Planta fotovoltaica

Una planta fotovoltaica, sistema fotovoltaico, 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 de trabajo. También puede utilizar un sistema de seguimiento solar para mejorar el rendimiento general del sistema e incluir una batería integrada.

Los sistemas fotovoltaicos convierten la luz directamente en electricidad, no deben confundirse con otras tecnologías solares, como la energía solar concentrada o la energía solar térmica, que se utilizan para calefacción y refrigeración. Una matriz solar solo abarca el conjunto de paneles solares, la parte visible del sistema fotovoltaico, y no incluye todo el resto del hardware, a menudo resumido como equilibrio del sistema (BOS).

Los sistemas fotovoltaicos van desde sistemas pequeños, montados en techos o integrados en edificios con capacidades desde unas pocas hasta varias decenas de kilovatios, hasta grandes centrales eléctricas a gran escala de cientos de megavatios. Hoy en día, la mayoría de los sistemas fotovoltaicos están conectados a la red, mientras que los sistemas aislados o independientes representan una pequeña porción del mercado.

Operando en silencio y sin piezas móviles ni emisiones ambientales, los sistemas fotovoltaicos han pasado de ser aplicaciones de nicho de mercado a una tecnología madura utilizada para la generación de electricidad convencional. Un sistema de techo recupera la energía invertida para su fabricación e instalación dentro de 0,7 a 2 años y produce alrededor del 95 por ciento de la energía limpia renovable neta durante una vida útil de servicio de 30 años.

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. En 2014, los precios de los sistemas residenciales de 5 kilovatios en los Estados Unidos rondaban los 3,29 dólares por vatio, mientras que en el mercado alemán altamente penetrado, los precios de los sistemas de techo de hasta 100 kW bajaron a 1,24 euros por vatio. Hoy en día, los módulos solares fotovoltaicos representan menos de la mitad del costo total del sistema, dejando el resto a los componentes BOS restantes y a los costos blandos, que incluyen adquisición de clientes, permisos, inspección e interconexión, mano de obra de instalación y costos financieros.

Sistema moderno

Visión de conjunto

Un sistema fotovoltaico convierte la radiación solar, en forma de luz, en electricidad utilizable. Comprende la matriz solar y el resto de los componentes del sistema. Los sistemas fotovoltaicos se pueden clasificar según varios aspectos, como sistemas conectados a la red frente a sistemas independientes, sistemas integrados en edificios frente a montados en rack, sistemas residenciales frente a servicios públicos, sistemas distribuidos frente a sistemas centralizados, sistemas de techo frente a sistemas montados en el suelo, sistemas de seguimiento frente a sistemas de inclinación fija y sistemas de nueva construcción frente a sistemas reacondicionados. Otras distinciones pueden incluir, sistemas con microinversores versus inversor central, sistemas que usan silicio cristalino versus tecnología de película delgada 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 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. Los sistemas fotovoltaicos rara vez utilizan almacenamiento de batería. 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 económicamente viables gradualmente para sistemas pequeños.Una matriz solar residencial típica se monta en bastidor en el techo, en lugar de integrarse en el techo o la fachada del edificio, lo que es significativamente más costoso. Las estaciones de energía solar a gran escala 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 de película delgada ha perdido cuota de mercado. 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.La capacidad instalada tanto para los pequeños sistemas de techo como para las grandes estaciones de energía solar está creciendo rápidamente y en partes iguales, aunque hay una tendencia notable hacia los sistemas a gran escala, ya que el enfoque en las nuevas instalaciones se está alejando de Europa hacia regiones más soleadas, como Sunbelt en los EE. UU., que se oponen menos a las granjas solares montadas en el suelo y los inversores enfatizan más la rentabilidad.

Impulsado por los avances tecnológicos y los aumentos en la escala y sofisticación de la fabricación, el costo de la energía fotovoltaica está disminuyendo continuamente. Hay varios millones de sistemas fotovoltaicos distribuidos por todo el mundo, principalmente en Europa, con 1,4 millones de sistemas solo en Alemania, así como en América del Norte con 440.000 sistemas en los Estados Unidos. La eficiencia de conversión de energía de un módulo solar convencional aumentó del 15 al 20 por ciento desde 2004 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 se reduce a un año o menos. La medición neta y los incentivos financieros, como las tarifas de alimentación preferenciales para la electricidad generada por energía solar, también han respaldado en gran medida las instalaciones de sistemas fotovoltaicos en muchos países. El costo nivelado de la electricidad de los sistemas fotovoltaicos a gran escala se ha vuelto competitivo con 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.

A partir de 2015, el mercado fotovoltaico mundial de rápido crecimiento se está acercando rápidamente a la marca de 200 GW, aproximadamente 40 veces la capacidad instalada en 2006. Estos sistemas actualmente contribuyen con aproximadamente el 1 por ciento a la generación de electricidad en todo el mundo. 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, con Alemania e Italia suministrando entre el 7 % y el 8 % de su consumo eléctrico nacional respectivo con energía solar fotovoltaica. La Agencia Internacional de Energía espera que la energía solar se convierta en la mayor fuente de electricidad del mundo para 2050, con la energía solar fotovoltaica y la energía solar térmica concentrada contribuyendo con el 16 % y el 11 % de la demanda mundial, respectivamente.

Conexión a la red solar

Un sistema conectado a la red está conectado a una red independiente más grande (normalmente, la red eléctrica pública) y suministra energía directamente 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 (feed-in-tarifa) o solo sobre la diferencia de energía (medición neta).). Estos sistemas varían en tamaño desde residenciales (2–10 kW _p) hasta estaciones de energía solar (hasta 10s 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 especial sincronizado conectado a la red. En instalaciones del tamaño de un kilovatio, el voltaje del sistema del lado de CC es tan alto como se permite (normalmente 1000 V, excepto los 600 V residenciales 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'.

