Aprovechamiento del Sol: Métodos de Conversión Fotovoltaica

Método Indirecto: Sistemas Aislados

Los sistemas aislados, también conocidos como autónomos, no están conectados a la red eléctrica convencional. Estos sistemas se utilizan principalmente en ubicaciones remotas o con acceso limitado a la red.

Aplicaciones de Sistemas Aislados:

• Telecomunicaciones
• Electrificación en zonas aisladas
• Satélites
• Señales
• Juguetes

Método Directo: Sistemas Conectados a Red

Los sistemas conectados a la red permiten inyectar la energía generada por los paneles solares directamente a la red eléctrica.

Tipos de Sistemas Conectados a Red:

• Centrales fotovoltaicas
• Huertos solares
• Edificios fotovoltaicos

Semiconductores: La Clave de la Conversión Fotovoltaica

Los semiconductores son materiales que presentan una conductividad eléctrica intermedia entre los conductores y los aislantes. Su comportamiento depende de factores como la temperatura y la presencia de impurezas.

A temperatura ambiente, un semiconductor se comporta como un aislante. Sin embargo, al aumentar la temperatura o al ser dopado, su conductividad aumenta, asemejándose a la de un conductor.

Clasificación de los Semiconductores:

• Intrínsecos: Presentes en la naturaleza, como el germanio (Ge) y el silicio (Si).
• Extrínsecos: Requieren la adición de impurezas para modificar su conductividad. Este proceso se denomina dopaje.

Dopaje de Semiconductores:

El dopaje consiste en añadir impurezas al germanio o al silicio para modificar su conductividad. Dependiendo del tipo de impureza, se pueden obtener semiconductores de tipo N o tipo P.

• Tipo N: Se dopan con impurezas que aportan electrones libres, como fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb).
• Tipo P: Se dopan con impurezas que generan huecos, permitiendo la atracción de cargas positivas, como aluminio (Al), galio (Ga), boro (B) o indio (In).

Unión P-N: La Base de las Células Solares

Al unir un semiconductor tipo P con uno tipo N, se crea una unión P-N. En esta unión, los electrones libres de la zona N se difunden hacia la zona P, mientras que los huecos de la zona P se difunden hacia la zona N. Este movimiento de cargas crea una barrera de potencial que se opone a la difusión adicional de portadores de carga.

Polarización Directa:

Al aplicar una tensión externa que favorece el paso de la corriente a través de la unión P-N, la barrera de potencial disminuye, permitiendo un flujo de corriente mayor.

Polarización Inversa:

Al aplicar una tensión externa que se opone al paso de la corriente, la barrera de potencial aumenta, dificultando el flujo de corriente.

Regulador de Carga: Protección y Control de la Batería

El regulador de carga es un dispositivo electrónico esencial en los sistemas fotovoltaicos. Su función principal es regular la carga de las baterías, evitando sobrecargas y prolongando su vida útil.

Tipos de Reguladores:

• Analógicos
• Digitales

Parámetros del Regulador:

• Características físicas (peso, dimensiones)
• Características eléctricas (tensión, corriente)
• Normas de seguridad

Tipos de Interruptores de Control:

• Relé electromecánico
• Estado sólido (MOSFET)

Métodos de Desconexión del Consumo:

• Por tensión
• Algoritmos de cálculo del estado de carga
• Algoritmos que regulan la energía

Posición del Interruptor de Control de Generación:

• Serie
• Paralelo

Acumuladores: Almacenamiento de Energía Solar

Los acumuladores, también conocidos como baterías, son dispositivos electroquímicos que almacenan energía eléctrica en forma de energía química. En los sistemas fotovoltaicos, las baterías desempeñan un papel crucial al proporcionar energía durante la noche o en momentos de baja radiación solar.

Beneficios de las Baterías en Sistemas Fotovoltaicos:

• Almacenamiento de energía para su uso posterior.
• Disminución de la dependencia de la red eléctrica.
• Suministro de potencia instantánea elevada.
• Estabilización de la tensión de trabajo del sistema.

Composición de una Batería:

Una batería está compuesta por dos electrodos (ánodo y cátodo) sumergidos en un electrolito. Las reacciones químicas que ocurren en el electrolito durante la carga y descarga de la batería permiten el almacenamiento y la liberación de energía eléctrica.

Componentes de una Batería:

• Electrodo: Conductor eléctrico por el que la corriente entra o sale del electrolito.
• Electrolito: Sustancia (ácidos, bases o sales) que al disolverse en agua se disocia en iones, permitiendo la conducción eléctrica.

El ácido sulfúrico (H₂SO₄) es un electrolito común en las baterías de plomo-ácido. Es importante manejar las baterías con precaución, evitando inclinaciones que puedan provocar derrames del electrolito.

Electrólisis:

La electrólisis es el proceso de descomposición de compuestos químicos mediante el paso de corriente eléctrica. En las baterías, la electrólisis juega un papel fundamental en las reacciones químicas de carga y descarga.

Ion:

Un ion es un átomo o grupo de átomos con carga eléctrica. Los iones positivos (cationes) y negativos (aniones) son responsables de la conducción eléctrica en el electrolito de una batería.

Tipos de Baterías:

• Plomo-ácido (Pb-H₂SO₄)
• Níquel-cadmio (Ni-Cd)

Vaso de la Batería:

El vaso es un recipiente de plástico resistente al ácido que contiene los electrodos y el electrolito. Cada electrodo está formado por placas en forma de rejilla de aleación de plomo-antimonio (Pb-Sb), recubiertas de una pasta de material activo para mejorar el intercambio de iones. La capacidad de la batería depende del tamaño y número de placas.

