martes, 16 de marzo de 2010

Paneles solares

Un panel solar es un módulo que aprovecha la energía de la radiación solar. El término comprende a los paneles solares utilizados para producir electricidad (usualmente doméstica) y a los paneles fotovoltaicos utilizados para generar agua caliente.

Desarrollo actual 

En la actualidad, se utiliza el elemento químico silicio, y sobre el mismo, se agrega alambre de cobre.Cuando hay heliofanías (horas de claridad), los rayos del sol, al chocar con el panel, hacen una reacción química, y asi le da energía a la batería, (de 24 voltios).

Paneles fotovoltaicos 

Artículo principal: Panel fotovoltaico
Los paneles fotovoltaicos están formados por numerosas celdas que convierten la luz en electricidad. Las celdas a veces son llamadas células fotovoltaicas, que significa "luz-electricidad". Estas celdas dependen del efecto fotovoltaico para transformar la energía del Sol y hacer que una corriente pase entre dos placas con cargas eléctricas opuestas. Numerosas empresas e instituciones están trabajando para aumentar la eficiencia de los paneles, principalmente compañías privadas las que realizan la mayor parte de la investigación y desarrollo en este aspecto.
Por otra parte, una serie de universidades trabajan en artefactos que usan la energía solar a través de estos paneles, especialmente vehículos eléctricos y recientemente los barcos solares, las que compiten para alcanzar la superioridad en este campo de la tecnología. Se reúnen en competiciones como la Solar Splash[1] en América del Norte, o la Frisian Nuon Solar Challenge[2] en Europa.
En 2005 el problema más importante con los paneles fotovoltaicos era el costo, que ha estado bajando hasta 3 o 4 dólares por vatio. El precio del silicio usado para la mayor parte de los paneles ahora está tendiendo a subir. Esto ha hecho que los fabricantes comiencen a utilizar otros materiales y paneles de silicio más delgados para bajar los costes de producción. Debido a economías de escala, los paneles solares se hacen menos costosos según se usen y fabriquen más. A medida que se aumente la producción, los precios continuarán bajando en los próximos años.
El área de mayor crecimiento lo forman los sistemas conectados a la red pública (grid tied systems). En los Estados Unidos, con incentivos de los estados, compañías eléctricas y (en 2006 y 2007) del gobierno federal, el crecimiento continuará. Los programas de contadores conectados a red (net metering) permiten a los usuario recibir una compensación por cualquier energía extra que incorpore a la red. La mayor parte de este sistema compra la energía al mismo precio de venta, aunque algunas compañías la compran a un precio cercano a 1/3 de lo que cobran. Como contraste, en Alemania se ha adoptado un sistema extremo de net-metering para incentivar el crecimiento del mercado de las energías renovables, de forma que se paga ocho veces lo que la compañía cobra. Este alto incentivo ha creado una enorme demanda de paneles solares en ese país.

Agua caliente solar 


Una lavandería en California, EE. UU., con paneles solares de agua caliente en techo.
Artículos principales: Colector solar y Energía solar térmica
Un calentador solar de agua usa la energía del Sol para calentar un líquido, el cual transfiere el calor hacia un compartimento de almacenado de calor. En una casa, por ejemplo, el agua caliente sanitaria puede ser calentada y almacenada en un depósito de agua caliente.
Los paneles tienen una placa receptora y tubos por los que circula líquido adheridos a ésta. El receptor (generalmente recubierto con una capa selectiva oscura) asegura la transformación de radiación solar en calor, mientras que el líquido que circula por los tubos transporta el calor hacia donde puede ser utilizado o almacenado. El líquido calentado es bombeado hacia un aparato intercambiador de energía (una bobina dentro del compartimento de almacenado o un aparato externo) donde deja el calor y luego circula de vuelta hacia el panel para ser recalentado. Esto provee una manera simple y efectiva de transferir y transformar la energía solar.
Un panel solar es un módulo que aprovecha la energía de la radiación solar. El término comprende a los colectores solares utilizados para producir agua caliente (usualmente doméstica) y a los paneles fotovoltaicos utilizados para generar electricidad.
Un panel solar es un módulo que aprovecha la energía de la radiación solar. El término comprende a los colectores solares utilizados para producir agua caliente (usualmente doméstica) y a los paneles fotovoltaicos utilizados para generar electricidad. loco

Producción mundial de energía solar 

El máximo de potencia fotovoltaica instalada fue de unos 2,600 MW en 2004.[3]
Potencia FV instalada hacia fines de 2004[4]
País Capacidad FV
Acumulado Instalado en 2004
Aislado (kW) Conectado a red (kW) Total (kW) Total (kW) Conectado a red (kW)
Australia 48.640 6.760 52.300 6.670 780
Austria 2.687 16.493 19.180 2.347 1.833
Canada 13.372 512 13.884 2.054 107
Francia 18.300 8.000 26.300 5.228 4.183
Alemania 26.000 768.000 794.000 363.000 360.000
Italia 12.000 18.700 30.700 4.700 4.400
Japón 84.245 1.047.746 1.131.991 272.368 267.016
Corea 5.359 4.533 9.892 3.454 3.106
México 18.172 10 18.182 1.041 0
Países Bajos 4.769 44.310 49.079 3.162 3.071
Noruega 6.813 75 6.888 273 0
España 14.000 23.000 37.000 10.000 8.460
Suiza 3.100 20.000 23.100 2.100 2.000
Reino Unido 776 7.386 8.164 2.261 2.197
Estados Unidos 189.600 175.600 365.200 90.000 62.000