Escala del sistema

Los sistemas fotovoltaicos generalmente se clasifican en tres segmentos de mercado distintos: sistemas de techo residencial, techo comercial y sistemas a escala de servicios públicos de montaje en tierra. Sus capacidades van desde unos pocos kilovatios hasta cientos de megavatios. Un sistema residencial típico tiene alrededor de 10 kilovatios y está montado en un techo inclinado, mientras que los sistemas comerciales pueden alcanzar una escala de megavatios y generalmente se instalan en techos de poca pendiente o incluso planos. Aunque los sistemas montados en techos son pequeños y tienen un costo por vatio más alto que las grandes instalaciones a gran escala, representan la mayor parte del mercado. Sin embargo, existe una tendencia creciente hacia centrales eléctricas más grandes a escala de servicios públicos, especialmente en la región del "cinturón solar" del planeta.escala de servicios públicosLos grandes parques o granjas solares a escala de servicios públicos son centrales eléctricas y pueden proporcionar un suministro de energía a un gran número de consumidores. La electricidad generada se alimenta a la red de transmisión alimentada por plantas de generación central (planta conectada a la red o conectada a la red), o se combina con uno o varios generadores de electricidad domésticos para alimentar una pequeña red eléctrica (planta híbrida). En casos excepcionales, la electricidad generada se almacena o utiliza directamente en una isla/planta independiente. Los sistemas fotovoltaicos generalmente están diseñados 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 potencias de hasta cientos de megavatios.Azotea, móvil y portátilUn pequeño sistema fotovoltaico 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 militares y civiles de observación de la Tierra, el alumbrado público, las señales de tráfico y construcción, los coches eléctricos, las tiendas de campaña alimentadas por energía solar y las aeronaves eléctricas pueden contener sistemas fotovoltaicos integrados para proporcionar una fuente de alimentación principal o auxiliar en forma de alimentación de CA o CC, según las demandas de diseño y potencia. En 2013, los sistemas de techo representaron el 60 por ciento de las instalaciones en todo el mundo. Sin embargo, existe una tendencia que se aleja de los techos y se acerca a los sistemas fotovoltaicos a gran escala, 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.Los sistemas fotovoltaicos portátiles y móviles proporcionan energía eléctrica independientemente de las conexiones de servicios públicos, para operaciones "fuera de la red". Dichos sistemas se utilizan con tanta frecuencia en vehículos recreativos y embarcaciones que existen minoristas que se especializan 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 potencia de CC 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 solo requiere paneles, un controlador de carga y cableado. Los sistemas solares de los vehículos recreativos suelen estar limitados en cuanto a potencia por el tamaño físico del espacio del techo del vehículo recreativo.Integrado en el edificioEn áreas urbanas y suburbanas, los paneles fotovoltaicos se utilizan a menudo en los techos para complementar el uso de energía; a menudo, el edificio tendrá una conexión a la red eléctrica, en cuyo caso la energía producida por la matriz fotovoltaica se puede volver a vender a la empresa de servicios públicos en algún tipo de acuerdo de medición neta. Algunas empresas de servicios públicos utilizan los techos de los clientes comerciales y los postes telefónicos para respaldar el uso de paneles fotovoltaicos. 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 luces de la calle.

Actuación

Las incertidumbres en los ingresos a lo largo del tiempo se relacionan principalmente con la evaluación del recurso solar y con el desempeño del sistema mismo. En el mejor de los casos, las incertidumbres suelen ser 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 calificación de los módulos, 2% por pérdidas por suciedad y suciedad, 1,5% por pérdidas por nieve y 5% por otras fuentes de error. Identificar y reaccionar ante pérdidas manejables es fundamental para los ingresos y la eficiencia de O&M. El monitoreo del rendimiento del arreglo puede ser parte de los acuerdos contractuales entre el propietario del arreglo, el constructor y la empresa de servicios públicos que compra la energía producida.Un método para crear "días sintéticos" utilizando datos meteorológicos fácilmente disponibles y la verificación mediante el campo de prueba solar al aire libre abierto hacen posible predecir el rendimiento de los sistemas fotovoltaicos con altos grados de precisión. Este método se puede utilizar para determinar los mecanismos de pérdida a escala local, como los de la nieve o los efectos de los revestimientos superficiales (p. ej., hidrofóbicos o hidrofílicos) sobre la suciedad o las pérdidas de nieve. (Aunque en ambientes de mucha nieve con severa interferencia del suelo puede resultar en pérdidas anuales por nieve del 30%.) El acceso a Internet ha permitido una mejora adicional en el control y la comunicación de la energía. Los sistemas dedicados están disponibles a través 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 o 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 múltiples instalaciones y ver de un vistazo el estado de toda su base instalada.

Componentes

Un sistema fotovoltaico para el suministro de energía residencial, comercial o industrial consta de la matriz solar y una serie de componentes que a menudo se resumen como el equilibrio del sistema (BOS). Este término es sinónimo de "Equilibrio de la planta" qv Los componentes BOS incluyen equipos de acondicionamiento de energía y estructuras para el montaje, generalmente 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 admite el paneles solares, cableado eléctrico e interconexiones, y montaje de otros componentes.

Opcionalmente, un equilibrio del sistema puede incluir cualquiera o todos los siguientes: medidor de grado de ingresos de crédito de energía renovable, rastreador de punto de máxima potencia (MPPT), sistema de batería y cargador, rastreador solar GPS, software de administración de energía, sensores de irradiación solar, anemómetro, o accesorios para tareas específicas diseñados para cumplir con requisitos especializados para el propietario de un sistema. Además, un sistema CPV requiere lentes o espejos ópticos y, a veces, un sistema de refrigeración.

Los términos "panel solar" y "sistema fotovoltaico" a menudo se usan indistintamente de manera incorrecta, a pesar de que el panel solar no abarca todo el sistema. Además, "panel solar" se usa a menudo como sinónimo de "módulo solar", aunque un panel consta de una cadena de varios módulos. El término "sistema solar" también es un nombre inapropiado para un sistema fotovoltaico.

