GENERALIDADES DE CENTRALES SOLARES FOTOVOLTAICAS. Ismael Antonio Sánchez Depto. de Ciencias Energéticas

Transcripción

1 GENERALIDADES DE CENTRALES SOLARES FOTOVOLTAICAS Ismael Antonio Sánchez Depto. de Ciencias Energéticas

2 Qué estudiaremos? Estructura del Sol Constante Solar Geometría Sol Tierra y sus efectos Dirección de la Radiación Directa

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5 El Sol El Sol se considera como una esfera gaseosa de 1.39x10 6 km de diámetro 110 veces el diámetro de la Tierra El sol tiene una temperatura efectiva de cuerpo negro de 5762 K. Esa es la temperatura de un cuerpo negro radiando la misma cantidad de energía que el sol.

6 El Sol El sol es en efecto un reactor de fusión continua, con sus gases constituyentes retenido por fuerzas gravitacionales La reacción de fusión más importante es en la que el hidrógeno (v.gr. cuatro protones) se combinan para formar helio (v.gr. un núcleo). Como la masa del núcleo de helio es menor que la de los cuatro protones, existe una pérdida de masa en la reacción, la cual se convierte en energía. 4H He energia

7 LA CONSTANTE SOLAR Esta pérdida de masa se transforma en energía, se ha calculado que el Sol pierde cada segundo 4.2 millones de toneladas de materia que se transforma en energía. Deduciendo de la famosa ecuación de Einstein ( E = m. c 2 ) E = 4.2x10 9 kg x (3x10 8 m/s) 2 E = 3.78x10 26 J/s Como la Tierra dista del Sol 149 millones de kilómetros, calculamos lo que recibe en un metro cuadrado. Potencia producida por el Sol / superficie esférica = 3.78x10 26 W / (4 x 149x10 9 m) 2 = 1,353 W/m 2

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9 Geometría Sol Tierra La excentricidad de la elipse, es aproximadamente igual a Dada esta excentricidad, la órbita terrestre se puede asimilar a una circunferencia de radio 1 UA. No obstante, a lo largo del año, la distancia Tierra-Sol, r, varía entre un valor mínimo de UA en el paso por el perihelio (aproximadamente el día 3 de enero), y un valor máximo de UA en el paso por el afelio (aproximadamente el 4 de julio) Estas variaciones originan una oscilación anual de ± 3% en la cantidad de radiación solar recibida por la Tierra.

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11 Solsticio de Invierno 21 de diciembre ( ) δ

12 Solsticio de Verano 21 de junio (23.45 ) δ

13 6 JUN DIC

14 LOS COMPONENTES DE LA RADIACIÓN SOLAR Energía inagotable del Depto. Sol Ciencias 2-3 Energéticas y Fluídicas

15 Radiación Directa: es la radiación solar que incide sobre la superficie de la Tierra sin haber sido afectada (dispersada) por la atmósfera. Radiación Difusa: Es la radiación solar recibida desde el sol después que su dirección ha sido cambiada debido a efectos de reflexión, difusión y absorción de la materia atmosférica. Radiación total: Es la suma de la radiación directa y difusa sobre una superficie.

16 Dirección de la Radiación Directa Latitud ф: Es la posición angular de un punto de la tierra medido hacia el norte o el sur desde el ecuador (-90 ф 90 ). Ángulo hacia el Norte es positivo. La latitud de San Salvador es

17 Dirección de la Radiación Directa Declinación δ:es el ángulo entre el plano del ecuador (plano ecuatorial) y el plano que une el centro de la Tierra con el centro del Sol (eclíptica). Hacia el Norte se considera positivo. La declinación del sol cambia, a través del año, desde hasta ; debido al movimiento de traslación de la tierra alrededor del sol.

18 Dirección de la Radiación Directa Ángulo de Incidencia θ: Es el ángulo entre la dirección de la radiación directa incidiendo sobre una superficie plana y la normal de dicha superficie.

19 Ángulo de Incidencia θ Ɵ

20 Dirección de la Radiación Directa Ángulo de inclinación β: Es el ángulo entre el plano de la superficie en cuestión y la horizontal, y varía desde 0 hasta 180.

