PARA PROYECTAR, INSTALAR Y MANTENER

Patricio Valdés Marín
pvaldesmarin@hotmail.com


INTRODUCCIÓN

El sistema para generar electricidad mediante paneles fotovoltaicos ha llegado a ser en la actualidad el más competitivo entre todos los sistemas autónomos para uso doméstico, abrevaderos, telecomunicaciones, antenas repetidoras, balizas, faros, riego agrícola y muchas otras aplicaciones en lugares remotos que requieren energía eléctrica en forma confiable y económica y que estén a más de cien metros de un tendido eléctrico de bajo voltaje. Ha llegado a ser la más económica a mediano plazo en comparación con los moto-generadores que consumen combustibles fósiles. Los demás sistemas adolecen de muchas limitaciones, algunas de las cuales enumeraremos a continuación.

MOTOGENERADOR

o Para una demanda de consumo variable, queda subutilizado durante gran parte del tiempo, pues debe dimensionarse para abastecer las puntas de consumo. En uso doméstico, éstas son de corta duración.
o Un equipo de 3.000 RPM tiene una vida útil de sólo 3.000 horas.
o Este equipo consume 0,8 litros de combustible por cada kW de capacidad generadora, aunque esté abasteciendo un consumo de 25 W.
o Produce ruido y requiere mucha atención y mantenimiento.
o La red eléctrica se energiza sólo cuando el equipo está en funcionamiento; cuando no funciona, no hay electricidad.
o Los motogeneradores pequeños son de partida manual y no funcionan por más de cuatro horas.

GENERACIÓN EÓLICA

o Los molinos de viento o aerogeneradores funcionan sólo cuando la velocidad del viento sobrepasan los 15 m/s, es decir, cuando el viento llega a levantar el polvo, papeles y llega a mover las ramas de los árboles.
o Cuando el viento es escaso o nulo, no generan electricidad y la energía acumulada corre el riesgo de agotarse completamente, con el consiguiente mayor desgaste sufrido por las baterías.
o Con vientos fuertes las aspas producen ruido molesto, pues sobrepasan la velocidad del sonido.
o Tienen muchas partes móviles que están sujetas al desgaste, y se componen de algunos materiales que terminan por deteriorarse.

GENERACIÓN HIDRÁULICA

o El consumo necesita estar muy cerca de una caída de agua.
o El abastecimiento de energía está sujeto a grandes diferencias por las fuertes fluctuaciones estacionales del caudal, y a menudo peligra en las estaciones secas.
o Las turbinas están sujetas a desgaste y deterioro.

GENERACIÓN FOTOVOLTAICA

Por el contrario, la generación fotovoltaica presenta ventajas decisivas:
o Genera electricidad todos los días, incluso los días nublados.
o Se puede instalar en cualquier lugar: sol hay en todas partes.
o Es completamente silencioso, automático, limpio, inocuo y no contaminante.
o Su vida útil es virtualmente indefinida, pues su funcionamiento es de fotones y electrones y no depende de partes móviles que llegan a sufrir desgaste.
o Es absolutamente resistente a lluvias, nieve, hielo, huracanes, calor, frío, humedad, sequedad, oxidación, corrosión, golpes y ataques biológicos.
o No exige gastos adicionales de instalación.
o Mantiene la red eléctrica energizada las 24 horas del día.
o Se puede ampliar si los consumos aumentan.
o Es fácil de instalar y no requiere prácticamente mantenimiento.
o No depende de recursos naturales no renovables y que pueden además sufrir grandes variaciones de precio.


1. DETERMINACIÓN DE LOS CONSUMOS PROMEDIOS DIARIOS

En una casa o una instalación, un riego o una faena, pueden existir distintos tipos de consumos eléctricos, como luces, motores, equipos electrónicos. A continuación, se analizarán los consumos más comunes.

1.1. Iluminación.

La siguiente pauta servirá para establecer los consumos eléctricos de luz de una casa o una instalación.

1º Haga una lista de las dependencias de la vivienda o instalación que necesiten iluminación artificial.

2º Anote la superficie en metros cuadrados (m²) de cada dependencia.

3º Multiplique los m² de superficie de cada dependencia por los valores de consumo en watts por metro cuadrado (W/m²) según las pautas de la siguiente tabla:

TABLA Nº 1
DEPENDENCIAS – CONSUMO DE LUZ FLUORESCENTE
Living, estar, dormitorios : 0,7 W/m²
Pasillos escaleras : 1,4 W/m²
Comedor : 2,8 W/m²
Cocina, baño : 4 W/m²
Superficie de escritorio : 7 W/m²
Cabecera de cama : 15 W/m²

Para sistemas autónomos, es preferible usar la luz fluorescente o de bajo consumo, pues en corriente continua (CC) no parpadea e ilumina cinco veces más que la luz incandescente con el mismo consumo de energía. Esto último implica que los equipos generadores y acumuladores y los conductores requeridos serán cinco veces menores que si se empleara luz incandescente. La luz fluorescente se comercializa en dos gamas: luz blanca, apropiada para iluminar baños, cocina, talleres, etc., y luz día, apropiada para iluminar living, estar, dormitorios, comedor, etc. Los equipos de tubos fluorescentes de 12 V se fabrican para atornillar a zoquetes de lámparas o para adosar a planos verticales (paredes) y horizontales (cielos).

4º El resultado de la multiplicación de la superficie, en m², de la dependencia por el respectivo consumo, en W/m², de la tabla anterior es el consumo o potencia en watts (W) en iluminación de cada dependencia. Aproxime dicho consumo al de la potencia del tipo de lámparas existentes en el comercio.