Grandes plantas de energía fotovoltaica 

Plantas de energía FV más grandes del mundo[5]
Potencia pico DC Ubicación Descripción Energía (MWh/año)
20 MW Jumilla, Murcia, España 120.000 módulos solares 41.600 MWh
20 MW Beneixama, Alicante, España 100.000 módulos solares 30.000 MWh
... ... ... ...
6,3 MW Mühlhausen, Alemania 57.600 módulos solares 6.750 MWh
5,3 Mw [Castejon]] Navarra, España 5.300 MWh Heliosolar.
5 MW Bürstadt, Alemania 30.000 módulos solares BP 4.200 MWh
5 MW Espenhain, Alemania 33.500 Shell módulos solares 5.000 MWh
4,59 MW Springerville, AZ, EEUU 34.980 módulos solares BP 7.750 MWh
4 MW Geiseltalsee, Merseburg, Alemania 25.000 módulos solares BP 3.400 MWh
4 MW Gottelborn, Alemania 50.000 módulos solares (cuando sea completado) 8.200 MWh (cuando sea completado)
4 MW Hemau, Alemania 32.740 módulos solares 3.900 MWh
3,9 MW Rancho Seco, CA, EEUU n.d. n.d.
3,3 MW Dingolfing, Alemania Módulos solares Solara, Sharp y Kyocera 3.050 MWh
3,3 MW Serre, Italia 60.000 módulos solares n.d.
... ... ... ...
2,44 MW Castellón, España 14.400 módulos solares 4.400 MWh

Precio de paneles solares fotovoltaicos [editar]

El precio de paneles fotovoltaicos en 2005 fue de 1 a 2 $/vatio (USD) y de 10.000 de pesos en cantidades de ~400 Como la cantidad de producción aumenta, los precios probablemente continúen bajando. Instalados, el costo está entre 1 y 7 dólares por vatio.
Los precios de venta al por menor actuales en Australia para sistemas pequeños son de alrededor A$ 12 a A$ 15 por vatio. Por ejemplo, un panel de 10 W costaba A$ 150 hacia diciembre de 2005, y uno de 20 W costaba A$ 300.

Teoría y Construcción 

Artículo principal: Panel fotovoltaico
Silicio cristalino y Arseniuro de galio son la elección típica de materiales para celdas solares. Los cristales de Arseniuro de galio son creados especialmente para uso fotovoltaico, mientras que los cristales de Silicio están disponibles en lingotes estándar más baratos producidos principalmente para el consumo de la industria microelectrónica. El Silicio policristalino tiene una menor eficacia de conversión pero también menor coste.
Cuando es expuesto a luz solar directa, una celda de Silicio de 6cm de diámetro puede producir una corriente de alrededor 0,5 amperios a 0,5 voltios (equivalente a un promedio de 90 W/m², en un rango de usualmente 50-150 W/m², dependiendo del brillo solar y la eficacia de la celda). El Arseniuro de Galio es más eficaz que el Silicio, pero también más costoso.
Los lingotes cristalinos son cortados en discos finos como una oblea, pulidos para eliminar posibles daños causados por el corte. Se introducen dopantes (impurezas añadidas para modificar las propiedades conductoras) dentro de las obleas, y se depositan conductores metálicos en cada superficie: una fina rejilla en el lado donde da la luz solar y usualmente una hoja plana en el otro. Los paneles solares son construidos con estas celdas cortadas en forma apropiada. Para protegerlos de daños en la superficie frontal causados por radiación o por el mismo manejo de éstos se los enlaza en una cubierta de vidrio y se cimentan sobre un sustrato (el cual puede ser un panel rígido o una manta blanda). Se realizan conexiones eléctricas en serie-paralelo para determinar el voltaje de salida total. La cimentación y el sustrato deben ser conductores térmicos, ya que las celdas se calientan al absorber la energía infrarroja que no es convertida en electricidad. Debido a que el calentamiento de las celdas reduce la eficacia de operación es deseable minimizarlo. Los ensamblajes resultantes son llamados paneles solares o grupos solares.
Un panel solar es una colección de celdas solares. Aunque cada celda solar provee una cantidad relativamente pequeña de energía, muchas de estas repartidas en un área grande pueden proveer suficiente energía como para ser útiles. Para obtener la mayor cantidad de energía las celdas solares deben apuntar directamente al sol.
Se dice que si un cuarto de los pavimentos y edificios de las ciudades estadounidenses fueran convertidos en paneles solares incorporados, estos proveerían suficiente energía para esa nación.

Enlaces externos 

Un seguidor solar es un dispositivo mecánico capaz de orientar los paneles solaresy las flores de forma que éstos permanezcan cercanos a la perpendicular paralela de los rayos solares, siguiendo al sol desde el este en la albrrada hasta el oeste en la puesta.
Existen de varios tipos:
  • En dos ejes (2x): la superficie se mantiene siempre perpendicular al sol.
  • En un eje polar (1xp): la superficie gira sobre un eje orientado al sur e inclinado un ángulo igual a la latitud. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano terrestre que contiene al Sol. La velocidad de giro es de 15° por hora, como la del reloj.
  • En un eje azimutal (1xa): la superficie gira sobre un eje vertical, el ángulo de la superficie es constante e igual a la latitud. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano local que contiene al Sol. La velocidad de giro es variable a lo largo del día.
  • En un eje horizontal (1xh): la superficie gira en un eje horizontal y orientado en dirección norte-sur. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano terrestre que contiene al Sol.

Rentabilidad del seguimiento solar

De forma general, se suele admitir que el seguimiento azimutal recoge un 7% menos de radiación que el seguimiento en dos ejes, y un 4% menos que el seguimiento polar.
Sin embargo, el tener un solo eje de giro y el que éste sea vertical hacen que la mecánica de los seguidores azimutales sea particularmente sencilla y robusta. Para muchos, esta ventaja compensa con creces la menor colección de radiación, por lo que son más utilizados en la práctica.
Si tenemos en cuenta que el coste de instalar este tipo de seguidores puede suponer un incremento del 20% del valor del proyecto, que supondría un incremento en los ingresos del 40%, y un coste en mantenimiento prácticamente nulo, parece innegable que instalar seguidores solares resulta rentable, por lo menos en países con gran radiación solar, como España.
Una huerta solar, huerto solar o campo solar es un recinto o espacio en el que pequeñas instalaciones fotovoltaicas de diferentes titulares comparten infraestructuras y servicios.[1]
La diferencia entre parque solar y huerta solar está en el tamaño y en su carácter industrial o agrario. Un parque solar es una central solar y se refiere a una instalación de gran tamaño, más industrial compuesta por varias plantas solares que requieren una sala de control centralizada y transformadores de alta tensión.
La huerta solar se refiere a instalaciones individuales de pequeños productores con la intención de producir energía a pequeña escala para venderla a la red eléctrica. Huerta solar tiene su origen en el caracter agrícola porque se realizan encima de huertas, campos, pastos o viñedos y porque metafóricamente se cultiva el sol para producir energía como otro cultivo más de la tierra.


