Componentes del Sistema y Configuraciones

Transcripción

1 Componentes del Sistema y Configuraciones Ing. Egberto Hernández Universidad del Turabo School of Engineering ETRE 130

2 Componentes Todo sistema Fotovoltaico requiere equipos eléctricos como: Sistema de Control Sistema de Conversión DC-AC Sistema de Distribución Almacenamiento (Baterías, Capacitores, etc.) Cabe destacar que dependiendo la aplicación e instalación del sistema requiere otros componentes operacionales para que el sistema trabaje eficientemente.

3 Módulos Y Arreglos Un arreglo consiste en módulos de celdas fotovoltaicas conectados entre ellas para así producir el voltaje que deseamos, la corriente deseada y la potencia deseada en el diseño de la instalación. Los módulos producen voltaje DC, el cual podemos utilizar para: Cargar Baterías Conectar directamente cargas que utilizan DC Convertir el DC a AC Hacer un interface entre el DC y el AC dependiendo de la aplicación.

4 Sistema de Almacenamiento de Energía Batería Convierte energía química en energía eléctrica. Los sistemas fotovoltaicos usan bancos de baterías que están conectados en serie y paralelo dependiendo las características a las cuales conectemos nuestro sistema. El tamaño de las baterías se conoce según su capacidad esta capacidad se puede medir en Amperes-horas o kilowatts-horas.

5 Sistema de Almacenamiento de Energía Batería

6 Sistema de Almacenamiento de Energía Flywheels Son grandes en comparación a las baterías. Son comúnmente utilizadas para transferir Potencia a motores, bombas de aguas y otras cargas rotacionales. La cantidad almacenada depende de la masa, la forma y la velocidad a la cual este gira. Esta energía es energía cinética la cual es convertida en electricidad. Esta tecnología es bien eficiente y requiere poco mantenimiento. Se usa para almacenar sistemas de pequeñas escalas de 2kWh a 25kWh con una eficiencia de 90%.

7 Sistema de Almacenamiento de Energía Flywheels

8 Sistema de Almacenamiento de Energía Súper Capacitor Almacena energía mediante un campo eléctrico que se desarrolla por dos cargas opuestas entre dos conductores separados por un material dieléctrico. Capacitancia es la habilidad de almacenar cargas eléctricas y se mide en FARADS (faradios). Esta tecnología usa material avanzado para incrementar la capacitancia, resultando un aumento significante aumento en el almacenamiento de energía. Estos súper capacitores están remplazando las baterías en aplicaciones de bajo voltaje.

9 Sistema de Almacenamiento de Energía Súper Capacitor

10 Sistema de Almacenamiento de Energía Súper Capacitor

11 Equipos Principales Inversor Dispositivo que convierte de DC a AC. En el sistema fotovoltaico el Inversor es bien importante cuando se quiere obtener electricidad AC. Este AC se puede exportar al Grid de la AEE. Típicamente estos inversores son 120V a 240V ( single-phase )

12 Equipos Principales Inversor

13 Equipos Principales Cargador ( Charge Control ) Dispositivo que controla la carga de las baterías. Controla el voltaje y la corriente al cargar las baterías. Este controlador se encarga de monitorear que las baterías no se vayan a sobre cargar y también controla la descarga de las baterías, prolongando la vida útil de la batería. El cargador es importante para el rendimiento del sistema.

14 Equipos Principales Cargador ( Charge Control )

15 Equipos Principales Rectificador y Cargador Rectificador Dispositivo que rectifica la señal AC a una Señal DC. Cargador Dispositivo que combina rectificadores, filtros, transformadores y otros componentes DC para poder cargar las baterías.

16 Equipos Principales Rectificador y Cargador

17 Equipos Principales Convertidor DC DC Dispositivo que convierte un voltaje DC a otro voltaje DC. Ejemplo: a 20A Este dispositivo es bien importante ya que nos ayuda a poder convertir el voltaje DC en lo que necesitemos.

18 Cargas Eléctricas Son los dispositivos eléctricos que conectamos. AC Dispositivos comunes utilizados en nuestro diario vivir Ejemplo: Nevera Lavadora Micro-onda Etc. DC Mayormente dispositivos electrónicos Ejemplo Cargadores (celulares, baterías, etc.)