5º Multiplique el consumo de cada dependencia por un tiempo promedio, en horas (h), de funcionamiento diario. El resultado será el consumo de energía en watts-hora (Wh). Para obtener un resultado más preciso, es útil conocer las horas que anochece y amanece. La tabla siguiente entrega esos momentos para el solsticio de invierno (21 de junio), el día más desfavorable respecto a consumo eléctrico en iluminación por ser el día más corto del año, y según las diferentes latitudes.

TABLA Nº 2
LAT. - CIUDAD .............. AMANECE – ANOCHECE
20º - Iquique ................. 7:15 ............... 17:30
25º - Taltal ................... 7:25 ............... 17:20
30º - La Serena .............. 7:35 ............... 17:10
35º - Curicó .................. 7:45 ............... 17:00
40º - Valdivia ................ 8:00 ............... 16:40
45º - Puerto Aysen .......... 8:15 ............... 16:20
50º - Puerto Natales ........ 8:35 ............... 16:00

Ejemplo: el tubo de 20 W de la cocina consume la energía de 60 Wh (20 W de potencia x 3 horas de funcionamiento promedio diario).

6º Sume todos los resultados parciales de cada dependencia, en Wh, y obtendrá el consumo de energía total del día empleada en iluminación, en Wh/día. Este dato es útil, pues los paneles fotovoltaicos producen energía todos los días, durante el día, para recargar las baterías, de las cuales el consumo nocturno es abastecido.

1.2. Luminarias autónomas.

La energía fotovoltaica se presta fácilmente para suministrar la electricidad para mantener en forma automática luminarias encendidas parcial o totalmente durante la noche y apagadas en el día. Durante el día el panel fotovltaico carga una batería, la que abastece el consumo de la luminaria durante la noche. Este tipo de luminaria es útil para iluminar patios, bodegas, balizas y espacios donde no es posible o conveniente llegar con tendidos eléctricos.

La capacidad de generación diaria del panel fotovoltaico, o los paneles fotovoltaicos, debe ser igual o mayor que el consumo eléctrico, en W/día, de la luminaria. La capacidad de la batería, o del banco de baterías, debe calcularse para la relación siguiente:

50 A-h (amperes hora) por cada 100 Wh/día de consumo de energía.

El circuito eléctrico de 12 V CC debe conectar el panel fotovoltaico con la batería mediante un regulador de voltaje regulado a 14,4 V, y la batería debe estar conetada con la luminaria mediante un interruptor fotosensible y/o un temporizador.

1.3. Bombeo de agua.

1.3.1. Caudal (Q).

La siguiente tabla muestra algunos consumos típicos de agua.

TABLA Nº 3
CONSUMO DE AGUA EN LITROS/DÍA

Habitante : 100 a 200 l/día (un estanque de silencioso almacena de 10 a 14 litros)
Escolar : 15 a 50 l/día
Pasajero : 75 a 150 l/día
Paciente : 100 a 200 l/día
Oficina : 3 a 5 l/m²
Industria: 75 a 150 l/trabajador
Restaurante: 20 a 40 l/m²
Animales : 5 a 45 l/día según su tamaño y humedad del forraje
m² de superficie de riego : 6 a 10 l/día, dependiendo de cultivo y latitud y se aplica en verano.

Para calcular el volumen que se debe bombear diariamente, es decir, el caudal en l/día, multiplique el consumo de cada consumidor por la cantidad de consumidores. El caudal corresponde a un cierto volumen de agua desplazado en un tiempo. Este caudal, en l/día, servirá para calcular la demanda de energía diaria por concepto de bombeo de agua.

Por su parte, este mismo volumen es el que un estanque debe acumular cada día. También es la capacidad diaria mínima que debe suministrar un pozo de agua.

El caudal diario es distinto del caudal instantáneo. Este caudal se refiere a la cantidad de agua que sale de un artefacto sanitario en un tiempo. La siguiente tabla indica el caudal instantáneo según el tipo de artefacto sanitario.

TABLA Nº 4
CAUDAL INSTANTÁNEO DE ARTEFACTOS SANITARIOS

Lavamanos Lm : 10 l/min
Ducha o tina Dc : 15 l/min
Inodoro In : 15 l/min
Lavaplatos Lp : 10 l/min
Lavandero Ld : 15 l/min
Llave de jardín Lj : 10 l/min

Se puede calcular también el consumo diario promedio de agua de una persona en el siguiente ejemplo:

5 minutos de uso de ducha x 15 l/min : 75 litros
5 operaciones de inodoro x 14 litros/operación : 70 litros
2 minutos de uso de lavamanos x 10 l/min : 20 litros
2 minutos de uso de lavaplatos x 10 l/min : 20 litros
2 minutos de uso de lavandería x 15 l/min : 30 litros
TOTAL 215 litros

1.3.2. Presión (H).

La presión es la fuerza que tiene el agua para pueda ser efectivamente utilizada, pues debe vencer la fuerza de gravedad, el roce que se produce en las tuberías y llegar además con una cierta fuerza a la salida de la llave. La presión se mide en metros de columna de agua (m.c.a.) o simplemente en metros (m), y puede ser calculada sumando las siguientes cantidades:

1º La diferencia de cotas, en metros, existente entre el nivel dinámico o más bajo que puede alcanzar el espejo de agua del recipiente acumulador o del pozo de agua y el nivel de consumo más alto (p. ej. una ducha en el último piso).