Panel solar

Los componentes básicos de un sistema fotovoltaico son las células solares. Una celda solar es el dispositivo eléctrico que puede convertir directamente la energía de los fotones en electricidad. Hay tres generaciones tecnológicas de celdas solares: la primera generación (1G) de celdas de silicio cristalino (c-Si), la segunda generación (2G) de celdas de película delgada (como CdTe, CIGS, silicio amorfo y GaAs), y la tercera generación (3G) de células orgánicas, sensibilizadas por colorante, de perovskita y multiunión.

Las células solares c-Si convencionales, normalmente conectadas en serie, se encapsulan en un módulo solar para protegerlas de la intemperie. El módulo consta de un vidrio templado como cubierta, un encapsulante suave y flexible, una lámina trasera hecha de un material resistente a la intemperie y al fuego y un marco de aluminio alrededor del borde exterior. Conectados eléctricamente y montados en una estructura de soporte, los módulos solares construyen una serie de módulos, a menudo llamados paneles solares. Una matriz solar consta de uno o varios de estos paneles.Una matriz fotovoltaica, o matriz solar, es una colección vinculada de módulos solares. La energía que puede producir un módulo rara vez es suficiente para cumplir con los requisitos de un hogar o una empresa, por lo que los módulos se conectan entre sí para formar una matriz. 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 en una matriz fotovoltaica 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 generalmente se miden bajo STC (condiciones de prueba estándar) o PTC (condiciones de prueba PVUSA), en vatios. Las clasificaciones típicas del panel van desde menos de 100 vatios hasta más de 400 vatios.La clasificación del arreglo consiste en una suma de las clasificaciones del panel, en vatios, kilovatios o megavatios.

Módulo y eficiencia

Un módulo fotovoltaico típico de 150 vatios tiene un tamaño aproximado de un metro cuadrado. Se puede esperar que dicho módulo produzca 0,75 kilovatios-hora (kWh) todos los días, en promedio, después de tener en cuenta el clima y la latitud, para una insolación de 5 horas de sol/día. La salida y la vida útil del módulo se degradan por el aumento de la temperatura. Permitir que el aire ambiente fluya por encima y, si es posible, por detrás de los módulos fotovoltaicos reduce este problema. La vida útil efectiva de los módulos suele ser de 25 años o más. El período de amortización de una inversión en una instalación solar fotovoltaica varía mucho y, por lo general, es menos útil que el cálculo del retorno de la inversión. Si bien normalmente se calcula entre 10 y 20 años, el período de recuperación financiera puede ser mucho más corto con incentivos.

El efecto de la temperatura en los módulos fotovoltaicos suele cuantificarse 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 trabajo, pautas experimentales completas para estimar los coeficientes de temperatura.

Debido al bajo voltaje de una celda solar individual (típicamente alrededor de 0,5 V), se conectan varias celdas (ver también cobre utilizado en sistemas fotovoltaicos) en serie en la fabricación de un "laminado". El laminado se ensambla en un recinto protector a prueba de intemperie, creando así un módulo fotovoltaico o panel solar. Luego, los módulos se pueden unir en una matriz fotovoltaica. En 2012, los paneles solares disponibles para los consumidores tienen una eficiencia de hasta un 17 %, mientras que los paneles disponibles comercialmente pueden llegar hasta un 27 %. Se ha registrado que un grupo del Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar ha creado una celda que puede alcanzar una eficiencia del 44,7%, lo que hace que las esperanzas de los científicos de alcanzar el umbral de eficiencia del 50% sean mucho más factibles.

Sombra y suciedad

La salida eléctrica de la celda fotovoltaica es extremadamente sensible al sombreado ("efecto de luz de Navidad").Cuando incluso una pequeña porción de una celda, módulo o matriz está sombreada, y el resto está a la luz del sol, la salida cae drásticamente debido a un "cortocircuito" interno (los electrones invierten el curso a través de la porción sombreada de la unión pn). Si la corriente extraída de la cadena de celdas en serie no es mayor que la corriente que puede producir la celda sombreada, la corriente (y, por lo tanto, la potencia) desarrollada por la cadena es limitada. Si hay suficiente voltaje disponible de las otras celdas en una cadena, la corriente será forzada a través de la celda rompiendo la unión en la parte sombreada. Este voltaje de ruptura en celdas comunes está entre 10 y 30 voltios. En lugar de aumentar la energía producida por el panel, la celda sombreada absorbe energía y la convierte 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 energía de muchas otras celdas en la cadena, afectando de manera desproporcionada 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 particular, absorbiendo así la energía producida por otras 16 celdas.Por lo tanto, es importante que una instalación fotovoltaica no esté sombreada por árboles u otras obstrucciones.

Se han desarrollado varios métodos para determinar las pérdidas por sombreado de los árboles a los sistemas fotovoltaicos en ambas regiones grandes usando LiDAR, pero también a nivel de sistema individual usando software de modelado 3D. 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 potencia de la parte sombreada del arreglo. El trabajo principal del diodo de derivación es eliminar los puntos calientes que se forman en las celdas que pueden causar más daño a la matriz 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 de suciedad se acumulan con el tiempo y pueden volverse grandes sin una limpieza adecuada. En 2018, la pérdida de energía anual global debido a la suciedad se estimó en al menos 3% - 4%. Sin embargo, las pérdidas por suciedad varían en gran medida de una región a otra y dentro de las regiones. Mantener una superficie de módulo limpia 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, las matrices inclinadas 5° se limpiaron adecuadamente con agua de lluvia. En muchos casos, especialmente en regiones áridas o en lugares muy próximos a desiertos, carreteras, industrias o agricultura, la limpieza regular de los paneles solares es rentable. En 2018, la pérdida de ingresos estimada inducida por la suciedad se estimó entre 5 y 7 mil millones de euros.