19 Configuración del Sistema PV Direct-Coupled Systems Es un arreglo que se conecta directamente a la carga DC. Esta aplicación se utiliza para cargar celulares, baterías y aplicaciones que se vayan a utilizar en el momento.

20 Configuración del Sistema PV Self Regulating Systems Es un arreglo que requiere algún sistema de almacenamiento. Baterías Se utiliza para energizar cargas DC y la batería nos permite tener almacenamiento, por ende es mas duradero y eficiente y se puede utilizar para acampar, etc. Este sistema es propenso a que se sobre cargue la batería debido a que no tiene ningún tipo de control que regule este hecho.

21 Sistema Interactivo Sistema conectado en Paralelo a el Grid, en nuestro caso AEE. Este sistema es llamado típicamente Grid Connected Es un sistema un poco mas caro ya que necesita otros componentes para acoplar el sistema al Grid. Cabe destacar que tiene una distribución bidireccional es por esto que el sistema es un poco mas complicado que los anteriores.

22 Sistema Interactivo

23 Net Metering Este sistema permite exportar la electricidad que el sistema PV genera. Con este sistema la AEE nos acredita ese exceso y nos lo resta de la factura. Para hacer la Interconexión con el Grid es importante conocer la permisología que esto conlleva ya que debemos proteger nuestro sistema y el sistema de la AEE.

24 Net Metering

25 Bimodal Systems Sistema que nos permite utilizarlo simplemente para la generación en nuestro hogar como también permite la opción de hacer la interconexión Sistema bastante costoso. Este sistema tiene como particularidad la conexión de cargas criticas, ósea podemos separar las cargas. Para esto es importante hacer un estudio (Censo de cargar) e identificar las llamadas cargas criticas. Nevera Computadoras Sistema de iluminación Etc.

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27 Sistema Hibrido Sistema que implementa energía Solar con energía Eólica.

28 Celdas, Módulos y Arreglos Ing. Egberto Hernández Universidad del Turabo School of Engineering ETRE 130

29 Celdas Fotovoltaicas Dispositivo semiconductor que convierte radiación solar en corriente directa (DC).

30 Efecto Fotovoltaico Movimiento de electrones en un material que absorbe fotones. Es un proceso en donde se convierte la luz solar en energía en nuestro caso electricidad. Los fotones tienen una cantidad de energía que depende del ancho de la onda de luz. Los fotones son una unidad electromagnética de radiación. Dependiendo del ancho de onda de la luz el efecto fotovoltaico incrementa o disminuye.

31 Efecto Fotovoltaico Una celda solar esta formada por Wafer que consisten en una junta p-n. La junta p-n tiene limites adyacentes con una capa tipo p y tipo n. Estas capas son en material Semiconductor en contacto uno con el otro. Cuando la junta p-n se expone a iluminación una energía de fotones es absorbida en la junta y esta imparte electrones extras al material. Generando así el DC.

32 Efecto Fotovoltaico Estos electrones ganan energía potencial y están en posición de realizar trabajo antes de volver a su estado mas bajo.

33 Efecto Fotovoltaico

36 Corriente Voltaje (I V) Curva característica en la que se representa todas los posibles puntos de operación de la Placa Fotovoltaica Corriente Voltaje Output Power Es una representación grafica de todos los posibles voltajes y corrientes en la operación del sistema.

37 Representación Grafica (I V) Parámetros que determina la grafica: Voc = voltaje en circuito abierto ( open-circuit ) Isc = corriente en corto circuito ( Short-circuit current ) Vmp = maximum power voltage Imp = maximum power current Pmp = maximum power

38 Voltaje en circuito abierto ( Open-Circuit ) Es el voltaje máximo en la grafica I-V y es el punto de operación de un sistema fotovoltaico a circuito abierto, sin carga o sea la corriente es 0 y el Power es 0.

39 Voltaje en circuito abierto ( Open-Circuit ) Corriente máxima en la grafica I-V y es el punto de operación de un sistema fotovoltaico a no carga o corto circuito, no hay corriente ni Power. Esta corriente permite determinar la corriente máxima que puede soportar un arreglo Fotovoltaico.