2º El roce en las tuberías, llamada pérdida de carga por conducción. En una distribución de agua bien hecha no debe superar los 5 metros de presión.

3º La presión útil en los artefactos, que no debe ser inferior a 3 metros. Un calefont funciona con una presión mayor que 5 metros.

1.3.3. Potencia y energía (W).

La potencia eléctrica requerida por una bomba de agua se calcula con la siguiente fórmula:

kW = 0,00027 Qb H

donde:

Qb es el caudal de bombeo o máximo probable, en l/min.
H es la presión de bombeo, en m.

A su vez, la energía eléctrica demandada por el bombeo de agua se calcula mediante la siguiente fórmula:

kWh/día = 0,00027 n Qb H

donde:

Q es el caudal de bombeo, en l/min.
H es la presión de bombeo, en m.

n = Qd/Qb

en que:

Qd es el caudal diario total a bombear, en l/día

1.4. Güinches y tecles (p. ej. para piques mineros remotos).

La energía requerida por un güinche o tecle para izar una carga determinada se calcula mediante la siguiente relación:

Wh = 0,0061 H P / t

donde:

H es la altura a la que se eleva la carga, en metros.
P es el peso de la carga, en kilogramos.
t es el tiempo que demora el güinche en izar la carga, en segundos.

1.5. Cálculo del consumo promedio diario.

1º Haga una lista de todos los consumos individuales de la casa o instalación, incluyendo luces, TV, radios, motores.
2º Anote la potencia eléctrica, en W, de cada artefacto.
3º Estime el tiempo promedio de uso diario, en horas, de cada consumo.
5º Multiplique la potencia de cada consumo por su uso diario promedio. El resultado es la energía que consume cada artefacto, en Wh.
6º Sume todos los consumos. La suma de todos los consumos promedios diarios considerados será la cantidad de energía eléctrica que la instalación consume diariamente, en Wh. Divida por mil para obtener kilowatts (kWh).


2. ACUMULACIÓN DE ENERGÍA

El único modo de acumular elecricidad es en baterías electroquímicas, y el único tipo de corriente que estas baterías son capaces de acumular es la continua (CC). Una batería es un conjunto de pilas, vasos o celdas dispuestas en paralelo hasta conseguir la tensión de trabajo, o voltaje (V), requerida. Normalmente, una batería de 12 V contiene 6 vasos de 2,2 V cada uno, con un máximo de 2,45 V., de manera que con una tensión de 14,4 la batería está 100% cargada. Está descargada cunado la tensión disminuye a 11,9 V. Así, la tensión de la batería va aumentando cuando la batería se carga y va disminuyendo cuando se descarga.

La batería más económica para ser usada con energía solar es el tipo plomo-ácido. Su electrolito es una solución de ácido sulfúrico (H2SO4) y agua destilada. Sus placas, que constituyen los electrodos, son de plomo. El bióxido de plomo (PbO2) conforma las placas positivas y el plomo esponjoso (Pb) constituye las placas negativas. La energía química se convierte en energía eléctrica y viceversa cuando ocurre la siguiente reacción química:

Pb + PbO2 + 2H2SO4 <--> 2PbSO4 + 2H2O

Cuando la batería se descarga, la energía química se convierte en energía eléctrica. Cuando se carga, la energía eléctrica se convierte en energía química.

Existe comercialmente una variedad de batería del tipo plomo-ácido que se denomina “plomo calcio” en oposición a las del tipo corriente, cuyas placas son de una aleación de plomo antimonio. Su característica principal es que por estar las rejillas de sus placas construidas con una aleación de plomo con calcio el electrolito no se gasifica cuando aumenta la tensión, pudiendo entregar un porcentaje mayor (33%) de su carga sin sufrir daño. Las baterías de plomo calcio pueden aceptar más de 150 descargas completas sin sufrir deterioro contra las apenas 20 descargas de las de plomo antimonio. Comparando diversos tipos de baterías en funcionamiento en sistemas fotovoltaicos, las de auto resisten hasta 200 ciclos (días), las de tracción soportan 1000 y las de plomo calcio duran sobre 3000 ciclos.

De la variedad de baterías que se encuentran en el mercado, están aquellas de libre mantenimiento. Estas baterías son selladas y el gas desprendido por la electrolisis del agua destilada es vuelto a licuar mediante un catalizador que contiene. Estas baterías son indispensables en todas aquellas instalaciones donde el mantenimiento periódico y regular es difícil de realizar.

En instalaciones de alta montaña, deberá tenerse presente que el electrolito en la concentración normal se congela a los – 7º C. Para que éste resista menores temperaturas sin congelarse, la concentración de ácido deberá ser mayor. Por otra parte, a mayor temperatura de trabajo, la profundidad de descarga será menor, incidiendo en su vida útil. Sin embargo, la capacidad de descarga aumenta: a mayor temperatura, la batería se carga con mayor facilidad. Así, mientras una batería a 18º C acepta 2 A (amperes) con 14,4 V, a 27º C aceptará 4 A con las mismas condiciones de voltaje.

Una batería tiene pérdida por autodescarga, la que se estima en más del 10% de su capacidad en 30 días.

La capacidad de una batería se mide en amperes hora (A-h). Esta unidad de capacidad se refiere a la cantidad de corriente eléctrica que entrega una batería en un tiempo determinado. Generalmente, el tiempo para medir la capacidad de una batería es de 20 horas. La capacidad de la batería se reducirá si debe entregar dicha carga en menor tiempo. Por el contrario, su capacidad aumentará si la mencionada carga se le obtiene en un tiempo mayor.

