CNEA desarrolla radiómetros fotovoltaicos de bajo costo

Sigue a continuación una nota publicada el día 15 de febrero en el portal científico U238, destacando el desarrollo local de radiómetros fotovoltaicos por parte del Grupo de Energía So­lar de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA).

DETECTORES DE RADIACIÓN SOLAR DE LA CNEA: UN PROYECTO QUE ALUMBRA A BAJO COSTO

Se trata de equipos de bajo costo basados en celdas fotovoltaicas capaces de medir la radiación del Sol. Fueron desarrollados por investigadores del Grupo de Energía Solar de la Comisión Nacional de Energía Atómica y, actualmente, son utilizados por investigadores de todo el país.

En los laboratorios del Centro Atómico Constitu­yentes, investigadores del Grupo de Energía So­lar de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) vienen trabajando, desde el año 1998, en el desarrollo de radiómetros fotovoltaicos de bajo costo, unos equipos capaces de medir la radiación del Sol utilizando como elemento sensor celdas fo­tovoltaicas de silicio monocristalino.

Este proyecto surgió ante la necesidad de dis­poner en el país de sensores de radiación solar confiables y de bajo costo. “En el ámbito de una reunión de la Asociación Argentina de Energías Renovables y Ambiente, entramos en contacto con quienes llevaban adelante la red solarimé­trica, que miden a lo largo y ancho del país la radiación del Sol con el objetivo de evaluar nues­tro recurso solar. Ellos nos consultaron sobre la posibilidad de fabricar radiómetros fotovoltai­cos. Fue el doctor Hugo Grossi quien nos planteó hacerlos aprovechando la experiencia que tenía­mos en el grupo y eso fomentó que armáramos los primeros prototipos”, comenta Claudio Bolzi, actual Jefe del Grupo de Energía Solar, depen­diente de la Gerencia de Investigación y Aplica­ciones de la Gerencia de Área de Aplicaciones No Nucleares de la CNEA.

Tanto el sensor como todo el encapsulado fueron diseñados y fabricados por los especialistas de la Comisión. “La idea era tener un prototipo de fa­bricación nacional que de alguna manera compi­ta con los instrumentos importados. No había ni hay en el país fabricantes de estos equipos y hay numerosos laboratorios o potenciales interesados en medir la radiación solar que no pueden acceder a comprar un radiómetro importado. Es el caso, por ejemplo, de una escuela secundaria que tiene un proyecto de energía solar y necesitan evaluar ciertos parámetros de una instalación. Entonces, la idea fue fabricar un equipo de calidad equivalente a los comerciales, pero a un precio más económico o inclusive, poder prestarlo o darlo en concesión a instituciones que no puedan comprarlo”.

A lo largo de estos más de 15 años, los especia­listas del Grupo de Energía Solar del CAC diseña­ron y fabricaron distintos prototipos para analizar el comportamiento de los sensores y evaluar sus limitaciones. Los primeros modelos fueron cali­brados por la Red Solarimétrica del Servicio Me­teorológico Nacional y, actualmente, esta tarea es realizada por el Grupo de Estudios de la Radiación Solar de la Universidad Nacional de Luján. Asimis­mo, con el objetivo de ensayarlos en condiciones, algunos de estos radiómetros fueron distribuidos en distintos laboratorios del país para su evalua­ción final en campo.

Bolzi comenta que se han fabricado en la CNEA más de 40 detectores de radiación solar. Algunos de es­tos equipos están siendo actualmente utilizados en estaciones meteorológicas por grupos de investiga­ción de universidades e instituciones de diferentes provincias del país, entre ellas el Departamento de Climatología de la Universidad Nacional de Lomas de Zamora; el Instituto Provincial de Educación Su­perior de la Universidad Nacional de la Patagonia Austral; el Departamento de Ingeniería Civil de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Misiones; el INTA de Misiones; la Facultad Re­gional Buenos Aires de la Universidad Tecnológica Nacional y la Universidad Nacional de Luján.

¿Para qué se utilizan los detectores solares?

Medir la energía proveniente del Sol es necesario, entre otros fines, para:

- Evaluar las potencialidades de un sitio para de­finir la instalación de paneles fotovoltaicos.

- Estudiar el impacto que los cambios en los ni­veles de radiación tienen sobre las condiciones climáticas (variaciones en la nubosidad, en la cantidad de partículas en suspensión en la at­mósfera y en el agua que se puede precipitar, que se verían inmediatamente reflejadas en la radiación medida).

