Fotovoltáica (PV) Silicio Cristalino (c-si) Imagen: Solventus. Descripción General

Transcripción

1 Fotovoltáica (PV) Silicio Cristalino (c-si) Descripción General Imagen: Solventus Los sistemas fotovoltaicos (PV por sus siglas en inglés) convierten de manera directa la energía solar en electricidad. El bloque de construcción básico de un sistema PV es la celda PV, compuesta por un semiconductor capaz de convertir la energía solar en electricidad de corriente continua (CC). Las celdas PV se interconectan para formar módulos PV, alcanzando entre 50 y 200 Watts (W). Estos módulos PV, al ser combinados con componentes adicionales del sistema como inversores, baterías, componentes eléctricos y sistemas de montaje, componen los sistemas PV.

2 Los módulos del tipo Crystalline silicon (c-si) representan entre un 85% y 90% del mercado mundial y se subdividen en dos grandes categorías: mono cristalinos y policristalinos. Hoy, la gran mayoría de módulos PV (85% a 90% del mercado global anual) se basan en este tipo de tecnología. Se espera que este tipo de módulos se mantengan como la tecnología PV dominante, al menos hasta el Esto se debe a su tecnología probada y confiable, larga vida útil y abundancia de recursos primarios. En Chile está presente en aplicaciones de pequeña escala y sistemas eléctricos aislados, destacando proyectos de telecomunicaciones, desarrollo social y electrificación rural y responsabilidad social en el norte grande. Parámetros Comparativos dentro de la Familia Potencia: 50 kw 100 MW Factor de Planta: 11-30% Eficiencia de Conversión: Costos de inversión: 14-20% USD/kWp Costos de operación y Mantenimiento: USD/kW/año Costo medio de la energía: 23,3 36,3 centavos USD/kWh Valores corresponden a referencias internacionales, cada proyecto debe ser evaluado según las condiciones locales. Centro de Energías Renovables 2011

3 Fotovoltáica (PV) Thin Film Imagen: NREL Descripción General Los sistemas fotovoltaicos (PV por sus siglas en inglés) convierten de manera directa la energía solar en electricidad. El bloque de construcción básico de un sistema PV es la celda PV, la cual está compuesta por un semiconductor capaz de convertir la energía solar en electricidad de corriente continua (CC). Las celdas PV se interconectan para formar módulos PV, alcanzando entre 50 y 200 Watts (W). Thin Films corresponden a entre un 10% y 15% de las ventas de módulos PV en el mundo y se subdividen en tres familias: Silicio amorfo y micromorfo, Cadmium Telluride y Copper-Indium-Diselenide.

4 Los Thin Films se construyen depositando capas muy delgadas de materiales fotovoltaicos sobre un soporte de bajo costo, tal como vidrio, acero inoxidable o plástico, lo que resulta en menores costos de producción en comparación con la tecnología de cristalinos. Sin embargo, estos menores costos de producción se compensan con las tasas de eficiencia más bajas, obtenidas con esta tecnología. Comercialmente, los materiales utilizados en la fabricación de estos paneles son: el Silicio amorfo, Cadmium Telluride, Copper Indium/Gallium Diselenide/Disulphide y Multi junction cells. Los Thin Films más utilizados en la actualidad son los producidos con Silicio amorfo. Parámetros Comparativos dentro de la Familia Potencia: 50 kw 100 MW Factor de Planta: 11-30% Eficiencia de Conversión: Costos de inversión: 6-12% USD/kWp Costos de operación y Mantenimiento: USD/kW/año Costo medio de la energía: 23,3 36,3 centavos USD/kWh Valores corresponden a referencias internacionales, cada proyecto debe ser evaluado según las condiciones locales. Centro de Energías Renovables 2011

5 Fotovoltáica (PV) Concentrador PV Imagen: NREL Descripción General La radiación solar directa puede ser concentrada por medios ópticos y utilizada en tecnologías de celdas solares de concentración. Se ha realizado una cantidad considerable de investigaciones en este enfoque de alta eficiencia, debido a sus atractivas características como la pequeña área de celda solar requerida. Sistemas de concentración pequeños y medianos (hasta 100 soles) trabajan con celdas solares de silicio de alta eficiencia. La eficiencia de este sistema se aproxima al 40% y no se ve afectado por el aumento de la temperatura.