La fiabilidad a largo plazo de los módulos fotovoltaicos es fundamental para garantizar la viabilidad técnica y económica de la energía fotovoltaica como fuente de energía de éxito. El análisis de los mecanismos de degradación de los módulos fotovoltaicos es clave para asegurar una vida útil actual superior a los 25 años.

Aislamiento y energía

La radiación solar se compone de radiación directa, difusa y reflejada. El factor de absorción de una celda fotovoltaica se define como la fracción de la radiación solar incidente que es absorbida por la celda. Al mediodía de un día sin nubes en el ecuador, la potencia del sol es de aproximadamente 1 kW/m, en la superficie de la Tierra, en un plano que es perpendicular a los rayos del sol. Como tal, los conjuntos fotovoltaicos pueden rastrear el 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 conjuntos fotovoltaicos tengan montajes fijos que inclinan el conjunto y miran hacia el mediodía solar (aproximadamente 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,pero si es fijo, debe configurarse para brindar una salida de matriz óptima durante la porción de demanda eléctrica máxima 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 máxima producción anual de energía del arreglo. La optimización del sistema fotovoltaico para un entorno específico puede ser complicada ya que deben tenerse en cuenta los problemas 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 materiales fotovoltaicos. Por ejemplo, el albedo espectral puede desempeñar un papel importante en la producción según la superficie alrededor del sistema fotovoltaico y el tipo de material de la celda solar.Para el clima y las latitudes de los Estados Unidos y Europa, la insolación típica varía de 4 kWh/m /día en los climas del norte a 6,5 ​​kWh/m /día en las regiones más soleadas. Una instalación fotovoltaica en las latitudes del norte de Europa o Estados Unidos puede esperar producir 1 kWh/m /día. Una instalación fotovoltaica típica de 1 kW en Australia o las latitudes del sur de Europa o Estados Unidos puede producir de 3,5 a 5 kWh por día, según la ubicación, la orientación, la inclinación, la insolación y otros factores. En el desierto del Sahara, con menos nubosidad y un mejor ángulo solar, idealmente se podría obtener cerca de 8,3 kWh/m /día siempre que el viento presente casi siempre no lleve arena a las unidades. El área del desierto del Sahara es de más de 9 millones de km. 90.600 kilometros, o alrededor del 1%, podría generar tanta electricidad como todas las centrales eléctricas del mundo juntas.

Montaje

Los módulos se ensamblan en matrices en algún tipo de sistema de montaje, que puede clasificarse como montaje en suelo, montaje en techo o montaje en poste. Para los parques solares, se monta un bastidor grande en el suelo y los módulos se montan en el bastidor. Para los edificios, se han ideado muchas estanterías diferentes para tejados inclinados. Para techos planos, se utilizan estantes, contenedores y soluciones integradas en edificios.Los bastidores de paneles solares montados en la parte superior de los postes pueden ser estacionarios o móviles, consulte Rastreadores a continuación. Los montajes al lado del poste son adecuados para situaciones en las que un poste tiene algo más montado en su parte superior, como una lámpara 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 malezas 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 puede formar una multiplicidad de bastidores superiores de postes en una cochera de estacionamiento u otra estructura de sombra. Un estante que no sigue al sol de izquierda a derecha puede permitir el ajuste estacional hacia arriba o hacia abajo.

Cableado

Debido a su uso en exteriores, los cables solares están diseñados para resistir la radiación ultravioleta y las 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 microgeneración y sistemas fotovoltaicos, y el estándar estadounidense UL4703, en el tema 4703 "Cable fotovoltaico".

Rastreador

Un sistema de seguimiento solar inclina un panel solar a lo largo del día. Según el tipo de sistema de seguimiento, el panel apunta directamente al Sol o al área más brillante de un cielo parcialmente nublado. Los rastreadores mejoran en gran medida el rendimiento temprano en la mañana y al final de la tarde, aumentando la cantidad total de energía producida por un sistema en aproximadamente un 20-25 % para un rastreador de un solo eje y alrededor de un 30 % o más para un rastreador de dos ejes, según la latitud. Los rastreadores son efectivos 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.Los sistemas de seguimiento mejoran el rendimiento por dos razones principales. Primero, cuando un panel solar está perpendicular a la luz del sol, recibe más luz en su superficie que si estuviera inclinado. En segundo lugar, la luz directa se usa de manera más eficiente que la luz en ángulo. Los recubrimientos antirreflectantes especiales pueden mejorar la eficiencia del panel solar para luz directa y en ángulo, lo que reduce un poco el beneficio del seguimiento.

Los rastreadores y sensores para optimizar el rendimiento a menudo se consideran opcionales, pero pueden aumentar la producción viable hasta en un 45 %. Los conjuntos que se acercan o superan un 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 al anochecer, la medida correcta de la energía solar es la insolación: la cantidad promedio de kilovatios-hora por metro cuadrado por día. Para el clima y las latitudes de los Estados Unidos y Europa, la insolación típica oscila entre 2,26 kWh/m /día en los climas del norte y 5,61 kWh/m /día en las regiones más soleadas.

Para sistemas grandes, la energía obtenida mediante el uso de sistemas de seguimiento puede superar la complejidad adicional. Para sistemas muy grandes, el mantenimiento adicional del seguimiento es un detrimento sustancial. No se requiere seguimiento para paneles planos y sistemas fotovoltaicos de baja concentración. Para los sistemas fotovoltaicos de alta concentración, el seguimiento de doble eje es una necesidad. Las tendencias de precios afectan el equilibrio entre agregar más paneles solares estacionarios versus tener menos paneles que rastrean.

A medida que mejoraron los precios, la confiabilidad y el rendimiento de los seguidores de un solo eje, los sistemas se instalaron en un porcentaje cada vez mayor de proyectos a escala de servicios públicos. Según datos de WoodMackenzie/GTM Research, los envíos globales de rastreadores solares alcanzaron un récord de 14,5 gigavatios en 2017. Esto representa un crecimiento del 32 por ciento año tras año, con un crecimiento similar o mayor proyectado a medida que se acelera el despliegue solar a gran escala.

