Propuesta de reducción del consumo eléctrico residencial mediante un Sistema Solar Fotovoltaico conectado a la red eléctrica.

Transcripción

1 I N S T I T U T O P O L I T É C N I C O N A C I O N A L ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Propuesta de reducción del consumo eléctrico residencial mediante un Sistema Solar Fotovoltaico conectado a la red eléctrica. TESIS QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO ELECTRICISTA P R E S E N T A N Raúl Loza Moral Alejandro Palacios Monzón Asesores: Ing. Urbano Castelán José Antonio M. en C. Tolentino Eslava Guilibaldo MÉXICO, D.F. Marzo, 2014

2 AGRADECIMIENTOS Alejandro Palacios Monzón Antes que a todos, agradezco a Dios por darme la vida y por dejarme estar hoy escribiendo esto. Por todos los retos, obstáculos y situaciones que me puso a lo largo de este camino, ya que cada una de estas situaciones me hizo la persona que soy ahora. Gracias por todo eso y por lo que viene. También agradezco a mi padre Alejandro Palacios Blanco y a mi madre Martha Magdalena Monzón Riestra, sin ellos no hubiera llegado hasta donde estoy. Agradezco su apoyo incondicional, y que estuvieron al pendiente de cada situación apoyándome y una que otra vez en desacuerdo, pero siempre a mi lado. Gracias por ser mis padres. A mis hermanas Martha y Mirna que a pesar de que como todos los hermanos solemos tener confrontaciones, las amo enormemente y les agradezco todo lo que hacen y lo que no hacen por mí. A mis amigos, los que no fueron conmigo en la carrera, pero estuvieron ahí, a ellos que a pesar del tiempo me apoyaron en todo, Agustín, Memo, Andros (si, así, con o), Luis, Ericka y Andrea. Y a mis amigos que conocí a lo largo de la carrera y que saben exactamente lo que pasé para hoy poder estar haciendo esto, David, Liss, José Luis, Fernando, Raúl, Ezequiel, gracias por estar ahí cuando lo necesité. Gracias por su amistad. También quisiera agradecer a Alfredo y a Daniel, que a pesar de que también fueron conmigo en la carrera agradezco que ahora formemos parte del mejor equipo, MAP, y que me hayan enseñado más de lo que creí, y agradezco infinitamente que hoy formen parte de mi vida. Así mismo agradezco a el equipo que hoy tengo, a Julio, Eduardo, Michel, Nancy, Roberto, Adriana, Martín, Antonio, Omar, Miguel, a todos ustedes gracias por creer. Sé que vamos a llegar lejos. Quisiera agradecer a mi familia, a mis tíos, mis primos, mi abuelita, que estuvieron ahí conmigo, y creyeron y me apoyaron en todo lo que quise, que nunca me dijeron que no podía, más bien siempre me dijeron que diera todo mi esfuerzo, que al final todo iba a valer la pena. Gracias por estar conmigo siempre. Y por último, a todos mis amigos crosslines, que más que amigos son mas como mis hermanos, a todos ustedes gracias por el apoyo y por su amistad. MAP. Y a mis profesores, Guilibaldo Tolentino y José Antonio Urbano, de corazón gracias por todo.

3 Raúl Loza Morales Le agradezco a Dios por haberme acompañado y guiado a lo largo de mí carreara, por ser mi apoyo, mi luz, mi camino y mi fortaleza. Por brindarme una vida llena de aprendizajes, experiencias y sobre todo felicidad, ya que sin el nada de esto fuera posible. Le doy gracias a mis padres Raúl y Rosario por apoyarme en todo momento, por los valores que me han inculcado, y por haberme dado la oportunidad de tener una excelente educación en el transcurso de mi vida. A Israel y Margarita por ser parte de mi vida y representar la unidad familiar, sobre todo por ser excelente ejemplo de vida a seguir, A Tania y Belén por ser parte de este proceso y llenar mi vida de alegrías y amor cuando más lo he necesitado. A mis abuelos Absalón y Armando que aunque ya no se encuentran físicamente, siempre estarán presente en mi corazón ya que su sabiduría influyo en mi madurez para lograr todos los objetivos propuestos en la vida, siempre creyeron en mi hasta el último momento Ya soy Ingeniero! Le agradezco la confianza, apoyo y dedicación de tiempo a mis profesores Guilibaldo y Urbano por compartir conmigo sus conocimientos y sobre todo su amistad, y habernos brindado la oportunidad de desarrollar nuestra tesis profesional, gracias por todo su apoyo y facilidades que nos fueron otorgadas. Gracias a todos porque siempre estuvieron para brindarme toda su ayuda, ahora me toca regresar un poquito de todo lo inmenso que me han otorgado.

4 CONTENIDO Página RESUMEN INTRODUCCION i ii CAPÍTULO I: SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS CELDAS SOLARES SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS EFECTO FOTOVOLTAICO COMPONENTES DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO TIPOS DE SISTEMAS SOLAR FOTOVOLTAICOS Sistemas Aislados Sistemas de Conexión a Red Sistemas Híbridos CURVAS CARACTERÍSTICAS CURVA DE LA CELDA SOLAR FOTOVOLTAICA CURVAS DE LOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS RADIACIÓN SOLAR EN MÉXICO 13 CAPÍTULO II: CONFORMACIÓN DE UN SISTEMA SOLAR 16 FOTOVOLTAICO PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA 2.1 SEGUIDOR DEL PUNTO DE POTENCIA MÁXIMA (SPPM) CURVAS I-V DE UN PANEL SOLAR FOTOVOLTAICO CON 18 UN SPPM 2.3 TOPOLOGÍA BÁSICA DEL INVERSOR INVERSOR CD/CA CON SINCRONÍA A LA RED MEDIDOR BIDIRECCIONAL 24