Para traducir la capacidad de una batería en energía es necesario conocer su tensión. Así, una batería de 100 A-h y con una tensión de 12 V puede acumular 1200 W, pues W = A V.

Un panel fotovoltaico es un excelente cargador de batería, pues la carga en forma cada vez más lenta a medida que la tensión va aumentando. Existen paneles fotovoltaicos cuya máxima tensión es similar a la tensión máxima de una batería, de modo que el sistema no requiere un regulador de voltaje. Sin embargo, aquellos paneles fotovoltaicos cuya tensión máxima sobrepase la máxima tensión aceptada por una batería deberán usarse con un interruptor de sobrecarga, llamado regulador de voltaje. Este regulador interrumpe la entrega de corriente desde el panel a la batería cuando la tensión sube hasta el límite de 14,4 V. De otra manera, el exceso de energía gasifica el agua del electrolito y su nivel llega a descender, pudiendo dañar permanentemente las placas. Por otra parte, un panel fotovoltaico con capacidad de generación por sobre 14,4 V puede instalarse sin regulador de voltaje en instalaciones que diariamente estén consumiendo energía. En este caso, la batería queda en un estado flotante de energía, sin que la tensión llegue a sobrepasar el punto máximo.

Cuando una instalación requiere más de una batería, se debe emplear baterías de marca, modelo y tiempo de uso similares. Éstas conforman un banco de baterías. Conectadas en paralelo, las baterías mantienen la tensión (V) y aumenta la capacidad (A-h) por el número de ellas. Conectadas en serie, la intensidad (A) se mantiene, pero aumenta la tensión por el número de ellas conectadas en serie.

Para asegurar una duración de sobre 5 años, consulte una o más baterías de ciclo profundo (baterías de plomo calcio) que totalicen una capacidad equivalente a 25 A-h por cada 100 W/día de consumo promedio estimado. El doble de baterías se requerirá si son de placas de plomo-antimonio gruesas y deberán tener una capacidad equivalente a 50 A-h por cada 100 W/día de consumo promedio estimado. No use baterías de automóvil, pues sus placas, aunque de gran superficie con el objeto de suministrar la corriente demandada por la partida del motor, son muy delgadas para posibilitar un reducido tamaño, pero, por lo mismo, no son capaces de resistir ciclos de descarga muy profundos.

En el caso de instalaciones que emplean energía sólo algunos días a la semana, como, por ejemplo, casas de descanso de fin de semana, emplee un banco de baterías mayor que el requerido por la generación de energía, ya que la energía fotovoltaica es producida a diario.


3. GENERACIÓN DE ENERGÍA

Un panel fotovoltaico transforma directamente en electricidad un porcentaje importante la luz solar que incide sobre su superficie. La luz puede ser directa y provenir en línea recta del sol, o indirecta y ser reflejada cuando pasa a través de nubes o proviene de objetos iluminados.

Un panel fotovoltaico se compone de celdas, las cuales están estructuradas en las siguientes capas contabilizadas de arriba abajo:
o Una cubierta de vidrio templado.
o Una rejilla conductora.
o Una capa antirreflectante.
o Una capa fabricada de silicio semiconductor tipo n (negativo).
o Una capa fabricada de silicio semiconductor tipo p (positivo).
o Una capa de aluminio conductor.
o Una capa de vidrio aislante.
o Una capa inferior protectora fabricada de un polímero.

La luz consiste en un flujo de fotones, que son las partículas que transportan la energía. Cuando un fotón golpea un electrón de un átomo de silicio, este no vibra emitiendo como calor la energía recibida, sino que se libera y se transforma en una carga negativa. En su lugar, deja un hueco o carga positiva. En términos de la mecánica cuántica, el electrón liberado por un fotón de energía apropiada adquiere suficiente energía para saltar de la banda de valencia a la banda de conducción. Este fenómeno, llamado efecto fotoconductivo, ocurre cerca del campo eléctrico de la celda. El par fotogenerado hueco-electrón se separa y sus componentes son lanzados a los extremos opuestos (inferior y superior) de la celda, desde el semiconductor tipo p al semiconductor tipo n, de donde es captado por la rejilla conductora, la que forman una corriente eléctrica que es conducida mediante cables eléctricos fuera del panel y hacia consumo eléctrico.

Es importante saber el coeficiente de eficiencia del tipo de panel usado en una instalación. Los paneles de cristales amorfos transforman el 12 % de la luz en electricidad. La tecnología de los paneles de película delgada está alcanzando el 18%. El panel multicristalino transforma del 18% al 20% de la luz incidente en electricidad. Paneles fotovoltaicos monocristalinos pueden incluso llegar al 22% y más, y paneles experimentales de 20 a 30 capas son capaces de transformar en electricidad hasta el 40% de la luz solar incidente, pero son muy costosos.

3.1. Radiación solar.

La energía recibida del Sol sobre 1 m² de superficie perpendi­cular a éste y situado sobre la atmósfera terrestre es de 1,37 kW/m². Esta cantidad se reduce a 1.000 W/m² a nivel del mar, en día claro y con el sol de mediodía.

La cantidad de Watt punta o pico (Wp) de un panel fotovoltaico es su capacidad nominal y corresponde a la capacidad que éste tiene para generar electricidad cuando está perpendicular al sol en atmósfera clara. En la capacidad nominal de un panel fotovoltaico está implícito su coeficiente de eficiencia y su superficie expuesta al sol. Si un panel fotovoltaico tiene una capacidad nominal de 60 Wp, significa que genera 60 W de potencia con una radiación de 1 kW/m².

