Radiación solar y producción

Idea clave

Un módulo no produce según su potencia, sino según el sol que recibe. La potencia pico (kWp) se mide con 1000 W/m², y la energía del año sale de multiplicarla por las horas sol pico del sitio y por el rendimiento global (performance ratio, PR) de la instalación: $E = P_p \cdot HSP \cdot PR$ . La orientación, la inclinación, las sombras y la temperatura deciden cuánto se pierde por el camino.

Diagrama

Del sol a los kWh

flowchart LR
  SOL["Irradiación del sitio<br/>kWh/m² al año"] --> PLANO["Sobre el plano del módulo<br/>orientación e inclinación"]
  PLANO --> HSP["Horas sol pico<br/>HSP = kWh/m² al día"]
  HSP --> BRUTA["Energía teórica<br/>Pp · HSP"]
  BRUTA --> PR["× PR<br/>0,75 a 0,85"]
  PR --> E["Energía útil<br/>kWh"]
  PER["Pérdidas: temperatura, sombras,<br/>suciedad, cables, inversor"] -.-> PR

Orientación e inclinación

Explicación

Irradiancia e irradiación

Son las dos magnitudes del sol, y se confunden mucho:

Magnitud	Qué es	Unidad	Ejemplo
Irradiancia $G$	Potencia del sol que llega a una superficie en un instante	W/m²	Mediodía despejado: unos 1000 W/m²
Irradiación $H$	Energía acumulada en un tiempo: la irradiancia sumada a lo largo del día o del año	kWh/m² (al día o al año)	Un día de verano en el sur: más de 7 kWh/m²

Es la misma relación que entre potencia y energía de Potencia y energía: la irradiancia es la «potencia» del sol; la irradiación, los «kWh» que deja.

Las condiciones estándar (STC)

La potencia que figura en la ficha de un módulo (por ejemplo, 450 Wp) se mide en condiciones estándar de ensayo (STC, Standard Test Conditions):

irradiancia de 1000 W/m²;
temperatura de la célula de 25 °C;
espectro de la luz AM 1,5: el de la luz solar tras atravesar 1,5 veces el espesor de la atmósfera.

Por eso se habla de vatios pico (Wp) y de kilovatios pico (kWp): es la potencia en esas condiciones, que en un tejado real casi nunca se dan a la vez.

Horas sol pico (HSP)

La irradiación de un día, por ejemplo 5 kWh/m², equivale a tener el sol a 1000 W/m² durante 5 horas. Esas son las horas sol pico:

$HSP = \frac{H\ (\text{kWh/m}^2\text{ al día})}{1\ \text{kW/m}^2}$

El número es el mismo que la irradiación en kWh/m² al día; solo cambia la unidad. La ventaja es que permite calcular la energía directamente con la potencia pico: un módulo de 1 kWp con 5 HSP produce, en teoría, 5 kWh ese día.

Órdenes de magnitud en España

Sobre un plano bien orientado, la media anual va de unas 3,5–4 HSP en el norte a más de 5,5 HSP en el sur, con mucha diferencia entre invierno y verano. Un kWp bien orientado da, al año, del orden de 1200 kWh en el norte a 1700 kWh en el sur. Son valores orientativos: para un proyecto concreto se sacan del sitio exacto con PVGIS (herramienta gratuita de la Comisión Europea).

Orientación e inclinación

La radiación que recoge un módulo depende de hacia dónde mira:

Orientación o azimut $\alpha$ : el ángulo respecto al sur. En el hemisferio norte, el óptimo es el sur. PVGIS usa 0° = sur, −90° = este y +90° = oeste.
Inclinación $\beta$ : el ángulo respecto a la horizontal. El óptimo anual en la Península está en torno a 30–35°. Más inclinado favorece la producción de invierno (sol bajo); más plano, la de verano.

Salirse un poco del óptimo cuesta poco: la curva es muy plana cerca del máximo. En la práctica, los módulos se ponen paralelos al tejado aunque no sea el ángulo ideal, porque la estructura es más barata y resiste mejor el viento.

Este-oeste no es mala idea en autoconsumo

Un tejado con un faldón al este y otro al oeste produce algo menos en total que uno al sur, del orden de un 10–20 % según el sitio y la inclinación. A cambio, reparte la producción a lo largo del día: más por la mañana y por la tarde, que es cuando más se consume en una vivienda. En autoconsumo eso puede compensar. Compruébalo con PVGIS para el caso concreto.

Sombras

Una sombra pequeña puede costar mucho. Las células de un módulo, y los módulos de un string, van en serie: por todos pasa la misma corriente, así que la célula más sombreada limita a las demás. Los diodos de bypass de cada módulo puentean el trozo sombreado para que no arrastre al resto, pero esa parte deja de producir. Se ve en detalle en el tema de la célula y el módulo y en el de strings.

