¿Qué son y cómo funcionan los sistemas de placas solares?

Hasta no hace mucho tiempo, los paneles solares pertenecían a las imágenes de ciencia ficción de futuros lejanos. Sin embargo, debido a los retos que nos ofrece el calentamiento climático y la necesaria transición energética, los sistemas fotovoltaicos se han vuelto una realidad cada vez más presente en nuestro paisaje cotidiano. Los paneles solares nos permiten, entre muchas otras funciones, generar energía en hogares e industrias al tiempo que reducimos nuestra huella de carbono.  

En esta entrada te explicamos qué son los paneles solares fotovoltaicos y cómo funcionan como componente de los sistemas fotovoltaicos. 

Sistema fotovoltaico

1. ¿Qué son los paneles solares?

Los paneles solares son dispositivos que aprovechan la energía del sol para generar calor o electricidad. Pueden distinguirse dos tipos ampliamente utilizados en hogares y empresas: 

  • Colectores o captadores solares: usa colectores solares para calentar agua (generalmente de uso doméstico) a partir de la energía solar térmica. 
  • Paneles solares fotovoltaicos: producen electricidad a partir de la radiación solar que incide sobre las células fotovoltaicas del panel. 
  • Paneles solares híbridoscombinan las funciones de los dos anteriores aprovechando la misma superficie para producir calor y electricidad. 

En esta entrada nos centramos en los paneles solares fotovoltaicos que son los que se usan regularmente en las instalaciones de autoconsumo solar.  

La tecnología fotovoltaica ha evolucionado a lo largo de las décadas y sigue mejorando. Su costo se ha reducido tanto que los sistemas de paneles solares son hoy una tecnología accesible y rentable por sí misma. Los paneles fotovoltaicos son además una tecnología clave en la revolución de las energías renovables que han venido a sustituir los combustibles fósiles. 

1.1. ¿Cómo funcionan los paneles solares fotovoltaicos? 

La tecnología tiene sus inicios en 1954. Los científicos de Bell Telephone descubrieron que el silicio, un elemento que se encuentra en la arena, creaba una carga eléctrica cuando estaba expuesto a la luz solar. Este descubrimiento condujo al desarrollo de células solares que capturan la energía del sol y la convierten en electricidad. 

Los paneles solares fotovoltaicos, también conocidos como placas solares o módulos solares fotovoltaicos, consisten en una serie de celdas fotovoltaicas conectadas entre sí, que son encapsuladas y enmarcadas para protegerlas de los elementos. Estas células convierten la radiación del sol en electricidad aprovechando el llamado “efecto fotovoltaico”.

Las células están compuestas por dos capas de silicio semiconductor cargadas con diferentes concentraciones de electrones que, al recibir la energía procedente de los fotones (las partículas que componen la luz del sol), se recombinan generando un campo eléctrico. La rejilla metálica, visible en la cara del panel, se encarga de recoger la corriente eléctrica y pasarla al circuito. 

Tipos de paneles

1.2. Tipos de células solares fotovoltaicas

El material más utilizado para producir los paneles es el silicio (Si) debido a su abundancia y su bajo costo. Es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre después del oxígeno y, debido a que es un material semiconductor, tiene un uso muy amplio en la industria electrónica y microelectrónica como material base de chips, transistores y células solares. 

El rendimiento de las células fotovoltaicas depende de la estructura interna de las láminas de silicio. Según su estructura se clasifican de la siguiente manera: 

  • Células de silicio amorfo: no está formada por cristales, es la más barata pero la que menores rendimientos ofrece (eficacia entre 8-10%). Se usan en dispositivos como calculadoras o relojes. 
  • Células de silicio policristalino: están formadas por varios cristales, son de un color azul no siempre uniforme y ofrecen una buena relación precio producción (eficacia entre 15-17%).
  • Silicio monocristalino: son más avanzados, formados por un solo cristal de silicio de grandes dimensiones cortado en finas láminas. Como están formados por un solo cristal, el color es azul más oscuro y homogéneo. Este tipo de células ofrecen un mejor rendimiento (eficacia entre 15-22%), pero a un costo algo más alto. 

Los paneles más comúnmente disponibles en la actualidad son paneles solares policristalinos o monocristalinos. La elección de uno u otro tipo de panel depende, sobre todo, del espacio que tengamos.

