Energía eléctrica para uso residencial, obtenida a partir de energía solar. Componentes para la conversión.

    • Explicamos a paso a paso y de forma didáctica el proceso de conversión de la energía solar en energía eléctrica para usos domésticos

    Hemos venido abordando, en esta serie de artículos dedicados al aprovechamiento de la energía solar, las facilidades crecientes y las tecnologías efectivas que actualmente existen a nuestra disposición, al considerar la luz del sol como opción energética masiva en esta nueva etapa de mayor conciencia ecológica.

    El proceso de conversión de energía solar en energía eléctrica es más o menos sencillo: como primer paso, debe captarse la radiación a fin de poder utilizar esa energía para fines prácticos (recordemos que toda forma de luz, incluida por supuesto la solar, no es más que una radiación electromagnética).

    Esta misión de recepción de energía luminosa, se le asigna a las conocidas celdas solares (o fotovoltaicas), integradas en paneles solares. Es allí donde ocurre, físicamente, la conversión de energía solar en eléctrica.

    Celdas fotovoltaicas

    Imagen de Wikipedia

    No toda la energía recibida por la celda se transforma en energía eléctrica: la baja eficiencia energética en la conversión ha sido una limitación histórica en el uso de celdas solares para aplicaciones prácticas (para más detalles sobre este punto, ver Nota 1 al final del artículo).

    Si consideramos por un momento una celda fotovoltaica como una “caja negra” (o sea, que no importa en este momento lo que contiene adentro ni como se produce la conversión), en dicha caja negra tendremos una entrada que recibe energía lumínica, y una salida en la cual hay un voltaje DC, proporcional a la entrada.

    Panel de silicio de 36 celdas fotovoltaicasEn esta fotografía se aprecia como al recibir suficiente luz solar, este panel de silicio de 36 celdas fotovoltaicas entrega una salida de 9,83 VDC.

    Una vez hemos capturado una porción de la energía luminosa circundante mediante celdas fotovoltaicas, nos encontramos ahora con al menos 3 obstáculos a superar para hacerla utilizable a nivel práctico y doméstico:

    – La potencia de salida es poca por celda (típicamente 1,65 W).

    – De noche la energía recibida es escasa o nula.

    – El voltaje a la salida, como dijimos, es DC (entre 0,5 V y 0,6 V por celda).

     

    Para disponer a nivel práctico de la potencia que recibimos de las celdas, debemos integrar (agrupar) cierto número de ellas en paneles, para así lograr un conjunto que suministre energía suficiente para realizar un trabajo útil en cierta cantidad de tiempo (por ejemplo, hacer funcionar un acondicionador de aire, o mover un portón eléctrico).

    Es decir, el número y dimensiones de paneles solares estará en relación directa a la cantidad de energía que necesitamos obtener. En el mercado existen paneles fotovoltaicos comercialmente disponibles para instalaciones de 12 VDC y 24 VDC, y potencias a partir de 60 W.

    Sin embargo, independientemente del número y dimensiones de estos paneles, una vez que el sol se oculta (o en caso de que la vegetación de la zona o aún las condiciones climáticas, causen la poca incidencia de luz solar) no tendremos entrada apreciable (luz) en nuestra “caja negra” y por tanto poca o ninguna salida, ningún voltaje DC.

    Esquema de una instalación solar

    Esto nos lleva a un segundo paso en nuestro proceso de conversión: almacenar esa energía, mientras haya suficiente luz solar, en acumuladores o baterías, las cuales son normalmente de plomo-ácido o de níquel-cadmio, y de ciclo profundo. Las baterías de ciclo profundo son capaces de entregar una corriente moderada durante un largo tiempo, digamos ocho (8) horas, antes de agotar su carga.

