Sistema fotovoltaico

Un sistema fotovoltaico es un sistema eléctrico que consiste esencialmente en el ensamblaje de varios módulos fotovoltaicos que aprovechan la energía solar para producir energía eléctrica a través del efecto fotovoltaico , los componentes eléctricos ( cables ) y electrónicos ( inversores ) necesarios y, en su caso, sistemas mecánico-automáticos para el seguimiento solar .

Clasificación y tipología

Los sistemas fotovoltaicos se dividen principalmente en 2 grandes familias:

Un caso particular de un sistema aislado, denominado “híbrido”, permanece conectado a la red de distribución eléctrica, pero utiliza principalmente sus fuentes, una sola, o puede tener una combinación, por ejemplo, fotovoltaica, eólica, generadora, incluso con la ayuda de un acumulador. Si ninguna de las fuentes está disponible o el acumulador está descargado, un circuito conecta el sistema a la red eléctrica para la continuidad del suministro.

Desde el punto de vista estructural, cabe mencionar la instalación " arquitectónicamente integrada " (también conocida por las siglas BIPV, Building Integrated PhotoVoltaics, o "sistemas fotovoltaicos integrados arquitectónicamente"). La integración arquitectónica se logra colocando los módulos fotovoltaicos del sistema dentro del perfil del edificio que lo alberga. Las técnicas son principalmente:

Los costos para crear un sistema fotovoltaico integrado son más altos que el tradicional, pero el resultado estético es privilegiado por la legislación de la Cuenta de la Energía , con el reconocimiento de una tasa de incentivo significativamente mayor.

Sistemas fotovoltaicos fuera de la red

Esta familia está al servicio de aquellos usuarios eléctricos aislados de otras fuentes de energía, como la red nacional de CA , que son alimentados por un sistema fotovoltaico aislado eléctricamente y autosuficiente.

Los componentes principales de un sistema fotovoltaico aislado de la red son generalmente:

Los voltajes más utilizados son 12 o 24 V. En consecuencia, dado que la mayoría de los módulos fotovoltaicos utilizados en este tipo de sistemas tienen tensiones de salida de 12 o 24 V, las denominadas cadenas eléctricas que forman el campo están formadas por muy pocos módulos, hasta el límite de uno solo. módulo por cadena. En este último caso, en la práctica, el campo fotovoltaico consiste en simples paralelos eléctricos entre módulos, equipados con diodos string para la protección de las denominadas corrientes inversas de las que hablaremos más adelante.

El acumulador se compone generalmente de monobloques, o elementos únicos diseñados específicamente para cargas y descargas profundas y cíclicas. En los sistemas que deben garantizar la continuidad del servicio aún en las condiciones más severas, generalmente no se utilizan acumuladores para uso automotriz , que si bien funcionan correctamente tienen una "vida útil" baja, es decir, toleran menos ciclos de carga y descarga que los acumuladores diseñados y construidos específicamente para este tipo de uso. En el caso de instalaciones de acumuladores en postes o en altura (por ejemplo, alumbrado público o farolas fotovoltaicas ), no se pueden utilizar acumuladores para uso en automoción ya que cualquier fuga de electrolito (que está compuesto por una solución altamente corrosiva a base de ácido sulfúrico) podría causar daños. a las personas, los animales y las cosas. En estas instalaciones se utilizan acumuladores especiales en los que se sustituye el electrolito líquido por un gel especial.

El controlador de carga es un dispositivo electrónico que tiene las siguientes funcionalidades mínimas:

Sistemas fotovoltaicos conectados a la red

Esta familia identifica a aquellos usuarios eléctricos ya atendidos por la red nacional de CA , pero que inyectan a la red toda o parte de la producción eléctrica resultante de su sistema fotovoltaico, convenientemente convertida en corriente alterna y sincronizada con la de la red, contribuyendo al -llamada generación distribuida .

A este tipo de sistemas, en su mínima expresión, pertenece el “Plug & Play” o “Plug and Play”

Sistemas y/o sistemas de almacenamiento de pequeño tamaño, max 350 Watt ARERA Resolución 315/2020/R/eel que se pueden conectar directamente a la instalación eléctrica del usuario, a través de un enchufe, a la toma de corriente doméstica normal de 230V. De uso inmediato sin intervenciones técnicas o burocráticas particulares, contribuyen al ahorro energético de la vivienda, aprovechando al mismo tiempo la radiación solar disponible.