Si el espacio es reducido y necesitamos obtener más vatios en poco espacio, es más recomendable el panel monocristalino que es más eficiente. En la actualidad, con el mismo número de células, un monocristalino produce en torno a los 330 W y un policristalino unos 300 W.   

2. ¿Cómo funcionan los sistemas de paneles solares? 

Naturalmente, los paneles solares por sí mismos no sirven para nada, sino que son parte de un sistema más grande que hacen que la energía generada pueda aprovecharse.  

A lo largo del día, las células de los paneles absorben la energía de la luz solar. Los circuitos dentro de las células recolectan esa energía y la convierten en electricidad de corriente continua (CC).

La electricidad de CC pasa a través de un dispositivo llamado inversor para convertirla en electricidad de corriente alterna (CA) que es la que utilizan la mayoría de los hogares y empresas. Entonces el usuario puede usar esa electricidad en su hogar, almacenarla con una batería o enviarla a la red. 

Soluciones de autoconsumo a medida

2.1. ¿Qué componentes tiene un sistema de paneles solares?

Los sistemas solares fotovoltaicos están siempre integrados por cuatro componentes principales: 

  1. Paneles solares fotovoltaicos (placas solares)
  2. Inversores
  3. Sistema de montaje
  4. Sistemas de seguimiento del desempeño

2.2. Paneles solares fotovoltaicos

Los paneles solares fotovoltaicos son la parte del sistema que aprovecha la energía del sol y la convierten en electricidad.  

Están compuestos por celdas fotovoltaicas que se depositan en un soporte cristalino y se encapsulan en un polímero termoplástico que evita la entrada de aire y humedad. Una capa de tedlar recubre el conjunto de células encapsuladas para protegerlas de los efectos degradantes de la radiación ultravioleta. Esta capa también funciona como aislante eléctrico.

El núcleo fotovoltaico del módulo es luego sellado de modo de que permanezca hermético. Cada panel cuenta con una caja de conexiones por donde se extrae la electricidad. Finalmente, todo el conjunto se monta en un marco de aluminio que le da solidez, lo protege y permite la manipulación. 

2.3. ¿Cómo funcionan los inversores de los sistemas fotovoltaicos?  

Las células de los paneles solares recogen la energía del sol y la convierten en electricidad de corriente continua (CC). Sin embargo, la mayoría de los aparatos eléctricos en hogares y empresas utilizan corriente alterna (CA).

Los inversores son los dispositivos que transforman la electricidad de corriente continua de los paneles en electricidad de corriente alterna utilizable. En el caso del autoconsumo solar, existen dos tipos básicos de inversores: 

  •  Inversor string, en cadena o centralizado: 

Se utiliza un solo inversor para conectar todo un sistema de paneles solares a un panel eléctrico. Los inversores string suelen ser la opción de inversor menos costosa. También son una tecnología sumamente duradera por lo que, históricamente, ha sido el tipo de inversor más instalado.

Se pueden conectar varias cadenas de paneles a cada inversor, sin embargo, el inversor string capta tanta electricidad como el panel menos eficiente de una cadena. Si la producción de electricidad de uno de los paneles en una cadena cae (como puede suceder en caso de sombreado), se puede reducir temporalmente el rendimiento de toda esa cadena. Por ello, estos sistemas suelen utilizarse principalmente en tejados que no son afectados por las sombras. 

  •  Micro inversores: 

Para maximizar la producción, se instala un micro inversor en cada panel solar para que cada panel transforme la corriente continua en corriente alterna. De esta maner, si algunos de los paneles están sombreados en diferentes momentos del día o si los paneles están instalados en distintas direcciones, los microinversores minimizan los problemas de rendimiento. La producción generada por un panel no afecta al rendimiento del resto.

El costo de los micro inversores tiende a ser más alto que el costo de los inversores string. 

2.4. Optimizadores de potencia

Los optimizadores de potencia son un híbrido de sistemas de micro inversores e inversores string.  Al igual que los micro inversores, los optimizadores de energía se instalan en cada panel o en todos los paneles que pueden ser afectados por sombras. 

Sin embargo, en lugar de convertir la electricidad de corriente continua de los paneles solares en electricidad de corriente alterna, los optimizadores «acondicionan» la electricidad de corriente continua antes de enviarla a un inversor centralizado.  

Los optimizadores de potencia combinan las ventajas de los sistemas string y de micro inversores. Al igual que los micro inversores, funcionan bien cuando uno o más paneles se ven afectados por sombras o cuando los paneles están instalados en diferentes direcciones.