    Esta clase de baterías son las adecuadas para alimentar cargas residenciales, porque están diseñadas para entregar corrientes eléctricas en cantidades moderadas durante varias horas; y aceptan ser descargadas hasta en un 90%, sin deteriorarse aceleradamente por esta condición. Recordemos que nuestra instalación solar puede estar varias horas sin recibir luz exterior, y la energía que demande el hogar durante este tiempo saldrá de las baterías de ciclo profundo.

    Ésta es una diferencia básica en relación a las baterías de aplicación automotriz, las cuales son capaces de entregar altas corrientes, pero durante muy poco tiempo, ya que su misión es proveer de mucha energía al motor de arranque de un motor de combustión interna solo mientras éste se pone en marcha, momento en el cual el arranque es desconectado y la batería es luego rápidamente recargada por el alternador del automóvil. Una batería de aplicación automotriz, al llegar a un punto de descarga en que el voltaje sea menor a 10, 5 voltios, reduciría drásticamente su vida útil, si estos ciclos de carga/descarga se repiten con frecuencia.

    Ejemplos de señal eléctrica AC y DC

    Imágenes de Wikipedia: señal DC, señal AC

    Ahora bien, para retomar nuestro proceso de conversión, solo recordemos que una fuerza electromotriz, y con ella su valor numérico -el voltaje-, tiene dos versiones posibles cuando consideramos sus valores en función del tiempo: puede ser pulsante, o sea variable en el tiempo (AC, Altern Current), o constante en el tiempo (DC, Direct Current).

    Podemos almacenar energía en una batería de plomo-ácido o de níquel-cadmio, si el valor medio de voltaje en sus bornes es distinto de cero (la situación óptima ocurre cuando la señal de voltaje DC que recibe la batería no tiene absolutamente ninguna oscilación, ni rizado. Matemáticamente, esto sería cuando el valor máximo de la señal es igual a su valor medio). Esta condición se cumple sin problemas en la forma de onda que entrega un panel solar a su salida: señal de voltaje DC estable, sin variaciones, ni oscilaciones en el tiempo.

    Baterías de ciclo profundo

    Imagen de baterías de ciclo profundo: Webosolar

    Aclarado este punto, solo debemos tener en cuenta que la carga de baterías (con corriente eléctrica en amperios DC, proveniente de los paneles), debe administrarse y controlarse. Esto consiste en incrementar la corriente de carga cuando las baterías hayan suministrado la mayor parte de su carga, y en disminuir (o incluso anular) la corriente de carga si la baterías están plenamente cargadas.

    Esta previsión obedece a la necesidad de prolongar al máximo la vida útil de las baterías. Para lograr este propósito se usa un regulador de carga, el cual es un componente de naturaleza electrónica, imprescindible en toda instalación destinada a convertir con fines prácticos energía solar en eléctrica. Al ser las baterías de ciclo profundo bastante más costosas que las baterías de uso automotriz, no podemos darnos el lujo de acortar su vida útil prematuramente por una mala gestión en sus ciclos de carga. La regulación de carga de baterías constituye así un tercer paso en nuestro proceso de conversión de energía solar en eléctrica.

    Regulador de carga marca Morningstar

    Regulador de carga marca Morningstar

    Bien, habiendo creado entonces una reserva de energía para las horas de menor incidencia de luz, y habiendo provisto un ente regulador para la carga inteligente de las baterías a fin de prolongar la vida útil de éstas, disponemos de una fuente de voltaje DC estable durante cierto tiempo, y capaz de entregar la potencia requerida para alimentar una carga eléctrica.

    El obstáculo a superar ahora es que las cargas eléctricas domésticas, es decir los aparatos o artefactos eléctricos, en su inmensa mayoría, funcionan con voltaje AC: acondicionadores de aire, refrigeradores, motores para bombas de agua, televisores, fuentes ATX de computadoras de escritorio, cargadores de móviles y laptops, y un largo etcétera. O sea, en su diseño y especificaciones de los fabricantes, se previó que funcionaran con voltaje AC porque ese es el tipo de forma de onda presente en la red eléctrica de distribución de las empresas de servicio eléctrico. En otras palabras, es el estándar de la industria eléctrica (ver Nota 2 al final del artículo).