21 Ángulo de inclinación β β β

22 Dirección de la Radiación Directa Ángulo acimutal γ: Es la desviación de la proyección sobre un plano horizontal de la normal a la superficie sobre el meridiano local, con 0 hacia el Sur, Este negativo y Oeste positivo. Varía desde -180 hasta 180.

23 Ángulo acimutal γ N O E γ S

24 DIRECCIÓN DE LA RADIACIÓN DIRECTA O 90 N 180 Panel α s β γ s γ S 0 E -90

25 Dirección de la Radiación Directa Horas de sol o Duración del día (N): la cantidad de horas que transcurren desde que la altitud solar en la mañana es 0 y vuelve a ser 0 en la tarde. El día más corto es el de solsticio de invierno, 21 de diciembre, y el más largo en el solsticio de verano, 21 de junio.

26 SOLARIMETRÍA

27 Qué estudiaremos? Medición de la Radiación Solar Irradiancia e Irradiación Brillo Solar Potencial de Energía Solar en El Salvador

28 SOLARIMETRIA Para cuantificar la disponibilidad de energía solar en El Salvador se registra el brillo solar, la irradiancia y la irradiación solar ó radiación solar). Los parámetros anteriormente mencionados constituyen la base para la mayoría de las actividades relacionada con el desarrollo de modelos y para la investigación aplicada (sistemas fotovoltaicos, solares térmicos y otras aplicaciones). RADIACION SOLAR

29 Irradiancia (W/m 2 ) : Es la rapidez con la que la energía radiante incide sobre la unidad de área de una superficie. Irradiación ((kwh/m 2 ) o (J/m 2 )): Es la energía incidente sobre la unidad de área de una superficie. Se calcula por la integración de la irradiancia dentro de un tiempo específico, usualmente una hora o un día.

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31 IRRADIANCIA EN FUNCIÓN DEL TIEMPO Cielo nublado Cielo despejado, sol Principalmente radiación difusa Principalmente radiación directa Irradiancia W/m 2 Energía inagotable del Depto. Sol Ciencias 2-5 Energéticas y Fluídicas

32 BRILLO SOLAR (n): Representa el número de horas durante las cuales el nivel de irradiancia es superior a los 150 W/m 2 y es capaz de producir efectos útiles (calentar o generar electricidad). NO CONFUNDIR CON Horas de sol o Duración del día (N): la cantidad de horas que transcurren desde que la altitud solar en la mañana es 0 y vuelve a ser 0 en la tarde.

33 LOS COMPONENTES DE LA RADIACIÓN SOLAR Energía inagotable del Depto. Sol Ciencias 2-3 Energéticas y Fluídicas

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35 Radiacion Solar Global El Salvador (kwh/m 2 dia) Ahuachapan 725 msnm Nueva Concepción 320 msnm Las Pilas 1960 msnm Montecristo 1851 msnm San Salvador 700 msnm Apastepeque 570 msnm La Carrera 75 msnm Solar Extraterrestre Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

36 DISTRIBUCIÓN MUNDIAL DE LA IRRADIACIÓN SOLAR EN KWH/M² No determinado Energía inagotable del Depto. Sol Ciencias 2-7 Energéticas y Fluídicas

37 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ACOPLADOS, AVANCES TECNOLOGICOS Y NUEVAS NORMAS TÉCNICAS

38 EL FUNCIONAMIENTO DE UNA INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA CONECTADA A RED 1 Generador solar, 2 Caja de conexión del generador, 3 Inversor, 4 Contador bidireccional de consumo e inyección, 5 Conexión a red, 6 Punto de consumo Depto. Ciencias 4-1 Energéticas y Fluídicas

39 PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD EN UNA URBANIZACIÓN SOLAR Suministro energético hoy y en el futuro Depto. Ciencias 1-9 Energéticas y Fluídicas

40 FOTOVOLTAICA: INSTALACIÓN EN EL CAMPO O INTEGRADA EN EDIFICIOS Suministro energético hoy y en el futuro Depto. Ciencias 1-10 Energéticas y Fluídicas

