¿Cómo Produce Electricidad un Sistema Fotovoltaico?

Como profesional de la energía solar, es importante ser capaz de explicar el proceso de cómo un sistema solar fotovoltaico produce electricidad. Este proceso parece misterioso para muchos y abundan los conceptos erróneos entre aquellos que no están familiarizados con la energía solar. En este artículo, volvemos a lo básico con una visión general de cómo las instalaciones solares proporcionan electricidad y cómo funciona el proceso para el cliente.

Comencemos con los fundamentos de cómo se produce la energía solar y luego entraremos en los detalles de los sistemas fotovoltaicos.

Los conceptos básicos de un sistema Solar Fotovoltaico

Los sistemas solares fotovoltaicos son esencialmente cualquier combinación de paneles solares, el hardware necesario para ayudar a que la energía fluya a través de los paneles e inversores.

Dependiendo del tipo de sistema, pueden utilizar inversores de cadena, microinvertidores o optimizadores de potencia para convertir la energía, pero la composición básica de la mayoría de los sistemas fotovoltaicos es la misma.

¿Cómo funciona la Energía Solar en un sistema fotovoltaico?

Los paneles solares convierten la energía de los fotones (partículas de luz) en electricidad (como discutimos en La Guía para Principiantes de Energía Solar). Este proceso se denomina efecto fotovoltaico.

Cuando un fotón golpea un dispositivo fotovoltaico( PV), su energía se transfiere desde el fotón a los electrones locales en el material. Estos electrones excitados comienzan a fluir, produciendo una corriente eléctrica.

Las células solares (dentro de paneles solares) producen electricidad de corriente continua (CC), que normalmente se convierte en electricidad de corriente alterna (CA) mediante un inversor. Esto permite que se devuelva a la red eléctrica, que funciona con electricidad de CA, así como que se use para alimentar electrodomésticos en el hogar del cliente (o edificio comercial, en el caso de instalaciones solares comerciales).

Esa es la explicación en profundidad. En resumen, el proceso de cómo funcionan los paneles solares implica tres pasos principales:

1. Las células solares dentro de los paneles solares absorben la luz del sol, lo que hace que comience a fluir una corriente eléctrica.
2. Un inversor convierte la electricidad de CC en electricidad de CA.
3. Esta electricidad se utiliza para abastecer las demandas de energía actuales en el edificio del cliente y el exceso de electricidad más allá de lo que el cliente puede usar se exporta a la red.

¿Qué sucede con la Energía que Produce un Sistema fotovoltaico?

La mayoría de los clientes de energía solar en los Estados Unidos tienen instalaciones solares conectadas a la red. Su hogar está conectado a la red eléctrica, lo que les permite usar la energía suministrada por su servicio eléctrico cuando necesitan más de lo que produce su instalación solar (como en un día lluvioso o de noche).

También significa que siempre que su sistema fotovoltaico produzca más de lo que necesita, el exceso de energía se puede enviar a la red para que otros lo usen.

Medición neta

Una póliza llamada medición neta, común en todo Estados Unidos, compensa a los clientes de energía solar por este exceso de energía, para que puedan compensar el costo de la electricidad futura que usan de la red.

La medición neta ha desempeñado un papel importante en la rentabilidad de la energía solar. Sin embargo, en todo el país, estamos empezando a ver algunos cambios en la forma en que las empresas de servicios públicos implementan la medición neta, muchos de los cuales reducen el valor que los clientes de energía solar reciben de sus instalaciones solares.

Tarifas de alimentación

Las tarifas de alimentación son otra forma de compensar a los clientes de energía solar por la electricidad que envían a la red en algunas áreas.

¿Cuáles son las Partes de un sistema fotovoltaico?

Un sistema fotovoltaico simple contiene dos tipos básicos de componentes:

• Módulos solares: Los módulos solares contienen células solares que convierten la luz solar en electricidad.
• Inversor (es): Un inversor convierte la corriente CONTINUA en corriente alterna. También puede realizar otras funciones que son beneficiosas para la red eléctrica (consulte nuestro artículo sobre inversores inteligentes, que ahora se requieren en California).

Diagrama de un sistema fotovoltaico simple. Fuente: Aurora Solar.

Componentes BOS

Es una práctica común referirse a todos los componentes de un sistema fotovoltaico además de los módulos como componentes de equilibrio de sistema (BOS). Ejemplos de componentes BOS incluyen inversores, desconexiones, estanterías y cableado.

Por supuesto, esto es solo un resumen básico de las partes de una instalación solar y cómo encajan entre sí. Explore algunos de nuestros artículos relacionados para profundizar en las formas en que los paneles solares y los inversores se pueden conectar entre sí (encordar) y algunas alternativas a los inversores tradicionales, conocidos como electrónica de potencia a nivel de módulo (MLPE).

