Promueve: Con el apoyo de: http://www.atecos.es/ PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS DESCRIPCIÓN Los paneles fotovoltaicos están constituidos por células de materiales semiconductores que producen energía eléctrica a partir de la radicación solar. Cada panel solar es un conjunto de módulos fotovoltaicos unidos entre sí mediante una conexión en serie y/o paralelo (Figura 1). Un módulo fotovoltaico es un conjunto de células fotovoltaicas unidas entre sí mayoritariamente en serie. Una célula fotovoltaica es un dispositivo con dos electrodos capaz de generar entre ellos una fuerza electromotriz por efecto de la radiación solar. Figura 1. Estructura de los paneles fotovoltaicos (EVE, 2005) PROPIEDADES Y CARACTERISTICAS El material predominante para la fabricación de células fotovoltaicas es el silicio pero también se puede encontrar en el mercado células con otro tipo de materiales como teluro de cadmio (sus componentes son tóxicos por lo que no tendrán mucho futuro), seleniuro de cobre e indio, arseniuro de galio, y las denominadas CdS con cobre. Dependiendo de la estructura interna del silicio pueden distinguirse tres tipos: o Silicio monocristalino: Es un buen semiconductor, por lo que es, de los tres, el que posee una mayor eficiencia. Se fabrican a base de lingotes puros de silicio (los mismos que los utilizados en la fabricación de chips electrónicos) por lo que tiene un proceso de fabricación más caro. o Silicio policristalino: Su fabricación es más ventajosa en costes ya que se fabrican a partir de la refundición de piezas de silicio monocristalino, pero al solidificarse el material se forman estructuras de cristal de diversos tamaños, en cuyos bordes surgen defectos. Estos defectos del cristal causan una menor eficiencia de las células fotovoltaicas respecto al anterior. -1– Documento procedente de ATECOS, http://www.atecos.es o Silicio Amorfo: El silicio amorfo, a diferencia de los anteriores, no tiene estructura cristalina y se obtiene a partir de la deposición de capas delgadas sobre vidrio por lo que es más económico que los anteriores. Sin embargo, su rendimiento es menor que el de las de silicio policristalino. La fabricación de los módulos fotovoltaicos exige un proceso tecnológico bastante complicado, puesto que la obtención del silicio requiere altas temperaturas y las células deben de ir encapsuladas en materiales especiales. A pesar de ello, el montaje de los módulos e instalación de paneles no tiene una excesiva complicación. TIPOS DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS 1. Módulos de células cristalinas Las células cristalinas que forman los módulos fotovoltaicos son unas obleas de 10x10cm aproximadamente, que normalmente son montadas y conectadas en el interior de un marco, con un vidrio en la cara anterior y un material plástico en la posterior, quedando así protegida y aislada de la intemperie. Esta es la configuración de la mayor parte de los módulos fotovoltaicos que se encuentran en el mercado. También este tipo de células pueden ser encapsuladas de diversas formas para una mayor integración en edificios. Un ejemplo de ello son los denominados módulos “vidrio-vidrio”, en los que las células se sitúan entre dos láminas de vidrio. La ventaja de este tipo de módulos es que permiten el paso de la luz tamizada entre las células cristalinas, produciendo un “efecto celosía”, lo que favorece su integración en el edificio y aumenta sus posibilidades de aplicación (Figura 2). Figura 2. Ejemplo de utilización de módulos vidrio-vidrio (AAE, 2009) 2. Módulos de capa fina En este caso se aísla una capa activa fotovoltaica semiconductora, que puede ser silicio amorfo, teluro de cadmio o seleniuro de cobre e indio, sobre cristal u otro material de sustrato. Estas células tienen un espesor tan bajo que son semitransparentes. -2– Documento procedente de ATECOS, http://www.atecos.es Este tipo de módulo es de uso habitual en instalaciones realizadas en proyectos de integración arquitectónica, ya que al poderse hacer flexibles suelen ser adaptables a distintas superficies y su aspecto uniforme resulta estéticamente muy atractivo. Al montar las células de capa fina sobre dos capas de vidrio el resultado es un vidrio semitransparente, de textura