Rendimiento de un huerto solar 


Planta de energía solar fotovoltaica de Base de la Fuerza Aérea de Nellis, Nevada (EEUU).
Como cálculo aproximado, cabe mencionar que con una hectárea de huerta solar (incluidos paneles, centros de transformación, inversores, caminos de acceso, vallado...) se puede suministrar la energía que consumen 100 familias.
Se estima que para una instalación de 100 kW, la producción económica puede variar entre 60.000 y 70.000 dependiendo de la radiación solar. La inversión se puede autofinanciar con los propios ingresos, entre 10 y 15 años dependiendo de la carga financiera. Suelen contar con diferentes ventajas fiscales y administrativas tendentes a apoyar la implantación de estas instalaciones.[2]

Evolución del concepto de huerta solar 

Desde que en el 2006 en la Base de la Fuerza Aérea de Nellis, se aplicó esta forma de coordinar y gestionar recursos para mejorar y llegar a hacer rentables pequeñas explotaciones productoras compartiendo elementos comunes se ha avanzado en ese principio.
El concepto de huerta solar está evolucionando hacia el concepto de Red de Productores o Electranet. ELECTRANET es una combinación de la libertad democrática de Internet aplicada a la energía eléctrica, es decir una red libre de productores de energía, por supuesto energía autoctóna,renovable y más limpia. Las huertas solares, las cubiertas de paneles, las plantas de biomasa, los parques eólicos y cualquier iniciativa privada tiene derecho de acceso a la red eléctrica y esto ya tiene un soporte jurídico a nivel europeo.
La actual economía, dominada por un reducido grupo de grandes productores de energía, se está transformando hacia la libertad de producción energética gracias al derecho de acceso a la red eléctrica por cualquier persona siempre que cumpla los niveles de seguridad requeridos.

Enlaces externos 



Un campo fotovoltaico montado sobre un seguidor solar del tipo azimutal
Una cubierta solar es una estructura de paneles solares que se coloca sobre una cubierta, como la techumbre de un edificio, el tejado de un porche o, incluso, una pérgola.
Una cubierta solar puede aprovechar cualquier tipo de tecnología y usos de la energía solar, ya sea energía solar térmica o fotovoltaica.

Composición e instalación 

Una cubierta solar está compuesta por paneles solares, fotovoltaicos o térmicos; elementos estructurales de perfilería metálica, generalmente de aluminio extrusionado; juntas de sujección de los paneles; y material auxiliar de montaje, como tornillería y anclajes.
La ubicación de una cubierta solar así como su orientación es muy importante. Debe estar ubicada en un lugar que no reciba sombra alguna y la orientación debe ser orientada hacia el sur en el hemisferio norte (y hacia el norte, en el hemisferio sur) con un ángulo de inclinación que permita el rendimiento máximo de la captación.
Las cubiertas solares destinadas al aprovechamiento térmico tienen que estar protegidas contra el descenso nocturno de temperaturas y las heladas invernales para evitar su deterioro.

    Haciendo una gran división podemos decir que tenemos dos clases distintas de paneles solares dependiendo del uso que le queramos dar principalmente, los paneles solares para el calentamiento del agua generalmente para uso domestico o colectores solares, estos paneles solares son los que podemos ver principalmente en los tejados de nuestras casas y edificios, a través de un circuito cerrado calientan agua que es almacenada en un deposito para su posterior uso domestico. A partir de Enero de 2007 la instalación de estos colectores solares será de uso obligatorio en España para todos los edificios de nueva construcción, esto dará un impulso de una magnitud enorme al mercado de los paneles solares en España
    La otra parte de la división lo tenemos en los paneles solares fotovoltaicos estos paneles están destinado a la producción de energía solar a partir de las células de silicio, su uso principal se da para instalaciones aisladas a la red, en las cuales las llegada de la red eléctrica general se hace complicada o imposible, un uso que se esta haciendo de forma muy masiva de los paneles solares son las plantas solares dedicados a la producción eléctrica de forma fotovoltaica.
    España ha tenido a lo largo del 2006 un serio desabastecimiento de paneles solares a pesar de ser uno de los principales fabricantes de paneles solares a nivel mundial, esto es debido a que el silicio a pesar de ser un componente muy común dentro de la naturaleza tiene que sufrir un proceso complejo para poder fabricarse con el las células solares fotovoltaicas capaces de convertir la radiación solar en energía eléctrica, esto proceso en la actualidad solo se hacen en 5 fabricas en todo el panorama mundial y ninguna de ellas radica en España, es este motivo por el cual muchas organizaciones ecologistas exigen al gobierno español la construcción de una fabrica de células solares capaz de abastecer al mercado español, por otro lado la fuerte demanda de algunos países que están apostando de manera seria y fuerte por las energías limpias como es el caso de Alemania, hace se produzcan serios desabastecimientos de los paneles solares.
    El principal productor de paneles solares a nivel mundial es Japón en España podríamos destacar a la empresa Isofoton como principal fabricante de paneles solares en España.


