Estado del arte de la tecnología

a) Módulos fotovoltaicos

Los módulos fotovoltaicos actualmente en el mercado están basados en el uso de silicio cristalino, concretamente, más del 80% del mercado está basado en silicio cristalino. La

producción internacional de módulos fotovoltaicos es del orden de 80 MWp/año (1995). Durante

los últimos años la producción se ha incrementado en un 15%, aproximadamente, por año. Los módulos de silicio cristalino pueden tener de 18 a 180 células por módulo, aunque los más habituales tienen sobre 30. El rango de potencias de salida va desde 26 W hasta 240 W (en

condiciones estándar: Temperatura de la célula: 25º C, Radiación: 1000 W/m2, AM: 1,5). La

eficiencia normal está entre un 11% a 13%. Las mejores eficiencias se encuentran entre 15%- 16%.

La mayoría de los módulos comerciales tienen un tiempo de vida de al menos 20 años. El tiempo de retorno de energía para la generación actual de módulos de silicio cristalino está en el rango de 2-6 años según se considere una región mediterránea o clima continental.

Los módulos de silicio amorfo disponibles comercialmente tienen eficiencias entre el 5 y el 6%. En estos el período de retorno de energía es de 1 a 3 años. Sólo son empleados en aplicaciones tales como calculadoras, luces de jardín, pequeñas lámparas para electrificación rural, etc.

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El incremento de eficiencia se traduce en un importante aumento de los costes, por este motivo, los fabricantes hacen esfuerzos paras conjugar estos dos factores contrapuestos. La figura siguiente presenta una línea como valor medio de las eficiencias encontradas en el mercado, así como proyecciones futuras (la eficiencia se expresa en condiciones estándar). Como resumen se puede decir que para los módulos de silicio monocristalino la eficiencia media puede considerarse del 12%, para policristalino es ligeramente menor, del orden del 10%.

Figura 1.10. Eficiencia de módulos fotovoltaicos (Ahmed, 94).

b) Pequeños aerogeneradores

Las turbinas eólicas utilizadas en producción de energía eléctrica descentralizada pertenecen al rango de pequeñas potencias, normalmente, menores a 10 kW. Las turbinas eólicas o aerogeneradores se suelen clasificar en potencias pequeñas, medias y altas, según la potencia nominal de salida sea menor a 100 kW, entre 100 kW y 750 kW, o superior, respectivamente. Actualmente el desarrollo tecnológico de los pequeños aerogeneradores está en clara desventaja respecto a los aerogeneradores de potencias medias. Esto es debido a diferencias de mercados y tecnologías derivadas de su aplicación, ya que, mientras los medianos se emplean casi exclusivamente para conexión a red, lo contrario sucede con los pequeños, que generalmente se utilizan para instalaciones aisladas.

Las instalaciones aisladas tienen como objetivo satisfacer la demanda a un coste atractivo para el usuario, en cambio las conectadas a red buscar maximizar el aprovechamiento del recurso eólico de un emplazamiento al menor coste posible. Además, la velocidad de giro de los aerogeneradores conectados a la red viene, en general, fijada por la frecuencia de la misma, mientras que los pequeños aerogeneradores deben poseer un sistema propio que controle la velocidad de giro.

Los pequeños aerogeneradores se emplean para aplicaciones como cargar baterías, bombeo de agua, etc. Comercialmente, la aplicación mayor es la de carga de baterías, con un rango de potencias de 25 a 150 W (rotores de 0.5 a 1.5 metros de diámetro). Se calcula en más de 200.000 las turbinas de este tipo instaladas actualmente en el mundo.

0 5 10 15 20 25 1973 1980 1986 1990 2000 2010 2020 2030 Año Eficiencia (%)

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La producción de pequeñas turbinas eólicas es probablemente del orden de 30 a 50 mil unidades por año. Las potencias más habituales son muy pequeñas, entre los 50 W y los 1.500 W, denominándose a estos aerogeneradores: “microgeneradores”. Los principales países fabricantes son Inglaterra (barcos y caravanas de ocio) y China (para criadores de ganado seminómadas en la región de Mongolia).

En la Unión Europea y Estados Unidos, se han registrado unos treinta fabricantes de pequeñas turbinas eólicas. Existe una gran dispersión en cuanto a la tecnología utilizada para los distintos componentes: rotor, generador, sistema de frenado, sistema de orientación, sistema de regulación de la velocidad de giro y torre; que es consecuencia de la falta de madurez tecnológica de algunos fabricantes presentes en el mercado (Cruz y Avia, 98, p. 13).

En el citado estudio se definen las características de un pequeño aerogenerador tipo existente en el mercado: “de eje horizontal, tripala a barlovento, con un generador síncrono de imanes permanentes, orientado por timón de cola y con regulación de la velocidad mediante cabeceo o cambio de paso pasivo, sistema redundante de frenado, uno de ellos de freno mecánico, se ofrece generalmente con diferentes tipos de torre soporte y alturas de buje”.