40 Voltaje en circuito abierto ( Open-Circuit )

41 Maximum Power Point Es el punto de operación donde el sistema fotovoltaico produce su máximo Power Output, entre el voltaje a circuito abierto y la corriente en corto circuito. El power máximo es llamado Peak Power y es expresado en Peak Watts (Wp). Maximum Power Voltage Es el voltaje de operación máximo en la curva I V. Maximum Power Current Es la corriente de operación máxima de la curva I V.

42 Maximum Power Point Es el punto de operación donde el sistema fotovoltaico produce su máximo Power Output, entre el voltaje de circuito abierto y la corriente en corto circuito. El power máximo es llamado Peak Power y es expresado en Peak Watts (Wp).

43 Maximum Power Point El Maximum Power se calcula utilizando la formula. Pmp = Vmp x Imp Donde Pmp = maximum power (W) Vmp = maximum power voltage (V) Imp = maximum power current (I)

44 Maximum Power Point Ejemplo #1: Cual es el máximo power de un sistema fotovoltaico con un maximum power voltage de 23.5V y un maximum power current de 7.1 A?

45 Maximum Power Point Ejemplo #1: Cual es el máximo power de un sistema fotovoltaico con un maximum power voltage de 23.5V y un maximum power current de 7.1 A? Solución Formula Pmp = Vmp x Imp Pmp = (23.5) x (7.1) Pmp =166.8 W

46 Fill Factor (FF) Es la proporción del máximo power producido por el voltaje de circuito abierto y la corriente en corto circuito. El FF representa el rendimiento cualitativo del sistema fotovoltaico y la forma de la curva I V. Si el FF es alto esto quiere decir que el voltaje y la corriente en maximum power están cerca del valor de el voltaje de circuito abierto y la corriente en corto circuito respectivamente.

47 Fill Factor (FF) Fill Factor (FF) El Fill Factor se calcula utilizando la formula. FF = PmpVOC x ISC Donde FF = Fill Factor Pmp = maximum power (W) VOC = Voltaje a circuito abierto (V) ISC = Corriente en corto circuito (I)

48 Fill Factor (FF) Ej. #2: Cual es el FF de una celda solar con un Power máximo de 3W y un voltaje de circuito abierto de 0.6V y una corriente en corto circuito de 7 A? Solución FF = PmpVOC x ISC FF = 30.6 x 7 FF = FF = 71.4%

49 Eficiencia Es el proporción de power de salida a power de entrada. La eficiencia de una placa fotovoltaica depende considerablemente de su tecnología. La eficiencia se expresa en porciento

50 Eficiencia La Eficiencia se calcula con la siguiente formula: ɳ = PmpE x A Donde ɳ = eficiencia Pmp = maximum power (W) E = Irradiación solar (W/m2) A = área (m2) Ej. #3: Cual es la eficiencia de un modulo FV con un area de 1.2m2 y un power maximo de 160W cuando esta expuesto a una irradiacion solar de 1000 W/m2

51 Eficiencia ɳ = PmpE x A ɳ = x 1.2 ɳ = ɳ = 13.3%

52 Conexiones Eléctricas Conexión en serie Celdas individuales conectadas en serie soldadas con líneas metálicas. En la parte superior se conecta el terminal negativo y en la parte inferior se conecta el termina positivo. Los módulos se conectan en serie conectando el terminal negativo al terminal positivo del próximo modulo. Los módulos conectados en serie tiene en la misma corriente de salida.

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54 Conexión en Paralelo Conexiones en paralelo no se utilizan en sistemas fotovoltaicos individuales. Conexiones paralelas envuelven conectar el terminal positivo de cada string juntos y el terminal negativo de cada string también se conectan juntos.

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68 Baterías Utilizadas en un Sistema FV Lead Acid Batteries Son baterías costo efectivas. Generalmente su capacidad es de 10 Ah hasta 1000Ah. Son Deep cycle por ende ideales para los sistemas fotovoltaicos. Lead Antimony Batteries Son excelentes para proveer una descarga profunda mucho mas efectiva aumentando así el rendimiento de la batería. Desventaja se descarga rápidamente sino esta conectada a ningun tipo de carga.