Inversor

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 de CA en forma sinusoidal, sincronizada con la frecuencia de la red, limitar el voltaje de alimentación a no más alto que el voltaje de la red y desconectarse de la red si el voltaje de la red está apagado. Los inversores en isla solo necesitan producir voltajes y frecuencias regulados en una forma de onda sinusoidal ya que no se requiere sincronización o 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 en cada panel solar. 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. La cantidad de módulos en el sistema determina el total de vatios de CC que puede generar el panel solar; sin embargo, el inversor determina en última instancia la cantidad de vatios de CA que se pueden distribuir para el consumo. Por ejemplo, un sistema fotovoltaico que comprenda 11 kilovatios de CC (kW _CC) en módulos fotovoltaicos, junto con uno de 10 kilovatios de CA (kW _CA) inversor, se limitará 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. Mientras que los inversores de cadena se utilizan en sistemas fotovoltaicos comerciales de tamaño mediano y residencial, los inversores centrales cubren el gran mercado comercial y de servicios públicos. La cuota de mercado de los inversores centrales y de cadena es de aproximadamente el 44 % y el 52 %, respectivamente, con menos del 1 % para los microinversores.

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 conjunto fotovoltaico. Para hacerlo, el sistema MPPT del inversor muestrea digitalmente la salida de energía siempre cambiante de la matriz solar y aplica la resistencia adecuada para encontrar el punto de máxima potencia óptimo.

Anti-isla es un mecanismo de protección para apagar inmediatamente el inversor, evitando que genere 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 suministrando energía de CC durante el corte de energía. La conexión en isla es un peligro para los trabajadores de servicios públicos, quienes pueden no darse cuenta de que un circuito de CA todavía está encendido y puede evitar la reconexión automática de dispositivos. La función Anti-Islanding no es necesaria para los sistemas fuera de red completos.

Tipo	Energía	Eficiencia	Cuota de mercado	Observaciones
inversor de cadena	hasta 150 kWp	98%	61,6%	Cuesta 0,05-0,17 € por vatio-pico. Fácil de reemplazar.
Inversor central	por encima de 80 kWp	98,5%	36,7%	0,04 € por vatio-pico. Alta fiabilidad. A menudo se vende junto con un contrato de servicio.
Micro-inversor	rango de potencia del módulo	90%–97%	1,7%	0,29 € por vatio-pico. Problemas de facilidad de reemplazo.
Convertidor CC/CC (optimizador de potencia)	rango de potencia del módulo	99,5%	5,1%	0,08 € por vatio-pico. Problemas de facilidad de reemplazo. Todavía se necesita inversor.
Fuente: datos de IHS Markit 2020, comentarios de Fraunhofer ISE 2020, de: Photovoltaics Report 2020, p.39, Notas en PDF : se muestran las mejores eficiencias, se estiman la cuota de mercado y el costo por vatio, kW p = pico de kilovatios, la cuota de mercado total es superior al 100 % porque los convertidores de CC/CC deben combinarse con inversores de cadena

Batería

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

Las tecnologías de batería comunes que se utilizan 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 menor densidad de energía. Sin embargo, debido a su alta confiabilidad, baja autodescarga y bajos costos de inversión y mantenimiento, actualmente son la tecnología predominante utilizada en sistemas fotovoltaicos residenciales a pequeña escala, ya que las baterías de iones de litio aún se están desarrollando y son aproximadamente 3,5 veces más costosas. caros como las baterías de plomo-ácido. Además, dado que los dispositivos de almacenamiento para sistemas fotovoltaicos son estacionarios, la menor energía y densidad de potencia y, por lo tanto, el mayor peso de las baterías de plomo-ácido no son tan críticos como, por ejemplo,En 2015, Tesla Motors lanzó Powerwall, una batería recargable de iones de litio con el objetivo de revolucionar el consumo de energía.

Los sistemas fotovoltaicos con una solución de batería integrada también necesitan un controlador de carga, ya que el voltaje y la corriente variables del panel solar requieren un ajuste constante para evitar daños por sobrecarga. 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 de ancho de pulso. Los controladores de carga más avanzados incorporarán la lógica MPPT en sus algoritmos de carga de baterías. Los controladores de carga también pueden desviar la energía para algún otro propósito que no sea la carga de la batería. En lugar de simplemente apagar la energía fotovoltaica gratuita cuando no se necesita, el usuario puede optar por calentar el aire o el agua una vez que la batería esté llena.

Monitoreo y medición

La medición debe poder acumular unidades de energía en ambas direcciones, o se deben usar dos medidores. Muchos medidores acumulan bidireccionalmente, algunos sistemas usan dos medidores, pero un medidor unidireccional (con retén) no acumulará energía de ninguna alimentación resultante a la red. En algunos países, para instalaciones de más de 30 kW _pSe 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 redes han necesitado proporcionar líneas de transmisión y capacidad de generación. Ahora también necesitan proporcionar almacenamiento. Normalmente se trata de hidroalmacenamiento, pero se utilizan otros medios de almacenamiento. Inicialmente, se utilizó almacenamiento para que los generadores de carga base pudieran operar a pleno rendimiento. Con la energía renovable variable, se necesita almacenamiento para permitir la generación de energía siempre que esté disponible y el consumo cuando sea necesario.

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

Los sistemas fotovoltaicos necesitan ser monitoreados para detectar fallas y optimizar la operación. Existen varias estrategias de monitorización fotovoltaica en función del rendimiento de la instalación y de su naturaleza. El monitoreo se puede realizar 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 se pueden dedicar solo a la supervisión u ofrecer funciones adicionales. Los inversores individuales y los controladores de carga de la batería pueden incluir monitoreo mediante protocolos y software específicos del fabricante.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 varios 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 usar medidas separadas como el análisis de imágenes satelitales o un medidor de radiación solar (un piranómetro) para estimar la insolación total para comparar. Los datos recopilados de un sistema de monitoreo se pueden mostrar de forma remota en la World Wide Web, como OSOTF.