- Determinar la influencia que la radiación so­lar a nivel de superficie tiene en el rendimiento de cosechas.

- Estudiar el balance energético o el crecimiento de un cultivo particular.

- Evaluar la evapotranspiración potencial del suelo y determinar así su estado hídrico (agua disponible y necesidad de riego).

- Planificar el secado de productos vegetales con mayor eficiencia.

Además de estas aplicaciones terrestres, los radióme­tros también pueden usarse en el espacio. Por ejemplo, pueden emplearse como sensores gruesos de posición para el posicionamiento de los satélites respecto del sol. En este caso, se requieren métodos de fabricación e insumos calificados para condiciones espaciales.

El primer experimento de celdas solares argenti­nas en el espacio fue a bordo del satélite argen tino SAC-A —lanzado en 1998 por la Comisión Nacional de Actividades Espaciales (CONAE)— e incluyó la fabricación en la CNEA de los senso­res de posición que orientaban al satélite res­pecto del sol para que comience a cargar rápi­damente las baterías.

“También se colocaron sensores gruesos de po­sición en dos paneles de ingeniería sometidos a ensayos ambientales y se realizó la integración de los sensores a los paneles de vuelo de la misión Aquarius/SAC-D”, cuenta con orgullo Bolzi.

Aspectos técnicos

Los radiómetros fotovoltaicos poseen como ele­mento sensible un semiconductor, como por ejem­plo un fotodiodo o una celda de silicio (en general de tipo monocristalino), que al recibir un flujo ra­diante genera una corriente proporcional a la irra­diancia recibida, la que, al circular por una resis­tencia de carga, genera una diferencia de potencial.

Los primeros radiómetros se realizaron utilizando celdas fotovoltaicas de silicio monocristalino de 25 mm de lado desarrolladas y fabricadas por los investigadores del Grupo Energía Solar de la CNEA. Para su ensamblado, se conecta la celda a una re­sistencia de carga y se pega un vidrio difusor sobre la celda. Esta cubierta de vidrio tiene dos finalida­des: por un lado, proteger al sensor fotovoltaico de las condiciones ambientales y, por el otro, mejorar la respuesta angular debido a su esmerilado super­ficial. El pegado se realiza mediante un adhesivo resistente a la radiación solar y con características ópticas adecuadas.

A través de los distintos prototipos ensayados por los especialistas, se fue optimizando el dise­ño tanto del sensor como de la base para poder adaptarlos a los sistemas de adquisición de datos y simplificar el montaje.

Con respecto a la efectividad de estos equipos, Bolzi explica que los resultados de la calibración de estos prototipos, así como los distintos estu­dios de campo realizados, demostraron que su respuesta a la radiación solar era equivalente a la de otros radiómetros fotovoltaicos comerciales que tienen un costo mucho mayor.

Una de las claves del bajo costo de los radiómetros fabricados en la CNEA es la utilización de materia­les económicos, durables y de fácil adquisición en el mercado local. Además, como estos dispositivos se hacen a pedido de quien los necesite, muchas veces se pueden adaptar a las necesidades del usuario.“Por ejemplo —recuerda Bolzi— hicimos unos planos muy livianos porque el requerimiento era poder medir sobre las hojas y tallos de ciertos cultivos la radiación que llegaba”.

Otro de los beneficios de estos radiómetros de fa­bricación nacional es que los modelos comercia­les tienen algunas necesidades de recalibración y mantenimiento que obliga al usuario a enviarlo al fa­bricante cada cierta cantidad de tiempo. “Con el que fabricamos en CNEA esto no es necesario, salvo una recalibración como cualquier otro equipo, después de un período determinado de uso”, detalla Bolzi.

Últimos desarrollos: Radiómetros PAR y sumergibles

Bolzi cuenta que actualmente parte del Grupo de Energía Solar de la CNEA está trabajando en el desarrollo de radiómetros que miden la radiación fotosintéticamente activa (PAR), de gran utilidad en el área agronómica. Este tipo de equipos sirven, por ejemplo, para estudiar el balance energético o el crecimiento de un cul­tivo particular, mediante valores de radiación fotosintéticamente activa, la que puede ser de­finida como la fracción del espectro solar com­prendida entre 400 y 700 nanómetros.

“El objetivo es poder fabricarlos a un bajo costo y con la misma confiabilidad y eficiencia que los comerciales”, destaca el Jefe del Grupo de Energía Solar.

