Sistema de Energía Solar Fotovoltaica para Autoconsumo e Inyección a Red

Un sistema de energía solar fotovoltaica para autoconsumo, es aquel que mediante una serie de elementos nos permite captar y transformar la radiación solar en energía eléctrica, así mismo almacenar para las horas sin sol, mayor consumo o baja radiación. ¿Que elementos solares son necesarios? y ¿cual es su función?.


- Placa o modulo solar Fotovoltaica (FV): El modulo solar es el encargado de captar la radiación solar y convertirla en corriente continua, esta compuesto de obleas solares de silicio poli-cristalino, mono-cristalino o amorfo (según aplicación), interconectadas entre si eléctricamente en serie o paralelo dentro de un marco de aluminio y cristal (vidrio) bajo en hierro, conformando lo que es un panel solar. Debido a que las placas solares producen corriente continua, es necesario pasarla a corriente alterna, con el fin de poder almacenar para auto-consumo, consumo directo o inyección a la red eléctrica.

- Inversor u Ondulador: Su función es, convertir la corriente continúa suministrada por los paneles solares fotovoltaicos en corriente alterna para poder hacer uso de los electrodomésticos o almacenaje en baterías, así como la de regular el voltaje de las baterías al de la vivienda. En el caso de inyectar a la red eléctrica, el inversor no solo adapta de continua a alterna sino que también adapta la carga a la máxima potencia disponible en el generador fotovoltaico. Así mismo el inversor deberá garantizar: Protección a las baterías frente a sobrecargas y sobredescargas, debe ser capaz de entregar la potencia nominal de forma continuada, respetando los rangos dados por el fabricante, arrancar y operar todas las cargas especificadas en la instalación, especialmente aquellas que requieren elevadas corrientes de arranque (TV, motores, etc.), sin interferir en su correcta operación ni en el resto de cargas. Los inversores que se encuentran en el mercado, en su mayoría incorporan protecciones eléctricas y regulador de carga, sin embargo en el caso de no disponer, se puede instalar regulador de carga externo.

Componentes necesario para instalación fotovoltaica para autoconsumo

- Regulador de carga: En el caso de no estar incorporado en el inversor, es necesario incluir dentro de la instalación, es el encargado de controlar la carga y descarga de las baterías y evitar sobredescargas y sobrecargas. . Las intensidades máximas de entrada y salida del regulador adecuado para cada aplicación dependerán de la corriente de máxima que pueda producir el sistema de generación fotovoltaico para la entrada y la corriente máxima de las cargas para la salida. 

- Baterías solares: La función principal de las baterías solares, es la de almacenar los excedentes de energía durante las horas de mayor radiación (día) para ser inyectado a la red eléctrica de la casa en las horas de menor radiación (noche) o mayor consumo, suministrar una potencia instantánea superior a la que puede generar, mantener una tensión estable, ya que la tensión a la que sale del panel solar varia en función de la intensidad solar. Estas baterías se encuentran en versiones de 4V hasta 24V y están diseñada para soportar niveles de descarga profundos durante muchos ciclos de carga y descarga, normalmente se emplean batería que ofrezcan una autonomía de 5 días.

La potencia necesaria en una instalación solar fotovoltaica para el autoconsumo depende desde luego del consumo, el cual va en función del número de electrodomésticos en la vivienda, la potencia y la frecuencia de uso, por eso la importancia de que la iluminación y electrodomésticos, tenga una calificación energética alta, esto nos reducirá considerablemente el consumo, reducirá el tamaño de nuestra instalación y nos ofrecerá una mayor cobertura solar. Normalmente este tipo de instalaciones se combinan con mini-eólica para ampliar cobertura renovable y teniendo en cuenta de que una instalación solar en la mayoría de los casos no puede cubrir el 100% de las necesidades eléctricas del edificio o vivienda, es necesario un apoyo, es decir; estar conectado a la red eléctrica o disponer de un generador eléctrico. Este tipo de instalaciones, cobra mayor valor en lugares alejados de la red eléctrica, iluminación en carreteras, avisos o en lugares con un sistema eléctrico deficiente, como lo es el caso de poblaciones alejadas o subdesarrolladas; sin embargo dado el incremento en la tarifa eléctrica en los últimos años, ha hecho viable su aplicación en lugares que ya disponen de suministro eléctrico, gracias al ahorro y estabilidad (económica) energética que ofrece el sistema, hay que tener en cuenta que la energía al igual que las acciones de la bolsa, varía su precio en función de la especulación y los acuerdos establecidos con los políticos, por lo cual la seguridad en el suministro y el coste de la electricidad es bajo.