La cantidad de energía útil que llega diariamente a 1 m² de superficie terrestre depende de las siguientes variables:

1. La trayectoria de luz a través de la masa de aire de la atmósfera, la cual depende de la densidad de la masa. Esta varía con la altura y la inclinación del Sol. A su vez, ésta última va variando con la hora del día. Mientras mayor sea la masa que tenga que atravesar, mayor será la energía que se pierde.
2. La latitud.
3. La inclinación del plano con respecto a la horizontal.
4. La orientación del plano con respecto al Ecuador.
5. La estación del año.
6. Las condiciones climáticas.

La radiación solar incidente está en función de la siguiente relación:

Ei = Es senß senφ = 0,174 kcal/m²s

donde:

Ei = radiación solar incidente, en W/m².
Es = radiación solar = 1000 W/m².
ß = ángulo promedio de la radiación solar útil, en grados = 52,5°.
φ = ángulo incidente = 66,9° (ver más abajo).

A su vez, el ángulo incidente, φ, está en función de los siguientes ángulos:

φ = 90 + δ – θ + α = 66,9°

en que:

δ = ángulo de la declinación para la fecha, en grados = e 23,45°/12. En el ejemplo,
factor e = -7.
θ = latitud. En el ejemplo, θ = 34,4° .
α = ángulo de inclinación de la superficie. En el ejemplo, α = 25°.

TABLA Nº 5
FACTOR e
MES … FACTOR DECLINACIÓN e
Enero ............ 9
Febrero .......... 5
Marzo ............ 1
Abril ............. -3
Mayo ............ -7
Junio ........... -11
Julio ............. -9
Agosto .......... -5
Septiembre ..... -1
Octubre .......... 3
Noviembre ....... 7
Diciembre ....... 11

Por otra parte, la energía solar incidente verdaderamente entrante al sistema depende de las condiciones climáticas. La siguiente ecuación expresa esta realidad:

Ee = Ei m = 0,096 kcal/m²s

siendo:
Ee = energía solar entrante, en kcal/m²s.
Ei = energía solar incidente, en kcla/m²s.
m = factor clima. En el ejemplo, m = 0,55.

TABLA Nº 6
FACTOR m
MES - FACTOR CLIMA, m
Enero .............. 0,95
Febrero ............ 0,85
Marzo .............. 0,75
Abril ............... 0,65
Mayo ............... 0,55
Junio .............. 0,45
Julio ............... 0,50
Agosto ............. 0,60
Septiembre ........ 0,70
Octubre ............ 0,80
Noviembre ........ 0,90
Diciembre ......... 1,00

3.2. Radiación solar promedio diaria.

La cantidad de energía solar promedio que llega a una superficie inclinada durante el transcurso de un día depende de su ángulo de inclinación con respecto a la horizontal, la latitud, la temporada del año y el clima. Las tablas siguientes indican la radiación diaria promedio mensual que llega a 1 m² de superficie inclinada hacia el norte y considerando las condiciones climática promedios. Estos valores, en kW/m² día, son en general superiores a las condiciones costeras, que son habitualmente más nubosas, e inferiores a las condiciones de montaña, que tienen atmósfera menos densa y nubosa.

TABLA Nº 7
RADIACIÓN EN kW/m² día SEGÚN EL ÁNGULO ÓPTIMO MENSUAL
MES / LATITUD º ..... 25 ..... 30 ..... 35 ..... 40 ..... 45 ..... 50
Enero ............... 8,34 ... 8,04 ... 7,74 ... 7,47 ... 7,16 ... 6,86
Febrero ............. 7,88 ... 7,76 ... 7,13 ... 6,75 ... 6,36 ... 5,97
Marzo ............... 7,54 ... 7,06 ... 6,58 ... 6,08 ... 5,58 ... 5,11
Abril ................ 7,35 ... 6,75 ... 6,17 ... 5,61 ... 5,00 ... 4,42
Mayo ................ 7,24 ... 6,58 ... 5,94 ... 5,28 ... 4,62 ... 3,98
Junio ............... 7,21 ... 6,50 ... 5,81 ... 5,12 ... 4,43 ... 3,74
Julio ................ 7,23 ... 6,52 ... 5,86 ... 5,15 ... 4,46 ... 3,77
Agosto ............. 7,30 ... 6,67 ... 6,06 ... 5,44 ... 4,81 ... 4,18
Septiembre ........ 7,47 ... 6,95 ... 6,45 ... 5,93 ... 5,40 ... 4,89
Octubre ............ 7,75 ... 7,36 ... 6,92 ... 6,52 ... 6,08 ... 5,78
Noviembre ........ 8,17 ... 7,88 ... 7,56 ... 7,24 ... 6,91 ... 6,58
Diciembre ......... 8,42 ... 8,20 ... 7,94 ... 7,70 ... 7,42 ... 7,17
.
TABLA Nº 8
RADIACIÓN EN kW/m² día SEGÚN EL ÁNGULO ÓPTIMO DE JUNIO
MES / LATITUD º ..... 25 ..... 30 ..... 35 ..... 40 ..... 45 ...... 50
Enero ............... 6,47 ... 6,24 ... 6,01 ... 5,80 ... 5,56 ... 5,32
Febrero ............. 6,74 ... 6,63 ... 6,09 ... 5,77 ... 5,44 ... 4,69
Marzo ............... 6,92 ... 6,48 ... 6,04 ... 5,58 ... 5,12 ... 4,69
Abril ................ 7,08 ... 6,50 ... 5,94 ... 5,40 ... 4,81 ... 4,26
Mayo ............... 7,15 ... 6,50 ... 5,87 ... 5,22 ... 4,57 ... 3,93
Junio ............... 7,21 ... 6,51 ... 5,85 ... 5,14 ... 4,43 ... 3,76
Julio ................ 7,21 ... 6,51 ... 5,85 ... 5,14 ... 4,45 ... 3,76
Agosto ............. 7,15 ... 6,53 ... 5,93 ... 5,33 ... 4,71 ... 4,09
Septiembre ........ 7,04 ... 6,55 ... 6,08 ... 5,59 ... 5,09 ... 4,61
Octubre ............ 6,88 ... 6,54 ... 6,15 ... 5,79 ... 5,40 ... 5,13
Noviembre ........ 6,69 ... 6,45 ... 6,19 ... 5,93 ... 5,66 ... 5,39
Diciembre ......... 6,06 ... 5,90 ... 5,71 ... 5,54 ... 5,34 ... 5,16

