Introducción a la ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

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1 Introducción a la ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA MIGUEL ÁNGEL EGIDO AGUILERA INSTITUTO DE ENERGÍA SOLAR Universidad Politécnica de Madrid 1 El sistema fotovoltaico Generador Fotovoltaico Generador Auxiliar Acondicionamiento de potencia Acumulador Cargas DC Cargas AC Red eléctrica GENERADOR FOTOVOLTAICO: Células mono o policristalinas Estructura estática o con seguimiento Sistema de concentración GENERADOR AUXILIAR: Grupo termoeléctrico diesel o gasolina ACUMULADOR: Batería Pb-Acido, depósito de agua, otros ACONDICIONAMIENTO DE POTENCIA: Regulador de carga de batería Convertidor DC/AC Convertidor DC/DC CARGAS: Instalaciones conectadas a la red o autónomas Alimentación DC o AC 2

2 1. INTRODUCCIÓN SILICIO: MATERIAL PARA CÉLULAS SOLARES El 87,4% de las células solares se fabrican con silicio cristalino Es el elemento más abundante en la corteza terrestre (más del 60%) 3 Célula Solar I >0 E Metalización 500 m Capa Antirreflexiva 4

3 Célula Solar: Curva característica CONDICIONES ESTÁNDAR DE MEDIDA (CEM) [Standard Test Conditions, STC]: Irradiancia solar incidente: I STC = 1000 W/m 2 Incidencia perpendicular, Distribución espectral AM1.5G Temperatura de operación de las células: T C,STC = 25ºC Corriente de cortocircuito Tensión de circuito abierto Potencia máxima Corriente de máxima potencia Tensión de máxima potencia P M = Potencia máxima = I M V M FF = Factor de forma = P M /(I SC V OC ) Eficiencia de conversión o rendimiento: PM S =Área célula S G G = Irradiancia 5 PRINCIPALES TECNOLOGÍAS SILICIO MONOCRISTALINO (Comercial) 12,5 cm (5 ) = % 5 =20% 15,6 cm (6 ) = % 10 cm (4 ; en desuso) 5 ; transparencia 10%; =14%

4 Principales tecnologías SILICIO MULTICRISTALINO (/POLICRISTALINO) (Comercial) =14-16% 5 =14% De colores: Color vs. espesor capa AR =10-12% 6 =16-17% =12-14% =12-14% =12-14% Principales tecnologías NUEVAS FORMAS DE METALIZACIÓN (Integración arquitectónica) Bifacial; 6 ; =16,4% Módulo 6 =16,4% =16,4% Célula (98% eficiencia respecto de célula convencional) (96% eficiencia respecto de célula convencional)

5 Principales tecnologías * SILICIO AMORFO Electrodo transparente (TCO: Transparent conductive oxide) Metal Si amorfo Conexión serie 1 m Vidrio Luz Eficiencia típica: 5-8% (estabilizada), a nivel de módulo comercial Substratos rígidos (vidrio, metal) o flexibles (plásticos): 1-3 mm Espesor material activo: ~0,3 m Aspecto: uniforme Color: marrón rojizo, azul, azul-violeta Posibilidades de distintas transparencias 9 Principales tecnologías * CIS (DISELENIURO DE COBRE E INDIO) Eficiencia típica: 9-11% a nivel de módulo comercial Substratos rígidos (vidrio, 2-4 mm) o flexibles (plásticos) Espesor material activo: 1-2 m Aspecto: uniforme Color: gris oscuro a negro * CIGS (DISELENIURO DE COBRE, INDIO Y GALIO) Eficiencia típica: 11-14% a nivel de módulo comercial 10

6 * CdTe (TELURO DE CADMIO) Principales tecnologías Eficiencia típica: 8-10% a nivel de módulo comercial Substratos rígidos (vidrio, 3 mm) Aspecto: uniforme Color: verde oscuro a negro Inconvenientes: Elevada toxicidad del Cadmio Menor coste de fabricación de tecnologías de capa delgada 11 El módulo fotovoltaico convencional Etileno-vinil-acetato (EVA) Células solares Etileno-vinil-acetato (EVA) Vidrio templado Marco de aluminio anodizado Capa de TEDLAR Caja de conexiones FUNCIONES: Niveles de voltaje e intensidad Rigidez estructural Protección intemperie (fatiga térmica, radiación UV, abrasión) Aislamiento eléctrico Transparencia Facilidad de instalación Disipación del calor TECNOLOGÍA: Vidrio (bajo Fe) E.V.A. (o P.V.B.) Vidrio o Tedlar Contactos de Cu (Sn) Marcos de Al Junta de silicona Tornillería inoxidable 12

