Cuánta energía puede producir mí módulo o panel solar fotovoltaico al día

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La cantidad de energía eléctrica que puede producir un módulo solar fotovoltaico o panel solar fotovoltaico depende de la cantidad de irradiancia solar que reciba a lo largo de todo un día. Entre mayor sea la irradiancia solar mayor será la cantidad de energía que produzca el sistema fotovoltaico o colector térmico solar.

La irradiancia solar sobre el módulo o panel solar fotovoltaico

La cantidad de irradiancia solar que llega sobre la superficie terrestre depende de la hora, latitud y época del año en la que nos encontremos en ese momento. A lo largo de todo un año la irradiancia solar promedio varía de manera senoidal entre un mínimo cercano a los 4000 w/m2 al día hasta un máximo en torno a los 8000 w/m2 día. Evidentemente estos son valores promedio a nivel mundial y no todos los lugares experimentan variaciones de este tipo sino que depende de sus condiciones climatológicas locales y de su ubicación en latitud sobre el planeta. Las zonas cercanas a los polos reciben mucho menos irradiancia solar que el resto del planeta. En la zona ecuatorial la irradiancia solar promedio es más o menos contante a lo largo de todo el año y es la zona donde menos variaciones se observan de la irradiancia solar, pero a diferencia de lo que muchas personas suelen pensar, en las zonas ecuatoriales no es donde se recibe la mayor cantidad de irradiancia solar a lo largo del año. Es en los trópicos de cáncer o capricornio donde se recibe la mayor cantidad de irradiancia solar a lo largo de todo un año. No por casualidad los grandes desierto del mundo como los de Arizona en Estados Unidos y el desierto del Sahara en las latitudes del norte; o el famoso desierto de Atacama en las latitudes del sur, coinciden con los trópicos de cáncer y capricornio, respectivamente. Justo en los trópicos, aproximadamente a 23 grados de latitud norte o sur, es donde se recibe la mayor cantidad de irradiancia solar y son justamente los lugares ideales para el máximo aprovechamiento de la energía solar fotovoltaica o para el uso de un colector solar térmico.
Para que un módulo solar fotovoltaico pueda generar la máxima energía posible la luz solar debe llegar de manera perpendicular sobre su superficie. Si la luz llega formando un ángulo cualquiera entonces parte de la luz siempre será reflejada y sólo una porción de la luz incidente podrá llegar a la celda solar fotovoltaica para producir la potencia eléctrica. Esto establece un problema técnico para el módulo o panel solar fotovoltaico a menos que se disponga de un sistema de guíaje que permita seguir al Sol y mantener el módulo siempre perpendicular a éste, de manera de reducir las pérdidas por reflexión.  Aún así, la cantidad de luz solar que puede llegar al módulo o panel solar fotovoltaico cuando está amaneciendo o atardeciendo se ve drásticamente reducida porque el Sol forma un ángulo con la atmósfera terrestre, lo cual obliga a la luz solar a atravesar una mayor distancia de la atmósfera  que termina absorbiendo una buena porción de la irradiancia solar.
Como vemos existen varios factores que afectan la producción de energía de un módulo o panel solar fotovoltaico a lo largo de un día, en las que la cantidad de energía producida se ve perturbada por la inclinación del Sol con respecto al módulo o panel fotovoltaico, la irradiancia solar en el sitio, la cubierta de nubes, y otros factores como temperatura de la celda y duración del día.

¿Cuánta energía puede producir mi módulo o panel solar fotovoltaico al día?

