Publicado originalmente en el número de marzo/abril de Solar Today .
Dentro de la industria solar, es sabido que la orientación óptima de los paneles solares fotovoltaicos (FV) en el hemisferio norte suele ser hacia el sur, para maximizar la producción de electricidad durante la vida útil del sistema. Sin embargo, recientemente se ha debatido mucho, e incluso se ha ofrecido incentivos se está ofreciendo, para orientar los sistemas fotovoltaicos hacia el oeste.
¿Por qué debemos enfrentarnos a los paneles fotovoltaicos en el oeste? La respuesta está en el requisito fundamental de las empresas de servicios públicos de proporcionar una red fiable y estable. Para ello, las empresas de servicios públicos deben mantener el equilibrio en cualquier momento entre la energía que se consume (es decir, la carga de la red) y la que se genera a partir de todas las fuentes, incluidas las fósiles, nucleares y renovables. En esta combinación, la energía solar fotovoltaica representa un recurso variable que está activo desde el amanecer hasta el atardecer, y que alcanza su punto máximo en diferentes momentos del día dependiendo de la orientación de los paneles fotovoltaicos.
En escenarios de baja penetración fotovoltaica, donde se ha instalado poca energía fotovoltaica en los tejados, tanto la variabilidad como la producción máxima tendrían poco o ningún efecto sobre la estabilidad de la red. Sin embargo, en zonas con alta penetración fotovoltaica, la variabilidad de la potencia fotovoltaica y los picos de producción afectarán a la red de forma diferente. En lo que respecta a la variabilidad, las oscilaciones de la producción fotovoltaica se pueden gestionar mediante una previsión precisa y de alta calidad en combinación con un suministro adecuado de "reservas giratorias", tecnologías de generación de respuesta rápida y relativamente caras. La variabilidad de la producción eléctrica es muy similar en los sistemas orientados al sur y al oeste.
Cronometraje de la carga de la red
La producción fotovoltaica también puede afectar a la red en función de la hora del día en que se produce la energía. A medida que aumenta el número de sistemas instalados (la mayoría de ellos orientados al sur), la carga de la red se reducirá durante las horas centrales del día. Esto da lugar a un pico de carga más prominente en las últimas horas de la tarde, cuando hay menos energía producida por la energía solar, y las cargas eléctricas alcanzan su punto máximo debido al uso de luces, electrodomésticos, sistemas de aire acondicionado, calentadores de agua, etc., en los hogares después del trabajo y la escuela.
Es en estos momentos -cuando la producción de energía fotovoltaica no coincide con la demanda máxima de electricidad- cuando las empresas de servicios públicos se enfrentan a un problema. Tradicionalmente, las empresas de servicios públicos han recurrido en mayor medida a las reservas giratorias para satisfacer la demanda de carga de la tarde. Para aliviar la necesidad de costosas opciones de reserva, las empresas de servicios públicos y las agencias de energía están buscando soluciones creativas para ayudar a aliviar los picos de carga de la tarde.
Una de esas soluciones es orientar los paneles solares fotovoltaicos hacia el oeste para que produzcan más energía por la tarde, en las horas de máxima carga. Este es uno de los principales impulsores del incentivo de la Comisión de Energía de California está ofreciendo en California a los usuarios que instalen sistemas orientados al oeste en lugar de al sur.
Para entender mejor cómo los sistemas fotovoltaicos orientados al oeste pueden ayudar a aliviar los picos de carga eléctrica, veamos la carga neta real comunicada por la Pacific Gas & Electric Company (PG&E) durante agosto de 2014. La figura 1 muestra la carga de la red (en gris) desde el jueves 21 de agosto hasta el domingo 24 de agosto. Con fines ilustrativos, el gráfico también muestra la producción fotovoltaica simulada para 1.000 megavatios (MW) de energía fotovoltaica distribuida, que equivale aproximadamente a la capacidad fotovoltaica distribuida instalada actualmente en el territorio de PG&E. La línea naranja es el perfil de producción si todos los sistemas simulados estuvieran orientados al sur, y la línea azul representa las instalaciones orientadas al oeste.
La figura 1 nos permite observar cómo la producción de energía de los sistemas fotovoltaicos orientados al sur y al oeste puede afectar a la red. Los sistemas orientados al sur producen la mayor cantidad de energía a primera hora del día, mientras que la producción máxima orientada al oeste se concentra a última hora del día, coincidiendo más estrechamente con el pico de carga eléctrica durante este periodo. En el caso del viernes 22 de agosto, el pico de carga se produjo aproximadamente a las 18:00 hora local. Mientras que los sistemas orientados al sur habrían alcanzado su pico de producción a las 13:30 horas aproximadamente, los sistemas orientados al oeste habrían alcanzado su pico de producción a las 15:00 horas aproximadamente, produciendo más energía durante el resto del día, que es cuando más la necesitan las compañías eléctricas.