    Paneles solares hibridos
    Hasta ahora conocíamos dos tipos de paneles solares para el aprovechamiento de la energía solar, los módulos fotovoltaicos para producir electricidad y los colectores o paneles térmicos para agua caliente. Ambos sistemas son totalmente independientes y diferentes.
    Es un hecho cierto que los paneles fotovoltaicos son enemigos del calor, como ya habréis visto en las hojas de características de los fabricantes, la potencia del panel esta especificada en base a unas condiciones de prueba estándar, (Irradiancia 100 mW/cm2, temperatura de la célula 25ºC, masa de aire de 1,5, etc.). En la vida real, la temperatura de la célula es muchísimo más elevada, con lo cual la eficiencia de las células cae al aumentar la temperatura, reduciendo la potencia del panel aproximadamente un 15%. (TK=-0.44% ºC)
    Lo mencionado anteriormente a modo de introducción es algo que casi todos conocemos, pero ¿existe otra alternativa? La respuesta es sí.
    En la Oficina Española de Patentes y Marcas está registrado un invento llamado “Panel Solar Híbrido”, dicho invento es un panel que integra la energía solar fotovoltaica y Térmica en un único Panel Solar.
    En el Panel Solar Híbrido, utilizado en edificaciones,  el calor existente en las células fotovoltaicas, que era un problema, es transferido a un absorbedor de temperatura  integrado en su parte posterior, el serpentín o similar del absorbedor es recorrido por  un fluido calor-portante. Dicho fluido llega al intercambiador de calor  del acumulador de agua caliente,  donde cede su energía solar térmica para ser usada en A.C.S. u otros usos. Con este sistema conseguimos aumentar la producción de electricidad un 15% y reducir el espacio necesario para instalar ambos sistemas, ya que obtenemos una  cogeneración,  mediante la cual se obtiene simultáneamente energía eléctrica y energía solar térmica útil.
    El Panel Solar Híbrido usado en Huertas Solares funciona de una forma similar, pero se sustituye el acumulador de agua por un sistema de refrigeración basado en radiadores que enfrían el fluido calor-portante por convección de aire. De esta forma el Panel Solar Híbrido se usa como un Panel Solar Fotovoltaico Refrigerado, concentrando su función en la producción de electricidad.
    La vida útil de la instalación es más prolongada debido a que la temperatura de trabajo de los Paneles es más baja.

    Introducción a los Paneles solares hibridos
    El presente proyecto de investigación persigue dos objetivos fundamentales relacionados con la mejora de la eficiencia energética de los paneles solares fotovoltaicos. Por una parte incrementar la eficiencia fotovoltaica y al mismo tiempo y en el mismo espacio obtener A.C.S.
    El sistema desarrollado consta principalmente de un absorbedor formado por una pletina de cobre, aluminio o cualquier otro material con buena conductividad térmica sobre la cual se ha soldado un serpentín o sistema similar, para formar todo ello un absorbedor de calor refrigerado por un líquido calor-portante. Este absorbedor estará adosado a la parte posterior de un panel fotovoltaico, con el fin de disminuir la temperatura en sus células, en los diodos de protección y bypass que forman el panel. 
    Con todo ello se pretende conseguir un incremento notable en la eficiencia de los paneles solares, que se prevé sea superior al 15% sobre la potencia de pico suministrada por el panel F.V.   Este incremento de potencia es muy significativo, ya que la eficiencia conseguida en los paneles que se comercializan actualmente está situada entre el 15% y el 25%.                        
    Este sistema desarrollado refrigera las células solares incrementando notablemente la eficiencia en la producción de energía eléctrica. El calor absorbido del panel es conducido a un acumulador de agua caliente, para utilizarlo en un sistema de A.C.S., calefacción, etc.…
    De todos es conocida la estrecha relación que existe entre la temperatura y cualquier sistema basado en la electricidad; pero, ¿realmente le damos la importancia que tiene? Los Transformadores de alta tensión indican en su placa de características que se ha de reducir la potencia en un tanto % a partir de cierta temperatura, los motores eléctricos disminuyen su eficiencia cuando se calientan, las baterías para almacenamiento de electricidad, las células fotovoltaicas, los alternadores de las grandes centrales productoras de electricidad; todo lo que tiene relación con la electricidad está sometido a los efectos negativos del incremento de la temperatura. En valores porcentuales la perdida de potencia de un sistema eléctrico es algo considerable, pero si adoptamos una visión más amplia y lo vemos a nivel global, podremos intuir la perdida de muchos gigavatios por efectos de la temperatura.
    Lo mencionado anteriormente, es algo que la física conoce, pero en tiempos de abundancia energética, se desprecia. Entramos en nuevos tiempos en los cuales el problema energético se agudizará. Si somos responsables, si nos preocupa el futuro del planeta, de nuestros hijos y sus descendientes; deberíamos empezar a pensar en como exprimir cada vatio de potencia en cualquier sistema productor o consumidor de energía, mejorando la eficiencia de los mismos y tomando una actitud responsable de su consumo.
    La mayor parte de estos problemas se solventaran cuando lleguen los superconductores a temperatura ambiente, pero mientras esto no acontezca pensemos…
    1.1.- Planteamiento del problema:   
    El rendimiento de las células fotovoltaicas que se comercializan en la actualidad está comprendido entre un 15% y un 25%, es decir, que sólo una pequeña parte de la energía lumínica se aprovecha realmente en forma de energía eléctrica. Este rendimiento es menor cuanto más alta es la temperatura.
     El aumento de temperatura en las células supone un incremento en la corriente, pero al mismo tiempo una disminución mucho mayor, en proporción, de la tensión. El efecto global es que la potencia del panel solar disminuye al aumentar la temperatura de trabajo del mismo. Una radiación de 1.000 W/m2 es capaz de calentar un panel al menos 30 grados por encima de la temperatura del aire circundante, lo que reduce la tensión en 2 mV/ (célula*grado) * 36 células * 30 grados = 2,16 Voltios y por tanto la potencia en un 15%.
    Por otra parte, actualmente para instalar energía solar fotovoltaica y térmica, requiere dos instalaciones completamente independientes en el lugar de captación que habitualmente será en la cubierta de los edificios; esto implica tener que disponer de más superficie para realizar ambas instalaciones.  El Instituto para la Diversificación y
    Ahorro de Energía calcula que por cada vivienda (cuatro personas, 100 m2) hacen falta uno o dos metros cuadrados de paneles.
    El impacto medioambiental y visual, aunque pequeño, también es un dato a tener en cuenta, ya que si vemos una instalación aislada, no es significativo, pero si lo vemos desde un punto de vista más generalizado, podría recordarnos los bosques de antenas que veíamos en los tejados no hace mucho tiempo, hasta la entrada en vigor de la ley sobre las Infraestructuras Comunes de Telecomunicaciones, (I.C.T.).
    El presente proyecto pretende aportar alguna solución viable a los problemas planteados.
    1.2. Justificación
    Después de haber visto la relación directa entre temperatura y eficiencia energética de los paneles solares se ha indagado en Internet, libros, revistas especializadas, bases de datos en oficinas de patentes, y se ha comentado el problema con profesionales del sector, no encontrando ninguna solución técnica que solvente el problema de la temperatura en los paneles fotovoltaicos, que por otra parte es inherente a la propia energía solar.
    Si bien es cierto que en las instalaciones fotovoltaicas es recomendable situar los paneles en lugares bien ventilados, para paliar los efectos negativos de la temperatura sobre las células fotovoltaicas, también es cierto que se está desaprovechando la energía en forma de calor que existe en las mismas.
                                                                     
