Células y placas solares.

Hay dos tipos de substratos electrónicos, P y N, en función de si contienen boro o fósforo. Cuando dos substratos se combinan forman una unión PN, que funciona como las uniones PN de los diodos normales. En la práctica las células solares son diodos foto-sensibles.

Cuando un fotón penetra la capa P de la célula y llega a la unión PN obliga a que aparezca una corriente negativa en una de las capas y positiva en la otra. Si se colocan contactos metálicos en cada una de las capas, la corriente generada fluye, como en una batería.

Las mejores placas solares son aquellas cuyas células han sido creadas a partir de un único cristal (mono-cristalinas). No obstante, hay otro método de fabricación, más barato, que consiste en inyectar silicona fundida en moldes, lo que crea unos estratos compuestos por múltiples cristales, lo que da origen a los paneles poli-cristalinos.

Por último hay una nueva técnica de fabricación que no implica la creación de substratos basados en cristales, y que crea unas placas solares extremadamente finas y flexibles, denominadas amorfas. Una aleación de silicona es colocada sobre una fina estructura flexible, usando una técnica parecida a la impresión offset. Esta técnica es la más barata, pero produce paneles con una esperanza de vida de tan solo unos años, en lugar de los 20 o 30 años que se espera funcionen los paneles rígidos.

Los paneles solares están disponibles en tres diferentes categorías: paneles de alto voltaje, paneles auto-regulados y células simples para fabricación. Los paneles de alto voltaje normalmente contienen dos o más células extra para compensar por el voltaje perdido entre el panel y las baterías, lo que ocurre en general en las instalaciones solares. Los paneles también tienen cierta pérdida cuando son operados en temperaturas de más de 37 grados. Estos paneles tienen un voltaje de salida de entre 17 y 18 voltios, y son los más utilizados en la industria, y por supuesto en los motorhomes.

Los paneles auto regulados tienen menos células solares, de forma que proporcionan un voltaje nominal de aproximadamente 14.5 voltios, lo que permite cargar una batería hasta ese nivel. La teoría es válida, pero sin embargo hay variaciones con la temperatura, caídas de voltaje, etc. que pueden sobre cargar una batería, o sobre calentarla con la pérdida de electrolito que ello implica. Estos paneles están disponibles en potencias de 2.5, 5 y 10 vatios. Los paneles de entre 5 y 20 vatios pueden ser de utilidad para los campistas que usan sus caravanas sólo ocasionalmente, ya que podrán mantener la carga preexistente en las baterías. No obstante este tipo de paneles no puede ocuparse de la carga de las baterías de forma efectiva.

Potencia de la energía solar.

La potencia que un panel solar es capaz de proporcionar es siempre medida con el sol incidiendo a 90º sobre la superficie del panel, sin sombras. Los huertos solares utilizan complejos sistemas de seguimiento del paralelo de declinación del sol para maximizar la energía que son capaces de suministrar. Esta situación sin embargo no es realizable (al menos para la mayoría de nosotros) en un motorhome.

En un mundo ideal podemos decir que para cargar una batería de 100 amperios/hora (una tipo 27 muy común en las autocaravanas) deberíamos tener un panel de 50 vatios/hora. O lo que es lo mismo, necesitamos 1 vatio de potencia solar por cada 2 amperios que tengamos en las baterías. Sin embargo, un campista no vive en un mundo ideal: sol todo el día, directo sobre las placas solares, sin sombras, ni nubes, ni polvo sobre las placas, ni… un largo etcétera de cosas. por lo que es más realista pensar en un panel de 75 vatios para cargar una batería de 100 amperios/hora, o un panel de 150 vatios para un conjunto de 200 amperios.

Cuanto más al sur de europa se desenvuelva usted más bajo puede ser el ratio de pérdida que puede aplicar. España, Italia, Grecia o Portugal son países en los que el ratio puede acercarse más al ideal antes descrito. Observe el gráfico anterior publicado por PropertyInvesting, del que se desprende que el norte de Europa tiene unos niveles de insolación de 2.5 veces menores que las zonas más al sur.

No sólo se trata de la cantidad de energía solar que se recibe en una u otra zona de Europa, sino también de cuántas horas de sol al día tenemos. Los días en verano son más largos que en invierno, por lo que la producción de energía solar es mucho menor en invierno. Además el paralelo de declinación del sol (la altura en el cielo del sol) en invierno es menor que en verano, lo que obliga a los rayos solares a atravesar más atmósfera, perdiendo intensidad.

La tensión de los paneles solares es casi proporcional a la intensidad del sol. Para una intensidad dada, la corriente de salida de un panel solar (los amperios) y la tensión de funcionamiento están determinados por las características de la carga. En el caso de que la carga sea una batería, la resistencia interna de misma determinará la tensión de funcionamiento del sistema y por tanto el rendimiento en amperios.