3.3. Ángulo óptimo.

Es importante instalar el panel fotovoltaico de modo que capte la mayor radiación posible. Esto se logra dirigiéndolo hacia el norte y en un apropiado ángulo en relación a la superficie terrestre. Además debe quedar libre de sombras a lo menos entre las 8:00 y 16:00 horas.

Un sistema heliotrópico, o seguidor solar, no es práctico, pues, a pesar de que logra aumentar la eficiencia en hasta un 50%, es susceptible de fallas mecánicas, no funciona adecuadamente cuando está nublado e incrementa el costo de la instalación. Por ello resulta más práctico instalar más paneles fotovoltaicos.

Existen dos maneras de instalar un panel:
Sobre una estructura que pueda ajustarse cada cierto tiempo –mensualmente– según el ángulo óptimo mensual.
De manera fija según el ángulo óptimo para la temporada del año más desfavorable en la que tenga que funcionar el sistema en particular.

El ángulo óptimo es la inclinación con respecto a la horizontal de un plano que está dirigido hacia el norte y que reciba la mayor cantidad de radiación posible en el transcurso del día. La siguiente tabla entrega los ángulos óptimos mensuales según la latitud:

TABLA Nº 9
ÁNGULO ÓPTIMO – VALORES EN GRADOS
MES / LATITUD º . 20 .... 25 .... 30 .... 35 .... 40 .... 45 .... 50
Enero ............... 0 ..... 5 ..... 10 .... 15 .... 20 .... 25 .... 30
Febrero ............. 9 ..... 14 .... 19 .... 24 .... 29 .... 34 .... 39
Marzo .............. 18 .... 23 .... 28 .... 33 .... 38 .... 43 .... 48
Abril ................ 27 .... 32 .... 37 .... 42 .... 47 .... 52 .... 57
Mayo ............... 36 .... 41 .... 46 .... 51 .... 56 .... 61 .... 66
Junio ............... 44 .... 49 .... 54 .... 59 .... 64 .... 69 .... 74
Julio ................ 40 .... 45 .... 50 .... 55 .... 60 .... 65 .... 70
Agosto ............. 31 .... 36 .... 41 .... 46 .... 51 .... 56 .... 61
Septiembre ........ 22 .... 27 .... 32 .... 37 .... 42 .... 47 .... 52
Octubre ............ 13 .... 18 .... 23 .... 28 .... 33 .... 38 .... 43
Noviembre ......... 5 ..... 10 .... 15 .... 20 .... 25 .... 30 .... 35
Diciembre ........ - 4 ...... 1 ..... 6 ..... 11 .... 16 .... 21 .... 26

Si un panel fotovoltaico fijo está diseñado para, por ejemplo, abastecer la demanda de una asa que se habita durante todo el año, la época más desfavorable ocurre entre los meses de junio y julio. Para este caso el ángulo óptimo será igual a la suma del ángulo de la latitud del lugar más 20 grados. La generación de electricidad será menor en los meses estivales a causa de una mayor declinación del sol respecto a la superficie del panel fotovoltaico, pero se compensa con un menor consumo en iluminación a causa que los días son más prolongados.

Diferente es el caso de si se quiere obtener el máximo rendimiento anual de un panel fijo para, por ejemplo, un uso industrial. Su ángulo óptimo será igual a la latitud multuiplicada por el factor 1,35. Así, por ejemplo, el ángulo óptimo de un panel fotovoltaico ubicado en la latitud 30º será de 40,5º (= 30º x 1,35).

El rendimiento de paneles fotovoltaicos instalados en embarcaciones y vehículos no es el mejor debido a la imposibilidad práctica de conseguir el ángulo adecuado de inclinación. La situación empeora en yates, cuyo velamen a menudo ensombrece el panel. De ahí que resulta conveniente estimar una eficiencia del 50% en estos casos.

Por último, si un panel fotovoltaico se emplea, por ejemplo, para riego agrícola, su ángulo óptimo será aquel del mes de mayor uso-consumo del cultivo, el que usualmente coincide con el mes de enero, temporada del año cuando la planta ha desarrollado al máximo su follaje y, por tanto, el consumo de agua es mayor. En los meses anteriores y posteriores la evapotranspiración de las plantas disminuye casi en la misma proporción con que disminuye la generación de energía y, por tanto, la capacidad de bombeo. Esta condición hace que la utilización de paneles fotovoltaicas en riego sea óptima.

