Los paneles solares son dispositivos que aprovechan la energía que nos llega a la tierra en forma de radiación solar, el componente principal de los paneles solares son las células de silicio, las células de silicio es el componente base de los paneles solares.
Haciendo una gran división podemos decir que tenemos dos clases distintas de paneles solares dependiendo del uso que le queramos dar principalmente, los paneles solares para el calentamiento del agua generalmente para uso domestico o colectores solares, estos paneles solares son los que podemos ver principalmente en los tejados de nuestras casas y edificios, a través de un circuito cerrado calientan agua que es almacenada en un depósito para su posterior uso domestico. A partir de Enero de 2007 la instalación de estos colectores solares será de uso obligatorio en España para todos los edificios de nueva construcción, esto dará un impulso de una magnitud enorme al mercado de los paneles solares en España
La otra parte de la división lo tenemos en los paneles solares fotovoltaicos estos paneles están destinado a la producción de energía solar a partir de las células de silicio, su uso principal se da para instalaciones aisladas a la red, en las cuales las llegada de la red eléctrica general se hace complicada o imposible, un uso que se está haciendo de forma muy masiva de los paneles solares son las plantas solares dedicados a la producción eléctrica de forma fotovoltaica.
España ha tenido a lo largo del 2006 un serio desabastecimiento de paneles solares a pesar de ser uno de los principales fabricantes de paneles solares a nivel mundial, esto es debido a que el silicio a pesar de ser un componente muy común dentro de la naturaleza tiene que sufrir un proceso complejo para poder fabricarse con él las células solares fotovoltaicas capaces de convertir la radiación solar en energía eléctrica, esto proceso en la actualidad solo se hacen en 5 fabricas en todo el panorama mundial y ninguna de ellas radica en España, es este motivo por el cual muchas organizaciones ecologistas exigen al gobierno español la construcción de una fábrica de células solares capaz de abastecer al mercado español, por otro lado la fuerte demanda de algunos países que están apostando de manera seria y fuerte por las energías limpias como es el caso de Alemania, hace se produzcan serios desabastecimientos de los paneles solares.
El principal productor de paneles solares a nivel mundial es Japón en España podríamos destacar a la empresa Isofoton como principal fabricante de paneles solares en España.
Paneles solares híbridos
Hasta ahora conocíamos dos tipos de paneles solares para el aprovechamiento de la energía solar, los módulos fotovoltaicos para producir electricidad y los colectores o paneles térmicos para agua caliente. Ambos sistemas son totalmente independientes y diferentes.
Es un hecho cierto que los paneles fotovoltaicos son enemigos del calor, como ya habréis visto en las hojas de características de los fabricantes, la potencia del panel esta especificada en base a unas condiciones de prueba estándar, (Irradiación 100 mW/cm2, temperatura de la célula 25ºC, masa de aire de 1,5, etc.). En la vida real, la temperatura de la célula es muchísimo más elevada, con lo cual la eficiencia de las células cae al aumentar la temperatura, reduciendo la potencia del panel aproximadamente un 15%. (TK=-0.44% ºC)
Lo mencionado anteriormente a modo de introducción es algo que casi todos conocemos, pero ¿existe otra alternativa? La respuesta es sí.
En la Oficina Española de Patentes y Marcas está registrado un invento llamado “Panel Solar Híbrido”, dicho invento es un panel que integra la energía solar fotovoltaica y Térmica en un único Panel Solar.
En el Panel Solar Híbrido, utilizado en edificaciones, el calor existente en las células fotovoltaicas, que era un problema, es transferido a un absolvedor de temperatura integrado en su parte posterior, el serpentín o similar del absolvedor es recorrido por un fluido calor-portante. Dicho fluido llega al intercambiador de calor del acumulador de agua caliente, donde cede su energía solar térmica para ser usada en A.C.S. u otros usos. Con este sistema conseguimos aumentar la producción de electricidad un 15% y reducir el espacio necesario para instalar ambos sistemas, ya que obtenemos una cogeneración, mediante la cual se obtiene simultáneamente energía eléctrica y energía solar térmica útil.
El Panel Solar Híbrido usado en Huertas Solares funciona de una forma similar, pero se sustituye el acumulador de agua por un sistema de refrigeración basado en radiadores que enfrían el fluido calor-portante por convección de aire. De esta forma el Panel Solar Híbrido se usa como un Panel Solar Fotovoltaico Refrigerado, concentrando su función en la producción de electricidad.
