Sistemas fotovoltaicos: que son, componentes, dimensiones, tipos e instalación

Un sistema fotovoltaico, también conocido como sistema FV, es un sistema de energía que transforma la energía solar en electricidad mediante el efecto fotovoltaico. Los componentes principales de un sistema solar son paneles solares, inversor, sistema de montaje, regulador de carga y, opcionalmente, baterías. Los paneles solares generan corriente continua (CC) que el inversor convierte en corriente alterna (CA).

La electricidad se produce cuando la luz solar incide sobre las celdas fotovoltaicas, excitando electrones y generando corriente. Los sistemas fotovoltaicos varían en tamaño desde pequeños sistemas residenciales de unos pocos kilovatios (kW) hasta grandes instalaciones comerciales de varios megavatios (MW).

Hay sistemas conectados a la red (grid-tied), aislados (off-grid) e híbridos. Los sistemas conectados a la red permiten inyectar los excedentes de electricidad en la red pública, mientras que los autónomos funcionan mediante baterías sin conexión a la red. Los híbridos combinan ambos métodos.

Las ventajas de los sistemas fotovoltaicos incluyen reducción de costes eléctricos, incremento del valor de la propiedad e independencia energética con bajo coste de mantenimiento.

Para dimensionar un sistema fotovoltaico se utiliza la demanda energética del usuario y el potencial solar del sitio, considerando consumo energético, superficie disponible y clima. La instalación incluye planificación, adquisición de componentes, montaje, conexión eléctrica y puesta en marcha, asegurando eficiencia y seguridad.

¿Qué es un sistema fotovoltaico?

Un sistema fotovoltaico es un sistema que convierte energía solar en eléctrica mediante placas fotovoltaicas, formadas por células solares, que generan una corriente continua al exponerse a la luz solar. Incluye inversores para convertir la corriente continua en alterna y baterías para acumular energía.

¿Qué componentes tiene un sistema fotovoltaico?

Un sistema fotovoltaico incluye paneles solares (módulos fotovoltaicos), inversores, estructuras de montaje, cableado y, ocasionalmente, baterías para el almacenamiento. La lista detallada de componentes de un sistema fotovoltaico se muestra a continuación.

• Placas solares
• Cableado
• Inversores
• Controladores de carga
• Baterías
• Estructuras de soporte
• Sistemas de monitorización

Placas solares (módulos fotovoltaicos)

Las placas fotovoltaicas contienen células solares fabricadas con materiales semiconductores que convierten la luz solar en electricidad de corriente continua. Los tipos de paneles solares más utilizados son los monocristalinos, con potencias unitarias desde 300W hasta 700W.

Los módulos solares tienen que tener las certificaciones IEC 61215, 61701, 62716, 61730 además del marcado CE.

Cableado

El cableado conecta los distintos componentes para que circule la electricidad de los paneles al inversor, de la batería al inversor, y a la instalación eléctrica. El cable solar es el H1Z2Z2-K con certificación IEC 62930 y EN 50618 (resistencia a rayos ultravioleta), flexible y que puede ser instalado a la intemperie.

Inversores

Los inversores solares convierten la electricidad de CC generada por los paneles, o la obtenida de la batería, en corriente alterna para uso doméstico o comercial. Hay dos tipos, los inversores para sistemas aislados (sin conexión a red) y los de conexión a red (de string, centrales, monofásicos, trifásicos e híbridos).

Los inversores fotovoltaicos tienen que cumplir con la normativa de instalaciones fotovoltaicas conectadas a red de baja tensión y con normas para la desconexión automática de la red pública y contra el funcionamiento en isla, entre otras

Controladores de carga (opcional)

Los controladores de carga regulan la tensión y la corriente que va a la batería para cargarla y evitar la sobrecarga. Se utilizan en instalaciones aisladas de la red.

Baterías (opcional)

Las baterías almacenan el exceso de electricidad generada por los paneles para utilizarla cuando la producción solar es baja o por la noche. En sistemas aislados se utilizan baterías de plomo ácido, AGM (Absorbent Glass Mat - Fibra de Vidrio Absorbente) y Gel.

En sistemas conectados a la red se utilizan mayoritariamente baterías de litio-ferrofostato (LFP o LiFePO4). Las baterías solares que se utilizan en instalaciones conectadas a la red, se desconectan en caso de corte en el suministro eléctrico. Para solucionar esto, ya existen modelos de baterías con sistema de “back-up” que permiten alimentar ciertos circuitos internos (iluminación, dispositivos auxiliares) en caso de corte de luz.

