En el dimensionamiento de un sistema fotovoltaico es crucial determinar cuanta energía produce un panel solar. Esta energía depende de dos factores muy relevantes: la radiación solar y el desempeño del panel solar en campo. Ambos conceptos se explican a continuación.
La radiación solar: cada sitio en el mundo recibe un nivel de radiación solar. Existen tres aproximaciones para considerar la radiación que llega al suelo durante un período de tiempo determinado:
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- Radiación normal directa (DNI, Direct Normal Irradiation) es la radiación que llega directamente al suelo. Se entiende como la luz que al estar direccionada produce sombra.
- Radiación difusa horizontal (DIF, Diffuse Horizontal Irradiation): es la radiación que llega hasta el suelo tras ser dispersada por la atmósfera (las nubes, el aire, etc.)
- Radiación global horizontal (GHI, Global Horizontal Irradiation) se refiere a la suma de las dos anteriores.
Como primera aproximación, se utiliza la radiación solar global para estimar la generación que potencialmente tendrá un panel solar. Para ello se estiman las horas de sol equivalentes como el promedio de horas que el sol irradiará a potencia estándar de 1 kW/m2 (ver dibujo). Por ejemplo, usando el Global Solar Atlas se estima que Medellín recibe una radiación global de 5.4 kWh/m2 por día. Dividiendo esto por la potencia estándar solar tendríamos 5.4 horas sol equivalente por día. Como primera aproximación entonces se tiene que por ejemplo un panel solar de 500 W producirá por día 500 W x 5.4 h/día = 2700 Wh/dia.
Sin embargo, este valor está sobreestimado. Esto se debe a que los paneles solares de silicio aprovechan bien la radiación directa y no son tan eficientes colectando la radiación difusa. Es decir, la estimación no es precisa cuando se utiliza la radiación global. Una mejor estimación se obtiene considerando el desempeño en campo de los paneles solares como se explica a continuación.
Desempeño del panel solar en campo:
Como ya se vio, dependiendo de la ubicación geográfica, el panel solar recibe una radiación determinada. La cantidad de radiación que se transforma en electricidad depende de varios factores:
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- El panel solar tiene una eficiencia cercana al 20%. El resto de la radiación se vuelve calor o es reflejada.
- El panel solar tiene un coeficiente negativo de temperatura. Es decir, su eficiencia disminuye conforme se calienta. Típicamente este coeficiente es -0.3%/ºC, es decir por cada grado por encima de 25ºC la eficiencia se reduce en 0.3%. Es por esto que en sitios calurosos, como las zonas costeras, los paneles solares pueden reducir hasta 15-20% su desempeño.
- Dependiendo la tecnología del panel se podrá aprovechar o no la radiación difusa. Por ejemplo, los paneles de silicio cristalino provechan bien la radiación directa pero no la radiación difusa. Por el contrario, los paneles de silicio amorfo aprovechan bien la radiación difusa pero no la radiación directa.
- El inversor tiene una eficiencia del 90-95%, es decir, se debe considerar que el cambio de corriente directa a corriente alterna conlleva una perdida de energía.
- Existen múltiples factores de pérdida adicionales como la presencia de suciedad, sombras, problemas de cableado, problemas de desajuste (mismatch) entre componentes, degradación por uso del panel, entre otras.
Todas estas razones implican una generación reducida respecto a la generación que se esperaría considerando sólo la estimación basada en las horas de sol. Algunas de las plataformas que desarrollan simulaciones de desempeño de los paneles solares en campo son SolarGIS o Global Solar Atlas, las cuales proveen la potencia que genera el panel por cada kWp (kilowatt pico) de potencia instalado por día. Para el ejemplo de Medellín, este factor es 4.3 kWh/(kWp•día), de modo que un panel de 500 W (0.5 kW) generará 0.5 kW x 4.3 kWh/(kWp•dia) = 2.15 kWh/día = 2150 Wh/día. Este valor es mucho más exacto que la estimación inicial considerando solo las horas sol equivalentes que dio 2700 Wh/día.
En conclusión, para tener más exactitud en la estimación de geneeración de un panel solar, se debe considerar la radiación del sitio en adición a los factores de pérdida que aparecen en la operación del panel solar en condiciones reales de operación.
