6. Irradiación

Para dimensionar un sistema fotovoltaico es imprescindible saber la irradiación que van a recibir los módulos fotovoltaicos (“placas solares”) a lo largo de un año.

La irradiación es la cantidad de energía que incide en un espacio definido en forma de ondas electromagnéticas (luz visible, infrarroja y ultravioleta), procedentes del sol.

Al llegar a la atmósfera, la energía contenida en los rayos solares es de 1.367 W/m² ± 3,3 % (variando en función de la distancia entre tierra y sol). En la atmósfera parte de los rayos se dispersa y absorbe (por nubes, nitrógeno, oxígeno, CO2 etc.) y la energía que nos llega a nivel del mar, con una atmósfera limpia y sin nubes, está en torno a los 1.000 W/m² (en plano perpendicular al sol). El efecto de absorción y dispersión sobre el espectro solar se puede ver en este gráfico (las zonas negras y cianes son pérdidas por absorción y dispersión):

A continuación, podemos observar las irradiaciones globales horizontales (es decir, la suma de la irradiación directa y la irradiación difusa que incide en un plano paralelo al suelo) para España. La escala en la leyenda muestra los valores para la irradiación anual (valores encima de la escala) y para la producción anual correspondiente de un campo fotovoltaico de un 1.000 Wp de potencia (valores debajo de la escala).

Como los módulos fotovoltaicos se suelen inclinar para tener mejor ángulo al sol, nos interesa conocer cómo cambia la situación, si los paneles van inclinados (estructura fija) de forma ideal hacia el sur para captar la máxima irradiación y sacar la máxima producción a lo largo del año, como se muestra en el siguiente mapa:

Para instalaciones de conexión a red (por ejemplo, instalaciones de autoconsumo) normalmente interesa tener la máxima producción a lo largo del año, por lo cual, en este tipo de instalaciones se suele inclinar el campo fotovoltaico con el ángulo ideal para maximizar la producción en la suma anual (la inclinación para ello en la península suele estar entre 30º y 40º).

En instalaciones aisladas, no obstante, tenemos una meta distinta al objetivo de maximizar la producción anual de la electricidad: lo que nos interesa es cubrir el consumo al máximo. Dependiendo de las necesidades energéticas en las distintas fases del año, nos puede interesar dar más o menos inclinación a los paneles para maximizar la producción en la fase de mayor demanda. Si, por ejemplo, el uso de una vivienda es sólo fines de semana en verano, la inclinación óptima para cubrir los consumos es más baja de los 25º - 35º mencionados (ya que el sol está más alto en verano). Para maximizar la producción en invierno hay que inclinar los módulos bastante más (ya que el sol está más bajo en invierno). Cuando tenemos un consumo constante a lo largo del año, se suele ajustar la inclinación para favorecer la captación en invierno. Aún favoreciendo la producción en invierno, el sistema en la media nos va a producir más energía en verano, ya que durante este periodo suele hacer mejor tiempo y hay muchas más horas de sol.

A continuación, le mostramos un diagrama que muestra la radiación incidente en un plano orientado al sur con inclinaciones de 10º, 30º y 50º para Madrid. Para contrastar, le hemos agregado también la irradiación global horizontal (sin inclinación) del lugar.

En el ejemplo de Madrid vemos que el aporte adicional en invierno, pasando de 30º de inclinación a 50º, es relativamente bajo (comparado con las pérdidas mucho mayores en verano). Esto es debido a la menor cantidad de horas de sol y cielos más nublados en invierno (o mejor dicho, debido al mayor porcentaje de radiación difusa).

Hasta ahora sólo hemos tratado las pérdidas (respectivamente ganancias) de irradiación con el cambio de la inclinación. Al igual que la inclinación influye, la orientación en la producción de un campo fotovoltaico es también importante. La orientación para la energía solar se expresa en el ángulo de acimut el cual describe la desviación del sur geográfico. La siguiente imagen (extraída del CTE) muestra las pérdidas aproximadas por orientación e inclinación para la península. Queremos aclarar que las pérdidas mostradas sólo pueden servir para dar una idea general (ya que los valores dependen de la latitud del lugar) y se refieren a la captación máxima anual, sin tener en cuenta que nos puede interesar favorecer la captación en una temporada como hemos explicado anteriormente.