7 Módulo fotovoltaico: Curva característica I SCM -1/R PM N S -1/R SM V OCM N P N P número de células en paralelo N S número de células en serie I SCM = N P I SC V OCM = N S V OC R PM = R P /N P R SM = R S N S 13 Caracterización eléctrica Potencia nominal: Potencia máxima en CEM (unidades: W ó Wp) vatios-pico Curva característica I-V: Corriente de cortocircuito: P = I SC x 0 = 0 I SC Corriente (A) CEM G = 700 W/m 2 T ambiente = 34 ºC Punto de máxima potencia: P = I M x V M = P M I M V M Voltaje (V) Tensión de circuito abierto: P = 0 x V OC = 0 V OC 14

8 Encintado Cinta de Cu/Sn Conexión automática de células Formación de cadenas - Matriz de células + Composición del laminado Vidrio E.V.A. Matriz E.V.A. Plástico o vidrio Laminación Marco y caja de conexiones Medida y clasificación

9 Homologación de módulos fotovoltaicos: diseño y tipo IEC Ed.2 (2005): Crystalline silicon terrestrial PV modules. [UNE-EN 61215] Design qualification and type approval Inspección visual, Características eléctricas, Aislamiento Parámetro s eléctricos y térmicos Radiación UV 50 Ciclos térmicos ( ºC) 200 ciclos térmicos ( ºC) Calor húmedo (85ºC, 85%HR) Fugas en inmersión Exposición al sol 10 ciclos térmicos húmedos (85% HR) Punto caliente Robustez de terminales Carga mecánica Impactos (hielo) Fugas en inmersión IEC Ed.2 (2005): Thin film terrestrial PV modules. Design qualification & type approval [UNE-EN 61646] HOMOLOGACIÓN DE SEGURIDAD IEC Ed.1 (2004): Photovoltaic modules safety qualification. [En breve: UNE-EN 61730] Clases de módulos atendiendo a la seguridad: A (Clase II, doble aislamiento); B (Clase 0, aislamiento básico); C (Clase III, baja tensión) Exposición al fuego Resistencia al corte Continuidad conexión a tierra Sobretensiones de origen atmosférico Resistencia dieléctrica Tipo de rotura por impacto Pruebas a componentes y materiales

10 Módulos fv convencionales CARACTERÍSTICAS TÍPICAS: Potencia nominal: W Superficie: 0,5 1,5 m 2 Peso: kg/m 2 S. frontal: vidrio~ 3 mm espesor S. posterior: tedlar Con marco metálico (Al anodizado) Ejemplo: Monocristalino (tecnología Saturno) [Fuente: BP Solar] 20

11 [Fuente: BP Solar] 21 22

12 OTROS MÓDULOS FV Grandes dimensiones Semitransparentes Vidrio-vidrio [300 W; 2,5 m 2 ; 46 kg] Laminados (sin marco)

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15 Otros módulos fv Formas especiales

16 Otros módulos fv Tejas fotovoltaicas

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18 Módulo vidrio-vidrio [Fuente: Centennial Solar] 36

19 [Fuente: Centennial Solar] 37 Láminados con distintos grados de transparencia 38

20 Laminados con distintos grados de transparencia = 4,4% = 3,8% = 3,2% = 2,5% 39 Lámina impermeabilizante [Fuente: Unisolar Ovonics] 40

21 Ejemplo: Lámina impermeabilizante [Fuente: Intemper] 41 CAPA DELGADA: CIS/CIGS Tecnologías y tipos de módulos fv [Fuente: Wurth Solar] 42

22 Tecnologías y tipos de módulos fv CAPA DELGADA: Teluro de Cadmio (CdTe) [Fuente: First Solar] 43 Tecnologías y tipos de módulos fv 44

23 Acumulador electroquímico: Sistema de acumulación Energía eléctrica (generación fv) Energía química (almacenamiento) Energía eléctrica (consumo) Tipo de acumulador: Energía almacenable (A.h) Tiempo de almacenamiento Tiempo de descarga (horas de uso) Coste y disponibilidad Aplicaciones fotovoltaicas Batería plomo-ácido Almacena energía Suministra potencia instantánea elevada Fija punto (tensión) de trabajo del sistema 46

24 Baterías fotovoltaicas: ciclado Estado de Carga de la batería (1= cargada) 1 PD d CICLADO ESTACIONAL * Periodos de baja radiación * PD e < PD MAX PD e Días CICLADO DIARIO * Consumo nocturno (L n ) * PD d = L n / C B 3L<C B <8L 0,5<PD MAX <0,75 0,05<PD d <0,2 47 Baterías fotovoltaicas: características deseables Resistencia al ciclado Bajo mantenimiento Corrientes pequeñas Reserva de electrolito Depósitos de material desprendido Vasos transparentes Baterías tubulares, con rejillas de aleación de bajo contenido antimonio-selenio. 48

