalinos. El motivo consiste en que los monocristalinos, tiene mayor rendimiento y necesitan menos espacio (superficie captadora), mientras que las células finas (thin film), a pesar de ser más económicas, son menos eficientes, y por lo tanto se necesita cubrir más espacio, y por lo tanto finalmente hay que usar más material, para producir la misma cantidad de energía.

No obstante, estas prestaciones teóricas en la realidad pueden cambiar las condiciones reales de funcionameinto. Esto se debe a que los fabricantes muestran la eficiencia obtenidas en los paneles en condiciones ideales. Por ejemplo, la eficiencia de un panel a 25ºC de temperatura puede ser muy distinta a la del mismo panel pero a 30ºC. Por esta razón, los monocristalinos con mayor eficiencia también les afecta en mayor medida el coeficiente térmico y a mayor temperatura, peor rendimiento. Al final ambos tipos de paneles se encuentran muy cerca de sus prestaciones, por tanto es un buen consejo elegir indistintamente el tipo y ver la calidad, garantía y precios de nuestro proveedor.

Por último, antes de elegir que módulo solar instalar, debemos tener en cuenta un efecto poco estudiado pero que afecta al rendimiento de toda la instalación.

La degradación por potencial inducido o conocido por su siglas en inglés como PID.

Este efecto es causado por corrientes de fuga entre las células del panel y el resto de componentes (marco, tedlar, eva y vidrio).

Este efecto puede ocasionarse debido a la interacción de varios factores, a saber:

• Las condiciones medioambientales del lugar, sobre todo en climas cálidos y húmedos.
• Las condiciones eléctricas del sistema fotovoltaico, a mayor tensión de las series (strings) mayor es la posibilidad de aparición del efecto.
• La calidad del panel solar utilizado en la instalación.

• La calidad de las células del panel solar en cuestión.

 Para evitar este efecto, es aconsejable elegir un proveedor que garantice un mínimo rendimiento a largo plazo. Si no, con el tiempo los paneles solares pueden perder eficiencia significativa.


Algunas cuestiones interesantes sobre paneles solares las podéis encontrar en los siguientes enlaces:

• El mejor panel solar del mundo
• Degradación por Potencial Inducido en paneles solares.
• Calcular una instalación solar fotovoltaica paso a paso

-Aerogenerador:

Un aerogenerador es un dispositivo que convierte la energía cinética del viento en energía eléctrica.
El rotor gira a una velocidad constante o bien a velocidad variable, donde la velocidad varía en función de la velocidad del viento.

Las partes básicas que forman un aerogenerador:

• Rotor:
• Palas o hélices:
• Sistema de transmisión mecánico:
• Generador

Los aerogeneradores pueden tener dos tipos de disposición según la posición de su eje:

• Eje Horizontal:
• Eje Vertical:

Todos los aerogeneradores de eje horizontal tienen su eje de rotación principal en la parte superior de la torre, que tiene que orientarse hacia el viento de alguna manera. Los aerogeneradores pequeños se orientan mediante una veleta, mientras que los más grandes utilizan un sensor de dirección y se orientan por servomotores o motorreductores.

Los de eje vertical son aquellos en los que el eje de rotación se encuentra perpendicular al suelo. También se denominan VAWT (del inglés, Vertical Axis Wind Turbine), en contraposición a los de eje horizontal o HAWT.

Ambas disposiciones deben llevar un sistema de control. Este regula el funcionamiento de forma segura y eficiente del equipo, controla la orientación, la posición de las palas y la potencia total entregada por el equipo.

Existen 2 tipologías principales de generadores eléctricos: con y sin caja multiplicadora. Los primeros funcionan a velocidades del orden de 1000 - 2000 rpm. Dado que la velocidad de rotación de las aspas es baja (entre 8 y 30 rpm), requieren el uso de una caja multiplicadora para conseguir una velocidad de rotación adecuada. Los aerogeneradores que no requieren multiplicadora se conocen como "direct-drive" y sus generadores se llaman habitualmente multipolo, ya que para conseguir una frecuencia elevada con una baja velocidad de giro tienen más de una decena de polos.

Regulador:

Se encarga de controlar la carga que llega desde el generador a las baterías para no dañarlas, así como la descarga y evitar cargas o descargas excesivas. 