Módulos Fotovoltaicos:

Los módulos fotovoltaicos, también conocidos como paneles solares, están formados por células solares interconectadas. Cada célula solar genera una tensión de aproximadamente 0.5V. Para obtener tensiones mayores, como 12V, se conectan en serie 6 vasos de batería.

Parámetros de las Baterías:

• Capacidad: Cantidad de electricidad que puede proporcionar una batería completamente cargada hasta alcanzar la tensión de corte. Se mide en amperios-hora (Ah).
• Vida útil: Depende del número de ciclos de carga/descarga y de la profundidad de descarga.
• Profundidad de descarga: Porcentaje de carga que se extrae de la batería en una descarga. Una mayor profundidad de descarga reduce la vida útil de la batería.

Proceso de Carga:

Durante la carga, se aplica una tensión ligeramente superior a la nominal de la batería. Al final del proceso, se produce la gasificación, liberando oxígeno e hidrógeno. Es importante rellenar el electrolito periódicamente para compensar la pérdida de agua.

Proceso de Descarga:

Durante la descarga, se consume el electrolito, disminuyendo su densidad. La tensión se mantiene relativamente estable hasta alcanzar la tensión de corte.

Efecto de la Temperatura:

La temperatura afecta la tensión de carga y la capacidad de la batería. A mayor temperatura, la capacidad aumenta, mientras que a menor temperatura, la capacidad disminuye.

Factores que Afectan la Vida Útil de la Batería:

• Número de ciclos de carga/descarga
• Profundidad de descarga
• Intensidad de descarga
• Temperatura de trabajo

Eficiencia de Carga:

Relación entre la energía utilizada para cargar la batería y la energía realmente almacenada. Se expresa en porcentaje.

Autodescarga:

Proceso por el cual la batería se descarga lentamente incluso sin estar en uso.

Profundidad de Autodescarga:

Cantidad de energía, expresada en porcentaje, que se pierde diariamente debido a la autodescarga.

Tensión de Flotación:

Tensión que proporciona el regulador periódicamente para compensar la autodescarga de la batería.

Tipos de Baterías Según su Ciclo de Descarga:

• Batería de ciclo superficial: Diseñada para descargas poco profundas (10-15%) y ocasionalmente hasta un 40-50%.
• Batería de ciclo profundo: Diseñada para descargas más profundas (20-25%) y ocasionalmente hasta un 80%.

Dimensionamiento del Inversor en Sistemas Autónomos

El inversor es un componente esencial en sistemas fotovoltaicos conectados a la red, ya que convierte la corriente continua (CC) generada por los paneles solares en corriente alterna (CA) compatible con la red eléctrica.

Parámetros para el Dimensionamiento del Inversor:

• Tensión nominal (CC): 12V, 24V, 48V
• Potencia nominal: Capacidad máxima de potencia que puede entregar el inversor.
• Potencia aparente: Potencia total suministrada por el inversor, incluyendo la potencia activa y la potencia reactiva.
• Picos de arranque: Corriente máxima que puede suministrar el inversor durante el arranque de cargas inductivas.

Diodo Bypass:

El diodo bypass se utiliza en los paneles solares para evitar daños en las células solares en caso de sombra parcial. Permite que la corriente fluya a través de un camino alternativo, evitando el calentamiento excesivo de las células sombreadas.

Inversor: Conversión de Energía para la Red Eléctrica

El inversor es un dispositivo electrónico que convierte la corriente continua (CC) generada por los paneles solares en corriente alterna (CA) compatible con la red eléctrica (220V, 50Hz en Europa).

Características Deseables de un Inversor:

• Alta eficiencia de conversión
• Bajo consumo en vacío
• Alta fiabilidad
• Protección contra cortocircuitos y sobrecargas
• Seguridad

Rendimiento Máximo:

La potencia real entregada por el inversor siempre es menor que su potencia nominal debido a las pérdidas de conversión.

Potencia Nominal:

Es la potencia máxima que el inversor puede entregar a la instalación. Es importante seleccionar un inversor con una potencia nominal igual o superior a la potencia total de los equipos que se conectarán.

Célula Solar: El Corazón de la Conversión Fotovoltaica

La célula solar es el componente básico de un panel solar. Está fabricada con materiales semiconductores, generalmente silicio, y convierte la energía de los fotones del sol en energía eléctrica mediante el efecto fotovoltaico.

Estructura de una Célula Solar:

Una célula solar tiene dos capas principales: una capa superior de tipo N (expuesta al sol) y una capa inferior de tipo P. La unión entre estas dos capas crea una unión P-N.

Parámetros de la Célula Solar:

• Corriente de iluminación: Corriente generada por la célula solar cuando se expone a la luz.
• Corriente de oscuridad: Corriente que fluye a través de la célula solar en ausencia de luz.
• Tensión de circuito abierto (Voc): Tensión máxima que puede generar la célula solar cuando no hay carga conectada.
• Corriente de cortocircuito (Isc): Corriente máxima que puede generar la célula solar cuando sus terminales están en cortocircuito.

Factor de Toma (FF):

El factor de toma es una medida de la eficiencia de la célula solar. Se define como la relación entre la potencia máxima que puede entregar la célula y el producto de la tensión de circuito abierto (Voc) y la corriente de cortocircuito (Isc). Un factor de toma típico para las células solares de silicio está entre 0.7 y 0.8.

Rendimiento de las Células Solares:

El rendimiento de una célula solar depende del tipo de material semiconductor utilizado y de la tecnología de fabricación. Las células solares monocristalinas tienen el mayor rendimiento (15-18%), seguidas de las policristalinas (12-14%) y las amorfas (<10%).

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