Las sombras.

Los paneles solares fotovoltaicos son muy sensibles a la sombra. De facto, muchas marcas de paneles solares fotovoltaicos indican que sus productos no pueden tolerar siquiera el sombreado de la rama de un árbol sin hojas !

Una sombra difusa o dispersa reduce significativamente la cantidad de luz que llega a las células de un panel solar. Son sombras ‘duras’ aquellas que detienen por completo la luz que llega a las células solares. Con sólo una célula completa bajo una sombra dura, la tensión de ese módulo se reducirá a la mitad de su valor nominal. Si suficientes células están bajo sombras duras, el módulo puede llegar no generar ninguna energía, convirtiéndose de hecho en un consumidor de la energía del resto de las placas de que conste el sistema.

En un panel solar las células están conectadas en serie, por ello, con sólo media célula en sombra se reduce sustancialmente la capacidad del panel. Cuando la mitad de una hilera está en sombra, (como se muestra el dibujo), la disminución de potencia será proporcional al porcentaje de área sombreada, en este caso del 50%.

Es más, una célula completa bajo la sombra, puede provocar que el panel reduzca su eficiencia total al 50%. Con una célula de cada serie bajo una sombre profunda, se provocará que el panel no produzca absolutamente ninguna energía !

Todo esto debería indicarnos que la instalación de los paneles en el techo del motorhome no deben colocarse muy cerca de elementos que puedan provocar sombras sobre los paneles, como los aires acondicionados o la antena de televisión. De igual forma, si usted pretende estar en un camping durante un período de tiempo largo, y desea recargar las baterías a través de los paneles solares, busque una plaza con abundante sol, orientada al sur.

Inclinación de los paneles.

Para capturar la máxima cantidad de energía solar, los paneles deberían estar inclinados en un ángulo aproximadamente igual a la latitud del lugar donde esté aparcado su motorhome,  mirando al sur. Para optimizar el rendimiento en invierno, sus paneles solares deberían estar inclinados 15 grados más que el ángulo de latitud. Durante el verano, 15 grados menos que el ángulo de latitud es lo aconsejado.

Un conjunto de paneles solares entregarán la máxima potencia cuando apuntan directamente hacia el sol.

En un motorohome es posible instalar sistemas que permiten graduar la inclinación de los paneles, sin embargo, lo normal es que los tejados de los vehículos no sean lo suficientemente grandes como para pensar en poder inclinar todos los paneles, lo habitual es sólo poder inclinar la fila más alejada del sol, ya que si inclinamos los de delante, tapamos literalmente los de detrás.

Mi recomendación es contar con un sistema simple de montaje, de forma que inclinar los paneles traseros (desde el punto de vista del sol) sea algo fácil para Usted. Hay una entrada de blog sobre este tema aquí. Aunque un campista no puede pensar en acercarse a  optimizar la producción de energía de sus paneles, lo que si puede hacer, con sólo inclinar una parte de sus paneles, en ganar hasta un 35% más de efectividad, sobre los valores que obtendría si no los inclina y los mantiene fijos y paralelos al techo.

Como casi toda Europa entra entre los paralelos 40ºN y 60ºN deberíamos tener un sistema que nos permita colocar los paneles entre los 25º (si estamos en el sur de Europa) y los 45º grados (si acampamos al norte) sobre la vertical del vehículo en verano, y entre los 50º y los 75º en invierno. Es decir, bastante verticales…

La inclinación de los paneles puede que no resulte rentable en términos de tiempo y esfuerzo que requieren si usted va estar de camping sólo unos días, sin embargo, cuantos más días esté acampado y sobre todo cuanto más al norte, más útil será inclinar los paneles.

Conexionado.

El sistema de energía solar requiere que los paneles estén conectados entre si y con un controlador que gestionará el voltaje y el amperaje que necesitan en cada momento sus baterías.  Lo paneles vienen de fábrica equipados con una caja que contiene generalmente un par de diodos, para evitar flujos de corriente inversos, a los que están conectados unos latiguillos de cable que terminan en conectores de tipo MC4.

Los conectores MC4 son el estándar mundial para conexionar paneles solares, estos conectores son muy simples de usar, pero sobre todo son inmunes a la intemperie. En un motorhome, y dado que el número de paneles es bastante reducido, la mejor opción es conectar los paneles en paralelo.

El motivo para usar una conexión en paralelo es que en el caso de que un panel quede inutilizado por cualquier motivo, su sistema fotovoltaica continuará funcionando. En un sistema en serie, el fallo de un sólo panel puede hacer que todo el sistema deje de funcionar.

La conexión en paralelo termina siempre en una caja central, que contiene dos horneros: uno para los polos positivos de todos los paneles, y otro para los negativos. La caja de conexión central de los paneles habitualmente se coloca en el techo del vehículo, por lo que debe ser insensible a los elementos. Los cables deben entrar en la caja a través de pasamuros impermeables.