5 2.6 SOPORTES MECÁNICOS PARA PANELES FOTOVOLTAICOS PROTECCIONES ELÉCTRICAS PARA SISTEMAS 28 FOTOVOLTAICOS CAPÍTULO III: DISEÑO Y ACOPLAMIENTO DEL CIRCUITO 30 FOTOVOLTAICO A LA INSTALACIÓN ELÉCTRICA RESIDENCIAL 3.1 ARREGLO FOTOVOLTAICO RED Y NODO DE CONEXIÓN ACOPLAMIENTO A LA RED CONTRATOS DE INTERCONEXIÓN CON CFE 42 CAPÍTULO IV: RENTABILIDAD Y AMORTIZACIÓN DEL 43 PROYECTO FOTOVOLTAICO RESIDENCIAL 4.1 CALCULO DE RENTABILIDAD Y AMORTIZACIÓN PROPUESTA DEL SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO 50 CONCLUSIONES 52 BIBLIOGRAFÍA 53 ANEXOS 54 A.1 MODELO DE CONTRATO DE INTERCONEXIÓN PARA FUENTE 55 DE ENERGÍA RENOVABLE EN MEDIANA ESCALA A.2 ANEXO E-RDT 60 A.3 DATASHEET MODULO POLICRISTALINO SHARP 240 WATT 64 A.4 ESPECIFICACIONES MEDIDOR MÚLTIPLE ELECTRÓNICO 66 SENTINEL

6 RESUMEN En este trabajo se desarrolló la propuesta de reducción del costo de suministro eléctrico residencial en Tarifa Doméstica de Alto Consumo (DAC) mediante un Sistema Solar Fotovoltaico acoplado a la Red Eléctrica. Se realizó el cálculo del número de paneles fotovoltaicos necesarios y así reducir el consumo excedente, así como la selección de equipos y propuestas para un mejor resultado. Se obtuvo el ahorro en el consumo eléctrico residencial por medio del Sistema Solar Fotovoltaico acoplado a la Red Eléctrica, y se calculó la recuperación de la inversión y las ganancias de la vida útil del sistema. Con el Sistema Solar Fotovoltaico acoplado a la Red Eléctrica propuesto, se logra reducir de 1.15 a 2 toneladas de CO2 anualmente al ambiente. i

7 ii INTRODUCCCIÓN La Energía Eléctrica en México se considera estratégica para la soberanía nacional ya que la Constitución Mexicana establece que el sector eléctrico es de propiedad federal, la cual es regulada por la Comisión Federal de Electricidad (CFE). La generación de energía eléctrica nacional en gran medida es de fuentes térmicas, seguido por la hidroeléctrica, aunque la explotación de recursos solares, eólicos y biocombustible cuentan con un buen potencial, la energía geotérmica es el único recurso renovable con una contribución considerable de energía [1]. La radiación solar promedio en México es de 5.23 kwh/m² [SENER balance energético anual 2007][2], por lo que se ubica entre los cinco países con mayor potencial para explotar este tipo de energía, sin embargo su aprovechamiento es casi nulo. En México el sector eléctrico es controlado por la Comisión Federal de Electricidad, la cual, para el consumo eléctrico doméstico o residencial lo divide en 3 conceptos: básico, intermedio y excedente. Esto, solo si se tiene un consumo menor a 500 kwh de energía consumida, ya que rebasando este valor por 6 bimestres, todo el concepto se factura a Tarifa DAC, el cual por cada kwh consumido el costo de este es de $3.47. Por lo anterior se tiene que, entre más energía eléctrica se consuma, mayor será el costo, ya que no tiene aportación Gubernamental, y entre mayor es el costo mayor es la cantidad a facturar en el recibo. Mediante la utilización de energías renovable como la solar con cero emisiones de a la atmósfera, se diseñará un sistema solar fotovoltaico acoplado a la red eléctrica para una residencia que exceda un consumo de 500 kwh/bimestrales, ya que son estos consumos los que provocan el incremento en los pagos del recibo de luz. Teniendo este sistema solar fotovoltaico conectado a la red, funcionando a su mayor capacidad y acoplado a la red eléctrica en frecuencia y amplitud apropiada, se podrá realizar la estimación de su amortización, con un promedio máximo de 7 años, ya que la vida útil del equipo terminado es de 30 años promedio. Teniendo una ganancia de ahorro de energía de 23 años. Para poder hacer los cálculos y llevar a cabo la propuesta, la referencia será en el Municipio Netzahualcóyotl, específicamente la Colonia Reforma, la cual tiene una localización en el globo terráqueo de Latitud = y Longitud = Tomando esta localización se obtuvo la Tabla N 2 [3]. Actualmente se busca generar energías limpias para combatir el cambio climático, ya que es una realidad que se está desarrollando a cada momento debido al consumo energético que privilegia los combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas), en vez de recurrir a las energías renovables. El actual modelo de consumo

8 energético, basado en la quema de combustibles fósiles, es insostenible por una razón básica ya que los yacimientos de esos combustibles son explotados y ocasiona graves daños ambientales, los cuales tienen severas repercusiones en todo el planeta. Por esto se propone utilizar un Sistema Solar Fotovoltaico, ya que este generará una cierta cantidad de energía eléctrica que podrá ser utilizada en la residencia, y cuando no se esté consumiendo dicha energía eléctrica, esta será suministrada a la compañía suministradora local, en este caso Comisión Federal de Electricidad sumando a favor del usuario en un medidor Bidireccional. Por lo cual el objetivo de este trabajo es realizar la propuesta de un sistema solar fotovoltaico con un Seguidor del Punto de Potencia Máxima (SPPM) en el Inversor, acoplado a la Red Eléctrica para reducir el consumo eléctrico residencial de una casa habitación con Tarifa Doméstica de Alto Consumo (DAC) y se encuentra dividido en 4 capítulos: El Capítulo I trata sobre el funcionamiento de una celda solar cuales y como son sus curvas características, que compone un sistema solar fotovoltaico y la radiación solar en México. En el Capítulo II se encuentran explicados todos los componentes necesarios para poder hacer la interconexión del sistema solar fotovoltaico hacia la red eléctrica. En el Capítulo III están todos los cálculos para realizar el arreglo fotovoltaico, así como la selección de los componentes y equipos para poder acoplarlo a la red. El Capítulo IV explica mediante comparaciones si es rentable o no esta propuesta, y si su amortización se logra en el tiempo propuesto. Al final se muestran las conclusiones de este trabajo. iii