La respuesta depende mayormente de las especificaciones técnicas de su módulo o panel solar fotovoltaico. En la etiqueta de especificaciones, que se encuentra por lo general en la parte trasera de su módulo fotovoltaico cerca de la caja de conexiones eléctricas, se le informa de las condiciones estándar de medidas en las cuales su módulo podrá producir la potencia máxima instantánea indicada. En general la información que usted debe encontrar en su etiqueta es la siguiente:

Etiqueta de módulo solar con explicaciones
Etiqueta de módulo solar fotovoltaico y definición de cada parámetro

Este es un módulo solar fotovoltaico de una potencial nominal de 140 W, lo cual indica la potencia instantánea que genera este módulo sí la temperatura de cada una de las celdas fotovoltaicas que componen al módulo es de 25 ºC, y que además se cumple que está recibiendo perpendicularmente a su superficie una irradiancia solar de 1000 W/m2 con una distribución espectral del tipo AM 1.5. Sólo y únicamente en estas condiciones el módulo solar fotovoltaico producirá los 140 W. Si las condiciones se cumplen a lo largo de todo un día entonces resulta fácil calcular la potencia que genera mi módulo solar fotovoltaico porque sólo debo multiplicar 140 W por el tiempo total en el que se mantuvieron dichas condiciones. Y he aquí donde está el problema, ya que dichas condiciones no se cumplen prácticamente en ningún momento a lo largo de todo un día, lo cual hace muy difícil sino imposible estimar con precisión cuanta energía producirá el modulo solar fotovoltaico por día.
Empecemos por el problema de la temperatura de la celda. Todo aquél que ha tocado un objeto sólido que se ha expuesto a la irradiancia solar a pleno medio día por ejemplo, se percata rápidamente que la temperatura puede superar fácilmente los 50 ºC. Por tanto, nuestro módulo ya no está trabajando en las condiciones estándar de medidas y ya no está generando los 140W que indican las especificaciones. Por lo general un módulo solar fotovoltaico cuando está por encima de los 25 ºC suele generar una potencia diferente a la indicada en las especificaciones.
El problema mayor proviene de la irradiancia solar de 1000 W/m2 que debe recibir el módulo solar fotovoltaico de manera perpendicular para producir los 140 W de potencia. Cuando el Sol se levanta por la mañana, y asumiendo que nuestro módulo o panel solar fotovoltaico está sobre una estructura fija, los rayos solares inciden sobre nuestro módulo de manera casi tangencial formando un ángulo muy grande con respecto a la normal; y haciendo que la mayoría de la luz simplemente se refleje sobre la superficie del módulo. De hecho hay un ángulo crítico, que se denomina ángulo de Brewster por debajo del cual el 100% de la luz se refleja y por tanto nuestro módulo esta produciendo cero potencia porque no ingresa nada de la luz solar a las celdas fotovoltaicas. Sólo cuando el Sol está alto en el horizonte, y que ya se haya superado el ángulo de Brewster es cuando comienza a ingresar luz sobre las celdas solares fotovoltaicas de nuestro módulo. En este caso hay cierta cantidad de irradiancia solar que está ingresando a nuestro módulo pero que es mucho menor que los 1000 w/m2 que se requieren para producir los 140 w nominales de potencia de dicho módulo, así que nuestro módulo está produciendo tal vez un 20 o 40 % de la potencia que debería producir. A medida que avance el día y el ángulo que forma el Sol con la normal de nuestro módulo se reduce, comienza a incrementarse la irradiancia solar que recibe nuestro módulo hasta que a pleno mediodía, o más bien cuando el Sol se encuentra en el zenit, la luz comienza a entrar perpendicularmente en el módulo solar fotovoltaico. Sólo en este momento es cuando la luz solar está ingresando casi en un 100 % en el módulo solar fotovoltaico y es cuando se produce la máxima potencia instantánea a lo largo del día en este módulo. Sin embargo, dependiendo de la irradiancia solar local a su módulo pueden estar ingresando hasta unos 1200 o 1300 w/m2 de irradiancia solar. Esto hace que su módulo no produzca sólo 140 w sino que puede llegar a producir incluso 150 o 165 w durante ese breve tiempo de máxima irradiancia solar.
Luego que el Sol pasa del zenit la irradiancia solar que ingresa a nuestro módulo comienza nuevamente a reducirse hasta que al final de la tarde se hace nuevamente cero cuando el ángulo que forma el Sol con la normal del módulo supera nuevamente al ángulo de Brewster.
Así, si queremos saber cuánta energía produce nuestro módulo en un día, entonces tendríamos que sumar todas las potencias que generaron con cada una de las diferentes condiciones de temperatura e irradiancia a lo largo de todo un día. Si uno hace medidas de la potencia generada por nuestro módulo o panel solar fotovoltaico cada hora deberíamos obtener valores como los que se muestran en la siguiente tabla (son valores estimados y no reales):