    Por otra parte la idea de integrar energía solar fotovoltaica y térmica en un mismo panel es un concepto novedoso, y que merece la pena investigar, ya que conllevaría las siguientes ventajas: 
      • Menos superficie necesaria para instalar energía fotovoltaica y térmica.
      • Menos residuos alcanzado el fin de la vida útil de la instalación.
      • Incremento de al menos un 15% en la producción de electricidad.
      • Obtención de agua caliente para usos sanitarios, calefacción, etc.…
      • Prolongación de la vida útil de los paneles solares.
      • Reducción de la radiación solar reflejada.  
    Paneles solares hibridos, objetivos
    Los objetivos que se pretenden alcanzar son los siguientes:
    1. Aumentar el rendimiento de un panel solar fotovoltaico en un 15%
    2. Obtener A.C.S. a partir del calor absorbido del panel fotovoltaico.
    3. Reducir la superficie necesaria para obtener electricidad y   A.C.S simultáneamente.
    4. Aprovechar al máximo la radiación solar por metro cuadrado.
    5. Incrementar la vida útil de las instalaciones fotovoltaicas
    (a) El aumento de la eficiencia se deberá a la reducción del       factor de degradación por efectos de la temperatura sobre las células fotovoltaicas. (Se mejora la zona de transición para la curva I-V)
    (b) El calor extraído de las células será transferido al absorbedor que será el generador A.C.S.
    (c) Al ser el mismo captador se reducirá a la mitad la superficie necesaria.
    (d) Se producirá una cogeneración aprovechando la energía en forma de electricidad y calor.
    (e) Los semiconductores que forman las células operarán a temperaturas más bajas y por lo tanto más idóneas, debido a las propiedades intrínsecas del silicio.
    Sistema de hipótesis.
    En este apartado se mostrarán algunas posibles variantes al modelo estudiado.
     Sería ideal fabricar paneles fotovoltaicos con el absorbedor integrado, montando directamente las células fotovoltaicas, sobre la superficie del propio absorbedor, disminuyendo de esta forma las perdidas en la transferencia de calor al mismo. También sería ideal montar dichos paneles en una carcasa, similar al utilizado actualmente para la energía solar térmica, con esto se conseguiría un incremento de la temperatura en el panel por el efecto invernadero generado en su interior; obteniendo más temperatura en el liquido refrigerante, y por lo tanto mayor eficiencia en el sistema térmico. Un automatismo de bajo coste basado en microcontroladores programables (PIC), supervisaría constantemente la temperatura de las células, controlando la circulación de líquido calor-portante a través del intercambiador situado en el acumulador de calor o desviándolo al radiador refrigerado por aire, cuando la temperatura en el acumulador se igualase con la existente en las células.
    Paneles solares hibridos 
    Huertas solares
    El Panel Solar Híbrido sería de gran utilidad en Huertas Solares, donde todos los absorbedores de los paneles fotovoltaicos estarían conectados térmicamente en paralelo mediante tuberías. Dichas tuberías transportan el fluido calor-portante que recorre todo el circuito y cederá el calor absorbido en un radiador refrigerado por convección de aire o ventilación forzada.  El radiador o radiadores pueden estar instalados horizontalmente con un tubo a modo de chimenea, con sección adecuada con el fin de reforzar la convección de aire. También puede ser interesante una combinación de posición horizontal y vertical.
    Una Huerta con una producción de 900 KW/h más un 15% de mejora en eficiencia (135 Kw/h.), el total sería 1.035 KW/h.
    Si la Huerta Solar está en las inmediaciones de un río, lago, o cualquier otra masa de agua fría, sería muy interesante bombear agua en el circuito de refrigeración, eliminando el radiador, consiguiendo una temperatura media en las células por debajo de 25ºC, con lo cual el aumento de eficiencia sería notablemente mayor.
    paneles solares hibridos
    Un sistema más económico sería adosarle un radiador de aluminio con aletas de refrigeración al Panel FV, el propio aire circundante disminuiría la temperatura en las células. Como en el caso anterior, no se aprovecharía la potencia térmica.
    paneles solares hibridos
    Limitaciones
    Investigar todas las variantes propuestas en el sistema de hipótesis, es lo recomendable, y aunque la lógica lleva a pensar que son factibles, el autor de este proyecto ha decidido probar experimentalmente el propuesto en la figura Nº 4, y el descrito en el apartado Nº 3.3 “Construcción del prototipo”.Las principales razones para ello son la falta de recursos técnicos y financieros para llevar a cabo una investigación seria de todos las variantes posibles.
    El objetivo que persigue el incremento de la vida útil de las instalaciones fotovoltaicas, no se podrá constatar, ya que serían necesarios varios años para poder evaluar este punto. No obstante, todos sabemos que los semiconductores tienen una temperatura de trabajo idónea, que suele estar entorno a los 25ºC. El hecho de rebajar la temperatura de trabajo de las células, nos hace creer que este objetivo sería alcanzado, debido a las características intrínsecas de los materiales semiconductores. 
    Para la medición de la radiación solar se ha pedido un sensor       LI-200 de la marca LI-COR, procedente de Nebraska, USA. No habiéndose recibido a tiempo para realizar la medida de radiación para efectuar las pruebas del experimento. No obstante las pruebas fueron realizadas en el mes de julio, con el cielo completamente despejado, buena visibilidad y a mediodía, por lo que se prevé que los valores de dicha radiación deben estar en torno a los valores supuestos.
    Viabilidad
    Dado que la eficiencia energética de los paneles solares fotovoltaicos se puede considerar en un 19%, como media; el autor de este proyecto cree muy viable el desarrollo de este tipo de tecnología, ya que al 19% de eficiencia existente habría que sumar un mínimo de un 15% de ganancia en producción eléctrica, que se debería principalmente como consecuencia de reducir la degradación por efectos de la temperatura en las células. A todo ello habría que sumar también al menos un 30% de energía captada de forma térmica, con lo cual el resultante obtenido es muy superior al conseguido actualmente.
    Los costes de producción serian inferiores, ya que en un mismo componente estarían situados todos los captadores.
    A la hora de realizar las instalaciones serían necesarios menos soportes y puntos de anclaje.
    Paneles solares hibridos, la teoria
    Semiconductores