La vida útil de la instalación es más prolongada debido a que la temperatura de trabajo de los Paneles es más baja.
El Panel Solar Híbrido usado en Huertas Solares funciona de una forma similar, pero se sustituye el acumulador de agua por un sistema de refrigeración basado en radiadores que enfrían el fluido calor-portante por convección de aire. De esta forma el Panel Solar Híbrido se usa como un Panel Solar Fotovoltaico Refrigerado, concentrando su función en la producción de electricidad.
La vida útil de la instalación es más prolongada debido a que la temperatura de trabajo de los Paneles es más baja.
Introducción a los Paneles solares híbridos
El presente proyecto de investigación persigue dos objetivos fundamentales relacionados con la mejora de la eficiencia energética de los paneles solares fotovoltaicos. Por una parte incrementar la eficiencia fotovoltaica y al mismo tiempo y en el mismo espacio obtener A.C.S.
El sistema desarrollado consta principalmente de un absolvedor formado por una pletina de cobre, aluminio o cualquier otro material con buena conductividad térmica sobre la cual se ha soldado un serpentín o sistema similar, para formar todo ello un absolvedor de calor refrigerado por un líquido calor-portante. Este absolvedor estará adosado a la parte posterior de un panel fotovoltaico, con el fin de disminuir la temperatura en sus células, en los diodos de protección y bypass que forman el panel.
Con todo ello se pretende conseguir un incremento notable en la eficiencia de los paneles solares, que se prevé sea superior al 15% sobre la potencia de pico suministrada por el panel F.V. Este incremento de potencia es muy significativo, ya que la eficiencia conseguida en los paneles que se comercializan actualmente está situada entre el 15% y el 25%.
Este sistema desarrollado refrigera las células solares incrementando notablemente la eficiencia en la producción de energía eléctrica. El calor absorbido del panel es conducido a un acumulador de agua caliente, para utilizarlo en un sistema de A.C.S., calefacción, etc.…
De todos es conocida la estrecha relación que existe entre la temperatura y cualquier sistema basado en la electricidad; pero, ¿realmente le damos la importancia que tiene? Los Transformadores de alta tensión indican en su placa de características que se ha de reducir la potencia en un tanto % a partir de cierta temperatura, los motores eléctricos disminuyen su eficiencia cuando se calientan, las baterías para almacenamiento de electricidad, las células fotovoltaicas, los alternadores de las grandes centrales productoras de electricidad; todo lo que tiene relación con la electricidad está sometido a los efectos negativos del incremento de la temperatura. En valores porcentuales la pérdida de potencia de un sistema eléctrico es algo considerable, pero si adoptamos una visión más amplia y lo vemos a nivel global, podremos intuir la perdida de muchos giga vatios por efectos de la temperatura.
Lo mencionado anteriormente, es algo que la física conoce, pero en tiempos de abundancia energética, se desprecia. Entramos en nuevos tiempos en los cuales el problema energético se agudizará. Si somos responsables, si nos preocupa el futuro del planeta, de nuestros hijos y sus descendientes; deberíamos empezar a pensar en cómo exprimir cada vatio de potencia en cualquier sistema productor o consumidor de energía, mejorando la eficiencia de los mismos y tomando una actitud responsable de su consumo.
La mayor parte de estos problemas se solventaran cuando lleguen los superconductores a temperatura ambiente, pero mientras esto no acontezca pensemos…
1.1.- Planteamiento del problema:
El rendimiento de las células fotovoltaicas que se comercializan en la actualidad está comprendido entre un 15% y un 25%, es decir, que sólo una pequeña parte de la energía lumínica se aprovecha realmente en forma de energía eléctrica. Este rendimiento es menor cuanto más alta es la temperatura.
El aumento de temperatura en las células supone un incremento en la corriente, pero al mismo tiempo una disminución mucho mayor, en proporción, de la tensión. El efecto global es que la potencia del panel solar disminuye al aumentar la temperatura de trabajo del mismo. Una radiación de 1.000 W/m2 es capaz de calentar un panel al menos 30 grados por encima de la temperatura del aire circundante, lo que reduce la tensión en 2 mV/ (célula*grado) * 36 células * 30 grados = 2,16 Voltios y por tanto la potencia en un 15%.