En un sistema de estructura variable orientada hacia el norte y con eje este-oeste, el ángulo óptimo es fácil de ubicar. Basta con instalar un indicador visual de ángulo óptimo. Este consiste en dos placas paralelas entre sí y paralelas al plano de panel fotovoltaico. La placa superior tiene una pequeña perforación en su centro, en tanto que la placa inferior tiene trazada una raya este-oeste. El plano que pase por la raya debe ser perpendicular a la placa y debe pasar por la perforación de la placa superior. El ángulo óptimo se obtiene cuando el haz luminoso del sol que penetra por la perforación se hace coincidir con la raya al ir girando la estructura. Esta operación debe realizarse entre las 11:00 y 13:00 horas en día despejado.

3.4. Generación de electricidad de un panel fotovoltaico.

La cantidad de electricidad que genera diariamente un panel fotovoltaico es el resultado de la multiplicación de la cantidad de energía promedio que llega a una superficie de 1 m² inclinada según un ángulo determinado, de acuerdo a los valores que aparecen en las tablas anteriores, por la capacidad nominal, en Wp, del panel y dividido por su superficie útil. Así, por ejemplo, en un día promedio de junio y en la latitud 35º, un panel fotovoltaico de 45 Wp de capacidad, cuya superficie útil Su es de 0,6 m², inclinado hacia el norte y en 69º con respecto a la horizontal, genera 435 W/día (= 45 Wp x 5,81 kW/m²día / 0,6 m²).


4. DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA

La tensión de 12 V no “da la corriente”, ya que no causa sensación de electricidad ni daño fisiológico. Sin embargo, cuando los dos polos se tocan, producen cortocircuito y los conductores se calientan. Por tanto, los conductores deben estar aislados para evitar incendios y pérdida de energía. Ante la posibilidad que pueda ocurrir este tipo de efectos, el circuito eléctrico debe protegerse mediante fusibles (interruptores automáticos de sobre carga) de protección. La siguiente tabla indica la capacidad del fusible.

TABLA Nº 10
FUSIBLES PARA 12 V
CAPACIDAD (A) – SECCIÓN CONDUCTOR (mm²)
15 .............................. 1,5
20 .............................. 2,5
25 .............................. 4
33 .............................. 6
45 ............................. 10
61 ............................. 16

Los enchufes e interruptores para 12 A sirven para 140 W en 12 V, y los de 20 A sirven para 240 W.

En conducciones en corriente continua (CC) se emplean dos conductores: uno positivo, de color rojo, y uno negativo, de clor blanco. La polaridad es de suma importancia en CC. Aunque las ampolletas incandescentes funcionan igual con la polaridad cambiada, los tubos fluorescentes no funcionan y los motores y artefactos electrónicos se pueden quemar. Use enchufes de patas desiguales; de este modo, los polos no se podrán confundir.

Los conductores para tensiones bajas (12 y 24 V) deben ser más gruesos que los empleados para 220 V, pues la resistencia eléctrica en la conducción es inversamente proporcional a la tensión. De ahí que para conducir muy baja tensión a larga distancia deben usarse conductores relativamente gruesos. Pero como sol hay en todas partes, este problema no debiera presentarse, resultando más conveniente usar sendos paneles fotovoltaicos cuando los consumos están a una distancia mayor de 100 metros.

Los conductores eléctricos consumen energía cuando conducen electricidad. Esta pérdida, que se disipa al ambiente en calor, depende de la longitud, la sección y el material del conductor. La ecuación formulada a continuación incluye la sección S de un conductor de cobre, en mm², la potencia conducida P, en W, y la distancia L entre la fuente de energía (el banco de baterías) y el consumo, en metros, considerando la ida y la vuelta. El factor 340 incluye una pérdida por conducción del 4% para una tensión de 12 V.

S = P L/340

Esta ecuación está tabulada en la siguiente tabla, la que considera la relación entre la longitud, en m, del conductor y su sección, en mm², estando los valores en W.

TABLA Nº 11
CONDUCCIÓN DE ELECTRICDAD EN 12 V – VALORES EN W
LONGITUD, EN m - SECCIÓN, EN mm²
..... 1,5 ..... 2,5 ...... 4 ....... 6 ..... 10 ..... 16
10 ... 51 ..... 85 ... 136 ... 204 ... 340 ... 544
20 ... 26 ..... 43 ..... 68 ... 102 ... 170 ... 272
30 ... 17 ..... 28 ..... 45 ..... 68 ... 113 ... 181
40 ... 13 ..... 21 ..... 34 ..... 51 ..... 85 ... 136
50 ... 10 ..... 17 ..... 27 ..... 41 ..... 68 ... 109
60 ............. 14 ..... 23 ..... 34 ..... 57 ..... 91
70 ............. 12 ..... 19 ..... 29 ..... 49 ..... 78
80 ............. 10 ..... 17 ..... 26 ..... 43 ..... 68
90 ....................... 15 ..... 23 ..... 38 ..... 60
100 ..................... 14 ..... 20 ..... 34 ..... 54

Un conductor puede conducir mayor cantidad de electricidad que la que figura en la tabla anterior, pero la pérdida de energía por conducción aumenta.

Como norma práctica, proceda de la siguiente manera para el diseño de la instalación eléctrica de una casa:
1º Divida los consumos eléctricos de iluminación y aparatos electrónicos en circuitos con capacidad instalada de hasta 180 W.
2º Use circuitos distintos por cada motor instalado.
3º El inversor debe estar en circuito separado.
4º Si el banco de baterías está ubicada cerca de los consumos y la capacidad instalada del circuito es menor de 180 W, use conductores de 2,5 mm² e interruptores de sobrecarga de de 20 A.


