Diseño de una instalación fotovoltaica para conexión a red y recarga rápida de vehículos eléctricos.

El objeto de este proyecto es realizar el estudio del diseño de una instalación fotovoltaica en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de Madrid (ETSII) que sirva como generador energético y como cargador rápido de Vehículos Eléctricos. Al ser una instalación intencionada para la función de cargado rápido de vehículos eléctricos, se diseñará con la intención de que la potencia generada sea lo mayor posible, intentando superar los 50 kW de potencia. La instalación se conectará a la red de distribución de baja tensión de la Compañía Eléctrica. La energía producida será consumida en la ETSII, y la sobrante se inyectará a la red de la Compañía Eléctrica. Para el diseño, se realizará un estudio para la elección del lugar más apropiado para la instalación, y de la orientación más óptima de ésta. Para este estudio, se compararán las diferentes instalaciones energética y económicamente. Al diseñarse la instalación en la ETSII, se pretenderá integrarla en el diseño de la Escuela, sin que afecte a su uso habitual. La inversión prevista es elevada, y no se prevén ingresos, al no poderse vender la energía sobrante según la legislación actual, pero sí se prevé un ahorro importante en el consumo, debido a la alta cantidad de energía producida. El principal objetivo de la instalación es el de potenciar el uso de las energías renovables y de las energías limpias, tanto en el consumo energético, con la energía fotovoltaica, como en el transporte, con los vehículos eléctricos, y así, reducir el consumo de fuentes de energía contaminantes. La energía solar fotovoltaica es un tipo de energía renovable que consiste en la conversión de la radiación proveniente del sol en energía eléctrica. Esta energía se volvió muy popular a finales de la primera década de los 2000 debido al incremento de la demanda de energía eléctrica y a la creciente preocupación sobre los problemas de usar combustibles fósiles como fuente primaria para producir energía eléctrica. Los principales problemas generados por el uso de los combustibles fósiles son; el calentamiento global, que se acentúa debido a los gases emitidos, por la combustión de, principalmente, carbón, petróleo y gas natural; la polución del aire, causada por la emisión de contaminantes como los óxidos de sulfuro y los hidrocarburos que son generados en la combustión de los combustibles fósiles; la contaminación del agua y el suelo, causada por los derrames de agua y la extracción de los combustibles. Estos efectos podrían ser eliminados o reducidos en gran medida usando tecnologías como la fotovoltaica. El sol es el responsable de prácticamente toda la energía disponible en la tierra, exceptuando las provenientes de las mareas lunares, los materiales radioactivos y del calor interno de la tierra. La potencia que emite el sol por segundo es de 3.86x1020 MW. En la atmósfera de la tierra, la energía que llega tiene un valor prácticamente constante de 1360 W/m2 .Este valor es el denominado “constante solar”. Al atravesar la atmósfera de la tierra, esta energía se reduce aproximadamente un 30% hasta que llega a la superficie terrestre, debido a que parte de la radiación es reflejada al espacio, y otra esparcida aleatoriamente por la atmósfera, separándola en radiación directa y difusa. El valor máximo de la energía que llega a la superficie terrestre es de unos 1000 W/m2, que sería el valor en un día claro, al medio día solar y al nivel del mar. No toda la superficie es bañada por la misma cantidad de energía durante el año. La superficie con mayor intensidad es la comprendida entre las latitudes 30° norte y 30° sur. Esto es debido a que en esas latitudes, la cantidad de nubes es menor. Además, se producen variaciones estacionales en la radiación que llega a la superficie terrestre causadas por el giro del eje de la tierra con respecto al sol, lo que lleva a que, en invierno, la radiación que llega diariamente es un 80% menor que la que llega en verano, ya que el sol incide en la tierra con menor ángulo y los días son más cortos. El fenómeno físico por el cual se convierte la luz en energía eléctrica, el efecto fotovoltaico, fue observado por primera vez en 1839 por el físico francés Edmund Becquerel, que notó la aparición de voltaje en determinados materiales cuando éstos eran iluminados. Éste efecto es la base del funcionamiento de las células fotovoltaicas. Éstas se construyen de materiales semiconductores, que se comportan como aislantes a bajas temperaturas, y como conductores cuando hay energía o calor disponibles. La mayoría de ellas se basan en el silicio, al ser la tecnología que más