9 CAPÍTULO I Sistemas Solares Fotovoltaicos

10 La utilización de sistemas alternativos de generación eléctrica, como lo son los sistemas fotovoltaicos, han permitido disminuir la demanda de energía eléctrica de la red de distribución, o bien alimentar de energía a aquellos sectores en los que no existen servicios eléctricos. Actualmente es una alternativa relativamente factible para sectores de radiación solar alta, ya que es necesario contar con una gran superficie captadora para poder generar la energía requerida. México cuenta con condiciones excepcionales de radiación solar y horas de sol diarias. 1.1 Celdas Solares. Las celdas solares Fotovoltaicas (foto=luz, voltaico=electricidad) son dispositivos de estado sólido, que convierten los fotones de la energía solar en electricidad, por medio del efecto fotovoltaico interno. Las celdas solares son el motor de cualquier sistema solar fotovoltaico, ya que sin ellas no se podría contar actualmente con paneles solares o cualquier otro dispositivo que funcione a base de esta energía. Una celda fotovoltaica tiene como función primordial convertir la energía captada por el sol en electricidad; cuentan con una propiedad conocida como efecto fotoeléctrico lo cual hace que los fotones de luz sean absorbidos para luego generar una foto-corriente que da origen a un flujo de electrones. Las celdas solares más utilizadas son las formadas por la unión semiconductoras p-n y construidas con silicio monocristalino, aunque existen diversos procedimientos y tipos de materiales para la construcción de éstas. Existen una serie de aspectos que afectan a todos los materiales semiconductores como lo es [3]: Cristalinidad Indica la ordenación de los átomos en la estructura cristalina. El silicio, como otros materiales, puede aparecer en varias formas: monocristalino, policristalino o amorfo. Coeficiente de absorción Indica como la luz incidente, que tiene longitudes de ondas específicas contenidas en el espectro solar, puede penetrar el material antes de ser absorbida. Un coeficiente de absorción pequeño significa que la luz no es absorbida fácilmente por el material. El coeficiente de absorción depende de dos factores: El material que hay encima de la celda, el cual debe tener un coeficiente mínimo de absorción. Longitud de onda o energía de la luz que es absorbida. Las celdas de silicio cristalino son de un espesor de 100 μm a 500 μm ya que tiene un coeficiente de absorción de la luz incidente relativamente reducido. 2

11 Costo y complejidad de fabricación Varían dependiendo del material o materiales utilizados en la capa del semiconductor según los factores: Deposición de diversos materiales. Necesidad de trabajar en un ambiente determinado. Cantidad y tipo de material utilizado. Número de pasos implicados. Necesidad de mover las celdas. Las partes más importantes de una celda solar son las capas del semiconductor, ya que es en aquellas donde se liberan los pares electrones-huecos que produce la foto corriente eléctrica. Para hacer las estructuras de las distintas celdas solares, hoy día se utilizan diferentes materiales semiconductores como el Silicio (Si), Cobre con Indio y Selenio (CuInSe), Cadmio con Telurio (CdTe), Selenio (Se), Galio con Arsénico (GaAs), etc. y cada uno de ellos tiene diferencias, ya que cada uno de estos elementos tiene distinto número de electrones de valencia. Los tres tipos más comunes de celdas solares fabricadas con silicio son: Celda Solar de Silicio Monocristalino: Este tipo de celda presenta una estructura completamente ordenada, su estructura cristalina es uniforme lo que hace que sea un buen semiconductor. Es de difícil fabricación, ya que es preciso obtiene el silicio puro y dopado con boro semiconductor tipo P y con fósforo, semiconductor tipo N. Se conoce por su monocromía azulada obscura y metálica que normalmente es una finísima capa de óxidos para evitar pérdidas por reflexión de la luz (Figura 1.1), y tiene un rendimiento comercial que oscila entre el 15% y 18%. Fig Celda solar de silicio monocristalino. 3

12 Celda Solar de Silicio Policristalino: Este tipo de celda presenta una estructura ordenada por regiones separadas, sus enlaces irregulares de las fronteras cristalinas disminuye el rendimiento de la celda. Este tipo de celda se obtiene de igual forma que la de silicio cristalino, pero con menos fases de cristalización. Su superficie está estructurada en cristales con distintos tonos de azules y grises metálicos (Figura 1.2) y su rendimiento oscila entre el 12% y 14%. Celda Solar de Silicio Amorfo: Fig Celda solar de silicio policristalino. Este tipo de celda presenta un alto grado de desorden cristalino y contiene un gran número de defectos estructurales y de enlace. Su proceso de fabricación es más simple que en los anteriores y menos costoso. Este tipo de celda se deposita en forma de lámina delgada sobre vidrio o plástico. Tiene un color marrón homogéneo (Figura 1.3) y su rendimiento es menor del 10%. Fig Celda solar de silicio amorfa. 4

13 1.2 Sistemas Solares Fotovoltaicos. Debido a la tensión baja que produce una celda fotovoltaica individual, que normalmente genera 0.5 V, varias celdas deben ser combinadas en un módulo fotovoltaico, los cuales a su vez son conectados entre ellos para formar un sistema fotovoltaico. La electricidad generada puede ser almacenada, usada directamente, conectarla al sistema eléctrico, o hacer una combinación de ambas (Figura 1.4); usar una parte directamente, y alimentar a la red eléctrica la energía que no se utilice. Fig Funcionamiento de un Sistema Fotovoltaico Efecto fotovoltaico. El efecto fotovoltaico o fotoeléctrico interno, consiste en la conversión de luz en electricidad. Este proceso se consigue en todos los semiconductores que tiene la propiedad de absorber fotones y generar internamente pares electrones-huecos. Cuando los electrones libres son capturados por el campo eléctrico interno de una unión P-N, se produce una foto-corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad entre sus terminales. Eléctricamente existen tres tipos de materiales: Los conductores, Semiconductores y Aislantes, en las celdas fotovoltaicas se emplean los semiconductores. En los semiconductores los electrones de valencia están más ligados al núcleo pero basta una pequeña cantidad de energía para que se comporten como conductores. La energía que liga a los electrones de valencia con su núcleo es similar a la energía de los fotones (partículas que forman los rayos solares). Cuando la luz solar incide sobre el material semiconductor, se rompen los enlaces covalentes entre el núcleo y electrones de valencia, que quedan libres para circular por el semiconductor. Al lugar que deja el electrón al desplazarse se le llama hueco y tiene carga eléctrica positiva. Los electrones libres y los huecos creados por la radiación tienen a recombinarse perdiendo su actividad. Para que esto no ocurra, y aprovechar esta libertad de los electrones, se debe crear en el interior del semiconductor un campo eléctrico. 5