5. INVERSORES

Un componente importante de una instalación más versátil es el inversor. Un inverso, llamado inapropiadamente “conversor” puesto que este último transforma la corriente alterna en continua, es un aparato electrónico relativamente delicado que transforma la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA). Para ello debe ser capaz de producir una onda de 50 ciclos (o 60 ciclos si fuera el caso) y elevar la tensión de 12 V (ó 24 V) a 220 V monofásica (ó 110 V).

Antes de seleccionar un inversor, considere lo siguiente:

1º Todo inversor sirve para ser empleado en consumos resistivos (luces y ciertos aparatos electrónicos, como radio y TV). Sin embargo, un inversor de onda cuadrada no sirve para ser usado con motores, pues este tipo de onda tiene contenidos armónicos elevados y con distorsiones de hasta 40%, los que producen temperaturas excesivas en los motores. El inversor recomendable para motores debe entregar corriente alterna de onda sinuspida y ser capaz de absorber el aumento de la demanda que se produce en la partida del motor, que es cinco veces mayor que la potencia que usa funcionando.

2º El rendimiento mejor que puede obtenerse de un inversor es del 90%. El inversor más adecuado es el que detecta la existencia de consumos y funciona automáticamente mientras exista dicho consumo. De otra manera estará consumiendo energía aun cuando no exista consumo que abastecer; esta energía puede llegar al 10% de la capacidad nominal cuando está conectado pero ocioso.


6. INSTALACIÓN

6.1. Instalación mecánica.

Instale el panel fotovoltaico según las siguientes indicaciones:

1º El panel fotovoltaico debe quedar libre de sombras al menos entre las 8:00 y 16:00 horas.
2º Debe quedar dirigido hacia el norte. Use una brújula.
3º. Debe quedar inclinado según el ángulo óptimo para la temporada del año más desfavorable en caso de instalarse fijo.
4º Debe quedar protegido del manipuleo de personas extrañas, tránsito de vehículos, animales, etc. Un panel fotovoltaico es capaz de resistir pedradas de niños, por lo que no requiere cubierta de protección, la que a su vez disminuiría su capacidad.
5º Debe quedar en lo posible a menos de 50 metros del banco de baterías.
6º Debe quedar en un lugar accesible para un registro periódico.
7º Debe quedar firmemente anclado para resistir vientos huracanados.

6.2. Instalación eléctrica.

1º Dibuje un plano que indique los circuitos y las potencias de los consumos. Calculela sección de los conductores y su protección.
2º Conecte el terminal positivo del panel fotovoltaico al terminal positivo de la batería; use conductor rojo de la sección adecuada. Conecte el terminal negativo del panel fotovoltaico con el terminal negativo de la batería; use conductor blanco de la misma sección del rojo. Si se equivoca, el panel fotovoltaico no se dañará pero la batería se descargará.
3º Si la demanda de generación es mayor que la capacidad de un panel fotovoltaico, agregue uno o más paneles y realice la conexión en paralelo: positivo con positivo y negativo con negativo.
4º Si la necesidad de almacenamiento de energía supera la capacidad de una batería, agregue una o más baterías, conformando un banco de baterías, y realice la conexión en paralelo: positivo con positivo y negativo con negativo.
5º Si necesita suministrar 24 V, configure las conexiones en serie, conectando dos paneles fotovoltaicos de modo de conectar el terminal de uno al terminal correspondiente del segundo, y de allí a la primera batería del banco de baterías. Igualmente, conecte el terminal de la primera batería al terminal correspondiente de la segunda batería para poder acumular energía de 24 V.
6º. Entre el (los) panel (es) fotovoltaico (s) y el banco de batería debe instalarse un regulador de voltaje regulado a 14,4 V (ó 28,8 V si el consumo es de 24 V).
7º El banco de baterías debe ser instalado en un lugar protegido del sol, la lluvia y tráfico de personas y animales, ventilado y sobre una superficie resistente al ácido. La eficiencia de una batería disminuye con bajas temperaturas; evite que el electrolito se congele. La batería puede producir hidrógeno gaseoso que es inflamable; por tanto, evite producir chispas.
8º Cuando manipule baterías, use guantes y anteojos para protegerse de posibles salpicaduras de ácido. Si le cayera ácido, lávese inmediatamente con abundante agua.
9º. Saque del banco de baterías los conductores para el consumo. Este puede dividirse en circuitos. Proteja cada circuito con su propio fusible.


7. MANTENIMIENTO

El sistema eléctrico de generación, acumulación y consumo no requiere virtualmente mantenimiento. Sin embargo, es aconsejable efectuar periódicamente las siguientes acciones:
1º Panel fotovoltaico: quite el polvo que se deposita sobre su superficie. Use agua limpia y limpie la superficie con un paño suave. Para machas persistentes, use un detergente no abrasivo.
2º Batería: verifique el nivel del electrolito de cada vaso. Rellene con agua destilada.
3º Conexiones: inspeccione las conexiones eléctricas para verificar su estado de limpieza, fijación y ausencia de daños.
4º Rendimiento deficiente. Se detecta por una baja en el brillo habitual de las luces, lo cual significa que el banco de baterías no está entregando la energía con la tensión requerida. Sus causas pueden ser las siguientes: batería gastada o incapaz de recuperar carga. Conductores insuficientemente aislados. Conductores subdimensionados. Exceso de consumo eléctrico. Periodo largo de excesiva nubosidad. Panel sucio, sombreado o indebidamente inclinado.


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Artículos del autor en el tema solar publicados en internet:

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