Otros sistemas

Esta sección incluye sistemas que son altamente especializados y poco comunes o que todavía son una nueva tecnología emergente con un significado limitado. Sin embargo, los sistemas autónomos o fuera de la red ocupan un lugar especial. Eran el tipo de sistema más común durante las décadas de 1980 y 1990, cuando la tecnología fotovoltaica todavía era muy costosa y un nicho de mercado 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 total instalada 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 siguen siendo comunes en Australia y Corea del Sur, y en muchos países en desarrollo.

CPV

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

Especialmente, los sistemas HCPV se adaptan mejor a ubicaciones con alta radiación solar, concentrando la luz solar hasta 400 veces o más, con eficiencias del 24 al 28 por ciento, superando las de los sistemas regulares. Varios diseños de sistemas están disponibles comercialmente pero no son muy comunes. Sin embargo, se están llevando a cabo investigaciones y desarrollos continuos.

La CPV a menudo se confunde con la CSP (energía solar concentrada) que no utiliza energía fotovoltaica. Ambas tecnologías favorecen ubicaciones que reciben mucha luz solar y compiten directamente entre sí.

Híbrido

Un sistema híbrido combina la energía fotovoltaica con otras formas de generación, generalmente un generador diésel. También se utiliza biogás. La otra forma de generación puede ser un tipo capaz de modular la potencia de salida en función de la demanda. Sin embargo, se puede utilizar más de una forma de energía renovable, por ejemplo, el viento. La generación de energía fotovoltaica sirve para reducir el consumo de combustibles no renovables. Los sistemas híbridos se encuentran con mayor frecuencia en las islas. La isla Pellworm en Alemania y la isla Kythnos en Grecia son ejemplos notables (ambas se combinan con el viento). La planta de Kythnos ha reducido el consumo de diésel en un 11,2%.

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 costes de financiación de 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 los servicios públicos estatales pueden ser significativas, el estudio también identificó que los beneficios económicos son insignificantes o incluso negativos para los servicios públicos no públicos, como los productores de energía independientes.

También se ha realizado un trabajo que muestra que el límite de penetración fotovoltaica se puede aumentar mediante el despliegue de una red distribuida de sistemas híbridos fotovoltaicos y cogeneradores en EE. UU. Se analizó la distribución temporal del flujo solar, los requisitos eléctricos y de calefacción para residencias unifamiliares representativas de EE. UU. y se obtuvieron los resultados. muestran claramente que la hibridación de CHP con PV puede permitir un despliegue adicional de PV por encima de lo que es posible con un sistema de generación eléctrica centralizado convencional. Esta teoría se volvió a confirmar 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.Además, los grandes sistemas PV+CHP son posibles para edificios institucionales, que nuevamente brindan respaldo para PV intermitente y reducen el tiempo de funcionamiento de CHP.

• El sistema PVT (híbrido PV/T), también conocido como colectores solares híbridos térmicos fotovoltaicos, convierte la radiación solar en energía térmica y eléctrica. Dicho sistema combina un módulo solar (PV) con un colector solar térmico de manera complementaria.
• sistema CPVT. Un sistema híbrido térmico fotovoltaico 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.
• Sistema CPV/CSP. Se ha propuesto un novedoso sistema híbrido solar CPV/CSP, 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.
• Sistema diésel fotovoltaico. Combina un sistema fotovoltaico con un generador diesel. Las combinaciones con otras energías renovables son posibles e incluyen turbinas eólicas.

Paneles solares flotantes

Los paneles solares flotantes son sistemas fotovoltaicos que flotan en la superficie de depósitos de agua potable, lagos de canteras, canales de riego o estanques de saneamiento y relaves. Estos sistemas se denominan "floatovoltaicos" cuando se utilizan únicamente para la producción de electricidad o "acuavoltaicos" cuando dichos sistemas se utilizan para mejorar la acuicultura de forma sinérgica. Existe un pequeño número de tales sistemas en Francia, India, Japón, Corea del Sur, el Reino Unido, Singapur y los Estados Unidos.

Se dice que los sistemas tienen ventajas sobre la fotovoltaica en tierra. El costo de la tierra es más caro y hay menos reglas y regulaciones para las estructuras construidas sobre cuerpos de agua que no se usan para recreación. A diferencia de la mayoría de las plantas solares terrestres, los paneles flotantes pueden ser discretos porque están ocultos a la vista del público. Logran eficiencias más altas que los paneles fotovoltaicos en tierra, porque el agua enfría los paneles. Los paneles tienen un revestimiento especial para evitar la oxidación o la corrosión.

En mayo de 2008, la bodega Far Niente en Oakville, California, fue pionera en el primer sistema flotantevoltaico del mundo al instalar 994 módulos solares fotovoltaicos con una capacidad total de 477 kW en 130 pontones y hacerlos flotar en el estanque de riego de la bodega. El principal beneficio de dicho sistema es que evita la necesidad de sacrificar una valiosa área de tierra que podría usarse para otro propósito. En el caso de la Bodega Far Niente, se ahorró 0,75 acres (0,30 ha) que se hubieran requerido para un sistema en tierra. Otro beneficio de un sistema flotantevoltaico es que los paneles se mantienen a una temperatura más fría que la que tendrían en tierra, lo que lleva a una mayor eficiencia de conversión de energía solar. La matriz fotovoltaica flotante también reduce la cantidad de agua que se pierde por evaporación e inhibe el crecimiento de algas.