Estructuras de soporte

Las estructuras de soporte sostienen y fijan los paneles solares fotovoltaicos en tejados o en el suelo. Están fabricadas con aluminio y aluminio anodizado, mayoritariamente. Los formatos de las estructuras son coplanar (sin inclinación), inclinadas en diferentes ángulos e incluso con seguimiento (seguidores solares).

Sistemas de monitorización

Los sistemas de monitorización realizan un seguimiento del rendimiento y la producción del sistema de energía solar, proporcionando datos y avisos para el mantenimiento. También permiten tareas de revisión y soporte a distancia por internet.

Todos los componentes que integran un sistema fotovoltaico deben disponer del documento de marcado CE en Español, firmado y sellado por el fabricante. Es un requisito indispensable para trámites administrativos, legalización y tramitación de subvenciones.

¿Cómo produce electricidad un sistema fotovoltaico?

Un sistema fotovoltaico produce electricidad con los paneles fotovoltaicos, que al recibir la luz solar desencadena en sus células solares una liberación de electrones que genera una corriente continua. Esta se puede almacenar en baterías, y se convierte en alterna en el inversor, para consumo en viviendas y empresas.

Las 6 fases para que un sistema solar fotovoltaico produzca electricidad se listan a continuación.

1. Incidencia de la luz solar en las placas solares: Los paneles solares, formados por células fotovoltaicas, absorben la luz solar. Estas células están hechas de materiales semiconductores como el silicio que generan energía fotovoltaica.
2. Generación del efecto fotovoltaico: La luz solar absorbida por las células solares excita los electrones del material semiconductor, creando electricidad de corriente continua (CC).
3. Conversión de corriente continua a alterna: La electricidad de CC fluye por los cables desde los paneles a un inversor o un microinversor, que la convierte en corriente alterna (CA), que es la forma de electricidad utilizada por la mayoría de los electrodomésticos y dispositivos eléctricos.
4. Distribución y uso de la corriente eléctrica: La electricidad de CA se conecta al cuadro eléctrico de la vivienda o edificación y se distribuye al sistema eléctrico para alimentar los electrodomésticos y el resto de dispositivos eléctricos.
5. Gestión del exceso de energía eléctrica: La electricidad sobrante puede verterse a la red eléctrica (en sistemas conectados a la red) para venta de excedentes, o almacenarse en baterías para su uso posterior (en sistemas aislados, híbridos o conectados a la red con acumulación).
6. Monitorización y control del sistema: El sistema de monitorización realiza un seguimiento del rendimiento y la producción del sistema fotovoltaico, proporcionando datos y alertas para una gestión eficiente de la energía.

¿Qué tamaño tienen los sistemas fotovoltaicos?

Los sistemas fotovoltaicos tienen un tamaño que varía desde pequeñas instalaciones residenciales de 3kW-5kW, a sistemas de comerciales de tamaño medio 10kW - 150kW, pasando por grandes instalaciones industriales de 1MW - 2MW, hasta los grandes parques solares (huertas solares) de decenas o cientos de Megavatios.

Los sistemas fotovoltaicos se agrupan en 3 dimensiones, indicadas en la siguiente lista.

• Autoconsumo
• Integrados en edificios
• Centrales fotovoltaicas

Autoconsumo

El autoconsumo fotovoltaico permite producir electricidad renovable, a cualquier persona o empresa, instalando placas solares, en el tejado o alrededores de su hogar, edificio o comunidad de vecinos, para consumo propio.

El autoconsumo se encuentra regulado por ley, toda instalación debe ser legalizada e inscrita en el registro de autoconsumo además debe cumplir las normativas relativas a instalaciones de Baja Tensión y de Alta Tensión según cada caso.

Integrados en edificios

Los sistemas fotovoltaicos integrados en edificios (BIPV - Build Integrate Photovoltaics) forman parte de la construcción del edificio, como el tejado, fachada o ventanas, y generan electricidad a partir de la energía solar fotovoltaica. Producen energía renovable y mejoran la funcionalidad y estética del edificio.

Los sistemas fotovoltaicos para empresas se instalan en edificios comerciales e industriales. Estos sistemas generan electricidad mediante paneles solares instalados en tejados, fachadas o montados en el terreno perimetral del edificio, y ayuda a las empresas a reducir los costes energéticos y su huella de carbono.

