Energía solar en azoteas

Sistemas fotovoltaicos sobre tejados en todo el mundo: Berlín , Alemania (arriba a la derecha) , Bensheim , Alemania (centro) y Kuppam , India (abajo a la derecha)

Un sistema de energía solar en azotea , o sistema fotovoltaico en azotea , es un sistema fotovoltaico (PV) que tiene sus paneles solares generadores de electricidad montados en la azotea de un edificio o estructura residencial o comercial. ^[1] Los diversos componentes de un sistema de este tipo incluyen módulos fotovoltaicos , sistemas de montaje , cables , inversores solares , sistemas de almacenamiento de baterías, controladores de carga, sistemas de monitoreo, sistemas de montaje y estanterías, sistemas de administración de energía, sistemas de medición neta, interruptores de desconexión, equipos de puesta a tierra, dispositivos de protección, cajas combinadoras, gabinetes resistentes a la intemperie y otros accesorios eléctricos. ^[2]

Los sistemas montados en azoteas son pequeños en comparación con las centrales solares fotovoltaicas montadas en tierra a gran escala con capacidades en el rango de megavatios , por lo que son una forma de generación distribuida . Un estudio de análisis del ciclo de vida integral ^[3] mostró que la energía solar en azoteas es mejor para el medio ambiente que la energía solar a gran escala. ^[4] La mayoría de las estaciones fotovoltaicas en azoteas son sistemas de energía fotovoltaica  conectados a la red . Los sistemas fotovoltaicos en azoteas de edificios residenciales suelen tener una capacidad de aproximadamente 5 a 20 kilovatios (kW), mientras que los montados en edificios comerciales a menudo alcanzan los 100 kilovatios a 1 megavatio (MW). Los techos muy grandes pueden albergar sistemas fotovoltaicos a escala industrial en el rango de 1 a 10 MW.

En 2022, alrededor de 25 millones de hogares en todo el mundo dependen de la energía solar instalada en sus tejados. ^[5] Australia tiene, con diferencia, la mayor capacidad de energía solar en tejados per cápita. ^[6]

El entorno urbano ofrece una gran cantidad de espacios vacíos en los tejados y, por lo tanto, puede evitar los posibles problemas medioambientales y de uso del suelo. Calcular la insolación solar en los tejados es un proceso multifacético, ya que los valores de insolación en los tejados se ven afectados por lo siguiente:

• Época del año
• Latitud
• Condiciones climáticas
• Pendiente del techo
• Aspecto del tejado
• Sombreado de edificios adyacentes y vegetación ^[7]

Existen varios métodos para calcular el potencial de los sistemas de energía solar fotovoltaica en tejados, incluido el uso de lidar ^[8] y ortofotografías. ^[9] Los modelos sofisticados pueden incluso determinar pérdidas por sombreado en grandes áreas para la implementación de energía solar fotovoltaica a nivel municipal. ^[10]

Componentes de un sistema solar en un tejado

La siguiente sección contiene los componentes más utilizados de un sistema solar en el techo. Aunque los diseños pueden variar según el tipo de techo (por ejemplo, metal o tejas), el ángulo del techo y las cuestiones de sombreado, la mayoría de los sistemas constan de alguna variación de los siguientes componentes

