Expositor: Jorge Alberto Zetino Escuela Ingeniería eléctrica UES. 1/06/2010 Curso de Energías Renovables, Profesor Richard Cairncross

Transcripción

1 Expositor: Jorge Alberto Zetino Escuela Ingeniería eléctrica UES 1

2 Contenido Introducción y desarrollo Celdas, paneles y arreglos fotovoltaicos Sistemas aislados y conectados a la red, aplicaciones. Dimensionamiento de sistemas aislados. Sistema Fotovoltaico instalado en la EIE 2

3 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA Producción directa de energía eléctrica, a partir de la radiación solar, mediante el llamado efecto fotovoltaico, sin procesos químicos ni mecánicos. El dispositivo que efectúa esta conversión es la célula fotovoltaica, que genera aproximadamente 0.5 voltios de corriente directa cuando recibe la irradiación solar. La energía que procede del sol es limpia y renovable. Su principal inconveniente es su costo, todavía alto, en relación a su rendimiento, cercano al 20%, así como el hecho de variar durante el año debido a las condiciones meteorológicas. 3

4 PV Production [MW] Rest of World United States Taiwan PR China Europe Japan Estimates for World-wide PV production from 1990 to 2008 (Kautto, 2009) Kautto, N. and A. Jäger-Waldau, 2009: Renewable Energy Snapshots 2009, European Commission, Euro-Report EUR EN, ISBN

5 20 MW en Beneixama (España) 5 5

6 La radiación solar que llega a la superficie terrestre procede de tres componentes: - RADIACIÓN DIRECTA (B): Formada por los rayos procedentes directamente del Sol, es decir, que no llegan a ser dispersados, es la mayor de todas. - RADIACIÓN DIFUSA (D): Procede de la bóveda celeste, aprox. 33%, permite que un cuerpo, esté siempre recibiendo cierta cantidad de energía por todas sus partes. - RADIACIÓN DEL ALBEDO o Reflejada (R): Procede de la radiación incidente en montañas, lagos, edificios, etc. Depende de la naturaleza de las superficies, ejemplo las claras y brillantes tienen un % de Albedo mayor que las oscuras y mate Kw-h/m2-día Radiación medida durante 1 año 6

7 COMPORTAMENTO DIÁRIO DE LA IRRADIANCIA SOLAR 1000 Irradiância (W/m2) 800 Insolación: área bajo la curva dia sem nuvens, 6.0 kwh/m dia nublado, 1.8 kwh/m :03 12:03 17:03 Hora do dia 7

8 Concepto de horas sol pico HSP = 6 HSP = 1.8 HSP 6 Horas El tamaño del PFV, o potencia pico de la instalación, se calcula considerando las HSP, que es el número de horas de sol media diaria de energía incidente sobre el PFV, con una intensidad equivalente a 1000w/m2 8

9 CÉLULA SOLAR FOTOVOLTAICA N: silicio + fósforo P: silicio + boro 100 mm 100 mm Tensión: Circuito abierto = 0,6 V Punto de máxima potencia = 0,45 V Corriente de máxima potencia = 3 A Potencia máxima = 1,35 Wp 9

10 Características Eléctricas La corriente entregada por la celda tiene dos componentes: Corriente de iluminación, Iph, producida por la luz, corriente de oscuridad, Id, debida a la recombinación de portadores. e: carga electrón x10-19 C. K: es la constante de Boltzman. Tc: Temperatura en ºK de la celda. Io: corriente inversa de saturación Isc Voc 10

11 El punto Pm corresponde a la mayor área posible del rectángulo 11

12 Módulos y arreglos fotovoltaicos 12 12

13 Módulos Fotovoltaicos MONO CRISTALINO POLICRISTALINO AMORFO 13 13

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17 POTENCIA NOMINAL, Wp 17 17

18 Características de algunos modelos comerciales 18 18

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20 Curvas Típicas de PFV, con la variación de G, Voc varía muy poco, Isc varía apreciablemente Isc Voc 20

21 SISTEMAS AISLADOS Electrificación rural, sistemas fotovoltaicos domiciliares 100 Wp 50 Wp 21 21

22 TOPOLOGIAS DE LOS SFV, operación CC Sistema CC (Corriente Continua): 22

23 TOPOLOGIAS DE LOS SFV, operación AC-CC Sistema AC-DC(Corriente alterna/ Corriente Continua): 23

24 Aplicaciones SFV en sistemas de Bombeo Se emplean motores de AC o DC y bombas centrífugas o volumétricas, no se recomienda el uso de Baterías en esta aplicación de SFV. Una bomba, absorbe energía mecánica y restituye energía hidráulica. 24

25 Bombeo de agua 25 25

26 TOPOLOGIAS DE LOS SFV, sistemas híbridos Inversor Isla 26

27 Distribución de costos de un SFV aislado 27

28 Baterías, conceptos generales Capacidad: cantidad de electricidad que puede obtenerse mediante la descarga total de una B cargada al 100%. Se mide en Ah o Wh a un tiempo de descarga, una B de 130Ah es capaz de dar 130A en una hora o 13A en diez horas. En SFV es usual referirse a tiempos de descarga de 100 horas o más, pues en este orden se define el período de autonomía mínimo. Las B tiene un Voc, que suele ser de 2, 6, 12, 24V. Eficiencia de carga: relación entre la energía empleada para cargar la batería y la real almacenada y disponible. Una eficiencia del 100% significa que toda la energía empleada para la carga puede ser utilizada posteriormente durante la descarga Auto descarga: proceso por el cual la B, sin estar en uso, tiende a descargarse. Profundidad de descarga PD: 1-Estado de carga, es el valor en % de la energía que se ha sacado de un acumulador plenamente cargado en una descarga, si a una B de 100Ah, la descargamos hasta 20Ah, esto representa una PD del 80%. Descargas superficiales, son las menores del 20%, una descarga profunda llega hasta el 80%. Cuanto menos profundos sean los ciclos de C/D, mayor será la duración de la B. Las B no deben descargarse totalmente. 28