Centrales fotovoltaicas

Las centrales fotovoltaicas, también conocidas como huertas solares o parques fotovoltaicos, son instalaciones solares a gran escala diseñadas para generar electricidad para uso comercial.

Las plantas fotovoltaicas cuentan con numerosas placas solares (decenas de miles) conectadas en matrices, que cubren muchas hectáreas de terreno.  La potencia media de estos sistemas fotovoltaicos está entre los 100 megavatios y los 500MW.

¿Qué tipos de sistemas fotovoltaicos existen?

Existen 3 tipos de sistemas fotovoltaicos: los conectados a red, los aislados de red y los híbridos. Todos ellos tienen en común los mismos equipos, módulos fotovoltaicos, inversores, estructuras de soporte, baterías, cableados y sistemas de monitorización, la única diferencia es si están conectados o no a la red eléctrica.

Los tipos de sistemas fotovoltaicos y sus variantes se detallan en el listado siguiente.

• Sistemas conectados a la red
• Sistemas aislados
• Sistemas fotovoltaicos de concentración
• Sistemas híbridos
• Sistemas fotovoltaicos flotantes

Conectados a la red

Un sistema fotovoltaico conectado a red funciona en paralelo con la red eléctrica pública. Están compuestos por placas solares, inversores, cableado, estructura soporte y sistema de monitorización. El uso de baterías es opcional y depende de las necesidades de la vivienda o edificio donde esté instalado el sistema.

Al estar conectados a la red eléctrica, el excedente de energía del sistema fotovoltaico se puede volcar en la red para venta o compensación de excedentes.

Aislados

Un sistema fotovoltaico autónomo, también conocido como sistema aislado, funciona independientemente de la red eléctrica. Genera y almacena electricidad para su uso principalmente en viviendas, proporcionando energía en zonas remotas o aisladas donde el acceso a la red no está disponible o es inestable.

Sus aplicaciones son mayoritariamente en viviendas sin acceso a red eléctrica, pero también en sistemas de iluminación autónoma (farolas solares), vehículos eléctricos, bombeo por energía solar y en misiones espaciales.

Sistemas fotovoltaicos de concentración

Los sistemas fotovoltaicos de concentración (CPV) son tecnologías solares avanzadas que usan lentes (Fresnel) o espejos para concentrar gran cantidad de luz solar en una pequeña superficie de células fotovoltaicas multi-unión de alta eficiencia (40%) montadas sobre un sistema de refrigeración para disipar el calor.

El objetivo de estos sistemas es aumentar la eficiencia y la potencia de conversión de la energía solar aprovechando la luz de alta intensidad concentrada en células solares más pequeñas pero más eficientes.

Sistemas híbridos

Un sistema fotovoltaico híbrido combina la energía solar con otra fuente de energía, como la red pública, o un generador de reserva (grupo electrógeno), para acumular energía cuando hay excedentes de producción, o la electricidad es más barata y proporcionar un suministro eléctrico fiable, económico y flexible.

Esta configuración permite la generación, el almacenamiento en baterías y el uso eficiente de la energía solar, al tiempo que garantiza la disponibilidad continua de energía incluso cuando la producción solar es baja, durante cortes en la red o en las horas donde el precio de la electricidad es más caro.

Sistemas fotovoltaicos flotantes

Un sistema fotovoltaico flotante (FPV en inglés) consiste en paneles solares montados en estructuras flotantes sobre masas de agua como lagos, embalses o estanques. El funcionamiento es el de un sistema fotovoltaico convencional pero con la ventaja de no ocupar tierra destinada a otras actividades (cultivos, pastoreo).

La única diferencia con otros sistemas fotovoltaicos es el hecho de estar instalados sobre agua y el tipo de soportes para placas solares que utilizan diseñados para flotar y soportar la humedad.

¿Qué ventajas tienen los sistemas fotovoltaicos?

Los sistemas fotovoltaicos ofrecen soluciones energéticas renovables, respetuosas con el medio ambiente y rentables que aumentan la independencia energética, apoyan la red y crean puestos de trabajo, lo que los convierte en un valioso complemento de cualquier estrategia energética.

Las ventajas más importantes de los sistemas fotovoltaicos se listan a continuación.