Lastimosamente la política actuando en función de sus intereses y atacando directamente al ciudadano, no da mucha esperanza al sector de la energía solar fotovoltaica.

Por otro lado las instalaciones conectadas a la red. En este caso la corriente eléctrica generada por una instalación fotovoltaica puede ser vertida a la red eléctrica como si fuera una central de producción de energía eléctrica. El productor sigue comprando la energía eléctrica consumida y por separado venderá lo producido. La potencia va en función a la normativa, disponibilidad de inversión, espacios, etc. Este tipo de instalaciones disponen de contadores para medir la energía producida y enviada a la red.

Instalación fotovoltaica conectada a la red

La vida de los sistemas fotovoltaicos garantiza un periodo de funcionamiento largo. Se estima que la vida de un módulo es de unos 30 años, y su rendimiento después de 25 años de uso está por encima del 80%. ¡ E incluso se pueden reciclar ya que los materiales utilizados (silicio, cristal, aluminio, etc.) pueden ser reutilizados!

Esquema Instalación Fotovoltaica para Autoconsumo

¿Que son las Energías Renovables?

Se denomina Energías renovables a las fuentes de energía que se pueden aprovechar del medio natural, son sustentables (si proviene de una fuente limpia y con bajas emisiones) e inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que contienen o porque son capaces de regenerarse por medios naturales.

Estas fuentes  renovables, respetan el medio ambiente pero no están absentas de crear un impacto ambiental negativo, sólo que es muy inferior si se les compara con los impactos ambientales de las energías convencionales (combustibles fósiles: petróleo, gas, carbón y energía nuclear). 

Entre más se desarrolla una sociedad más necesita de energía y mayor son las emisiones de Co²; El problema es el calentamiento global y que las energías convencionales se agotan año tras año. Se prevé que para el 2050, sino se hace un mejor uso de la energía, el consumo de los países de desarrollados y el crecimiento de los países subdesarrollados hará que se multiplique por cuatro el consumo energético haciendo de las energías renovables indispensables para el desarrollo sostenible. Las diferentes fuentes de energía renovable disponibles son:

1.) El calor de la tierra: Energía Geotérmica: Como su nombre lo indica, consiste en el aprovechamiento de la energía en el interior de la tierra y se utiliza según la disponibilidad del recurso y las diferentes capas de trabajo. Se clasifica de la siguiente manera:

Principio de funcionamiento

1.1.) Geotermia de muy baja entalpía: Consiste en el aprovechamiento de la Geotermia solar, es decir a poca profundidad, de 50 a 200 mts en captación geotérmica vertical y de 0,80 a 2 mts en captación geotérmica horizontal, donde podemos encontrarnos temperaturas de 15ºC a 18ºC que empleamos para mejorar el rendimiento de una Bomba de Calor Geotérmica de alta eficiencia, que mediante tuberías que pueden ser de polietileno, acero inoxidable, cobre o Pe-Xa, por donde circula un fluido calo-portador, aprovechando la estabilidad y gran inercia térmica del subsuelo para la producción de agua caliente sanitaria, calefacción, climatización de piscinas cubiertas y enfriamiento. Aplica en lugares donde normalmente haya demanda de calor o frío-calor pero nunca en aplicaciones de solo frío.

Principio de funcionamiento geotermia de baja entalpía

1.2.) Geotermia de Baja Entalpía: El aprovechamiento de calor es directo debido a las temperaturas a las que se encuentra el recurso geotérmico que en este caso van desde los 80 ºC a los 150 ºC y su utilización es para Agua Caliente Sanitaria, calefacción y otro tipo de consumos como por ejemplo, desengrasado

de piezas, en definitiva todo tipo de aplicación que requiera esas temperaturas de trabajo. Se emplea una red de distribución para calentar una ciudad o parte de ella (Distric Heating). El calor se suministra desde una central Geotérmica y se distribuye en forma de vapor o agua desde la central hacia el punto de demanda de energía calorífica. 

