Sistema fotovoltaico

Un sistema fotovoltaico , también llamado sistema FV o sistema de energía solar , es un sistema de energía eléctrica diseñado para suministrar energía solar utilizable por medio de energía fotovoltaica . Consiste en una disposición de varios componentes, incluidos paneles solares para absorber y convertir la luz solar en electricidad, un inversor solar para convertir la salida de corriente continua a alterna , así como montaje , cableado y otros accesorios eléctricos para configurar un sistema en funcionamiento. Muchos sistemas fotovoltaicos a gran escala utilizan sistemas de seguimiento que siguen la trayectoria diaria del sol a través del cielo para generar más electricidad que los sistemas montados de forma fija. ^[1]

Los sistemas fotovoltaicos convierten la luz directamente en electricidad y no deben confundirse con otras tecnologías solares, como la energía solar concentrada o la energía solar térmica , que se utilizan para calefacción y refrigeración. Un conjunto solar solo comprende los paneles solares, la parte visible del sistema fotovoltaico, y no incluye todo el resto del hardware, que a menudo se resume como el equilibrio del sistema (BOS). Los sistemas fotovoltaicos varían desde pequeños sistemas montados en tejados o integrados en edificios con capacidades que van desde unos pocos hasta varias decenas de kilovatios hasta grandes centrales eléctricas a escala de servicios públicos de cientos de megavatios. Hoy en día, los sistemas fuera de la red o autónomos representan una pequeña parte del mercado.

Los sistemas fotovoltaicos, que funcionan de manera silenciosa y sin partes móviles ni contaminación del aire , han evolucionado desde aplicaciones de nicho de mercado hasta convertirse en una tecnología madura utilizada para la generación de electricidad convencional. Debido al crecimiento de la energía fotovoltaica , los precios de los sistemas fotovoltaicos han disminuido rápidamente desde su introducción; sin embargo, varían según el mercado y el tamaño del sistema. Hoy en día, los módulos solares fotovoltaicos representan menos de la mitad del costo total del sistema ^[2] , dejando el resto a los componentes restantes del BOS y a los costos indirectos, que incluyen la adquisición de clientes, los permisos, la inspección y la interconexión, la mano de obra de instalación y los costos de financiamiento. ^{[3] : 14}

Un sistema fotovoltaico convierte la radiación del sol , en forma de luz, en electricidad utilizable . Está compuesto por el conjunto solar y el resto de componentes del sistema. Los sistemas fotovoltaicos se pueden clasificar en función de diversos aspectos, como sistemas conectados a la red o independientes , sistemas integrados en edificios o montados en bastidores, sistemas residenciales o de servicios públicos, sistemas distribuidos o centralizados, sistemas en tejados o montados en el suelo, sistemas de seguimiento o de inclinación fija y sistemas de nueva construcción o modernizados . Otras distinciones pueden incluir sistemas con microinversores o inversores centrales, sistemas que utilizan silicio cristalino o tecnología de película fina y sistemas con módulos.

Alrededor del 99 por ciento de todos los sistemas de energía solar europeos y el 90 por ciento de todos los sistemas de energía solar de los EE. UU. están conectados a la red eléctrica , mientras que los sistemas fuera de la red son algo más comunes en Australia y Corea del Sur. ^{[4] : 14} Los sistemas fotovoltaicos rara vez utilizan almacenamiento de baterías. Esto puede cambiar, a medida que se implementen incentivos gubernamentales para el almacenamiento de energía distribuida y las inversiones en soluciones de almacenamiento se vuelvan gradualmente económicamente viables para sistemas pequeños. ^{[5] [6]} En el Reino Unido, el número de sistemas comerciales que utilizan almacenamiento de baterías está aumentando gradualmente como resultado de las limitaciones de la red que impiden la retroalimentación de electricidad no utilizada a la red, así como el aumento de los costos de electricidad, lo que resulta en una mejora económica. ^[7] Un conjunto solar residencial típico está montado en bastidores en el techo, en lugar de integrado en el techo o la fachada del edificio, lo que es significativamente más caro. Las centrales solares a escala de servicios públicos están montadas en el suelo, con paneles solares inclinados fijos en lugar de utilizar costosos dispositivos de seguimiento. El silicio cristalino es el material predominante utilizado en el 90 por ciento de los módulos solares producidos en todo el mundo, mientras que su rival, la película delgada, ha perdido participación de mercado. ^{[8] : 17–20} Alrededor del 70 por ciento de todas las células y módulos solares se producen en China y Taiwán, y solo el 5 por ciento lo hacen fabricantes europeos y estadounidenses . ^{[8] : 11–12} La capacidad instalada tanto para pequeños sistemas en azoteas como para grandes centrales solares está creciendo rápidamente y en partes iguales, aunque hay una tendencia notable hacia sistemas a escala de servicios públicos, ya que el foco en nuevas instalaciones se está alejando de Europa hacia regiones más soleadas, como el Sunbelt en los EE. UU., que se oponen menos a las granjas solares montadas en el suelo y los inversores enfatizan más la relación costo-beneficio. ^{[4] : 43}

Impulsado por los avances en la tecnología y el aumento de la escala y sofisticación de la fabricación, el costo de la energía fotovoltaica está disminuyendo continuamente. ^[9] Hay varios millones de sistemas fotovoltaicos distribuidos por todo el mundo, principalmente en Europa, con 1,4 millones de sistemas solo en Alemania ^{[8] : 5} - así como América del Norte con 440.000 sistemas en los Estados Unidos. ^[10] La eficiencia de conversión de energía de un módulo solar convencional aumentó del 15 al 20 por ciento desde 2004 ^{[8] : 17} y un sistema fotovoltaico recupera la energía necesaria para su fabricación en aproximadamente 2 años. En lugares excepcionalmente irradiados, o cuando se utiliza tecnología de película delgada, el llamado tiempo de recuperación de la energía disminuye a un año o menos. ^{[8] : 30–33} La medición neta y los incentivos financieros, como las tarifas de alimentación preferenciales para la electricidad generada por energía solar, también han apoyado en gran medida las instalaciones de sistemas fotovoltaicos en muchos países. ^[11] El costo nivelado de la electricidad proveniente de sistemas fotovoltaicos a gran escala se ha vuelto competitivo con respecto a las fuentes de electricidad convencionales en una lista cada vez mayor de regiones geográficas, y se ha logrado la paridad de red en unos 30 países. ^{[12] [13] [14] [15]}

En 2015, el mercado mundial de energía fotovoltaica, que crece rápidamente, se acerca rápidamente a la marca de los 200 GW, unas 40 veces la capacidad instalada en 2006. ^[16] Estos sistemas contribuyen actualmente con alrededor del 1 por ciento de la generación de electricidad mundial. Los principales instaladores de sistemas fotovoltaicos en términos de capacidad son actualmente China, Japón y Estados Unidos, mientras que la mitad de la capacidad mundial está instalada en Europa, y Alemania e Italia suministran entre el 7% y el 8% de su respectivo consumo eléctrico doméstico con energía solar fotovoltaica. ^[17] La ​​Agencia Internacional de la Energía espera que la energía solar se convierta en la mayor fuente de electricidad del mundo para 2050, y que la energía solar fotovoltaica y la energía solar térmica concentrada contribuyan con el 16% y el 11% de la demanda mundial, respectivamente. ^[3]

Un sistema conectado a la red está conectado a una red independiente más grande (normalmente la red eléctrica pública) y alimenta directamente la energía a la red. Esta energía puede ser compartida por un edificio residencial o comercial antes o después del punto de medición de ingresos, dependiendo de si la producción de energía acreditada se calcula independientemente del consumo de energía del cliente ( tarifa de alimentación ) o solo sobre la diferencia de energía ( medición neta ). Estos sistemas varían en tamaño desde residenciales (2-10 kW _p ) hasta centrales solares (hasta decenas de MW _p ). Esta es una forma de generación de electricidad descentralizada . La alimentación de electricidad a la red requiere la transformación de CC en CA mediante un inversor de conexión a la red especial y sincronizado . En instalaciones de tamaño de kilovatios, el voltaje del sistema del lado de CC es tan alto como se permite (normalmente 1000 V, excepto 600 V en el sector residencial de EE. UU.) para limitar las pérdidas óhmicas. La mayoría de los módulos (60 o 72 celdas de silicio cristalino) generan de 160 W a 300 W a 36 voltios. A veces es necesario o deseable conectar los módulos parcialmente en paralelo en lugar de todos en serie. Un conjunto individual de módulos conectados en serie se conoce como "cadena". ^[18] Un conjunto de "cadenas" conectadas en serie se conoce como "matriz".