    Un semiconductor es un componente que no es directamente un conductor de corriente, pero tampoco es un aislante. En un conductor la corriente es debida al movimiento de las cargas negativas (electrones). En los semiconductores se producen corrientes producidas tanto por el movimiento de electrones como de las cargas positivas (huecos). Los semiconductores son aquellos elementos pertenecientes al grupo IV de la Tabla Periódica (Silicio, Germanio, etc.). Generalmente a estos se le introducen átomos de otros elementos, denominados impurezas, de forma que la corriente se deba primordialmente a los electrones o a los huecos, dependiendo de la impureza introducida. Otra característica que los diferencia se refiere a su resistividad, estando ésta comprendida entre la de los metales y los aislantes.
    Efecto de la temperatura sobre los materiales.
    La resistencia de un conductor metálico aumenta al aumentar la temperatura. Dicho aumento depende de la elevación de la temperatura y del coeficiente térmico de resistividad alfa (formula paneles solares hibridos), el cual se define como el cambio de resistividad por grado centígrado de variación. Los semiconductores tienen un coeficiente de temperatura negativo, mientras que muchos metales se tornan superconductores a pocos grados por encima del cero absoluto.
    La temperatura de trabajo (Tt) que alcanza un panel fotovoltaico
    obedece una relación lineal dada por la expresión:
                    
     Tt=Ta+K.R
    • Tt: Temperatura de trabajo
    • Ta: Máxima temperatura ambiente
    • R: radiación solar en mW/cm2 (varía entre 80 y 100 mW/cm2).
    • K: coeficiente que varía entre 0,2 y 0,4 ºC.cm2/mW dependiendo         de la velocidad promedio del viento. Cuando ésta es muy baja, o inexistente, el enfriamiento del panel solar es pobre o nulo y K toma
    valores cercanos o iguales al máximo (0,4). Si la velocidad del viento produce un enfriamiento efectivo del panel, el valor de K será el mínimo (0,2).
    K.R: Representa el incremento de temperatura que sufre panel sobre la máxima temperatura ambiente.
    Para calcular la Potencia de salida a la temperatura de trabajo
    (Pt) que alcanza un panel fotovoltaico, el primer paso es calcular la
    Temperatura de trabajo y luego se determina el incremento en
    la temperatura respecto a la de prueba (25 ºC).
    La expresión aproximada para el cálculo es:
         Pt= Pp δ.Dt
    • Pt: Potencia de salida a la temperatura de trabajo.
    • Pp: Potencia pico del panel (25 ºC).
    • δ: Coeficiente de degradación (0,6 % / ºC)
    • Dt: Incremento de temperatura sobre los 25 ºC (Tt – 25ºC)
    El personal técnico de la revista “HOME POWER” ha llevado a cabo una serie de evaluaciones, usando paneles solares con células de diferentes tipos, a temperaturas de trabajo no inferiores a los 50°C. Los resultados de estas pruebas han sido publicados en tres de sus números: el 24 (Págs. 26-30) y el 33 (Págs. 17-20) y el 49 (Págs. 28-33). La última evaluación es la más interesante por dos motivos: fue llevada a cabo después de un largo tiempo de uso de los paneles solares fotovoltaicos puestos a prueba y la temperatura de trabajo es la de verano. Ellos evaluaron nueve paneles con tres tipos diferentes de células: cristalina, policristalina y amorfa. Los resultados muestran que la mayoría de los paneles, independientemente del tipo de célula, ofrecen un coeficiente de degradación que oscila entre 0,7 y 0,86%.
    Tecnología Fotovoltaica
    La célula fotovoltaica
     El fenómeno fotovoltaico fue descubierto en 1839 por el científico francés, Henri Becquerel. Las primeras celdas solares de selenio fueron desarrolladas en 1880, sin embargo, no fue sino hasta 1950 que se desarrollaron las celdas de silicio monocristalino que actualmente dominan la industria fotovoltaica. Las primeras celdas de este tipo tenían una eficiencia de conversión de solo 1%; ya para 1954 se había logrado incrementar la eficiencia al 6% en condiciones normales de operación, mientras en el laboratorio se lograron eficiencias cercanas a 15%. Desde entonces hasta nuestros días la eficiencia en las células no ha mejorado notablemente.
    La producción eléctrica está basada en el fenómeno físico denominado "efecto fotovoltaico", que básicamente consiste en convertir la luz solar en energía eléctrica por medio de unos dispositivos semiconductores denominados células fotovoltaicas. Estas células están elaboradas a base de silicio puro (uno de los elementos más abundantes en la naturaleza, componente principal de la arena) con adición de impurezas de ciertos elementos químicos (boro y fósforo), y son capaces de generar cada de ellas una corriente de 2 a 4 Amperios, a un voltaje de 0,46 a 0,48 Voltios, utilizando como fuente de energía la radiación luminosa. Las células se montan en serie sobre paneles o módulos solares para conseguir un voltaje adecuado. Parte de la radiación incidente se pierde por reflexión (rebota) y otra parte por transmisión (atraviesa la célula).
    El resto es capaz de hacer saltar electrones de una capa a la otra creando una corriente proporcional a la radiación incidente. La capa antirreflejo aumenta la eficacia de la célula.
    Generalmente, una célula fotovoltaica tiene un grosor que varía entre los 0,25 y los 0,35 mm y una forma generalmente cuadrada, con una superficie aproximadamente igual a 100 mm2.
    Los materiales para la fabricación de los paneles solares son:
    -Silicio Monocristalino: de rendimiento energético hasta 15 - 17%
    -Silicio Poli-cristalino: de rendimiento energético hasta 12 - 14 %
    - Silicio Amorfo: con rendimiento energético menor del 10 %;
    - Otros materiales: Arseniuro de galio, diseleniuro de indio y cobre, telurio de cadmio.
    Actualmente, el material más utilizado es el silicio monocristalino que tiene prestaciones y duración en el tiempo superiores a cualquier otro material utilizado para el mismo fin.