• Fuente de energía renovable: Los sistemas fotovoltaicos utilizan el sol que es una fuente de energía abundante e inagotable, para generar electricidad.
• Beneficios medioambientales: La implantación de sistemas fotovoltaicos reduce las emisiones de gases de efecto invernadero y la contaminación.
• Independencia energética: El uso de sistemas fotovoltaicos disminuye la dependencia de los combustibles fósiles y aumenta la seguridad y resiliencia energética del país.
• Ahorro en la factura de la luz: Instalar sistemas fotovoltaicos en una vivienda, empresa o industria reduce las facturas de electricidad y tiene la posibilidad de obtener créditos de facturación neta con los excedentes.
• Bajos costes de funcionamiento: Los sistemas fotovoltaicos necesitan un mantenimiento mínimo y sencillo y tienen una larga vida útil (25-30 años).
• Escalabilidad: Los sistemas fotovoltaicos se pueden adaptar y ampliar con el tiempo, por lo que es adecuado para aplicaciones residenciales, comerciales e industriales.
• Aumento del valor de la propiedad: Las instalaciones fotovoltaicas aumentan el valor de mercado de las propiedades.
• Apoyo a la red pública: Los sistemas fotovoltaicos y la generación distribuida ayudan a reducir la carga y las pérdidas de la red.
• Creación de empleo: La implantación de sistemas fotovoltaicos fomenta el crecimiento económico local a través de puestos de trabajo en la instalación, el mantenimiento y la fabricación.

 

¿Qué limitaciones tienen los sistemas fotovoltaicos?

Las limitaciones de los sistemas fotovoltaicos son los costes iniciales, la producción intermitente, los requisitos de espacio y el impacto ambiental relacionado con la producción y eliminación de los paneles.

Las limitaciones más frecuentes de los sistemas fotovoltaicos se muestran en la siguiente lista.

• Coste inicial: La inversión inicial en un sistema fotovoltaico es elevada a pesar de que es rentable con el paso de los años.
• Producción intermitente de energía: Los sistemas fotovoltaicos dependen de la luz solar, por lo que la producción de energía varía en función de las condiciones meteorológicas y a la noche.
• Costes de almacenamiento de energía: En sistemas fotovoltaicos con acumulación, las baterías para almacenamiento de energía son caras y tienen una vida útil limitada (10-15 años).
• Requisitos de espacio: Los sistemas fotovoltaicos requieren de espacio, desde 20m2 para un sistema fotovoltaico de 5kW en el tejado de una vivienda, pasando por 2 hectáreas para sistemas industriales de 1MW, y hasta 200-1000 hectáreas para parques solares de 100-500MW.
• Eficiencia: La tecnología solar actual tiene una eficiencia de conversión limitada, normalmente entre el 15-22%.
• Impacto medioambiental: Para poder disponer de sistemas fotovoltaicos, la producción y la eliminación de los paneles fotovoltaicos plantean algunos problemas medioambientales, como el uso de materiales peligrosos.
• Integración en la red: El desarrollo de sistemas fotovoltaicos a gran escala requiere actualizar la infraestructura de la red para poder gestionar fuentes de energía variables y descentralizadas.

¿Cómo se dimensiona un sistema fotovoltaico?

El proceso para dimensionar un sistema fotovoltaico implica tener en cuenta el consumo del inmueble, las horas de sol del lugar, el tipo de panel solar a instalar, la inclinación y orientación donde se montará la instalación y el análisis de sombras.

Los 10 pasos para dimensionar un sistema fotovoltaico, se indican en la siguiente lista.

