Plantas de Energía Solar: Tipos Componentes y Principios de Funcionamiento

Las plantas de energía solar son sistemas que utilizan la energía solar para generar electricidad. Se pueden clasificar en dos tipos principales: plantas fotovoltaicas (PV) y plantas de energía solar concentrada (CSP). Las plantas fotovoltaicas convierten directamente la luz solar en electricidad utilizando células solares, mientras que las plantas de energía solar concentrada utilizan espejos o lentes para concentrar la luz solar y calentar un fluido que impulsa una turbina o motor. En este artículo, explicaremos los componentes, la disposición y el funcionamiento de ambos tipos de plantas de energía solar, así como sus ventajas y desventajas.

¿Qué es una planta fotovoltaica?

Una planta fotovoltaica es un sistema PV a gran escala que está conectado a la red y está diseñado para producir electricidad a partir de la radiación solar. Una planta fotovoltaica consta de varios componentes, tales como:

• Módulos solares: Estos son las unidades básicas de un sistema PV. Están compuestos por células solares que convierten la luz en electricidad. Las células solares suelen estar hechas de silicio, que es un material semiconductor que puede absorber fotones y liberar electrones. Los electrones fluyen a través del circuito y crean una corriente eléctrica. Los módulos solares se pueden organizar en diferentes configuraciones, como serie, paralelo o serie-paralelo, dependiendo de los requisitos de voltaje y corriente del sistema.

• Estructuras de montaje: Estos son los marcos o racks que soportan y orientan los módulos solares. Pueden ser fijos o ajustables, dependiendo de la ubicación y el clima del sitio. Las estructuras de montaje fijas son más baratas y simples, pero no siguen el movimiento del sol y pueden reducir la salida del sistema. Las estructuras de montaje ajustables pueden inclinar o rotar los módulos solares para seguir la posición del sol y optimizar la producción de energía. Pueden ser manuales o automáticas, dependiendo del grado de control y precisión necesarios.

• Inversores: Son dispositivos que convierten la corriente continua (CC) producida por los módulos solares en corriente alterna (CA) que puede ser alimentada a la red o usada por cargas CA.

  

• Los inversores se pueden clasificar en dos tipos: inversores centrales e inversores micro. Los inversores centrales son unidades grandes que conectan varios módulos solares o matrices y proporcionan una única salida de CA. Los inversores micro son unidades pequeñas que se conectan a cada módulo solar o panel y proporcionan salidas de CA individuales. Los inversores centrales son más rentables y eficientes para sistemas a gran escala, mientras que los inversores micro son más flexibles y confiables para sistemas a pequeña escala.

• Controladores de carga: Son dispositivos que regulan el voltaje y la corriente de los módulos solares o matrices para evitar la sobrecarga o la descarga excesiva de las baterías. Los controladores de carga se pueden clasificar en dos tipos: controladores de modulación de ancho de pulso (PWM) y controladores de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT). Los controladores PWM son más sencillos y baratos, pero desperdician algo de energía al encender y apagar la corriente de carga. Los controladores MPPT son más complejos y caros, pero optimizan la salida de energía ajustando el voltaje y la corriente para coincidir con el punto de máxima potencia de los módulos solares o matrices.

• Baterías: Son dispositivos que almacenan la electricidad excedente generada por los módulos solares o matrices para su uso posterior cuando no hay luz solar o cuando la red está caída. Las baterías se pueden clasificar en dos tipos: baterías de plomo-ácido y baterías de iones de litio. Las baterías de plomo-ácido son más baratas y ampliamente utilizadas, pero tienen una densidad de energía menor, una vida útil más corta y requieren más mantenimiento. Las baterías de iones de litio son más caras y menos comunes, pero tienen una mayor densidad de energía, una vida útil más larga y requieren menos mantenimiento.

• Interruptores: Son dispositivos que conectan o desconectan diferentes partes del sistema, como módulos solares, inversores, baterías, cargas o redes. Los interruptores pueden ser manuales o automáticos, dependiendo del nivel de seguridad y control necesario. Los interruptores manuales requieren intervención humana para operarlos, mientras que los interruptores automáticos operan basándose en condiciones o señales predefinidas.

• Medidores: Son dispositivos que miden y muestran varios parámetros del sistema, como voltaje, corriente, potencia, energía, temperatura o irradiación. Los medidores pueden ser analógicos o digitales, dependiendo del tipo de pantalla y la precisión necesaria. Los medidores analógicos utilizan agujas o diales para mostrar valores, mientras que los medidores digitales utilizan números o gráficos para mostrar valores.

• Cables: Son cables que transmiten electricidad entre diferentes componentes del sistema. Los cables se pueden clasificar en dos tipos: cables CC y cables CA. Los cables CC transportan corriente continua desde los módulos solares hasta los inversores o baterías, mientras que los cables CA transportan corriente alterna desde los inversores hasta la red o las cargas.

La disposición de una planta fotovoltaica depende de varios factores, como las condiciones del sitio, el tamaño del sistema, los objetivos de diseño y los requisitos de la red. Sin embargo, una disposición típica consta de tres partes principales: parte de generación, parte de transmisión y parte de distribución.

La parte de generación incluye módulos solares, estructuras de montaje e inversores que producen electricidad a partir de la luz solar.

La parte de transmisión incluye los cables, interruptores y medidores que transmiten electricidad desde la parte de generación hasta la parte de distribución.