Tabla 1: Potencia estimada producida por un módulo solar fovoltaico de 140 w
Hora del día Potencia producida
8:00 12 vatios
9:00 38 vatios
10:00 65 vatios
11:00 100 vatios
12:00 135 vatios
13:00 160 vatios
14:00 135 vatios
15:00 100 vatios
16:00 65 vatios
17:00 38 vatios
18:00 12 vatios

Aquí estamos asumiendo un día soleado perfecto donde la cobertura de nubes es cero. En este caso la potencia total generada por nuestro módulo solar fotovoltaico es de 830 w en un día, valor que resulta de la suma de todas las potencias generadas hora a hora.
Tome en cuenta además que se asume que hemos puesto a trabajar a nuestro módulo solar fotovoltaico en el voltaje y corriente de máxima potencia, es decir a un voltaje Vmp y una corriente Imp. Si por errores en el diseño usted pone a trabajar a su módulo solar fotovoltaico muy lejos del punto de máxima potencia, entonces su módulo no podrá producir la potencia nominal máxima que está dada en las especificaciones técnicas. Esto puede ocurrir por ejemplo cuando usted pone a cargar con un módulo o panel solar fotovoltaico un acumulador de gran capacidad pero que está muy descargado; en este caso el acumulador exige gran cantidad de corriente al módulo y este trata de enviar la máxima corriente posible que es un valor muy cercano a su corriente de corto circuito. En estas condiciones el módulo no estaría produciendo casi ninguna potencia y aunque le llegue la máxima irradiancia solar a lo largo de todo el día el módulo no podrá ser capaz de cargar dicho acumulador porque la potencia que se está generando para la carga es prácticamente nula.

Horas equivalentes de Sol en una localidad

Como vemos, estimar la cantidad de energía que genera un módulo solar fotovoltaico no es fácil porque depende de muchos factores. Por ello, es que se ha creado una unidad que se denomina horas equivalente de sol para poder estimar de manera más simple y directa la cantidad máxima de energía que genera un módulo o panel solar fotovoltaico en un día. El número equivalente de horas de sol se refiere a cuantas horas de una irradiancia solar de 1000 w/m2 hay en un lugar específico para de esta manera saber cuantas horas estará trabajando nuestro módulo en las condiciones estándar de medidas. El cálculo es bastante sencillo y se reduce a conocer cuánto es la irradiancia solar media por día en nuestra localidad. Una vez que usted conoce este dato puede realizar el cálculo del número de horas equivalentes de sol. Por ejemplo, si usted se encuentra ubicado en una zona geográfica que tiene un irradiancia solar media diaria de unos 5400 w/m2, entonces usted divide este valor por 1000 w/m2(que es la condición de referencia dado en la etiqueta de su módulo o panel solar fotovoltaico) y obtiene 5.4. Este valor significa que usted tiene en su localidad unas 5.4 horas equivalentes de sol, o que su módulo solar fotovoltaico trabajará efectivamente 5.4 horas por día. Con esta información usted podrá saber de una manera estimada cuánta será la energía máxima que su módulo solar fotovoltaico podrá producir en su localidad. Si su módulo solar fotovoltaico es de 140 w entonces usted producirá una potencia máxima por día de 756 w con ese módulo.
Así, para saber la cantidad de energía que produce un módulo solar fotovoltaico por día en una localidad cualquiera se reduce a conocer cuántas horas equivalentes de sol hay disponibles en ese sitio. Esta información suele estar muy dispersa o difícil de encontrar por ello le recomiendo que consulte la página de la NASA. En esa página encontrará información estadística de los últimos 20 años muy importante para configurar sus sistemas solares fotovoltaicos y es totalmente gratis. Sólo debe introducir su localización en latitud y longitud, que hoy día casi cualquier smartphone con gps puede proveer, y luego en la siguiente página podrá seleccionar toda la información que usted desee o requiera para sus cálculos y estimaciones.