41 EL FUTURO DEL SUMINISTRO ENERGÉTICO: DESCENTRALIZADO Y AUTOSUFICIENTE Suministro energético hoy y en el futuro Depto. Ciencias 1-16 Energéticas y Fluídicas

42 Plantas FV de nueva instalación (MW p /a) MERCADOS NACIONALES PARA PLANTAS FOTOVOLTAICAS ACOPLADAS A LA RED Japón Alemania EE. UU. Potencia FV acumulada de Japón 1100 MW (2004) Potencia FV acumulada de Alemania 760 MW (2004) Potencia FV acumulada de EE. UU. 270 MW (2003) Suministro energético hoy y en el futuro Depto. Ciencias 1-19 Energéticas y Fluídicas

43 INSTALACIÓN CONECTADA A RED Gastos Generales Módulos fotovoltaicos Montaje Cableado Inversor y medida Estructura soporte Suministro energético hoy y en el futuro Depto. Ciencias 1-21 Energéticas y Fluídicas

44 CARACTERÍSTICAS DEL PANEL SOLAR Y LAS TECNOLOGÍAS DISPONIBLES Ismael Antonio Sánchez Depto. Ciencias Energéticas

45 Efecto Fotovoltaico La mayoría de celdas solares están formadas de laminas de silicio, recubiertas (dopadas) en las caras por fósforo (tipo n -), que posee exceso de electrones, y boro (tipo p +), deficiencia de electrones, de esta forma se crea un semiconductor, los electrones pueden fluir en la celda solamente de la capa p hacia la n. Cuando la luz solar incide sobre la celda, un fotón libera un electrón de la estructura del fósforo, ese electrón puede fluir hacia la capa de boro si se completa entre ellas un circuito eléctrico.

46 Funcionamiento de una celda solar

47 Además las celdas solares están formadas por una malla metálica superior que recolecta y transfiere los electrones del semiconductor a la carga externa y otro contacto inferior para completar el circuito eléctrico. También en la parte superior de la celda hay un vidrio u otro tipo de material encapsulante transparente para sellarla y protegerla de las condiciones ambientales, y una capa antirreflectante para aumentar el número de fotones absorbidos.

48 Tecnología de paneles fotovoltaicos Cristalinos El material más importante para las celdas solares es el silicio, que es el segundo elemento más abundante en la tierra. No se encuentra en estado puro pero sí en la forma de arena o cuarzo.

49 Tecnología de paneles fotovoltaicos Cristalinos Para obtener el silicio se quema la arena de cuarzo con carbón pulverizado, a una temperatura entre 1800 C a 1900 C. Esto produce un polvo de silicio metalúrgico, el cual es 98% puro; pero no lo suficiente para las aplicaciones electrónicas. Para ese objetivo, el silicio sigue un proceso de purificación química, consistente en: fundición, hervido y destilado. Luego, al solidificar, se obtiene el poli silicio el cual es la materia prima usada para crear celdas solares mono cristalinas o poli cristalinas

50 Tecnología de paneles fotovoltaicos CELDAS DE SILICIO MONOCRISTALINO

51 Módulo Monocristalino

52 Tecnología de paneles fotovoltaicos CELDAS DE SILICIO POLICRISTALINO Color: azul o gris plateado.

53 MÓDULO POLICRISTALINO Efecto fotovoltaico Depto. Ciencias 3-12 Energéticas y Fluídicas

54 ROLLO DE PANELES FLEXIBLES DE CAPA FINA (SILICIO AMORFO) Efecto fotovoltaico Depto. Ciencias 3-13 Energéticas y Fluídicas

55 MÓDULO SILICIO AMORFO SUBSTRATO DE VIDRIO

56 SUPERFICIE NECESARIA DE DIFERENTES TIPOS DE CÉLULA Tipo de célula Eficiencia de módulo Superficie FV necesaria para 1 kw p Monocristalina Policristalina (EFG) Policristalina Capa fina de diseleniuro de cobre e indio Amorfa