Fuentes de sombra habituales: chimeneas, antenas, petos, árboles, edificios cercanos y otra fila de módulos delante, si están en estructura inclinada sobre una cubierta plana. Las sombras de invierno son las más largas, con el sol más bajo.

Temperatura

Con el calor, el módulo produce menos. En los módulos de silicio cristalino la potencia baja en torno a un 0,3–0,4 % por cada °C que la célula supera los 25 °C; el valor exacto es el coeficiente de temperatura $\gamma$ de la ficha del módulo.

En verano, con el sol fuerte, la célula se pone fácilmente a 60–65 °C. Una estimación sencilla de su temperatura parte de la NOCT de la ficha (Nominal Operating Cell Temperature, medida con 800 W/m², 20 °C de aire y viento suave):

$T_c \approx T_a + \frac{NOCT - 20}{800} \cdot G$

Por eso en el sur de España, con más sol, la producción no crece en la misma proporción que la irradiación: el calor se come una parte. Ventilar bien la parte trasera de los módulos ayuda.

El rendimiento global (PR)

El performance ratio reúne todas las pérdidas entre la energía teórica y la que de verdad entrega la instalación:

temperatura de las células;
sombras y suciedad;
dispersión entre módulos (mismatch);
pérdidas en los cables de continua y de alterna;
rendimiento del inversor.

En instalaciones bien hechas, el PR anual suele estar entre 0,75 y 0,85. Si una instalación en servicio da bastante menos, algo falla: sombras no previstas, suciedad, un string desconectado o un inversor que se limita.

Lo que hace PVGIS

PVGIS calcula la producción mensual y anual de un sistema a partir de la ubicación, la potencia pico, la orientación, la inclinación y unas pérdidas del sistema que se le indican. Usa datos de radiación medidos por satélite y tiene en cuenta el horizonte (montañas lejanas), pero no las sombras cercanas: una chimenea o un árbol hay que estimarlos aparte.

Fórmulas

Magnitud	Fórmula	Unidad
Horas sol pico	$HSP = H / 1\ \text{kW/m}^2$	h (al día)
Energía diaria	$E_d = P_p \cdot HSP \cdot PR$	kWh, con $P_p$ en kWp
Energía anual	$E_a = P_p \cdot HSP_{media} \cdot PR \cdot 365$	kWh
Producción específica	$Y = E_a / P_p$	kWh/kWp al año
Temperatura de la célula	$T_c \approx T_a + \dfrac{NOCT-20}{800} \cdot G$	°C
Potencia a otra temperatura	$P \approx P_{STC} \cdot \left[1 + \gamma\,(T_c - 25)\right]$	W, con $\gamma$ negativo en %/°C

Qué dice el REBT

El REBT no regula la producción

Ni la orientación, ni la inclinación, ni la energía que da una instalación son materia del REBT. La ITC-BT-40 · Instalaciones generadoras de baja tensión trata las instalaciones generadoras desde el punto de vista eléctrico: clasificación, conexión a la red, protecciones, cables y puesta a tierra. Se verá en los temas del inversor y del lado de alterna.

Otras fuentes

Datos de radiación y producción: PVGIS (Comisión Europea) o bases de datos meteorológicas. Son datos de cálculo, no normas.
Código Técnico de la Edificación, DB HE 5: exige una generación mínima de electricidad renovable en algunos edificios nuevos y ampliaciones grandes de uso no residencial. Es obligatorio cuando aplica, pero no es REBT. Comprueba en el texto vigente a qué edificios aplica y qué potencia exige.

En la práctica

Errores típicos

Confundir irradiancia con irradiación: W/m² es potencia en un instante; kWh/m² es energía acumulada.
Calcular la energía con la potencia pico y las horas de luz: un día de verano tiene 14 horas de luz, pero solo unas 7 u 8 HSP. Se calcula con las HSP, nunca con las horas de sol.
Olvidar el PR: $P_p \cdot HSP$ es la energía teórica; la real es un 15–25 % menor.
No mirar las sombras de invierno: una chimenea que en junio no molesta puede tapar una fila entera en diciembre.
Creer que más sol siempre es proporcionalmente más energía: el calor reduce la producción; por eso el PR del verano suele ser más bajo que el del invierno.
Fiarse de PVGIS para las sombras cercanas: solo tiene en cuenta el horizonte lejano.

Para practicar

Test: Test · Fotovoltaica
Flashcards: Flashcards · Fotovoltaica
Casos prácticos: CP18 · Producción de un tejado orientado al sur y al este
Relacionado: Potencia y energía · ITC-BT-40 · Instalaciones generadoras de baja tensión