Procure colocar la caja de conexión central de forma que la longitud del cable entre la caja y el controlador solar sea la menor posible. Es preferible tender cables más largos desde los paneles solares a la caja ya que esta forma de actuar reduce las pérdidas energéticas en los cables.

Los conectores MC4 requieren de un alicate de crimpado especial (y muy caro), de forma que la mejor opción es comprar ‘alargaderas’ o cables de extensión. Estos cables vienen con un conector macho en una esquina y uno hembra en la otra. Todo lo que hay que hacer es medir la distancia entre el panel y la caja de conexión central y comprar una alargadera del doble de esa medida como mínimo.

La firma WholeSolar, entre otras, suministra al mundo entero este tipo de cables pre-crimpados. Estos cables están fabricados con cables especialmente pensados para soportar la intemperie y años de luz ultravioleta intentando comerse el plástico que los protege. No utilice un cable normal para conexionar sus paneles solares.

Un punto crítico del conexionado es el paso de los cables desde el tejado al controlador solar. En muchas webs se aconseja usar el tubo de refrigeración del frigorífico. Sin embargo, esta opción no es aconsejable por dos motivos fundamentales: no suele ser la forma más directa de llegar al compartimento de las baterías y suele ser un tubo muy caliente lo que reduce la capacidad de los cables de transportar energía. A mi juicio usar el hueco que deja el panel trasero de su motorhome es una mejor opción, siempre que el compartimento de baterías esté situado por detrás de las ruedas motrices.

Puede usted usar la calculadora que proporciona Calculator.net, o cualquiera de las que aparecen en google por ‘voltaje drop calculator’. Asegúrese de colocar como voltaje un valor entre 40 y 50 voltios, que es la salida normal de un panel solar, verifique los amperios que rinden las placas que tenga pensado usar y multiplíquelos por el número de placas del sistema. Por último recuerde que la distancia es la suma de los cables positivo y negativo, como normalmente son paralelos, multiplique por dos la distancia entre la caja de conexión central y el controlador.

Con la calculadora usted debe buscar el diámetro del cable que le proporcione una caída de voltaje de menos de 1% para el doble de la longitud del cable necesario para conexionar la caja central a la que llegan los paneles solares en paralelo y su controlador solar. Por ejemplo: un cable de 16mm (No.5 AWG) no sería suficiente para un conjunto de 4 placas capaces de generar 5 amperios cada una a 45 voltios, si el controlador está a 6 metros de la caja de conexión principal, ya que la caída de voltaje sería de 1.38%. Con los datos del ejemplo el cable lógico sería uno de 25mm (No.3 AWG) que nos daría un caída de voltaje de un 0.87%.

Tenga en cuenta que la inmensa mayoría de los sistemas solares instalados en motorohomes americanos pierden hasta un 25% de la capacidad de sus paneles solares únicamente debido a la incorrecta elección de la sección del cable de conexión entre los paneles y el controlador o del controlador a las baterías (y este último tramo es aún más crítico que el primero !)

En el conexionado es muy importante el crispado de los terminales, tanto los de los cables MC4, como los que conectan la caja central con el controlador. Asegúrese de que sus conectores están bien prensados, por ambos lados! La firma Lincoln Electric  fabrica un equipo para crimpar conectores de cables relativamente gruesos que funciona francamente bien.

Si me permite el comentario, identificar los cables con marcadores de plástico es de gran ayuda cuando se trate de reparar el sistema. En corriente continua los cables deberían ser rojo para positivo y negros para el negativo. No obstante es posible que no encuentre estos colores en cables con cierta sección. Si no puede usar los colores estándar, asegúrese de identificar los polos claramente de alguna forma, de modo que un electricista pueda más adelante reparar el sistema con facilidad.

Protección del circuito.

Es muy importante que usted disponga de un sistema de protección para ambos polos (positivo y negativo) intercalado entre sus placas solares y el controlador. Este equipo de protección puede estar compuesto por fusibles de un solo uso, o por magnetotérmicos re-armables.

En este punto lo importante es calcular correctamente las necesidades, usted debe mirar las especificaciones de sus placas. No permita que se calcule el amperaje en función de los vatios hora que son capaces de producir sus placas. Simplemente no son valores que puedan inferir el uno del otro. Si usa el vataje directamente terminará instalando magnetos mucho más grandes de lo necesario, con lo que la protección del circuito puede no resultar eficaz.

Observe que un magnetotérmico ‘normal’ en una casa está diseñado para funcionar con corriente alterna, por tanto no son equipos válido para esta aplicación de corriente continua. No es habitual encontrar en un almacén magnetos de corriente continua. La firma OscaSolar puede suministrar a toda Europa magnetos de 150 voltios de corriente continua, con capacidad de corte desde 30 amperios por debajo de los 30 Euros.