visual muy uniforme. Si a esto le unimos la posibilidad de utilizar células de diferentes colores tenemos un elemento arquitectónico de gran valor estético. También las células de capa fina pueden ser encapsuladas en otros tipos de soporte, incluyendo soportes flexibles. Un ejemplo de este tipo de aplicaciones es el montaje sobre membranas poliméricas dando como resultado una membrana impermeabilizante que puede ser utilizada en cubiertas como elemento de protección además de producir energía eléctrica. Figura 3. Ejemplo de utilización de módulos de capa fina (AAE, 2009) Los costes de producción de estas células se pueden reducir enormemente porque el material semiconductor se aplica en forma pulverizada y no precisa ser cortado, como en el caso de las tecnologías cristalinas. La eficiencia de las células de capa fina es, no obstante, muy inferior a la de los tipos de células cristalinas, a pesar de que tienen buen funcionamiento en condiciones de luz difusa (días nublados) y a temperaturas elevadas. Así, este tipo de módulo fotovoltaico es menos adecuado en situaciones en las que la maximización de la producción eléctrica sea la principal condición a satisfacer. VENTAJAS E INCONVENIENTES Las instalaciones solares fotovoltaicas en viviendas aisladas presentan grandes ventajas: • Son silenciosas, limpias y respetuosas con el medio ambiente. • Son sistemas sencillos y fáciles de instalar. • Requieren un mantenimiento pequeño y tienen gran vida útil. • Alta fiabilidad de los módulos fotovoltaicos, larga vida útil y bajos costes de mantenimiento. -3– Documento procedente de ATECOS, http://www.atecos.es • Rendimientos de conversión razonables obtenidos tanto de la radiación difusa como de la directa. • Una vez instalada tiene un coste energético nulo • Ingresos adicionales en el caso de las instalaciones conectadas a red. • Tecnología en rápido desarrollo que tiende a reducir el coste y aumentar el rendimiento. A pesar de las ventajas expuestas, generar electricidad utilizando tecnología fotovoltaica, es mucho más costoso que la generada con combustibles tradicionales. Por otro lado, la energía solar es una fuente discontinua; la demanda existente y la producción de energía no coincide completamente con la disponibilidad de radiación solar, con lo cual se necesitarán sistemas para la acumulación de la energía. DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y/O APLICACIÓN EXIGENCIAS DEL CTE El CTE, en su Documento Básico HE 5 Contribución fotovoltaica mínima de energía eléctrica, establece que es obligatorio instalar paneles solares fotovoltaicos en edificios de nueva construcción o en aquellos que se vayan a rehabilitar. La instalación de paneles fotovoltaicos es obligatorio en determinados edificios (Ej. hipermercados, centros de ocio, naves de almacenamiento, pabellones de recintos feriales…) en los que es necesario incorporar sistemas de captación y transformación de energía solar por procedimientos fotovoltaicos cuando superen unos límites de aplicación establecidos. Los valores derivados de esta exigencia básica tendrán la consideración de mínimos, sin perjuicio de valores más estrictos que puedan ser establecidos por las administraciones competentes y que contribuyan a la sostenibilidad, atendiendo a las características propias de su localización y ámbito territorial. DISEÑO, MONTAJE Y MANTENIMIENTO La cantidad de energía que se necesita acumular se calcula en función de las condiciones climáticas de la zona y el consumo de electricidad. El número de paneles a instalar debe calcularse teniendo en cuenta: o La demanda energética en los meses más desfavorables. o Las condiciones técnicas óptimas de orientación e inclinación, dependiendo del lugar de la instalación. Para optimizar el sistema es necesario calcular correctamente la demanda con el fin de no sobredimensionar la instalación. Conviene utilizar electrodomésticos e iluminación de bajo consumo, para que de esta manera el sistema sea más económico. -4– Documento procedente de ATECOS, http://www.atecos.es Para el cálculo de instalaciones fotovoltaicas, los criterios de diseño son diferentes: En instalaciones conectadas a red, se intenta maximizar la producción anual, orientando al sur y con la inclinación más favorable. Para