57 ESTRUCTURA DE UN PANEL CON ENMARCADO 1 Marco de aluminio, 2 Junta, 3 Vidrio, 4 Encapsulamiento en EVA, 5 Célula cristalina, 6 Lámina Tedlar Efecto fotovoltaico Depto. Ciencias 3-10 Energéticas y Fluídicas

58 Intensidad de célula en Amperios Potencia de célula en Watios CURVA CARACTERÍSTICA DE UNA CÉLULA SOLAR CRISTALINA Corriente de cortocircuito Tensión de circuito abierto Tensión de célula en Voltios

59 Características eléctricas Tensión de circuito abierto Es la tensión del panel cuando tiene sus terminales en circuito abierto. Corriente de corto circuito Es la corriente cuando sus terminales están en corto circuito.

60 Características eléctricas Tensión de punto de potencia máxima Es la tensión de salida del panel fotovoltaico en el punto de potencia máxima. Corriente de punto de potencia máxima Es la corriente de salida del panel fotovoltaico en el punto de potencia máxima.

61 Características eléctricas Potencia máxima Es la potencia máxima de salida del panel fotovoltaico para una temperatura de 25 e Irradiancia de 1000 W/m 2. La potencia máxima se define como la multiplicación de la corriente en el punto de potencia máxima con la tensión en el punto de potencia máxima.

62 Comportamiento de voltaje de circuito abierto y corriente de corto circuito según Irradiancia

63 Corriente de módulo en Amperios POTENCIA DE UN MÓDULO SOLAR CRISTALINO EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA Tensión del módulo en Voltios U MPP Rango

64 Corriente de módulo en Amperios POTENCIA DE UN MÓDULO SOLAR CRISTALINO EN FUNCIÓN DE LA RADIACIÓN Tensión de módulo en Voltios U MPP Rango

65 CONEXIÓN DE MÓDULOS EN SERIE Conexión en serie Conexión en serie Depto. Ciencias 4-2 Energéticas y Fluídicas

66 CONEXIÓN DE MÓDULOS EN PARALELO Conexión en paralelo Conexión en paralelo Instalaciones fotovoltaicas conectadas a Depto. red Ciencias 4-3 Energéticas y Fluídicas

67 CONEXIÓN EN MÓDULOS EN SERIE-PARALELO Conexión Serie-Paralelo Instalaciones fotovoltaicas conectadas a Depto. red Ciencias 4-4 Energéticas y Fluídicas

68 INVERSOR DE AISLADA Y REGULADOR DE CARGA Instalaciones fotovoltaicas aisladas Depto. Ciencias 5-6 Energéticas y Fluídicas

69 INSTALACIONES CON UN INVERSOR CENTRAL O VARIOS INVERSORES 1 Generador, 1a/b Generadores parciales, 2 Caja de conexión del generador, 3 Inversor Instalaciones fotovoltaicas conectadas a Depto. red Ciencias 4-5 Energéticas y Fluídicas

70 CONCEPTO DE INVERSOR CENTRAL EN INSTALACIONES CON TENSIÓN ALTA 1 Generador, 2 Caja de conexión del generador, 3 Interruptor DC, 4 Inversor, 5 Red Instalaciones fotovoltaicas conectadas a Depto. red Ciencias 4-6 Energéticas y Fluídicas

71 CONCEPTO DE INVERSOR CENTRAL EN INSTALACIONES CON TENSIÓN BAJA 1 Generador, 2 Interruptor DC, 3 Inversor, 4 Red Instalaciones fotovoltaicas conectadas a Depto. red Ciencias 4-7 Energéticas y Fluídicas

72 CONCEPTO DE INVERSORES STRING 1 Generador, 2 Interruptor DC, 3 Inversor, 4 Red Instalaciones fotovoltaicas conectadas a Depto. red Ciencias 4-8 Energéticas y Fluídicas

73 CONCEPTO DE INVERSORES DE MÓDULO 1 Generador, 2 Inversor, 3 Red Instalaciones fotovoltaicas conectadas a Depto. red Ciencias 4-9 Energéticas y Fluídicas