Es destacable que estos magnetos no siguen la normativa estándar para carriles DIN europeos, los puede anclar a un carril estándar, pero la apertura delantera deberá agrandarla. Cuando conecte los magnetos procure que los paneles estén en sombra, de forma que no produzcan electricidad, así evitará riesgos de choque eléctrico.

Un objetivo secundario que se consigue colocando magnetos o fusibles entre la caja de conexión principal y el controlador es disponer de un método simple para desconectar completamente las placas solares del sistema de carga de las baterías. Hay algunos autores que recomiendan colocar en la misma caja los horneros de conexión y los magnetos.

El controlador solar.

Un controlador solar es básicamente es un regulador de voltaje y/o de amperaje, cuya principal función es prevenir la sobre-carga de sus baterías. En la mayoría de los paneles solares de 12 voltios, la salida real es de entre 15 y 16 voltios, por lo que incluso con ese tipo de paneles es necesario un controlador o las baterías terminar siendo sobre-cargadas.

Los controladores solares de 1 o 2 etapas simples se basan en relés o transistores de derivación para controlar el voltaje en uno o dos pasos. Lo que hacen básicamente es desconectar el panel solar cuando se alcanza un determinado voltaje. A todos los efectos son los dinosaurios, pero todavía se ven algunos a la venta en Internet. Su única ventaja radica en la fiabilidad, ya que con tan pocos componentes no suelen dar ningún problema.

Los controladores estándar en el mercado hoy son de 3 etapas PWM, construidos por marcas como Morningstar, Xantrex, BlueSky, Steca, etc. Son muy fiables y económicos. En estos aparatos en lugar de una salida continua, el controlador envía una serie de impulsos de carga a la batería. El controlador comprueba constantemente el estado de la batería para determinar qué tan rápido se pueden enviar los pulsos, y cuánto tiempo durarán. Si la batería está cargada los pulsos serán pocos y muy ‘estrechos’ (por poco tiempo), mientras que si la batería está descargada el pulso puede llegar a ser continuo.

Estos controladores se supone que tienen una pérdida de rendimiento, contra los más avanzados MPPT de quizá un 10% de la potencia nominal de los paneles instalados.

Los más modernos controladores son los de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT). Los fabrican marcas como  Midnite Solar, Xantrex, Outback Power, Morningstar y otros. Estas máquinas son lo último en controladores. Sus precios pueden multiplicar hasta por 3 el precio de un controlador PWM. Los fabricantes aseguran que pueden obtener eficiencias en el rango del 94/98% de la potencia de los paneles conectados, y que pueden llegar a proporcionar hasta un 30% más potencia en amperios a la batería.

Todos los controladores solares modernos PWM y MPPT disponen de sondas de temperatura, algunas se conectan a un terminal de la batería, otros se pegan al costado de alguna de las que componen nuestro banco. Es un accesorio fundamental, ya que permite a estos equipos analizar cuán calientes están las baterías por el proceso de carga, y cuán frio es el ambiente, de forma que pueden determinar con más precisión el voltaje de carga apropiado.

Desde mi modesta opinión, los controladores MPPT funcionan, y se nota esa diferencia de potencia cuando las baterías están bastante descargadas, que es justo el momento en el que aceptan mayor cantidad de amperios en la fase bulk de carga. Cuando la batería está casi cargada, la diferencia entre un controlador MPPT y un buen PWM tiende a difuminarse… De hecho midiendo el amperaje de entrada al controlador y el de salida, es posible verificar que los rendimientos anunciados del 94/98% en la práctica se quedan más cerca del 90% de lo que hubieran querido los ingenieros que los diseñaron.

En el momento de escribir este texto no he encontrado documentación independiente que acredite de dónde sale ese 30% más de potencia/eficacia. Es cierto que un controlador MPPT, trabajando con baterías descargadas, logra aminorar los tiempos de carga (lo cual es bueno). Pensar en un incremento de la potencia recogida diaria de un 5/7% es algo que se ajusta bastante a la realidad, algo que también se puede conseguir en una instalación ‘normal’ con sólo usar los cables del espesor correcto!

Otro aspecto que se debe tener en cuenta al elegir un controlador solar es su capacidad máxima, relacionándolo con la capacidad de los paneles solares instalados. Es decir, no tiene mucho sentido comprar un controlador capaz de gestionar 40 amperios, cuando usted tiene únicamente 2 paneles de 120 vatios cada uno en el techo. De igual forma, no es muy lógico colocar 4 paneles de 350 vatios cada uno, con un controlador MPPT de 60 amperios, para cargar 2 baterías de 210 amperios cada una. En ambos casos estará usted gastando dinero del que no obtendrá ningún resultado positivo.