Principio de funcionamiento

1.3.) Geotermia de Alta Entalpía: Aplica en el caso de que se presenten aguas entre 150 a 300 ºC. o en lugares donde se encuentre roca caliente que se pueda estimular. En ambos casos se aprovecha el vapor de agua para mover dinamos y turbinas que generan electricidad. Si el lugar de explotación dispone de vapor de agua la extracción es relativamente sencilla, en el caso de roca caliente hay que estimular la misma con agua, que puede ser las ya utilizadas por la ciudad más cercana.

2.) Biomasa: Abarca todas las fuentes de energía obtenida de la materia orgánica, transformada mediante un proceso biológico espontáneo o provocado. En otras palabras, abarca todo tipo de energía que proviene de un animal, planta, bacteria, etc. y por lo regular produce gases de efecto invernadero. Existe un aprovechamiento sustentable de la biomasa, como la que aprovecha los recursos forestales y agrícolas no alimentarios, procedentes de podas o actividades

Ciclo biomasa

agrarias para producción sin embargo es contaminante. El etanol también es un tipo de biomasa ya que proviene del maíz u otras plantas; aunque se considera una alternativa más limpia que el petróleo y otros combustibles fósiles, también contamina el aire - además, contribuye a la deforestación y la contaminación genética de las hortalizas - por lo tanto no todos lo consideran una fuente de energía deseable. Un ejemplo más sustentable es el biogas: gas producido mediante la actividad de bacterias durante la descomposición de material orgánico, el cual se puede aprovechar de los vertederos.

3.) El sol: Energía solar térmica: Es el aprovechamiento de la radiación proveniente del sol, sin más, la captación activa de la radiación solar se hace mediante diferentes tipos de tecnología con las que se puede producir calor, bien sea para producción de agua caliente sanitaria, calefacción, frío solar e incluso electricidad, es una fuente disponible y utilizada desde hace siglos por los seres pero a pesar de haber evolucionado la tecnología, los impedimentos politicos e intereses económicos de unos pocos con el monopolio de la energía ha impedido una evolución natural de esta tecnología. Los colectores solares son los siguientes:

3.1.) Colector solar plano de muy baja temperatura: Son sencillamente una parrilla de tuberías de polietileno negro especifico interconectados entre sí, sin carcasa, ni aislamiento térmico, por la cual circula agua, su aplicación normal son las piscinas descubiertas o cubiertas, ya que la temperaturas máximas que se pueden alcanzar rondan los 30 a 35 ºC, su periodo de uso está limitado evidentemente a la cantidad de sol, la estación del año, uso de la piscina y temperatura deseada.

3.2.) Colector solar plano de baja temperatura: Parrilla de tubos de cobre que bien pueden estar interconectados entre sí en paralelo o en serie, por la cual circula agua de consumo ( en el caso de no ser aguas duras, ya que podría ocasionar una obstrucción de las tuberías o corrosión) o glicolada (zonas frías), sobre una lámina de cobre con un recubrimiento selectivo o pintura negra para mayor captación solar, dentro de una carcasa que normalmente es aluminio, y aislamiento para reducir perdidas y aplicar en zonas más frías, con menos radiación o con menor superficie disponible. Las temperaturas máximas

Despiece colector solar térmico

que puede llegar a tener el fluido calo-portador en los periodos de mayor radiación con el sistema parado rondan los 150 a 200 ºC, incluso llegando a la evaporación, sin embargo no es lo ideal, con lo que, mediante un buen dimensionamiento solar se consigue: Ahorro en costes iniciales, reducir costes en reparaciones de elementos de seguridad, larga vida útil de los colectores solares y rápida amortización del sistema.

Uso: Producción de agua caliente sanitaria, calefacción, climatización de piscina, desengrasado de piezas, calefacción de placas parideras de cerdos, etc. Sectores donde aplica: Hotelera, industrial, residencial, agrícola, etc.

3.3.)  Colector solar plano de tubo de vacío: Existe 3 tipos de diseño de este colector: circulación directa, indirecta y parabólico concéntrico, pero la principal característica de este tipo de colector solar, es el aislamiento al vacío que hay entre la superficie colectora y el cristal, reduciendo considerablemente las perdidas por conducción y convección, ya que no hay partículas de aire que permitan el intercambio de energía. 