74 CONEXIÓN A LA RED DE INSTALACIONES CON VARIOS INVERSORES 1 Generador, 2 Enchufe de módulo, 3 Caja de conexión del generador, 4 Inversor Instalaciones fotovoltaicas conectadas a Depto. red Ciencias 4-10 Energéticas y Fluídicas

75 LAS SOMBRAS LIMITAN LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA Instalaciones fotovoltaicas conectadas a Depto. red Ciencias 4-25 Energéticas y Fluídicas

76 LA EVOLUCIÓN DE SOMBRAS DURANTE EL DÍA Instalaciones fotovoltaicas conectadas a Depto. red Ciencias 4-26 Energéticas y Fluídicas

77 EVITAR SOMBRAS ENTRE FILAS EN EL CASO DE MONTAJE SOBRE TEJADO PLANO Altura Distancia 4-6 x altura Instalaciones fotovoltaicas conectadas a Depto. red Ciencias 4-30 Energéticas y Fluídicas

78 FUNCIONAMIENTO DE DIODOS BYPASS Diodo bypass Diodo bypass Célula Célula Célula Célula Célula Instalaciones fotovoltaicas conectadas a Depto. red Ciencias 4-31 Energéticas y Fluídicas

79 Los pasos de dimensionado de una instalación conectada a red 1. Cálculo del tamaño de la instalación Fijar el volumen de la inversión económica Determinar el tamaño y la orientación de la superficie de tejado disponible, y la posición de obstáculos fijos Comprobar la no-existencia de sombras. Si es preciso, cambiar la posición de antenas, barras interceptoras etc. Instalaciones fotovoltaicas conectadas a Depto. red Ciencias 4-33 Energéticas y Fluídicas

80 Los pasos de dimensionado de una instalación conectada a red 2. Selección de los módulos fotovoltaicos Decisión del tipo de módulo (monocristalino, policristalino o capa fina) Cálculo del número de módulos en función del tamaño de la instalación deseado y el tejado disponible Determinación de la tensión de módulos en el rango esperado de temperaturas de servicio (-10 C hasta 70 C) Instalaciones fotovoltaicas conectadas a Depto. red Ciencias 4-34 Energéticas y Fluídicas

81 Los pasos de dimensionado de una instalación conectada a red 3. Selección del inversor Selección del inversor en función de la potencia de la instalación, las tensiones de módulos y la intensidad admisible de entrada Tener en cuenta la garantía y el servicio postventa del fabricante del inversor Selección del concepto de inversor y la conexión de módulos de acuerdo con el rango de MPP del inversor Instalaciones fotovoltaicas conectadas a Depto. red Ciencias 4-35 Energéticas y Fluídicas

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83 Resumen sobre la Energía Solar Fotovoltaica Sobre esta tecnología La energía solar es un recurso renovable, ya que existe un suministro continuo a la tierra por el sol. Hay dos formas comunes para convertir la energía solar en electricidad: las tecnologías fotovoltaica y solar térmica. Los sistemas fotovoltaicos constan de obleas de silicio u otros materiales conductores. Cuando la luz incide en las celdas, produce una reacción química, lo que resulta en la liberación de energía eléctrica. Reservas Recursos solares están disponibles en todas partes del planeta, aunque en algunas zonas reciben menos luz solar que otras, dependiendo del clima y las estaciones. Impactos Ambientales Emisiones a la atmósfera Las emisiones asociadas a la generación de electricidad a partir de las tecnologías solares son insignificantes debido a que no se utilicen combustibles.

84 Uso de los Recursos de Agua Los sistemas fotovoltaicos no requieren el uso de agua para generar electricidad. Vertido de aguas Las tecnologías solares no descargan agua, mientras que la creación de electricidad. Generación de Residuos Sólidos La producción de obleas fotovoltaicas genera cantidades muy pequeñas de materiales peligrosos que deben ser manejados con cuidado para evitar el riesgo para el medio ambiente o para la gente.

85 GENERALIDADES DE CENTRALES SOLARES FOTOVOLTAICAS Ismael Antonio Sánchez Depto. de Ciencias Energéticas