Los componentes principales de un sistema fotovoltaico conectado a la red son:

Características técnicas

La potencia nominal de un sistema fotovoltaico se considera generalmente como la suma de los valores de potencia nominal de cada módulo fotovoltaico que compone su campo, y se entiende como el valor en Watts pico , indicado con el símbolo: W p y múltiplos (kW p , MW p , ...). Una indicación más precisa de la potencia útil es la de la potencia AC, es decir, después del inversor (indicación de la potencia útil neta de la planta), valor que se indica en W AC (W AC en publicaciones en inglés) y múltiplos (kW CA , MW CA , ...). En esta situación, la potencia de pico, es decir bruta, se indica con W CC (W DC en las publicaciones en idioma inglés), para indicar que se trata de potencia de corriente continua.

La superficie ocupada por un sistema fotovoltaico es generalmente ligeramente mayor que la que ocupan los módulos fotovoltaicos solos, que requieren, para la tecnología de silicio policristalino y silicio monocristalino , aproximadamente 4 m²/kW (para módulos de aproximadamente 18-20% de eficiencia orientados al sur) a las que hay que añadir las superficies ocupadas por conos de sombra producidos por obstáculos, como chimeneas, antenas de TV, etc., si se montan coplanares con las superficies, sin embargo, si se montan no coplanares, se debe tener en cuenta la sombra que los propios paneles producir y por tanto la superficie utilizada es de unos 8 m²/kW.

En sistemas sobre suelo o cubiertas planas, es práctica habitual distribuir geométricamente el campo en varias hileras, convenientemente elevadas individualmente hacia el sol , con el fin de maximizar la radiación captada por los módulos. Estos archivos se establecen para las necesidades geométricas del sitio de instalación y pueden coincidir o no con las cadenas.

En ambas configuraciones del sistema, autónomo o conectado a la red, el único componente externo es el campo fotovoltaico, mientras que el regulador, el inversor y la batería suelen estar dispuestos en salas técnicas preparadas (por ejemplo, cabina ).

La energía producida es tanto mayor cuanto más disfruta la planta de una exposición favorable a la radiación solar , que es función de la heliofanía y máxima con ciertos ángulos de inclinación con respecto a un plano horizontal en el suelo y para exposiciones lo más posible hacia el sur .

Para maximizar la captación de la radiación solar, se diseñan y fabrican módulos fotovoltaicos de seguimiento solar que adaptan la inclinación del panel receptor a la inclinación de los rayos solares durante el día y la estación.

Finalmente, es necesario tener presente la “Eficiencia del BOS” ( Balance of System ), que en inglés significa considerar todas las partes involucradas e indica la eficiencia de toda la cadena que conforma el sistema fotovoltaico, excluyendo los propios módulos. . Por BOS entendemos el conjunto de dispositivos y componentes eléctricos/electrónicos del sistema fotovoltaico, que transfieren la energía producida por los módulos a la red eléctrica. Un valor aceptable generalmente se estima en alrededor del 85%. En términos de potencia, un W CA equivale al producto de la eficiencia citada por un W CC (aproximadamente el W p ).

El efecto de la temperatura sobre los módulos fotovoltaicos suele cuantificarse mediante unos coeficientes relativos a las variaciones de la tensión en circuito abierto, de la corriente de cortocircuito y de la potencia máxima ante variaciones de temperatura. En este documento, directrices experimentales completas para estimar los coeficientes de temperatura [2]

Factura de luz y energía

La normativa nacional divide los sistemas fotovoltaicos en varios grupos, por tamaño, modo de uso e instalación. Primero en 3 grupos:

Esta clasificación fue dictada en parte por la legislación italiana de la Cuenta de la Energía , sin embargo, la 2ª Cuenta de la Energía (febrero de 2007) define tres nuevas tarifas de incentivo: de 1 a 3 kW, de 3 a 20 kW y más de 20 kW.

Con la entrada en vigor de la 4ª Ley de Energía (mayo de 2011) hubo otro cambio en la legislación: la tarifa correspondiente a 2012 se divide por bandas de potencia, sistemas en edificios u otros sistemas y por semestre, por ej. en el 2do semestre para sistemas en edificios hasta 3 kW tendremos una tarifa igual a0,252  /kWh de energía generada. Las bandas para sistemas de edificios se han convertido en: de 1 a 3 kW, de 3 a 20 kW, de 20 a 200 kW (límite de intercambio en el sitio), de 200 kW a 1 MW (límite pequeño), de 1 a 5 MW y más de 5 megavatios.

La STMG y la Ley Refundida de la Producción de Energía Eléctrica definen los criterios de conexión para sistemas fotovoltaicos por encima de 1 kWp hasta grandes sistemas.