14 Para crear un campo eléctrico en este tipo de semiconductores se unen dos regiones de silicio tratadas químicamente llamadas unión P-N. Para conseguir un semiconductor de silicio tipo N, se sustituyen algunos átomos del silicio por átomos de fosforo, que tiene cinco electrones de valencia. Como se necesitan cuatro electrones para formar los enlaces con los átomos contiguos de la red cristalina del silicio, queda un electrón ligeramente ligado, que a temperatura ambiente se mueve libre dentro del semiconductor N por tal motivo se le denomina negativo. De forma análoga, si se sustituyen átomos de silicio por átomos de boro que tienen tres electrones de valencia, se consigue un semiconductor tipo P. Para conseguir la unión P-N se ponen en contacto una superficie de semiconductores tipo N con la de un semiconductor tipo P, la figura 1.5 muestra el corte trasversal de la estructura básica de la celda solar semiconductora en una unión P-N. El campo eléctrico interno formado cuando se construye un diodo, es el que utiliza la unión P-N, para separar pares electrones y huecos foto generados y mandar electrones al lado N y huecos al lado P, con los que se rompe el equilibrio y se produce una corriente entre sus terminales que fluye a una carga externa, desarrollando potencia eléctrica V*I. Para que se produzca una corriente eléctrica cuando incide energía sobre el material semiconductor, es necesario que los fotones provenientes del sol, tengan una energía mayor que un valor mínimo determinado, que se denomina ancho de banda prohibida del semiconductor (separación entre la parte superior de la banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción, dentro de todos los semiconductores ( ). A este valor mínimo también se le denomina gap de energía y se suele expresar en electrón-volt ( ). El valor óptimo de es en promedio de 1.5. Fig Principio de operación de una celda solar fotovoltaica. 6

15 1.2.2 Componentes de un sistema solar fotovoltaico. Un sistema solar fotovoltaico está formado por varios componentes (Figura 1.6), como son: celdas solares, inversores, baterías o acumuladores, etc. [2]. Fig Interconexión de los componentes. Generador o modulo fotovoltaico. Los generadores son los encargados de captar y convertir la radiación solar en corriente eléctrica por medio del efecto fotoeléctrico interno denominado efecto fotovoltaico. Regulador. El regulador está encargado de proteger a la batería frente a sobrecargas y descargas profundas, que dañen el ciclo bidireccional de operación cargadescarga. El regulador de tensión controla constantemente el estado de carga de las baterías y regula la intensidad de carga de las mismas para alargar su vida útil (ciclos de vida). Su programación elaborada permite un control capaz de adaptarse a las distintas situaciones de forma automática, permitiendo la modificación manual de sus parámetros de funcionamiento para instalaciones especiales. 7

16 Inversor. Un inversor solar es un tipo de inversor eléctrico que está fabricado para convertir la corriente continua de los paneles fotovoltaicos a corriente alterna, y así usarla en una casa habitación. Los inversores solares se clasifican en tres tipos: Inversores simples: Usados en sistemas fotovoltaicos aislados en donde los inversores toman la corriente directa de baterías cargadas por los paneles solares y/o de otras fuentes, como turbinas eólicas, generadores de energía, etc. Inversores de red: Están diseñados para apagarse automáticamente cuando el suministro de la red disminuye, esto por razones de seguridad (protección de anti isla). Inversores con batería de apoyo: Estos son inversores especiales que están diseñador para tomar la energía de las baterías, administrar la carga de las baterías y exportar el exceso de energía hacia la red eléctrica. Batería o acumulador. Los sistemas de energía solar utilizan baterías de ácido de ciclo profundo la cual almacena energía eléctrica mediante una reacción electroquímica, producida por el generador fotovoltaico para poder utilizarlo en periodos en los que la demanda exceda la capacidad de producción del generador o por la noche. Como cualquier otro sistema de energías renovales, el tipo de baterías que utiliza es distinto a las baterías convencionales que utilizan los automóviles, ya que están diseñadas a ser más tolerantes con distintos tipos de cargas de salida y con la descarga que se espera cuando llega a estar nublado o para su utilización nocturna. Este tipo de baterías solares duran más, aunque también son más costosas. Se debe tener cuidado al adquirir una batería adecuada al tamaño de nuestro sistema fotovoltaico. Si son demasiado pequeñas, se descargarán continuamente, por lo que se tendrá que reemplazar en un menor tiempo. Cuando el tamaño de la batería es el correcto y se mantienen bien, pueden durar hasta 15 años. Elementos de protección. Dentro de estos se encuentran los interruptores de desconexión, diodos de bloqueo, etc., conectados para proteger la descarga y derivación de elementos en caso de falla o situaciones de sobrecarga, también protección contra descargas atmosféricas. Contador de energía o medidor. Este dispositivo mide la energía producida por el sistema fotovoltaico durante su periodo de funcionamiento. 8

17 1.2.3 Tipos de Sistemas Solar Fotovoltaicos. Un sistema solar fotovoltaico es el conjunto de componentes mecánicos, eléctricos y electrónicos que concurren para captar la energía solar disponible y transformarla en utilizable como energía eléctrica. Estos sistemas dependientemente de su utilización y de tamaño de potencia, se pueden clasificar en 3 tipos como se muestra en la Figura 1.7. Fig Clasificación de los Sistemas Fotovoltaicos Sistemas Aislados. Tiene como objetivo satisfacer total o parcialmente la demanda de energía eléctrica de aquellos lugares donde no existe la red eléctrica de distribución o esta es de difícil acceso. Los sistemas aislados normalmente están equipados con sistemas de acumulación de energía (Figura 1.8), ya que solo pueden proporcionar energía durante el día y la demanda se produce a lo largo del día y la noche. Esto implica que el campo fotovoltaico ha de estar dimensionado de forma que permita, durante las horas de insolación, alimentación de la carga y la recarga de las baterías de acumulación. Los principales componentes de este sistema son: Módulos fotovoltaicos. Regulador de carga. Sistema de acumulación. Inversor. Elementos de protección. 9