El futuro de la tecnología pasa por abaratar costes aumentando la fiabilidad, así como, conseguir modelos adaptados a las condiciones de funcionamiento de determinadas aplicaciones.

Para instalaciones que requieran alta fiabilidad no se suelen utilizar únicamente turbinas eólicas, sino instalaciones mixtas eólico-fotovoltaicas, y para potencias aún mayores se emplean instalaciones eólico-diesel.

c) Equipos eólico-diesel

Las aplicaciones potenciales de los sistemas híbridos son: ♦ Electrificación rural

◊ Doméstica (pequeños pueblos, comunidades rurales, etc.)

◊ Bombeo de agua y riego

◊ Granjas (producción de leche, etc.) ◊ Etc.

♦ Industrias y procesos específicos

◊ Desalinización de agua

◊ Producción de hielo

◊ Factorías de pescado

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Las configuraciones híbridas más importantes son:

• Eólico-diesel, dónde el acoplamiento entre el generador eólico y la carga implica una

control de operación específico para el grupo diesel

• Fotovoltaico-diesel, dónde el grupo diesel es diseñado principalmente para opciones

de reserva, apoyo o seguridad

• Fotovoltaico-eólico-diesel, dónde el grupo diesel es considerado como en el caso

anterior y, además, es necesaria una gestión muy optimizada de la carga

• Fotovoltaico-eólico, principalmente utilizado para cargas bajas en aplicaciones

remotas (por ejemplo, telecomunicaciones, etc.)

Estos y otros sistemas híbridos han sido probados y evaluados para las aplicaciones citadas. El resultado ha sido que, con la tecnología y el escenario económico actuales, el sistema más rentable económicamente es, en general, el primero. Sólo en ciertas ocasiones, para instalaciones de características específicas, son rentables el resto de sistemas. Por esta razón, en este estudio únicamente se considera la tecnología eólico-diesel.

En el escenario actual, los sistemas híbridos eólico-diesel son utilizados para suministrar electricidad a zonas muy aisladas con un consumo medio, rango de potencias desde 10 kW a 150 kW. El suministro convencional en estos casos, aparte de la conexión a red, es con grupos electrógenos. En España las instalaciones de este tipo más significativas son para bombeo desde pozo profundo hasta embalse situado a gran distancia y como fuente energética para una pequeña localidad alejada de la red eléctrica.

d) Reguladores

Los reguladores de carga pueden ser convertidores dc-dc situados en serie con la generación fotovoltaica y eólica. En el caso anterior, están basados en un interruptor de alta frecuencia, habitualmente 20 kHz o mayor, para minimizar el tamaño y peso de los componentes magnéticos y de los condensadores. Existen una multitud de reguladores disponibles comercialmente, pero todavía no se han establecido diseños optimizados.

e) Inversores

Las principales funciones del inversor son: convertir la tensión continua en alterna, obtener una forma de onda de salida adecuada y regular el valor efectivo de la tensión de salida. La tecnología para los interruptores de alta frecuencia, típicamente 20 kHz o más, está basada en transistores bipolares, MOSFETs y últimamente los IGBTs, que permiten frecuencias de hasta 50 kHz, lo que permite que el inversor tenga una señal de salida muy similar a la senoidal pura, con muy poco filtrado a la salida; esto elimina la necesidad de filtros voluminosos, caros y consumidores de energía. Los inversores tienen eficiencias del 90 al 96% a plena carga y del 85 al 95% para un 10% de la carga. Tienen una eficiencia decreciente de forma estabilizada con la disminución de carga debido a que sus pérdidas fijas son mayores que sus pérdidas resistivas.

En el caso de instalación fotovoltaica están diseñados para que la asociación de paneles opere continuamente cerca del punto de máxima potencia.

ELECTRIFICACIÓN RURAL Página 26 f) Baterías

Las baterías tienen una doble función en los sistemas aislados: la acumulación de la energía y la estabilización de la tensión de la instalación. Las más utilizadas son las de plomo-ácido, seguidas de las de níquel-cadmio. Las características de estas baterías se resumen en la tabla siguiente:

BATERÍAS Pb-ácido Ni-Cd

Tiempo de vida (ciclos) 600 – 1500 1500 - 3000 Eficiencia (%Ah) 83 - > 90 71% Auto descarga (mensual, %) 3 –10 6 - 20 Rango de operación -15 a + 50 -40 a 45

Tabla 1.2. Características de las baterías de acumulación empleadas en las instalaciones fotovoltaicas.

El almacenamiento de energía es uno de los “cuellos de botella” tecnológicos de los sistemas descentralizados (Aguado y Bontoux, 99, p. 41), por lo que es necesario seguir investigando para mejorar su funcionamiento, tiempo de vida y coste económico, entre otros factores.