Composición y Principio de Funcionamiento de los Sistemas de Generación de Energía Fotovoltaica (PV)
Un sistema de generación de energía fotovoltaica (PV) se compone principalmente de módulos PV, un controlador, un inversor, baterías y otros accesorios (las baterías no son necesarias para los sistemas conectados a la red). Según si dependen o no de la red eléctrica pública, los sistemas PV se dividen en tipos autónomos y conectados a la red. Los sistemas autónomos operan de manera independiente sin depender de la red eléctrica. Están equipados con baterías de almacenamiento de energía para garantizar un suministro de energía estable, capaces de proporcionar electricidad a las cargas durante la noche o días prolongados de nubosidad/lluvia cuando la generación solar es insuficiente.
Independientemente del tipo de sistema, el principio de funcionamiento es el mismo: los módulos PV convierten la luz solar en electricidad de corriente directa (DC), que luego es convertida en corriente alterna (AC) por un inversor, permitiendo el consumo de energía o la conexión a la red.
1. Módulos Fotovoltaicos (PV)
Los módulos PV son el componente central de todo el sistema de generación de energía. Se fabrican combinando células fotovoltaicas individuales, que se cortan en diferentes tamaños utilizando máquinas de corte láser o alambre. Dado que el voltaje y la corriente de salida de una sola célula solar son muy bajos, se conectan varias células en serie para lograr un voltaje más alto, y luego en paralelo para aumentar la corriente. El ensamblaje incluye un diodo de bloqueo (para prevenir el flujo de corriente inversa) y se encapsula dentro de un marco hecho de acero inoxidable, aluminio o materiales no metálicos. Está sellado con vidrio templado en la parte frontal, una hoja trasera en la parte posterior, lleno de gas nitrógeno y herméticamente sellado. Varios módulos PV conectados en serie y paralelo forman un arreglo PV (también conocido como un arreglo solar).
Principio de funcionamiento: Cuando la luz solar golpea la unión p-n de semiconductores de una célula solar, se generan pares electrón-agujero. Bajo la influencia del campo eléctrico en la unión p-n, los huecos se mueven hacia la región p y los electrones hacia la región n. Cuando se cierra el circuito, fluye la corriente. La función principal de los módulos PV es convertir la energía solar en energía eléctrica, ya sea almacenándola en baterías o alimentando directamente las cargas eléctricas.
Tipos de Módulos PV:
Silicio Monocristalino: Eficiencia ≈ 18%, hasta 24% — la más alta entre todos los tipos de PV. Generalmente encapsulados con vidrio templado y resina impermeable, lo que los hace duraderos y de larga vida (lifespan up to 25 years).
Silicio Policristalino: Eficiencia ≈ 14%. Proceso de fabricación similar al monocristalino, pero con menor eficiencia, menor costo y vida útil más corta. Sin embargo, es más simple de producir, consume menos energía y tiene costos de producción más bajos, lo que lleva a su amplia adopción.
Silicio Amorfo (Película Delgada): Eficiencia ≈ 10%. Fabricado utilizando un proceso de película delgada completamente diferente, requiere mínima cantidad de silicio y energía. Su principal ventaja es un mejor rendimiento bajo condiciones de baja luminosidad.
2. Controlador (Usado en Sistemas Autónomos)
El controlador de carga solar es un dispositivo automático que previene la sobrecarga y descarga excesiva de las baterías. Equipado con un microprocesador CPU de alta velocidad y un convertidor A/D de alta precisión, funciona como un sistema de adquisición y control de monitoreo basado en microcomputadora. Puede recopilar rápidamente datos operativos en tiempo real, monitorear el estado del sistema y almacenar datos históricos, proporcionando información precisa y suficiente para evaluar el diseño del sistema y la confiabilidad de los componentes. También admite comunicación en serie para la gestión centralizada y control remoto de múltiples subestaciones PV.
3. Inversor
Un inversor convierte la electricidad de corriente directa (DC) generada por los paneles solares en electricidad de corriente alterna (AC), haciéndola compatible con electrodomésticos estándar de CA. El inversor PV es un componente clave del sistema balance of system (BOS) e incluye características especiales como el seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) y la protección contra islas.
Tipos de Inversores Solares:
Inversor Autónomo: Usado en sistemas autónomos. El arreglo PV carga la batería, y el inversor extrae la energía DC de la batería para alimentar las cargas AC. Muchos inversores autónomos incluyen cargadores de batería integrados que pueden recargar la batería utilizando energía AC. Estos inversores no están conectados a la red y no requieren protección contra islas.
Inversor Conectado a la Red: Alimenta energía AC de vuelta a la red eléctrica. Su onda de salida debe coincidir con la fase, frecuencia y voltaje de la red. Se apaga automáticamente si la red se desconecta por seguridad. No proporciona energía de respaldo durante un corte de la red.
Inversor de Respaldo de Batería: Un inversor especial que utiliza baterías como fuente de energía primaria e incluye un cargador para recargarlas. La energía excedente puede ser alimentada de vuelta a la red. Durante un corte de la red, puede suministrar energía AC a circuitos designados, y por lo tanto, incluye protección contra islas.
4. Batería (No Requerida en Sistemas Conectados a la Red)
La batería es la unidad de almacenamiento de energía en un sistema PV. Los tipos comunes incluyen baterías de plomo ácido selladas, de plomo ácido inundadas, gel y alcalinas de níquel-cadmio. Las baterías de plomo ácido selladas y gel son las más ampliamente utilizadas.
Principio de funcionamiento: Durante el día, la luz solar incide en los módulos PV, generando un voltaje DC y convirtiendo la luz en electricidad. Esta energía se envía al controlador, que evita la sobrecarga, y luego se almacena en la batería para su uso posterior cuando sea necesario.