    Paneles solares hibridos, diseño
    Datos de partida:
    Se utilizarán dos paneles solares gemelos con las mismas características eléctricas y mecánicas, uno es el utilizado en el prototipo del proyecto y otro es para poder observar y valorar las diferencias entre ambos en distintas condiciones, (refrigerado o no)
        Dimensiones del panel: 300x220mm.
        Potencia de Panel: 6w.
        Tensión Voc: 22 vdc.
        Corriente Isc: 500 mA.
        Temperatura ambiente: 25ºC.
        Radiación solar: ~ 97mW/cm²
       Velocidad del viento: 0 m/s
        Diámetro del tubo del serpentín absorbedor: 6 mm.
        Medidas de la pletina del absorbedor: 285x210x5 mm.
     Descripción del funcionamiento:
    La instalación en el interior del edificio es similar a las que se pueden encontrar actualmente en el mercado. La única variante reside en el captador, que en este caso es el mismo para el sistema de paneles fotovoltaicos y para el sistema térmico. El absorbedor está integrado en el propio panel fotovoltaico, recorrido por un líquido calor-portante que cede su energía en el intercambiador de calor situado en el interior de un tanque acumulador. Este acumulador está alimentado por agua fría, y de el se extrae agua caliente para su uso sanitario, calefacción, etc. El absorbedor disminuirá notablemente la temperatura en las células del panel, incrementando su eficiencia.
    La electricidad producida en el panel es conducida a través de conductores de sección apropiada a un regulador de tensión, cuya misión, entre otras, es controlar la carga de las baterías dentro de los límites adecuados. De las baterías se obtiene la potencia para los distintos elementos consumidores de la instalación, si esta está diseñada para trabajar a bajo voltaje en corriente continua. Si los aparatos consumidores y la instalación están diseñados para trabajar en corriente alterna, será necesario intercalar un inversor DC-AC.
    Esquema general teórico

    paneles solares hibridos
    Nota: para simplificar el dibujo se han omitido los materiales aislantes de los lados y la cara posterior del panel solar. La bomba de circulación y el inversor podrían omitirse, dependiendo del tipo de instalación requerido.
    Construcción del prototipo

    Como se puede apreciar en la figura 5, en la cara posterior del panel fotovoltaico se ha instalado un absorbedor de calor, formado por una pletina de cobre a la cual se le ha soldado un serpentín formado por tubería de cobre.
    paneles solares hibridos

    Este conjunto se ha impregnado de silicona para semiconductores cuya función es la de conseguir una buena transferencia térmica entre la cara posterior del panel fotovoltaico y la pletina del absorbedor.
    paneles solares hibridos
    Todo el conjunto ha sido fijado en la cara posterior del panel en el propio soporte de las células. Cabe destacar, que aunque en el dibujo no se ha reflejado, en el prototipo construido, se han instalado aislantes térmicos en los lados interiores y en la cara posterior del panel para minimizar las pérdidas de temperatura, debidas al aire circundante, (Si se quiere aprovechar el calor).
    En la pletina de cobre que forma el absorbedor se ha instalado una sonda de temperatura tipo PT100, conectada a un controlador industrial de temperatura para verificar a lo largo de todo el proceso de ensayo la temperatura en el absorbedor.
    paneles solares hibridos