1. Los paneles solares producen electricidad libre de carbono cuando se irradian con luz solar. Los paneles solares, que suelen estar hechos de silicio, están formados por células solares más pequeñas que suelen tener seis células por panel. Varios paneles solares unidos forman un conjunto solar. Los paneles solares suelen estar protegidos por vidrio templado y asegurados con un marco de aluminio. ^[11] La parte delantera de un panel solar es muy duradera, mientras que la parte trasera suele ser más vulnerable.
2. Las abrazaderas de montaje generalmente consisten en soportes de aluminio y pernos de acero inoxidable que fijan los paneles solares entre sí en el techo y sobre los rieles. Las abrazaderas suelen variar en diseño para adaptarse a las distintas configuraciones de techo y riel. ^[12]
3. Los bastidores o rieles están hechos de metal y, a menudo, se colocan en una configuración paralela sobre el techo para que los paneles se apoyen sobre ellos. Es importante que los rieles estén lo suficientemente nivelados para que los paneles se monten de manera uniforme. ^[13]
4. Los soportes fijan los rieles y todo el conjunto a la superficie del techo. Estos soportes suelen ser soportes en forma de L que se atornillan a través de los tapajuntas y a las vigas del techo. Los soportes varían en diseño debido a la amplia gama de configuraciones y materiales del techo. ^[12]
5. Los tapajuntas son placas de metal duraderas que proporcionan un sello resistente al agua entre los soportes y la superficie del techo. A menudo, se utiliza masilla para sellar el tapajuntas al techo y se asemeja a una teja de metal.
6. El cableado de CC/CA para inversores conecta cables entre paneles y dentro de un microinversor o inversor de cadena. ^[13] Ningún cable debe tocar la superficie del techo ni colgar del conjunto para evitar la erosión y el deterioro de los cables.
7. Los microinversores se montan en la parte inferior del panel y convierten la corriente continua de los paneles en corriente alterna que se puede enviar a la red. Los microinversores permiten optimizar cada panel cuando se produce sombreado y pueden proporcionar datos específicos de paneles individuales. ^[13]

Los incentivos a la energía solar por estado en los Estados Unidos pueden ayudar a compensar el costo inicial de instalación y hacer que la energía solar sea más asequible. En los Estados Unidos, cada estado tiene su propio conjunto de incentivos y descuentos para la energía solar, incluidas las devoluciones de impuestos, los créditos fiscales y la medición neta para los sistemas de energía solar conectados a la red. ^[14]

A mediados de la década de 2000, las empresas de energía solar utilizaban diversos planes de financiación para los clientes, como contratos de arrendamiento y de compra de energía. Los clientes podían pagar sus paneles solares a lo largo de un período de años y obtener ayuda con los pagos mediante créditos de programas de medición neta. En mayo de 2017, la instalación de un sistema solar en un tejado costaba una media de 20.000 dólares. En el pasado, había sido más caro. ^[15]

Utility Dive escribió: "Para la mayoría de las personas, añadir un sistema solar además de otras facturas y prioridades es un lujo" y "las empresas de energía solar en azoteas en general atienden a los segmentos más ricos de la población estadounidense". ^[15] La mayoría de los hogares que obtienen paneles solares son de "ingresos medios altos". El salario familiar promedio para los clientes de energía solar es de alrededor de $100,000. ^[15] Sin embargo, "una cantidad sorprendente de clientes de bajos ingresos" apareció en un estudio sobre ingresos y compras de sistemas solares. "Basándose en los hallazgos del estudio, los investigadores de GTM estiman que los cuatro mercados solares incluyen más de 100,000 instalaciones en propiedades de bajos ingresos". ^[15]

Un informe publicado en junio de 2018 por la Consumer Energy Alliance que analizó los incentivos solares en Estados Unidos , mostró que una combinación de incentivos federales, estatales y locales, junto con el costo neto decreciente de la instalación de sistemas fotovoltaicos, ha provocado un mayor uso de energía solar en azoteas en todo el país. Según Daily Energy Insider , "en 2016, la capacidad solar fotovoltaica residencial creció un 20 por ciento con respecto al año anterior, según el informe. Mientras tanto, el costo promedio de instalación de energía solar residencial cayó un 21 por ciento a $2,84 por vatio-cc en el primer trimestre de 2017 en comparación con el primer trimestre de 2015". ^[16] De hecho, en ocho estados que estudió el grupo, los incentivos gubernamentales totales para instalar un sistema solar fotovoltaico en azotea en realidad excedieron el costo de hacerlo. ^[17]