25 Baterías utilizadas en el terreno Tipo Ventajas Inconvenientes Tubular estacionaria Ciclado profundo Precio elevado Tiempos de vida largos Disponibilidad escasa en Reserva de sedimentos determinados mercados Arranque Precio Mal funcionamiento (SLI-automóvil) Disponibilidad ante ciclado profundo y bajas corrientes Tiempos de vida cortos Escasa reserva de electrolito Tubular estacionaria (vaso de 2V) Tubular estacionaria (6 vasos; 12V) SLI automóvil ( 12V) 49 Tipo de batería Ventajas Inconvenientes Solar modificada Fabricación similar a SLI No recomendada para ciclados Amplia reserva de electrolito profundos y prolongados Buen comportamiento Tiempos de vida medios en ciclados medios Gelificada Escaso mantenimiento Deterioro rápido en condiciones de operación extremas (V y T) Solar modificada (12V) Gelificada (12V) 50

26 Ejemplo, baterías comerciales estacionarias: C10: Capacidad para un régimen de descarga de 10 horas C120: Capacidad en 120 horas de descarga 51 Acondicionamiento de potencia: Regulador de carga Función: Evitar las situaciones de sobrecarga y sobredescarga, para preservar la vida de la batería. Actuación sobre líneas de generación y consumo según la tensión de la batería o su Estado de Carga ( State-Of-Charge ) Regulador SHS (12 V, 3 A) ( 5 cm) 52

27 Regulador de carga: funcionamiento Tensión de batería (voltios) Zona no recomendada Zona no recomendada Tiempo Fin de carga Control del generador Reposición de carga Reconexión de consumo Control del Desconexión de consumo consumo EN ALTO ESTADO DE CARGA (procedente del generador): Garantizar una carga suficiente de la batería Evitar sobrecarga excesiva EN BAJO ESTADO DE CARGA (suministro al consumo): Evitar descargas excesivas de la batería Garantizar suministro eléctrico diario suficiente 53 Regulador de carga: tipos en el mercado Reguladores de carga para instalaciones FV autónomas (12V-24V, hasta 30A) 54

28 Ejemplo, reguladores de carga comerciales: 55 SEGUIDOR DEL PUNTO DE MÁXIMA POTENCIA (CONVERTIDOR DC/DC) Función: Conseguir que el punto (V,I) de trabajo del generador fotovoltaico coincida con el de máxima potencia Procedimiento: Enfrentar al generador una impedancia tal que su punto de trabajo coincida con el de máxima potencia ON T ON T OFF P (1) (3) (1) Pi+1< Pi VG< VMG (2) (2) Pi+1> Pi VG> VMG OFF t (i,i+1) V (3) Pi+1= Pi VG= VMG Eficiencia típica entre 0,95 0,98 (95 98%) Disponibles para módulos individuales, o para generadores con fotovoltaicos de potencia > 1-2 kwp, generalmente integrado con el regulador de carga 56

29 Ejemplo, regulador de carga con seguimiento MPPT: 57 Acondicionamiento de potencia: Inversor Inversor de pequeña potencia (200 W) ( 40 cm) Función: Adaptar las características de la potencia generada (continua), a las requeridas por cargas (alterna) Generar una onda de impulsos mediante conmutación de la fuente, eliminando armónicos indeseados DC = Sintetizador de onda Filtro AC U S 58

30 Inversores fotovoltaicas: características deseables Alta eficiencia de conversión para rango elevado de potencias Bajas pérdidas de autoconsumo (consumo en vacío, sin carga) Alta fiabilidad: Resistencia a puntas de arranque Estabilidad en tensión y en frecuencia Protecciones incorporadas (cortocircuito, contacto directo e indirecto, etc.) Inversores de potencia < 500 W para instalaciones fv autónomas 59 Ejemplo, inversor comercial de pequeña potencia: 60

31 Ejemplo, inversores senoidales de pequeña-media potencia: 61 Ejemplo, inversor comercial: 62

32 Evolución de los inversores conectados a la red Topologías de los inversores conectados a la red

33 Ejemplos Inversor central ( kw) Inversores string ( 5 kw) Inversores módulo AC (240 W) Módulos MPPT Diferente tamaño (potencia) Inclinación y orientación Sombras o suciedad MPPT Oeste MPPT MPPT Sur MPPT MPPT MPPT Este MPPT MPPT MPPT

34 Productos comerciales