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Energía fotovoltaica: Sistemas de producción, componentes, configuración y acumulación de energía



Directamente unidos a una carga
 
Es el sistema más simple de todos. El generador fotovoltaico se une directamente a la carga, generalmente un motor de corriente continua. Se utiliza sobre todo en la bombas de agua. Por no existir baterías de acumuladores ni componentes electrónicos mejora la fiabilidad del sistema, pero resulta difícil mantener un desempeño eficiente a lo largo del día.
 
Sistema módulo-batería de acumuladores
 
Se puede utilizar un módulo fotovoltaico para reponer  simplemente la autodescarga de una batería que se utilice para el arranque de un motor, por ejemplo. Para eso se pueden utilizar los módulos de silicio amorfo o Monocristalino.
Otra importante aplicación en que el sistema fotovoltaico se une de forma directa a la batería es en sistemas de electrificación rural de baja potencia. En estos casos se utilizan uno o dos módulos de silicio Monocristalino de 30 células, cada uno unido en paralelo para alcanzar la potencia deseada.

 
Sistema fotovoltaico, batería y regulador

Es la configuración utilizada con módulos de 33 o 36 células en la cual se une el generador fotovoltaico a una batería a través de un regulador para que ésta no se sobrecargue. Las baterías de acumuladores alimentan cargas en corriente continua.
 
Batería, inversor

Cuando se necesitar energía en corriente alterna se puede incluir un inversor. La potencia generada en el sistema fotovoltaico podrá ser transformada integralmente en corriente alternad o se podrán alimentar simultáneamente cargas de corriente continua (C.C.) y de corriente alterna (C.A.)
 
Reguladores de carga de baterías
 
Existen diversos tipos de reguladores de carga:
La concepción más simple es aquella que consta de una sola etapa de control. El regulador monitoriza constantemente la tensión de la batería de acumuladores. Cuando la tensión referida alcanza un valor para el cual se considera que la batería se encuentra cargada (aproximadamente 14.1 voltios para una batería de plomo ácido de 12 voltios nominales) el regulador interrumpe el proceso de carga. Esto puede ser conseguido abriendo el circuito entre los módulos fotovoltaicos y la batería (control tipo serie) o cortocircuitando los módulos fotovoltaicos (control tipo shunt). Cuando el consumo hace que la batería comience a descargarse y por tanto a bajar su tensión, el regulador reconecta el generador a la batería y recomienza el ciclo.
En el caso de reguladores de carga cuya etapa de control opera en dos pasos, la tensión de carga a tope de la batería puede ser algo superior a 14,1 voltios.
El regulador es definido al especificar su nivel de tensión (que coincidirá con el valor de tensión del sistema) y la corriente máxima que deberá manejar.
Para ilustrar con un ejemplo simple, supóngase que se tiene que alimentar una habitación rural con consumo en 12 Vcc. y para eso se utilizan dos módulos fotovoltaicos.
La corriente máxima de estos módulos es Imp = 2,75 A y la corriente de cortocircuito Icc = 3 A. Cuando los módulos están en paralelo la corriente total máxima que deberá controlar el regulador será I total = 2 x 3 A =6 A. Se considera la corriente de cortocircuito para contemplar la peor situación. El regulador a escoger, por tanto, deberá estar concebido para trabajar a una tensión de 15 voltios (tensión de trabajo de los módulos) y manejar una corriente de 6 A.

Baterías de acumuladores

La función prioritaria de las baterías en un sistema de generación fotovoltaico es acumular la energía que se produce durante las horas de luminosidad a fin de poder ser utilizada a la noche o durante periodos prolongados de mal tiempo.
Otra importante función de las baterías es proveer una intensidad de corriente superior a aquella que el dispositivo fotovoltaico puede entregar. Es el caso de un motor, que en el momento del arranque puede exigir una corriente de 4 a 6 veces su corriente nominal durante unos pocos segundos.
Interacción entre módulos fotovoltaicos y baterías
Normalmente el banco de baterías de acumuladores y los módulos fotovoltaicos trabajan en conjunto para alimentar las cargas.
La figura siguiente muestra como se distribuye la entrega de energía a la carga a lo largo del día. Durante la noche toda la energía pedida por la carga es suministrada por el banco de baterías. En horas matutinas los módulos comienzan a generar, pero si la corriente que suministran es menor que la que la carga exige, la batería deberá contribuir. A partir de una determinada hora de la mañana la energía generada por los módulos fotovoltaicos supera la energía media demandada. Los módulos no solo atenderán la demanda, sino que además el exceso será almacenado en la batería que comenzará a cargarse y a recuperarse de la descarga de la noche anterior. Finalmente durante la tarde, la corriente generada disminuye y cualquier diferencia en relación a la demanda será entregada por la batería. Durante la noche, la producción es nula y todo el consumo viene de la(s) batería(s) de acumuladores.