Tubos de vacío solar

Un colector de tubo de vacío, está constituido por una superficie de diferentes tubos individuales con una cubierta de cristal (simple o doble), dentro de la cual se encuentra la superficie colectora compuesta por una aleta de aluminio o cobre, recubierta con un tratamiento selectivo (Tinox) que deja escapar tan solo un 5% de la radiación incidente, y soldada a un tubo que contiene el fluido calo-portador vaporizante (mezcla de alcohol y agua destilada). 

Su funcionamiento es natural y consiste en que el fluido calo-portador contenido en el tubo, es calentado por el sol a través de las aletas absorbedoras, evaporando y haciendo ascender el vapor con calor latente a la parte más alta del colector por donde circula el agua de consumo, intercambiando calor y enfriando-condensando el fluido calo-portador el cual desciende para nuevamente reanudar el proceso. 

Uso: Gracias a su diseño y el aislamiento al vacío, no solo se reducen las perdidas sino minimiza la influencia de las condiciones climáticas (condensación, humedad, etc.) y el consecuente deterioro de los materiales empleados. Su principal aplicación se encuentra en los sistemas intermedios (frío solar, procesos industriales, agua caliente, calefacción, etc.) y en lugares fríos, nublados, con nieve perenne así como en lugares con poco espacio. más info. 

4.) Energía solar Fotovoltaica:

3.) Los ríos y corrientes de agua dulce: Energía Hidráulica.

4.) Las olas: Energía undimotriz

5.) El viento: Energía eólica

6.) La llegada de masas de agua dulce a masas de agua salada: Energía azul.

En próximas publicaciones, iremos conociendo el resto de fuentes renovables, su aplicación y zonas posibles de aplicación. Así mismo durante el proceso, ampliaremos específicamente cada una de las fuentes y soluciones que permiten aprovechar los distintos recursos renovables y limpios.

Captación Geotérmica Vertical

Si la superficie en horizontal disponible no es suficiente o lo que es lo mismo, si la demanda energética es mayor de la que puede proporcionar la captación geotérmica  horizontal, se puede emplear la captación geotérmica vertical.

La Captación Geotérmica Vertical consiste en la ejecución de una o varias perforaciones que van desde los 50 hasta los 200 mts, con diámetros de 13 -17 cm aprox. La captación de energía se realiza a través de sondas de 32 - 40 mm de diámetro, la mayoría de veces de polietileno de alta densidad pero pudiéndose emplear sondas de cobre o acero inoxidable, por el cual circula un fluido termo-conductor (glicol-agua), el cual intercambia energía con el terreno.

Una vez se introduce la sonda, se rellena el espacio entre esta y el terreno con material termoconductivo, que puede ser el mismo ditritus del terreno, cemento-bentonita, arena silícea o grava silícea, todo depende de las características del terreno, siempre es mejor emplear el ditritus del terreno pero no siempre se puede realizar el relleno con este, dada la dificultad de inyección. Entre perforaciones se debe tomar coo base, una distancia mínima de 6 mts, sin embargo esto depende de la conductividad del terreno, disponibilidad del mismo, número de perforaciones y envergadura del proyecto.