tiempo lleva usándose, aunque se están estudiando otros materiales. El átomo de silicio tiene catorce electrones colocados de tal manera que los cuatro más externos pueden ser dados o compartidos con otro átomo. Grandes cantidades de átomos de silicio se pueden unir formando un sólido, en el que cada átomo está unido con otros cuatro átomos mediante enlaces covalentes. Cada átomo de silicio está fijo a una distancia y ángulo de los otros cuatro átomos con los que está unido. Esta formación regular se conoce como cristal. Cuando la luz incide en un cristal de silicio, una parte se refleja, otra lo atraviesa, y otra es absorbida. Cuando la luz es de alta energía, al incidir en un electrón, éste es liberado de su lugar en la red de silicio. La unión que ahora sólo tiene un electrón se conoce como agujero. Además, existe un electrón que se puede mover libremente por el cristal. Los agujeros también pueden moverse libremente por el cristal, al pasar un electrón de otro enlace al que tenía sólo uno. Este método no genera corriente por sí solo, necesita la existencia de una barrera interna de potencial. Esto se puede hacer de diferentes maneras, una de ellas es realizando una unión P‐N. Es posible alterar el equilibrio de los electrones y los agujeros en el cristal de silicio, al doparlo con otros átomos. Al doparlo con átomos con un electrón de valencia más se produce material del tipo N (negativo), y al hacerlo con átomos con un electrón de valencia menos resulta en material del tipo P (positivo). Al unir estos dos tipos de material (unión P‐N), el exceso de agujeros del material P fluyen por difusión hacia el material N, mientras que los electrones lo hacen en sentido contrario. En la zona de unión, a causa de la acumulación de átomos y agujeros en torno a ella, se genera un voltaje que para el flujo. Dependiendo de los materiales utilizados, el valor de esta barrera interna de potencial variará. Esta unión permitirá la circulación de corriente cuando se le aplique una tensión que supere la barrera interna de potencial, y la impedirá cuando la tensión no la supere o sea del mismo sentido que la interna. Ésta es la base del funcionamiento de los diodos. En las células solares, los materiales utilizados generalmente para construir este “diodo” son silicio dopado con boro para el tipo N y silicio dopado con fósforo para el tipo P y se diseña de tal manera que se maximice la absorción de la luz. Estos materiales se conectan a un circuito externo, produciéndose una corriente eléctrica cuando incide en él la luz. Esto ocurre ya que al introducirse la luz en el material, los electrones obtienen suficiente energía como para atravesar la barrera de potencial, produciendo así la corriente. Además, la luz provoca más pares agujero‐electrón, por lo que el desequilibrio de cargas sigue existiendo, y la corriente continúa generándose. Las instalaciones fotovoltaicas se clasifican, según su funcionamiento, en tres categorías: instalaciones aisladas, instalaciones asistidas e instalaciones interconectadas. En las instalaciones aisladas no existe conexión con la Red de Distribución Pública. En las instalaciones asistidas sí que existe conexión con la Red, pero nunca pueden trabajar en paralelo, una de las dos fuentes de energía será la principal y la otra quedará como fuente de socorro. Por último, en las instalaciones generadoras interconectadas existe conexión con la red y normalmente están trabajando en paralelo. El grupo de instalaciones generadoras interconectadas puede subdividirse en dos grupos, atendiendo al lugar de conexión, si es en la red de baja tensión y tiene otros circuitos conectados a la instalación, o si es en la red de alta tensión, conectándose a ésta a través de un transformador elevador de tensión. A continuación se dará una breve explicación de los componentes típicos de una instalación generadora solar fotovoltaica. Un módulo fotovoltaico, o panel solar, es un conjunto de células eléctricas unidas eléctricamente, envueltas por una cápsula y montadas en un marco. Es el elemento primordial de toda instalación fotovoltaica, ya que es el encargado de convertir la energía lumínica en eléctrica. En las instalaciones se conectan varios módulos en serie y paralelo para conseguir la potencia deseada. Los paneles se clasifican según la tecnología de fabricación de las células, y son, fundamentalmente dos; silicio cristalino, que puede ser monocristalino o policristalino, y de silicio amorfo. Generalmente, los paneles de silicio monocristalino son los que mejor rendimiento tienen, de 15‐18%, pero, al tener un proceso de fabricación más complejo, su coste es mayor. Los paneles de silicio amorfo son los de menor coste, con un