En los últimos años ha habido numerosas críticas negativas por parte de institutos de investigación tanto públicos como privados sobre la necesidad de continuar con la cuenta energética debido a los altos costos financieros en comparación con la baja producción de energía eléctrica [3] .

El 27 de agosto de 2012 entra en vigor la V Cuenta de la Energía , con un sistema de incentivos completamente revisado respecto a los anteriores y que contempla la inclusión de una prima por energía de autoconsumo y un mecanismo de acceso a registros para centrales de más de 12 años. kW o 50 kW si con desamiantado. La V Cuenta de la Energía finaliza oficialmente el 6 de julio de 2013 tras la consecución del límite de gasto de 6.700 millones de euros.

Dimensionamiento

Como parte del diseño , el dimensionamiento de un sistema doméstico se suele realizar teniendo en cuenta:

De todos estos factores podemos trazar la medida de la superficie de los paneles fotovoltaicos necesarios para cumplir con las especificaciones de la planta en términos de producción requerida, llegando consecuentemente a una estimación global primitiva del costo de la planta, a la que se sumarán los costos de los componentes eléctricos y electrónicos. luego se le agregará.(cables e inversores) y costos de instalación. Las horas de funcionamiento equivalentes: relación producción/potencia (kWh/kW) que en Italia ronda las 1200 horas al año.

En todos los casos, es necesario un estudio o evaluación de viabilidad económica que evalúe la viabilidad técnica y la conveniencia económica o los costes y retornos de la inversión en función de la producción eléctrica anual estimada y los tiempos ineludibles de desmantelamiento de la planta (vida útil).

Durante el año 2019, el GSE publicó el portal de autoconsumo que permite a cada ciudadano poder profundizar en el tema, dimensionar su planta y evaluar la tendencia de los flujos de caja. Para utilizarlo sólo tienes que introducir las superficies disponibles, el consumo eléctrico y la dirección de tu domicilio.

Viabilidad a gran escala

Evaluación de costo/eficiencia

El principal obstáculo para la instalación de este tipo de tecnología fue, durante mucho tiempo, el elevado coste de los propios sistemas y, en consecuencia, de la energía producida. Estos límites se han visto muy reducidos en los últimos años por la producción en serie, consecuencia directa de los incentivos ofrecidos a la producción de energía solar que ha supuesto una reducción sustancial de los costes.

La investigación sobre el silicio amorfo ha dado resultados por debajo de las expectativas, mientras que se han obtenido mejores resultados, experimentalmente en varios otros materiales (grafito, diseleniuro de indio y cobre CiS, telururo de cadmio , etc.), para cubrir el consumo de energía eléctrica que Italia necesitaría alrededor de 500 km² [5] igual al 0,17% del territorio italiano . Una extensión equivalente a aproximadamente el municipio de Foggia .

Muchas esperanzas pueden depositarse en la fotovoltaica, si se integra con otros sistemas de energías renovables ( energía eólica , energía de las mareas y energía de la biomasa ), para la paulatina sustitución de la energía por fuentes fósiles , cuyas reservas son limitadas. Señales de este tipo provienen de diversas experiencias europeas. En Alemania , en particular, el líder mundial en el sector [6] , muchas plantas de energía fotovoltaica se han puesto en marcha utilizando brownfields o techos de grandes complejos industriales. Por el contrario, se discute más la instalación en áreas agrícolas y montañosas.

En Italia, la instalación de sistemas fotovoltaicos en áreas agrícolas solo está permitida si cumplen los requisitos relativos a la compatibilidad ambiental (ausencia de restricciones ambientales, hidrogeológicas y paisajísticas en el área del proyecto). Sin embargo, la legislación actual no permite acceder a incentivos económicos para la producción fotovoltaica en el caso de instalaciones en zonas agrícolas. En países particularmente soleados, incluida Italia, para los sistemas montados en tierra, la tecnología termoeléctrica de concentración solar compite con la fotovoltaica , en particular en la versión con almacenamiento térmico . Esta tecnología, además de utilizar el Sol como fuente, resuelve el problema de despacho , abordado en el siguiente párrafo, al que se enfrenta actualmente la fotovoltaica en combinación con diversas soluciones convencionales: centrales hidroeléctricas de bombeo y plantas de turbogás .