COP de bombas de calor geotérmicas

El COP (del inglés Coefficient of Performance) de una bomba de calor se define como la potencia útil que entrega dividido por la potencia que consume.
El COP de una bomba de calor depende del salto térmico que tiene que vencer: por ejemplo para entregar 10kWh a una temperatura de 35ºC con una fuente de calor a 10ºC se necesita menos energía auxiliar que para entregar 10kWh a 50ºC con una fuente de 0ºC.
Entonces el COP de una instalación de bomba de calor geotérmica depende en gran medida del diseño de la instalación: por un lado de la fuente de calor, por el otro lado de la entrega de calor.
Si la fuente geotérmica se ha diseñada muy pequeña, eso resulta en que la temperatura de los captadores baja mucho durante el invierno (y sube mucho durante el verano en caso de dar refrescamiento) y por lo tanto lleva a un salto térmico mayor y a un COP menos favorable.
La entrega de calor, para asegurar un COP alto, tiene que efectuarse a la menor temperatura posible. Entonces no conviene producir calor siempre a una temperatura alta y después mezclar para conseguir la temperatura deseada.
Otro factor que influye en el COP real de una instalación es la cantidad de paros y arranques. Cada vez que arranca la bomba de calor, primero se tienen que establecer los presiones dentro de la máquina, por lo tanto en los primeros instantes la máquina consume, pero no produce al 100%. Por lo tanto no conviene que una máquina arranque y después de pocos minutos ya vuelva a apagarse. Para evitar eso, se tienen que prever inercias en el sistema.
Y por último obviamente el COP depende de la máquina misma. Los fabricantes de bombas de calor geotérmicas dan los COPs a temperatura de 0ºC en el suelo y 35ºC de entrega  (B0/W35) y a 0ºC y 50ºC (B0/W50). Al comparar diferentes marcas hay que fijarse en la norma según la cual se han determinado los COPs: ha habido un cambio de norma de la antigua EN 255 a la nueva EN 14511. Los COPs de la norma antigua (EN 255) siempre son algo mejores (debido a un caudal menor en la entrega de calor), por eso muchos fabricantes no quieren sacar estos datos de su hoja de datos. Pero los datos de la norma nueva (EN 15411) se acercan más al funcionamiento real en una instalación.

Bomba de Calor Geotérmica y factor de energía primario

La geotermia normalmente se cita como una fuente de energía renovable. Dicho así es cierto, porque definitivamente, si saco algo de calor del suelo este se enfría y tarde o temprano vuelve a la misma temperatura, así que la energía se ha renovado.

Entonces la pregunta crucial no es, si la geotermia es renovable o no, sino si el aprovechamiento de la geotermia mediante bombas de calor es más ecológico que otras formas de producir calor para calefacción.

Para explicar el problema voy a empezar con un ejemplo a lo mejor un poco tonto, pero después se explica qué tiene que ver con las bombas de calor geotérmicas:
Imaginemos que estamos en el desierto de Arabia y queremos calentar nuestra casa porque hace frío en la noche. Justo frente de casa tenemos un pozo de petroleo, pero como nos creemos ecológicos preferimos calentar la casa con biomasa, que es una energía renovable. Pero como no hay bosque en el desierto vamos en 4x4 a buscar leña a 1000km de la casa. Con eso gastamos 100l de gasolina con lo que hubiéramos podido calentar la casa durante mucho más tiempo que el que nos dura la leña que hemos traído.

Ahora, ¿qué tiene que ver con la bomba de calor geotérmica? Muy fácil: en el caso de la bomba de calor geotérmica también hay que vigilar si no gastamos más energía convencional para aprovechar la renovable.

Entonces comparemos energéticamente una bomba de calor geotérmica con una caldera de gas:
En ambos casos queremos entregar 100kWh de calor a una casa.

Empezamos con el caso de la caldera de gas, que es el más simple: La caldera de gas tiene un rendimiento de 9o% aproximadamente, es decir 90% de la energía que contiene el gas nos va ser útil para calentar la casa, mientras 10% de la energía la perdemos principalmente a través de la chimenea. El total de energía primaria para producir 100kWh de calor mediante caldera de gas es entonces: 100kWh / 90% = 111kWh.


Ahora miramos el caso de una bomba de calor geotérmica: la bomba de calor tiene un COP de 4, es decir por cada kWh de electricidad que consume entrega 4 de calor. Por lo tanta, para producir 100kWh de calor necesitamos 25kWh de electricidad.
Pero ahora tenemos que ver cómo llegó la electricidad hasta nuestra casa. La electricidad se produce ne una central eléctrica que en la mayoría de los casos consume gas. El rendimiento para producir electricidad a partir de gas el de 40% aproximadamente. Entonces, para producir los 25kWh de electricidad que necesitamos para calentar la casa se tienen que quemar 25kwh/40% = 63 kWh



Entonces, en este ejemplo vemos que con la bomba de calor geotérmica hemos ahorrado casi la mitad del gas comparado con una caldera. La bomba de calor sale más beneficiada si tiene un COP mayor y si la electricidad se produce con un buen rendimiento.

Publicado por Simon Braungart