Los optimizadores funcionan como si fueran un puente entre las placas afectadas por sombra y las que están funcionando correctamente para no bajar la producción del string. Es verdad que los sistemas de optimización de energía tienden a costar más, pero su precio es mucho más económico que el de los sistemas de micro inversores.

Otra aventaja de los optimizdores es que requieren menos mantenimiento. 

Estructura para placas solares

2.5. Estructuras de soporte de los paneles solares

Las estructuras de soporte se utilizan para anclar los paneles solares al tejado o fijarlos al suelo y para colocar los paneles en un ángulo óptimo para la captación de los rayos del sol. 

Para obtener el mejor rendimiento, los paneles solares deben estar orientados hacia el sur y deben instalarse en un ángulo de entre 15 y 30 grados (dependiendo de ubicación, orientación y azimut).

Los paneles orientados al este o al oeste y en un ángulo de inclinación de cinco grados o más seguirán funcionando bien, pero producirán entre un 10 y un 20 por ciento menos de electricidad que los instalados en condiciones ideales. 

Hay dos tipos de soportes:  

  • soportes fijos, en los que los paneles permanecen estacionarios. Estos son los que se utilizan en las cubiertas de instalaciones de autoconsumo de hogares y empresas. 
  • Las de riel, que permiten que los paneles «sigan» el sol mientras se mueve por el cielo durante el día (soportes de riel de un solo eje) y durante el cambio de temporadas (soportes de pista de doble eje). Los soportes de riel son solamente adecuados para paneles instalados en el suelo, casi siempre, en plantas fotovoltaicas. 

 Los soportes fijos son menos costosos y la única opción si está instalando los paneles en tu tejado. Los montajes en riel tienen un costo muy superior, pero permiten aumentar la producción de electricidad de los paneles en un 30 por ciento. 

En el caso de los sistemas de autoconsumo fotovoltaico, se utilizan distintos tipos de soportes dependiendo del tipo de cubierta.  

En España la mayoría de los tejados son inclinados con teja arábica. En estos casos se usa un método de anclaje llamado “varilla roscada” en el que se hace una pequeña perforación en las tejas donde se introducen varillas que llegan hasta la base de la cubierta para poder enroscarlas y fijarlas.  

En las cubiertas planas se suele fijar la estructura metálica del soporte a bases de hormigón para asegurar que los paneles no se muevan por las fuerzas del clima. El material del que están hecho los soportes es aluminio por su equilibrio entre resistencia y ligereza. Este material resiste fuertes cambios de temperatura, corrosión y las fluctuaciones ocasionadas por estar a la intemperie. 

Monitorización de producción de energía solar

2.6. Sistemas de monitoreo de desempeño de los paneles solares

Los sistemas de monitoreo de desempeño brindan información detallada sobre el funcionamiento del sistema de paneles solares. Con un sistema de monitoreo, se puede medir, rastrear y analizar la producción de electricidad del sistema fotovoltaico por horas. 

Al monitorizar el rendimiento, es posible notar desperfectos y actuar inmediatamente en caso de necesitar realizar una reparación o un mantenimiento. 

Si bien algunos instaladores cobran más por instalar un sistema de monitoreo, el sistema aporta un valor significativo durante la vida útil de la instalación.

Los sistemas de monitoreo ayudan a identificar cualquier problema de rendimiento para garantizar la mayor producción de electricidad del sistema de paneles solares (y por lo tanto los máximos retornos financieros). También ofrece información sobre la generación de energía, para poder optimizar el uso de electricidad a los horarios de mayor generación y lograr así una mayor eficiencia y ahorro.   

Hay dos tipos de sistemas de monitoreo: 

Monitoreo en el sitio: el dispositivo de monitoreo está ubicado físicamente en la propiedad y registra la cantidad de electricidad producida. Dependiendo del tamaño del sistema, puede ser suficiente con un vatímetro o puede que se requieran varios contadores. 

Monitoreo remoto: el sistema fotovoltaico solar transmite los datos de rendimiento a un servicio de monitoreo al que puede acceder en línea o con un dispositivo móvil. Hoy en día, la mayoría de los inversores ofrecen un software propio para la monitorización que viene incluido en el costo del inversor. 

Hasta aquí la explicación de qué son los paneles solares y cómo funcionen en los sistemas fotovoltaicos de autoconsumo.  ¿Estás interesado en pasarte a la energía solar y quieres saber más?  

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