18 Fig Diagrama de un Sistema Fotovoltaico Aislado Sistemas de conexión a red. Los sistemas conectados a la red no tienen sistemas de acumulación, ya que la energía producida durante las horas de insolación es canalizada a la red eléctrica (Figura 1.9). Estas instalaciones cuentan con sistemas de seguimiento del estado de la tensión de la red de distribución, de manera que se garantice el correcto funcionamiento de las mismas. Por otra parte, se eliminan las baterías que son la parte más cara y compleja de una instalación ya que requiere un cuarto acondicionado, regulador de caga para sobre carga y descarga profunda, ventilación, ya que se puede generar hidrógeno, y el mantenimiento de revisar periódicamente el nivel del electrolito. Los principales componentes de este sistema son: -Módulos fotovoltaicos. -Inversor para la conexión a la red. -Elementos de protección. -Contador de energía. Fig Diagrama de un Sistema Fotovoltaico acoplado a la Red Eléctrica. 10

19 Sistemas híbridos. En algunos casos el sistema fotovoltaico aislado se puede complementar con otros sistemas energéticos renovables, a fin de tener mayores garantías de disponer de electricidad. Cuando un sistema fotovoltaico a demás del generador incorpora otro generador de energía se denomina sistema híbrido, y en general se utiliza la energía eólica (Figura 1.10). Estas combinaciones se dan para aprovechar algún recurso energético localizado cerca de la instalación o para tener mayor fiabilidad en el suministro de energía. Normalmente la generación fotovoltaica es compatible con cualquier otra generación eléctrica. Fig Diagrama de un Sistema Fotovoltaico Híbrido. 1.3 Curvas características La representación típica de la característica de salida de un dispositivo fotovoltaico se denomina curva corriente-tensión (Figura 1.11) [4]. La corriente y la tensión a las que opera un dispositivo fotovoltaico están determinadas por la radiación solar incidente, la temperatura ambiente y características de la carga conectada al mismo. 11

20 1.3.1 Curva I V de la celda solar fotovoltaica. La curva corriente-tensión que define el comportamiento de una celda fotovoltaica se representa de la siguiente forma: Fig Curva I-V de una celda fotovoltaica. Hay que tener en cuenta que la tensión disminuye con la temperatura ( coeficiente térmico negativo), y cambia en forma exponencial con la radiación solar y la corriente que la celda suministra a una carga exterior, aumentando ligeramente con la temperatura (coeficiente térmico positivo). A medida que la celda aumenta, disminuye el rendimiento ya que el producto entre Vn e Im es decreciente, ganando así la tensión Curvas de los módulos fotovoltaicos. La curva intensidad de corriente-tensión de un modulo fotovoltaico (Figura 1.12), se obtiene a partir de las curvas de las celdas que lo componen. Como todas las celdas de un módulo tienen características iguales, para hallar la intensidad de corriente del módulo se calcula de la siguiente forma [5]: Intensidad: Tensión: 12

21 Potencia: Fig Curva I-V de un modulo fotovoltaico. La curva resultante de un módulo fotovoltaico tiene la misma forma que la de una celda solar, y por lo tanto sufrirá los mismos efectos con las variaciones de radiación y temperatura. 1.4 Radiación solar en México Como fuente renovable de energía natural, la irradiación solar ofrece un gran potencial para una amplia gama de aplicaciones, especialmente la energía fotovoltaica, dado que la luz solar es abundante y accesible. La irradiación solar se distribuye de forma desigual desde el punto de vista geográfico en todo el mundo debido a variables como la altitud solar, asociada a la latitud y la estación del año, y las condiciones atmosféricas, determinadas por la cobertura de nubes y el grado de contaminación. La principal herramienta para consultar los niveles de irradiación es un mapa de irradiación, en la Figura 1.13 se muestra la irradiación solar en México en la temporada de verano. Se conoce por radiación solar al conjunto de radiaciones electromagnéticas emitidas por el Sol. La radiación solar se distribuye desde la radiación infrarroja hasta la radiación ultravioleta. No toda la radiación alcanza la superficie de la Tierra, pues las ondas ultravioletas más cortas, son absorbidas por los gases de la atmósfera como el ozono. La magnitud que mide la radiación solar que llega a la Tierra es la irradiancia su unidad es el W/m². En función de cómo reciben la radiación solar los objetos situados en la superficie terrestre, se pueden distinguir cuatro tipos de radiación. 13

22 Fig Mapa de irradiación solar global para la Republica Mexicana. 14

23 Radiación directa Llega directamente del Sol a la atmosfera sin sufrir ningún cambio en su dirección. Este tipo de radiación se caracteriza por proyectar una sombra definida de los objetos opacos que la interceptan (15% absorbida y 6% reflejada). Radiación difusa Parte de la radiación que atraviesa la atmósfera es reflejada por las nubes o absorbida por éstas. Esta radiación, que se denomina difusa, va en todas direcciones, como consecuencia de las reflexiones y absorciones, no sólo de las nubes sino de las partículas de polvo atmosférico, montañas, árboles, edificios, etc. Este tipo de radiación se caracteriza por no producir sombra alguna respecto a los objetos opacos interpuestos. Las superficies horizontales son las que más radiación difusa reciben (3% absorbida y 21% reflejada). Radiación reflejada Es reflejada por la superficie terrestre. La cantidad de radiación depende del coeficiente de reflexión de la superficie, también llamado albedo. Las superficies horizontales no reciben ninguna radiación reflejada, porque no ven ninguna superficie terrestre y las superficies verticales son las que más radiación reflejada reciben. (50% absorbida y 5% reflejada) Radiación global Es la suma de las tres radiaciones. En un día despejado, con cielo limpio, la radiación directa es preponderante sobre la radiación difusa. Por el contrario, en un día nublado no existe radiación directa y la totalidad de la radiación que incide es difusa. 15