6 La tecnología CPV se está desarrollando desde instalaciones tipo piloto a aplicaciones a escala comercial. Futuros esfuerzos en I&D se requieren en sistemas ópticos, ensamblaje de módulos, sistemas de rastreo, dispositivos de alta eficiencia, manufactura e instalación. Está en etapa de investigación y desarrollo desde los años 70s, a pesar de que desde hace algún tiempo, es posible encontrarla en etapa comercial, y existen instalaciones de pequeña escala en países como EEUU, México, España, Italia, Grecia y Australia. Dada las buenas condiciones solares del norte de Chile, instalaciones de este tipo podrían generar electricidad para abastecer la demanda de los sistemas eléctricos de distribución. Parámetros Comparativos dentro de la Familia Potencia: 100 kw - 50 MW Factor de Planta: 11-30% Eficiencia de Conversión: Costos de inversión: 20-40% USD/kWp Costos de operación y Mantenimiento: 9 USD/kW/año Costo medio de la energía: 26,6 centavos USD/kWh Valores corresponden a referencias internacionales, cada proyecto debe ser evaluado según las condiciones locales. Centro de Energías Renovables 2011

7 Concentración Solar de Potencia (CSP) Cilindro Parabólico Imagen: NREL Descripción General Estos sistemas consisten en filas paralelas de espejos (reflectores) curvos en una dimensión para focalizar los rayos solares. Los arreglos de espejos pueden ser de más de 100 metros de largo con una superficie curva de entre 5 a 6 metros. Tuberías de acero inoxidable con un recubrimiento selectivo operan como el colector de calor. El recubrimiento es diseñado para permitir que las tuberías absorban altos niveles de radiación solar y emitan muy poca radiación infrarroja. Las tuberías son aisladas en un contenedor de vidrio al vacío. Los reflectores y los tubos de absorción siguen al sol en conjunto.

8 Los cilindros parabólicos son la tecnología CSP más madura y conforman la gran parte de las plantas actuales a nivel comercial. Sin embargo, la mayoría de las plantas existentes cuentan con un pequeño o no cuentan con almacenamiento térmico y dependen de combustible como sistema de respaldo de potencia firme. Por ejemplo, todas las plantas CSP de España cuentan con entre un 12% y 15% de su generación de electricidad proveniente del uso de gas natural. Algunas plantas nuevas cuentan con una significativa capacidad de almacenamiento térmico. En Chile no se cuenta con este tipo de instalaciones. Parámetros Comparativos dentro de la Familia Potencia: MW Factor de Planta: 26-40% Eficiencia de Conversión: Costos de inversión: 15% USD/kWp Costos de operación y Mantenimiento: USD/kW/año Costo medio de la energía: 18,5 centavos USD/kWh Valores corresponden a referencias internacionales, cada proyecto debe ser evaluado según las condiciones locales. Centro de Energías Renovables 2011

9 Concentración Solar de Potencia (CSP) Lineal Fresnel Descripción General Imagen: Andrew Tanner Este tipo de sistemas se aproximan a la forma parabólica de los sistemas de cilindro, pero utilizando largas filas paralelas de espejos planos o levemente curvos, de manera de reflejar los rayos solares en un receptor linear fijo. Este reflector a su vez dirige los rayos incidentes hasta un absorbedor donde circula un fluido de trabajo, generando directamente vapor saturado. Un diseño reciente utiliza dos receptores paralelos por cada fila de espejos lo que lo hace requerir menos superficie. Los costos de inversión por superficie de espejo son menores que las otras tecnologías, pero su eficiencia no es alta.

10 La principal ventaja de estos sistemas es que su simple diseño de espejos planos orientables y receptores fijos que requiere menores costos de inversión y facilita la generación directa de vapor, eliminando de esta forma la necesidad y costos de fluidos de transferencia e intercambiadores de calor. Las plantas de este tipo son, sin embargo, menos eficientes que los cilindros parabólicos en convertir la energía solar en eléctrica, además de resultar más complejo el incorporar capacidad de almacenamiento en su diseño. Los países líderes en la aplicación de esta tecnología son EEUU, Alemania y Australia. Parámetros Comparativos dentro de la Familia Potencia: MW Factor de Planta: 50% Eficiencia de Conversión: Costos de inversión: 30% USD/kWp Costos de operación y Mantenimiento: USD/kW/año Costo medio de la energía: centavos USD/kWh Valores corresponden a referencias internacionales, cada proyecto debe ser evaluado según las condiciones locales. Centro de Energías Renovables 2011

11 Concentración Solar de Potencia (CSP) Torre de Concentración Imagen: NREL Descripción General Las torres solares, o sistemas de recepción central (CRS), utilizan cientos de reflectores pequeños para concentrar los rayos solares en un receptor central ubicado en lo alto de una torre fija. Algunas plantas de torre comerciales en operación, utilizan generación directa de vapor en sus receptores, mientras que otras utilizan sales fundidas, como el fluido de transferencia de calor y el medio de almacenamiento. El sistema se compone de los espejos, la torre de concentración, el sistema de conversión de energía térmica en eléctrica, el de enfriamiento y el fluido de trabajo.