En 2019, el costo promedio nacional en los Estados Unidos, después de los créditos fiscales, para un sistema residencial de 6 kW fue de $2,99/W, con un rango típico de $2,58 a $3,38. ^[18]

Debido a las economías de escala , los sistemas solares de tamaño industrial montados en el suelo producen energía a la mitad del costo (2 c/kWh) de los sistemas pequeños montados en el techo (4 c/kWh). ^[19]

En una central fotovoltaica conectada a la red , la electricidad generada puede venderse a veces a la empresa eléctrica que la presta para que la utilice en otro punto de la red. Este mecanismo permite recuperar la inversión del instalador. Muchos consumidores de todo el mundo están optando por este mecanismo debido a los ingresos que genera. Una comisión de servicios públicos suele fijar la tarifa que paga la empresa por esta electricidad, que puede ser la tarifa minorista o la tarifa mayorista más baja, lo que afecta en gran medida la recuperación de la inversión en energía solar y la demanda de instalación.

El FIT, como se lo conoce comúnmente, ha propiciado una expansión de la industria de la energía solar fotovoltaica en todo el mundo. Se han creado miles de puestos de trabajo gracias a esta forma de subsidio. Sin embargo, puede producir un efecto burbuja que puede estallar cuando se elimina el FIT. También ha aumentado la capacidad de producción localizada y generación integrada, reduciendo las pérdidas de transmisión a través de las líneas eléctricas. ^[2]

Las tejas solares o tejas fotovoltaicas son paneles solares diseñados para parecerse y funcionar como materiales de techado convencionales, como tejas asfálticas o pizarra, y al mismo tiempo producir electricidad. Las tejas solares son un tipo de solución de energía solar conocida como energía fotovoltaica integrada en edificios (BIPV). ^[20]

Una central eléctrica fotovoltaica en azotea (ya sea conectada a la red o fuera de ella) se puede utilizar junto con otros componentes de energía como generadores diésel , turbinas eólicas , baterías, etc. Estos sistemas de energía solar híbridos pueden ser capaces de proporcionar una fuente continua de energía. ^[2]

Los instaladores tienen derecho a alimentar la red pública con electricidad solar y, por lo tanto, recibir una tarifa premium razonable por kWh generado que refleje los beneficios de la electricidad solar para compensar los costos adicionales actuales de la electricidad fotovoltaica. ^[2]

Para los consumidores, un sistema solar fotovoltaico puede ayudarlos a reducir su dependencia de los combustibles fósiles al utilizar la energía gratuita del sol para producir electricidad que pueden utilizar en sus hogares. Por lo tanto, la energía solar fotovoltaica puede ayudar a los propietarios de viviendas a reducir su huella de carbono y, al mismo tiempo, a ahorrar dinero en sus facturas de servicios públicos. ^[21]

Un sistema de energía eléctrica que contenga una contribución del 10% de las centrales fotovoltaicas requeriría un aumento del 2,5% en la capacidad de control de frecuencia de carga (LFC) en comparación con un sistema convencional ^{[ jerga ]} , un problema que puede contrarrestarse utilizando sincronconvertidores en el circuito de CC/CA del sistema fotovoltaico. En 1996 se determinó que el costo de equilibrio para la generación de energía fotovoltaica era relativamente alto para niveles de contribución inferiores al 10%. Si bien proporciones más altas de generación de energía fotovoltaica dan costos de equilibrio más bajos , las consideraciones económicas y de LFC imponen un límite superior de aproximadamente el 10% en las contribuciones fotovoltaicas a los sistemas de energía en general. ^[22]

Al reemplazar el techo de tejas asfálticas , será necesario desinstalar y desmontar los paneles solares para volver a colocar las tejas y volver a instalarlos después de colocar las tejas. Durante ese tiempo, podrían producirse cortes de energía en la casa. Los instaladores de paneles solares tendrían que venir dos veces para realizar la desinstalación y la reinstalación en una fecha posterior cuando el techo esté terminado, y su mano de obra suele ser más cara que la tarifa de pago de los techadores de tejas asfálticas. ^[23]

Existen muchos desafíos técnicos para integrar grandes cantidades de sistemas fotovoltaicos en tejados a la red eléctrica.