Por otro lado, Bolzi advierte que también exis­te la necesidad de medir radiación solar debajo del agua. “Comenzamos a hacer los primeros desarrollos para medir radiación solar en dis­tintos ambientes acuáticos y ya ensayamos el primer prototipo. Este tipo de tecnología se usa en investigaciones para conocer cuál es la radia­ción solar a cierta profundidad, para aplicarlo, por ejemplo, al cultivo de algas y piscicultura (cría de peces y mariscos)”. 

¿Qué es IRESUD?

Una de las líneas fundamentales de trabajo del Grupo de Energía Solar de la CNEA es el proyec­to IRESUD. Se trata de un convenio asociativo entre la CNEA y la Universidad Nacional de San Martín con el fin de promover el uso de energía solar conectada a la red eléctrica distribuida.

Para ello, se han realizado más de 50 instalaciones de paneles solares en distintos organismos públicos y privados. Estos dispositivos fueron conectados a la red eléctrica mediante el uso de inversores, evitando así la utilización de baterías para almacenar la energía.

Todas estas instalaciones piloto tuvieron como fin demostrar la factibilidad de la energía solar en ciertos lugares del país y fomentar nuevas legislaciones que permitan este tipo de iniciati­vas. Actualmente, pocas provincias del país cuentan con la normativa necesaria para que usua­rios particulares puedan concretar una instalación de este tipo.

“Nuestro objetivo es promover la generación de leyes que permitan que, por ejemplo, un usua­rio de una ciudad pueda poner sus paneles solares en su casa y, a través de un equipo llamado inversor, conectarse directamente a la red eléctrica, sin el uso de baterías e inyectarlo a la red. Es decir, esa persona se transforma en un ‘prosumidor’, alguien que produce y consume energía eléctrica. En el país no había normativas y hemos trabajado en eso. Actualmente, hay algunas provincias que lo permiten, como Santa Fe, Salta, Mendoza, Neuquén y Tucumán, y hay leyes a nivel nacional que se están tratando en el Congreso”.

En una segunda etapa del proyecto IRESUD ya en marcha, se comenzaron a realizar instala­ciones inteligentes, en donde los paneles no sólo están conectados a la red eléctrica, sino que además están conectados a una terminal que permite medir los resultados de la energía gene­rada de forma inalámbrica. Es decir, un operador desde otro lugar puede ver cuánta energía se está generando, cuánta se consume en el mismo lugar y cuánta de esa energía se deposita en la red. Esto permite analizar y conocer las demandas de los distintos sectores, en los distintos horarios y evitar sobrecargas de la red eléctrica. Esta experiencia se hará en la localidad de Cen­tenario, Neuquén, gracias al apoyo del Ente Provincial de Energía de Neuquén. 

Satélites con paneles solares argentinos

Las misiones satelitales requieren de paneles solares para satisfacer la demanda de energía eléctrica de la plataforma satelital y de todos sus subsistemas. Dado el elevado precio de estos componentes en el mercado internacional y a fin de disponer en el país de las herramientas de diseño, fabricación y ensayo de paneles solares para misiones satelitales previstas en el Plan Espacial Nacional, la CNEA comenzó en 2001 una colaboración con la Comisión Nacional de Actividades Espaciales (CONAE) a través de sucesivos contratos de asistencia tecnológica.

Además de fabricar los sensores gruesos de posición que son utilizados en un satélite para orientar los paneles solares, el Grupo de Energía Solar de la CNEA desarrolló la tecnología de integración de paneles solares, basada en un sistema de aseguramiento de la calidad com­patible con los estándares internacionales de la industria espacial. Asimismo, se pusieron a punto procedimientos para la realización de ensayos ambientales sobre dispositivos para uso espacial. Estos desarrollos dieron lugar a la integración, con tecnología espacial desarrollada en el país, de cuatro paneles solares de ingeniería y de los dos paneles de vuelo para la misión satelital Aquarius/SAC-D.

“Esta fue la primera vezque se hicieron paneles solares para satélites de esta envergadura en el país. Esta línea de trabajo continúa aún hoy y actualmente estamos desarrollando los satélites de la misión SAOCOM y SAC-D, también de la CONAE. Uno de los paneles ya está en etapa de ensayos previo a su lanzamiento en 2018 y, el otro, lo estamos integrando”, cuenta Bolzi con orgullo y destaca el esfuerzo y el compromiso de todo el grupo de trabajo tanto en esta como en todas las actividades encaradas.

Fuente: U238