La parte de distribución incluye las baterías, controladores de carga y cargas que almacenan o consumen electricidad.

El siguiente diagrama muestra un ejemplo de la disposición de una planta fotovoltaica:

El funcionamiento de una planta fotovoltaica depende de varios factores, como las condiciones meteorológicas, la demanda de carga y el estado de la red. Sin embargo, un funcionamiento típico consta de tres modos principales: modo de carga, modo de descarga y modo de conexión a la red.

El modo de carga ocurre cuando hay exceso de luz solar y baja demanda de carga. En este modo, los módulos solares generan más electricidad de la necesitada por las cargas. La electricidad excedente se usa para cargar las baterías a través de los controladores de carga.

El modo de descarga ocurre cuando no hay luz solar o hay alta demanda de carga. En este modo, los módulos solares generan menos electricidad de la necesitada por las cargas. La electricidad deficitaria es suministrada por las baterías a través de los inversores.

El modo de conexión a la red ocurre cuando hay disponibilidad de red y tarifas favorables. En este modo, los módulos solares generan electricidad que puede ser alimentada a la red a través de los inversores.

El modo de conexión a la red también puede ocurrir cuando hay un corte de la red y se necesita energía de respaldo. En este modo, los módulos solares generan electricidad que puede ser utilizada por las cargas a través de los inversores.

¿Qué es una planta de energía solar concentrada?

Una planta de energía solar concentrada es un sistema CSP a gran escala que utiliza espejos o lentes para concentrar la luz solar en un receptor que calienta un fluido que impulsa una turbina o motor para generar electricidad. Una planta de energía solar concentrada consta de varios componentes, tales como:

• Colectores: Son dispositivos que reflejan o refractan la luz solar hacia un receptor. Los colectores se pueden clasificar en cuatro tipos: canal parabólico, plato parabólico, reflector Fresnel lineal y receptor central. Los canales parabólicos son espejos curvos que enfocan la luz solar en un tubo receptor lineal que corre a lo largo de su línea focal. Los platos parabólicos son espejos cóncavos que enfocan la luz solar en un receptor puntual en su punto focal. Los reflectores Fresnel lineales son espejos planos que reflejan la luz solar en un tubo receptor lineal por encima de ellos. Los receptores centrales son torres rodeadas de un conjunto de espejos planos llamados helióstatos que reflejan la luz solar en un receptor puntual en su parte superior.

• Receptores: Son dispositivos que absorben la luz solar concentrada y la transfieren a un fluido de transferencia de calor (HTF). Los receptores se pueden clasificar en dos tipos: receptores externos y receptores internos. Los receptores externos están expuestos a la atmósfera y tienen pérdidas de calor elevadas debido a la convección y la radiación. Los receptores internos están encerrados en una cámara de vacío y tienen pérdidas de calor bajas debido al aislamiento y la evacuación.

• Fluidos de transferencia de calor: Son fluidos que circulan a través de los receptores y transportan calor desde los colectores hasta el bloque de potencia. Los fluidos de transferencia de calor se pueden clasificar en dos tipos: fluidos térmicos y sales fundidas. Los fluidos térmicos son líquidos orgánicos como aceites sintéticos o hidrocarburos que tienen puntos de ebullición altos y puntos de congelación bajos. Las sales fundidas son compuestos inorgánicos como nitrato de sodio o nitrato de potasio que tienen una capacidad de calor alta y una presión de vapor baja.

• Bloque de potencia: Es donde se genera electricidad a partir de calor utilizando una turbina o motor acoplado a un generador. El bloque de potencia se puede clasificar en dos tipos: ciclo de vapor y ciclo Brayton. El ciclo de vapor utiliza agua como HTF y produce vapor que impulsa una turbina de vapor conectada a un generador eléctrico. El ciclo Brayton utiliza aire como HTF y produce aire caliente que impulsa una turbina de gas conectada a un generador eléctrico.

• Sistema de almacenamiento: Es donde se almacena el calor excedente para su uso posterior cuando no hay luz solar o cuando hay alta demanda de carga. Los sistemas de almacenamiento se pueden clasificar en dos tipos: almacenamiento de calor sensible y almacenamiento de calor latente. El almacenamiento de calor sensible utiliza materiales como rocas, agua o sales fundidas que almacenan calor aumentando su temperatura sin cambiar su fase. El almacenamiento de calor latente utiliza materiales como materiales de cambio de fase (PCMs) o materiales termoquímicos (TCMs) que almacenan calor cambiando su fase o estado químico sin cambiar su temperatura.

La disposición de una planta de energía solar concentrada depende de varios factores, como las condiciones del sitio, el tamaño del sistema, los objetivos de diseño y los requisitos de la red. Sin embargo, una disposición típica consta de tres partes principales: campo de recolección, bloque de potencia y sistema de almacenamiento.

El campo de recolección incluye los colectores, receptores y HTFs que recogen y transportan calor de la luz solar.

El bloque de potencia incluye las turbinas, motores,

generadores y otros equipos que convierten el calor en electricidad.

El sistema de almacenamiento incluye tanques, recipientes y otros dispositivos que almacenan calor para su uso posterior.

El funcionamiento de una planta de energía solar concentrada depende de varios factores, como las condiciones meteorológicas, la demanda de carga y el estado de la red. Sin embargo, un funcionamiento típico consta de tres modos principales: modo de carga, modo de descarga y modo de conexión a la red.