Los sistemas fotovoltaicos se clasifican generalmente en tres segmentos de mercado distintos: sistemas de tejado residencial, sistemas de tejado comercial y sistemas de montaje en suelo a gran escala. Sus capacidades varían desde unos pocos kilovatios hasta cientos de megavatios. Un sistema residencial típico tiene alrededor de 10 kilovatios y se monta en un tejado inclinado, mientras que los sistemas comerciales pueden alcanzar una escala de megavatios y generalmente se instalan en tejados de poca pendiente o incluso planos. Aunque los sistemas montados en tejados son pequeños y tienen un coste por vatio más alto que las grandes instalaciones a gran escala, representan la mayor parte del mercado. Sin embargo, existe una tendencia creciente hacia plantas de energía a gran escala, especialmente en la región del "cinturón solar" del planeta. ^{[4] : 43  [19]}

Los parques o granjas solares a gran escala son centrales eléctricas capaces de proporcionar un suministro de energía a un gran número de consumidores. La electricidad generada se introduce en la red de transmisión alimentada por plantas de generación centrales (plantas conectadas a la red o ligadas a la red), o se combina con uno o muchos generadores de electricidad domésticos para alimentar una pequeña red eléctrica (planta híbrida). En casos excepcionales, la electricidad generada se almacena o se utiliza directamente en plantas independientes. ^{[20] [21]} Los sistemas fotovoltaicos generalmente se diseñan para garantizar el mayor rendimiento energético para una inversión determinada. Algunas grandes centrales fotovoltaicas, como Solar Star , Waldpolenz Solar Park y Topaz Solar Farm, cubren decenas o cientos de hectáreas y tienen una potencia de hasta cientos de megavatios .

Un sistema fotovoltaico pequeño es capaz de proporcionar suficiente electricidad de CA para alimentar una sola casa o un dispositivo aislado en forma de electricidad de CA o CC. Los satélites de observación de la Tierra militares y civiles , las luces de la calle , las señales de construcción y de tráfico, los automóviles eléctricos , las tiendas de campaña alimentadas por energía solar ^[22] y los aviones eléctricos pueden contener sistemas fotovoltaicos integrados para proporcionar una fuente de energía primaria o auxiliar en forma de energía de CA o CC, según el diseño y las demandas de energía. En 2013, los sistemas de azotea representaron el 60 por ciento de las instalaciones en todo el mundo. Sin embargo, existe una tendencia a alejarse de los sistemas fotovoltaicos de azotea y a acercarse a los sistemas fotovoltaicos a escala de servicios públicos, ya que el foco de las nuevas instalaciones fotovoltaicas también se está desplazando de Europa a los países de la región del cinturón solar del planeta donde la oposición a las granjas solares montadas en el suelo es menos acentuada. ^{[4] : 43} Los sistemas fotovoltaicos portátiles y móviles proporcionan energía eléctrica independientemente de las conexiones de servicios públicos, para un funcionamiento "fuera de la red". Dichos sistemas se utilizan con tanta frecuencia en vehículos recreativos y barcos que hay minoristas especializados en estas aplicaciones y productos específicamente dirigidos a ellos. Dado que los vehículos recreativos (RV) normalmente llevan baterías y hacen funcionar la iluminación y otros sistemas con una corriente continua nominal de 12 voltios, los sistemas de RV normalmente funcionan en un rango de voltaje que puede cargar baterías de 12 voltios directamente, por lo que la adición de un sistema fotovoltaico requiere solo paneles, un controlador de carga y cableado. Los sistemas solares en vehículos recreativos generalmente están limitados en potencia por el tamaño físico del espacio del techo del RV. ^[23]

En las zonas urbanas y suburbanas, los paneles fotovoltaicos se utilizan a menudo en los tejados para complementar el uso de energía; a menudo, el edificio tendrá una conexión a la red eléctrica , en cuyo caso la energía producida por el panel fotovoltaico se puede vender a la empresa de servicios públicos en algún tipo de acuerdo de medición neta . Algunas empresas de servicios públicos utilizan los tejados de los clientes comerciales y los postes telefónicos para respaldar su uso de paneles fotovoltaicos. ^[24] Los árboles solares son conjuntos que, como su nombre lo indica, imitan el aspecto de los árboles, brindan sombra y, por la noche, pueden funcionar como farolas .

Las incertidumbres en los ingresos a lo largo del tiempo se relacionan principalmente con la evaluación del recurso solar y el desempeño del sistema en sí. En el mejor de los casos, las incertidumbres son típicamente del 4% para la variabilidad climática de un año a otro, del 5% para la estimación del recurso solar (en un plano horizontal), del 3% para la estimación de la irradiación en el plano del conjunto, del 3% para la potencia nominal de los módulos, del 2% para las pérdidas debidas a la suciedad y la mugre , del 1,5% para las pérdidas debidas a la nieve y del 5% para otras fuentes de error. Identificar y reaccionar ante pérdidas manejables es fundamental para los ingresos y la eficiencia de O&M. El monitoreo del desempeño del conjunto puede ser parte de los acuerdos contractuales entre el propietario del conjunto, el constructor y la empresa de servicios públicos que compra la energía producida. ^{[ cita requerida ]} Un método para crear "días sintéticos" utilizando datos meteorológicos fácilmente disponibles y la verificación utilizando el campo de prueba Open Solar Outdoors permite predecir el desempeño de los sistemas fotovoltaicos con altos grados de precisión. ^[25] Este método se puede utilizar para determinar los mecanismos de pérdida a escala local, como los de la nieve ^{[26] [27]} o los efectos de los revestimientos de la superficie (por ejemplo, hidrófobos o hidrófilos ) sobre la suciedad o las pérdidas de nieve. ^[28] (Aunque en entornos de nieve intensa con interferencias graves del suelo puede resultar en pérdidas anuales por nieve del 30%. ^[29] ) El acceso a Internet ha permitido una mejora adicional en el monitoreo y la comunicación de la energía. Hay sistemas dedicados disponibles de varios proveedores. Para los sistemas solares fotovoltaicos que utilizan microinversores (conversión de CC a CA a nivel de panel), los datos de potencia del módulo se proporcionan automáticamente. Algunos sistemas permiten configurar alertas de rendimiento que activan advertencias por teléfono/correo electrónico/mensaje de texto cuando se alcanzan los límites. Estas soluciones proporcionan datos para el propietario del sistema y el instalador. Los instaladores pueden monitorear de forma remota varias instalaciones y ver de un vistazo el estado de toda su base instalada. ^{[ cita requerida ]}

Un sistema fotovoltaico para el suministro de energía residencial, comercial o industrial consta de un conjunto de paneles solares y una serie de componentes que a menudo se resumen como el balance del sistema (BOS). Este término es sinónimo de " balance de la planta " (qv). Los componentes BOS incluyen equipos de acondicionamiento de energía y estructuras para el montaje, normalmente uno o más convertidores de energía de CC a CA , también conocidos como inversores , un dispositivo de almacenamiento de energía, un sistema de estanterías que soporta el conjunto de paneles solares, cableado eléctrico e interconexiones, y montaje para otros componentes.

De manera opcional, un sistema de equilibrio puede incluir cualquiera o todos los siguientes elementos: medidor de grado de ingresos por créditos de energía renovable , rastreador del punto de máxima potencia (MPPT), sistema de batería y cargador , rastreador solar GNSS , software de gestión de energía , sensores de irradiancia solar , anemómetro o accesorios específicos para tareas diseñados para cumplir con los requisitos especializados del propietario de un sistema. Además, un sistema CPV requiere lentes o espejos ópticos y, a veces, un sistema de enfriamiento.

Los términos "panel solar" y "sistema fotovoltaico" se utilizan a menudo de forma incorrecta como sinónimos, a pesar de que el panel solar no abarca todo el sistema. Además, "panel solar" se utiliza a menudo como sinónimo de "módulo solar", aunque un panel consiste en una cadena de varios módulos. El término "sistema solar" también es un término inapropiado que se utiliza a menudo para referirse a un sistema fotovoltaico.

Los componentes básicos de un sistema fotovoltaico son las células solares. Una célula solar es el dispositivo eléctrico que puede convertir directamente la energía de los fotones en electricidad. Existen tres generaciones tecnológicas de células solares: la primera generación (1G) de células de silicio cristalino (c-Si), la segunda generación (2G) de células de película delgada (como CdTe , CIGS , silicio amorfo y GaAs ) y la tercera generación (3G) de células orgánicas , sensibilizadas con colorante , de perovskita y de unión múltiple . ^{[30] [31]}

Las células solares c-Si convencionales , normalmente conectadas en serie, se encapsulan en un módulo solar para protegerlas del clima. El módulo consta de un vidrio templado como cubierta, un encapsulante suave y flexible, una lámina posterior hecha de un material resistente a la intemperie y al fuego y un marco de aluminio alrededor del borde exterior. Conectados eléctricamente y montados sobre una estructura de soporte, los módulos solares forman una cadena de módulos, a menudo llamada panel solar. Un conjunto solar consta de uno o muchos de estos paneles. ^[32] Un conjunto fotovoltaico, o conjunto solar, es una colección vinculada de módulos solares. La energía que un módulo puede producir rara vez es suficiente para satisfacer los requisitos de una casa o una empresa, por lo que los módulos se unen para formar un conjunto. La mayoría de los conjuntos fotovoltaicos utilizan un inversor para convertir la energía de CC producida por los módulos en corriente alterna que puede alimentar luces , motores y otras cargas. Los módulos de un conjunto fotovoltaico generalmente se conectan primero en serie para obtener el voltaje deseado ; luego, las cadenas individuales se conectan en paralelo para permitir que el sistema produzca más corriente . Los paneles solares se miden típicamente bajo STC (condiciones de prueba estándar) o PTC (condiciones de prueba PVUSA), en vatios . ^[33] Las clasificaciones típicas de los paneles varían desde menos de 100 vatios a más de 400 vatios. ^[34] La clasificación del conjunto consiste en una suma de las clasificaciones del panel, en vatios, kilovatios o megavatios.