También es interesante observar cómo la carga de la red es dinámica, ya que se ve muy afectada por los usos residenciales y comerciales. En este ejemplo, las cargas eléctricas de los días laborables alcanzaban su punto máximo cuando la gente volvía a casa después del trabajo. Los fines de semana, cuando muchas oficinas están cerradas, la carga total era menor.
Aunque los sistemas fotovoltaicos orientados al sur producen más energía en general que los orientados al oeste, desde el punto de vista de la empresa de servicios públicos, el impacto de las pérdidas en la producción fotovoltaica general de los sistemas orientados al oeste probablemente se vea compensado con creces por el valor de la reducción de la carga máxima.
Considere su techo, otros factores
Desde el punto de vista del propietario del sistema fotovoltaico, tradicionalmente se han preferido los sistemas orientados al sur, ya que suelen generar la mayor potencia total. Sin embargo, hay una serie de factores que determinan la orientación de los sistemas en los tejados. Normalmente, el tejado es un factor decisivo, ya que la casa tendrá una estructura fija sobre la que instalar los paneles fotovoltaicos. Aunque técnicamente es posible dar al sistema cualquier orientación independientemente del diseño del tejado, los resultados no siempre son estéticamente aceptables o asequibles para el propietario.
Si existe flexibilidad para seleccionar la orientación preferida de los paneles, es posible realizar una simulación de producción fotovoltaica para las distintas posibilidades y seleccionar la opción que produzca el mayor rendimiento de la inversión. Este análisis tendría en cuenta las tarifas eléctricas, así como los obstáculos de sombra cercanos y lejanos, y los patrones climáticos locales.
Por ejemplo, en lugares donde las tarifas por tiempo de uso son más altas por la tarde, los paneles orientados al oeste podrían dar lugar a un mayor rendimiento, ya que la electricidad producida por la energía solar a última hora del día compensa las tarifas eléctricas más altas de la tarde. En otro ejemplo, un edificio vecino o un árbol al oeste de una casa podría inclinar la balanza a favor de las orientaciones sur o este, mientras que la niebla matinal recurrente durante los meses de verano podría hacer que los sistemas orientados al oeste produjeran más electricidad en general.
El mapa de potencia fotovoltaica de la figura 2 muestra la diferencia relativa en la producción de energía de los sistemas orientados al sur frente a los orientados al oeste para el sur de California, el suroeste de Nevada y el extremo occidental de Arizona, para el mes de agosto de 2014. Para esta simulación se utiliza un sistema de 1 kilovatio (kW) inclinado 30 grados.
En toda la zona de estudio, los sistemas orientados al sur produjeron más que los orientados al oeste durante el mes de agosto de 2014. Las diferencias relativas oscilaron entre el 1% (amarillo claro) y el 17% (rojo oscuro). En las regiones costeras, las nubes de estratos marinos de la mañana que tienden a quemarse por la tarde provocaron pequeñas diferencias en la producción total de energía del mes. Hay una diferencia insignificante en la producción del cielo nublado entre los sistemas fotovoltaicos orientados al sur y al oeste en las ubicaciones costeras cuando hay nubes de estratos marinos debido a la inhibición de la irradiación directa normal.
Producción de energía a lo largo del tiempo
La figura 3 muestra la diferencia relativa en la producción mensual de energía fotovoltaica entre las instalaciones orientadas al oeste y al sur, que varía a lo largo del año. La producción total de energía fue mayor para los sistemas orientados al sur durante las estaciones fuera del verano, pero casi se igualó con la de los sistemas orientados al oeste durante el periodo de mayo a julio de 2014.
Aunque la producción fotovoltaica total suele maximizarse con la orientación sur de los sistemas fotovoltaicos sobre tejado, la orientación oeste de los módulos fotovoltaicos puede optimizar la producción de energía para que alcance su punto máximo más tarde en el día, cuando suele ser más valiosa para las empresas de servicios públicos y las autoridades de compensación. Los consumidores deben conocer todas las opciones y tener en cuenta todos los incentivos a la hora de tomar decisiones sobre la instalación de sistemas fotovoltaicos en tejados.
Nota: El Mapa de energía fotovoltaica de la figura 2 se ha creado con estimaciones de potencia generadas por SolarAnywhere servicios de Clean Power Research; éstos incluyen capacidades de simulación y datos de irradiación derivados de satélites cada hora con resoluciones espaciales de 1 a 10 kilómetros. Los cálculos se basan en un sistema fotovoltaico con una potencia nominal total de 1 kW que está configurado con cinco paneles fotovoltaicos de 200 vatios y un inversor de 1,5 kW; paneles fijos orientados al sur y al oeste con una inclinación de 30 grados; sin sombreado; una potencia nominal del panel en condiciones de prueba PVUSA de 178 vatios; y una eficiencia del inversor del 95,5%. Acceda a datos históricos de irradiación gratuitos en www.solaranywhere.com.