instalaciones aisladas, el criterio debe ser para que produzca al máximo en el mes más desfavorable (diciembre, y así el resto del año tendrán como mínimo la energía calculada para el peor mes, cubriendo siempre las necesidades. La sección HE5 del CTE establece un dimensionado mínimo (potencia mínima a instalar) de módulos fotovoltaicos en un edificio atendiendo sus diversas características. Para calcular esta potencia mínima obligatoria de paneles fotovoltaicos en edificios, se aplica la expresión 2.1 incluida en el CTE, que depende de la zona climática donde se ubique, el tipo de uso del edificio, y de la superficie construida. Se consideran tres casos posibles de instalación de módulos fotovoltaicos en la edificación: a) General: los módulos se instalan en una estructura que les albergue y proporcione la inclinación y orientación óptimas para el funcionamiento de la instalación (Figura 4). Figura 4. Instalación general (EnerAgen, 2007) Figura 5. Superposición de módulos (AAE, 2009) b) Superposición de módulos: en este tipo de instalación la colocación de los módulos fotovoltaicos se realiza paralela a la envolvente del edificio. Se debe instalar una estructura sobre la envolvente del edificio que sustente los módulos fotovoltaicos. La inclinación y la orientación de los captadores será la propia de la envolvente del edificio (Figura 5). c) Integración arquitectónica: la integración solar fotovoltaica en edificios supone la sustitución de materiales convencionales de construcción por nuevos elementos arquitectónicos fotovoltaicos que actúen de sistema generador de electricidad y a la vez de cerramiento del edificio. Generalmente, una instalación fotovoltaica puede ser adaptada tanto a edificios existentes (rehabilitaciones) como a edificios de nueva construcción. A día de hoy existen numerosas posibilidades de integración solar fotovoltaica en edificios, y hasta el momento se han estado desarrollando unos tipos de aplicaciones pero, con el tiempo, éstas se irán ampliando según avance la tecnología fotovoltaica (Figura 6 y 7). Las aplicaciones más comunes de la integración fotovoltaica en edificios son las siguientes: -5– Documento procedente de ATECOS, http://www.atecos.es • Cubiertas: tejas solares, aislantes, etc. • Lucernarios • Pérgolas • Muros cortinas • Fachadas de doble piel • Revestimientos de fachadas • Protección con lamas o voladizos • Mobiliario urbano: barandillas de balcones, escaleras, toldos, parasoles y lamas de sombreado, entre otras. Figura 6. Paneles fotovoltaicos en parasoles (AAE, 2009) Figura 7. Paneles solares en fachada (AAE, 2009) Las instalaciones de paneles solares requieren un mantenimiento mínimo, y de carácter preventivo: o Hay que asegurarse que ningún obstáculo haga sombra sobre los paneles. o Hay que mantenerlos limpios, con las caras expuestas al sol. Se estima que los paneles fotovoltaicos tienen una vida útil superior a 30 años, éstos nunca dejan de producir electricidad, aunque su rendimiento puede disminuir ligeramente con el tiempo. Los paneles apenas requieren mantenimiento, basta con limpiarlos con algún producto no abrasivo cuando se detecte suciedad solidificada. EJEMPLOS DE APLICACIÓN Diversos ejemplos de aplicación de integración solar fotovoltaica en distintos tipos de edificaciones en FENERCOM (2009), AAE (2009), EnerAgen (2007). -6– Documento procedente de ATECOS, http://www.atecos.es REFERENCIAS TÉCNICAS Agencia Andaluza de la Energía, AAE (2009) La incorporación de la energía solar al proyecto arquitectónico. 81 pp. Asociación de Agencias Españolas de Gestión de la Energía, EnerAgen (2007) Energía Solar Térmica y Fotovoltaica en el marco del Código Técnico de la Edificación. Guías EnerAgen. 71 pp. D.G. de Industria, Energía y Minas, ASIF y Cámara Oficial de Comercio e Industria de Madrid (2004) Energía Solar Fotovoltaica en la Comunidad de Madrid. D.G. de Industria, Energía y Minas, Comunidad de Madrid. 99 pp. Fundación de la Energía de la Comunidad de Madrid, FENERCOM (2009) Guía de integración solar fotovoltaica. Consejería de Economía y Hacienda de la Comunidad de Madrid. 96 pp. Fundación MAPFRE y AEDHE Guía de uso industrial y comunitario de Energías Renovables. 222 pp. -7– Documento procedente de ATECOS, http://www.atecos.es