Un módulo fotovoltaico típico de 150 vatios tiene un tamaño de aproximadamente un metro cuadrado. Se puede esperar que un módulo de este tipo produzca 0,75 kilovatios-hora (kWh) cada día, en promedio, después de tener en cuenta el clima y la latitud, para una insolación de 5 horas de sol/día. La producción del módulo se degrada más rápido a mayor temperatura. Permitir que el aire ambiente fluya sobre los módulos fotovoltaicos, y si es posible detrás de ellos, reduce este problema, ya que el flujo de aire tiende a reducir la temperatura de funcionamiento y, como consecuencia, aumenta la eficiencia del módulo. Sin embargo, recientemente se demostró que, en el funcionamiento en el mundo real, considerando un generador fotovoltaico de mayor escala, el aumento de la velocidad del viento puede aumentar las pérdidas de energía, ^[35] siguiendo la teoría de la mecánica de fluidos, ya que la interacción del viento con el generador fotovoltaico induce variaciones del flujo de aire que modifican la transferencia de calor de los módulos al aire.

La vida útil efectiva de los módulos suele ser de 25 años o más. ^[36] El período de recuperación de la inversión en una instalación solar fotovoltaica varía mucho y normalmente es menos útil que un cálculo de retorno de la inversión . ^[37] Si bien normalmente se calcula que es de entre 10 y 20 años, el período de recuperación financiera puede ser mucho más corto con incentivos . ^[38]

El efecto de la temperatura sobre los módulos fotovoltaicos se cuantifica habitualmente mediante unos coeficientes que relacionan las variaciones de la tensión de circuito abierto, de la corriente de cortocircuito y de la potencia máxima con los cambios de temperatura. En este artículo se presentan unas directrices experimentales completas para estimar los coeficientes de temperatura. ^[39]

Debido al bajo voltaje de una célula solar individual (normalmente unos 0,5 V), se conectan varias células (véase El cobre en las energías renovables#Generación de energía solar fotovoltaica ) en serie para fabricar un "laminado". El laminado se ensambla en una carcasa protectora resistente a la intemperie, formando así un módulo fotovoltaico o panel solar . A continuación, los módulos se pueden unir para formar un conjunto fotovoltaico. En 2012, los paneles solares disponibles para los consumidores tenían una eficiencia de hasta aproximadamente el 17%, ^[40] mientras que los paneles disponibles comercialmente pueden llegar hasta el 27%. Al concentrar la luz solar es posible lograr mayores eficiencias. Un grupo del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar ha creado una célula que puede alcanzar una eficiencia del 44,7% utilizando el equivalente a "297 soles". ^{[41] [42] [43] [44]}

La salida eléctrica de las células fotovoltaicas es extremadamente sensible al sombreado (el llamado "efecto de luz de Navidad"). ^{[45] [46] [47]} Cuando incluso una pequeña porción de una célula o de un módulo o conjunto de células en paralelo está a la sombra, mientras que el resto recibe la luz del sol, la salida cae drásticamente debido al "cortocircuito" interno (los electrones invierten su curso a través de la parte sombreada). Cuando se conectan en serie, la corriente extraída de una cadena de células no es mayor que la corriente normalmente pequeña que puede fluir a través de la célula sombreada, por lo que la corriente (y, por lo tanto, la potencia) desarrollada por la cadena es limitada. Si la carga externa es de una impedancia lo suficientemente baja, puede haber suficiente voltaje disponible de las otras células en una cadena para forzar más corriente a través de la célula sombreada rompiendo la unión. Este voltaje de ruptura en las células comunes es de entre 10 y 30 voltios. En lugar de sumarse a la energía producida por el panel, la célula sombreada absorbe energía, convirtiéndola en calor. Dado que el voltaje inverso de una celda sombreada es mucho mayor que el voltaje directo de una celda iluminada, una celda sombreada puede absorber la potencia de muchas otras celdas en la cadena, lo que afecta desproporcionadamente la salida del panel. Por ejemplo, una celda sombreada puede perder 8 voltios, en lugar de agregar 0,5 voltios, a un nivel de corriente alto, absorbiendo así la potencia producida por otras 16 celdas. ^[48] Por lo tanto, es importante que una instalación fotovoltaica no esté sombreada por árboles u otras obstrucciones. Existen técnicas para mitigar las pérdidas con diodos, pero estas técnicas también implican pérdidas.

Se han desarrollado varios métodos para determinar las pérdidas por sombreado de los árboles en los sistemas fotovoltaicos en grandes regiones utilizando LiDAR ^[49] , pero también a nivel de sistema individual utilizando software de modelado 3D ^[50] . La mayoría de los módulos tienen diodos de derivación entre cada celda o cadena de celdas que minimizan los efectos del sombreado y solo pierden la energía que la parte sombreada del conjunto habría suministrado, así como la energía disipada en los diodos. La función principal del diodo de derivación es eliminar los puntos calientes que se forman en las celdas que pueden causar más daños al conjunto y provocar incendios.

La luz solar puede ser absorbida por el polvo, la nieve u otras impurezas en la superficie del módulo (denominados colectivamente como suciedad ). La suciedad reduce la luz que llega a las células, lo que a su vez reduce la potencia de salida del sistema fotovoltaico. Las pérdidas por suciedad se acumulan con el tiempo y pueden llegar a ser grandes sin una limpieza adecuada. En 2018, la pérdida anual global de energía debido a la suciedad se estimó en al menos un 3-4%. ^[51] Sin embargo, las pérdidas por suciedad varían significativamente de una región a otra y dentro de las regiones. ^{[52] [53] [54] [55]} Mantener limpia la superficie del módulo aumentará el rendimiento de salida durante la vida útil del sistema fotovoltaico. En un estudio realizado en un área rica en nieve ( Ontario ), la limpieza de los paneles solares montados en plano después de 15 meses aumentó su producción en casi un 100%. Sin embargo, los conjuntos inclinados 5° se limpiaron adecuadamente con agua de lluvia. ^{[27] [56]} En muchos casos, especialmente en regiones áridas o en lugares cercanos a desiertos, carreteras, industrias o agricultura, la limpieza periódica de los paneles solares resulta rentable . En 2018, se estimó que la pérdida de ingresos inducida por la suciedad oscilaba entre 5 y 7 mil millones de euros. ^[51]

La fiabilidad a largo plazo de los módulos fotovoltaicos es crucial para garantizar la viabilidad técnica y económica de la energía fotovoltaica como fuente de energía exitosa. El análisis de los mecanismos de degradación de los módulos fotovoltaicos es clave para garantizar una vida útil actual superior a los 25 años. ^[57]

La insolación solar se compone de radiación directa, difusa y reflejada . El factor de absorción de una célula fotovoltaica se define como la fracción de la irradiancia solar incidente que es absorbida por la célula. ^[58] Cuando el sol está en el cenit en un día sin nubes, la potencia del sol es de aproximadamente 1 kW /m2 ^, [ ^59] en la superficie de la Tierra, a un plano que es perpendicular a los rayos del sol. Como tal, los paneles fotovoltaicos pueden seguir al sol a lo largo de cada día para mejorar en gran medida la recolección de energía. Sin embargo, los dispositivos de seguimiento agregan costos y requieren mantenimiento, por lo que es más común que los paneles fotovoltaicos tengan montajes fijos que inclinan el panel y miran hacia el sur en el hemisferio norte o hacia el norte en el hemisferio sur. El ángulo de inclinación desde la horizontal se puede variar según la temporada, ^[60] pero si es fijo, se debe configurar para brindar una salida óptima del panel durante la parte de demanda eléctrica pico de un año típico para un sistema independiente. Este ángulo de inclinación óptimo del módulo no es necesariamente idéntico al ángulo de inclinación para la salida máxima de energía anual del panel. ^[61] La optimización del sistema fotovoltaico para un entorno específico puede ser complicada, ya que se deben tener en cuenta cuestiones de flujo solar, suciedad y pérdidas de nieve. Además, trabajos posteriores han demostrado que los efectos espectrales pueden desempeñar un papel en la selección óptima de material fotovoltaico. Por ejemplo, el espectro del albedo de los alrededores puede desempeñar un papel importante en la producción dependiendo de la superficie alrededor del sistema fotovoltaico ^[62] y el tipo de material de la célula solar. ^[63] Una instalación fotovoltaica en las latitudes del norte de Europa o los Estados Unidos puede esperar producir 1 kWh/m ² /día. ^{[ cita requerida ]} Una instalación fotovoltaica típica de 1 kW en Australia o en las latitudes del sur de Europa o los Estados Unidos, puede producir entre 3,5 y 5 kWh por día, dependiendo de la ubicación, la orientación, la inclinación, la insolación y otros factores. ^{[ cita requerida ]} En el desierto del Sahara , con menos cobertura de nubes y un mejor ángulo solar, se podría obtener idealmente cerca de 8,3 kWh/m2 ^/ día, siempre que el viento casi siempre presente no arrastrara arena sobre las unidades. La superficie del desierto del Sahara es de más de 9 millones de km2 ^. 90.600 km2 ^, o aproximadamente el 1%, podrían generar tanta electricidad como todas las centrales eléctricas del mundo juntas. ^[64]

