Como se construye una planta solar fotovoltaica

En este artículo explicaremos cuatro magnitudes fundamentales de la electricidad y el par de fórmulas que las relacionan. Explicaremos el distinto material que es necesario para construir una planta solar fotovoltaica, las alternativas que existen y como se construye la planta.

V, I, P y E. Cables y paneles fotovoltaicos
Para empezar es necesario entender cuatro magnitudes básicas y utilizaremos un símil hidráulico para entenderlas mejor.
Cualquier generador eléctrico está generando una corriente determinada, también llamada intensidad, que llamaremos I. I se mide en Amperios (A). La corriente es exactamente la cantidad de agua que circulará por una cañería. El tamaño de esta cañería define la cantidad de agua que puede circular, de la misma manera que la sección de un cable, es decir el grosor, determina la corriente que puede circular en él. Para un cable determinado, cuando aumenta la corriente que circula este se va calentando, ofreciendo, a medida que aumenta el calor, más resistencia al paso de la corriente. Si la corriente que circula por el cable es tan grande que la temperatura lleva al punto de fusión el conductor, este se funde abriendo el circuito y cesando el paso de corriente, de la misma manera que es posible para una cañería determinada aumentar el caudal de tal manera que esta reviente. Este es el principio de funcionamiento de los fusibles. Un material que a partir de una temperatura (corriente) determinada se funde y abre el circuito. Un mal cálculo del cableado en cualquier instalación eléctrica introduce importantes pérdidas energéticas que se 'gastan' en forma de calor en el recorrido del cableado.
La segunda magnitud importante es la tensión, el voltaje o diferencia de potencial, que llamaremos V.  La tensión se mide en Voltios (V). En el caso del agua tenemos un grifo que genera una cantidad de agua determinada (corriente) y la deja caer hasta el suelo. La altura que hay entre el grifo y el suelo equivaldría a la tensión con que se genera.
Y esto nos lleva a la tercera magnitud, la potencia. La potencia, que llamaremos P, se mide en Vatios (W) y es el resultado de multiplicar I por V. Por tanto P = I * V. Siguiendo el símil anterior veremos que un grifo de un caudal determinado (la corriente I) a una altura determinada (la tensión V) provocará que el agua impacte con una fuerza 'x' (la potencia P) en el suelo. Si duplico la altura a la que está el grifo (la tensión V) y reduzco a la mitad el caudal que sale por el grifo (la tensión V) la 'fuerza' (la potencia P) con la que impactará el agua en el suelo, a pesar de circular la mitad de agua, será la misma.
Justamente este es el truco que se utiliza para transportar gran potencia a través de un cable muy pequeño. En estos momentos veo que el ordenador en que escribo esto tiene una fuente de 12 V y 3 A y por tanto un cable dimensionado para esta corriente y una potencia total de 12 V * 3 A = 36 W. La red de transporte eléctrico en España funciona a 400 KV, es decir 400.000V. Por un cable del mismo grosor que el de la fuente de mi ordenador a 400 KV podrían circular 400.000 V * 3 A = 1.200.000 W, es decir 1,2 MW de potencia. Este es el motivo por el cual es imprescindible usar alta tensión en la transmisión de electricidad. Transportar grandes cantidades de electricidad a baja tensión requeriría de unos cables con secciones de decenas de metros cuadrados cuando en alta tensión son suficientes unos pocos milímetros cuadrados.
La última magnitud a entender es la Energía, que llamaremos E. Se mide en Vatios hora (wh). Si realizamos una gráfica en donde se vea en el eje 'y' la potencia y en el eje 'x' el tiempo, obtendremos una línea, que en el caso de una planta fotovoltaica, seguramente será irregular. Un punto de esa gráfica, un instante, nos indica la potencia y la superficie que ocupa, nos indica la energía generada, de tal manera que E = P * t, donde t es el tiempo, ¡¡ATENCIÓN!! no en segundos (s), que sería lo que marcaría el SMI, sino en horas (h). De esta manera tenemos que si estoy generando una potencia de 1 W durante 1 h, he generado 1 Wh de energía. Si en el instante incial he generado una potencia de 1 W y esta decrece linealmente hasta llegar a 0 W al cabo de una hora, habremos generado 0,5 Wh de energía.
Para los iniciados en matemáticas diremos que la energía es la integral de la potencia, o que la potencia es la derivada de la energía, lo que nos lleva a que la energía de un instante es igual a la potencia.