12 El poder de concentración del concepto de torre alcanza temperaturas sumamente altas, aumentando la eficiencia a la cual el calor es convertido en electricidad y reduciendo los costos de almacenamiento térmico. Además, el diseño es altamente flexible, permitiendo a diseñadores escoger de una gran variedad de helióstatos, receptores, fluidos de transferencia y bloques de poder. Algunas plantas cuentan con varias torres que alimentan un bloque de potencia. Se encuentra en operación en algunos lugares del mundo, aunque se puede clasificar como una tecnología de bajo nivel de madurez. Por esta razón, las eficiencias alcanzadas aún no son las esperadas, impactando los costos de generación. Parámetros Comparativos dentro de la Familia Potencia: MW Factor de Planta: 35-38% Eficiencia de Conversión: Costos de inversión: 20 35% USD/kWp Costos de operación y Mantenimiento: 66 USD/kW/año Costo medio de la energía: 17,4 centavos USD/kWh Valores corresponden a referencias internacionales, cada proyecto debe ser evaluado según las condiciones locales. Centro de Energías Renovables 2011

13 Concentración Solar de Potencia (CSP) Disco Parabólico Descripción General Imagen: Maricopa Los discos parabólicos concentran los rayos solares a un punto focal ubicado sobre el centro del disco. El aparato sigue al sol, con el disco y el receptor moviéndose en conjunto, ofreciendo la mayor eficiencia en sistemas de baja capacidad de generación (decenas de kw). El calor es absorbido por un motor termodinámico, mediante un ciclo Stirling, de alta eficiencia de alta eficiencia con Hidrógeno o Helio y que cuenta con un sistema de enfriamiento, que usa un fluido que trabaja en ciclo cerrado. Este diseño elimina la necesidad de un fluido de transferencia y de agua de enfriamiento.

14 Los discos ofrecen el mejor desempeño de conversión solar-a-electricidad de cualquier sistema CSP. Una serie de características, como su tamaño compacto, ausencia de agua de enfriamiento, entre otras, los ponen en competencia con módulos PV, así como también con otras tecnologías CSP. La producción en masa permite ser una tecnología competitiva con sistemas de mayor capacidad, con el beneficio de las economías de escala. Promotores señalan que la producción en masa permitiría que los discos permitiría : potencial con sistemas solares térmicos de gran escala. Es una tecnología que se encuentra en etapa de desarrollo y mejoramiento. Países como EEUU y algunos de Europa poseen plantas piloto en operación. Parámetros Comparativos dentro de la Familia Potencia: kw Factor de Planta: 50 60% Eficiencia de Conversión: Costos de inversión: 25 30% USD/kWp Costos de operación y Mantenimiento: 48,2 USD/kW/año Costo medio de la energía: 28,3 centavos USD/kWh Valores corresponden a referencias internacionales, cada proyecto debe ser evaluado según las condiciones locales. Centro de Energías Renovables 2011

15 Energía Solar Térmica Chimenea Solar Descripción General Imagen: Schlaich Bergermann und Partner Esta tecnología consiste en un invernadero que cuenta con una chimenea pintada de negro. Durante el día se calienta por la radiación solar, aumentando la temperatura del aire en su interior, creando una corriente de aire ascendente dentro de la chimenea. Esta corriente de aire ascendente se usa para generar electricidad mediante turbinas y para sistemas de climatización.

16 Para una Chimenea se necesita una gran superficie terrestre si se quiere obtener un potencial importante de energía y mucha radiación solar. Además, la chimenea debe tener una gran altitud, cercana a los 1000 metros o más, mientras que algunos proyectos diseñados en la actualidad consideran diámetros de sobre 100 metros. Teóricamente, Chile tiene mucho potencial para generar electricidad a partir de una chimenea en el desierto, pero la tecnología todavía se encuentra en estado de desarrollo. Actualmente, en nuestro país existe un proyecto en desarrollo con apoyo FONDEF. Parámetros Comparativos dentro de la Familia Potencia: > 100 MW Factor de Planta: No disponible Eficiencia de Conversión: Costos de inversión: No disponible USD/kWp Costos de operación y Mantenimiento: Costo medio de la energía: 18,5-32 USD/kW/año No disponible Valores corresponden a referencias internacionales, cada proyecto debe ser evaluado según las condiciones locales. Centro de Energías Renovables 2011

17 Energía Solar Térmica Colectores sin Cubierta Imagen: NREL Descripción General Consiste en placas planas absorbente de energía sin cubierta, conformadas por un arreglo de tubos por donde circula un fluido de trabajo, comúnmente agua. Se utiliza en en el calentamiento de agua para aplicaciones simples, ya que en general son colectores que funcionan a un bajo rango de temperatura (10-40 C). Es una tecnología de instalación y mantención sencilla, mientras haya radiación solar incidente con poca obstrucción, no se requiere nada adicional para su implementación.