24 CAPÍTULO II Conformación de un Sistema Solar Fotovoltaico para el Suministro de Energía Eléctrica.

25 Los paneles solares fotovoltaicos trasforman la luz solar en electricidad de la forma más limpia, inagotable y económica de energía, evitando de esta forma agotar fuentes no renovables y finitas como el petróleo y demás combustibles fósiles, pagando por una similar energía costos iniciales altos, pero no de producción o mantenimiento. Para obtener estos beneficios se requieren de instalaciones específicas con componentes electrónicos indicados para un mayor aprovechamiento. 2.1 Seguidor del Punto de Potencia Máxima (SPPM) El seguidor del punto de potencia máxima, conocido normalmente como SPPM es un sistema electrónico que se conecta a los módulos fotovoltaicos de tal manera que permite extraer la máxima potencia de éstos para diferentes condiciones de irradiancia. El SPPM es un sistema totalmente electrónico (convertidor CD/CD) que varía el punto eléctrico de operación de los paneles y permite que el panel entregue la máxima potencia extraíble. En todo sistema basado en paneles solares es muy importante extraer la máxima potencia de los mismos, ya que de este modo se logra un funcionamiento más eficiente del mismo. En este aspecto, existen muchos algoritmos destinados a obtener la máxima potencia del inversor y, por regla general, estos algoritmos se centran en la medición de los parámetros de entrada del puente inversor, como son la tensión de entrada y la corriente entregada por los paneles solares. Para el SPPM (cuyas siglas en Inglés son MPPT Maximun Power Point Tracking) solo requiere la medición de los parámetros conocidos de antemano, que son la tensión de la red y la corriente a la salida del puente inversor. El bloque del SPPM se encarga de generar la corriente de referencia a partir de la tensión de red y del disparo de uno de los transistores. Esta referencia se caracteriza por buscar el funcionamiento del sistema en el punto de máxima potencia del panel fotovoltaico. El diagrama de bloques del inversor se puede ver en la Figura 2.1. Para llevar a cabo el seguimiento del punto de máxima potencia, es necesario conocer el funcionamiento del panel solar fotovoltaico. En este aspecto, una forma común de representar el funcionamiento del panel es a través de las curvas características de tensión y potencia, frente a la corriente generada. Como se puede observar en la Figura 2.2, cuando el panel esta en circuito abierto, la corriente entregada por el mismo es nula, aumentando lentamente a medida que la corriente generada aumenta. Este incremento corresponde con un aumento de potencia entregada por el panel, hasta que se llega a un punto en el que la potencia es máxima, que es el denominado Punto de Máxima Potencia (PMP). A partir de este punto, tanto la tensión del panel como la potencia del inversor decrecen bruscamente con la corriente, llegando a un punto en el que el panel no puede dar más energía. 17

26 Fig Diagrama de bloques del inversor en lazo cerrado con control SPPM (MPPT). El control del SPPM utiliza las siguientes señales: - Referencia de corriente: es la señal de salida de este bloque. Se calcula multiplicando la tensión de red por la amplitud de la corriente de referencia, que es la verdadera variable de control calculada por el lazo. - Tensión de red: es una entrada a este bloque. Sirve para generar la referencia de corriente en fase con la red y sincronizada con ella. - Pulsos de disparo de uno de los transistores: es una señal de entrada. A partir de esta señal se evalúa el ciclo de trabajo medio y si este aumenta o disminuye, lo que determina si la amplitud de la referencia de corriente aumenta o disminuye. El condensador de entrada del panel fotovoltaico juega un papel muy importante en este aspecto, ya que el ancho de los pulsos de los transistores depende de la energía entregada por este condensador en cada instante. A medida que el inversor demanda más corriente al panel, la tensión en el condensador de entrada cae y los transistores se activan durante más tiempo (mayor ciclo de trabajo) para seguir atendiendo a las demandas de energía. 2.2 Curvas I-V de un Panel Solar Fotovoltaico. El fundamento de la energía solar se basa en la conversión directa de la radiación solar en energía eléctrica en forma de corriente continua, conversión que tiene lugar en las celdas fotovoltaicas. En la Figura 2.2 se presentan las diferentes curvas características de tensión eléctrica intensidad de corriente según sea la intensidad de la radiación luminosa incidente sobre él. Se puede observar que para cada curva o para un nivel de radiación solar incidente determinado, la potencia suministrada por el panel depende del punto en el que trabaje o, de la carga a él conectada. 18

27 Fig Curva tensión-corriente de un panel solar. Para cada curva existe un punto de funcionamiento en el cual se obtiene del panel la máxima potencia que es capaz de suministrar en las condiciones de radiación y temperatura existentes. Este punto recibe el nombre de punto de máxima potencia (Figura 2.3), para un valor de radiación incidente constante, la característica típica de la potencia extraída del panel, según sea su punto de funcionamiento. Fig Característica potencia-intensidad de un panel solar para temperatura y radiación incidente constante. 19

28 La conexión más inmediata para aprovechar la energía eléctrica obtenida de un panel solar es acoplar la salida del panel directo a una batería y salida en corriente continua. La inclusión de la batería es necesaria si se quiere cubrir la demanda de energía durante las horas de escasa o nula radiación solar. Para obtener la máxima energía posible del panel es necesario disponer de una impedancia variable que fuerce en todo instante el panel solar a trabajar en el punto de máxima potencia de la curva característica correspondiente. La carga real conectada a la central fotovoltaica tiene un valor propio que puede variar a intervalos según las necesidades concretas de consumo, pero que, durante cada intervalo, presenta un valor constante. Por consiguiente, solo queda la alternativa de diseñar un dispositivo que simule a partir de ella y mediante un procedimiento adecuado, una impedancia que vista desde el panel sea variable. Este caso puede resolverse de dos formas como se muestra en la Figura 2.4. El fundamento es el mismo para las dos variantes, consiste en un interruptor electrónico (transistor, tiristor) que se acciona varios cientos o miles de veces por segundo. La impedancia efectiva vista desde el panel, puede entonces variarse de forma continua en función de la relación de los tiempos de conexión/desconexión del interruptor (Figura 2.5). Fig Esquema de principio para la formación de una impedancia variable. Fig Ciclo de conexión/desconexión del interruptor electrónico. 20