Se están empezando a construir granjas fotovoltaicas flotantes a gran escala. El fabricante multinacional de productos electrónicos y cerámica Kyocera desarrollará la mayor granja del mundo de 13,4 MW en el embalse sobre la represa Yamakura en la prefectura de Chiba utilizando 50.000 paneles solares. También se están considerando granjas flotantes resistentes al agua salada para uso en el océano, con experimentos en Tailandia. El mayor proyecto flotantevoltaico anunciado hasta ahora es una central eléctrica de 350 MW en la región amazónica de Brasil.

Red de corriente continua

Las redes de CC se encuentran en el transporte eléctrico: ferrocarriles, tranvías y trolebuses. Se han construido algunas plantas piloto para tales aplicaciones, como los depósitos de tranvías en Hannover Leinhausen, utilizando contribuyentes fotovoltaicos y Ginebra (Bachet de Pesay). El sitio de Ginebra de 150 kW _p alimenta 600 V CC directamente a la red eléctrica de tranvía/trolebús, mientras que antes proporcionaba alrededor del 15% de la electricidad en su apertura en 1999.

Ser único

Un sistema autónomo o aislado 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 va a alimentar independientemente de la radiación solar, la energía generada se almacena y se almacena con una batería. En aplicaciones no portátiles donde el peso no es un problema, como en los edificios, las baterías de ácido de plomo se utilizan con mayor frecuencia por su bajo costo y tolerancia al abuso.

Se puede incorporar un controlador de carga en el sistema para evitar daños a la batería por carga o descarga excesiva. También puede ayudar a optimizar la producción de la matriz solar utilizando una técnica de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT). Sin embargo, en los sistemas fotovoltaicos simples donde el voltaje del módulo fotovoltaico coincide con el 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, la matriz se puede utilizar para alimentar directamente bombas de CC, sin necesidad de un inversor. En entornos remotos, como áreas montañosas, islas u otros lugares donde no hay una red eléctrica disponible, los paneles solares se pueden usar como la única fuente de electricidad, generalmente cargando una batería de almacenamiento. Los sistemas autónomos se relacionan estrechamente con la microgeneración y la generación distribuida.

Costos y economía

El costo de producir celdas fotovoltaicas se ha reducido debido a las economías de escala en la producción y los avances tecnológicos en la fabricación. Para instalaciones a gran escala, los precios por debajo de $ 1,00 por vatio eran comunes en 2012. Se logró una disminución de precios del 50% en Europa entre 2006 y 2011 y existe la posibilidad de reducir el costo de generación en un 50% para 2020. Solar de silicio cristalino Las células solares han sido reemplazadas en gran medida por células solares de silicio policristalino menos costosas, y también se han desarrollado células solares de silicio de película delgada a costos de producción más bajos. Aunque su eficiencia de conversión de energía es menor que la de los "siwafers" monocristalinos, también son mucho más fáciles de producir a costos comparativamente más bajos.

La siguiente tabla muestra el costo total (promedio) en centavos de dólar estadounidense por kWh de electricidad generada por un sistema fotovoltaico. Los títulos de las filas de la izquierda muestran el coste total, por kilovatio pico (kW _p), de una instalación fotovoltaica. Los costos del sistema fotovoltaico han ido disminuyendo y en Alemania, por ejemplo, se informó que cayeron a USD 1389/kW _p a fines de 2014. Los encabezados de las columnas en la parte superior se refieren a la producción de energía anual en kWh esperada de cada kW _{p instalado.}. Esto varía según la región geográfica porque la insolación promedio depende de la nubosidad promedio y del 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 una 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. Asumen un costo de capital total del 10% (por ejemplo, tasa de interés del 4%, costo de operación y mantenimiento del 1% y depreciación del desembolso de capital durante 20 años). Normalmente, los módulos fotovoltaicos tienen una garantía de 25 años.

esconderCosto del kilovatio-hora generado por un sistema fotovoltaico (US¢/kWh)dependiendo de la radiación solar y el costo de instalación durante 20 años de operación
Costo de instalaciónen$ por vatio	Aislamiento generado anualmente kilovatios-hora por kW-capacidad instalada (kWh/(kWp•y))
2400	2200	2000	1800	1600	1400	1200	1000	800
$0.20	0.8	0.9	1.0	1.1	1.3	1.4	1.7	2.0	2.5
$0.60	2.5	2.7	3.0	3.3	3.8	4.3	5.0	6.0	7.5
$1.00	4.2	4.5	5.0	5.6	6.3	7.1	8.3	10.0	12.5
$1.40	5.8	6.4	7.0	7.8	8.8	10.0	11.7	14.0	17.5
$1.80	7.5	8.2	9.0	10.0	11.3	12.9	15.0	18.0	22.5
$2.20	9.2	10.0	11.0	12.2	13.8	15.7	18.3	22.0	27.5
$2.60	10.8	11.8	13.0	14.4	16.3	18.6	21.7	26,0	32.5
$3.00	12.5	13.6	15.0	16.7	18.8	21.4	25,0	30.0	37.5
$3.40	14.2	15.5	17.0	18.9	21.3	24.3	28.3	34,0	42.5
$3.80	15.8	17.3	19.0	21.1	23.8	27.1	31.7	38.0	47.5
$4.20	17.5	19.1	21.0	23.3	26.3	30.0	35,0	42.0	52.5
$4.60	19.2	20,9	23.0	25.6	28.8	32,9	38.3	46,0	57.5
$5.00	20.8	22.7	25,0	27,8	31.3	35.7	41.7	50.0	62.5
Estados UnidosJapónAlemania Costo del sistema de techo pequeño y promedio. insolación aplicada a la tabla de datos, en 2013Notas:Costo por vatio para el sistema de techo en 2013: Japón $ 4,64, Estados Unidos $ 4,92 y Alemania $ 2,05Kilovatios-hora generados por vatio-pico instalado, basado en la insolación promedio para Japón (1500 kWh/m /año), Estados Unidos (5,0 a 5,5 kWh/m /día) y Alemania (1000 a 1200 kWh/m /año).Un estudio de 2013 realizado por Fraunhofer ISE concluye que el costo de LCOE para un sistema fotovoltaico pequeño es de $ 0,16 (€ 0,12) en lugar de $ 0,22 por kilovatio-hora como se muestra en la tabla (Alemania).