18 El desarrollo de la tecnología ha alcanzado ya el uso comercial. El principal mercado de instalación en el mundo es Estados Unidos, seguido por Australia y Nueva Zelanda. Aún cuando esta tecnología posee costos reducidos en comparación a otras similares, su eficiencia y temperaturas de trabajo también lo son. En Chile existen diversos sistemas de este tipo implementados y el principal uso de ellos es el pre-calentamiento de agua y provisión de agua caliente para piscinas. Parámetros Comparativos dentro de la Familia Potencia (térmica): 700 W/m2 Factor de Planta: Eficiencia de Conversión: 24 50% 40-60% Costos de inversión: USD/kWp Costos de operación y Mantenimiento: 2,14 28,5 USD/kW/año Costo medio de la energía: 6,1 19,1 centavos USD/kWh Valores corresponden a referencias internacionales, cada proyecto debe ser evaluado según las condiciones locales. Centro de Energías Renovables 2011

19 Energía Solar Térmica Colectores Planos Imagen: NREL Descripción General Esta tecnología se aplica para generar energía térmica, principalmente, para obtener agua caliente sanitaria tanto a nivel residencial, como en aplicaciones de mayor demanda. Funcionan en un rango de temperatura entre 10 y 80 C. Son colectores planos que poseen una cubierta, generalmente, de vidrio mezclado con incrustaciones de hierro. Estas cubiertas tienen un espesor mínimo de 4mm, deben ser capaces de soportar variaciones del clima y tienen un alto grado de transparencia, sobre el 90%, pudiendo llegar a 95% con películas antirreflectantes. Su funcionamiento se basa en el efecto invernadero.

20 China posee una de las mayores superficies instaladas, junto a Turquía. A su vez, Australia y Nueva Zelanda tienen una de las mayores tasas de m2 por habitantes de estos sistemas instalados. Ejemplo de Aplicación: Para una vivienda ocupada por una familia de 5 ó 6 personas, que utilice un sistema de 4 m2 de colectores planos y un tanque de 200 o 300 litros, el costo de la instalación incluyendo mano de obra, puede alcanzar los USD3.200, con un gasto en operación y mantenimiento anual de USD43. Parámetros Comparativos dentro de la Familia Potencia (térmica): Factor de Planta: 700 W/m % Eficiencia de Conversión: Costos de inversión: 45-65% USD/kWp Costos de operación y Mantenimiento: 2,14 28,5 USD/kW/año Costo medio de la energía: 6,1 19,1 centavos USD/kWh Valores corresponden a referencias internacionales, cada proyecto debe ser evaluado según las condiciones locales. Centro de Energías Renovables 2011

21 Energía Solar Térmica Colectores Tubos al Vacío Imagen: NREL Descripción General Esta tecnología se usa para el calentamiento de agua sanitaria, así como también, en procesos térmicos industriales. El sistema está conformado por placas absorbentes de energía y tubos con fluidos de trabajo los que van montados dentro de un tubo al vacío. Esto permite un mayor aislamiento térmico, logrando alcanzar mayores temperaturas en la placa (sobre 100 C). Estos colectores están conformados por un conjunto de tubos conectados en un distribuidor, cada uno de estos está constituido por uno o más tubos, por donde circula el fluido a calentar y un tubo de vidrio como cubierta y envolvente exterior.

22 Sus principales ventajas sobre las otras tecnologías de solar térmica son su posibilidad de trabajar con mayores temperaturas y su mayor eficiencia de trabajo. A nivel global, del total instalado al 2008, aproximadamente la mitad corresponde a este tipo de tecnología, con supremacía de China. Australia y Nueva Zelanda tienen una de las mayores tasas de m2 por habitantes instalados. Es una tecnología suficientemente madura como para encontrarse a nivel comercial. Al año 2009 no se registran sistemas de estos instalados en Chile. Parámetros Comparativos dentro de la Familia Potencia (térmica): W/m2 Factor de Planta: 24 50% Eficiencia de Conversión: Costos de inversión: 45-65% USD/kWp Costos de operación y Mantenimiento: 2,14 28,5 USD/kW/año Costo medio de la energía: 5,5 17 centavos USD/kWh Valores corresponden a referencias internacionales, cada proyecto debe ser evaluado según las condiciones locales. Centro de Energías Renovables 2011