La red eléctrica no fue diseñada para un flujo de energía bidireccional a nivel de distribución. Los alimentadores de distribución suelen estar diseñados como un sistema radial para un flujo de energía unidireccional transmitido a largas distancias desde grandes generadores centralizados hasta las cargas de los clientes al final del alimentador de distribución. Con la generación solar fotovoltaica localizada y distribuida en los tejados, el flujo inverso hace que la energía fluya hacia la subestación y el transformador, lo que genera desafíos importantes. Esto tiene efectos adversos en la coordinación de la protección y los reguladores de voltaje.

Las fluctuaciones rápidas de la generación de los sistemas fotovoltaicos debido a las nubes intermitentes provocan niveles indeseables de variabilidad de voltaje en el alimentador de distribución. Con una alta penetración de energía fotovoltaica en los tejados, esta variabilidad de voltaje reduce la estabilidad de la red debido al desequilibrio transitorio en la carga y la generación y hace que el voltaje y la frecuencia superen los límites establecidos si no se contrarrestan con controles de potencia. Es decir, los generadores centralizados no pueden aumentar la velocidad lo suficientemente rápido para adaptarse a la variabilidad de los sistemas fotovoltaicos, lo que provoca un desajuste de frecuencia en el sistema cercano. Esto podría provocar apagones. Este es un ejemplo de cómo un simple sistema fotovoltaico localizado en el tejado puede afectar a la red eléctrica más grande. El problema se mitiga parcialmente distribuyendo paneles solares en un área amplia y añadiendo almacenamiento .

La operación y el mantenimiento de sistemas solares fotovoltaicos en azoteas tienen costos más altos en comparación con las instalaciones terrestres debido a la naturaleza distribuida de las instalaciones en azoteas y al acceso más difícil. En los sistemas solares en azoteas, generalmente se necesita más tiempo para identificar una falla y enviar un técnico, debido a la menor disponibilidad de suficientes herramientas de monitoreo del rendimiento del sistema fotovoltaico y a los mayores costos de mano de obra. Como resultado, los sistemas solares fotovoltaicos en azoteas generalmente sufren una menor calidad de operación y mantenimiento y niveles esencialmente más bajos de disponibilidad del sistema y producción de energía.

Con la creciente eficiencia de la energía solar de película delgada, su instalación en techos de metal se ha vuelto competitiva en términos de costos con las células solares monocristalinas y policristalinas tradicionales . Los paneles de película delgada son flexibles y se extienden por los techos de metal con costura alzada y se adhieren al techo de metal con adhesivo , por lo que no se necesitan agujeros para instalarlos. Los cables de conexión pasan por debajo de la tapa de la cumbrera en la parte superior del techo. La eficiencia varía entre el 10 y el 18 %, pero solo cuesta alrededor de $ 2,00 a $ 3,00 por vatio de capacidad instalada, en comparación con el monocristalino, que tiene una eficiencia del 17 al 22 % y cuesta entre $ 3,00 y $ 3,50 por vatio de capacidad instalada. La energía solar de película delgada es liviana, de 7 a 10 onzas por pie cuadrado. Los paneles solares de película delgada duran entre 10 y 20 años ^[24] pero tienen un retorno de la inversión más rápido que los paneles solares tradicionales, los techos de metal duran entre 40 y 70 años antes de ser reemplazados en comparación con los 12 a 20 años de un techo de tejas de asfalto . ^{[25] [26]}

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• Fotovoltaica integrada en edificios
• Rastreador del punto de máxima potencia
• Central eléctrica fotovoltaica
• Cable solar
• Inversor solar
• Tejas solares
• Seguidor solar
• Squad Solar : vehículo eléctrico de barrio con techo solar