1. Evaluar el consumo de energía: Calcula el consumo total de energía (kilovatios-hora kWh) del edificio o instalación revisando las facturas de electricidad de los últimos 12 meses.
2. Determinar el potencial solar: Evalúa el potencial solar del lugar teniendo en cuenta factores como la ubicación, la orientación, la sombra y el espacio disponible en el tejado o el terreno.
3. Calcular el tamaño del sistema: Divide el consumo total anual de energía entre la irradiancia solar media anual (en kWh/m²/año) del lugar. Ajústalo en función de la eficiencia del sistema y los factores de pérdidas (entre el 15% y el 20%).
4. Calcular las necesidades de paneles: Calcula el número de paneles solares necesarios dividiendo el tamaño estimado del sistema (en kW) por la potencia nominal de un solo panel solar. Ten en cuenta la el tamaño del panel como limitación de superficie adicional.
5. Determinar el tamaño del inversor: Elegir un inversor que pueda soportar la carga máxima del sistema. La potencia del inversor se calcula un 25-30% menos que la potencia total de los módulos fotovoltaicos porque las placas solares nunca producen su potencia nominal por las pérdidas (temperatura, orientación, inclinación, irradiación, cables..). De este modo siempre trabaja más cerca de su punto de máxima eficiencia.
6. Calcular el almacenamiento en baterías (si procede): Si el sistema incluye almacenamiento en baterías, calcula la capacidad de almacenamiento necesaria para satisfacer la demanda de energía durante los periodos sin luz solar. Ten en cuenta el consumo energético diario y la autonomía deseada (días de almacenamiento) de la batería.
7. Elegir la disposición del sistema: Diseña la disposición para la instalación de los paneles, garantizando una orientación (Sur con ligera desviación +/-15º) y un ángulo de inclinación (entre 20 y 40 grados en España) óptimos para maximizar la exposición solar. Ten en cuenta la separación (1 metro) necesaria entre filas paneles para el mantenimiento y la separación entre paneles y tejado para la circulación del aire.
8. Hacer análisis financiero: Realiza un análisis de costes y beneficios para evaluar la viabilidad financiera, teniendo en cuenta los costes de instalación, el ahorro potencial en las facturas de energía, los incentivos, subvenciones y el periodo de amortización (entre 7 y 8 años).
9. Cumplir con la normativa: Asegúrate de que el diseño y el sistema cumple la normativa local, los códigos de construcción y los requisitos de interconexión de servicios públicos. Solicita posteriormente los permisos y autorizaciones necesarias.
10. Planificar la supervisión y mantenimiento: Planifica la supervisión del sistema para controlar el rendimiento y programar el mantenimiento periódico para garantizar la eficiencia y la fiabilidad a largo plazo.

¿En qué consiste la instalación de un sistema fotovoltaico?

La instalación de un sistema fotovoltaico consiste en colocar unos paneles solares en el tejado que irán conectados a otros dispositivos y que en su conjunto sirven para producir electricidad con la luz del sol y usarla cuando la necesitas. Una instalación fotovoltaica requiere seguir un proceso de 12 pasos para asegurar un correcto funcionamiento del sistema solar.

¿Qué normativa tienen que cumplir los sistemas fotovoltaicos?

La normativa española de sistemas fotovoltaicos cubre aspectos como la conexión a la red, el autoconsumo y la protección ambiental. En la normativa fotovoltaica destacan el Real Decreto 244/2019, de condiciones administrativas, técnicas y económicas para el autoconsumo, y el Real Decreto-ley 15/2018, que derogó el "impuesto al sol".

¿Qué subvenciones existen para instalar sistemas fotovoltaicos?

Las subvenciones que existen para instalar sistemas fotovoltaicos se dividen 2 grupos, en las aportadas subvenciones por la Unión Europea (Next Generation), y en las ayudas aportadas por la administración (Comunidades Autónomas y Gobierno). En España también hay desgravaciones de impuestos (IBI, ICIO, IAE) disponibles.

¿Cuánto tiempo tarda en amortizarse un sistema fotovoltaico?

El periodo de amortización de un sistema fotovoltaico, es decir, el tiempo que tarda el ahorro de energía en cubrir la inversión inicial, oscila entre 5 y 15 años. El tiempo de amortización de las placas solares varía según la calidad de los equipos, complejidad del montaje, irradiación solar y ubicación geográfica del sistema fotovoltaico.

¿Qué vida útil tiene un sistema fotovoltaico?

La vida útil de un sistema fotovoltaico es de entre 25 y 30 años. Depende del tipo y calidad de paneles solares (calidad), del mantenimiento y del cuidado del sistema, así como de las condiciones climáticas donde se encuentre ubicado el sistema fotovoltaico.

¿Qué mantenimiento necesita un sistema fotovoltaico?

El mantenimiento de un sistema fotovoltaico incluye limpiar paneles solares cada 6-12 meses, inspeccionar conexiones y cableado por si hay desgaste o corrosión, revisar estructuras de montaje, supervisar el rendimiento del sistema, mantenimiento de inversores y sistemas de refrigeración y de las baterías (si existen). Llevar un mantenimiento de la instalación fotovoltaica periódico es recomendable para aumentar su vida útil y optimizar su desempeño.