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30 Conexiones de baterías 30

31 Controladores o reguladores de carga en SFV Su principal función es controlar el proceso de carga y descarga de las B. Cuando la B está completamente cargada abre un interruptor para no recargar la B. Cuando B entrega carga, abre un interruptor para no descargar mas allá de PD 31

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33 Inversores de tensión 33

34 Características Técnicas Inversor Xantrex

35 Dimensionado de SFV domiciliares, estimación de la demanda 35

36 Con los valores anteriores calculamos el consumo real Para B Plomo-Acido la eficiencia es de alrededor del 85 % 36

37 Ahora calculamos la capacidad de la B Dos días de autonomía es bastante usual y una Pd del 50%, sustituyendo tenemos 37

38 Ahora nos preguntamos cuál es la profundidad de descarga diaria? 38

39 Selección del banco de B, para un régimen de descarga C20 de 20 h 39

40 Analicemos ahora con otro fabricante Baterías CHAIRMAN, libre de mantenimiento, tipo VRLA, ciclo profundo Pb- Acido 40

41 Ambas B están bien, sin embargo falta evaluar su ciclo de vida y costo Chairman 41

42 Volviendo al ejemplo tenemos: 42

43 Cálculo de potencia pico 43

44 Sistemas FV conectados a la red Los SFV conectados a la red, SFVCR, constituye una de las mayores aplicaciones de la SFV en el mundo. Están formados por un conjunto de equipos que transforman la energía solar en energía eléctrica y que permiten intercambiar esa energía con la red de baja o alta tensión. 44

45 Inversores, Diagrama de bloques DC/DC C: evita las fluctuaciones de V de CD MPPT 45

46 Inversores en cadena, string Cada cadena formada por varios I, cada uno con un juego de PFV, su costo es mayor que el centralizado, pero su rendimiento es mas alto, dado que posee un MPPT por cada inversor, se aplica en pequeñas y grandes instalaciones Se configura con un juego de PFV, string, para cada Inversor. En este otro caso se tiene un solo SFV 46

47 Inversores monofásicos en aplicaciones trifásicas Es importante el balanceo de los I en las 3 fases, note que hay un tablero solo para los I, muchos I poseen un trafo de aislamiento interno lo que facilita la conexión a diversos niveles de tensión y entre líneas o línea y neutro 47

48 Criterios de dimensionamiento A- Determinar el número de módulos necesarios: dependerá de la potencia de los PFV escogidos y de su Voc, si los PFV se conectan en serie el Voc resultante no debe sobrepasar el Voltaje máximo que soporta el I a su entrada. En los casos en que lo amerite, el Voc debe ajustarse con la temperatura, multiplicando por el correspondiente factor de variación de Voc con la T. B- Pueden ocuparse programas de cálculo, muchos de ellos suministrados por compañías dedicadas a la venta de equipos I En: energía generada por el SFVCR 48

49 Ec: perfil de carga del edificio Energía consumida en el edificio, el sobrante se entrega a la red 49

50 Eficiencia en la producción de un SFVCR y la curva de carga de un edificio, se muestra un día en que la producción solar es igual al 55% del consumo 50

51 Eficiencia en la producción de un SFVCR, en un día no laboral en que la producción es igual al 233% del consumo 51

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55 Laboratorio de aplicaciones Foto voltaicas de la EIE El costo de una instalación FV es de aproximadamente $7 a $11 por Wp, que puede desglosarse en $5 a $6 para los PFV, $ 1 para la circuitería de acondicionamiento de potencia, $1 a $4 por mano de obra e instalación. El laboratorio de aplicaciones FV de la EIE, consta de un sistema aislado de 400Wp, un sistema conectado a la red de 2100Wp y un sistema de monitoreo de parámetros físicos y eléctricos, que nos permiten tenerun registro diario de potencia, energía, radiación solar y otras variables. En nuestra escuela el sistema conectado a la red de 2.1 Kw pico costó: Paneles $ , Inversores $ , Sistema de monitoreo y control $ , Sensores de temperatura, radiación y otros $ , Instalación eléctrica y estructura de montaje $ mano de obra $ 550 total $ , $ 8.57/watt. 55

56 Sistema fotovoltaico aislado instalado en la UES-EIE El banco de baterías instalados, consta de cuatro baterías de 250 A-H, a 6 voltios cada una, por lo tanto para poder obtener el voltaje deseado de 12 voltios es necesario colocar un arreglo en paralelo, de dos baterías en serie, y asi obtener un banco de 500 A-h. 56

57 Sistema FV conectado a la red en la EIE Este sistema, consta de tres arreglos de 4 paneles mono cristalinos, cada uno conectado a un inversor Sunny boy de 700 watts, haciendo así una capacidad de 2.1 Kw 57

58 Diagrama unifilar SFV conectado a la red 58

59 Diagrama de conexión sistema de control y monitoreo 59