La evaluación de la intermitencia

Problema o límite intrínseco de los sistemas fotovoltaicos (y en general también de otras tecnologías de energía solar y eólica ), es su incertidumbre y no programabilidad de la producción de energía, debido a la variabilidad de la irradiación solar tanto por su ausencia total en la noche como en la presencia de cielo nuboso, ambos por variaciones estacionales entre verano e invierno. Estos problemas degradan en parte su eficacia como fuente de suministro de energía y, al mismo tiempo, hacen necesaria la integración de estas plantas con otras formas de producción o almacenamiento de energía. A pesar de que el consumo total de electricidad registra mínimos justo por la noche, reduciendo el problema, incluso en los momentos de mínimos la demanda energética se mantiene constante (alrededor del 50% del máximo) y además la fotovoltaica carece del pico vespertino de verano, que se puede comparar con el uno diurno. El problema de la intermitencia en la producción de energía fotovoltaica lo ponen de manifiesto los datos publicados en el siguiente capítulo relativo a la “Difusión” de estas plantas donde se constata que, a pesar de que los valores de potencia instalada son muy elevados, la producción de energía es extremadamente bajo.

Estos problemas los resuelve la red eléctrica , potenciando las capacidades de almacenamiento y reserva con nuevas centrales hidroeléctricas de bombeo (planta en la que se utiliza energía eléctrica, en exceso de la red, para bombear agua de una cuenca valle a una cuenca aguas arriba), centrales de almacenamiento con baterías recargables baterías , la flexibilidad de los grupos turbogás, incluso de una central de ciclo combinado parada. Para reducir la necesidad de estas costosas inversiones, y evitar cada vez más el uso de energía termoeléctrica, estamos pensando en una red eléctrica "inteligente" ( smart grid ) que soporte una capacidad de almacenamiento distribuida, es decir, capaz de disponer de energía intermitente Flujos de energía a extremos de la red de distribución que generarían sobrecargas o caídas repentinas de tensión con repercusiones en la propia producción , transmisión y distribución de energía . La red actual ya está automatizada con sistemas de TI complejos, ya que se requieren tiempos de reacción ante variaciones complejas que no se pueden enfrentar manualmente.

Evaluación de materiales

Una de las cuestiones que plantea un posible aprovechamiento a gran escala de la energía fotovoltaica está relacionada con la producción de grandes cantidades de módulos fotovoltaicos, lo que supondría la necesidad de obtener cantidades importantes de materias primas minerales debido a la reducida densidad energética [7] [8 ] [9] [10] [11] de esta tecnología y la necesidad de trabajar, en la fase de fabricación, incluso grandes cantidades de sustancias tóxicas [12] [13] .

Por ejemplo, si se quisiera producir toda la electricidad que necesita Italia a través de la energía fotovoltaica, en cuanto a las principales sustancias tóxicas necesarias para la producción de silicio de grado solar, se tendrían que utilizar unos 10,4 millones de toneladas de ácido clorhídrico , 186.000 toneladas de tetraclorosilano más otras sustancias como cadmio, germanio y arsénico- mientras que en lo que se refiere al uso de algunos materiales raros, como la plata , se necesitarían unas 18.600 toneladas de pasta de plata y unas 130.000 toneladas de pasta de Ag/Al (5,59 kg/m² de HCl, 0,10 kg/m² de SiCl4, 0,01 kg/m² de pasta de plata, 0,07 kg/m² de pasta de Ag/Al) [14] ; los materiales necesarios para la construcción de los inversores, la adecuación de la red eléctrica ( smart grid ) debido a la producción no programable y la construcción de las infraestructuras necesarias para el almacenamiento de la electricidad sobrante no inmediatamente consumida para ser utilizada no se consideran en este cálculo luego en periodos de baja insolación (sobre todo en invierno y por la noche) como balsas hidroeléctricas , plantas electroquímicas, hidrógeno, aire comprimido, etc.

La fiabilidad a largo plazo de los módulos fotovoltaicos es fundamental para garantizar la viabilidad técnica y económica de la energía fotovoltaica como fuente de energía de éxito. El análisis de los mecanismos de degradación de los módulos fotovoltaicos es fundamental para garantizar una vida útil actual superior a los 25 años. [15]

Difusión

Mundo

Año 2018: de los datos estadísticos de TERNA [4] se tiene una producción de electricidad fotovoltaica igual a 589.196 TWh sobre un total de electricidad producida igual a 26617.3 TWh (contribución del 2.21%) con una potencia fotovoltaica instalada igual a 462.462 GW.

Europa

Año 2019: el informe estadístico de GSE muestra que la contribución de la energía fotovoltaica al requerimiento total de energía bruta (1155 Mtep - consumo final bruto) fue del 0,94% [16] (consumo final bruto de RES = 219 Mtep de los cuales el 5% de la energía fotovoltaica ) [17] .