Los módulos se ensamblan en conjuntos sobre algún tipo de sistema de montaje, que puede clasificarse como montaje en el suelo, montaje en el techo o montaje en poste. Para los parques solares , se monta un gran bastidor en el suelo y los módulos se montan en el bastidor. Para los edificios, se han diseñado muchos bastidores diferentes para techos inclinados. Para techos planos, se utilizan bastidores, contenedores y soluciones integradas en edificios. ^{[ cita requerida ]} Los bastidores de paneles solares montados en la parte superior de los postes pueden ser fijos o móviles, consulte Seguidores a continuación. Los montajes laterales del poste son adecuados para situaciones en las que un poste tiene algo más montado en su parte superior, como una luminaria o una antena. El montaje en poste eleva lo que de otro modo sería un conjunto montado en el suelo por encima de las sombras de las malas hierbas y el ganado, y puede satisfacer los requisitos del código eléctrico con respecto a la inaccesibilidad del cableado expuesto. Los paneles montados en postes están abiertos a más aire de refrigeración en su parte inferior, lo que aumenta el rendimiento. Se pueden formar múltiples bastidores en la parte superior de los postes para crear una cochera de estacionamiento u otra estructura de sombra. Un bastidor que no sigue al sol de izquierda a derecha puede permitir un ajuste estacional hacia arriba o hacia abajo. ^{[ cita requerida ]}

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Debido a su uso en exteriores, los cables solares están diseñados para ser resistentes a la radiación ultravioleta y a fluctuaciones de temperatura extremadamente altas y, por lo general, no se ven afectados por el clima. Las normas que especifican el uso de cableado eléctrico en sistemas fotovoltaicos incluyen la IEC 60364 de la Comisión Electrotécnica Internacional , en la sección 712 "Sistemas de suministro de energía solar fotovoltaica (PV)", la norma británica BS 7671 , que incorpora regulaciones relacionadas con la microgeneración y los sistemas fotovoltaicos, y la norma estadounidense UL4703, en el tema 4703 "Cable fotovoltaico".

Un cable solar es el cable de interconexión que se utiliza en la generación de energía fotovoltaica . Los cables solares interconectan paneles solares y otros componentes eléctricos de un sistema fotovoltaico. Los cables solares están diseñados para ser resistentes a los rayos UV y a la intemperie . Se pueden utilizar en un amplio rango de temperaturas.

Los requisitos de rendimiento específicos para el material utilizado para el cableado de una instalación de paneles solares se establecen en los códigos eléctricos nacionales y locales que regulan las instalaciones eléctricas en una zona. Las características generales requeridas para los cables solares son la resistencia a la luz ultravioleta, el clima, las temperaturas extremas de la zona y el aislamiento adecuado para la clase de voltaje del equipo. Diferentes jurisdicciones tendrán reglas específicas con respecto a la conexión a tierra de las instalaciones de energía solar para la protección contra descargas eléctricas y rayos.

Un sistema de seguimiento solar inclina un panel solar a lo largo del día. Dependiendo del tipo de sistema de seguimiento, el panel se apunta directamente al Sol o al área más brillante de un cielo parcialmente nublado. Los seguidores mejoran en gran medida el rendimiento a primera hora de la mañana y a última hora de la tarde, aumentando la cantidad total de energía producida por un sistema en aproximadamente un 20-25% para un seguidor de un solo eje y aproximadamente un 30% o más para un seguidor de doble eje, dependiendo de la latitud. ^{[65] [66]} Los seguidores son eficaces en regiones que reciben una gran parte de la luz solar directamente. En luz difusa (es decir, bajo nubes o niebla), el seguimiento tiene poco o ningún valor. Debido a que la mayoría de los sistemas fotovoltaicos concentrados son muy sensibles al ángulo de la luz solar, los sistemas de seguimiento les permiten producir energía útil durante más de un breve período cada día. ^[67] Los sistemas de seguimiento mejoran el rendimiento por dos razones principales. Primero, cuando un panel solar es perpendicular a la luz solar, recibe más luz en su superficie que si estuviera en ángulo. Segundo, la luz directa se utiliza de manera más eficiente que la luz en ángulo. ^[68] Los recubrimientos antirreflejos especiales pueden mejorar la eficiencia del panel solar para la luz directa y en ángulo, reduciendo un poco el beneficio del seguimiento. ^[69]

Los seguidores y sensores para optimizar el rendimiento suelen considerarse opcionales, pero pueden aumentar la producción viable hasta en un 45%. ^[70] Los sistemas que se acercan o superan el megavatio suelen utilizar seguidores solares. Teniendo en cuenta las nubes y el hecho de que la mayor parte del mundo no está en el ecuador y que el sol se pone por la tarde, la medida correcta de la energía solar es la insolación , es decir, la cantidad media de kilovatios-hora por metro cuadrado al día. Para el clima y las latitudes de Estados Unidos y Europa, la insolación típica varía de 2,26 kWh/m2 ^/ día en los climas del norte a 5,61 kWh/m2 ^/ día en las regiones más soleadas. ^{[71] [72]}

En el caso de los sistemas de gran tamaño, la energía que se obtiene con el uso de sistemas de seguimiento puede compensar la complejidad añadida. En el caso de los sistemas muy grandes , el mantenimiento adicional del seguimiento supone un detrimento sustancial. ^{[73] El seguimiento no es necesario para} los sistemas fotovoltaicos de panel plano y de baja concentración . En el caso de los sistemas fotovoltaicos de alta concentración, el seguimiento de doble eje es una necesidad. ^[74] Las tendencias de precios afectan al equilibrio entre añadir más paneles solares estacionarios o tener menos paneles con seguimiento.

A medida que los precios, la fiabilidad y el rendimiento de los seguidores de un solo eje han mejorado, los sistemas se han instalado en un porcentaje cada vez mayor de proyectos a gran escala. Según datos de WoodMackenzie/GTM Research, los envíos mundiales de seguidores solares alcanzaron un récord de 14,5 gigavatios en 2017. Esto representa un crecimiento del 32 por ciento interanual, y se prevé un crecimiento similar o mayor a medida que se acelere la implementación de energía solar a gran escala. ^[75]

Los sistemas diseñados para suministrar corriente alterna (CA), como las aplicaciones conectadas a la red, necesitan un inversor para convertir la corriente continua (CC) de los módulos solares en CA. Los inversores conectados a la red deben suministrar electricidad CA en forma sinusoidal, sincronizada con la frecuencia de la red, limitar la tensión de alimentación a un valor no superior a la tensión de la red y desconectarse de la red si se apaga la tensión de la red. ^[76] Los inversores en isla solo necesitan producir frecuencias y tensiones reguladas en forma de onda sinusoidal, ya que no se requiere sincronización ni coordinación con los suministros de la red.

Un inversor solar puede conectarse a una cadena de paneles solares. En algunas instalaciones, se conecta un microinversor solar a cada panel solar. ^[77] Por razones de seguridad, se proporciona un disyuntor tanto en el lado de CA como en el de CC para permitir el mantenimiento. La salida de CA se puede conectar a través de un medidor de electricidad a la red pública. ^[78] La cantidad de módulos en el sistema determina la cantidad total de vatios de CC que puede generar el conjunto solar; sin embargo, el inversor, en última instancia, regula la cantidad de vatios de CA que se pueden distribuir para el consumo. Por ejemplo, un sistema fotovoltaico que comprende 11 kilovatios de CC (kW _CC ) de módulos fotovoltaicos, emparejado con un inversor de 10 kilovatios de CA (kW _CA ), estará limitado a la salida del inversor de 10 kW. A partir de 2019, la eficiencia de conversión de los convertidores de última generación alcanzó más del 98 por ciento. Si bien los inversores de cadena se utilizan en sistemas fotovoltaicos residenciales y comerciales de tamaño mediano, los inversores centrales cubren el mercado comercial y de servicios públicos a gran escala. La participación de mercado de los inversores centrales y de cadena es de alrededor del 44 por ciento y el 52 por ciento, respectivamente, con menos del 1 por ciento para los microinversores. ^[79]

El seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) es una técnica que utilizan los inversores conectados a la red para obtener la máxima potencia posible del sistema fotovoltaico. Para ello, el sistema MPPT del inversor toma una muestra digital de la potencia de salida del sistema fotovoltaico, que cambia constantemente, y aplica la impedancia adecuada para encontrar el punto de máxima potencia óptimo . ^[80]

El mecanismo anti-isla es un mecanismo de protección que apaga inmediatamente el inversor, impidiéndole generar energía de CA cuando la conexión a la carga ya no existe. Esto sucede, por ejemplo, en el caso de un apagón. Sin esta protección, la línea de suministro se convertiría en una "isla" con energía rodeada por un "mar" de líneas sin energía, ya que el panel solar continúa entregando energía de CC durante el corte de energía. El mecanismo anti-isla es un peligro para los trabajadores de servicios públicos, que pueden no darse cuenta de que un circuito de CA todavía está alimentado, y puede impedir la reconexión automática de dispositivos. ^[81] La función anti-isla no es necesaria para sistemas completamente fuera de la red.