Su funcionamiento es similar al de un interruptor, pero de manera automática de forma que cuando las baterías estan descargadas, el interruptor esta cerrado y desde el generador circula energía hacia las baterías. Cuando las baterías estan cargadas, si seguimos en proceso de carga, se dañarían, y el regulador corta y abre el interruptor. De esta forma al cargarse las baterías el regulador corta el suministro.

Las intensidades máximas de entrada y salida del regulador adecuado para cada aplicación dependerán de la corriente de máxima que pueda producir el sistema de generación fotovoltaico para la entrada y la corriente máxima de las cargas para la salida. Para tener en cuenta los posibles picos de irradiancia o los cambios de temperatura, es recomendable que, a la hora de escoger el regulador, sea aquel con un 15-25% superior a la corriente de cortocircuito que le puede llegar del sistema de generación fotovoltaico o eólico (Ientrada) o bien, de la que puede consumir la carga del sistema (Isalida). La elección del regulador solar será aquel que soporte la mayor de las dos corrientes calculadas.

Según la tecnología y eficiencia, los reguladores pueden ser de dos tipos:

• Regulador PWM (Modulación por anchura de pulsos)
• Regulador MPPT (seguidor del punto de máxima potencia) 

 

Si el regulador es de tipo PWM (Modulación por anchura de pulsos) sólo dispone de un Diodo en su interior, por lo cual, el panel solar funciona a la misma tensión que las baterías solares.Esto hace que el módulo solar no trabaje en su punto de máxima potencia, sino que trabaja en el que impone la batería según su estado de carga, produciendo una pérdida de potencia. Es decir, la tensión de salida del panel queda limitada por la tensión de la batería.

El regulador PWM es capaz de llenar por completo la batería gracias a que introduce la carga de forma gradual, a pulsos de tensión, en la fase de flotación, fase de llenado último de la batería. Así, la corriente se va introduciendo poco a poco hasta que la batería se llena de manera óptima y estable.

Un regulador MPPT dispone, además del diodo de protección, de un convertidor de tensión CC-CC y de un seguidor del punto de máxima potencia. Esto le permite dos cosas: 

• El convertidor de tensión CC-CC (de alta tensión en el generador a baja tensión en las baterías)
  
• El seguidor del punto de máxima potencia (MPPT por sus siglas en inglés) adapta la tensión de funcionamiento en el sistema de generación (solar, eólico, hidráulico...) a la que proporcione la máxima potencia.

Por tanto, en un regulador MPPT la potencia que entra y sale del regulador es la misma, al igual que en los reguladores PWM, pero la tensión y la corriente son diferentes a un lado y a otro. Con ello se consigue aumentar la tensión del panel solar y aumentar la producción solar en hasta un 30% respecto a los reguladores solares PWM, aunque también son más caros los reguladores MPPT.

Veamos un ejemplo que muestra el rendimiento de cada regulador:

Ejemplo 1: Panel solar proporciona un voltaje de 15V y una intensidad de 1,2A. La potencia es de P= V x I = 15 x 1,2 = 18W. EL regulador tipo PWM regula la potencia de entrada a la batería y pasa de 15V; 1,2A a 12,2V; 1,2A. Si hacemos el calculo de potencia, P= 12,2 x 1,2 = 14,6W, podemos comprobar que existe una pérdida de potencia de casi un 20%.

Ejemplo 2: Panel solar proporciona 15V y 1,2A. La potencia son 18W. El regulador tipo MPPT regula el voltaje y proporciona a la batería un voltaje de carga óptimo a 13,8V y eleva la intensidad de 1,2A a 1,3A, aprovechando toda la potencia suministrada.

Al realizar el calculo de potencia P= V x I = 13,8V x 1,3A = 18W. No existe pérdida de potencia.

Baterías:

Se encargan de acumular la energía eléctrica generada por el sistema generador (Solar, eólico...) para poder disponer de ella en las horas del día que no luzca el sol o no haga viento. Las más recomendadas para este tipo de instalaciones son las baterías estacionarias de plomo ácido, con vasos de 2V cada uno, que se dispondrán en serie y/o paralelo para completar los 12, 24 o 48 Vcc que sea adecuado en cada caso. Este tipo de baterías pueden permanecer largos periodos de tiempo cargadas y soportar descargas profundas esporádicamente. También se pueden usar, para instalaciones más pequeñas, baterías monoblock (o monobloque), generalmente de 6-12V.