rendimiento de menos del 10%. Las características eléctricas para definir el funcionamiento del módulo que da el fabricante son la potencia máxima, tensión e intensidad de máxima potencia, tensión de circuito abierto e intensidad de cortocircuito. Los fabricantes de los módulos suelen dar estas especificaciones eléctricas a unas determinadas condiciones, generalmente una irradiación de 1000 W/m2 y una temperatura de célula de 25 °C. A estas condiciones, la potencia producida por el panel es máxima. La potencia producida por el panel varía en función de la temperatura y la irradiación, disminuye al aumentar la temperatura y al disminuir la irradiación. La estructura de una instalación solar es la encargada de dar sujeción a los paneles, y de fijar estos al suelo, fachada, techo, o donde estén instalados. Puede ser fija, teniendo diferentes ángulos de inclinación, o variable, estando dotada de un seguidor, que varía la posición de los paneles según la posición del sol. Los seguidores pueden ser de uno o dos ejes, según la precisión con la que se quiera seguir el movimiento del sol. Los seguidores de dos ejes son capaces de mantener el panel perpendicular a los rayos del sol en todo momento, lo cual produce un rendimiento mayor, pero, al requerir de un mecanismo complejo, su coste es mayor. En instalaciones con gran número de paneles, éstos se agrupan en varias cadenas (paneles en serie), y las cadenas se conectan en cajas de conexión, para agrupar varias cadenas en un mismo cable. De esta manera, se reduce el número de cables de la instalación. Además, las cajas de conexión contienen diodos de protección, que sólo permiten el paso de la corriente en una dirección, protegiendo de esta manera los paneles e inversores. El inversor es el encargado de convertir la corriente continua creada por los módulos fotovoltaicos en corriente alterna, igual en valor y en frecuencia al de la red eléctrica. En instalaciones conectadas a la red este elemento es fundamental. La potencia del inversor determina la potencia máxima que se podrá suministrar, y su rendimiento, generalmente en torno al 90%, será mayor cuanto más cerca de la potencia nominal trabaje el inversor. Es por ello que es muy importante elegir bien la potencia del inversor utilizado. En aplicaciones aisladas de la red eléctrica el inversor será necesario sólo si se utilizará la instalación para alimentar cargas en corriente alterna. En instalaciones solares aisladas de la red, en las horas del día en las que no haya luz del sol no habrá disponibilidad de energía, al no estar conectada la instalación a la red. Para solventar este problema se recurre al uso de baterías o acumuladores, que acumulan la energía y permiten usarla durante estas horas. En estas instalaciones, para asegurar un correcto funcionamiento, se instala un sistema de regulación de carga entre los paneles y las baterías, para evitar la descarga y sobrecarga de las baterías, y así alargar su vida. En instalaciones conectadas a la red en alta tensión se necesitará la instalación de un transformador, que elevará la tensión igualándola a la de la red. Además de estos elementos, es necesaria la instalación de protecciones que sigan la reglamentación vigente, con el fin de evitar condiciones peligrosas y averías o disminuciones de la seguridad. España es uno de los países con más horas de sol de Europa y le concede un gran potencial para convertirse en uno de los países referentes en la producción de energía solar. En 2008, debido a los grandes incentivos que se otorgaban a las nuevas instalaciones fotovoltaicas, este tipo de instalaciones experimentó un enorme crecimiento. Esto convirtió a España en uno de los países punteros en generación e investigación de la energía solar. Sin embargo, debido a la imposibilidad de mantener el sistema de primas implantado, se ha modificado progresivamente la legislación de las energías renovables, lo que ha provocado una frenada de la creación de nuevas instalaciones. Estas medidas han ralentizado el desarrollo de la energía fotovoltaica, relegando a España a la quinta posición en potencia instalada. Alemania, un país con mucha menos irradiancia que España, es ahora el pionero en esta tecnología en la Unión Europea, y tiene instalados aproximadamente 39,7 GWp. El Reino Unido también ha sobrepasado a España en potencia instalada, con 8,9 GWp, habiendo instalado cerca de 6 GWp entre los años 2014 y 2015. Se puede esperar que en un futuro no muy lejano se puedan aprovechar los tejados, cubiertas y fachadas para generar energía fotovoltaica y de esta manera acercarnos a una generación renovable y alejarnos de las medidas convencionales de generación y de los problemas que éstas generan