Aunque todavía son caros, los sistemas fotovoltaicos utilizan cada vez más baterías recargables para almacenar un excedente que se utilizará más tarde por la noche. Las baterías utilizadas para el almacenamiento en la red también estabilizan la red eléctrica al nivelar las cargas máximas y desempeñan un papel importante en una red inteligente , ya que pueden cargarse durante períodos de baja demanda y alimentar la red con la energía almacenada cuando la demanda es alta.

Las tecnologías de baterías comunes utilizadas en los sistemas fotovoltaicos actuales incluyen la batería de plomo-ácido regulada por válvula  (una versión modificada de la batería de plomo-ácido convencional)  , las baterías de níquel-cadmio y de iones de litio . En comparación con los otros tipos, las baterías de plomo-ácido tienen una vida útil más corta y una densidad energética más baja. Sin embargo, debido a su alta confiabilidad, baja autodescarga y bajos costos de inversión y mantenimiento, actualmente (a partir de 2014) son la tecnología predominante utilizada en sistemas fotovoltaicos residenciales de pequeña escala, ya que las baterías de iones de litio aún se están desarrollando y son aproximadamente 3,5 veces más caras que las baterías de plomo-ácido. Además, como los dispositivos de almacenamiento para sistemas fotovoltaicos son estacionarios, la menor densidad de energía y potencia y, por lo tanto, el mayor peso de las baterías de plomo-ácido no son tan críticos como, por ejemplo, en el transporte eléctrico ^{[5] : 4, 9} Otras baterías recargables consideradas para sistemas fotovoltaicos distribuidos incluyen baterías redox de sodio-azufre y vanadio , dos tipos destacados de sal fundida y batería de flujo , respectivamente. ^{[5] : 4} En 2015, Tesla Motors lanzó Powerwall , una batería recargable de iones de litio con el objetivo de revolucionar el consumo de energía. ^[82]

Los sistemas fotovoltaicos con una solución de batería integrada también necesitan un controlador de carga , ya que el voltaje y la corriente variables del conjunto solar requieren un ajuste constante para evitar daños por sobrecarga. ^[83] Los controladores de carga básicos pueden simplemente encender y apagar los paneles fotovoltaicos, o pueden medir pulsos de energía según sea necesario, una estrategia llamada PWM o modulación por ancho de pulso . Los controladores de carga más avanzados incorporarán lógica MPPT en sus algoritmos de carga de batería. Los controladores de carga también pueden desviar energía a algún propósito distinto a la carga de la batería. En lugar de simplemente apagar la energía fotovoltaica gratuita cuando no se necesita, un usuario puede optar por calentar el aire o el agua una vez que la batería esté llena.

La medición debe ser capaz de acumular unidades de energía en ambas direcciones, o deben utilizarse dos medidores. Muchos medidores acumulan bidireccionalmente, algunos sistemas utilizan dos medidores, pero un medidor unidireccional (con retención) no acumulará energía de ninguna alimentación resultante a la red. ^[84] En algunos países, para instalaciones de más de 30  kW _p se requiere un monitor de frecuencia y voltaje con desconexión de todas las fases. Esto se hace cuando se genera más energía solar de la que puede acomodar la empresa de servicios públicos, y el exceso no se puede exportar ni almacenar . Históricamente, los operadores de la red han necesitado proporcionar líneas de transmisión y capacidad de generación. Ahora también necesitan proporcionar almacenamiento. Esto normalmente es almacenamiento hidráulico, pero se utilizan otros medios de almacenamiento. Inicialmente, el almacenamiento se utilizó para que los generadores de carga base pudieran operar a plena potencia. Con energía renovable variable , se necesita almacenamiento para permitir la generación de energía siempre que esté disponible y el consumo siempre que sea necesario.

Las dos variables que tiene un operador de red son almacenar electricidad para cuando se necesite o transmitirla a donde se necesite. Si ambas fallan, las instalaciones de más de 30 kWp pueden apagarse automáticamente, aunque en la práctica todos los inversores mantienen la regulación de voltaje y dejan de suministrar energía si la carga es inadecuada. Los operadores de red tienen la opción de reducir el exceso de generación de los grandes sistemas, aunque esto se hace más comúnmente con la energía eólica que con la solar y da como resultado una pérdida sustancial de ingresos. ^[85] Los inversores trifásicos tienen la opción única de suministrar energía reactiva, lo que puede ser ventajoso para satisfacer los requisitos de carga. ^[86]

Los sistemas fotovoltaicos necesitan ser monitoreados para detectar fallas y optimizar el funcionamiento. Existen varias estrategias de monitoreo fotovoltaico dependiendo de la salida de la instalación y su naturaleza. El monitoreo puede realizarse en el sitio o de forma remota. Puede medir solo la producción, recuperar todos los datos del inversor o recuperar todos los datos del equipo de comunicación (sondas, medidores, etc.). Las herramientas de monitoreo pueden dedicarse solo a la supervisión u ofrecer funciones adicionales. Los inversores individuales y los controladores de carga de batería pueden incluir monitoreo utilizando protocolos y software específicos del fabricante. ^[87] La ​​medición de energía de un inversor puede tener una precisión limitada y no ser adecuada para fines de medición de ingresos. Un sistema de adquisición de datos de terceros puede monitorear múltiples inversores, utilizando los protocolos del fabricante del inversor, y también adquirir información relacionada con el clima. Los medidores inteligentes independientes pueden medir la producción total de energía de un sistema de matriz fotovoltaica. Se pueden utilizar medidas separadas, como el análisis de imágenes satelitales o un medidor de radiación solar (un piranómetro ), para estimar la insolación total para comparación. ^[88] Los datos recopilados de un sistema de monitoreo se pueden mostrar de forma remota a través de la World Wide Web, como OSOTF . ^{[89] [90] [91] [92]}

Conociendo el consumo energético anual en Kwh de una institución o de una familia, por ejemplo de 2300 Kwh, legible en su factura de electricidad, es posible calcular el número de paneles fotovoltaicos necesarios para satisfacer sus necesidades energéticas. Conectándose al sitio https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/ , después de seleccionar la ubicación en la que instalar los paneles o haciendo clic en el mapa o escribiendo el nombre de la ubicación, debe seleccionar "Conectado a la red" y "Visualizar resultados" obteniendo la siguiente tabla, por ejemplo, relativa a la ciudad de Palermo:$Estilo de visualización E_{d}$

Entradas proporcionadas:Ubicación [Latitud/Longitud]:;38.111,13.352Horizonte:;CalculadoBase de datos utilizada: PVGIS-SARAH2Tecnología fotovoltaica: silicio cristalinoPV instalado [kWp]:;1Pérdida del sistema [%]:;14Resultados de la simulación:;Ángulo de pendiente [°]:;35Ángulo acimutal [°]:;0Producción anual de energía fotovoltaica [kWh]: 1519,1Irradiación anual en el plano [kWh/m2]:;1944,62Variabilidad interanual [kWh]:;47,61Cambios en la producción debido a:;Ángulo de incidencia [%]:;-2,68Efectos espectrales [%]:;0,88Temperatura y baja irradiancia [%]:;-7,48Pérdida total [%]:;-21,88Coste de la electricidad fotovoltaica [por kWh]:;

Utilizando el programa wxMaxima , el número de paneles necesarios para un consumo anual de 2300 kWh y para una tecnología de silicio cristalino con un ángulo de pendiente de 35°, un ángulo acimut de 0° y unas pérdidas totales iguales al 21,88% es 6 redondeado hacia arriba:

E_d : 2300 ; E_s : 1519,1 ; P : 300 ; Número_de_paneles : 1000 * E_d / ( P * E_s ) ;                    5.046847914335243

De media, cada familia consigue consumir un 30% de energía directamente de la fotovoltaica. El sistema de almacenamiento puede llevar su autoconsumo a un máximo del 70%, por lo tanto la capacidad de almacenamiento de baterías que debería tener en el caso concreto es de: 4,41 Kwh que redondeado al alza son 4,8 Kwh

Capacidad de la batería : 0,70 * E_d / 365 ;     4.410958904109589

Si el precio de la energía es de 0,5 €/Kwh entonces el coste de la energía sin impuestos será de 1150 € al año:

Coste_energético : E_d * 0,5 ;    1150.0

Entonces si un panel de 300W cuesta 200€, la batería de 4,8Kwh cuesta 3000€, el inversor para convertir la corriente continua en corriente alterna 1000€, el regulador de carga 100€, la instalación cuesta 1000€ el coste total será de 6.300€:

Costo_total : 200 * 6 + 3000 + 1000 + 100 + 1000 ;           3150

que se amortizan en 5,46 años:

Años : Costo_total / Costo_energético ;     5.46 ...

teniendo la batería una vida útil de 10 años y los paneles de 25 a 30 años

Esta sección incluye sistemas que son altamente especializados y poco comunes o que aún son una nueva tecnología emergente con una importancia limitada. Sin embargo, los sistemas autónomos o fuera de la red ocupan un lugar especial. Eran el tipo de sistemas más común durante los años 1980 y 1990, cuando la tecnología fotovoltaica todavía era muy cara y un mercado de nicho puro de aplicaciones a pequeña escala. Solo en lugares donde no había red eléctrica disponible, eran económicamente viables. Aunque todavía se están implementando nuevos sistemas autónomos en todo el mundo, su contribución a la capacidad fotovoltaica instalada total está disminuyendo. En Europa, los sistemas fuera de la red representan el 1 por ciento de la capacidad instalada. En los Estados Unidos, representan alrededor del 10 por ciento. Los sistemas fuera de la red todavía son comunes en Australia y Corea del Sur, y en muchos países en desarrollo. ^{[4] : 14}

Los sistemas fotovoltaicos de concentración (CPV) y de alta concentración (HCPV) utilizan lentes ópticas o espejos curvos para concentrar la luz solar en células solares pequeñas pero muy eficientes. Además de la óptica de concentración, los sistemas CPV a veces utilizan seguidores solares y sistemas de refrigeración y son más caros.

Los sistemas HCPV son especialmente adecuados en lugares con alta irradiación solar, ya que concentran la luz solar hasta 400 veces o más, con eficiencias del 24 al 28 por ciento, superiores a las de los sistemas regulares. Hay varios diseños de sistemas disponibles comercialmente, pero no son muy comunes. Sin embargo, se están llevando a cabo investigaciones y desarrollos en curso. ^{[8] : 26}

La CPV suele confundirse con la CSP ( energía solar concentrada ) que no utiliza energía fotovoltaica. Ambas tecnologías favorecen lugares que reciben mucha luz solar y compiten directamente entre sí.

Un sistema híbrido combina la energía fotovoltaica con otras formas de generación, normalmente un generador diésel. ^{[ cita requerida ]} También se utiliza biogás. La otra forma de generación puede ser un tipo capaz de modular la producción de energía en función de la demanda. Sin embargo, se puede utilizar más de una forma de energía renovable, por ejemplo, la eólica. La generación de energía fotovoltaica sirve para reducir el consumo de combustible no renovable. Los sistemas híbridos se encuentran con mayor frecuencia en las islas. La isla de Pellworm en Alemania y la isla de Kythnos en Grecia son ejemplos notables (ambas se combinan con la energía eólica). ^{[93] [94]} La planta de Kythnos ha reducido el consumo de diésel en un 11,2%. ^[95]

En 2015, un estudio de caso realizado en siete países concluyó que, en todos los casos, los costos de generación pueden reducirse mediante la hibridación de minirredes y redes aisladas. Sin embargo, los costos de financiamiento para estos híbridos son cruciales y dependen en gran medida de la estructura de propiedad de la central eléctrica. Si bien las reducciones de costos para las empresas de servicios públicos estatales pueden ser significativas, el estudio también identificó que los beneficios económicos son insignificantes o incluso negativos para las empresas de servicios públicos no públicas, como los productores de energía independientes . ^{[96] [97]}

También se ha demostrado que el límite de penetración de la energía fotovoltaica se puede aumentar mediante la implementación de una red distribuida de sistemas híbridos de energía fotovoltaica y cogeneración en los EE. UU. ^[98]. Se analizó la distribución temporal del flujo solar y los requisitos eléctricos y de calefacción de residencias unifamiliares representativas de los EE. UU. y los resultados muestran claramente que la hibridación de la cogeneración con la energía fotovoltaica puede permitir una implementación de energía fotovoltaica adicional por encima de lo que es posible con un sistema de generación eléctrica centralizada convencional. Esta teoría se reconfirmó con simulaciones numéricas utilizando datos de flujo solar por segundo para determinar que la batería de respaldo necesaria para proporcionar un sistema híbrido de este tipo es posible con sistemas de baterías relativamente pequeños y económicos. ^[99] Además, son posibles sistemas fotovoltaicos y de cogeneración de gran tamaño para edificios institucionales, que nuevamente brindan respaldo para la energía fotovoltaica intermitente y reducen el tiempo de funcionamiento de la cogeneración. ^[100]

• Los sistemas PVT (híbridos fotovoltaicos/térmicos), también conocidos como colectores solares híbridos fotovoltaicos/térmicos, convierten la radiación solar en energía térmica y eléctrica. Este tipo de sistema combina un módulo solar (PV) con un colector solar térmico de forma complementaria.
• Sistema CPVT . Un sistema híbrido fotovoltaico térmico concentrado (CPVT) es similar a un sistema PVT. Utiliza energía fotovoltaica concentrada (CPV) en lugar de la tecnología fotovoltaica convencional y la combina con un colector solar térmico.
• El sistema CPV/CSP es un novedoso sistema híbrido solar propuesto, que combina la energía fotovoltaica de concentración con la tecnología no fotovoltaica de energía solar concentrada (CSP), o también conocida como energía solar térmica concentrada. ^[101]
• El sistema diésel fotovoltaico combina un sistema fotovoltaico con un generador diésel . ^[102] Son posibles las combinaciones con otras energías renovables , entre ellas las turbinas eólicas . ^[103]

La energía solar flotante o fotovoltaica flotante (FPV), a veces llamada floatovoltaica, son paneles solares montados en una estructura que flota en un cuerpo de agua, típicamente un embalse o un lago como embalses de agua potable, lagos de canteras, canales de irrigación o estanques de remediación y relaves. ^{[104] [105] [106] [107] [108]}

Los sistemas pueden tener ventajas sobre la energía fotovoltaica (FV) en tierra. Las superficies de agua pueden ser menos costosas que el costo de la tierra, y hay menos reglas y regulaciones para las estructuras construidas en cuerpos de agua que no se utilizan para recreación. El análisis del ciclo de vida indica que el FPV basado en espuma ^[109] tiene algunos de los tiempos de recuperación de energía más cortos (1,3 años) y la relación más baja de emisiones de gases de efecto invernadero a energía (11 kg de CO ₂ eq/MWh) en las tecnologías solares fotovoltaicas de silicio cristalino registradas. ^[110]

Los paneles flotantes pueden lograr una mayor eficiencia que los paneles fotovoltaicos en tierra porque el agua los enfría. Los paneles pueden tener un revestimiento especial para evitar la oxidación o la corrosión. ^[111]

El mercado de esta tecnología de energía renovable ha crecido rápidamente desde 2016. Las primeras 20 plantas con capacidades de unas pocas docenas de kWp se construyeron entre 2007 y 2013. ^[112] La potencia instalada creció de 3 GW en 2020 a 13 GW en 2022, ^[113] superando una predicción de 10 GW para 2025. ^[114] El Banco Mundial estimó que hay 6.600 grandes masas de agua aptas para la energía solar flotante, con una capacidad técnica de más de 4.000 GW si el 10% de sus superficies estuvieran cubiertas con paneles solares. ^[113]

Los costos de un sistema flotante son aproximadamente entre un 10 y un 20% más altos que los de los sistemas montados en tierra. ^{[115] [116] [117]} Según un investigador del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL), este aumento se debe principalmente a la necesidad de sistemas de anclaje para asegurar los paneles en el agua, lo que contribuye a que las instalaciones solares flotantes sean aproximadamente un 25% más caras que las de la tierra. ^[118]

Las redes de CC se encuentran en el transporte eléctrico: ferrocarriles, tranvías y trolebuses. Se han construido algunas plantas piloto para tales aplicaciones, como las cocheras de tranvía de Hannover Leinhausen, que utilizan generadores fotovoltaicos ^[119] y Ginebra (Bachet de Pesay). ^[120] La planta de Ginebra, de 150 kWp, _alimenta 600 V CC directamente a la red eléctrica de tranvías y trolebuses, mientras que antes proporcionaba aproximadamente el 15% de la electricidad en su inauguración en 1999.

Un sistema autónomo o fuera de la red no está conectado a la red eléctrica . Los sistemas autónomos varían ampliamente en tamaño y aplicación, desde relojes de pulsera o calculadoras hasta edificios remotos o naves espaciales . Si la carga se debe suministrar independientemente de la insolación solar , la energía generada se almacena y amortigua con una batería. ^[121] En aplicaciones no portátiles donde el peso no es un problema, como en los edificios, las baterías de plomo-ácido son las más comúnmente utilizadas por su bajo costo y tolerancia al abuso.