Orientación de acuerdo a la ubicación del módulo o panel solar fotovoltaico

Otro detalle muy importante de tomar en cuenta para la producción de energía de un módulo o panel solar fotovoltaico es la la inclinación que presenta el Sol con respecto al zenit en nuestra localidad. Resulta que el Sol no sólo forma un ángulo de orientación este-oeste con nuestro módulo o panel solar fotovoltaico a medida que van pasando las horas del día; sino que además forma un ángulo de orientación norte-sur que es diferente para todas las localidades en el planeta. Este ángulo va variando a lo largo del año con las estaciones y depende exclusivamente de la latitud del lugar donde nos encontremos. A lo largo de todo un año la variación total de este ángulo es de 46 grados, que si no se corrige entonces el módulo o panel solar fotovoltaico podría estar produciendo mucho menos de la potencia nominal máxima dada en sus especificaciones técnicas. Un error típico al no considerar este ángulo es colocar los paneles solares totalmente horizontales o con cualquier ángulo de inclinación sin tomar en cuenta la latitud del lugar.
Para poder aprovechar la máxima irradiancia solar en el lugar que usted está ubicado necesita colocar el módulo o panel solar fotovoltaico con una inclinación que debe ser igual a la latitud a la que usted se encuentra. Si usted se encuentra en las latitudes del norte entonces usted debe inclinar su módulo o panel solar fotovoltaico hacia el sur con un ángulo igual al de su latitud. Si usted se encuentra en el sur entonces la la inclinación deber ser hacia el norte con un ángulo igual al de su latitud. Con estas inclinaciones usted logrará aprovecha mucho mejor la irradiancia solar promedio en su localidad. Sin embargo, como la variación de este ángulo es de 46 grados a lo largo de todo un año, yo le recomiendo que incline su módulo 23 grados cada seis meses en la dirección en la que se encuentra el Sol en esa época del año. Por ejemplo, si usted se encuentra en latitudes del norte debería a partir del comienzo del otoño (septiembre) inclinar hacia el sur su módulo o panel solar fotovoltaico ún ángulo igual a la latitud del lugar menos 12.5 grados. En la primavera (marzo) usted debería inclinar hacia el sur su módulo o panel solar fotovoltaico un ángulo igual a la latitud del lugar más 12.5 grados. Si usted se encuentra en las latitudes del sur entonces cuando empieza la primavera (septiembre) usted debe inclinar hacia el norte su módulo o panel solar fotovoltaico un ángulo igual a la latitud más 12.5 grados; cuando empieza el otoño (marzo) usted debe inclinar hacia el norte su módulo o panel solar fotovoltaico un ángulo igual a la latitud del lugar menos 12.5 grados.

Conclusiones

Resumiendo, la cantidad de energía que produce un módulo o panel solar fotovoltaico a lo largo de un día depende de sus especificaciones técnicas, de la irradiancia solar promedio en su ubicación y de la orientación que usted le dé a sus módulos de acuerdo con la latitud del lugar en el que se encuentre. Si usted realiza un análisis detallado de toda la información que he presentado en este artículo llegará a la conclusión de que no hay manera que un módulo o panel solar fotovoltaico produzca la misma energía en lugares diferentes del planeta, aunque nos vendan estos dispositivos por sus capacidades nominales de producir potencia eléctrica. Por ello, es que un sistema solar fotovoltaico debe ser diseñado específicamente para el lugar donde será utilizado.

Si tienes alguna inquietud o tema sobre el que quieras discutir no dudes en contactar conmigo o dejar un simple comentario…

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