Por otra parte, actualmente para instalar energía solar fotovoltaica y térmica, requiere dos instalaciones completamente independientes en el lugar de captación que habitualmente será en la cubierta de los edificios; esto implica tener que disponer de más superficie para realizar ambas instalaciones. El Instituto para la Diversificación y
Ahorro de Energía calcula que por cada vivienda (cuatro personas, 100 m2) hacen falta uno o dos metros cuadrados de paneles.
El impacto medioambiental y visual, aunque pequeño, también es un dato a tener en cuenta, ya que si vemos una instalación aislada, no es significativo, pero si lo vemos desde un punto de vista más generalizado, podría recordarnos los bosques de antenas que veíamos en los tejados no hace mucho tiempo, hasta la entrada en vigor de la ley sobre las Infraestructuras Comunes de Telecomunicaciones, (I.C.T.).
El presente proyecto pretende aportar alguna solución viable a los problemas planteados.
Después de haber visto la relación directa entre temperatura y eficiencia energética de los paneles solares se ha indagado en Internet, libros, revistas especializadas, bases de datos en oficinas de patentes, y se ha comentado el problema con profesionales del sector, no encontrando ninguna solución técnica que solvente el problema de la temperatura en los paneles fotovoltaicos, que por otra parte es inherente a la propia energía solar.
Si bien es cierto que en las instalaciones fotovoltaicas es recomendable situar los paneles en lugares bien ventilados, para paliar los efectos negativos de la temperatura sobre las células fotovoltaicas, también es cierto que se está desaprovechando la energía en forma de calor que existe en las mismas.
Por otra parte la idea de integrar energía solar fotovoltaica y térmica en un mismo panel es un concepto novedoso, y que merece la pena investigar, ya que conllevaría las siguientes ventajas:
o Menos superficie necesaria para instalar energía fotovoltaica y térmica.
o Menos residuos alcanzado el fin de la vida útil de la instalación.
o Incremento de al menos un 15% en la producción de electricidad.
o Obtención de agua caliente para usos sanitarios, calefacción, etc.…
o Prolongación de la vida útil de los paneles solares.
o Reducción de la radiación solar reflejada.
Paneles solares híbridos, objetivos
Los objetivos que se pretenden alcanzar son los siguientes:
1. Aumentar el rendimiento de un panel solar fotovoltaico en un 15%
2. Obtener A.C.S. a partir del calor absorbido del panel fotovoltaico.
3. Reducir la superficie necesaria para obtener electricidad y A.C.S simultáneamente.
4. Aprovechar al máximo la radiación solar por metro cuadrado.
5. Incrementar la vida útil de las instalaciones fotovoltaicas
(a) El aumento de la eficiencia se deberá a la reducción del factor de degradación por efectos de la temperatura sobre las células fotovoltaicas. (Se mejora la zona de transición para la curva I-V)
(b) El calor extraído de las células será transferido al absolvedor que será el generador A.C.S.
(c) Al ser el mismo captador se reducirá a la mitad la superficie necesaria.
(d) Se producirá una cogeneración aprovechando la energía en forma de electricidad y calor.
(e) Los semiconductores que forman las células operarán a temperaturas más bajas y por lo tanto más idóneas, debido a las propiedades intrínsecas del silicio.
Sistema de hipótesis.
En este apartado se mostrarán algunas posibles variantes al modelo estudiado.
Sería ideal fabricar paneles fotovoltaicos con el absolvedor integrado, montando directamente las células fotovoltaicas, sobre la superficie del propio absolvedor, disminuyendo de esta forma las perdidas en la transferencia de calor al mismo. También sería ideal montar dichos paneles en una carcasa, similar al utilizado actualmente para la energía solar térmica, con esto se conseguiría un incremento de la temperatura en el panel por el efecto invernadero generado en su interior; obteniendo más temperatura en el liquido refrigerante, y por lo tanto mayor eficiencia en el sistema térmico. Un automatismo de bajo coste basado en micro controladores programables, supervisaría constantemente la temperatura de las células, controlando la circulación de líquido calor-portante a través del intercambiador situado en el acumulador de calor o desviándolo al radiador refrigerado por aire, cuando la temperatura en el acumulador se igualase con la existente en las células.