Se puede incorporar un controlador de carga al sistema para evitar daños en la batería por una carga o descarga excesiva. También puede ayudar a optimizar la producción del conjunto solar mediante una técnica de seguimiento del punto de máxima potencia ( MPPT ). Sin embargo, en sistemas fotovoltaicos simples donde el voltaje del módulo fotovoltaico se adapta al voltaje de la batería, el uso de la electrónica MPPT generalmente se considera innecesario, ya que el voltaje de la batería es lo suficientemente estable como para proporcionar una recolección de energía casi máxima del módulo fotovoltaico. En dispositivos pequeños (por ejemplo, calculadoras, parquímetros), solo se consume corriente continua (CC). En sistemas más grandes (por ejemplo, edificios, bombas de agua remotas), generalmente se requiere CA. Para convertir la CC de los módulos o baterías en CA, se utiliza un inversor .

En entornos agrícolas , el conjunto se puede utilizar para alimentar directamente bombas de CC , sin necesidad de un inversor . En entornos remotos, como zonas montañosas, islas u otros lugares donde no hay red eléctrica disponible, los paneles solares se pueden utilizar como única fuente de electricidad, normalmente cargando una batería de almacenamiento . Los sistemas autónomos están estrechamente relacionados con la microgeneración y la generación distribuida .

Precios medios de instalación de sistemas fotovoltaicos residenciales
en Japón , Alemania y Estados Unidos ($/W)

Los gráficos no están disponibles debido a problemas técnicos. Hay más información en Phabricator y en MediaWiki.org.

Historial de precios de sistemas solares para tejados 2006-2013. Comparación en dólares estadounidenses por vatio instalado. ^{[122] [123]}

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El coste de producción de células fotovoltaicas ha disminuido debido a las economías de escala en la producción y a los avances tecnológicos en la fabricación. En 2012, para las instalaciones a gran escala, los precios inferiores a 1 dólar por vatio eran habituales. ^[124] En Europa, entre 2006 y 2011, se había logrado una reducción del precio del 50% y existía la posibilidad de reducir el coste de generación en un 50% para 2020. ^[125] Las células solares de silicio cristalino han sido sustituidas en gran medida por células solares de silicio policristalino, menos costosas, y también se han desarrollado células solares de silicio de película fina con costes de producción más bajos. Aunque su eficiencia de conversión energética es menor que la de las "obleas de silicio" monocristalinas, también son mucho más fáciles de producir a costes comparativamente más bajos. ^[126]

La siguiente tabla muestra el costo total (promedio) en centavos de dólar estadounidense por kWh de electricidad generada por un sistema fotovoltaico. ^{[127] [128]} Los encabezados de fila de la izquierda muestran el costo total, por kilovatio pico (kW _p ), de una instalación fotovoltaica. Los costos del sistema fotovoltaico han estado disminuyendo y en Alemania, por ejemplo, se informó que habían caído a USD 1389/kW _p a fines de 2014. ^[129] Los encabezados de columna en la parte superior se refieren a la producción anual de energía en kWh esperada de cada kW _p instalado . Esto varía según la región geográfica porque la insolación promedio depende de la nubosidad promedio y el espesor de la atmósfera atravesada por la luz solar. También depende de la trayectoria del sol en relación con el panel y el horizonte. Los paneles generalmente se montan en un ángulo basado en la latitud y, a menudo, se ajustan estacionalmente para cumplir con la declinación solar cambiante . El seguimiento solar también se puede utilizar para acceder a luz solar aún más perpendicular, aumentando así la producción total de energía.

Los valores calculados en la tabla reflejan el costo total (promedio) en centavos por kWh producido. Suponen un costo total de capital del 10% (por ejemplo, una tasa de interés del 4% , un costo de operación y mantenimiento del 1% ^[130] y una depreciación del desembolso de capital a lo largo de 20 años). Normalmente, los módulos fotovoltaicos tienen una garantía de 25 años. ^{[131] [132]}

Los sistemas fotovoltaicos presentan una curva de aprendizaje en términos de costo nivelado de electricidad (LCOE), reduciendo su costo por kWh en un 32,6% por cada duplicación de capacidad. ^{[134] [135] [136]} A partir de los datos de LCOE y capacidad instalada acumulada de la Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA) de 2010 a 2017, ^{[135] [136]} la ecuación de la curva de aprendizaje para sistemas fotovoltaicos se da como ^[134]

${\displaystyle LCOE_{fotovoltaica}=151,46\,Capacidad^{-0,57}}$

• LCOE: costo nivelado de la electricidad (en USD/kWh)
• Capacidad: capacidad instalada acumulada de sistemas fotovoltaicos (en MW)

El aumento del uso de sistemas fotovoltaicos y la integración de la energía fotovoltaica en las estructuras y técnicas de suministro y distribución existentes aumenta la necesidad de normas y definiciones generales para los componentes y sistemas fotovoltaicos. ^{[ cita requerida ]} Las normas se compilan en la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI) y se aplican a la eficiencia, durabilidad y seguridad de células, módulos, programas de simulación, conectores y cables, sistemas de montaje, eficiencia general de inversores, etc. ^[137]

En el Reino Unido, las instalaciones fotovoltaicas se consideran, por lo general, desarrollos permitidos y no requieren permiso de planificación. Si la propiedad está catalogada o se encuentra en una zona designada (parque nacional, área de excepcional belleza natural, sitio de especial interés científico o Norfolk Broads), entonces se requiere permiso de planificación. ^[138]

Las instalaciones de energía solar fotovoltaica en el Reino Unido también están sujetas a control en virtud de la normativa de construcción de 2010. Por lo tanto, es necesaria la aprobación de la normativa de construcción para las instalaciones de energía solar fotovoltaica en tejados tanto domésticos como comerciales a fin de garantizar que cumplan con los estándares de seguridad requeridos. Esto incluye garantizar que el techo pueda soportar el peso de los paneles solares, que las conexiones eléctricas sean seguras y que no haya riesgos de incendio. ^[139]

En los Estados Unidos, el artículo 690 del Código Eléctrico Nacional proporciona pautas generales para la instalación de sistemas fotovoltaicos; estas pueden ser reemplazadas por leyes y reglamentos locales. A menudo, se requiere un permiso que exige la presentación de planos y cálculos estructurales antes de comenzar el trabajo. Además, muchos lugares exigen que el trabajo se realice bajo la supervisión de un electricista autorizado.

La Autoridad competente (AHJ) revisará los diseños y emitirá los permisos antes de que la construcción pueda comenzar legalmente. Las prácticas de instalación eléctrica deben cumplir con los estándares establecidos en el Código Eléctrico Nacional (NEC) y ser inspeccionadas por la AHJ para garantizar el cumplimiento del código de construcción , el código eléctrico y el código de seguridad contra incendios . Las jurisdicciones pueden exigir que el equipo haya sido probado, certificado, listado y etiquetado por al menos uno de los Laboratorios de Pruebas Reconocidos a Nivel Nacional (NRTL). ^[140] Muchas localidades requieren un permiso para instalar un sistema fotovoltaico. Un sistema conectado a la red normalmente requiere que un electricista autorizado conecte el sistema con el cableado conectado a la red del edificio. ^[141] Los instaladores que cumplen con estas calificaciones se encuentran en casi todos los estados. ^[140] Varios estados prohíben a las asociaciones de propietarios restringir los dispositivos solares. ^{[142] [143] [144]}

Aunque España genera alrededor del 40% de su electricidad a través de energía fotovoltaica y otras fuentes de energía renovables, y ciudades como Huelva y Sevilla cuentan con casi 3.000 horas de sol al año, en 2013 España emitió un impuesto solar para compensar la deuda creada por la inversión realizada por el gobierno español. Aquellos que no se conecten a la red pueden enfrentarse a una multa de hasta 30 millones de euros (40 millones de dólares estadounidenses). ^[145] Estas medidas finalmente se retiraron en 2018, cuando se introdujo una nueva legislación que prohibía cualquier impuesto al autoconsumo de energía renovable. ^[146]