29 2.3 Topología básica del inversor. Los inversores de corriente permiten transformar la corriente directa a 12 y 24 V que por lo general da como salida los paneles solares, en corriente alterna a 120 V, de esta manera utilizar aparatos electrodomésticos, donde la eficiencia de los inversores es la mayor parte de un 90% cuando éstos operan arriba del 10% de su potencia nominal. En la Figura 2.6 se muestra un diagrama eléctrico de un inversor. En relación con los aspectos de seguridad y de calidad de la energía producida, las compañías suministradoras del servicio eléctrico requieren de los fabricantes y usuarios de estos equipos el cumplimiento de normas y disposiciones aplicables que garanticen que la instalación y operación del inversor, y del sistema fotovoltaico en su conjunto, sea segura y no afecte adversamente la calidad de la energía. Tradicionalmente, es un sólo inversor (de la capacidad adecuada) que maneja la potencia nominal de todo un arreglo fotovoltaico. Sin embargo, cada vez es más común el uso de varios inversores conectados en paralelo y cada uno maneja una parte proporcional de la potencia del arreglo. Incluso, en algunos casos, el inversor viene directamente montado en el respaldo del módulo de manera individual (módulos C.A.). La corriente alterna se presenta bajo la forma de onda Senoidal y una de las principales características que definen a un inversor de corriente es el tipo de onda que son capaces de generar, de esta manera podemos clasificar en tres tipos a los inversores de corriente: Inversores de onda Cuadrada Este tipo de inversores son los más económicos del mercado, sirven para conectar pequeños aparatos electrónicos. Este tipo de inversores generan alta distorsión armónica y pueden llegar a quemar dispositivos electrónicos delicados o incluso motores. Inversores de onda Cuasi-Senoidal Este tipo de inversores son los más instalados en el mercado nacional, operan prácticamente con cualquier aparato electrónico, sí su potencia es suficiente arrancan motores, generan baja distorsión armónica. Sus precios son competitivo y podemos encontrar un par de marcas de prestigio. Inversores de onda Senoidal Pura Por su calidad de onda, muy baja distorsión armónica, robustez y confiabilidad, este tipo de inversores se ocupa principalmente en instalaciones especializadas como son, telecomunicaciones, protección catódica, militares, ferroviarias, gas y petróleo. Su precio es elevado para otro tipo de aplicaciones. 21

30 Fig Diagrama eléctrico de inversor de corriente 22

31 2.4 Inversor CD/CA con sincronía a la red. Su principio de funcionamiento se basa en el empleo de transistores que actúan a modo de interruptores permitiendo interrumpir las corrientes e invertir su polaridad. El inversor CD/CA tiene la misión de transformar la corriente directa del grupo fotovoltaico en corriente alterna perfectamente sincronizada con la red eléctrica convencional en frecuencia y fase. Este hecho hace que la primera condición para su diseño sea el seguimiento absoluto de los parámetros que varían constantemente en una red de distribución, así como su acoplamiento en la salida al tipo de red existente, ya sea trifásica, monofásica o bien de alta o baja tensión. En general, para las etapas de potencia de los grandes inversores puede utilizarse la tecnología IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), quedando para los más pequeños (5 ó 6 kw) los transistores de última generación que pueden manejar elevadas corrientes. El diseño del "corazón" del inversor (circuitos de control) queda encomendado al uso exclusivo de microprocesadores, los cuales proporcionan un abanico de posibilidades infinito. Función Principal: Convertir la corriente directa generada en los módulos solares en corriente alterna Adaptación del punto de operación del inversor al PPM (Punto Potencia Máxima) del generador. Centro de información del cliente a través del desplegado numérico (display) y almacenamiento de datos del sistema. Brinda condiciones seguras en CD y CA (protección contra polaridad inversa, sobre voltaje y sobrecarga) El inversor tiene dos posibles funcionalidades: Utilizar cargas de CA en instalaciones aisladas de la red. Conectar los sistemas fotovoltaicos a la red de distribución eléctrica. Tecnología de inversores como: Tecnología 60Hz. Ventajas: Menor número de componentes. Desventajas: Transformador pesado, fletes costosos, baja eficiencia con decrementos en alta salida de potencia y alto voltaje, la Figura 2.7 muestra este tipo de inversor. 23

32 Tecnología de Alta Frecuencia (HF). Ventajas: Mayor eficiencia probada por mejor potencia. Transformador de peso más ligero. Ahorro en costos que permite ahorros que serán invertidos en componentes de calidad alta. Topología probada. Ruido de transformador prácticamente imperceptible. La Figura 2.8 muestra las dos etapas del inversor de alta frecuencia. Desventajas: Mayor número de componentes, mayor factibilidad de falla. Fig Diagrama de inversor 60Hz. 2.5 Medidor Bidireccional. Fig Diagrama de inversor HF Los medidores son instrumentos que miden e indican magnitudes eléctricas, como corriente, carga, energía, etc. La información se da normalmente en una unidad eléctrica: Volt, Ampere, Henrio, Farad y Watt. Dado que todas las formas de la materia presentan una o más características eléctricas es posible tomar mediciones eléctricas de un número ilimitado de fuentes. Por su propia naturaleza, los valores eléctricos no pueden medirse por observación directa. Por ello se utiliza alguna propiedad de la electricidad para producir una fuerza física susceptible de ser detectada y medida. 24

33 Para poder hacer la interconexión con CFE se debe medir tanto la energía que se adquiere de CFE como la energía que se entrega a la red de CFE. Por esto se usa un medidor bidireccional que lleve el control de ambas lecturas. Cuando el sistema solar produce más de lo que estas consumiendo de la Red de CFE, este número de kwh que se sobre produce queda registrado en el medidor bidireccional, por ello la CFE te da un plazo de hasta 12 meses para usar estos kwh. Es decir se tendrá un crédito a favor en energía que se puede usar en meses posteriores de cuando fue generada, la Figura 2.9. muestra un medidor digital bidireccional. Fig Medidor Bidireccional Itrón Sentinel (Anexo 4). 2.6 Soportes mecánicos para paneles fotovoltaicos. La soporte mecánicos aseguran el anclaje del generador solar y proporciona la orientación y el ángulo de inclinación idóneo para el mejor aprovechamiento de la radiación, siendo los encargados de hacer a los módulos y paneles fotovoltaicos resistentes a la acción ejercida por los elementos atmosféricos, el cual se ilustra en la Figura Fig Anclaje y montaje de una estructura. 25