Italia

Año 2019: el informe estadístico GSE muestra una producción bruta de energía solar fotovoltaica igual a 2.036 Mtep, contribuyendo un 1,69% al consumo total de energía en Italia (120,3 Mtep en descenso progresivo desde hace varios años) con una potencia fotovoltaica eficiente instalada bruta igual a 20865 MW [18] (Energía procedente de fuentes renovables - Informe Estadístico 2019).

Las plantas fotovoltaicas más grandes del mundo

Algunos ejemplos de grandes sistemas fotovoltaicos en el mundo son:

Notas

  1. ^ Aquí está PairTree, carga fotovoltaica y aislada que se puede instalar en cuatro horas , en auto.hwupgrade.it , 14 de septiembre de 2022.
  2. ^ M. Piliougine , A. Oukaja y M. Sidrach - de - Cardona, Coeficientes de temperatura de módulos fotovoltaicos de silicio cristalino degradado en condiciones exteriores , en Progress in Photovoltaics: Research and Applications , 9 de febrero de 2021, págs. pipas 3396, DOI : 10.1002 / pipas 3396 . Consultado el 19 de marzo de 2021 .
  3. ^ Memo - Renovables, ¿cuánto cuestan los subsidios? , sobre el Instituto Bruno Leoni . Consultado el 26 de diciembre de 2018 .
  4. ^ a b https://download.terna.it/terna/7-INTERNAZIONALI_8d869648fb04315.pdf .
  5. ^ el valor se obtiene considerando una potencia eléctrica máxima de un módulo fotovoltaico de aproximadamente 0,250 kW/m², una producción anual media de 1350 kWh y considerando que el consumo de electricidad en Italia (excluyendo la cantidad cubierta por energía procedente de fuentes renovables) es de sobre170  TWh
  6. ^ Datos de Terna
  7. ^ reporterre.net , https://reporterre.net/La-croissance-verte-est-une-mystification-absolue .
  8. ^ eur-lex.europa.eu , https://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=COM%3A2008%3A0699%3AFIN%3Aen%3APDF .
  9. ^ vaclavsmil.com , http://vaclavsmil.com/uploads/smil-article-IBL-20110923.pdf . Consultado el 25 de diciembre de 2018 .
  10. ^ OP 83. Una lección sobre la densidad de potencia , sobre el Istituto Bruno Leoni . Consultado el 24 de diciembre de 2020 .
  11. ^ Giovanni Brussato, ¿ENERGÍA VERDE? PREPARÉMONOS PARA EXCAVAR - Panorámicas - Piacenza , en edizionimontaonda.it . Consultado el 26 de junio de 2021 .
  12. ^ http://www.genitronsviluppo.com/fotovoltaico/lca-1.pdf
  13. ^ Producción de paneles fotovoltaicos. Con referencia a dos empresas italianas. -Impresa-Impresa Oggi , onimpresaoggi.com . Consultado el 26 de diciembre de 2018 .
  14. ^ http://www.genitronsviluppo.com/fotovoltaico/lca-2.pdf
  15. ^ Paula Sánchez - Friera , Michel Piliougine y Javier Peláez, Análisis de los mecanismos de degradación de los módulos fotovoltaicos de silicio cristalino después de 12 años de operación en el sur de Europa: Degradación de los módulos c-Si después de 12 años , en Progress in Photovoltaics: Research and Applications , vol. . 19, núm. 6, 2011-09, págs. 658–666, DOI : 10.1002/pip.1083 . Consultado el 19 de marzo de 2021 .
  16. ^ https://www.gse.it/documenti_site/Documenti%20GSE/Rapporti%20statistici/GSE%20-%20Fonti%20rinnovabili%20in%20Italia%20e%20in%20Europa%20-%202018.pdf .
  17. ^ Europa ( PDF ), en gse.it.
  18. ^ Estadísticas ( PDF ), en gse.it. Consultado el 25 de diciembre de 2020 .
  19. ^ Granja solar Desert Sunlight | First Solar , en firstsolar.com . Consultado el 15 de junio de 2015 .
  20. ^ Récord mundial fotovoltaico en los techos del CIS de Nola
  21. ^ https://online.wsj.com/article/PR-CO-20090210-907042.html
  22. ^ Copia archivada , en thestandard.com . Consultado el 9 de mayo de 2009. Archivado desde el original el 16 de agosto de 2009 .
  23. ^ Pérgola solar Barcelona
  24. ^ La mayor central fotovoltaica pública de Europa en Val Sabbia , en corriere.it . Consultado el 19 de octubre de 2011 (archivado desde el original el 6 de junio de 2016) .

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