En diciembre de 2022, la Agencia Internacional de la Energía (AIE) aumentó su previsión de la capacidad de generación renovable que se instalará entre 2022 y 2027 en un 30 por ciento con respecto a la cifra de 2021, siendo las energías solares fotovoltaicas (FV) y eólica las que representan la mayor parte de ese crecimiento. La previsión de la AIE para 2022 sobre la capacidad de generación fotovoltaica instalada a nivel mundial pronosticaba un crecimiento exponencial.
El desafío de la eficiencia
El reto se encuentra en que el uso eficiente de esos 1.367 W de potencia de radiación incidente no es tan sencillo, debido a que las células fotovoltaicas no son muy eficaces (aún) a la hora de convertir la luz solar en electricidad. La Figura 2, elaborada por el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) de Estados Unidos, muestra cómo se está intensificando la investigación fotovoltaica, cuáles son los temas de "máxima actualidad" y qué tecnologías parecen estar alcanzando un límite teórico.
Las celdas más eficientes emplean dos o tres combinaciones de materiales semiconductores 3:5, como el galio y el indio, al crear una célula fotovoltaica multiunión en la que cada una de las subceldas está sintonizada para convertir fotones en diferentes longitudes de onda en electrones útiles. Aunque las células compuestas alcanzan eficiencias de conversión de poco más del 47 por cierto, sus estructuras complejas y los desafíos de fabricación asociados limitan la adopción en procesos de generación masiva de energía.
Ante estos desafíos, resulta probable que las principales instalaciones fotovoltaicas sigan dependiendo de células de silicio cristalino durante algún tiempo más, pero, como podemos observar en la, su eficiencia de conversión parece estar acercándose a un límite.
En el mejor de los casos, los 1.367 W de potencia de radiación incidente sólo se pueden transformar en 1.367 x 0,276 = 377,3 W de potencia eléctrica utilizando las células fotovoltaicas de silicio más avanzadas. Por lo tanto, es responsabilidad de los diseñadores electrónicos garantizar que todos los pasos tomados para acondicionar, convertir, transmitir y aplicar la energía eléctrica generada por instalaciones fotovoltaicas se realicen de la manera más eficiente posible.
Mejora de la eficiencia en la generación de energía solar fotovoltaica
Una forma importante de incrementar la eficiencia de las células fotovoltaicas es colocarlas de tal manera que capten la mayor cantidad de luz solar posible. Los instaladores de sistemas de energía solar doméstica utilizan calculadoras en línea y herramientas de "mapeo" para explorar la ubicación más eficiente de las células fotovoltaicas en relación con la trayectoria del sol, los lugares disponibles y las barreras de sombra potenciales, como los árboles.
No se trata de un problema específico de las instalaciones estáticas. En 2017, la NASA lanzó el Desafío Longeron de la Estación Espacial Internacional (EEI), una llamada a los programadores aficionados para que ayudaran a descubrir cómo orientar sus paneles solares (Figura 5) para maximizar la energía que podían generar cuando la estación estuviera en sus posiciones orbitales más difíciles .
De regreso a la tierra, una empresa británica llamada Bee Solar Technology está aplicando un enfoque similar a las instalaciones solares domésticas y comerciales de pequeño tamaño. Su soporte para paneles solares Heliomotion emplea motores a bordo e información de tiempo y posicionamiento GPS para rastrear la trayectoria del sol en el cielo y mover los paneles para que reciban la mayor cantidad de luz solar posible. La compañía afirma que su soporte Heliomotion puede aumentar la eficiencia de las instalaciones fotovoltaicas entre un 40 y un 45 por ciento en comparación con un sistema estático, además de optimizar la sincronización de la generación solar con el mayor consumo doméstico.