34 Algo que se debe tener en cuenta es que el movimiento de la Tierra alrededor del Sol produce cambios diarios y estacionales en la cantidad de luz solar recibida, lo que significa cambios importantes de cantidad de radiación social en cada estación del año. Podemos ver en la Figura 2.11 como es el recorrido del sol en las diferentes estaciones del año. Fig Recorrido del Sol en las diferentes estaciones. Existen cuatro formas típicas de colocar las estructuras para los paneles fotovoltaicos. La Figura 2.12 muestra estas posiciones donde se pueden colocar los paneles solares fotovoltaicos, todos viendo hacia el sur geográfico para una ubicación en el hemisferio norte. Fig Formas más comunes de colocar los paneles fotovoltaicos. 1. Suelo.- Es la forma clásica. En esta disposición la acción del viento es menor, pues a mayor altura, mayor es la fuerza del viento. Gran facilidad para su instalación, tanto de la propia estructura soporte como de los paneles fotovoltaicos. Como inconvenientes su excesiva accesibilidad y la mayor probabilidad de que puedan producirse sombras parciales. 26

35 2. Poste.- Usado principalmente en instalaciones donde ya se disponga de un mástil. Las instalaciones recomendadas no deben ser muy grandes, contando con poco más de un metro cuadrado de superficie de módulos, ya que si ésta es mayor, nos obligaría a sobredimensionar e incluso arriostrar el mástil, siendo posible entonces que otro sistema pudiera ser más económico y de más fácil montaje. Es muy utilizado en las instalaciones de repetidores, donde ya se dispone de una antena que puede hacer las veces de mástil. 3. Pared.- Consiste en acoplar la estructura a una de las paredes del recinto. Seguridad debido a la altura, estructura liviana. Puede este sistema adaptarse mediante tacos de expansión o bien realizando una pequeña obra donde se inserte la estructura. La acción del viento queda drásticamente disminuida. El inconveniente es que una de las fachadas dé al Sur. 4. Tejado.- La instalación en la cubierta de un edificio es uno de los métodos más usados a la hora de realizar el montaje de un equipo solar, ya que normalmente siempre podremos disponer del lugar adecuado para garantizar la perfecta orientación, además de suficiente espacio. Cuando existe un gran número de módulos fotovoltaicos a instalar y no se dispone de mucho espacio, es necesario juntar las filas de paneles, esto puede traer como consecuencia que se produzcan sombras de una a otra fila. La distancia mínima entre fila y fila está marcada por la latitud del lugar de la instalación, dado que el ángulo de incidencia solar varía también con este parámetro, la Figura 2.13 muestra la grafica de interacción de sombras entre paneles solares muy próximos. Fig Parámetros que se deben de tomar en cuenta para el cálculo de sombras. 27

36 La ecuaciones 2.1 y 2.2, permiten determinar la sombra de los paneles contiguos para diferentes época del año, de preferencia la invernal, que es cuando el sol está más inclinado, el 22 de diciembre (solsticio de invierno). Donde: Ec. (2.1) Ec. (2.2) 2.7 Protecciones eléctricas para sistemas fotovoltaicos. En las protecciones, debemos tener en consideración las elevadas tensiones de trabajo en este tipo de instalaciones, que en algunos casos pueden llegar hasta 500 V en corriente continua. También es recomendable, si el número de módulos es elevado, distribuir por grupos la acometida de líneas, y facilitar la desconexión eléctrica de alguno de los grupos para su revisión futura, no descartando además la posibilidad de disponer de armarios separados para el polo positivo y el negativo, evitando el contacto humano accidental con tensiones elevadas. Interruptores en caja para sistemas fotovoltaicos. La interrupción de corrientes presenta mayores problemas con redes en corriente continua que en corriente alterna. En la corriente alterna existe un paso natural de la corriente por el cero en cada semiperíodo, al cual corresponde un apagado espontáneo del arco que se forma cuando se abre el circuito. En la corriente continua esto no sucede y, para extinguir el arco, es preciso que la corriente disminuya hasta anularse. Es necesario que la interrupción se realice gradualmente, sin bruscas anulaciones de la corriente que darían lugar a elevadas sobretensiones. Los fenómenos de naturaleza energética que se desarrollan en el circuito dependen de la tensión de servicio de la instalación y obligan a instalar los interruptores según esquemas de conexión en los cuales los polos del interruptor se conectan en serie. Esto significa también que si aumenta la tensión de servicio de la instalación, también hay que aumentar el número de las interrupciones de corriente y, por consiguiente, el número de polos conectados en serie. La Figura 2.14 muestra un interruptor manual para Corriente Directa C.D. (normalmente contienen imanes internos para desviar el arqueo en el proceso de interrupción de la corriente y dar una mayor vida a las pastillas en su operación). 28

37 Fusibles. Los fusibles son elementos de protección que consta de un alambre o cinta de aleación de plomo y estaño con bajo punto de fusión, que se funde cuando excede el límite para el cual fueron diseñados, interrumpiendo así el circuito. Se fabrican para operación en dos tipos: Fusibles de tapón: Usados comúnmente en casa habitación tiene capacidades de 10, 15, 20 y 30 amper. Tipo cartucho: Que a su vez puede ser tipo casquillo y navaja. Estos fusibles son renovables ya que si se funde el elemento fusible puede ser remplazado. De acuerdo con sus características eléctricas los elementos fusibles pueden ser: de tipo normal y de acción retardada. El tipo normal esta formado por una cinta o alambre, mientras que el de acción retardada tiene diversas formas para retardar el tiempo de fusión. Fig Interruptor-Seleccionador OT, ABB 29