Las baterías de Gel y las baterías AGM se fabrican en formato monoblock pero tienen un rendimiento mayor y no necesitan mantenimiento ya que son baterías selladas y compuestas de electrolito gelidificado. Estas baterías son ideales para usar cualquier tipo de aparato eléctrico ya que soportan sin problemas los altos picos de arranque de cualquier electrodoméstico. La vida media de las baterías de Gel y AGM en condiciones normales de uso son de 8-10 años. Estas baterías son muy utilizadas en instalaciones medias ya que permiten ir añadiendo módulos y ampliar la capacidad de carga poco a poco. El modelo de más capacidad utilizado en acumuladores de Gel y AGM es de 250Ah.

Para definir el tamaño adecuado de las baterías es necesario tener en cuenta un par de parámetros:

• Profundidad de descarga máxima, qué es el nivel máximo de descarga que se le permite a la batería antes de la desconexión del regulador, para proteger la duración de la misma. Las profundidades de descarga máximas que se suelen considerar para un ciclo diario (profundidad de descarga máxima diaria) están en torno al 15-20%.
• Ciclo estacional, qué es el número máximo de días que podrá una batería estar descargándose sin recibir los módulos radiación solar suficiente, están en torno a 4-10 días y un profundidad de descarga del 70% aproximadamente. 

En instalaciones fotovoltaicas no se buscan descargas agresivas, sino más bien progresivas, por esta razón las baterías a utilizar suelen ser con descarga de 100 horas (C100), pues cuanto más intensa es la descarga de una batería menos energía es capaz de suministrarnos. Además, se suelen especificar con tiempos de descarga de 100 horas por que al hablar de tiempos de autonomía de 5 o más días la descarga se produciría en, por ejemplo, 24 x 5 = 120h, y por defecto, se escogen entonces las 100 horas.

Inversor:

Este aparato se encarga de transformar la energía eléctrica en forma de corriente continua(CC) en corriente alterna (CA).

Son muchas las posibilidades y dependerán de la carga que tengas conectada,
ya que la principal característica de un inversor (a parte de su capacidad) es su tipo de señal a la salida:

• Pura (la mejor y mas cara)
• Modificada (para muchas aplicaciones)
• Cuadrada (luces y algunas cosas mas)

 









Para la capacidad deberás considerar toda tu instalación conectada (tomando en cuenta la partida de motores si los hay) mas un 25% debes tener en cuenta su rendimiento y autoconsumo.

Por ejemplo, si sumando todos los aparatos que puedas tener conectados a la vez suman 950W, no es aconsejable ajustar a un inversor de 1000W, es aconsejable dar un margen de seguridad y disponer de uno de 1500W en adelante. 
Con esta decisión nos aseguramos que no forzaremos su funcionamiento a casi al límite, podremos ampliar nuestro consumo sin sobrepasar el limite en un futuro y evitaremos sobrecalentamientos y pérdidas de potencia por calor.

También debes tener la decisión de si tu instalación es a 12, 24 o 48 voltios
para decidir tu inversor.

A mayor voltaje, reduces la intensidad que circula por los cables y puedes disminuir el diámetro de los cables, bajando el coste.
Sin embargo, a mayor voltaje, se crean corrientes parásitas y campos electromagnéticos más facilmente, dañando equipos sensibles a radiaciones electromagnéticas que se encuentren cerca.
Debemos conocer bien nuestras necesidades para tomar la decisión correcta.




Esperamos que con esta información os animéis a montar vuestra propia instalación electrica donde la necesitéis, de manera independiente, segura y eficiente.







Bibliografía:

http://www.certificadosenergeticos.com/tipo-paneles-fotovoltaicos-son-mas-eficientes-rentables

http://deltavolt.pe/energia-renovable/energia-solar/paneles-solares

https://es.wikipedia.org/wiki/Aerogenerador

https://www.acciona.com/es/energias-renovables/energia-eolica/aerogeneradores/

https://www.renovablesdelsur.com/blog/index.php/2011/07/21/comprar-paneles-solares-monocristalino-o-policristalino/

https://www.sfe-solar.com/noticias/articulos/degradacion-paneles-solares-efecto-pid/

https://www.sfe-solar.com/noticias/articulos/modulo-fotovoltaico-calculo-paneles-solares-fotovoltaicos/