Series y paralelos
Cada módulo fotovoltaico se compone de diversas células conectadas en serie. Hemos quedado que cada generador tiene una potencia determinada, producida por una corriente I a una tensión V. Cuando tenemos diversos generadores tenemos que en función de su modo de conexionado obtendremos una corriente y una tensión que puede ser distinta. En un generador, como en el caso de las células fotovoltaicas, con un negativo y positivo, llamamos a conectar en serie los generadores (células) cuando el positivo de un generador está conectado al negativo del siguiente y así sucesivamente quedando un positivo y un negativo de ambos extremos del sistema libres. En una asociación de tres células de esta manera, cada una de ellas generando 1 V y 1 A, tendremos que en el conexionado serie tumamos las tesiones, manteniendo la corriente, en el ejemplo tendremos 3 V y 1 A. Conectar en paralelo significa que unimos todos los positivos de los generadores por un lado y por el otro todos los negativos. En esta configuración se suman las corrientes y se mantiene la tensión, para el ejemplo anterior tendremos 1 V y 3 A. Si observáis corriente y tensión global varían, pero la potencia del generador en ambos casos es de 3 W. Por tanto siempre que pueda, me interesa conectar todo en serie para obtener unas corrientes pequeñas y así ahorrar costes (y tamaños) reduciendo la sección de los conductores. Es por este motivo que cada panel de silicio cristalino se compone de multitud de células que generan una pequeña tensión y una pequeña corriente todas ellas agrupadas en serie.


El campo fotovoltaico
A su vez, para seguir explicando diremos que un panel puede ser considerado como un solo generador (no como multitud de ellos agrupados) con una tensión, corriente y potencia determinada. Como es conocido los paneles fotovoltaicos generan en corriente continua (CC), una tensión y corriente fija, y la red es de corriente alterna (CA), una tensión y corriente que fluctúan 50 veces cada segundo (50 Hz). Por tanto hemos de convertir la CC del campo fotovoltaico en CA y para ello todo parque solar tiene un dispositivo llamado inversor que convierte la CC procedente de los paneles en CA. El inversor debe estar dimensionado para tener una potencia máxima de conversión adecuada a la potencia del campo fotovoltaico. Además cada inversor tiene una ventana de tensión de entrada que suele oscilar entre unos 400 Vcc y unos 800 Vcc.
Por tanto tenemos que hemos de agrupar los módulos en serie hasta obtener esta tensión. Esto normalmente con unos módulos e inversores típicos nos da que podemos agrupar de 10 a 20 módulos en serie. Cada serie nos dará una corriente entre 5 A y 10 A, la tensión indicada y una potencia que oscila entre 2 y 5 kW en función del tipo de panel. Pongamos un ejemplo en el cual tenemos que una serie con tensión de 600 Vcc y 5,5 A nominales tiene 15 módulos y da una potencia nominal de 3,3 kW ¿Como consigo entonces una potencia, por ejemplo, de 99 kW? Pues a su vez agrupando en paralelo varias de estas series, también llamadas, ramas. En el caso de un campo de 99 kW, necesitaré 30 series en paralelo de 15 paneles cada serie. Esto me dará que he utilizado 450 paneles fotovoltaicos y que al inversor le llega una corriente nominal de 5,5 A * 30 = 165 A y una tensión de 600 Vcc

Todas estas tensiones, corrientes y potencias son treméndamente variables, las explicaremos en los próximos capítulos y son solo a modo de ejemplo. No pretendo ser 100% riguroso, sino explicar todo de manera que sea entendible para cualquier persona con una formación básica.

En los próximos días veremos los siguientes capítulos:
- Funcionamiento de plantas fotovoltaicas. El conjunto generador fotovoltaico e inversor.
- Tipos de plantas fotovoltaicas
- Problemas de plantas fotovoltaicas