 
Tipos de baterías de Acumuladores

Baterías de plomo-ácido de electrólito líquido

Las baterías de plomo-ácido se utilizan ampliamente en los sistemas de generación fotovoltaicos. Dentro de la categoría plomo-ácido, las de plomo-antimonio, plomo-selenio y plomo-calcio son las más comunes.
La unidad de construcción básica de una batería es la célula de 2 voltios. Dentro de la célula, la tensión real de la batería depende del su estado de carga, si está a cargar, a descargar o en circuito abierto. En general, la tensión de una célula varía entre 1,75 voltios y 2,5 voltios, siendo la media cerca de 2 voltios, tensión que se acostumbra llamar nominal de la célula.
Cuando las células de 2 voltios se unen en serie (POSITIVO A NEGATIVO) las tensiones de las células se suman, obteniéndose de esta manera baterías de 4, 6,12 voltios, etc. Si las baterías estuvieran unidas en paralelo (POSITIVO A POSITIVO Y NEGATIVO A NEGATIVO) las tensiones no se alteran, pero se suman sus capacidades de corriente. Sólo se deben unir en paralelo baterías de igual tensión y capacidad.
Se puede hacer una clasificación de las baterías en base a su capacidad de almacenamiento de energía (medida en Ah a la tensión nominal) y a su ciclo de vida (número de veces que la batería puede ser descargada y cargada a tope antes de que se agote su vida útil). La capacidad de almacenamiento de energía de una batería depende de la velocidad de descarga. La capacidad nominal que la caracteriza corresponde a un tiempo de descarga de 10 horas. Cuanto mayor sea el tiempo de descarga, mayor será la cantidad de energía que la batería proporciona. Un tiempo de descarga típico en sistemas fotovoltaicos es 100 hs. Por ejemplo, una batería que posea una capacidad de 80 Ah en 10 hs (capacidad nominal) tendrá 100 Ah de capacidad en 100 hs.
Dentro de las baterías de plomo-ácido, las denominadas estacionarias de bajo contenido de antimonio son una buena opción en sistemas fotovoltaicos. Poseen unos 2500 ciclos de vida cuando la profundidad de descarga es del 20 % (o sea, que la batería estará con 80 % de la su carga) y unos 1200 ciclos cuando la profundidad de descarga es de 50 % (batería con 50 % de su carga). Las baterías estacionarias poseen, además, una baja auto-descarga (3 % mensual aproximadamente contra un 20 % de una batería de plomo-ácido convencional) y un mantenimiento reducido. Dentro de estas características también se encuadran las baterías de plomo-calcio y plomo-selenio, que poseen una baja resistencia interna, valores despreciables de gasificación y una baja autodescarga.

Baterías selladas

-Gelificadas
Estas baterías incorporan un electrólito de tipo gel, con consistencia que puede variar desde un estado muy denso al de consistencia similar a una gelatina. No se derraman, se pueden montar en casi todas las posiciones y no admiten descargas profundas.
-Electrólito absorbido
El electrólito se encuentra absorbido en una fibra de vidrio microporoso o en un trenzado de fibra polimérica. Tal como las anteriores no derraman, se montan en cualquier posición y admiten descargas moderadas.
Tanto estas baterías como las Gelificadas no exigen mantenimiento con aporte de agua y no desprenden gases, evitando el riesgo de explosión, pero ambas requieren descargas poco profundas durante su vida útil.

Níquel-Cadmio

Las principales características son :
1.    El electrolito es alcalino.
2.    Admiten descargas profundas de hasta el 90% de la capacidad nominal.
3.    Bajo coeficiente de autodescarga.
4.    Alto rendimiento bajo variaciones extremas de temperatura.
5.    La tensión nominal por elemento es de 1,2 voltios.
6.    Alto rendimiento de absorción de carga (superior a 80%).
7.    Precio muy elevado en comparación con las baterías ácidas.
Tal como las baterías de plomo-ácido, estas se pueden obtener en las dos versiones: standard y selladas. Se utiliza la más conveniente conforme a las necesidades de mantenimiento admisible para la aplicación prevista. Dado su alto precio, no se justifica su utilización en aplicaciones rurales.