    En la entrada y salida del absorbedor se han instalado dos trozos de tubo de vinilo por donde circulará el líquido refrigerante, en los ensayos se ha utilizado agua.
    paneles solares hibridos
    En uno de los tubos se ha intercalado una pequeña bomba de circulación para el agua, tomada de un recipiente que contiene dos litros de agua. Dicho recipiente se ha aislado de la radiación solar y se encuentra a temperatura ambiente. En este recipiente se ha sumergido una sonda de temperatura tipo PT100, conectada a un controlador de temperatura para verificar el incremento de temperatura por unidad de tiempo que proporciona el absorbedor. El otro tubo que retorna del absorbedor, vierte el agua caliente directamente en el recipiente. Los tubos de entrada y salida del absorbedor también se han aislado de la radiación solar para evitar variaciones de temperatura generados fuera del absorbedor, y que podría falsear los resultados obtenidos en el experimento.
    Paneles solares hibridos, resultados
    Instrumentos de medida:
    Para realizar las mediciones de variables se han utilizado instrumentos con certificado de conformidad, los cuales han sido verificados internamente con otros instrumentos que poseen certificado de calibración, estos patrones tienen su correspondiente certificado de calibración, pudiéndose demostrar su trazabilidad con patrones del ENAC.
    Los instrumentos utilizados han sido los siguientes:
    Multímetro digital FLUKE, mod.185, Nº de serie: 8592000.
    Multímetro digital FLUKE, mod.87, Nº de serie: 58960048.
    Multímetro digital FLUKE, mod.87, Nº de serie: 68701323.
    Controlador de temperatura con sonda PT100 NAIS, mod. KT4.
    Controlador de temperatura con sonda PT100 TECNOLOGIC, mod. TDH01 FD11.
    Multímetro analógico ICE.
    Termómetro Testo, Mod.922, Nº de serie: 3080240175, con sonda de NiCr-Ni.
    Anemómetro Testo, mod. 506, Nº de serie: 30607815
    Disposición de los aparatos de medida:
    paneles solares hibridos
    Fig.5   (No se han representado los shunt  de corriente y potenciómetros)
    Medición de parámetros:
    Para realizar las medidas se han usado dos paneles fotovoltaicos idénticos. Uno de ellos es el utilizado en el prototipo, (Híbrido) y el otro está instalado al lado, como referencia y sin dispositivos de refrigeración, (Normal), con el fin de tomar medidas simultáneas sobre ambos paneles, para poder cotejar las mediciones y evidenciar experimentalmente las diferencias obtenidas.
      Para asegurar los valores y conocer la incertidumbre se han repetido tres veces el experimento, realizado tres tandas de medidas, hallando la media de los valores obtenidos para el análisis de resultados.
    La primera prueba consistió en exponer ambos paneles a la radiación solar anotando cada minuto los valores de tensión, intensidad y temperatura de las células. Todavía no se ha conectado la bomba de circulación de agua en el panel híbrido. Una vez alcanzada la temperatura máxima (64,3ºC), se le aplicó tensión a la bomba de circulación de agua del panel híbrido, anotando los valores de tensión, intensidad, temperatura de las células y temperatura del agua del recipiente, por cada grado centígrado decrementado.
    Análisis de resultados:
    A temperatura de 64,3ºC la potencia del panel de referencia (normal) se sitúa en 4,54 W, la intensidad de cortocircuito (ISC) es de 225 mA y la tensión de salida a circuito abierto (VCO) está en 20,18 Voltios.
    En el panel que hemos elegido como referencia, la caída de tensión es de aproximadamente 80 mV por cada grado incrementado. La corriente aumenta ligeramente a un ritmo de 0,7mA, por grado centígrado.
    El coeficiente de degradación en nuestro panel es de 0,65%.
    La temperatura del agua del recipiente se ha incrementando aproximadamente 0,5ºC por minuto. Al cabo de una hora la temperatura del agua en el recipiente alcanzó 54ºC.
    Al no haber renovación de agua en el recipiente, pasados 90 minutos la temperatura del agua se equilibra con la temperatura máxima, en nuestro caso 64,3ºC. Alcanzado este valor la eficiencia en el sistema fotovoltaico es similar al panel normal, sin embargo la potencia térmica está en su punto más alto.
    Temperatura de trabajo:
    Tt= 25+ (0,4x97)= 25+40= 65ºC
    Potencia de salida:
    Pt= 6- (6x0,006 x 40)= 4,56 W
    Durante el proceso de prueba la potencia eléctrica del panel de referencia alcanzada la temperatura de trabajo, permanece constante entregando la mínima potencia a 64,3ºC, mientras que el panel híbrido ha entregado un 26% más de potencia eléctrica y además ha calentado dos litros de agua a 54ºC.
    Conclusiones.
    Las conclusiones que se pueden extraer de todo lo expuesto en el presente proyecto son las siguientes:
    • Que refrigerando adecuadamente las células de un panel fotovoltaico se pueden conseguir incrementos notables en la potencia eléctrica generada por los mismos.
    • Que instalando un absorbedor de calor en el panel solar fotovoltaico, es posible obtener agua caliente, con la suficiente eficiencia para ser aprovechada en usos de A.C.S., calefacción, etc.…
    • Que es posible reducir el espacio necesario para instalar energía solar fotovoltaica y térmica.
    • Que es posible reducir los materiales necesarios para construir los captadores solares y por lo tanto reducir los efectos medioambientales negativos.
    El presente proyecto ha buscado principalmente indagar nuevos métodos que incrementen la eficiencia energética solar, ya que como se ha mencionado, actualmente es tan baja, que en muchas ocasiones no es rentable su aplicación.
    Con los datos obtenidos se llega a la conclusión, ya conocida por los expertos en la materia, la temperatura en las células fotovoltaicas juega un papel muy importante en detrimento de la eficiencia de las mismas.  Por está razón creo que es esencial buscar nuevos enfoques que permitan potenciar su eficacia, y por ende el consumo de este tipo de energía, limpia, respetuosa y amigable con el medio ambiente. Si lo conseguimos, las generaciones venideras nos lo agradecerán.
    Referencias
    CIEMAT: Fundamentos, dimensionado y aplicaciones de la energía solar fotovoltaica. (1999).
    KNOPF: Hannes. Analysis, Simulation, and Evaluation of Maximum Power Point Tracking (MPPT) Methods for a solar Powered Vehicle. Portland State University. (1999).
    IDAE: Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía.
    ECODES: Fundación Ecología y Desarrollo.
    ERA SOLAR: Revista especializada en energía solar.
    EREN: Ente Público Regional de la Energía de Castilla y León.
    EUROSOLAR: Asociación Europea para las Energías Renovables
    UNE EN ISO 10456: 2001 “Materiales y productos para la edificación. Procedimientos para la determinación de los valores térmicos declarados y de diseño”.
    MINISTERIO DE VIVIENDA: Código Técnico de la Edificación.
    HOME POWER: Revista de energías renovables
    El presente trabajo es obra de Luis López López
    Para ampliar información puede visitar la web http://panelsolarhibrido.es o por email luis@panelsolarhibrido.es

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