Costo del sistema 2013

En su edición de 2014 del informe "Hoja de ruta tecnológica: energía solar fotovoltaica", la Agencia Internacional de Energía (IEA) publicó precios en dólares estadounidenses por vatio para sistemas fotovoltaicos residenciales, comerciales y de servicios públicos para ocho mercados principales en 2013.

USD/W	Australia	Porcelana	Francia	Alemania	Italia	Japón	Reino Unido	Estados Unidos
Residencial	1.8	1.5	4.1	2.4	2.8	4.2	2.8	4.9
Comercial	1.7	1.4	2.7	1.8	1.9	3.6	2.4	4.5
escala de servicios públicos	2.0	1.4	2.2	1.4	1.5	2.9	1.9	3.3
Fuente: IEA – Hoja de ruta tecnológica: informe de energía solar fotovoltaica

Curva de aprendizaje

Los sistemas fotovoltaicos demuestran 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. A partir de los datos de LCOE y la capacidad instalada acumulada de la Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA) de 2010 a 2017, la ecuación de la curva de aprendizaje para los sistemas fotovoltaicos se da como

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

Regulación

Estandarización

El uso creciente de sistemas fotovoltaicos y la integración de la energía fotovoltaica en las estructuras y técnicas existentes de suministro y distribución aumenta la necesidad de normas y definiciones generales para los componentes y sistemas fotovoltaicos. Los estándares se compilan en la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) y se aplican a la eficiencia, durabilidad y seguridad de las celdas, módulos, programas de simulación, conectores y cables, sistemas de montaje, eficiencia general de los inversores, etc.

Regulaciones nacionales

Reino Unido

En el Reino Unido, las instalaciones fotovoltaicas generalmente se consideran desarrollo permitido y no requieren permiso de planificación. Si la propiedad está en la lista o en un área designada (Parque Nacional, Área de Excepcional Belleza Natural, Sitio de Especial Interés Científico o Norfolk Broads), entonces se requiere un permiso de planificación.Estados Unidos

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

En los Estados Unidos, 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 las normas establecidas 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 Nacionalmente Reconocidos (NRTL).. En los EE. UU., muchas localidades requieren un permiso para instalar un sistema fotovoltaico. Un sistema conectado a la red normalmente requiere que un electricista autorizado realice la conexión entre el sistema y el cableado conectado a la red del edificio. Los instaladores que cumplen con estos requisitos se encuentran en casi todos los estados.Varios estados prohíben que las asociaciones de propietarios restrinjan los dispositivos solares.España

Aunque España genera alrededor del 40% de su electricidad a través de energías fotovoltaicas y otras 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 contabilizar la deuda creada por la inversión realizada por el gobierno español. Quienes no se conecten a la red pueden enfrentar una multa de 30 millones de euros (US$40 millones). Dichas medidas finalmente se retiraron en 2018, cuando se introdujo una nueva legislación que prohibía cualquier impuesto sobre el autoconsumo de energía renovable.

Limitaciones

Contaminación y energía en la producción fotovoltaica

La energía fotovoltaica ha sido un método bien conocido para generar electricidad limpia y libre de emisiones. Los sistemas fotovoltaicos a menudo están hechos de módulos fotovoltaicos e inversores (cambiando CC a CA). Los módulos fotovoltaicos están hechos principalmente de células fotovoltaicas, lo que no tiene una diferencia fundamental con el material para fabricar chips de computadora. El proceso de producción de células fotovoltaicas (chips de computadora) consume mucha energía e involucra productos químicos tóxicos para el medio ambiente y altamente venenosos. Hay pocas plantas de fabricación fotovoltaica en todo el mundo que produzcan módulos fotovoltaicos con energía producida a partir de fotovoltaica. Esta medida reduce en gran medida la huella de carbono durante el proceso de fabricación. La gestión de los productos químicos utilizados en el proceso de fabricación está sujeta a las leyes y reglamentos locales de las fábricas.

Impacto en la red eléctrica

Con los niveles cada vez mayores de los sistemas fotovoltaicos en los techos, 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 ocurrir algunos problemas técnicos. Por ejemplo, en Queensland, Australia, había más del 30 % de los hogares con energía fotovoltaica en la azotea a fines de 2017. La famosa curva de pato de California 2020 aparece con mucha frecuencia en muchas comunidades a partir de 2015. Puede surgir un problema de sobretensión a medida que la electricidad regresa a la red.Existen soluciones para gestionar el problema de la sobretensión, como la regulación del factor de potencia del inversor fotovoltaico, nuevos equipos de control de energía y tensión a nivel del distribuidor de electricidad, reconducción de los cables eléctricos, gestión del lado de la demanda, etc. A menudo existen limitaciones y costes relacionados con estas soluciones.

Implicación en la gestión de la factura eléctrica y la inversión energética

Los clientes tienen diferentes situaciones específicas, por ejemplo, diferentes necesidades de comodidad/conveniencia, diferentes tarifas de electricidad o diferentes patrones de uso. Una tarifa de electricidad puede tener algunos elementos, como un cargo diario por acceso y medición, un cargo por energía (basado en kWh, MWh) o un cargo por demanda máxima (por ejemplo, un precio por el mayor consumo de energía durante 30 minutos en un mes). La energía fotovoltaica es una opción prometedora para reducir el cargo por energía cuando el precio de la electricidad es razonablemente alto y aumenta continuamente, como en Australia y Alemania. Sin embargo, para sitios con cargos por demanda máxima, la energía fotovoltaica puede ser menos atractiva si la demanda máxima ocurre principalmente al final de la tarde o al anochecer, por ejemplo, en comunidades residenciales.