Optimizaciones eléctricas para instalaciones fotovoltaicas
El sombreado es uno de los grandes problemas en las instalaciones fotovoltaicas, dado que la mayoría de los paneles solares se componen de numerosas celdas discretas conectadas en serie. Los paneles se unen en "cadenas" que pueden generar la salida de cientos de voltios de CC. Desafortunadamente, si una de las celdas de cualquier panel de una cadena está sombreada y, en consecuencia, su corriente de salida disminuye, se limita la corriente de salida de todas las demás celdas conectadas en serie. Peor aún, la potencia de salida perdida de todas las celdas sin sombra se disipa en la celda sombreada lo que, a su vez, puede causar puntos calientes y daños en el panel.
Una forma de solucionar este inconveniente es instalar un diodo de derivación en cada celda, pero con polaridad inversa. De esta manera, si una celda falla y se ve sometida a una gran polarización inversa, el diodo de derivación permitirá que la corriente de las celdas que aún funcionan fluya sin impedimentos. Colocar un diodo de derivación encarece el precio del panel, por lo que algunos fabricantes lo montan en pequeños grupos de celdas para conservar algunas de las ventajas a un menor coste.
Estrategias de conversión
Las células solares producen corriente continua (CC), mientras que los hogares y las empresas consumen corriente alterna (CA). Existen tres enfoques principales para la conversión, cada uno de los cuales implica un equilibrio entre factores como el coste, la complejidad y la eficiencia operativa.
Los inversores de cadena son quizás el método más sencillo: la corriente continua producida por una cadena de paneles solares viaja a través de cables de baja resistencia a un inversor central que realiza la conversión de CC a CA. Usar un solo inversor facilita la eficiencia de conversión, pero este enfoque se ve limitado por el problema del sombreado.
China está tomando la iniciativa en la explotación de renovables y, en consecuencia, empresas locales como Mornsun ofrecen respuestas. Por ejemplo, su convertidor CC-CC aislado PV150-29Bxx de 150 W tiene un amplio rango de tensión de entrada de 250 a 1.500 VDC.
El inversor también posee un rango de temperatura operativa industrial de -40 a +70 °C, un aislamiento de E/S de hasta 4.000 VAC y un diseño de circuito de alta eficiencia, baja ondulación y mínimo ruido. Además, dispone de protección contra subtensión y polaridad inversa de entrada, así como contra cortocircuito de salida, sobrecarga y sobretensión.
El tercero de estos enfoques de conversión es equipar cada panel con un micro inversor que convierte su salida de CC a CA de forma adecuada para la transmisión a un inversor "conectado a la red", que regula la tensión y la calidad de la energía de CA y sincroniza su fase, de modo que es idónea para uso local o para ser inyectada a la red de distribución de energía más amplia.
Incluso los conectores aparentemente sencillos son fundamentales a la hora de lograr la eficiencia fotovoltaica. La mayoría de los paneles solares incluyen cables de conexión que se utilizan para conectarlos en cadena. Los conectores en línea pueden soportar hasta 1.500 VDC y 30 A durante décadas, expuestos a las inclemencias meteorológicas. Además, son utilizados por instaladores con mucha actividad que, a menudo, trabajan en altura y necesitan que funcionen correctamente a la primera. Por estas razones, Amphenol ha desarrollado sus componentes de empalme solar RadCrimp Solar Splice, con tecnología de terminación en espiral que satisface todas estas necesidades.
Los componentes, que están diseñados con el objetivo de evitar acoplamientos incorrectos, eliminan la necesidad de crimpar y revestir los extremos del cable in situ y ofrecen una solución más rápida y segura que los conectores fotovoltaicos anteriores. Teniendo en cuenta los requisitos de eficiencia de las instalaciones fotovoltaicas, los nuevos modelos de Amphenol respaldan una conexión de baja resistencia.
La generación fotovoltaica crece rápidamente y, a medida que lo hace, también aumenta la complejidad de elegir los enfoques, los paneles, las estrategias de conversión y los acondicionamientos adecuados para convertir la luz solar en electricidad útil de la forma más eficiente posible. AVNET Abacus puede proporcionar la ayuda que se necesita para navegar por este mercado en constante evolución.