    Nuestra situación hasta este punto es ésta: tenemos unas cargas domésticas que requieren voltaje AC para funcionar, pero solo tenemos disponible un banco de baterías que suministran voltaje DC, con lo que entramos al cuarto y último paso en nuestro proceso de conversión de energía solar en eléctrica con fines domésticos: hacemos ondular esta corriente DC disponible en las baterías, mediante un inversor.

    Por “ondular” entenderemos acá el proceso de transformar electrónicamente una señal de valor invariable en el tiempo (DC), en una señal periódica, que alcanzará valores máximos y mínimos equidistantes del valor cero para repetir indefinidamente el mismo ciclo, es decir, en una señal AC.

    Inversor fotovoltaicoVista interior de un inversor fotovoltaico. Nótese los capacitores (cilindros azules), empleados para almacenar energía de forma breve y mejorar la forma de onda senoidal a la salida (imagen de Wikipedia).

    Técnicamente, un inversor es una fuente conmutada cuya entrada recibe voltaje DC, en este caso proveniente de las baterías. Mediante la conmutación a altas frecuencias de semiconductores (tales como como transistores de potencia de compuerta aislada, y tiristores), se genera una señal alterna senoidal (o una aproximación geométrica a ella), y en algunos casos, dependiendo del fabricante y del modelo en particular, una señal cuadrada.

    Existen en el mercado dos presentaciones básicas de inversores para ser empleados con ese fin, dependiendo de si nuestra instalación solar será aislada (o autónoma), o conectada a la red eléctrica de distribución de la compañía de servicios.

    En una próxima publicación trataremos la situación con cargas trifásicas (por ejemplo, motores para ascensores de edificaciones, y otros de potencias considerables como bombas contra incendio), y las opciones que existen para independizar su funcionamiento de la red eléctrica local.

    ¡Hasta nuestro próximo artículo!


    Nota 1:

    El material más eficiente conocido hasta los momentos para la conversión de energía solar en eléctrica es el arseniuro de galio. Su eficiencia  alcanza un 40%,  y su presencia en la naturaleza es escasa. El galio es un material caro, y por lo tanto imposible de ser usado para la producción masiva de paneles solares.

    Por ello típicamente las celdas solares se han fabricado, desde hace varias décadas, de  silicio, por ser un material de relativa eficiencia energética (ligeramente mayor a un 20%) la cual se ha ido mejorando con diversas técnicas de producción,  y existe abundantemente  en la naturaleza en forma de dióxido de silicio.

    Actualmente se ha retomado el empleo de perovskitas, material que ya había sido probado como conversor lumínico-eléctrico hace décadas, pero que con tecnologías de manufactura recientes, amenaza con destronar  a corto plazo al silicio como protagonista de las celdas fotovoltaicas.

    Nota 2:

    La explicación del porqué el estándar de la industria eléctrica es corriente alterna y no directa o continua,  se remonta a los inicios de la generación eléctrica masiva con fines comerciales: se impuso el estándar AC debido a que ésta se puede transmitir a largas distancias elevando el voltaje de transmisión por medio de transformadores en las centrales de generación, para disminuirlo de nuevo cerca de los centros de consumo, a fin de evitar al máximo las caídas de voltaje a lo largo de la  línea de transmisión, y las pérdidas por calentamiento en los conductores de la línea.

    Un voltaje DC,  por el contrario, no puede ser elevado o disminuido mediante transformadores. Si alimentamos el primario de un transformador con tensión DC, proveniente de una batería por ejemplo,  el voltaje obtenido a la salida será invariablemente cero.

    Euclides Acosta Crespo

    Venezolano, tecnólogo, “electrogeek” y fanático de todo lo que tenga un microprocesador o un microcontrolador. Admirador de la gente exitosa; observador atento de la tecnología y sus logros.


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