Con el aumento de los niveles de sistemas fotovoltaicos en azoteas, el flujo de energía se vuelve bidireccional. Cuando hay más generación local que consumo, la electricidad se exporta a la red. Sin embargo, la red eléctrica tradicionalmente no está diseñada para lidiar con la transferencia de energía bidireccional. Por lo tanto, pueden surgir algunos problemas técnicos. Por ejemplo, en Queensland, Australia, ha habido más del 30% de hogares con PV en azoteas a fines de 2017. La famosa curva de pato californiana de 2020 aparece muy a menudo para muchas comunidades a partir de 2015. Un problema de sobretensión puede surgir a medida que la electricidad fluye de regreso a la red. ^[147] Existen soluciones para gestionar el problema de la sobretensión, como la regulación del factor de potencia del inversor fotovoltaico, nuevos equipos de control de voltaje y energía a nivel del distribuidor de electricidad, la re-conducción de los cables eléctricos, la gestión del lado de la demanda, etc. A menudo existen limitaciones y costos relacionados con estas soluciones. Una forma de calcular estos costos y beneficios es utilizar el concepto de "valor de la energía solar" (VOS, por sus siglas en inglés), ^[148] que incluye los costos/pérdidas evitados, entre ellos: operaciones y mantenimiento de la planta (fijos y variables); combustible; capacidad de generación, capacidad de reserva, capacidad de transmisión, capacidad de distribución y responsabilidad ambiental y sanitaria. Popular Mechanics informa que los resultados del VOS muestran que los clientes de servicios públicos conectados a la red están recibiendo una compensación muy inferior a la normal en la mayor parte de los EE. UU., ya que el valor de la energía solar eclipsa la tasa de medición neta, así como las tarifas de dos niveles, lo que significa que "los paneles solares de su vecino le están ahorrando dinero en secreto". ^[149]

Los clientes tienen diferentes situaciones específicas, por ejemplo, diferentes necesidades de comodidad/conveniencia, diferentes tarifas eléctricas o diferentes patrones de uso. Una tarifa eléctrica puede tener algunos elementos, como el cargo diario de acceso y medición, el cargo de energía (basado en kWh, MWh) o el cargo por demanda máxima (por ejemplo, un precio por el mayor consumo de energía durante los 30 minutos de un mes). La energía fotovoltaica es una opción prometedora para reducir el cargo de energía cuando el precio de la electricidad es razonablemente alto y aumenta continuamente, como en Australia y Alemania. Sin embargo, para los sitios con un cargo por demanda máxima, la energía fotovoltaica puede ser menos atractiva si las demandas máximas ocurren principalmente a última hora de la tarde o a primera hora de la noche, por ejemplo, en las comunidades residenciales. En general, la inversión en energía es en gran medida una decisión económica y las decisiones de inversión se basan en la evaluación sistemática de las opciones en materia de mejora operativa, eficiencia energética , generación in situ y almacenamiento de energía. ^{[150] [151]}

Un sistema fotovoltaico conectado a la red, o sistema FV conectado a la red, es un sistema de energía solar fotovoltaica que genera electricidad y que está conectado a la red eléctrica . Un sistema FV conectado a la red consta de paneles solares , uno o varios inversores , una unidad de acondicionamiento de energía y equipos de conexión a la red. Van desde pequeños sistemas residenciales y comerciales en azoteas hasta grandes centrales solares a escala de servicios públicos . Cuando las condiciones son adecuadas, el sistema FV conectado a la red suministra el exceso de energía, más allá del consumo de la carga conectada, a la red eléctrica . ^[152]

Los sistemas residenciales conectados a la red en azoteas que tienen una capacidad de más de 10 kilovatios pueden satisfacer la carga de la mayoría de los consumidores. ^[153] Pueden suministrar el exceso de energía a la red donde es consumida por otros usuarios. La retroalimentación se realiza a través de un medidor para monitorear la energía transferida. La potencia fotovoltaica puede ser menor que el consumo promedio, en cuyo caso el consumidor seguirá comprando energía de la red, pero una cantidad menor que antes. Si la potencia fotovoltaica excede sustancialmente el consumo promedio, la energía producida por los paneles será muy superior a la demanda. En este caso, el exceso de energía puede generar ingresos vendiéndola a la red. Dependiendo de su acuerdo con su compañía de energía de red local, el consumidor solo necesita pagar el costo de la electricidad consumida menos el valor de la electricidad generada. Este será un número negativo si se genera más electricidad de la que se consume. ^[154] Además, en algunos casos, el operador de la red paga incentivos en efectivo al consumidor.

La conexión del sistema de energía fotovoltaica sólo puede realizarse mediante un acuerdo de interconexión entre el consumidor y la empresa de servicios públicos. En el acuerdo se detallan las distintas normas de seguridad que deben cumplirse durante la conexión. ^[155]

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La energía eléctrica de los paneles fotovoltaicos debe convertirse en corriente alterna mediante un inversor de potencia especial si está destinada a ser suministrada a una red eléctrica. El inversor se encuentra entre el conjunto solar y la red, y puede ser una unidad independiente grande o puede ser una colección de pequeños inversores conectados a paneles solares individuales como un módulo de CA. El inversor debe monitorear el voltaje, la forma de onda y la frecuencia de la red. El inversor debe detectar fallas en el suministro de la red y, luego, no debe suministrar energía a la red. Un inversor conectado a una línea eléctrica que funciona mal se desconectará automáticamente de acuerdo con las reglas de seguridad, que varían según la jurisdicción. La ubicación de la corriente de falla juega un papel crucial para decidir si se activará el mecanismo de protección del inversor, especialmente para redes de suministro eléctrico bajas y medias. Un sistema de protección debe garantizar el funcionamiento adecuado para fallas externas al inversor en la red de suministro. El inversor especial también debe estar diseñado para sincronizar su frecuencia de CA con la red, para garantizar la correcta integración del flujo de energía del inversor en la red de acuerdo con la forma de onda.

• Los sistemas como la medición neta y la tarifa de alimentación que ofrecen algunos operadores de sistemas pueden compensar los costos de consumo de electricidad de un cliente. Sin embargo, en algunos lugares, las tecnologías de red no pueden hacer frente a la generación distribuida que alimenta la red, por lo que no es posible exportar el excedente de electricidad y ese excedente se conecta a tierra. ^{[ cita requerida ]}
• Los sistemas fotovoltaicos conectados a la red son comparativamente más fáciles de instalar, ya que no requieren un sistema de baterías. ^{[152] [156]}
• La interconexión a la red de sistemas de generación de energía fotovoltaica (FV) tiene la ventaja de una utilización eficaz de la energía generada porque no hay pérdidas de almacenamiento involucradas. ^[157]
• Un sistema de energía fotovoltaica es carbono negativo durante su vida útil, ya que cualquier energía producida por encima de la necesaria para construir el panel compensa inicialmente la necesidad de quemar combustibles fósiles. Aunque el sol no siempre brilla, cualquier instalación ofrece una reducción media razonablemente predecible del consumo de carbono. ^{[ cita requerida ]}

• La energía fotovoltaica conectada a la red eléctrica puede causar problemas con la regulación de la tensión . La red eléctrica tradicional funciona bajo el supuesto de un flujo unidireccional o radial. Pero la electricidad inyectada en la red aumenta la tensión y puede hacer que los niveles superen el ancho de banda aceptable de ±5 %. ^[158]
• La energía fotovoltaica conectada a la red eléctrica puede comprometer la calidad de la energía . La naturaleza intermitente de la energía fotovoltaica implica cambios rápidos en el voltaje. Esto no solo desgasta los reguladores de voltaje debido al ajuste frecuente, sino que también puede provocar fluctuaciones de voltaje. ^[159]
• La conexión a la red plantea muchos desafíos relacionados con la protección. Además del efecto isla, como se mencionó anteriormente, los niveles demasiado altos de energía fotovoltaica conectada a la red generan problemas como la desensibilización de los relés, disparos intempestivos, interferencias con los reconectadores automáticos y ferroresonancia . ^[160]

El funcionamiento en isla es la condición en la que un generador distribuido continúa alimentando una ubicación a pesar de que ya no hay energía de la red eléctrica . El funcionamiento en isla puede ser peligroso para los trabajadores de la red eléctrica, que pueden no darse cuenta de que un circuito sigue recibiendo energía, aunque no haya energía de la red eléctrica . Por ese motivo, los generadores distribuidos deben detectar el funcionamiento en isla y dejar de producir energía inmediatamente; ^{[ cita requerida ]} esto se conoce como anti-isla.

En caso de un apagón en un sistema fotovoltaico conectado a la red, los paneles solares seguirán suministrando energía mientras brille el sol. En este caso, la línea de suministro se convierte en una "isla" con energía rodeada por un "mar" de líneas sin energía. Por este motivo, los inversores solares diseñados para suministrar energía a la red generalmente deben tener circuitos automáticos anti-isla. En el caso de un apagón intencional, el generador se desconecta de la red y obliga al generador distribuido a alimentar el circuito local. Esto se utiliza a menudo como un sistema de respaldo de energía para edificios que normalmente venden su energía a la red.

Existen dos tipos de técnicas de control anti-isla:

• Pasivo: Se mide el cambio de voltaje y/o frecuencia durante el fallo de la red y se utiliza un bucle de retroalimentación positiva para alejar el voltaje y/o la frecuencia de su valor nominal. La frecuencia o el voltaje pueden no cambiar si la carga coincide muy bien con la salida del inversor o si la carga tiene un factor de calidad muy alto (relación entre potencia reactiva y potencia real). Por lo tanto, existe una zona de no detección (NDZ).
• Activo: este método emplea la inyección de algún error en la frecuencia o el voltaje. Cuando falla la red, el error se acumula y empuja el voltaje y/o la frecuencia más allá del rango aceptable. ^[161]

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