69 Baterías Utilizadas en un Sistema FV Baterias hibridad (hyrid Batteries) Tienen una capacidad mas duradera a la hora de descargarse. Nickel-Cadmium Baterries Vida útil mucho mas duradera que las demás. Poco mantenimiento Tiene una tolerancia de descarga mucho mas efectiva que las demás. La desventaja mas grave es que son muy costosas y su disponibilidad es limitada.

70 Seguridad con las Baterías Protección Personal Protección a descargas eléctricas Protección de quemaduras con el acido de la batería Protección a explosiones ya sean por sobrecargarse o por sobrecalentarse

71 Bancos de Baterías Son un grupo de baterías conectadas en serie, paralelo o en series-paralelos dependiendo el voltaje, corriente y output power deseado para una optimización de nuestro sistema. Conexión en serie El voltaje aumenta con respecto a la cantidad de baterías que se necesiten. La corriente siempre va hacer la misma en todas las baterías. Conexión en Paralelo El voltaje es el mismo siempre La corriente cambia según la cantidad de baterías conectadas Conexión Serie-Paralelo (conexión que es capaz de proveer un nivel de voltaje efectivo con un nivel de corriente adecuado)

72 Criterios de Selección de Baterías Requerimientos del sistema Configuración del sistema Corriente de descarga Carga y descarga diaria Autonomía del sistema Accesibilidad Temperatura

73 Características de la Batería Densidad de almacenamiento de energía Selladas o no selladas Carga y descarga permitida Características de carga Ciclo de vida Gravedad especifica de Electrolisis Susceptibilidad a congelación Susceptibilidad a la sulfatación Características del gas Self-discharge rate Requerimientos de mantenimiento Peso y tamaño Costo Garantía

74 Controladores de Carga (Charge Controllers) Dispositivo que regula la carga de la batería para optimizar el voltaje y la corriente necesaria para cargar una batería segura y eficazmente. Controla la corriente deliberada por las baterías.

75 Controladores de Carga (Charge Controllers)

76 Protección Contra la Sobrecarga Es la condición en la cual la batería esta a su máximo punto de carga. Este dispositivo nos ayuda a interrumpir el que las baterías se sigan cargando evitando así que las baterías se sobrecalienten.

77 Protección Contra la Sobre Descarga Es la condición en que las baterías pierden carga debido a su uso. Este dispositivo evita que las baterías se descarguen por completo evitando así danos en la vida útil de la batería. Es preferible recargar la batería cuando le quede un 20% de carga, se pueden recargar al 10%. De esta forma evitamos daños a la batería.

78 Protección Contra la Sobre Descarga Es la condición en que las baterías pierden carga debido a su uso. Este dispositivo evita que las baterías se descarguen por completo evitando así danos en la vida útil de la batería. Es preferible recargar la batería cuando le quede un 20% de carga, se pueden recargar al 10%. De esta forma evitamos daños a la batería.

79 Tipos de Controladores de Cargas Tipo interruptor Son controladores de ON y OFF, tan pronto se carga la batería el sistema apaga el interruptor automáticamente y cuando la batería necesita carga se enciende. Tipo linear Controladores que limitan la corriente gradualmente manteniendo así un ritmo de carga constante, en otras palabras son cargadores mas eficientes y rápidos. Son compatibles con la mayoría de las baterías.

80 Tipos de Controladores de Cargas Controladores de carga Shunt Son controladores que limitan la corriente de la batería cortocircuitando el arreglo Fotovoltaico. Shunt-Interrupting Charge Controller Suspende completamente la corriente cortocircuitando el arreglo. Shunt-Linear Charge Controller Controla gradualmente la carga de la batería disminuyendo la resistencia del sistema y mantiene la batería en un voltaje estable.

81 Tipos de Controladores de Cargas

82 Tipos de Controladores de Cargas Controladores de carga en Serie Controla la corriente del sistema de baterías abriendo el circuito, entiéndase arreglo fotovoltaico sin carga. Interruptor de carga en Serie Es un controlador que abre completamente el circuito y no permite ningún flujo de corriente a la batería. Esto es para cuando hay una perdida de voltaje grande (voltage drop) Controlador Linear de carga en Serie Limita la corriente de la batería gradualmente aumentando la resistencia del sistema de los elementos en serie.

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