Qué factores afectan la Eficiencia del sistema Fotovoltaico Solar

Es importante tener en cuenta que el proceso de producción de electricidad a partir de energía solar no es 100% eficiente. Los factores ambientales, como la temperatura, la suciedad y el sombreado, así como las pérdidas en los componentes eléctricos, pueden afectar la eficiencia de un sistema fotovoltaico. Las categorías de pérdida típicas incluyen:

• Temperatura: La eficiencia del panel solar varía con la temperatura. Las altas temperaturas tienen un impacto negativo en el rendimiento.
• Suciedad: El material que se acumula en la superficie de los paneles fotovoltaicos puede impedir que la luz llegue a las células solares, reduciendo así la energía generada. La pérdida de potencia debido a la suciedad es muy variable, dependiendo del tipo de suciedad (como polvo o nieve) y de la frecuencia con la que se limpia el panel.

La suciedad, como el polvo, en los módulos fotovoltaicos reduce la potencia de salida.

• Sombreado: El sombreado es la obstrucción de la irradiación debido a árboles, edificios, terrenos y otros objetos en el entorno. El efecto del sombreado en la potencia de salida de una instalación solar es muy variable. (Para obtener más información sobre las causas y consecuencias del sombreado, este artículo y esta sección de nuestra serie de pérdidas de sistemas fotovoltaicos son excelentes recursos.)
• Cableado y conexiones: La resistencia en las conexiones eléctricas de una instalación solar generalmente resulta en pérdidas de energía de un pequeño porcentaje.
• Desajuste: Debido a las variaciones de fabricación, los módulos del mismo tipo pueden tener características eléctricas ligeramente diferentes. Este desajuste entre módulos puede llevar a una pérdida de rendimiento.
• Eficiencia del inversor: La conversión de corriente continua en corriente alterna a través de un inversor suele ser de alrededor del 96-97% de eficiencia. Los inversores suelen tener una mayor eficiencia cuando la potencia de entrada de CC es alta. La eficiencia de conversión tiene un gran impacto cuando la potencia de entrada es mucho menor que la potencia nominal del inversor.
• Edad: Los paneles solares producen menos energía a medida que envejecen. Por lo general, se supone que la disminución del rendimiento es de alrededor del 0,5% anual.

Para una inmersión profunda en estas pérdidas, consulte nuestra serie de Pérdidas de sistemas fotovoltaicos.

Valores de eficiencia solar típicos para diferentes tipos de pérdida de sistemas fotovoltaicos.

Factor de reducción de potencia del sistema

Los factores anteriores se combinan en un coeficiente llamado factor de reducción de potencia del sistema para representar las pérdidas totales de una instalación solar. Por ejemplo, PVWatts, una calculadora de producción de energía del sistema fotovoltaico compatible con NREL, utiliza un factor de reducción de potencia del sistema predeterminado del 86%.

Sin embargo, dependiendo del diseño del sistema o de las condiciones ambientales, este valor puede ser mayor o menor. El software de diseño solar avanzado como Aurora puede garantizar que determine con precisión las pérdidas del sistema fotovoltaico y cuánta energía producirá su sistema fotovoltaico.

La eficiencia del panel solar (módulo) denota qué porción de irradiación convierte un módulo en electricidad en condiciones de prueba estándar (STC; irradiación de 1000W/m2, temperatura ambiente de 25°C). Como regla general, puede estimar la eficiencia de un sistema fotovoltaico en la conversión de irradiación en electricidad (bajo STC) utilizando la siguiente fórmula:

\ \ text{Eficiencia general del Sistema} = \text{Eficiencia del Módulo} \times \text {Factor de reducción}$$

Es importante tener en cuenta que estos son simplemente cálculos de la parte posterior del sobre. Para obtener un análisis integral de la producción de energía, necesita una aplicación de software, como Aurora, que incorpore todas las características ambientales, mecánicas y eléctricas de un sistema fotovoltaico.

Acerca de Solar PV Education 101

Cómo un sistema fotovoltaico produce electricidad es parte de Solar PV Education 101, una serie de seis artículos que sirve como introducción a los fundamentos de la energía solar fotovoltaica para principiantes.

Artículo 1: Guía para Principiantes de Energía Solar
Artículo 2: Cómo Produce Electricidad un Sistema Fotovoltaico
Artículo 3: Lectura de Su Factura de Electricidad: Guía para Principiantes
Artículo 4: Cómo Dimensionar un Sistema Fotovoltaico a partir de una Factura de Electricidad
Artículo 5: Pérdidas de Sombra para Sistemas Fotovoltaicos y Técnicas para Mitigarlas
Artículo 6: Los Principios Básicos que Guían los Costos del Sistema Fotovoltaico

Christian Brown